Повышение профильной проходимости транспортных средств для перевозки грузов в сельском хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение профильной проходимости транспортных средств для перевозки грузов в сельском хозяйстве

А.С. Мясников

С.Д. Фомин

Актуальность. Для перевозки сельскохозяйственных грузов при проведении полевых работ в хозяйствах используются транспортные средства общего назначения широкого профиля применения. Конструктивно заложенные в устройство транспортных средств, эксплуатируемых в сельском хозяйстве технические характеристики профильной проходимости при характерных для полевых условий работы факторах (пересеченный рельеф местности, низкая несущая способность опорной поверхности, неблагоприятные погодные условиях) вызывают затруднения в их передвижении, а иногда и полное застревание. Срыв графиков выполнения полевых работ и сроков поставки сельскохозяйственной продукции неблагоприятно сказывается как на отдельных результатах производства работ, так и в целом на деятельности предприятия, хозяйства. Одним из направлений роста эффективности транспортных средств, занятых в сфере сельского хозяйства, является повышение их профильной проходимости. Объект. Объектом исследования является действующий макет транспортного средства. Материалы и методы. Проведен сравнительный анализ параметров профильной проходимости автомобилей, эксплуатируемых в сфере сельского хозяйства, с данными экспериментальных исследований показателей профильной проходимости действующего макета транспортного средства. Расчетно-графическим путем определены предельные размеры препятствий, преодоление которых возможно действующим макетом транспортного средства, с учетом заложенных в его конструкцию технических решений. Результаты и выводы. Сравнительный анализ показателей профильной проходимости автомобилей КАМАЗ-55102, КАМАЗ 43118 модель 4590D1 и действующего макета транспортного средства показал, что технические решения, заложенные в конструкцию последнего, позволяют расширить параметры профильной проходимости. Действующий макет транспортного средства способен преодолевать рвы шириной до 1,88-D, выпуклые продольные препятствия радиусом от 0,061м, выпуклые поперечные препятствия - радиусом от 0,37 м.

Ключевые слова: профильная проходимость автомобилей, действующие макеты транспортных средств, перевозка сельскохозяйственных грузов.

Введение

На сегодняшний день одним из «локомотивов» агропромышленного комплекса (далее АПК) страны является растениеводство, что обусловлено неуклонным простом валового сбора сельскохозяйственных культур в России за последние 10 лет [9]. Повышение урожайности сказывается на многих показателях АПК, включая объем перевозимых грузов и количество грузоперевозок, для выполнения которых применяют в том числе грузовые автомобильные транспортные средства.

Транспортные работы, выполняемые автомобилями и автопоездами, являются одним из важных слагаемых успешного функционирования любого сельхозпредприятия и по оценкам специалистов занимают порядка 60 % от общего объема перевозок сельскохозяйственных грузов и 85 % грузооборота [5, 8, 11]. По мнению ряда ученых, перевозка сельскохозяйственных грузов представляет собой отдельную технологию механизированных сельскохозяйственных работ, для реализации которых необходимо выпускать специальные транспортные средства, конструктивно способные работать и выполнять задачи в полевых условиях [1, 4, 10, 12, 13, 16].

Имеющиеся и занятые на сегодняшний день в отрасли образцы грузовой автомобильной техники выполняют большой объем работы по перевозке грузов, но далеко не всегда способны выполнять ее качественно и в срок, а как известно, от сроков посевов, проведения технологических операций по возделыванию, уборки, а также периода и условий вывоза урожая с полей зависят урожайность, сохранность и качество продукции, ее товарный вид.

Одной из ключевых причин, снижающих эффективность работы грузовой автомобильной техники при перевозке грузов в полевых условиях, является недостаточная проходимость при низкой несущей способности опорной поверхности в весенний и осенний периоды, наличие пересеченного рельефа местности, низкого уровня оснащения территории хозяйств дорогами с твердым покрытием, а также влияние климатических особенностей регионов страны [15]. Перечисленные факторы обусловлены тем, что эксплуатируемая в сельском хозяйстве автомобильная грузовая транспортная техника является средствами общего назначения и широкого профиля применения для различных сфер хозяйственной деятельности человека и конструктивно не адаптирована под специфичные для сельского хозяйства условия работы. Выпускаемые на сегодняшний день промышленностью транспортные средства сельскохозяйственного назначения отличаются, например, от строительных только облегченной конструкцией кузова, его размерами и способом разгрузки (боковой или трехсторонний) [5, 8, 11].

Одним из направлений для повышения мобильности автомобильных грузовых транспортных средств эксплуатируемых при перевозке грузов в сельском хозяйстве является повышение профильной проходимости, под которой ученый С. В. Котович понимает способность автомобиля к преодолению препятствий различного рода (подъемов, косогоров, рвов и т.п.) и его вписывания в требуемую полосу движения [2]. Профильная проходимость транспортного средства ограничивается его конструктивными параметрами - геометрическими характеристиками, размерами колес, схемами расположения осей и другими данными [2, 14].

Материалы и методы

Для исследования способов повышения профильной проходимости разработан действующий макет транспортного средства (рисунки 1, 2), который состоит из следующих конструктивных узлов и единиц (Патент на изобретение 2782207. Устройство передвижения транспортного средства. Мясников А. С., Фомин С. Д. и др.) [3]: 1-3 - части продольного перемещения движителей 4 вдоль рамы 5; 6 - механизмы поступательного перемещения частей 1-3; 7 - поперечная балка, связывающая движители 4, расположенные по разным сторонам бортов; 8 - механизмы перемещения движителей 4 с балками 7 в вертикальной плоскости; 9 - кабина; 10 - кузов; 11 - механизм продольного перемещения кузова и кабины; 12 - источники энергии; 13 - электрический блок; 14 - пульт управления. Габаритные размеры машины: длина - 1500 мм; ширина - 540 мм.

Рисунок 1 - Схема экспериментального транспортного средства

Рисунок 2 - Общий вид макета транспортного средства (без кузова и кабины)

профильная проходимость транспортный автомобиль

Заложенное в макет техническое решение для повышения профильной проходимости заключается в следующем: каждая из осей транспортного средства с расположенными на ней движителями имеет техническую возможность перемещения относительно рамы транспортного средства в продольном и вертикальном направлении и способны занимать относительно рамы любое пространственное положение в пределах технически заложенной величины; кузов и кабина транспортного средства имеют техническую возможность перемещения вдоль рамы и способны занимать любое положение в границах технически заложенной величины с целью переноса центра тяжести и распределения массы транспортного средства и перевозимого им груза в зависимости от взаимного расположения осей с движителями [3].

Некоторые возможные варианты передвижения макета транспортного средства по опорной поверхности представлены на рисунке 3. На рисунке 3а оси О1, О2, О3 располагаются на расстоянии

Рисунок 3 - Схемы возможного расположения осей с движителями и кабины с кузовом: Oi, О2, О3 - оси с движителями транспортного средства; hi, h2, h3 - расстояние от рамы транспортного средства до соответствующей оси Oi, О2, О3 транспортного средства; Oi,2, О2,3 - расстояние между осями транспортного средства

Выбор схемы передвижения определяется оператором-водителем по результатам визуального определения параметров преодолеваемого препятствия. Технически возможно оснащение автомобиля средствами технического зрения и определения пространственного положения осей с движителями и кузова с кабиной относительно рамы транспортного средства, а также блока получения, обработки и выдачи информации и с помощью любого из известных способов передачи информации (проводная связь, Bluetooth, нейросеть и т.п.) выполнять дистанционное управление или роботизированное передвижение.

Для исследования эффективности принятых в макете транспортного средства (рисунок i) технических решений, направленных на повышение его профильной проходимости, проведем сравнительный анализ параметров профильной проходимости некоторых серийно-выпускаемых и используемых в сельском хозяйстве образцов автомобильной колесной техники с действующим макетом транспортного средства.

Результаты и обсуждение

В качестве используемых в сельском хозяйстве единиц техники приняты трехосный самосвал зерновоз модели 4590Di на шасси КАМАЗ 43ii8 с колесной формулой 6*6 (рисунок 4) [6] и самосвал КамАЗ-55102 с колесной формулой 6*4 (рисунок 5) [7].

Рисунок 4 - Общий вид самосвала зерновоза модели 4590D1 на шасси КАМАЗ 43118

Рисунок 5 - Общий вид самосвала КАМАЗ-55102

Учитывая различия в габаритных размерах макета и техники используемой в хозяйствах для получения истинных исследуемых параметров, введем при сравнении линейных показателей моделей 4590D1 и КАМАЗ-55102 с макетом транспортного средства (рисунок 1) поправочный коэффициент:

где Lj - габаритная длина рассматриваемой единицы автомобильной грузовой транспортной техники, мм; L - длина действующего макета транспортного средства (рисунок 1), мм.

В качестве параметров профильной проходимости автомобильных транспортных средств в исследовании принимаются следующие показатели: дорожный просвет h; база транспортного средства l; передний l1 и задний l2 свес; угол переднего у1 и заднего у2 свеса машины; статический радиус колеса гст, радиус продольной R и поперечной r проходимости автомобиля.

Анализ руководств по эксплуатации автомобилей [6, 7], результаты измерений геометрических параметров действующего макета транспортного средства, а также их сравнительный анализ показателей с учетом поправочного коэффициента приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры профильной проходимости транспортных средств

Полученные результаты параметров профильной проходимости автомобилей КАМАЗ-55102, КАМАЗ 43118 модель 4590D1 и действующего макета транспортного средства, а также данные их сравнительного анализа свидетельствуют о том, что техническая возможность изменения пространственного положения каждой из осей с движителями в продольном и вертикальном относительно рамы положении, а также изменение положения центра тяжести кузова и кабины относительно рамы позволяют:

- изменять клиренс, с возможностью его выбора в зависимости от рельефа опорной поверхности или выполняемой технологической операции в области сельского хозяйства;

- изменять базу транспортного средства, углы его переднего и заднего свеса, а также радиусы продольной и поперечной проходимости в зависимости от размеров преодолеваемых препятствий, характера их размещения и частоты расположения на опорной поверхности;

- в зависимости от распределения перевозимого груза в кузове транспортного средства имеется техническая возможность перераспределения загрузки каждой из его осей путем изменения параметров базы, переднего и заднего свесов.

Учитывая технические преимущества и возможности применения действующего макета транспортного средства по сравнению с применяемыми в отрасли сельского хозяйства автомобилями, рассмотрим возможности его профильной проходимости при преодолении пороговых выпуклых препятствий и рвов.

Преодоление рвов. Согласно [2], ориентировочная ширина рва, преодолеваемого многоосным автомобилем, у которого оси располагаются или могут располагаться симметрично, определяется по формуле:

где l0 - расстояние от оси передних колес до центра масс; n - число осей автомобиля.

С учетом того, что у действующего макета транспортного средства кузов имеет техническую возможность перемещения вдоль рамы на расстояние 0<Ькуз.каб<0,3 м, а ось с движителями может перемещаться вдоль рамы на 0<Ьоси<0,43, то расстояние от оси передних колес до центра масс автомобиля может меняться и находиться в интервале 0,28< l0< 1,01 м. Тогда:

Полученные результаты по преодолению рвов действующим макетом транспортного средства показывают, что передвижение по опорной поверхности с включением препятствий размером менее 0,11 м макет способен преодолевать способом качения, что в сравнении с наружным диаметром движителей (D=0,215 м) составляет 0,5-D. Полученные результаты соответствуют трехосным автомобилям с несимметричным расположением осей [2].

Преодоление рвов размером более 0,11 м макет транспортного средства способен преодолевать с использованием технической возможности изменения базы и параметров переднего и заднего свесов за счет механизмов продольного перемещения осей с движителями. Максимальный размер преодолеваемого препятствия макетом с учетом его технических возможностей равен 0,404 м, что в сравнении с наружным диаметром движителей составляет 1,88-D. Полученные результаты соответствуют четырех - шестиосным автомобилям. Таким образом, анализ полученных результатов показал, что в части преодоления рвов профильная проходимость действующего макета транспортного средства значительно выше по сравнению с используемыми в сельском хозяйстве трехосными автомобилями с несимметричным расположением осей [2] и эквивалентна автомобилям с осями более 3.

Преодоление выпуклых препятствий.

Согласно [2], радиус предельно допустимого продольного выпуклого препятствия рассчитывается по формуле:

где l - база; r0 - статический радиус колеса, м; hK - расстояние от опорной поверхности до наиболее низкой точки автомобиля в продольном направлении, м; А - расстояние от наиболее низкой точки автомобиля в продольном направлении до середины его базы, м.

Согласно формуле 4, для действующего макета транспортного средства с учетом его технических возможностей, заключающихся в изменении положения осей с движителями в продольной и вертикальной плоскостях, а также кабины с кузовом в продольной плоскости относительно рамы, параметры l и А будут меняться в интервалах соответственно 0,215</<0,94, 0,29< А<73. Для анализа влияния параметров l, А, hK - на изменение предельно допустимого радиуса продольного выпуклого препятствия использовалась система Mathcad. Полученные в ходе исследований результаты представлены в таблицах 2, 3 и на рисунке 6.

Анализ результатов исследования радиуса предельно допустимого продольного выпуклого препятствия действующим макетом транспортного средства показал, что автомобиль в зависимости от установленных параметров l, А и hK может преодолевать продольные препятствия радиусом, изменяемым в интервале 0,06< R <0,404 м, причем при увеличении базы автомобиля l радиус преодолеваемого препятствия увеличивается. Изменение параметра А носит знакопеременный характер влияния на радиус преодолеваемого препятствия в зависимости от изменения базы l макета. Так, для поверхности R1 при изменении базы до /<0,376 м и увеличении А - радиус преодолеваемого препятствия увеличивается, а при />0,457 м - радиус уменьшается. Для поверхности R2 при увеличении А во всем диапазоне технически возможного изменения базы l радиус предельно допустимого продольного выпуклого препятствия увеличивается.

Сравнительный анализ результатов исследования при различных параметрах дорожного просвета hK показал, что при увеличении базы автомобиля до определенного значения параметр R1 был больше R2, а при /=0,859 и А=0,29 м показатель R2>R1 (рисунок 5). Данный факт обусловлен тем, что при достижении радиусом предельно допустимого продольного выпуклого препятствия величины равному дорожному просвету, автомобиль будет способен преодолевать препятствия, радиус которых превышает его клиренс и идет резкое увеличение данного параметра.

Минимальный радиус преодолеваемого препятствия при hK=0,18 м равен R1=0,061 м и наблюдается при параметрах /=0,215 м, А=0,29 м, при hK=0,31 м - R2=0,135 м.

Область, заключенная между двумя поверхностями R1 и R2 (рисунок 6), является диапазоном возможного преодоления макетом транспортного средства предельных выпуклых продольных препятствий, располагающихся на пути его передвижения.

Возможности макета транспортного средства позволяют ему передвигаться по опорной поверхности как с наличием не протяженных по длине (протяженность меньше базы автомобиля), но часто расположенных на опорной поверхности препятствий, так и затяжных препятствиях.

Таблица 2 - Результаты исследования изменения радиуса R1 предельно допустимого продольного выпуклого препятствия в зависимости от изменения / и А действующего макета транспортного средства при hK=0,18 м

Таблица 3 - Результаты исследования изменения радиуса R2 предельно допустимого продольного выпуклого препятствия в зависимости от изменения l и А действующего макета транспортного средства при hK=0,31 м

Рисунок 6 - Поверхности изменения радиуса предельно допустимого продольного выпуклого препятствия в зависимости от изменения l и А при преодолении действующим макетом транспортного средства: R1 - поверхность изменения при hK=0,18 м; R2 - поверхность изменения при hK=0,31 м

Б) Преодоление допустимого поперечного выпуклого препятствия.

где Ввн - расстояние между внутренними поверхностями шин движителей оси; hм -- расстояние от опорной поверхности до наиболее низкой точки автомобиля в поперечном направлении.

Согласно формуле 5, для действующего макета транспортного средства с учетом его технических возможностей, заключающихся в изменении положения осей с движителями в вертикальной плоскости, относительно рамы параметр hM будет меняться в интервале 0,18< hM <0,31. Полученные в ходе исследований результаты зависимости радиуса препятствия от дорожного просвета действующего макета транспортного средства в поперечном направлении представлены на рисунке 7.

Анализ результатов исследования показывает, что при увеличении дорожного просвета радиус предельно допустимого поперечного выпуклого препятствия уменьшается и значение предельного минимального радиуса преодолеваемого препятствия при hM =0,31 м равно R3=0,37 м.

Возможности макета транспортного средства позволяют ему поступательно дви-гаться над препятствием, расположенным между колеей (междурядье, обвалование), что является важным показателем при работе автомобиля в сфере сельского хозяйства.

Рисунок 7 - График изменения радиуса R3 предельно допустимого поперечного выпуклого препятствия в зависимости от изменения hM при преодолении действующим макетом транспортного средства

Выводы.

Представленные в работе результаты сравнительного анализа действующего макета транспортного средства с другими образцами автомобилей, применяемых в сельском хозяйстве, показали, что имеющиеся в макете технические решения, позволяющие перемещать оси с движителями в продольной и вертикальной плоскостях, а также кабину с кузовом в продольной плоскости относительно рамы значительно повышают показатели профильной проходимости при преодолении препятствий, расположенных на опорной поверхности по траектории передвижения автомобиля.

Результаты исследований при преодолении макетом выпуклых препятствий и рвов показали, что транспортное средство способно преодолевать рвы шириной до 1,88 D, а выпуклые продольные препятствия радиусом от 0,061 м, поперечные радиусом от 0,37 м с возможностью выбора как взаимного расположения осей, так и их установку относительно рамы в рамках технически заложенной в конструкцию величины.

Разработка и применение в отрасли сельского хозяйства автомобилей с техниче-скими возможностями действующего макета транспортного средства является актуальной задачей, решение которой позволило бы повысить профильную проходимость ав-томобилей и эффективность работы транспорта в отрасли в целом.

Библиографический список / References

1. Евдокимова Н. Е. Исследование профильной проходимости шагающей машины // Известия ВолгГТУ. 2010. № 6 (66). С. 17-20.

2. Котович С. В. Движители специальных транспортных средств. МАДИ (ГТУ). М., 2008. Часть I. 161 с.

3. Мясников А. С., Фомин С. Д. Повышение проходимости машинно-тракторных агрегатов на основе оптимизации способов передвижения // Перспективные тенденции развития научных исследований по приоритетным направлениям модернизации АПК и сельских территорий в современных социально-экономических условиях: мат. нац. науч.-практич. конф. Волгоград, 2021. Том III. С. 451-457.

4. Пехутов А. С. Технологический процесс перевозок грузов в сельском хозяйстве и его показатели // Вестник КрасГАУ. 2008. Вып. 3. С. 258-264.

5. Пути дальнейшей модернизации транспортных средств для АПК / Н. В. Бышов, С. Н. Борычев, И. А. Успенский, И. А. Юхин, Д. С. Рябчиков, С. Н. Кулик // Научный журнал КубГАУ. 2016. № 123 (09).

6. Руководство по эксплуатации самосвала зерновоза модели 4590D1 на шасси КАМАЗ 43118. https://www.yarkamp.ru/catalog/kamaz-43118-4590d1-6x6.htm.

7. Руководство по эксплуатации самосвала КАМАЗ-55102. https://www.autoopt.ru/auto/encydopedia/truck/kamaz/mark/kamaz -55102.

8. Современная техника для АПК и перспективы ее модернизации / Н. И. Верещагин, Г. Д. Кокорев, С. В. Колупаев, В. А. Шафоростов, А. С. Колотов, А. А. Уткин, С. Н. Гусаров // Научный журнал КубГАУ. 2016. № 120 (06).

9. Состав агропромышленного комплекса России. Состав АПК России. http://agrogold.ru/sostav_agropromyshlennogo_kompleksa.

10. Сравнительный анализ колесных, гусеничных и шагающих машин / Е. С. Брискин, В. В. Чернышев, А. В. Малолетов, Н. Г. Шаронов // Робототехника и техническая кибернетика. 2013. № 1. C. 6-14.

11. Тенденции перспективного развития сельскохозяйственного транспорта / И. А. Успенский, И. А. Юхин, Д. С. Рябчиков, А. С. Попов, К. А. Жуков // Научный журнал КубГАУ. 2014. № 101 (07).

12. Черкашина Е. А., Ляшенко М. В., Валенцев М. C. Алгоритм изменения клиренса гидропневматической подвески специального транспортного средства // Известия Волгоградского государственного технического университета. Серия: Наземные транспортные системы. 2010. Т. 3. № 10 (70). С. 26-29.

13. Шаронов Н. Г., Кириллов А. П., Малолетов А. В. Исследование показателей профильной проходимости шагающей машины с цикловыми движителями // Известия ВолгГТУ. 2020. № 9 (244). С. 89-93.

14. Шухман С. Б., Соловьев В. И., Малкин М. А. Теоретическое исследование профильной проходимости полноприводного автомобиля // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование». 2010.

15. Analysis and justification of the layout of a multipurpose machine for the development of mineral deposits / A. Z. Kassenov, K. K. Abishev, B. N. Absadykov, V. S. Yessaulkov, A. B. Bolato- va // News of the National Academy of Sciences of the Republic of Kazakhstan, Series of Geology and Technical Sciences. 2022. No 1 (451). P. 63-68.

16. Walking machines (elements of theory, experience of elaboration, application)/ E. S. Briskin [et al.] // Emerging Trends in Mobile Robotics: proc. of the 13th Int. Conf. on Climbing and Walking Robots and the Support Technologies for Mobile Machines. Nagoya Inst. of Technology, Japan, 2010. P. 769-776.

Размещено на Allbest.ru