φ -
advertisement
Министерство образования и науки РФ
Министерство промышленности и торговли РФ
Министерство транспорта РФ
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии
Департамент обеспечения безопасности дорожного движения МВД РФ
Правительство Омской области
Администрация г. Омска
Ассоциация автомобильных инженеров (ААИ)
Государственный научный центр РФ ФГУП "НАМИ"
Объединение автопроизводителей России (ОАР)
Национальная ассоциация производителей автокомпонентов (НАПАК)
Издательский дом «ААИ-ПРЕСС»
ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
(СибАДИ)»
КАКОЙ АВТОМОБИЛЬ
НУЖЕН РОССИИ?
Материалы 69-й Международной научно-технической конференции
Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ)
Омск – 2010
2
УДК 625.7
ББК 39.3
М 34
Материалы 69-й Международной научно-технической конференции
Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Какой автомобиль нужен
России?» – Омск: СибАДИ, 2010. 350 с.
ISBN 978-5-93204-597-8
Печать статей произведена с оригиналов, подготовленных авторами.
Редакционная коллегия:
В.А. Сальников, д-р пед. наук, профессор
А.М. Завьялов, д-р техн. наук, профессор
В.В. Евстифеев, д-р техн. наук, профессор
Н.Г. Певнев, д-р техн. наук, профессор
В.П. Денисов, д-р техн. наук, профессор
А.П. Жигадло, д-р пед. наук, доцент
Е.Е. Витвицкий, д-р техн. наук, доцент
А.А. Соловьев, канд. физ-мат. наук, профессор
И.М. Князев, канд. техн. наук, доцент
А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доцент
Н.А. Тунгусова, канд. техн. наук
ISBN 978-5-93204-597-8
© ГОУ «СибАДИ», 2010
СЕКЦИЯ 1
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТАНОВЛЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ
УДК 005:656.01
ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ МИРОВЫМ
ЭКОНОМИЧЕСКИМ ХОЗЯЙСТВОМ К СОВРЕМЕННОМУ
НАЗЕМНОМУ ТРАНСПОРТУ
В.Н. Иванов, д-р. техн. наук, проф., Г.К. Салихова, соискатель
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
На сегодняшний день мировым экономическим хозяйством
выставлены весьма высокие технические требования к наземному
транспорту. Это связано с высоким уровнем технического развития,
экологическими проблемами, высокой конкуренцией автопроизводителей.
Для потребителя немаловажную роль играют эксплуатационные затраты,
что в свою очередь, влияет на конкурентоспособность автомобиля.
Если говорить о тягово-скоростных свойствах автомобиля, то здесь
инженерная
мысль
практически
достигла
своего
предела,
совершенствуются
в
основном
дизайн,
комфортабельность,
экономичность, безопасность. А вот экологическому аспекту уделяется
огромное внимание. Учёными подсчитано, что примерно 80 % выбросов
вредных веществ в атмосферу приходится на автомобильный транспорт.
Мировое сообщество серьёзно обеспокоено состоянием окружающей
среды. Такой вывод можно сделать по содержанию научно-популярных
статей и литературе. Публикуется множество статей о последних
разработках с целью создания экологичного и экономичного автомобиля.
Было бы идеально свести к нулю воздействие автомобильного транспорта
на окружающую среду. Частичное сокращение его негативного
воздействия возможно путём установки систем, контролирующих
количество вредных выбросов в атмосферу, применения альтернативных
экологически чистых видов топлива, электромобилей с электрическими и
комбинированными силовыми установками. Среди автопроизводителей
давно прослеживается тенденция разработки компактных, малогабаритных
двигателей. Растёт потребность в небольших, лёгких, но дееспособных
двигателях, так как при движении по городу не требуется повышенная
мощность и тяга. Небольшой литраж компенсируется наличием
компрессора, турбины или прямого впрыска. В новых моделях
механические системы заменяются на электронные. Это уменьшает
нагрузку на двигатель [1].
3
Существует Перечень Правил ЕЭК ООН,
экологические свойства автотранспортных средств [2].
определяющий
Таблица 1
Перечень Правил ЕЭК ООН,
определяющих экологические свойства автотранспортных средств
Номер
приводимого
правила
24
49
83
96
Содержание правила
Единообразные предписания, касающиеся:
1. официального утверждения двигателей с воспламенением от
сжатия в отношении выброса видимых загрязняющих веществ;
2. официального утверждения автотранспортных средств в
отношении установки на них двигателей с воспламенением от
сжатия, официально утвержденных по типу конструкции;
3. официального утверждения автотранспортных средств с
воспламенением от сжатия в отношении выброса видимых
загрязняющих веществ;
4. изменения мощности двигателей с воспламенением от сжатия
Единообразные
предписания,
касающиеся
официального
утверждения двигателей с воспламенением от сжатия и двигателей,
работающих на природном газе, а так же двигателей с принудительным
зажиганием, работающих на сжиженном нефтяном газе (СНГ), и
транспортных средств, оснащенных двигателем с воспламенением от
сжатия, двигателями, работающими на природном газе, и двигателями с
принудительным зажиганием, работающими на СНГ, в отношении
выделяемых ими загрязняющих веществ.
Единообразные предписания, касающиеся официального
утверждения транспортных средств в отношении выбросов
загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для
двигателей.
Единообразные предписания, касающиеся официального
утверждения двигателей с воспламенением от сжатия для установки
на сельскохозяйственных и лесных тракторах и внедорожной
технике в отношении выброса загрязняющих веществ этими
двигателями.
Автомобиль, участвующий в международном движении, должен быть
технически исправным и удовлетворять определенным техническим
требованиям. Эти условия изложены в приложении № 5 Венской
Конвенции и касаются: тормозной системы; огней и световозвращающих
приспособлений; рулевого управления; зеркала заднего вида; звукового
сигнала; стеклоочистителя и стеклоомывателя и другого.
Требования к допуску машины в международном движении,
изложенные в Конвенции, соответствуют Основным положениям по
4
допуску транспортных средств к эксплуатации, утвержденным
Постановлением СМ РФ от 23 октября 1993 года № 1090. Приведение
технических характеристик автомобиля в соответствии с этим документом
будет означать его готовность к участию в международном движении [3].
Экологическую проблему идеально решает электромобиль, но к нему
предъявляются дополнительные технические требования с целью
сокращения расхода электроэнергии. Скорость разряда аккумуляторной
батареи напрямую влияет на такой важный эксплуатационный параметр
как запас хода электромобиля. Экономия электроэнергии возможна путём
сокращения её расхода на преодоление сил сопротивления движению.
Группой учёных под началом В. А. Щетина [4] был сделан анализ
существующих формул определения запаса хода электромобиля, но
отмечается отсутствие единой методики для расчёта запаса хода
электромобиля. Приводится простая формула для его определения, но
недостатком её является то, что она не позволяет учитывать зависимость
величины энергоёмкости аккумуляторной батареи от режима и
интенсивности разряда, степени заряженности и типа источника тока.
Удельные затраты энергии на перемещение электромобиля зависят от ряда
факторов как конструктивного, так и эксплуатационного характера. В
источнике
[4]
дана
оценка
методике
учёных
Ереванского
политехнического института. Недостатком их методики является то, что
запас хода электромобиля определяется лишь при движении с постоянной
скоростью. Козловский и Яковлев для расчёта запаса хода предлагают
громоздкую формулу, неудобную в использовании. Щетиной определена
формула энергетического баланса при различных режимах эксплуатации.
Приводится подробное описание формул расхода энергии на преодоление
различных сил сопротивления. В ходе преобразования была выведена
новая, более ёмкая формула определения запаса хода электромобиля,
позволяющая учитывать не только общие параметры электромобиля, но и
такие эксплуатационные показатели как коэффициент учёта вращающихся
масс, коэффициент обтекаемости, коэффициент сопротивления качению.
Но в приводимой формуле нет чёткого обоснования используемых
показателей. В учебнике, написанном под редакцией В. Е. Розенфельда [5],
подробно анализируется сопротивление движению поезда, даётся полная
характеристика тяговому режиму движения поезда. Характеристики
движения и расхода энергии поезда и электромобиля очень схожи, так как
и тот и другой вид транспорта имеют один источник питания электрическая энергия. Поезд использует энергию переменного тока,
электромобиль - постоянного. Очевидна возможность объединения этих
формул: энергетического баланса и расхода энергии. В результате таких
преобразований можно получить формулу наиболее полно и адекватно
5
отражающую параметры электромобиля и его эксплуатационные
характеристики:
L = e*Gб/(Wк + Wк’+Wв+Wj),
(1)
где L – запас хода электромобиля, км;
e – удельная энергоёмкость источника тока, кВт*ч/кг;
Gб – масса аккумуляторной батареи, кг;
Wк – затраты энергии на преодоление сил сопротивления качению и
подъёму, Вт*ч;
Wк = Gэ*f*Lп/3,6*103,
(2)
’
Wк – затраты энергии на преодоление сил сопротивления качению и
подъёму при движении электромобиля в режиме торможения и движения
накатом, Вт*ч;
Wк’ = Gэ*f*Lт/3,6*103,
(3)
Wв – затраты энергии на преодоление сил сопротивления воздуха на
участках разгона и равномерного движения, Вт*ч;
Wв = k*F*vр.к * a*Lп/3,6*103,
(4)
Wj – энергия, затрачиваемая на преодоление силы сопротивления инерции,
Вт*ч;
Wj = Gэ*δ*j*Lp/g*3,6*103,
(5)
где Gэ – масса электромобиля, кг;
f – коэффициент сопротивления качению;
Lп - общая длина пути, м;
Lт – путь, проходимый электромобилем в режиме торможения и накатом, м;
k – коэффициент обтекаемости электромобиля;
F – площадь лобового сечения электромобиля, м2;
vр.к. – средняя скорость на участках разгона и равномерного движения, м/с;
a – доля пути, приходящаяся на разгон и равномерное движение,
а = 1 – Lт/ Lп,
(6)
δ – коэффициент учёта вращающихся масс;
j – ускорение при движении на расчётном участке, м/с2;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
Показатель запаса хода очень важен при организации эффективно
функционирующей
сети
заправочных
станций
электромобилей.
Необходим расчёт эксплуатационных параметров электромобиля,
максимально приближенных к практическому применению. Это и
позволяет сделать объединение методики Ставрова и энергетического
баланса Розенфельда. В результате, упрощаются расчёты и, в то же время,
учитывается реальный эксплуатационный расход энергии аккумуляторной
батареи для конкретного электромобиля.
Но современное общество ждёт от новых конструкторских идей ещё и
свежих дизайнерских решений, всевозможных электронных средств,
6
мощной акустической системы и т. д. Всё это, несомненно, повышает
расход электроэнергии аккумуляторных батарей электромобиля.
Есть также и ряд технических причин повышения расхода энергии,
такие как масса электромобиля, дальность перегона, скорость, частота
ускорений, аэродинамический показатель, температура окружающей
среды, стиль вождения.
Таким образом, современное наземное транспортное средство должно
быть безопасным, экологичным, отвечать тенденциям развития техники,
конкурентоспособным. На последний показатель влияют такие качества
как стоимость, комфортабельность, соответствие тенденциям моды.
Библиографический список
1. Бензиновым двигателям продлят жизнь // Автотранспорт. – 2008 год. - №9, - с. 48 -49.
2. Грушников В. Акцент на ресурсосбережение и экологию // Автотранспорт. – 2008
год. - № 12, с. 33-41
3. сайт: Avtosovet-67.Narod.Ru
4. Щетина В.А. Электромобиль: Техника и экономика / Ю.Я. Морговский, Б.И. Центер,
В.А. Богмазов – Л.: Машиностроение, 1987. – 253 с.
5. Розенфельд В.Е. Основы электрической тяги / Чеботарёв Е.В., Сидоров Н.Н.,
Болдов Н.А. – М.: Государственное энергетическое издание, 1957. – 342 с.
6. Лаврус В.С. Источники энергии. – К.: Наука и техника, 1995. – 48 с.
УДК 656.072
РАЗВИТИЕ ПЕРЕВОЗОК ПАССАЖИРОВ КОММЕРЧЕСКИМ
ТРАНСПОРТОМ В г. ОМСКЕ
С.В. Сорокин, канд. экон. наук
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Кризис системы общественного транспорта в середине 90-х годов
явился главной причиной развития частного сектора. Первые частные
автобусы на маршрутной сети города Омска появились в 1994 году. При
этом
перевозки
пассажиров
осуществлялись
преимущественно
автомобилями «Газель» в режиме маршрутных такси. Все автобусы
эксплуатировались на коммерческой основе без предоставления права
льготного проезда. Порядок доступа на маршрутную сеть был предельно
прост. Для этого необходимо было иметь лицензию на право выполнения
пассажирских перевозок и заключить договор с городской администрацией
на перевозку пассажиров на конкретном маршруте. При этом право выбора
маршрута и количества транспортных средств оставалось за перевозчиком,
а транспортная администрация регулировала стоимость проезда. На
первом этапе частные и муниципальные предприятия осуществляли
перевозки по единому тарифу. При этом одни и те же, наиболее
7
количество ПС, ед.
выгодные маршруты
обслуживались
одновременно
несколькими
перевозчиками. Все это породило классическую «конкуренцию на
маршруте», сопровождавшуюся оттоком платных пассажиров из сектора,
контролируемого муниципальными предприятиями. Для нормализации
ситуации транспортная администрация была вынуждена перевести
частных перевозчиков в другой ценовой сегмент. С этой целью на так
называемых коммерческих маршрутах был установлен более высокий
тариф. Так в системе городского пассажирского транспорта начался
период первоначального накопления капитала. Для «пионеров» первые
годы становления рынка коммерческих перевозок стали настоящим
Клондайком. Доходы в расчете на одно транспортное средство составляли
300-500 долларов США за смену. Таким образом, приобретенный автобус
окупался за несколько месяцев.
Высокая норма прибыли от перевозок и относительная доступность
транспортных средств привели к резкому увеличению численности
хозяйствующих субъектов и лавинообразному притоку частного капитала.
К 1999-му году их число достигло порядка 750 единиц, а уже к 2005му году количество маршрутных такси на улицах Омска достигло почти
4000 автобусов, причем около 1000 из них работали не легально (см.
рисунок 1).
4500
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008
год
Рис. 1. Динамика изменения количества маршрутных такси по годам
Данный вид транспорта быстро завоевал популярность среди
экономически активной части пассажиров, в виду более высокой скорости
сообщения, небольших интервалах движения, возможности посадки и
высадки пассажиров вне остановочных пунктов.
Однако бурное развитие данного вида перевозок, как и во многих
регионах России, имело свои отрицательные последствия. Прежде всего,
8
это связано со значительным увеличением нагрузки на транспортную сеть.
В связи с особенностью географического положения расположения и
функционального зонирования города транспортные пассажирские связи
реализуются по ограниченному количеству транспортных магистралей,
таких как, Проспект Маркса, Красный путь, Проспект Мира, улица
Богдана Хмельницкого и некоторых других. Возникает также проблема
снижения безопасности перевозок, увеличения выброса вредных веществ в
атмосферу. Кроме того, отток наиболее платежеспособной части
пассажиров на маршрутные такси и не всегда добросовестная конкуренция
со стороны частников обострили и без того значимые проблемы массового
муниципального транспорта.
Начиная с августа 2001 года, были предприняты конкретные шаги по
реформированию системы управления транспортом. Для этого в
соответствии с постановлением мэра в Управлении транспорта была
создана Рабочая группа с привлечением внешних консультантов ООО
«Карана». Мэр поставил перед консультантами задачу провести такие
преобразования, чтобы и он, и городская администрация могли
контролировать
деятельность
отраслей
городского
хозяйства.
Транспортная отрасль стала в этом списке первой.
В то время, анализ вариантов построения системы управления
транспортным комплексом показал целесообразность создания в структуре
Администрации Департамента транспорта для решения административных
задач и единого транспортного предприятия с сетью филиалов, где были
бы сосредоточены хозяйственные функции. В это же время было создано
муниципальное предприятие МУП «Омскпассажиртранс», и с этого
момента предприятия перешли в статус филиалов (ПАФ).
В свое время разные муниципальные предприятия конкурировали
между собой за финансирование, единицы транспортных средств,
маршруты. Рабочая группа решила, что конкуренцию между МУПами
необходимо исключить, так как все муниципальные предприятия
выполняют единую задачу. Предполагалось, что такое преобразование
позволит создать единые для всех предприятий условия работы, устранить
конкуренцию между ними, установить жесткий контроль за их финансовой
деятельностью. Так же, Рабочая группа говорила о том, что экономически
выгоднее закупать топливо, запчасти, резину централизованно. Новая
система казалась также очень удобной и в плане налогообложения.
Однако, несмотря на принятые меры к 2005-му году муниципальный
транспорт явно проигрывал конкуренцию с частными операторами. В
сложившейся ситуации администрация города приняла решение ограничить
допуск на рынок маршрутных такси и одновременно улучшить качество
обслуживания массовым маршрутным транспортом. Данное решение,
безусловно, было оправданным и позволяло снизить отрицательные факторы
9
Количество ПС, ед.
работы маршрутных такси без существенного ухудшения качества
транспортного обслуживания. С этой целью, в последующие годы, было
закуплено более 500 единиц подвижного состава (см. рис. 2).
Одновременно происходит реорганизация системы управления ГПТ
города Омска. В частности с целью увеличения финансовой
самостоятельности
предприятий
происходит
ликвидация
МУП
«Омскпассажиртранс». В это же время в городе появляется первое
совместное предприятие пассажирского транспорта ОАО «ПАТП – 2»,
51% акций которого принадлежит администрации города, что позволило
привлечь дополнительные инвестиции на приобретение подвижного
состава. Так наряду с подвижным составом большой вместимости ПАТП –
2, впервые в городе применили на маршрутах с незначительным
пассажиропотоком автобусы средней вместимости «ПАЗ – 4320», что
привело к уменьшению интервалов движения и повышению
эффективности использования ПС. Допуск маршрутных такси на рынок
было решено осуществлять только на основании результатов конкурса и
сократить их количество на маршрутах до 1500 единиц. Основным
параметром для определения победителя в конкурсе в этот период
являлось участие частных операторов в финансировании обустройства
маршрутной сети ГПТ.
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
год
автобусы
трамваи
троллейбусы
Рис. 2. Динамика изменения списочного количества подвижного
состава муниципального транспорта г. Омска
В 2007 году было предложено в качестве одного из критериев
определения победителей в конкурсе использовать готовность к
10
использованию ПС большей вместимости как это сделано, например, в
Новосибирске. По замыслу организаторов переход на подвижной состав
большей вместимости должен сократить количество ПС. Однако
выполнение условий таких контрактов потребует значительных
капитальных вложений на покупку ПС и обустройство необходимой
производственной базы, которые не все перевозчики могут себе позволить.
Следует отметить, что стремление администрации осуществлять
регулирование рынка транспортных услуг осуществляемых маршрутными
такси, как и во многих других городах России, столкнулись с
противодействием частных перевозчиков, чему способствовало отсутствие
федерального закона о регулировании рынка транспортных услуг.
Формирование конкурсной комиссии осуществлялось без участия всех
заинтересованных сторон. В ходе оценки предложений отсутствовал этап
проверки возможности выполнения операторами своих предложений. Не была
обеспечена прозрачность процедур оценки предложений и принятия решений,
что вызвало недоверие операторов к результатам конкурса. С целью защиты
своих интересов операторы образовывали свои объединения, широкое
распространение получила работа маршрутных такси без контракта с
администрацией, имели также место случаи работы без лицензии на перевозку
пассажиров. Для борьбы с «нелегалами» регулярно проводятся совместные
рейды представителей департамента транспорта и ГИБДД. Однако величина
административной ответственности за работу без контракта, возможность
оспаривать в судебном порядке решения о наложении штрафов и
ограниченные ресурсы контролирующих органов не позволяют эффективно
бороться с нарушителями.
В результате поставленная цель была достигнута не полностью. По
данным департамента транспорта в настоящее время на улицах города
работают около 2800 маршрутных такси. Исследования, проведённые
СибАДИ, показывают, что на ряде коммерческих маршрутов существует
избыток транспортных средств. В частности время простоя в очереди на
конечных пунктах по многим маршрутам превышает 30 и более минут.
Таким образом, можно выделить несколько основных направлений
реформирования общественного пассажирского транспорта в городе Омске:
развитие конкурентной среды в направлении регулируемого рынка,
характеризующегося конкуренцией за маршрут;
изменение законодательной и нормативно-правовой базы, направленное
на развитие регулируемого рынка транспортных услуг;
организация и проведение конкурсного отбора перевозчиков для
обслуживания всех маршрутов общественного транспорта, включая
социально значимые;
11
создание
единой
современной
автоматизированной
системы
диспетчерского управления работой ПС, принадлежащего операторам всех
форм собственности;
частичная реструктуризация муниципальных предприятий с последующим
созданием на их базе предприятий различной формы собственности.
Библиографический список
1. Ольховский С. Ю., Сорокин С. В., « О реформировании системы ГПТ г. Омска.» //
Технология, организация и управление автомобильными перевозками: Юбилейный
сборник научных трудов. – Омск: СибАДИ, 2008 – 201 с.
2. В. А. Корчагин, А. В. Гринченко, «Регулирование рынка услуг городского
транспорта» // Грузовое и пассажирское автохозяйство – 2008. - № 7 – С 20-23.
3. Статистический сборник «Транспорт и связь» // Территориальный орган
Федеральной службы государственной статистики по Омской области, 2004-2008 гг.
СЕКЦИЯ 2
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО – ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ
И БЕЗОПАСНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 621.396.93
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
РАДИОСВЯЗИ ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА НА КРАЙНЕМ СЕВЕРЕ
В.А. Березовский, канд. техн. наук, директор ОНИИП;
В.А. Майстренко, д-р техн. наук, проф.; В.Л. Хазан, д-р техн. наук, доц. ОмГТУ;
В.В. Робустов, канд. техн. наук, доц. СибАДИ
Проблема обеспечения Сибири и Северных регионов России
автомобильной техникой, максимально приспособленной к эксплуатации в
экстремальных дорожно-климатических условиях, приобретает особую
актуальность в связи с устойчивым и динамичным промышленным
развитием этих регионов, освоением новых обширных территорий,
повышением роли автомобильного транспорта, обеспечивающего более
90% грузооборота наземных перевозок.
Еще с «советского» времени некоторые модели грузовиков имеют
«северную» модификацию, однако, как показала эксплуатация, этого
недостаточно: многие элементы повышения безопасности автомобилей в
условиях низких отрицательных температур отсутствуют. Полностью
адаптированный для Крайнего Севера автомобиль никто в России не
выпускает. Модернизация должна быть более глубокой, ибо низкие и
экстремально низкие температуры, значительный снежный покров зимой в
12
сочетании с большими расстояниями между населенными пунктами делают
приспособленность к этим условиям конструкции автотранспортных средств
вопросом безопасности, а порой и выживаемости человека [1].
На рисунке 1 (а, б, в и г) показаны сложные, а иногда совершенно
безвыходные ситуации, как, например, в последнем случае (г), которые
встречаются на зимниках Крайнего Севера.
(б) - Якутия
(а) - Колыма
(в) – Надым-Салехард
(г) - Норильск
Риc.1. Примеры сложных и безвыходных ситуаций на зимниках Крайнего Севера
Единственным спасением в похожих сложных ситуациях является
оперативная радиосвязь с базой, которая в состоянии оказать необходимую
экстренную помощь. Очевидно, что за полярным кругом в ближайшем
времени не могут быть развернуты сотовые или транкинговые сети, базовые
радиостанции которых способны обеспечивать связь с абонентами,
находящимися в пределах прямой видимости по отношению к их антеннам.
Одна УКВ базовая радиостанция даже при антенне, поднятой на высоту 100
метров способна обслуживать зону с радиусом всего 40 км.
13
Приемлемым вариантом является вариант спутниковой радиосвязи.
Однако спутниковые абонентские радиостанции все еще очень дорогие и
их эксплуатация также требует значительных материальных затрат.
Наиболее рациональным, простым и экономически выгодным является
вариант коротковолновой радиосвязи, который способен с помощью
относительно простых антенн обеспечить передачу сообщений на средних
широтах на любые расстояния, вплоть до нескольких тысяч километров.
Радиоволны коротковолнового диапазона распространяются на дальние
расстояния за счет отражения от ионизированных слоев атмосферы [2].
На рисунке 2 показана известная зависимость мощности передатчика
от длины трассы при сохранении качества связи [3]. Из рисунка вино, что
минимальная
мощность
передатчика требуется в случае,
когда
связь
ведется
на
расстоянии 2000-3000 км. На
расстояниях
до
1000
км
коротковолновая
связь
не
H= 99 %
гарантирована.
Поэтому
целесообразно организовывать
H= 95 %
коротковолновую
связь
в
H= 80 %
ближней зоне в пределах 1000
H= 50 %
км
через
удаленные
ретрансляторы [4], которые
располагаются на расстоянии
2000-3000
км
от
Рис. 2. Зависимость мощности коротковолновых
взаимодействующих абонентов,
передатчиков от длины трассы
как показано на рисунке 3.
Н, дБ
100
80
60
40
20
0
1000
3000
2000
L, км
4000
ИОНОСФЕРА
ОФТ-500
ЧТ-3000; 4 бода
ЧТ-3000; 4 бода
Р=1-10 кВт
Р=20-200 Вт
L
L
Р=20-200 Вт
2
3
1
L=2000-3000 км
КВ ретранслятор
Рис. 3. Организация коротковолновой радиосвязи между автомобилями № 1 и № 2
(в ближней зоне) через удаленный базовый ретранслятор
14
Базовый коротковолновый ретранслятор имеет достаточно мощный
передатчик (1-10 кВт) и передает сигналы относительной фазовой
телеграфии (ОФТ) со скоростью манипуляции 500 бит/с. Автомобильные
радиостанции могут иметь относительно малую мощность (20-200 Вт),
которая определяется энергетикой автотранспорта. Учитывая низкую
эффективность автомобильных антенн скорость манипуляции сигнала
целесообразно брать предельно низкой, например, 4 бита/с и передавать
сигналы с частотным разнесением, например, методом частотной
манипуляции (ЧТ) при большой девиации, например, 3000Гц (ЧТ-3000).
Прием сигналов на базовом ретрансляторе на поднесущих частотах
необходимо вести как прием частотно-разнесенных сигналов с
амплитудной манипуляцией. Конструкция автомобильной радиостанции
должна предусматривать возможность ее демонтажа и превращения в
носимую радиостанцию мощностью порядка 1-2 Вт с комплектом батарей
питания на случай, если экипаж будет вынужден покинуть транспорт и
передвигаться в сторону ближайшего населенного пункта пешком.
Так как за полярным кругом в зимний период коротковолновая связь
проблематична из-за отсутствия благоприятных условий для отражения
радиоволн этого диапазона частот от ионосферы, то имеет смысл
использовать наземные ретрансляторы, расположенные в районах около
южной границы РФ с таким расчетом, чтобы точка отражения радиоволны
от ионосферы находилась южнее полярного круга, как показано на
рисунке 4 для ретрансляторов, расположенных в городах Волгограде и
Улан-Уде и обслуживающих Ямало-Ненецкий АО.
Базовые ретрансляторы, расположенные в г. Калининграде и в г.
Красноярске обеспечивают связью Ненецкий автономный округ. Базовый
ретранслятор в г. Уфе может обслуживать республику Карелия, и
Таймырский (Долгано-Ненецкий) автономный округ.
Для передачи экстренных сообщений коротковолновой связью могут
быть использованы передатчики типа «Околыш», имеющие мощность 2
Вт. В низкоскоростном режиме они могут передавать сообщения на
расстояния до 4000 км и более. Этот передатчик, разработан Омским НИИ
приборостроения и серийно выпускается одним из омских
приборостроительных заводов. Аналогичная коротковолновая радиосвязь
через базовые ретрансляторы, также разработанная Омским НИИ
приборостроения, поставляется некоторым родам войск ВС РФ.
Таким образом, три-пять ретрансляторов способны обеспечить
коротковолновой связью практически всю зону РФ, расположенную за
полярным кругом.
На Крайнем Севере существует еще одна проблема связи внутри колонны
автомобилей, которая может растянуться на многие километры. Современная
мобильная УКВ аппаратура обеспечивает связь в пределах всего нескольких
15
километров. Однако известны средства радиосвязи, которые работают в
диапазоне 1,5 МГц – 2,8 МГц, например, радиостанции «КАРАТ» [5]. Со
штатной штыревой антенной эти радиостанции в движении позволяют
организовать связь между автомобилями на расстоянии до 10 км. На стоянке с
помощью штатной антенны «наклонный луч» связь может быть обеспечена на
расстоянии до 30 км.
GPS
ГЛОНАСС
Р
О
С
С
И
Я
Улан-Удэ
Волгоград
Местоположения зон отражения
сигнала от ионосферы
(ниже полярного круга!)
Рис. 4. Организация коротковолновой связи за полярным кругом в Ямало-Ненецком АО
с помощью ретрансляторов, расположенных вдоль южной границы РФ,
обеспечивающих отражение радиосигнала от ионосферы в точке южнее полярного круга
В ОмГТУ на кафедре «Средства связи и информационная
безопасность» под руководством доцента Федосова Д.В. разработана
малогабаритная
ферритовая приемопередающая антенна для
радиостанций типа «КАРАТ» [6], которая в движении автомобиля
обеспечивает связь до 25 км. В настоящее время на радиотехническом
факультете ОмГТУ для гражданских ведомств разрабатывается вариант
более совершенной радиостанции типа «КАРАТ» с цифровым модемом.
Вышеописанные варианты коротковолновой радиосвязи позволяют уже
сегодня решить для транспорта Крайнего Севера все основные задачи,
поставленные в транспортной стратегии Российской Федерации,
утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22
ноября 2008г. № 1734-р, где указано, что важным направлением развития
инфотелекоммуникационных технологий в сфере транспорта является
16
оснащение сухопутного и водного транспорта России новыми средствами
связи, аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS.
Естественно, что описанные варианты коротковолновой радиосвязи
могут использоваться не только на автомобильном транспорте, но и на
речных судах, судах на воздушной подушке, а также на вертолетах и
самолетах, которые эксплуатируются в условиях Крайнего Севера.
Таким образом, в спасательной операции экипажа автомобиля,
попавшего в критическую ситуацию, могут участвовать, например, база,
автомобиль и вертолёт, оснащённые одинаковым типом коротковолновой
радиосвязи, обеспечивающей необходимую оперативность и успех.
Библиографический список
1. Робустов В.В. О критической ситуации экипажа застрявшего автомобиля при
морозе ниже -35С вдали от базы. // Омский научный вестник. 2010. (В печати).
2. Девис К. Радиоволны в ионосфере. – М.: МИР, 1973. – 502 с.
3. Коноплева Е.Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах //
Электросвязь. 1967. № 11. 36-38 с.
4. Хазан В.Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи
"МАРС" //Техника радиосвязи. 1998. Вып. 4. 59-66 с.
5. РАДИОСТАНЦИИ 10Р30, «КАРАТ-2», паспорт, ИГ 2.000.013 ПС, 1992. С. 47.
6. Федосов Д.В., Хорват В.Н., Хазан В.Л. Заявка на изобретение № 2009145078 от
04.12.2009
УДК 621.39.1.1
КАНАЛЫ КОРОТКОВОЛНОВОЙ РАДИОСВЯЗИ С
ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТЬЮ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ
МОНИТОРИНГОВОЙ СИСТЕМЫ АВТОТРАНСПОРТА
А.Н. Калинин, аспирант
Омский государственный технический университет
В России остро стоит проблема мониторинга автомобильного транспорта.
При увеличении грузоперевозок в сложившейся сложной криминальной и
террористической ситуации в стране задача создания системы отслеживающей
координаты транспорта и осуществляющей его технический контроль
является актуальной. Постановлением Правительства Российской Федерации
от 25 августа 2008 г. № 641 "Об оснащении транспортных, технических
средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или
ГЛОНАСС/GPS" было принято решение о том, что оснащению аппаратурой
спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС/GPS подлежат
автомобильные и железнодорожные транспортные средства, используемые
для перевозки пассажиров, специальных и опасных грузов.
17
В крупных городах и их пригородах координаты транспортных
средств и данные телеметрии можно передавать, используя GSM сети или
по УКВ каналу связи (не лицензируемый диапазон частот 433 МГц). При
мониторинге объектов на всей территории России передача может,
осуществляться с использованием спутникового оборудования или
коротковолновой (КВ) аппаратуры. Использование спутникового
оборудования экономически не выгодно. Передача по КВ каналу
осложняется его особенностями, такими как: наличие замираний
(многолучевое распространение радиоволн), зависимость рабочей частоты
от времени суток, зависимость прохождения сигнала от длины трассы,
большое число помех от посторонних радиостанций.
Для повышения надежности передачи дискретных сообщений по КВ
каналам связи, которые предназначены для мониторинговых систем,
используются различные методы.
Частотно-манипулированные сигналы (ЧМ) с большой девиацией
Для повышения надежности (коэффициента исправного действия -КИД)
передачи сигналов в KB канале целесообразно использовать ЧМ сигналы с
большой девиацией, так как при селективных замираниях амплитудночастотная характеристика KB канала имеет неравномерный характер, и может
изменяться во времени. Если девиация ЧМ сигнала мала, то при низкой
скорости манипуляции модули коэффициентов передачи соседних каналов, на
которых передаются поднесущие ЧМ сигнала, при селективных замираниях
будут сильно коррелированны. Так же сильно коррелированными будут
станционные помехи, которые попадают в эти каналы. В этом случае
отношение сигнал шум в обоих каналах будет одинаково низким. Если
девиация сигнала ЧМ большая, то коэффициенты передачи и каналов для
поднесущих ЧМ сигнала и станционные помехи в этих каналах связи будут
слабо коррелированными. Тогда сигналы, передаваемые на поднесущих
можно принимать отдельно как два амплитудно-модулированных (AM)
сигнала. На рисунке 1 приведены зависимости коэффициента исправного
действия систем связи от мощности сигналов при частотно-разнесенном
приеме AM сигналов с автовыбором принятых в целом сообщений и с
автовыбором наиболее достоверных сообщений [1].
Из рисунка 1 видно, что наибольшей помехозащищенностью обладает
способ принятия ЧМ сигнала как два АМ сигнала с автовыбором
элементов. Этот метод дает энергетический выигрыш по сравнению с
обычной одноканальной передачей ЧМ сигнала на уровне КИД 50% − 7
дБ, а на уровне КИД 85% − 28 дБ.
Каналы связи с удаленными ретрансляторами
В [2] показано, что при одной мощности КВ передатчика надежность
доставки сообщений зависит от расстояния между передатчиком и
приемником. На рисунке 2 изображены графики полученные в [2]
18
зависимости мощности КВ передатчика от длинны трассы при заданных
значениях коэффициентах исправного действия.
98
97
96
95
КИД %
90
80
70
2
4
60
1
3
50
40
30
1 - АМ;
2 - ЧМ;
3 - 2 АМ (автовыбор ТЛГ);
4 - 2 АМ (автовыбор элементов ТЛГ).
20
10
-21 -18 -15 -12 -9
-6
-3
0
3
6
9 12 15 18
Р дБ
Рис. 1. Зависимость надежности передачи дискретных сообщений при
амплитудной и частотной модуляции от мощности сигналов
h, дБ
100
80
КИД= 99 %
60
КИД= 95 %
40
КИД= 80 %
КИД= 50 %
20
0
1000
2000
3000
4000
L, км
Рис. 2. Зависимость мощности передатчика для
обеспечения заданной надежности связи от длины трассы
Из рисунка 2 можно сделать вывод о том, что для построения КВ сети
связи наиболее целесообразно размещать ретрансляторы на расстоянии
2000-3000 км от зоны обслуживания. В ретрансляционных пунктах
должны быть установлены передатчики мощностью порядка 10 кВт. В
этом случае один ретранслятор способен обслуживать корреспондентов в
кольце с внутренним радиусом 2000 км и внешним радиусом 3000 км. Для
обслуживания сухопутного транспорта на территории России
целесообразно разместить ретрансляторы в г. Волгограде, г. Уфе, г. Омске,
г. Красноярске, г. Улан-Уде и г. Благовещенске [3].
19
Территориально-разнесенный прием сигналов
Для увеличения КИД системы связи и снижения мощности
передатчиков целесообразно использовать территориально-разнесенный
прием сигналов. Для этого дополнительные приемные центры должны
быть расположены на расстоянии 100-500 км. от базового ретранслятора
[4]. В этом случае осуществляется декорреляция на индивидуальных
приемных центрах замираний и станционных помех, попадающих в полосу
частот, в которой передается сообщение.
Если условия связи обеспечивают вероятность передачи сообщения Р1
от абонента в сторону базового ретранслятора, тогда вероятность неприема
сообщения Р0 равна:
Р0 = 1 – Р1
(1)
Если считать, что условия приема сигналов от абонента во всей
области
расположения
дополнительных
приемных
центров
приблизительно одинаковые (но взаимно независимые), то с учетом (1)
вероятность Р0(1+N) одновременного неприема сообщения ретранслятором и
всеми N дополнительными приемными центрами будет равна
Р0(1+N) = (1 – P1)N+1
(2)
Из (2) следует, что вероятность Р1(1+N) приема сообщения хотя бы
одним приемным центром из N или ретранслятором будет равна:
Р1(1+N) = 1– P0(1+N) = 1 – (1 – P1)N+1
(3)
На рисунке 3 приведена зависимость КИД канала связи с N
дополнительными т-разнесенными приемными центрами от КИД канала
связи без дополнительных приемных центров.
Н(1+N)%
99
N=10
98
97
96
95
N=9
N=8
90
N=7
N=1
N=2
80
70
N=3
60
N=4
50
N=0
N=5
40
N=6
30
20
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100 Н1%
Рис. 3. Зависимость КИД канала связи с N дополнительными территориально-разнесенными
приемными центрами от КИД канала связи без дополнительных приемных центров
20
Сравнивая кривые надежности, изображенные на рисунке 2,
соответствующие 50% и 99% видно, что для перехода с первой кривой
надежности на вторую нужно увеличить мощность передатчика 43 дБ.
Этот переход, без увеличения мощности, можно осуществить, применив
шесть дополнительных приемных центров.
Вывод:
Благодаря использованию всех выше перечисленных средств
повышения КИД КВ канала связи становится возможным создание
эффективной КВ сети связи для контроля технического состояния
транспортных средств и получения диспетчером их координат,
определенных с помощью навигационных спутниковых систем.
ГЛОНАСС/ GPS.
Библиографический список
1. Хазан В.Л. Математические модели дискретных каналов связи декаметрового
диапазона радиоволн: - Омск ОмГТУ, 1998. – 106с.
2. Коноплева Е.Н. О расчете надежности радиосвязи на коротких волнах. //
Электросвязь. – 1967. - № 11. – С. 36-38.
3. Хазан В. Л. Система декаметровой мобильной автоматической радиосвязи "МАРС"
//Техника радиосвязи. 1998. Вып. 4. 59-66 с.
4. Хазан В.Л., Федосов Д.В., Майстренко В.В. Особенности построения и
функционирования мобильных КВ сетей связи // Научно-технические ведомости
СПбГТУ. – 2008. №6. С. 38-48.
УДК 621.75. 828: 621
ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ДЕТАЛЕЙ ДВИГАТЕЛЕЙ
АВТОМОБИЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
А.А. Соловьев, канд. ф-м. наук, проф.; Е.В. Шлякова, канд. техн. наук*
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
*Омский танковый инженерный институт
Проблема повышения стойкости к коррозионному разрушению
касается автомобильной техники техники, находящейся и в условиях
постоянной эксплуатации, и на хранении. После длительного хранения
техники 65 - 80% неисправностей обусловлены коррозией и старением
деталей, причем 30 - 40% таких неисправностей вызывают вынужденные
остановки машин в пути, например во время эксплуатации в условиях
Крайнего Севера. Поэтому защита узлов и деталей автомобильной техники
от коррозии и повышение их износостойкости отнесена к основным
направлениям научно-технического прогресса.
21
Химическая стойкость конструкционных металлических материалов,
используемых в производстве и ремонте техники, зависит от природы,
состава и структуры самого материала, от состава технологической среды
и гидродинамических условий эксплуатации изделий.
В двигателях внутреннего сгорания наиболее подвержены коррозии
гильзы цилиндров. Уже через 15-20 дней после остановки двигателя на
рабочих поверхностях гильз появляются следы коррозии в виде небольших
пятен. Через несколько месяцев коррозией поражается значительная часть
поверхности гильз.
Продукты коррозии выступают над поверхностью стенок гильз и при
последующем запуске срезаются поршневыми кольцами. Происходит
интенсивный износ гильз цилиндров и поршневых колец, в результате чего
снижается мощность двигателя, увеличивается расход топлива и масла,
сокращается межремонтный срок службы.
Основной причиной коррозии гильз цилиндров являются продукты
сгорания топлива, в котором содержится до 0,2% сернистых соединений.
Образуются оксиды серы, которые, соединяясь с парами воды из
отработавших газов, превращаются в серную и сернистую кислоты. На
стенках гильз цилиндров серная кислота конденсируется во время работы
двигателя при пониженном тепловом состоянии и небольших оборотах
коленчатого вала.
Гильзы
двигателей
большой
мощности
выполняются
из
азотированной стали 35ХЮА, 35ХМЮА, 38ХМЮА с присадкой
алюминия. Азотирование и термическая обработка гильзы значительно
повышают твердость внутренней поверхности и уменьшают износ гильзы.
Перспективным представляется использование лазерного излучения
для обработки поверхности металлов, что приводит повышению
коррозионной стойкости, твердости, износо- и теплостойкости. Поэтому
значительный научно-прикладной интерес представляет изучение
коррозионной стойкости поверхности гильз цилиндров двигателя
внутреннего сгорания, обработанных
лазерным лучом с целью
исследования возможности замены традиционного длительного и
трудоемкого процесса азотирования на быстрый и эффективный метод
лазерной обработки.
Рассматривалось влияние лазерного излучения на повышение
коррозионной стойкости гильз цилиндров и клапанов двигателя
внутреннего сгорания. Было изготовлено 30 образцов стали 38Х2МЮА
площадью 4 см2, которые подготавливались к коррозионным испытаниям
по стандартным методикам.
25 образцов стали 38Х2МЮА подвергалась облучению на лазерной
технологической установке ЛТУ-2М.
22
Режимы обработки:
1) плотность мощности q1 = 2 · 104 Вт/см2; q2 = 3 · 104 Вт/см2;
q3 = 5 · 104 Вт/см2; q4 = 7 · 104 Вт/см2; q5 = 9 · 104 Вт/см2.
2) длительность импульса лазерного излучения =1,5 10-3 с;
3) коэффициент перекрытия 50%.
В качестве электролита для коррозионных испытаний использовался
4н раствор серной кислоты. Выбор электролита обусловлен тем, что при
сгорании дизельного топлива, содержащего серу, образуются оксиды серы
(IV) и (VI), которые частично превращаются в сернистую и серную
кислоты. Таким образом, данный раствор электролита моделирует
агрессивную среду, возникающую в реальных условиях эксплуатации
двигателей внутреннего сгорания. После выдержки в электролите от двух
до восьми часов скорость коррозии образцов вычислялась весовым
методом. Потеря массы в единицу времени, отнесенная к единице
поверхности, позволяет определить скорость коррозии:
P m / S
(1)
2
где Р – скорость коррозии, мг/ дм · час; ∆m – изменение массы, г; S –
площадь поверхности образца, дм2; τ – время испытания, час.
Защитное действие лазерного облучения рассчитывается по формуле:
Z
н o
100%
н
где Z – эффективность защиты, %;
ρн – скорость коррозии в необлученных образцах;
ρо – скорость коррозии облученных образцов.
По результатам испытаний построен график зависимости скорости
коррозии стали 38Х2МЮА в кислой среде от плотности мощности
лазерного излучения.
Таблица 1
Результаты весового анализа образцов из стали 38Х2МЮА
№
п/п
1
2
3
4
5
6
q,
Вт/см2
2 · 104
3 · 104
5 · 104
7 · 104
9 · 104
Δmср., г
ρ,
г/см2 · час
0,00415 ± 0,00049
0,00162 ± 0,00006
0,00118 ± 0,00005
0,00111 ± 0,00006
0,00136 ± 0,00006
0,00141 ± 0,00006
0,0249±0,00296
0,00972±0,00041
0,00708±0,00035
0,00664±0,00037
0,00816±0,00039
0,00844±0,00039
Z, %
60,96
71,57
73,25
67,23
66,02
Очевидно, что лазерная обработка повышает коррозионную стойкость
стали 38Х2МЮА. При плотности мощности лазерного излучения 5 · 104
Вт/см2 скорость коррозии снижается в ~ 3,74 раза. Эффективность лазерной
23
обработки как способа защиты поверхности стали 38Х2МЮА от
коррозионного разрушения достаточно высока, наибольшая степень защиты
(Z) достигается при плотности мощности излучения 5 · 104 Вт/см2 – 73,25%.
р,
0,005
2
г/см . час 0,004
0,003
0,002
0,001
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
q . 104, Вт/см2
Рис. 1. Зависимость скорости коррозии стали 38Х2МЮА от плотности
мощности лазерного излучения
Таким образом, лазерное облучение способствует повышению
коррозионной стойкости легированной стали 38Х2МЮА. Эффективность
защиты определяется плотностью мощности лазерного излучения.
С целью подтверждения результатов исследования скорости коррозии
весовым методом образцы стали 38Х2МЮА были подвергнуты
электрохимическим испытаниям. Определение коррозионной стойкости стали
проводилось
электрохимическим
способом
методом
построения
потенциостатических поляризационных кривых. Поляризация осуществлялась
с помощью потенциостата П-5827М в стационарной ячейке ЯСЭ-2 при
температуре 250С. Электролитом служил 4н раствор серной кислоты.
Поляризация начиналась через 10-15 минут после погружения образца
и установления стационарного потенциала. Катодная и анодная ветви
устанавливались в прямом направлении от стационарного потенциала
последовательно, не вынимая образца из раствора. Выдержка при каждом
заданном потенциале составляла три минуты, после чего фиксировалось
значение тока. Результаты показаны на рис.2.
i, мА/см2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1
2 3 4 5
q . 104, Вт/см2
6
7
8
Рис.2. Зависимость плотности тока коррозии от плотности
мощности лазерного излучения
24
По результатам электрохимических исследований скорости коррозии
можно сделать следующие выводы:
1. Электрохимическое определение скорости коррозии стали
38Х2МЮА подтверждает результаты весовых испытаний. После лазерной
обработки в импульсном режиме при плотности мощности лазерного
излучения до 7·104 Вт/см2 токи коррозии образцов стали 38Х2МЮА
уменьшаются, что указывает на снижение скорости коррозии исследуемых
образцов в 4н растворе серной кислоты.
2. Снижение скорости коррозии в исследуемых образцах происходит
за счет торможения анодного процесса растворения железа, что вызвано
растворением карбидов и равномерным их распределением в
поверхностном слое металла.
Азотирование и термическая обработка стали 38Х2МЮА значительно
повышают твердость поверхности и уменьшают ее износ.
Поэтому представляет интерес изучение влияния лазерной обработки
на коррозионную стойкость поверхности стали 38Х2МЮА, с целью
исследования возможности замены процесса азотирования лазерной
обработкой.
Было изготовлено 20 образцов стали 38Х2МЮА. На 10 образцах
путем шлифования и полирования был удален азотированный слой.
Дальнейшая подготовка образцов осуществлялась одинаково: промывание
проточной и дистиллированной водой, обезжиривание и обезвоживание
спиртоэфирной жидкостью, кратковременная выдержка на воздухе,
высушивание в эксикаторе с термически обработанным силикагелем.
Лазерной обработке подвергалось 5 азотированных и 5
неазотированных
образцов.
Обработка
велась
на
лазерной
технологической установке ЛТУ-2М. Длительность импульса лазерного
излучения 1,5 · 10-3с, плотность мощности лазерного излучения 5 · 104
Вт/см2. Для снижения коэффициента отражения лазерного излучения
поверхность образцов покрывалась тонким слоем поглощающего
покрытия (сажа).
В качестве электролита для коррозионных испытаний использовался
4н раствор серной кислоты. Для определения скорости коррозии были
проведены весовые и электрохимические испытания, методика которых
описана ранее.
Полученные при весовых испытаниях усредненные результаты представлены
в таблице 2, результаты электрохимических испытаний – на рис. 3.
Таким образом, сравнивая электрохимическое поведение стали
38Х2МЮА в 4 н растворе серной кислоты с азотированным слоем и без
него, приходим к выводу, что лазерная обработка усиливает защитное
действие азотирования как способа повышения коррозионной стойкости
поверхности.
25
Таблица 2
Скорость коррозии стали 38Х2МЮА
Образцы стали 38Х2МЮА
Необлученные
азотированные
образцы
неазотированные
Облученные
азотированные
образцы
неазотированные
i, мА/см
3
2,5
2
1,5
2
р, г/см2 · ч
0,00226 ± 0,00005
0,00415 ± 0,00049
0,00120 ± 0,00005
0,00111±0,00006
необлученные неазотироанные
необлученные азотированные
облученные неазотированнные
облученные азотированнные
1
0,5
0
Рис.3. Плотность тока коррозии образцов стали 38Х2МЮА
Были проведены также металлографические исследования образцов
стали 38Х2МЮА до и после облучения лазером.
На поверхности образца, не обработанного лазерным излучением,
наблюдался ярко выраженный коррозионный износ глубиной до 35 мкм, в
то время как для образца после лазерной обработки – 10 мкм. После
лазерной обработки на поверхности образуется «белый слой», который
обладает высокими противокоррозионными свойствами. Глубина этой
зоны в зависимости от режимов обработки достигает 750 мкм. Это
довольно значительная глубина и она не уступает глубине азотированного
слоя, которая достигается весьма затруднительно.
Комплекс проведенных исследований позволяет сделать вывод о
перспективности лазерной обработки поверхностей деталей двигателей
автомобильной техники с целью предупреждения коррозионного
разрушения и износа, что приводит к значительному повышению сроков
эксплуатации. Лазерная обработка может быть рекомендована на
основных и ремонтных предприятиях.
Библиографический список
1.
Соловьев А.А., Шлякова Е.В., Мозговой И.В. Исследование механизма
коррозионной стойкости гильз цилиндров двигателей после лазерной обработки.
Доклады Омского отделения МАНЭБ. – Омск, 2002. – Выпуск 1(3). – Т. 2. – С. 62-64.
2.
Соловьев А.А., Шлякова Е.В., Мозговой И.В. Влияние лазерной обработки стали на
ее коррозионную стойкость. Материалы I региональной научной конференции,
26
посвященной памяти главного конструктора ПО «Полет» А.С. Клинышкова
«Проблемы разработки, изготовления и эксплуатации ракетно-космической и
авиационной техники». – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – С. 263-267.
3.
Соловьев А.А., Шлякова Е.В., Мозговой И.В. Исследование коррозионной
стойкости сплавов после лазерного облучения. Материалы межрегиональной научнопрактической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины:
разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (Броня-2004). –
Омск: Изд-во ОТИИ. – С. 159-162.
4.
Мозговой И.В., Соловьев А.А., Шлякова Е.В. Антикоррозионная поверхностная
обработка материалов. Монография. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2006. – 188 с.
УДК 629.113.017
СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ АТС В СИСТЕМЕ ВАД
И.В. Ходес д-р техн. наук, проф., О.Б. Ригин, Тхе Мань Нгуен
Волгоградский государственный технический университет
Для водителей, особенно перевозящих пассажиров, ценные грузы,
уникальное
оборудование,
необходимо
организовать
бортовую
компьютерную систему предупреждения, которая заблаговременно
информировала бы об опасности воспроизводимого режима движения изза возможной потери управляемости с учётом параметров АТС, дорожных
условий, т.е. в системе водитель–автомобиль–дорога ВАД.
Ключевые слова: система предупреждения, автотранспортное
средство, предельная скорость, системе водитель–автомобиль–дорога,
психоэмоциональное состояние.
Безопасность движения в условиях непрерывно возрастающей
интенсификации дорожных потоков с преобладанием в них
энергонасыщенных АТС приобретают все большую актуальность: чем
динамичнее АТС, тем оно, несмотря на все увеличивающееся количество
применяемых на нем средств пассивной безопасности, представляет собой
большую угрозу для себя и окружающих. Причем последствия ДТП
оказываются наиболее тяжелыми в самых, на первый взгляд,
благоприятных условиях движения. Одно из последних подтверждений
тому лавина катастроф, в том числе с автобусами, прокатившаяся по
России в августе 2009 г. Во всех этих случаях главной причиной ДТП стал
человеческий фактор: водитель значительно превышает скорость в
сочетании с разгоном, торможением, резкими поворотами рулевого колеса,
засыпает за рулем и т.п. Другими словами, основная причина таких ДТП
психоэмоциональное и физическое состояния водителя.
В связи с этим напрашивается вывод: для водителей, особенно тех, кто
занят перевозкой пассажиров, опасных или ценных грузов, уникального
27
оборудования и т.д., необходимы бортовые средства технической поддержки
активной безопасности. И прежде всего средства, способные
заблаговременно информировать его об опасности воспроизводимого режима
движения с учетом параметров АТС, дорожных условий, его собственных
свойств (возраст, род занятий, эмоциональное состояние, состояние здоровья и
т.п.). И надо сказать, что созданием таких устройств занимаются многие
специалисты. В частности, авторы предлагаемой вниманию читателей статьи
разработали два варианта решения проблемы.
Первый из них, который авторы назвали АХ1 ("Ангел хранитель"),
сводится к оснащению АТС системой датчиков, выдающей в бортовой
компьютер информацию о воспроизводимых режимах движения и
дорожных условиях. Компьютер обрабатывает эту информацию, учитывая
технические параметры и характеристики, записанные в базе данных, и
определяет величину предельной скорости (vпр), которая допустима в
конкретных дорожных условиях. И если фактическая скорость
приближается к vпр, то водителю выдается предупреждающий сигнал.
Второй вариант, АХ2, – автономное электронное устройство
предупреждения, ориентируется индивидуально для водителя или его можно
устанавить на любое АТС. Но в его базу данных необходимо предварительно
вводить следующую информацию: код АТС (01 переднеприводное, 02
заднеприводное, 03 полноприводное); значения его снаряженной массы mсн и
массы тгр перевозимого им груза; габаритные его длину Lг, ширину Вг и
высоту Нг; базу L и колею В; типоразмер шин Во/НоRd; передаточное число
рулевого привода i p ; значение вероятной скорости встречного воздушного
потока vw, высоты его центра давления hw и др. Кроме того, перед каждой
поездкой вводятся главные параметры ожидаемых условий движения
значения коэффициента сцепления шин с опорной поверхностью (для сухого
асфальта = 0,8, для мокрого 0,5, для снежного покрова 0,3 и для гололеда
0,15) и коэффициента дорожного сопротивления ( = 0,15). То есть, по
сути, те же, что и в случае АХ1. Но там они либо уже заложены, либо
получаются в ходе обработки сигналов датчиков.
Однако есть и отличия. Они касаются водителя: в АХ1 характеристики
водителя фиксируются автоматически с учётом их проявления по скорости,
управляющим действиям при разгоне, торможении, поворота руля и др. В АХ2
–характеристики конкретного водителя, получаются методом экспертной
оценки. Часть этих параметров конкретного водителя постоянна (таблица 1), а
часть зависит от продолжительности поездки, психического, физического его
состояния, состояния внешней среды и т.д., поэтому их желательно
корректировать в процессе движения (таблица 2) с периодичностью порядка 34 ч (например, на остановках для отдыха).
28
В обоих случаях данные параметры позволяют оценить время
tpзадержки реакции водителя, среднеквадратичное отклонение р этой
задержки, точность о воспроизведения поворота управляемых колес АТС
с учетом экспертных коэффициентов K j состояния водителя и, в
конечном счете, выдавать значение Vпр, соответствующее параметрам
АТС, дорожным условиям и конкретному состоянию водителя.
Таков алгоритм применения разработанных авторами устройств. Что же
касается его математического обоснования, то оно сводится к следующему.
Вычисляются массогабаритные параметры АТС его полная масса т,
расстояния его центра масс от передней (а) и задней (в) осей, коэффициенты
λ1, λ2 распределения массы АТС по его осям и коэффициенты λ', λ"
динамического распределения нормальных реакций на переднюю и заднюю
оси (см. таблица 3 формулы № 14). При этом принимается, что вероятное
ускорение va торможения или разгона АТС равно 0,3g.
Далее по формуле № 5 подсчитывается востребованный поворот Ѳ
управляемых колес при прямолинейном движении с корректировкой
подруливанием. Например, для автомобиля ВАЗ-2109, судя по
экспериментальным данным, при передаточном числе рулевого привода 20
имеем амплитуду угла поворота на руле θp= ± 8° и на управляемых Ѳ0 =
0,007 рад. Учитывая, что база этого автомобиля равна L=2,46 м, находим
значение установившегося радиуса R поворота: R=2,46/0,007≈350 м. В
общем случае, т. е. для АТС с базой Li, по формуле № 6 определяем
технически востребованный поворот тех управляемых колес. Для режима
же движения после предупреждающих знаков “поворот”, учитывая
возможное уменьшение радиуса в 2,5–3 раза, получаем тех =0,0071Li.
После этого для варианта АХ1 компьютерной обработкой
рассчитывается среднеквадратическое отклонение σпр угла поворота
управляемых колес при прямолинейном движении и с вероятностью
р=0,998 – предельная величина их поворота: θпр=±3σпр при корректировке
прямолинейного движения, а для случая предупреждающих знаков
“поворот” при известном радиусе R поворота для данной конкретной
категории дороги – угол поворота управляемых колес (формула № 7).
Затем при торможении и разгоне вычисляются нормальные реакции
на осях, (формулы 8), а также тангенциальные силы Fz тяги на мостах: для
передне-приводного АТС это формулы № 9-10 и № 11-12); для
заднеприводного – формулы №13-14 и № 11-12, для полноприводного –
формулы № 15, 16 и см. № 11, 12.
Если φ≤0,3= v / g ,то дается сообщение-рекомендация уменьшить
скорость до 30–40 км/ч и тормозить осторожно, преимущественно
двигателем, но если в варианте АХ1 v / g <0,3, то следует принять v / g =0,3.
i
i
29
Далее по формуле №17 подсчитывается неточность воспроизведения
поворота колес идеальным водителем Δθвод.ид. (соответствует строке 1 в табл.
1, σθ=0,0015 рад при коэффициентах ΔKj=0, табл. 2). С учетом совместного
проявления собственной неточности воспроизведения поворота колес
идеальным водителем, неточности реакции технической системы груженого
АТС (формула №18), получаем эквивалентную неточность (формула №19) в
диапазоне оценки ее величины с вероятностью 0,95, то есть в пределах ее
отклонения. Потом по формулам № 20 определяются промежуточные
величины Фi, выбираются минимальное из полученных четырех их значений,
вычисляется промежуточная величина «А» (формула № 21), а по формуле
№22 (с предварительной оценкой суммарного коэффициента КΣ учета
состояния конкретного водителя, которая рассчитывается по строкам табл. 1
и 2 и формуле № 23) – критическая скорость vкр и ее диапазон (формула №
25), обусловленные совместно проявляемыми неточностями реакции
технического средства и реального водителя (формула № 24). Для этого в
табл. 1 выбирается строка, соответствующая реальному водителю, и оттуда –
σp и σθ, т.е. среднеквадратичные величины задержки по времени реакии и
неточности воспроизведения угла поворота управляемых колес. Последняя
из операций – определение предельной рекомендуемой скорости по обоим
вариантам АХ (формулы № 26 и 27).
В качестве примера приведем результаты сопоставления предельных
скоростей для идеального водителя, соответствующего строке 7 табл.1
(σp=0,23с и σθ=0,0017 рад), и водителя, соответствующего строкам 1.3, 2.2,
3.2,
4.1,
5.2,
6.2
табл.
2,
для
которого
∑Kj∑=1+0,02+0,08+0,2+0,05+0,05+0,3=1,88.
В результате
получаем
θвод1=0,00241 рад;θвод2=2•0,00241•1,8=0,008676 рад.
А Фmin
vкр.вод.2
L
0,8 10 2, 46 19,68 м/с = 185 км/ч; ∆vкр.вод.1 = 5,47 м/с = 20 км/ч;
m
19,86 0,00876
2 0,0075 0,00876 0,0074 0,00876
=8,4 м/с = 30,3 км/ч; м/с →
30,3 км/ч;
vпр.вод.1 185 1,2 20 185 100 =152 км/ч (для идеального водителя) и
vпр.вод.2 185 1, 2 20,3 1,85 2,85 185 99,28 =85 км/ч
для второго водителя
после четырех часов движения в болезненном подавленном состоянии, но
без температуры, в сумерках, при стаже ≤5 тыс. км на участках
прямолинейного движения по сухой дороге.
По варианту АХ1, если в единой системе "водитель–автомобиль–
дорога" на прямой предельные неточности отклонения управляемых колес
технической системы составляли ±0,00746 рад, а водителя – ±0,00246 рад,
предельная скорость составит vпр=0,77·185=142,5 км/ч.
30
Приведенные выше расчетные соотношения могут быть положены в
основу алгоритма индивидуальной бортовой компьютерной системы
обеспечения активной безопасности АТС. В частности, система АХ2
должна быть реализована в виде устройства предупреждения
индивидуального пользования для водителей, особенно склонных к
переоценке своего опыта или имеющих недостаточный стаж.
Таблица 1
№
пол
1 М
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 Ж
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Водитель
профессиональная деятельность
Характеристика водителя
tp , с
р, с
, рад.
возраст
технических 1824
спортсмены, 2435
3550
5060
6075
75
Работники социальной сферы, 1824
юристы,
экономисты, 2435
медицинские
работники, 3550
работники торговли и т.п.
5060
6075
75
Операторы
технических 1824
устройств,
спортсмены, 2435
военные и т.п.
3550
5060
6075
75
Работники социальной сферы, 1824
юристы,
экономисты, 2435
медицинские
работники, 3550
работники торговли и т.п.
5060
6075
75
0,60
0,50
0,50
0,80
1,00
1,20
0,70
0,60
0,60
0,80
1,10
1,20
0,60
0,60
0,60
0,90
1,00
1,30
0,75
0,65
0,65
0,80
1,20
1,30
Операторы
устройств,
военные и т.п.
0,20
0,17
0,17
0,26
0,33
0,40
0,23
0,20
0,20
0,26
0,35
0,40
0,20
0,20
0,20
0,30
0,33
0,43
0,25
0,22
0,22
0,25
0,40
0,43
0,0015
0,0015
0,0015
0,0020
0,0025
0,0030
0,0017
0,0017
0,0017
0,0023
0,0030
0,0031
0,0017
0,0017
0,0017
0,0025
0,0032
0.0035
0,0020
0,0020
0,0020
0,0025
0,0030
0,0035
Таблица 2
№
фактора
1
1.1
1.2
1.3
Фактор и его величина
Продолжительность непрерывной работы, ч:
02
24
48
31
K j
K 1 K j
0
0,005
0,2
1
1,05
1,2
Продолжение таблицы 2
2
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Состояние здоровья:
Здоров
0
1
0,08
1,08
t 37 C
0,18
1,18
t = 37,0 37,5 С
0,35
1,35
t = 37?5 38 C
0,35
1,35
t = 37,538 С
кровяное давление, мм Нд:
2.6
0
1
125/85
2.7
0,08
1,08
140/95
2.8
0,15
1,15
160/100 и выше
3
Наличие алкоголя в крови, промилле:
3.1
0,0
0
1
3.2
0,2
1,2
0,5 (0,5 л пива, 30 мл крепких напитков)
3.3
1
2
0.5 (1 л пива, 100 мл., крепких напитков),
3.3
управлять ТС не рекомендуется
4
Эмоциональное состояние:
4.1
повышенная радость
0,05
1,05
4.2
угнетенное
0,1
1,1
4.3
тревога, стрессовое состояние
0.3
1.3
5
Время суток; освещенность
5.1
светлое время, ясно
0
1
5.2
сумерки, пасмурно
0,05
1,05
5.3
ночь, ясно
0,2
1,2
5.4
0.5
1,5
туман, дождь, снег с видимостью 300 м
5.5
0,7
1,7
видимость 100300 м
5.6
1,2
2,2
видимость 40100 м
5.7
2
3
видимость 40 м
6
Рабочий стаж, тыс. км:
6.1
0,8
0,8
5
6.2
0,3
1,3
515
6.3
0,2
1,2
1530
6.4
0,1
1,1
3050
6.5
0
1
50
Примечание – Управлять АТС более 8 ч, при температуре 38 и давлении 160/100 и выше, в
тревожном и стрессовом состоянии и видимости менее 40 м не рекомендуется; при стаже до
5 тыс. км управление целесообразно лишь в присутствии водителя-наставника.
Таблица 3
№
фор
мулы
1
Формула
1
Примечания
Статический коэффициент
распределения весовой
нагрузки на переднюю ось
b
≈0,48
L
32
Продолжение таблицы 3
2
3
4
5
6
m = mсн + mгр , hа = hсн
2
a
≈0,52
L
1
0
m - масса груженого АТС, mсн
– снаряженная масса, mгр –
масса груза
Статический коэффициент
распределения весовой
нагрузки на заднюю ось
груженного АТС
Динамические коэффициенты
нормальных реакций на
переднюю и заднюю оси
р угол поворота рулевого
ha
h
, 2 a
gL
gL
р
57i p
техi 0,007 Li
2,46
0,00284 Li
7
пов L R , R L
в
8
Rzраз
01 1mg 0,42 H Г BГVw
hw
h
mv w
2 Li
2 Li
Rzраз
02 2 mg 0,42 H Г BГ Vw
hw
h
mv w
2 Li
2 Li
Rzтор
01 1mg 0,4 1,05 H Г BГVw
hw
h
mv w
2 Li
2 Li
hw
h
mv w
2 Li
2 Li
mv mg mg (0,3 )
Rzтор
02 2 mg 0,42 H Г BГ Vw
9
Fz раз
01
10
Fz раз
02 раз mg
11
Fzтор
02 (0,3 ) mgтор
12
Fzтор
01 (0,3 )mgтор
13
Fz раз
02 раз mg
33
колеса АТС ; ip
передаточное отношение
рулевого привода, 0 – угол
поворота управляемых колес
Li продольная база АТС
техi – техническая неточность
воспроизведения поворота
управляемыми колесами
пов угол поворота для
движения по радиусу R
автомобиля; R радиус
поворота АТС
1 - (см. п. 1)
HГ - габаритная высота
BГ - габаритная ширина
Vw - суммарная скорость
лобового воздушного потока
m - (см. п. 2)
hw - высота центра давления
воздушного потока
- ускорение АТС
передний привод, передняя
ось, разгон
передний привод, задняя ось,
разгон
Торможение, задняя ось,
одинаково для всех вариантов
привода
Торможение, передняя ось,
одинаково для всех вариантов
привода
Задний привод, передняя ось,
разгон
Продолжение таблицы 3
14
Fz раз
02 (0,3 ) mg раз
15
Fz 01 (0,15 )mg раз
16
Fz 02 (0,15 )mg раз
17
вод.ид. техi
18
K TCH 1 0,2(m mCH )
19
20
21
2
эквi (,0666 техi )2 (,0666техi ) 2 2 2 KTCH
раз 2
z 01
раз 2
k1
/ 2 ;
раз 2
z 02
раз 2
k2
/ 2 ;
тор 2
z 01
раз 2
k1
/ 1 ;
тор 2
z 02
тор 2
k2
/ 2
Ф1раз
R F
Ф2раз
R F
Ф1тор
R F
Ф2тор
R F
A Фmin
22
Vкр1
23
mn mCH
Li
m
Li продольная база АТС
А – промежуточная величина
A (см. п.21)
экв (см. п.19)
A
эквi
K i коэф-т учета состояния
водителя по таб.2
pi - (см. таб.1)
2
вод
2техi pi
2 K
2
T0
25
- (см. таб.1)
K - (см. п.22)
Ошибка в определении
критической скорости в варианте
АХ2 из-за статистических
оценок ошибок управления
По варианту АХ1
А вод
Vкр
2 экв вод texi вод
26
Выбираем Фmin и
сопоставлений по п.20
К 1 К i
24
Задний привод, задняя ось,
разгон
Полный привод, передняя ось,
разгон.
Полный привод, задняя ось,
разгон.
техi - (см. п. 6) техническая
неточность воспроизведения
поворота
управляемыми
колесами
вод.ид. - ошибка в управлении
углом поворота идеального
водителя (по таб.1)
Коэффициент учета загрузки
АТС, mn - полная разрешенная
масса
(см. таб.1)
Vпр 0, 77Vкр
27
Vпр Vкр 1, 2Vкр
водид (см. п. 17)
вод Vкр
водид 100
По варианту АХ2
34
СЕКЦИЯ 3
ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУКТИВНОГО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
АВТОМОБИЛЕЙ
УДК 629.331
КОМБИНИРОВАННЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
ДЛЯ ГОРОДСКОГО ТРАНСПОРТА
Н.Е. Александров, канд. техн. наук, доц.; Н.А. Гулий
Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище
Одним из решений проблем уменьшения расхода углеводородного
сырья и загрязнения окружающей среды отработавшими газами является
совершенствование автомобильных энергетических установок (ЭУ) на базе
тепловых двигателей в направлениях повышения их экономичности и
снижения токсичности [1,3,4]. Несмотря на противоречивость этих задач,
их решение во многом связано со снижением тепловых потерь в процессах
энергопреобразований в двигателе и трансмиссии [1]. Радикальным
методом решения указанной задачи является реализация принципиальной
возможности аккумулирования и утилизации энергии в форме теплоты,
содержащейся в отработавших газах, например в тепловых аккумуляторах,
коогерационных установках и различных расширительных машинах [6].
Такое решение может обеспечить повышение коэффициента полезного
действия (КПД) ЭУ на 15-30%, а также существенно снизить токсичность
отработавших
газов
[1,4,6,7].
Поскольку
другие
способы
совершенствования тепловых двигателей в направлении повышения их
КПД к настоящему времени практически исчерпаны [1,4,6,7], а
практическое применение этого метода в автомобильных ЭУ достаточно
проблематично, решение указанной проблемы особенно актуально для ЭУ
легковых автомобилей, доли расходов топлива и кислорода воздуха, а
также доля токсичных выбросов которых в общей массе потребления
углеводородного сырья и выбросов отработавших газов автомобилями
является преобладающей [3].
В связи с ограниченностью резервов совершенствования ЭУ, как
энергопреобразующей системы, целесообразен анализ надсистемных
факторов, а именно критериев эффективности автомобиля в целом и их
взаимосвязи с выходными показателями ЭУ.
Современный легковой автомобиль является многоцелевым
транспортным средством. Его эффективность в общем случае равна:
К э П м i Т i С о П эт Т о С i ,
35
(1)
где П мi , Т i и Сi - текущие производительность, основные затраты и
Cо
Пэт , Т о и
соответствующее
время
работы,
эталонные
производительность, затраты и долговечность агрегата.
Для анализа преобразуем выражение (1) в следующий вид [1,2]:
Кэ
П мi Т i Gто
П о Т о Gтi
П м экс
G т экс
Т1 Т 2
,
(2)
где П0 ,GТ - эталонные производительность автомобиля и эксплуатационный
расход топлива при реализации оптимальной тягово-скоростной
характеристики; П м , GТ , и Т 1 - относительные средние производительность,
эксплуатационный расход топлива и соответствующее время работы
автомобиля при этом; Т 2 - относительное время работы автомобиля при
достижении эталонных показателей; Т 1 + Т 2 1.
Практика эксплуатации легковых автомобилей показывает, что их
характеристики, близкие к эталонным ( Т 2 =0), практически не реализуются,
коэффициент использования мощности двигателя составляет 0,3-0,5 при
существенном ухудшении экономичности и повышении токсичности
[1,3,4,5,6,7]. Причины указанного состоят в том, что номинальная
мощность двигателя выбирается не по требуемой величине для
преодоления основных сопротивлений движению, а по величине
требуемой для кратковременных разгонов. В результате эффективность
легкового автомобиля составляет не более Кэ =0,2-0,4. В то же время, в
технике для других транспортных средств, эффективность, как
характеристика степени соответствия реализуемого эффекта применения
потенциальному, находится на уровне не ниже Кэ= 0,75-0,8 [1].
Таким образом, с позиций целесообразности расходования ресурсов,
легковой автомобиль недостаточно эффективен, особенно в качестве
городского автомобиля. Рассмотренное подтверждает сложившееся
мнение о нецелесообразности создания и массового производства
многоцелевых автомобилей и указывает необходимость более широкого
применения специализированных городских автомобилей ограниченного
радиуса действия, особенно в крупных городах [3.5.6,7]. Для реализации
концепции городского автомобиля, которая позволит существенно
повысить его эффективность, необходимо сформулировать концепцию его
ЭУ. Её главными положениями являются:
-целесообразность максимально возможного снижения мощности
теплового двигателя и оптимизации его рабочих режимов для повышения
экономичности и снижения токсичности отработавших газов;
-необходимость аккумулирования энергии отработавших газов и
инерции движения автомобиля и ее последующее использование для
обеспечения требуемых динамических показателей автомобиля;
0
экс
экс
36
-возможность частичного восстановления запаса энергии за счет
внешнего источника.
Реализация указанной концепции возможна применением различных
комбинированных энергетических установок (КЭУ), использующих
принципы аккумуляции и рекуперации энергии [4,5,6,7]. Возможны
различные схемы КЭУ, однако в настоящее время наиболее разработаны
КЭУ в виде энергопреобразующих систем, включающих подсистемы
(рис.1.): первичный тепловой двигатель (ПТД), электрогенератор (ЭГ),
электрохимический аккумулятор (АК) и тяговый электромотор (вторичный
двигатель) с трансмиссией, либо непосредственно мотор – колеса (рис. 1).
Тепловой двигатель
Электрогенератор
Аккумулятор
Тяговый электромотор
Полезная работа
Рис.1. Комбинированная энергетическая установка
Они выполняются по параллельной, последовательной или
смешанной схемам и характеризуются возможностью рекуперации части
энергии автомобиля.
Согласованием характеристик подсистем с позиций достижения
требуемых выходных показателей и применением современных систем
управления удалось создать эффективные автомобильные КЭУ и внедрить их
в производство. Полученные преимущества КЭУ компенсируют их
недостатки, связанные с значительным усложнением конструкции. Так, при
мощности ПТД на 25-30% меньше чем в автомобилях- аналогах, достигнуто
повышение топливной экономичности в среднем на 15-20% при снижении
токсичности отработавших газов на 30-50% [4.5,7]. Однако возможны схемы
КЭУ, реализующие рассмотренные принципы другими средствами.
Для их синтеза следует выделить следующие главные функции,
выполняемые КЭУ, исходя из сформулированной концепции:
37
-преобразование химической энергии топлива в тепловую и
механическую работу;
-аккумулирование энергии в тепловой и механической форме;
-использование аккумулированной энергии;
-рекуперация части энергии движения автомобиля.
Морфологический анализ с помощью матрицы «функция-средство
реализации»
позволил
синтезировать
схему
КЭУ
в
виде
энергопреобразующей системы обеспечивающей, на наш взгляд,
максимальное снижение тепловых потерь и потерь на торможение
автомобиля, пригодной для использования на мобильной технике и
конкурентноспособной по сравнению с рассмотренной выше, в следующем
виде (рис. 2).
Первичный тепловой двигатель
Аккумулятор
Тепловой
механической энергии
аккумулятор
Вторичный тепловой двигатель
Полезная работа
Рис. 2. Комбинированная энергетическая установка
Предлагаемая КЭУ, в виде энергопреобразующей системы, состоит из
первичного теплового двигателя (ПТД), аккумуляторов энергии в форме
теплоты и работы (АТ и АР) и вторичного теплового двигателя (ВТД),
использующего накопленную в аккумуляторах энергию и способного
пополнять её путем рекуперации, например в режимах торможения.
Важно, что мощность, развиваемая первичным тепловым двигателем, не
связана с потребляемой для преодоления дорожного сопротивления в
конкретный момент. Поэтому ПТД может работать на наиболее
экономичном стационарном режиме. Мощность ПТД определяется из
баланса выработанной энергии в формах теплоты и работы
и
используемой энергии в форме работы с учетом возможной рекуперации.
Энергетический баланс представлен в общем виде:
38
( N eптд t 1 Q птд t 1 ) ак N eвтд t 2 N втд
t3 ,
р
втд
втд
где N eптд и N e , N р
(1)
- эффективные мощности ПТД и ВТД,
рекуперируемая мощность; Q птд - часть утилизированной энергии ПТД в
форме теплоты; ак - КПД, оценивающий потери в процессах
аккумулирования энергии ПТД; t1 -время работы ПТД; t2 -время работы
ВТД; t3 -время рекуперации.
Для определения эффективной мощности ПТД использованы
имеющиеся опытные данные по структуре цикла движения автомобиля и
доле времени рекуперации (режимы торможения) [1,4,5,6,7], а также
данные по потерям энергии при её аккумулировании и передаче в
подводных аппаратах с тепловыми аккумуляторами [1]. Например, при
умеренно интенсивной эксплуатации автомобиля массой 800 кг в
городском цикле (ГОСТ 20306) в течение 10 часов с пробегом 400 км с
характерной средней скоростью движения 18-20 км/час [5] и времени
работы ПТД в течение 18-20 часов его мощность составляет не более 3-5
кВт. Полученная мощность в 5-7 раз меньше мощности ЭУ автомобиляаналога, выполненного по традиционной схеме и на 20-30 % меньше
мощности
ПТД
для
рассмотренной
ранее
схемы
КЭУ
с
электропреобразованием энергии теплового двигателя. При этом
возможности аккумуляторов позволяют кратковременно увеличивать
мощность ВТД для обеспечения требуемых динамических показателей
городского автомобиля. Кроме отмеченного к преимуществам
рассматриваемой КЭУ по сравнению с другими относятся следующие:
- возможность значительного снижения расхода топлива
пропорционально снижению мощности первичного теплового двигателя;
- возможность значительного снижения токсичности отработавших
газов ПТД в процессе аккумулирования их тепловой энергии;
- существенно более низкие стоимость и массо-габаритные
показатели.
Приведенные данные свидетельствуют об эффективности предложенной
схемы КЭУ городского автомобиля и указывают на необходимость
проведения соответствующих научно-исследовательских работ.
Библиографический список
1. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном
транспорте.- М.: Транспорт, 1990.- 135 с.
2. Левенберг В.Д. Энергетические установки без топлива.- Л.: Судостроение, 1987.- 104с.
3. Мани Л. Транспорт, энергетика и будущее.- М.: Мир, 1987.- 160 с.
4. Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль.- М.: Машиностроение, 1987.- 320с.
5. Умняшкин В.А. Филькин Н.М. Разработка методики расчета мощностных и
конструктивных параметров энергосиловой установки электромобиля гибридного типа
на примере легкового автомобиля //Вестник РАТ.- Вып.2.- Курган: КГУ, 1999.- С. 49-53
39
6. Электомобиль: Техника и экономика /под ред. Щетины В.А. –Л.: Машиностроение,
1987.- 253с.
7. Яковлев А.И., Эйдинов А.А. Взгляд на перспективы развития энергетических
установок автомобилей.- Автостроение за рубежом.- 1998.- № 10.- 1998.- С. 14-19.
УДК 629.113.002
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ
РЕЖИМОВ РАБОТЫ МАЛОГАБАРИТНОГО ТРАНСПОРТНОГО
СРЕДСТВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ В
КАЧЕСТВЕ КОЛЕСНОЙ ТРАНСПОРТНО-ТЯГОВОЙ МАШИНЫ
Д.А. Загарин, руководитель НИЦИАМТ ФГУП «НАМИ»
В сельскохозяйственном производстве транспорт имеет решающее
значение, определяющее функционирование такой важной для экономики
страны отрасли. Эффективность автотранспортных средств во многом
определяется их производительностью. Проведенные ранее исследования
показали, что, с точки зрения технических показателей принципиально
возможны два основных пути роста производительности: за счет
повышения средних скоростей движения и за счет повышения
грузоподъемности. Особенно это важно при эксплуатации транспортных
средств в условиях бездорожья и по пересеченной местности (с поля и на
поле, а также по полю внутри хозяйства).
Следует отметить, что аграрный сектор России обладает огромными
потенциальными возможностями (в частности, в нашей стране находится 10%
мировой пашни) и сохраняет большие перспективы развития. Сегодня
проблема обеспечения предприятий АПК новой техникой является достаточно
сложной. Многие сельхозпредприятия убыточны и не имеют возможности
закупать новую технику, а техника, которая имеется в хозяйствах, на 60-70%
выработала свой ресурс. По оценкам специалистов, только от снижения
уровня механизации сельхозпроизводства Россия теряла в последние годы не
менее 30% урожая сельскохозяйственных культур.
Из проведенных ранее работ следует, что [6-8, 9, 12-15, 17-18] наряду
с крупными и средними сельскохозяйственными организациями, другими
производителями, по классификации Росстата [23] большая часть
сельского населения страны занята в малых формах хозяйствования.
Например, в стране крестьянских фермерских (КФХ) насчитывается около
250 тыс. хозяйств, личных подсобных хозяйств (ЛПХ) – 17,8 млн.,
индивидуальных садов и огородов – 14,6 и 4,4 млн. соответственно. При
этом почти 16,5 млн. хозяйств России требуют решения проблемы
технического перевооружения.
40
Обеспечение транспортными средствами (грузовыми автомобилями)
КФХ остается низкой – в среднем по стране 1 автомобиль на два
хозяйства, при неравномерном распределении по регионам (Тамбовская
обл. – 0,9 автомобиля на 1 КФХ, из них полностью самортизированы –
0,33; Курская обл. – 0,6 и 0,37, соответственно). Применение изношенной
техники увеличивает себестоимость продукции, а значительные ресурсы
приходится направлять на ремонт. Проблема обеспечения сельского
хозяйства транспортными средствами приобретает особенно острый
характер. При этом сельское хозяйство отличается большим
разнообразием грузов, а общий объем перевозок в 2005 году составил в
среднем 36 т в расчете на 1 га пашни и на ближайшую перспективу
прогнозируется рост до 50 т. [12]. В отечественном сельском хозяйстве
тракторные перевозки составляют 22…27% от общего объема
транспортных перевозок и 45% объема внутрихозяйственных перевозок.
При этом тракторные перевозки отличаются неэффективностью, а их
стоимость выше стоимости автомобильных.
Однако, в «Нормативах потребности АПК в технике для
растениеводства и животноводства» [19], транспортные средства не
рассматриваются
в
технологическом
процессе
производства
сельскохозяйственной
продукции,
а
самым
востребованным
энергетическим средством указан колесный трактор МТЗ-80/82 класса тяги
1,4 т. Анализ приведенных данных показывает, что в малых формах
хозяйствования существует необходимость в перевозке мелкопартионных
грузов. Такой вывод подтверждается и зарубежным опытом [4].
Решению транспортной проблемы в сельском хозяйстве всегда
уделялось большое внимание [1-3, 5-6, 16, 20-22, 24]. Необходимость
механизации
отдельных
технологических
операций
в
сельскохозяйственном производстве определяла подходы к созданию
универсальных машин. Однако получались или разновидности тракторов с
модульным агрегатированием, или транспортные средства с таким
количеством дополнительных функций, что экономическая эффективность
их применения оставалась под вопросом [17].
ФГУП «НАМИ» была разработана концепция малогабаритных
средств сельскохозяйственного назначения (МТС) с широкими
функциональными возможностями. Согласно этой концепции создается
семейство транспортных средств в виде грузовых автомобилей высокой
проходимости с приданием им дополнительных функциональных
возможностей для механизации некоторых вспомогательных операций в
малых формах хозяйствования [7-8, 10-11, 13-14]. Упомянутая концепция
реализована в виде семейства колесных транспортно-тяговых машин (рис.
1), предназначенных для работы в тяжелых условиях и исследование
41
основных эксплуатационных режимов работы которых, как в
транспортном, так и в тяговом режиме является актуальной задачей.
За
рубежом
созданию
специализированной
техники
сельскохозяйственного назначения всегда уделялось большое внимание.
Однако транспортные средства высокой проходимости с широкими
функциональными возможностями не столь распространены. Отсутствие
такого рода транспортных средств в линейке продукции ведущих
производителей мира можно объяснить наличием хорошо развитой дорожной
сети, в том числе в сельской местности, более мягким климатом, укрупнением
фермерских хозяйств, а также большой насыщенностью типажей тракторов и
автомобилей разнообразными взаимодополняющими типами машин. С
другой стороны, накоплен большой опыт по созданию транспортно-тяговых
машин различного класса и назначения. Например, многолетний опыт
производства и эксплуатации системы машин Унимог (Германия) показывает,
что в сельскохозяйственном производстве гибрид автомобиля и трактора не
нужен, он дорог и не эффективен. Востребованы трактора различных
компоновочных схем и класса тяги в качестве средств механизации и
транспортные средства – грузовые автомобили различной грузоподъемности и
исполнения с широкими функциональными возможностями.
Рис. 1. Опытные образцы МТС первой серии
В работе [7] дан анализ таких специализированных транспортнотяговых машин, как:
- малогабаритные полноприводные транспортные средства различного
назначения;
42
- малогабаритные технологические модули для сельского хозяйства с
транспортной скоростью не более 40 км/ч;
малогабаритные
полноприводные
многофункциональные
транспортные средства, специально предназначенные для сельского
хозяйства, которые не сертифицируются как автомобили, и не
предназначены для эксплуатации по дорогам общего пользования.
В качестве аналогов МТС были рассмотрены Ресант RS 1904P
(Швейцария), Вольво С202 (Швеция), Карон 240, Оелле 196 Е, Дурсо
Футура, ОМАИ 4х4, Поникар 57.20, Карго, Бонетти и Ереппи Слалом 30
(Италия) (рис. 2 - 9). Некоторые технические характеристики наиболее
близких аналогов сведены в таблицу 1.
Анализ показывает, что упомянутые машины повышенной
проходимости способны выполнять только 2…3 вспомогательные
агротехнические операции, они мало приспособлены к преодолению
бездорожья и использованию передней навески, а транспортные операции
выполняют только вне дорог общего пользования на грунтовых дорогах с
твердым покрытием. Общим недостатком таких транспортных и
технологических средств можно признать относительную дороговизну при
ограниченности функциональных возможностей.
Следовательно, исходя из понимания особенностей транспортных
проблем отечественных сельхозпроизводителей, определение показателей
эффективности эксплуатации семейства МТС является актуальной задачей.
В сельском хозяйстве страны автомобильный парк долгое время
состоял в основном из машин общего назначения, которые имели
низкую проходимость, высокое давление на грунт; на них нельзя было
получить минимально устойчивую скорость движения при совместной
работе с технологическими сельскохозяйственными машинами. Из всех
автомобилей,
поставляемых
сельскому
хозяйству,
к
специализированным сельскохозяйственным относились три модели
самосвалов типа 4х2, имеющие отличную от других конструкцию кузова
[16]. Расчеты показали, что необходимо иметь многомодельный парк
малотоннажных
машин,
а
из
транспортно-технологических
автотранспортных средств наиболее востребован полноприводный
двухосный автомобиль-тягач грузоподъемностью 5…6 т с дизелем. Он
должен был быть приспособлен к регулярной работе в составе
автопоезда с прицепом той же грузоподъемности с максимальной
нагрузкой на ось до 6 т.
Кроме того, в транспортной системе использовались автомобили, так
или иначе приспособленные для применения в малых формах
хозяйствования [16]:
43
Рис. 2. Вольво С202
Рис. 3. ОМАИ 4х4
Рис. 4. Поникар 57.20
Рис. 5. Карго 80 4х4
Рис. 6. Бонетти F100
Рис. 7. Оелле 196 Е
Рис. 8. Карон 780
Рис. 9. Ереппи Слалом 30
44
Таблица 1
Технические характеристики малогабаритных транспортных средств
Параметры
Грузоподъемность,
кг
Снаряженная масса,
кг
Полная масса, кг
Габаритные
размеры, мм,
ДхШхВ
Колесная база, мм
Клиренс, мм
Максимальная
скорость, км/ч
Мощность
двигателя, кВт
(л.с.), при мин-1
Макс. крутящий
момент, Нм при
мин-1
Тип трансмиссии и
количество передач
Размерность шин
Наличие
дополнительного
оборудования
Ереппи
Слалом 30
(Италия)
Дурсо Футура
98Е (Италия)
Карон 240
(Италия)
Расант
RS1904P
(Швейцария)
1000
800
1510
1010
1400
1000
1990
1790
2400
1800
3500
2800
3880х1450х
1960
4100х1530х
1970
4250х1200х
2140
3150х1895х
2120
2320
240
2300
175
2220
250
1750
290
40
32
40
27
20 (26,1)/3000
15 (20,4)/2300
18(25)/2250
33,8
(46)/2800
112/1400
80,0/1200
93,0/1200
149/1600
4х4 мех., 10
передач
вперед, 2 назад
185R14С
Гидравлический механизм
опрокидывания в 3 стороны, валы отбора мощности
4х4 мех., 10
4х4 мех., 12
передач
передач
вперед, 2 назад вперед, 6 назад
6,5/80х15
31х15,50R-15
ГидравличесГидравлический механизм
кий механизм опрокидываопрокидывания в 3 сторония
ны, валы отбора мощности
4х4 мех., 8
передач
вперед, 8 назад
29х13,50-15"
Оборудование
для передней и
задней навески, валы отбора мощности
- автомобиль-фургон ИЖ-2715 (грузоподъемность – 350 кг) и
автомобиль-пикап ИЖ-27151 (соответственно, 400 кг);
- автомобиль-фургон ЕрАЗ-762В (1150 кг);
- УАЗ-451М и УАЗ-451ДМ (1000 кг) и их модификации высокой
проходимости УАЗ-452 и 452Д (800 кг).
По количеству и номенклатуре выпускаемая техника не справлялась
быстро растущим грузопотоком. Особенно это было заметно в сельском
хозяйстве, где транспортные средства высокой проходимости редко
применялись, причем при слабом развитии тракторных перевозок.
В НАМИ было разработано семейство транспортно-технологических
автомобилей НАМИ-0342 (рис. 10), которые могли работать в сельском
хозяйстве и коммунальной сфере городов, для чего они были оборудованы
45
передним и задним валами отбора мощности, специальными устройствами для
агрегатирования разного рода технологического оборудования. В таблице 2
приведены основные технические характеристики машины. Однако, в силу
разных причин, испытания машин не были доведены до государственных
приемочных и наладить серийное производство не удалось.
Потребность в транспортно-технологических автомобилях, способных
круглогодично работать на грунтовых дорогах и в полевых условиях со
специальными и специализированными прицепными средствами только росла.
Согласно расчетам, наиболее массовым должен был быть автопоезд с полной
массой не более 24 т, в составе автомобиля-тягача с полной массой до 12 т и
грузоподъемностью до 6 т, и двухосного прицепа грузоподъемностью до 5…6
т. В соответствии с агротехническими требованиями семейство транспортных
средств должно было содержать базовое шасси – автомобиль-тягач высокой
проходимости, предназначенный для работы с прицепом равной
грузоподъемности; самосвальный и бортовой автопоезда; седельный
автопоезд и шасси под специальные надстройки [6]. Серийное производство
семейства КАЗ-4540 было начато в 1984 году. Эксплуатация показала, что
производительность транспортных работ в сельском хозяйстве возросла
примерно в 2 раза при снижении расхода топлива и уменьшения вредного
воздействия на окружающую среду. На рис. 11 показан общий вид
транспортно-технологического автопоезда КАЗ (1985 г.), в таблице 3
приведены
основные
технические
характеристики
автопоезда
сельскохозяйственного назначения.
В работе [18] рассматриваются математические модели колесных
транспортно-тяговых машин в виде тракторов нетрадиционной
компоновки. Авторы упомянутой работы «нетрадиционную компоновку»
сельскохозяйственных машин понимают как отличную от «традиционной»
или «классической» компоновки. Путем исследования более трех сотен
моделей традиционной и нетрадиционной компоновки были получены
корреляционные статистические зависимости между конструктивными и
компоновочными параметрами.
Разработка математической модели МТС как тяговой машины
сельскохозяйственного назначения позволит установить связь между
эксплуатационными
и
конструктивными
параметрами,
оценить
эффективность принятых решений по сравнению с известными
технологическими машинами, и поэтому является актуальной задачей.
Кроме того, разрабатываемая математическая модель должна помочь
оценить зависимости тягово-сцепных качеств МТС от распределения
нагрузки между осями. Это тем более актуально, что МТС может быть
использовано в качестве тяговой машины на вспомогательных
технологических операциях в сельском хозяйстве, где тягово-сцепные
качества колесной машины определяются характером взаимодействия
46
ходовой системы с почвой. Известно [1,14,17,24], что в этом
взаимодействии основными факторами являются конструкция движителя,
нагрузки на оси, состояние и характеристики почвы. Например,
зависимость тягово-сцепных качеств тракторов как тяговых машин от
распределения нормальных реакций между осями [18] T y п / y з , где y п и
y з нормальные реакции на передние и задние колеса. Пределы изменения
T определяются грузоподъемностью шин и сохранением устойчивости и
управляемости машины.
Таблица 2
Основные технические характеристики автомобиля-самосвала НАМИ-0342 типа 4х4
Параметр
Полезная нагрузка, кг
Снаряженная масса, кг
Полная масса, кг
Нагрузка на переднюю ось, кг
Нагрузка на заднюю ось, кг
База, мм
Колея передних и задних колес, мм
Габаритные размеры, ДхШхВ, мм
Максимальная скорость движения
(в зависимости от назначения и типа двигателя), км/ч
Минимальная устойчивая скорость, км/ч
Минимальный дорожный просвет, мм
Шины
Двигатель:
Число и расположение цилиндров
Рабочий объем, л
Номинальная мощность, кВт
Частота вращения коленчатого вала при
номинальной мощности, мин-1
Максимальный крутящий момент, Нм
Частота вращения коленчатого вала при
максимальном крутящем моменте, мин-1
Рис. 10. НАМИ-0342
Значение
500
1200
1850
950
900
1900
1200-1400
3710х1730х2114
50-70
2,0
250
8,40-15
дизельный
2, рядное
0,954
15
бензиновый
2, оппозитное
0,850
29
3000
50
4500
60
2600
3200
Рис. 11. КАЗ-4540
47
Таблица 3
Основные технические характеристики автомобиля-самосвала КАЗ-4540
Параметр
Полезная нагрузка, кг
Снаряженная масса, кг
Полная масса, кг
Нагрузка на переднюю ось, кг
Нагрузка на заднюю ось, кг
Допустимая масса прицепа, кг:
- только по дорогам с твердым покрытием
- по всем дорогам
База, мм
Колея передних и задних колес, мм
Габаритные размеры, ДхШхВ, мм
Максимальная скорость движения, км/ч
Минимальный дорожный просвет, мм
Шины
Двигатель:
Тип
Число и расположение цилиндров
Рабочий объем, л
Номинальная мощность, кВт
Частота вращения коленчатого вала при
номинальной мощности, мин-1
Максимальный крутящий момент, Нм
Частота вращения коленчатого вала при
максимальном крутящем моменте, мин-1
Значение
5500
6610
12260
6120
6140
12000
9000
3600
2000-2000
6810х2490х2925
75
300
HP-56 370/80-508
дизельный, ЯМЗ-КАЗ-642
6, V-образное
8,14
112,5
2500
469
1400-1650
Принимая допущение, что в рассматриваемом диапазоне
распределения нормальных нагрузок коэффициент сцепления не
меняется, то реализуемая по сцеплению касательная сила тяги
G
Pk
,
T 1
где G - полная масса машины.
Сила сопротивления качению зависит от распределения нагрузок
между осями:
Gf f 1 y п f 2 y з ,
откуда приведенный коэффициент качения может быть записан в
зависимости от T :
1
f f1 T f 2
,
T 1
T 1
48
где коэффициенты качения передних и задних колес можно выразить как
функции T :
f 1 f 1 T и f 2 f 2 T .
В цитируемой работе тяговый КПД также определяется в зависимости
от T :
f 1
f
T 1 .
Следует заметить, что изменение КПД, учитывающего потери от
буксования в зависимости от распределения нормальной нагрузки,
определяется характером изменения буксования. Так как процесс
взаимодействия колеса с почвой определяется множеством факторов, то
предполагается, что расчетные значения функции T f T примерно
соответствуют реальным условиям.
Для полноприводного трактора (4К4) наибольший тяговый КПД
достигается при равномерном распределении нагрузок на мосты с
одинаковыми по размеру колесами ( T =1). При разработке технического
задания на МТС исходили из необходимости обеспечения ровно такого
распределения нагрузок при одинаковых по размеру колес. Иными
словами, зависимость тягового КПД от коэффициента распределения
нагрузок должна иметь монотонный характер, что и следует проверить в
процессе теоретических исследований.
Минимальное значение приведенного коэффициента качения f для
полноприводной машины имеет место при:
k п bп D12п
T
,
k з bз D12з
где k п и k з - приведенные коэффициенты объемного смятия почвы; bп , bз ,
D1п и D1з - ширина и приведенные диаметры шин передних и задних
колес, соответственно [7]. При этом, D1 D 1 U / H , где D - диаметр
колеса, U - радиальная деформация шины, H - глубина колеи.
Следовательно, f f min - для полноприводной тяговой машины с
ведущими колесами одинакового диаметра. Можно заключить, что при
несовпадении расчетного и фактического значений T необходимо
изменять параметры движителя, приближаясь к оптимальному значению
коэффициента распределения нормальных реакций.
Известно, что эксплуатационные режимы работы транспортно-тяговых
машин характеризуются многими параметрами [21], как постоянными, так и
переменными. Например, такие параметры, как полная масса, установившаяся
температура двигателя, давление воздуха в различных системах на
определенных режимах движения можно принять неизменными. В это же
49
время, параметры трансмиссии могут меняться определенным конструкцией
машины образом, а такие показатели, как скорость движения, виброускорение,
температура агрегатов, сила тяги на крюке и т.п. изменяются непрерывно в
зависимости от условий движения. Так как последнее носит случайный
характер, то параметры эксплуатационных режимов тоже являются
случайными функциями и могут быть оценены только методами
математической статистики (теории вероятности).
Следовательно, проведение экспериментальных исследований МТС с
целью определения средних скоростей движения в различных дорожных
условиях является актуальной задачей.
Для рационального использования МТС в качестве тяговой машины
на вспомогательных операциях в малых формах хозяйствования,
необходимо оценить такие параметры динамической нагруженности, как
ускорение подрессоренных и неподрессоренных масс, возникающие от
действия неровностей дороги; крутящие моменты в трансмиссии и на
ведущих колесах; силу тяги на крюке и т.п. Кроме того, для оценки
динамического нагружения МТС в качестве транспортной машины,
достаточно знать уровень виброускорений подрессоренных и
неподрессоренных масс и крутящих моментов в трансмиссии. Анализ этих
параметров позволит оценить прочность несущих элементов, а также
прочность и надежность агрегатов трансмиссии.
Однако очевидно, что для транспортно-тяговой машины в виде
грузового автомобиля высокой проходимости, предназначенной для
эксплуатации, в том числе, по бездорожью, наиболее информативным
является
такой
параметр
эффективности,
как
«полезная
производительность» [21]:
П Qs0 / t0 ,
где Q - объем перевозимого груза; s0 - протяженность кратчайшего
маршрута; t0 - время, затраченное на перевозки.
Для полной оценки транспортно-тяговой машины, как правило,
исследуют эффективность по уровню выполнения машиной той или иной
транспортно-тяговой функции Фi или их комплекса Фi по сравнению с
требуемым уровнем Фoi или Фoi . Уровень выполнения функции зависит
от приведенных суммарных затрат Ci (совершенство конструкции,
эксплуатационные затраты и т.п.), необходимых для выполнения работы.
Тогда коэффициент эффективности:
Кэ
Фi Coi .
Ci Фoi
Так как использование этого параметра связано с определенными
трудностями, то, в дальнейшем, необходимо определить параметр
50
эффективности МТС в качестве транспортно-тяговой машины и провести
сравнительный анализ с образцами, имеющими сопоставимые параметры.
Исходя из вышеизложенного, была сформулирована цель проводимых
в ФГУП «НАМИ» исследований: проведение теоретических исследований
основных эксплуатационных режимов МТС сельскохозяйственного
назначения путем определения параметров эффективности как
транспортного средства, разработки математической модели как тяговой
машины и экспериментальное исследование опытных образцов.
В качестве задач исследования, кроме перечисленных выше,
представляется необходимым провести исследование опытных образцов МТС,
уточнить техническую документацию в процессе подготовки серийного
производства. В настоящее время проводятся полигонные испытания опытных
образцов и уточнение чертежной документации, а на одном из заводов
Новгородской области ведется подготовка к серийному производству.
Семейство МТС может способствовать решению проблемы
отсутствия личного и семейного пассажирского транспорта в сельской
местности, что, со своей стороны, может обеспечить рост такого важного
экономического и социального показателя, как подвижность населения.
Библиографический список
1. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. – М.: Машиностроение, 1981. – 232 с.
2. Барун В.Н., Игнатов В.Д. Эффективность применения большегрузных автомобилей
на уборочно-транспортных работах//Механизация и электрификация сельского
хозяйства. 1981. №10. С.11-14.
3. Баснак А.Ю. Приоритетные направления развития фермерского и личного
подсобного производства (на матералах Рязанской области)/Автореферат дис. … канд
техн. Наук, - Мичуринск-наукоград, 2006. – 26 с.
4. Бородина Е.Н. Крестьянские (фермерские) хозяйства в России и за рубежом//
Техника и оборудование для села. 2006. №8. С. 2-3.
5. Брегадзе М.Д. Разработка методики расчета нагрузочных режимов полноприводных
автомобилей для эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства. Дисс.
канд. тех. наук.– М.: 1989.–158 с.
6. Глинер Л.Е. Обоснование и практическая реализация полноприводной
компоновочной схемы грузовых автомобилей общетранспортного назначения как
резерва повышения производительности автотранспортных средств //Автореферат дис.
…канд. техн. наук. – М., 1987. - 24 с.
7. Дзоценидзе Т.Д. Обоснование параметров малогабаритных транспортных средств
сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями.
Дисс. … доктора технических наук. – М., МГАУ им. В.П. Горячкина, 2009. – 407 с.
8. Дзоценидзе Т.Д., Есеновский-Лашков Ю.К., Загарин Д.А., Кузнецов Н.С., Козловская М.А.
Особенности развития отечественной автокомпонентной базы и проблема создания новых
средств развития транспортной инфраструктуры//Грузовик &. 2008. №9. С. 32-37.
9. Евтюшенков Н.Е. Перспективы транспорта для села до 2010 г.// Техника и
оборудование для села. 2005. №1. С. 9-10; №2. С. 11-12.
10. Загарин Д.А. и др. Трансмиссия полноприводной колесной машины. Патент №62358
на полезную модель. 10.04.2007. Бюл. №10.
51
11. Загарин Д.А. и др. Колесное транспортное средство многофункциональное. Патент
№66412 на промышленный образец. 16.05.2008.
12. Измайлов А.Ю. Технологии и технические решения по повышению эффективности
транспортных систем АПК. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. – 200 с.
13. Ипатов А.А., Дзоценидзе Т.Д., Минкин И.М., Пономарев А.К., Загарин Д.А. Первый в
мире типаж мобильных малогабаритных АТС для сельского хозяйства//Автомобильная
промышленность. 2008. №10. С. 10-13.
14. Ипатов А.А., Дзоценидзе Т.Д. Создание новых средств развития транспортной
инфраструктуры. Проблемы и решения. – М.: Металлургиздат, 2008. - 272 с., ил.
15. Кормаков Л.Ф. Автомобильный транспорт агропромышленного комплекса:
организация и экономика. – М.: Транспорт, 1990. – 232 с.
16. Краткий автомобильный справочник. – 10-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт,
1983. – 220 с., ил., табл. (Гос. науч. – исслед. ин-т автомоб. трансп.).
17. Ксеневич И.П., Гоберман В.А., Гоберман Л.А. Наземные тягово-транспортные
системы. Энциклопедия в 3-х томах. – М.: Машиностроение, 2003.
18. Ксеневич И.П., Парфенов А.П., Либцис С.Е. Сельскохозяйственные тракторы
нетрадиционных компоновок. Справочное пособие под ред. д.т.н., проф. И.П.
Ксеневича. – Минск, 2003. – 210 с., ил.
19. Нормативы потребности АПК в технике для растениеводства и животноводства:
Нормативы. – М.: ФГНУ «Росинформагротех». 2003. – 84 с.
20. Петрушов В.А. Автомобили и автопоезда: Новые технологии исследования
сопротивлений качения и воздуха. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2008. – 352 с.: ил.
21. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые
машины. – М.: Машиностроение, 1986. – 296 с., ил.
22. Смирнов
Г.А. Теория движения колесных машин. Учеб. для студентов
автомобильных специальностей вузов. – М.: Машиностроение, 1981. – 271 с., ил.
23. Формирование и использование парка машин в малых формах хозяйствования.
Научный доклад. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. – 51 с.
24. Шухман С.Б., Соловьев В.И., Прочко Е.И. Теория силового привода колес
автомобилей высокой проходимости. Под общей редакцией д.т.н., проф. С.Б. Шухмана.
– М.: Агробизнесцентр, 2007. – 336 с.
УДК 629.113
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОГО НЕСООТВЕТСТВИЯ
МЕЖДУ МОСТАМИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДА ВВЕДЕНИЯ
ЖЕСТКОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
А.В. Келлер, канд. техн. наук, доц.; В.В. Окольников, канд. техн. наук,
доц.; И.О. Бобков, К.А. Пшеницын, А.Ю. Кокшин
Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище
Существенное влияние на эффективность использования метода введения
жесткой кинематической связи оказывает наличие кинематического
несоответствия между мостами автомобилей многоцелевого назначения АМН,
которое возникает вследствие эксплуатационных (различные траектории
52
движения колес мостов, различное давление воздуха в шинах и т.д.) и
конструктивных факторов (допуски на изготовление шин, податливость
приводных валов и т.д.).
Жесткий кинематический привод, в том числе и блокированный
дифференциальный, вследствие разных угловых скоростей вращения или
радиусов ведущих колес приводит к движению их с разным по величине и
направлению буксованием. Это явление снижает эффективность
использования сцепного веса АМН (за счет увеличения количества
ведущих колес) для увеличения общей касательной силы тяги. Рассмотрим
подробно влияние количества ведущих колес с жесткой кинематической
связью на тяговые и энергетические показатели АМН.
Известно, что при блокированном приводе ведущих колес всегда
существует коэффициент кинематического несоответствия (K) между ними.
Для двух мостов (колес) этот коэффициент может быть определен по
уравнению:
K
Vm1 Vm1 (1 1 ) 1 1
1 ,
Vm2 Vm2 (1 2 ) 1 2
(1)
где δ2, δ1 – буксование «отстающего» и «забегающего» колес; Vт1, Vт2, Vд –
теоретическая поступательная скорость движения осей «забегающего» и
«отстающего» колес и действительная скорость движения осей колес.
У АМН с жесткой кинематической связью между ведущими мостами
вступление колес в ведущий режим происходит последовательно в
зависимости от величины К между двумя «смежными» мостами.
Поэтому можно воспользоваться средними значениями Кср между
двумя колесами, последовательно вступающими в режим ведущих, т.е.:
n
K cp
K
i 1
n
i
K1 K 2 K 3 ...K n
,
n
(2)
где п – число ведущих колес.
В этом случае уравнение (1) может быть записано:
1n
K cpn 1
,
(3)
1 1
где δn – буксование колеса, вступающего в тяговый режим последним.
Для определения суммарной касательной силы n ведущих колес
воспользуемся линейной зависимостью между касательной силой тяги и
буксованием (для малых значений δ):
Pk a ,
(4)
где а – коэффициент пропорциональности:
53
10 3
a
.
(5)
Суммарная сила тяги АМН может быть найдена из выражения:
n
n
10 3
(
Pkan
Pki
i .
6)
an i 1
i 1
Выразим сумму буксований через буксование колеса первым
вступающим в работу на основе выражения (6):
2 1 K 1 (1 1 ) ;
(7)
3 1 K 2 (1 2 ) 1 K 1K 2 (1 1 ) ;
(8)
для n–го колеса:
n 1 K n1 (1 n 1 ) 1 K 1K 2 ...K n 1 (1 1 ) .
(9)
С учетом вышеизложенного получим:
n
i
1
(n 1) (1 1 )(n 1) K cp yc ,
(10)
i 1
где δус – условное буксование движителя.
Разделив правую и левую часть уравнения (4) на сцепной вес,
получим:
10 3
уд
,
(11)
an k G yc
где φуд – коэффициент использования сцепного веса АМН; λк –
коэффициент распределения массы АМН по колесам; G – вес АМН.
Если принять распределение массы по всем колесам равномерным, то
можно записать:
k G nGi .
(12)
Графики зависимости силы тяги и удельной силы тяги от числа ведущих
мостов при движении по суглинку представлены на рисунке 1.
Тогда уравнение (11) запишется:
103
уд
.
(13)
an Gi n yc
Анализ рисунка 1 позволяет сделать вывод о том, что при определенном
кинематическом несоответствии (порядка 8,5 %) между ведущими мостами
реализуемая сила тяги при количестве ведущих мостов больше трех может
уменьшиться. Удельная сила тяги при наличии кинематического
несоответствия всегда уменьшается с увеличением числа ведущих мостов.
Существенное кинематическое несоответствие возникает при движении
АМН в горной местности вследствие перераспределения массы на колеса
задних мостов и как следствие существенного уменьшения их радиуса качения
в ведомом режиме. В результате этого происходит перераспределение
54
крутящего момента двигателя в сторону передних колес, имеющих больший
радиус качения в ведомом режиме. При этом вследствие снижения доли веса
АМН, приходящейся на передние мосты, суммарная сила тяги, которую может
реализовать АМН, значительно снижается.
Рис. 1. Зависимость удельной уд и суммарной Рка силы тяги АМН от количества
ведущих мостов n при различном кинематическом несоответствии К.
Особенно это заметно на АМН типа 4Х4, для которых характерно
существенное перераспределение массы между передними и задними мостами.
На рисунке 2 представлена зависимость уменьшения суммарной силы тяги (в
процентах от максимально возможной), реализуемой ведущими колесами АМН
типа 4Х4 (КАМАЗ-4350), от массы перевозимого на нем груза и уклона дороги.
Как следует из рисунка 3, АМН типа 4Х4 при движении в горной местности
недоиспользует в зависимости от массы перевозимого груза и уклона дороги от
5 до 30% своих тяговых возможностей (что существенно снижает его
подвижность). При буксировании прицепа степень недоиспользования
потенциальных возможностей увеличивается еще на 5…10%.
Вместе с тем основной причиной кинематического несоответствия при
прямолинейном движении АМН является различие в радиусах качения его
колес. В исследованиях выполненных в НАМИ и 21 НИИИ МО РФ [1, 2]
установлена дробно-линейная (гиперболическая) зависимость радиуса колеса
от давления воздуха в шинах. Следовательно, кинематическое несоответствие,
возникающее при прямолинейном движении между ведущими мостами АМН
можно устранить путем изменения давления воздуха в шинах. Таким образом,
для обеспечения требуемой подвижности АМН при движении в сложных
условиях в систему управления блокированием дифференциалов необходимо
интегрировать систему регулирования давления воздуха в шинах.
55
Рис. 2. Зависимость потерь суммарной силы тяги АМН типа 4Х4 вследствие
кинематического несоответствия от массы перевозимого груза и уклона дороги
Библиографический список
1. Петрушов, В.А. Сопротивление качению автомобилей и автопоездов [Текст] / В.А.
Петрушов, С.А. Шуклин, В.В. Московкин. - М.: Машиностроение, 1975. - 184 с.
2. Абрамов, В.Н. Оценка и выбор пневматических шин регулируемого давления для
армейских автомобилей [Текст] / В.Н. Абрамов, М.П. Чистов, И.В. Веселов, А.А.
Колтунов; под ред. В.В. Шипилова. - Бронницы: ФГУП 21 НИИИ МО РФ, 2006. - 223 с.
УДК 629.1.098.001.01
СОВРЕМЕННЫЙ ГОРОДСКОЙ АВТОМОБИЛЬ
И.М. Князев, канд. техн. наук, доц.; И.В.Хамов, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Типичный легковой автомобиль, пользующийся наибольшим спросом
у нас в стране и за рубежом представлен моделями класса С [1], такими
как Ford Focus, VW Golf, Opel Astra, Lada Priora. Он имеет длину от 3,8 до
4,4 м, высоту 1,33 – 1,44 м и 5 мест для водителя и пассажиров.
Максимальная мощность двигателя составляет от 90 до 150 л.с.
В настоящее время большая часть населения живет в крупных
городах, а значительная часть пробега автомобиля приходится на
городские условия. Указанный тип автомобилей плохо приспособлен к
таким условиям эксплуатации:
1. Слишком большая длина затрудняет маневрирование и парковку в
стесненных условиях города.
2. Высоты салона явно недостаточно для удобной посадки и высадки.
Кроме того, глаза водителя расположены относительно низко над дорогой,
56
как следствие плохая обзорность и сильное ослепление фарами встречных
автомобилей.
3. Пять мест слишком много, учитывая что легковой автомобиль в городе
перевозит в среднем менее двух человек.
4. Для движения по городу, где разрешенная скорость составляет 60 км/ч, и
вне населенных пунктов, где скорость не должна превышать 90 км/ч, не
требуется двигатель такой высокой мощности. При этом двигатель завышенной
мощности увеличивает транспортный налог и стоимость полюса ОСАГО.
Мировой экономический кризис, истощение топливных ресурсов и
стремительное ухудшение экологии заставляют по-другому взглянуть на
концепцию современного массового городского автомобиля. Он должен быть
экономичным не только по расходу топлива, а в широком смысле этого слова занимать мало места на проезжей части и стоянке, быть менее токсичным и
шумным, обеспечивать минимальные транспортный налог и стоимость
обязательного страхования. По сравнению с распространенным в настоящее
время типичным городским автомобилем, современный экономичный
автомобиль должен иметь меньшие длину, число мест и мощность двигателя.
А для обеспечения комфортной посадки при малой длине салона и хорошей
обзорности он должен иметь увеличенную габаритную высоту.
Анализ затрат на обязательное страхование и транспортный налог в
зависимости от мощности двигателя показан диаграммой зависимости на
рисунке.
35000
Затраты, руб.
30000
25000
20000
15000
10000
С
5000
ТН
0
0
50
100
150
200
250
350
Мощность двигателя, л.с.
Рис. 1. Зависимость годовых затрат на транспортный налог (ТН) и ОСАГО (С)
от мощности двигателя для г. Омска (стаж водителя более 3 лет, возраст более 22 лет)
В связи с этим предлагается двухуровневая концепции современного
экономичного автомобиля. Первый уровень предполагает незначительное
57
уменьшение длины и мощности двигателя, с одновременным увеличением
габаритной высоты для сохранения 4 или 5 мест. (см. таблицу 1).
Сравнение типичного автомобиля пользующегося повышенным
спросом (FORD FOCUS II Sedan) с городским автомобилем концепции
первого уровня (SUZUKI Wagon R+) показывает (таблица 2), что хотя
последний на 22 % короче он занимает на 31 % меньше площади дороги и
при этом имеет полезный объем больше на 23 %.
Более рациональным для городских условий является двухместный
автомобиль, параметры которого заданы вторым уровнем (таблица 1).
Таблица 1
Параметры современного экономичного автомобиля
Параметр
Уровни концепции
Первый
3400-3800 (3500)
1500-1800 (1660)
70-100 (70)
Длина, мм
Высота, мм
Максимальная
мощность ДВС, л.с.
Число мест
4 – 5 (5)
Прототип
Suzuki Wagon R+
Второй
2300-2700 (2695)
1500-1800 (1542)
До 50 (45)
2 (2)
Smart Fortwo II coupe
Примечание - в скобках даны параметры прототипов
Таблица 2
Сравнительная характеристика типичного и концептуального автомобилей
Показатель
FORD
FOCUS II
Sedаn
4488
8,26
2,57 + 0,47 =
3,04
SUZUKI
Wagon R+
Разница показателей,
абсолютная
(относительная, %)
-988 (-22)
-2,59 (-31)
Габаритная длина, мм
3500
2
Площадь, занимаемая на дороге, м
5,67
Полезный объем автомобиля (объем
3,74 + 0 =
0,7 (23)
салона* + объем багажника), м3
3,74
Отношение полезного объема к
0,677
1,069
0,392 (58)
габаритной длине, м3/м
Отношение полезного объема к
площади, занимаемой на дороге,
0,368
0,660
0,292 (79)
м3/м2
* Произведение длины салона (расстояние от педали тормоза до спинки заднего
сиденья или до задней двери для кузова универсал) на его ширину и высоту
58
Интересен опыт кафедры «Автомобили и тракторы» Тольяттинского
государственного университета, где разработана концепция современного
особокомпактного двухместного городского легкового автомобиля [2]. Его
габаритная длина составляет всего 2300 мм, а высота – 1400 мм.
Заключение. По мнению авторов, широкое распространение
компактных городских автомобилей является неизбежным и в настоящее
время сдерживается в основном консервативностью потребителей.
Библиографический список
1. Иванов А.М., Солнцев А.Н., Гаевский В.В. Основы конструкции автомобиля. – М.: ООО
«Книжное издательство «За рулем», 2005. – 336 с.
2. Соломатин Н.С., Зайцев С.А., Исаев Е.У. Концепция современного
особокомпактного
городского
легкового
автомобиля
//
Автомобильная
промышленность. – 2007. - № 1. – С. 28-30.
УДК 629.331
КАФЕДРЕ «АВТОМОБИЛИ И ТРАКТОРЫ» СИБАДИ 80 ЛЕТ
И.М.Князев, Л.Г.Ягодкин, канд. техн. наук, доценты
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Сибирский автодорожный институт был создан в 1930 году. В его
составе было открыто 8 кафедр, в том числе кафедра «Автомобили и
тракторы». Первый заведующий кафедрой - Григорий Ильич Эдельсон
приступил к работе 15 сентября 1930 года. Этот день можно считать днем
основания кафедры.
Шли годы, рос и расширялся институт, в процессе реорганизации
менялось и название кафедры: «Автодело», «Автомобили и транспорт»,
«Автомобили и двигатели». В 1935 году состоялся первый выпуск
инженеров-механиков автофака и был организован гараж, в котором
появился автомобиль ГАЗ-ММ и трактор ХТЗ. Заведующим гаражом был
назначен выпускник с дипломом № 1 СибАДИ Сашко Семен Леонтьевич.
В конце 1941 года кафедра именовалась «Автомобили, тракторы и
электрооборудование», позже – «Автомобили и двигатели». В декабре
1961 года на смену Г.И.Эдельсону заведующим кафедрой был назначен
Гаврилов Александр Константинович. В 1962 году на базе кафедры
«Автомобили и двигатели» были созданы кафедры «Автомобильные
двигатели» под руководством Гаврилова А.К. и «Автомобили», которую
возглавил Петров Михаил Александрович, выпускник СибАДИ 1949 года,
защитивший в 1955 году кандидатскую диссертацию в МАДИ под
руководством академика Н.Р.Брилинга.
59
Г.И.Эдельсон
С.Л.Сашко
А.К.Гаврилов
М.А.Петров
Петров М.А. в первую очередь решал задачу по подготовке кадров
преподавателей. В целевую аспирантуру МАДИ были отправлены
Приходько Г.К., Назарко С.А., Куюков В.В. В 1964 году под руководством
Лурье М.И. защает кандидатскую диссертацию Назарко С.А. по теории
применения вариаторов в трансмиссии легковых автомобилей. Под
руководством зав. кафедрой «Автомобили» МАДИ Островцева А.Н.
защищают диссертации Куюков В.В. (1970 г.) и Приходько Г.К. (1974 г.).
С 1966 года на кафедре открывается аспирантура. Первые аспиранты
– Балакин В.Д. и Калинин Ю.М. под руководством Петрова М.А. защитили
диссертации в 1970 и 1974 г.г. по проблеме применения АБС и
импульсного торможения.
С 1967 года руководит кафедрой Назарко Сталий Алексеевич. К этому
времени под руководством Петрова М.А. формируется научное направление и
создается научная школа кафедры по проблемам исследования торможения
автомобиля и работы пневматических шин. Кафедра ведет исследования на
Курганским заводе колесных тягачей, выполняет совместные работы с
Лабораторией испытаний шин Омского шинного завода.
В 1973 г. Петровым М.А. была опубликована монография «Работа
автомобильного колеса в тормозном режиме», в которой были обобщены
60
результаты исследований кафедры за этот период. В этом же году
защищает диссертацию Ягодкин Л.Г. По результатам исследований
торможения автомобильного колеса при воздействии на него боковых сил
в МАМИ в 1975 г. защитил кандидатскую диссертацию Ю.А. Рябоконь.
В середине 70-х годов кафедра начала выполнять работу по улучшению
тормозных свойств автомобилей семейства Урал. Результаты этой работы
легли в основу кандидатских диссертаций преподавателей кафедры Пятакова
В.Г. и Савельева Б.В. Кафедра продолжает готовить кадры в ведущих вузах
страны. В целевой аспирантуре по тематике кафедры прошли обучение и
защитили кандидатские диссертации в МАМИ Малюгин П.Н., Зарщиков А.М.,
Хамов И.В., в МАДИ – Дик А.Б. и Князев И.М.
С.А.Назарко
В.А.Владимиров
Развитие исследовательских работ и научный рост кадров обусловили
совершенствование учебного процесса и на кафедре сформировалось
новое учебное направление по безопасности дорожного движения. Была
подготовлена необходимая учебная база и в 1981 году началась подготовка
инженеров по специальности «Организация дорожного движения», а из
кафедры «Автомобили» была выделена и образована новая выпускающая
кафедра «Организация и безопасность движения» в составе которой был
автор известных трудов по организации движения Валентин Алексеевич
Владимиров.
Усилиями сотрудников кафедры «Автомобили» в начале 80-х годов
был создан уникальный, не имеющий аналогов в СССР барабанный стенд
для исследования выходных характеристик шин, влияющих на
безопасность движения автомобилей. Стенд позволяет проводить
испытания шин при больших углах увода и намораживать на барабане
ледяную поверхность.
Другим направлением исследований кафедры становятся дорожные
испытания автомобилей с усовершенствованной тормозной системой.
Такая работа проводится совместно с автополигоном НАМИ, автозаводами
ВАЗ, ЗИЛ, Урал.
61
В 1988 году кафедры «Автомобили» и «Организация и безопасность
движения» были объединены в одну кафедру «Автомобили и безопасность
движения». Заведующим объединенной кафедрой был избран Балакин
В.Д., а с 2002 года – Рябоконь Ю.А.
Для реализации выпуска инженеров по специальности «Автомобилеи тракторостроение» решением Ученого совета СибАДИ в 2006 году на
базе кафедры «Автомобили и безопасность движения» была вновь создана,
теперь уже имеющая статус выпускающей, кафедра «Автомобили и
тракторы».
УДК 629.113.002
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗДАТОЧНОЙ КОРОБКИ
ТРЕХОСНОГО ГРУЗОВОГО АВТОМОБИЛЯ МАЛОЙ
РАЗМЕРНОСТИ С КОЛЕСНОЙ ФОРМУЛОЙ 6х6
М.А. Козловская, научный сотрудник ФГУП «НАМИ»
Существующая специфика эксплуатации транспортных средств в
условиях слабо развитой дорожной сети и бездорожья, недостаточно
широкий модельный ряд выпускаемых автомобилей, порождают целый
ряд проблем, среди которых особо важную роль играет проблема создания
новых средств развития транспортной инфраструктуры в виде
автомобилей высокой проходимости. Подобные транспортные средства
должны в большей степени удовлетворять запросам потребителей,
особенно в сельском хозяйстве, а также в других отраслях хозяйствования.
Грузовые автомобили высокой проходимости с колесной формулой
6х6 разрабатываются и серийно выпускаются давно. В мировой практике
известно много примеров по выпуску такого рода техники, в основном для
решения военных задач. Однако, многие из трехосных автомобилей
востребованы
и
в
гражданских
отраслях.
Они
отличаются
конструктивными особенностями, но, как правило, это или бортовые
грузовые
автомобили,
или
специальные
шасси,
оснащенные
многофункциональными надстройками.
В результате проведенных ранее исследований можно выделить три
группы автомобилей:
– первая группа – массовые полноприводные автомобили, оснащенные устройствами повышенной проходимости: низкопрофильными
(широкопрофильными и арочными) шинами на ведущих мостах,
подкатными гусеничными тележками, противобуксовочными цепями и др.;
– вторая группа – полноприводные автомобили массового, крупносерийного и серийного производства, максимально унифицированные по
62
узлам и агрегатам с автомобилями первой группы. Характерными
конструктивными особенностями автомобилей второй группы являются
неразрезные (балочные) мосты, рессорная подвеска, а также объединенные
в тележки мосты трехосных и четырехосных автомобилей. Автомобили
второй группы предназначены для систематической работы в тяжелых
дорожных условиях и на бездорожье с достаточно высокой несущей
способностью, как без прицепа, так и с прицепом, полная масса которого
составляет 40…60% от максимальной полной массы автомобиля. На их
базе создаются седельные и лесовозные тягачи, а также тягачи-трубовозы;
– третья группа – вездеходные автотранспортные средства,
предназначенные для работы в особо тяжелых условиях бездорожья, таких
как переувлажненные грунты, сыпучие и бархатные пески, заболоченная
местность, торфяные болота, снежное бездорожье неограниченной
глубины и т.п.
В стране был освоен выпуск многофункциональных грузовых
автомобилей высокой проходимости с колесной формулой 6х6. Однако, в
гражданских отраслях промышленности, а также в различных сферах
хозяйствования,
указанные
автомобили
оказались
ограниченно
востребованными. На примере сельскохозяйственного производства
можно сказать, что при перевозке разнообразных грузов, имеющиеся на
рынке трехосные грузовые автомобили большой грузоподъемности с
колесной формулой 6х6 оказались малоэффективными, так как в
большинстве случаев эксплуатируются недогруженными.
Такой вывод подтверждается результатами проведенных ранее работ
[7-13]. Особенно это справедливо для малых форм хозяйствования
(крестьянских фермерских и личных подсобных хозяйств – КФХ и ЛПХ, а
также садоводческих товариществ).
КФХ и ЛПХ населения России производят более 55% валовой
продукции сельского хозяйства страны, обрабатывая 25 млн. гектар пашни
и используя не только изношенную сельхозтехнику, но и лошадей и
ручной труд. Дальнейшее развитие КФХ и ЛПХ является одной из важных
составляющих прогнозируемого пути развития АПК. Однако, при этом
почти 16,5 млн. хозяйств России требуют решения проблемы технического
перевооружения.
В структуре сельского хозяйства доля ЛПХ составляет 55...56, а КФХ
– 3,7…4,5%. Причем в ЛПХ производится до 93% картофеля и до 81,5%
овощей, в КФХ – соответственно 1,3…1,6 и 2,6…3,3%. Для большинства
сельских жителей ЛПХ – единственный источник выживания. В
мелкотоварных хозяйствах вся технологическая цепочка производства
картофеля и овощей, за исключением тракторной вспашки и
предпосадочной культивации, основана на применении ручного труда.
63
Нормальное функционирование КФХ обусловлено многими
факторами: уровнем технической оснащенности и транспортных услуг,
структурой машинно-тракторного парка, степенью развития служб
технического сервиса. Однако, формирование оптимального по структуре
парка машин для КФХ осложняется их высокой стоимостью [12, 19].
Особенности грузоперевозок определяют потребности в автомобилях
высокой проходимости грузоподъемностью от 0,3 до 2,0 т [8]. Такого рода
автомобили можно назвать малоразмерными. Для решения этой задачи
недостаточно применение автомобилей с колесной формулой 4х4. С большей
эффективностью могут быть применены автомобили с колесной формулой
6х6. Такая же ситуация встречается с транспортным обеспечением геологов,
охотоведческих хозяйств, туристического бизнеса и т.п.
Следовательно, создание трехосного грузового автомобиля малой
размерности с колесной формулой 6х6 является актуальной задачей.
В производственной программе отечественных заводов грузовые
автомобили малой размерности с колесной формулой 6х6 отсутствуют.
Это объясняется, в том числе, и тем, что в России не выпускаются
серийные автомобили 4х4, на базе которых (добавив третью ось и
доработав трансмиссию) можно было бы создать соответствующие
модификации. Тем более трудно говорить о новых разработках и их
освоении в серийное производство. Поэтому созданный в ФГУП «НАМИ»
опытный образец автомобиля НАМИ-3333 может занять пустующую нишу
на рынке. По-другому обстоят дела у зарубежных производителей.
Рассматриваемый тип машин почти всегда присутствовал в
производственной программе ведущих мировых производителей.
Большинство моделей создано для военных нужд, но некоторые из них
имеют «гражданские» версии и успешно применяются. На рисунках 1 – 8
показаны лишь некоторые модели из огромной номенклатуры трехосных
грузовых автомобилей малой размерности с колесной формулой 6х6.
Некоторые технические характеристики приведены в таблице 1 [22].
На примере автомобиля Пинцгауэр (рис. 1), можно сказать, что за
несколько десятилетий выпуска он нашел применение во многих странах
мира: на кофейных плантациях Бразилии, на добыче полезных ископаемых
в странах Европы, на транспортных работах у пчеловодов Греции, в
геологических партиях во Франции, в качестве машин технического
сопровождения спортивных команд раллистов и т.п.
Анализ конструктивных особенностей этих автомобилей показывает, что
отсутствие общих подходов к проектированию (разные страныпроизводители) определяет различие их конструктивных решений и
компоновок. В результате, находящиеся в производстве автомобили
различаются размещением осей по базе, схемой раздачи мощности по колесам,
схемой рулевого управления и другими конструктивными особенностями.
64
Рис. 1. Штайр-Пух Пинцгауэр-712М.
Рис. 2. Додж Т223 WC63.
Рис. 3. Виллис Супер Джип.
Рис. 4. Бухер Пума.
Рис. 5. Ленд Ровер Перенти SASR.
Рис. 6. Крупп L2H143.
Рис. 7. Латиль М-7Z1.
Рис. 8. Моррис Коммершиэл D.
65
Таблица 1
Некоторые технические характеристики трехосных грузовых автомобилей малой размерности
с колесной формулой 6х6 разных лет выпуска
Автомобиль
Показатели
Страна производитель
и год начала выпуска
66
Грузоподъемность, кг
Полная масса, кг
Снаряженная масса, кг
Максимальная мощность
двигателя, кВт (л.с.)
Моррис
Латиль
КоммерМ-7Z1
шиэл D
ВеликоФранция
британия
1939 г.
1932 г.
1500
1000
3400
2500
1900
1500
Крупп
L2H143
Виллис
Супер
Джип
Додж
Т223
WC63
Штайр-Пух
Пинцгауэр712М
Бухер Пума
Германия
1942 г.
США
1943 г.
США
1943 г.
Австрия
1974 г.
Швейцария
1987 г.
1200
2600
1400
1000
2400
1400
1500
3430
1930
1500
3900
2400
1500-2000
3800-4400
2300-2400
Ленд Ровер
Перенти
SASR
Великобритания
2003 г.
2000
5500
3500
38,5 (50)
46,2 (60)
46,2 (60)
71,5 (92)
66,9 (87)
106,9 (139)
68,5 (89)
автомат.
4-ступен.
КПП в блоке с 2-х ст.
раздат. и
задней
главной
перед.
с разд. приводом на
вед. мосты,
4-х ст.
КПП, 2-х
ст. разд.
коробка
110,0
100,0
38,5 (50)
с разд.приводом на
вед. мосты,
подключаемый
передний мост
Трансмиссия
1-ст.
разд.
коробка
Максимальная скорость,
км/ч
40,0
2-ст.
разд.
коробка
60,0
сред.
с раздельным приводом на ведущие
проходной
мосты, двухступенчатая
мост с
раздаточная коробка,
межосеподключаемый передний мост
вым дифф.,
подключаемый
перед. мост,
2-х ст.
раздат.
коробка
75,0
75,0
87,0
95,0-105,0
66
Такое состояние дел во многом определяет высокую стоимость таких
машин, так как, часто, они переусложнены. В нашем случае, так как число
осей и их размещение определены, то основным конструктивным
решением можно рассматривать выбор схемы раздачи мощности, или
силового привода к ведущим мостам и колесам.
При этом, прочие конструктивные решения, такие, как выбор силовой
установки, типа и конструкции трансмиссии, коробки передач,
раздаточной коробки, подвески и т.п. играют важную роль в
формировании технических характеристик автомобиля и в большой
степени влияют на качество транспортного средства. Однако, они
достаточно изучены, результаты теоретических исследований во многом
сформулированы и широко освещены в научно-технической литературе.
Известно [2, 5-6, 15, 17-18, 20-21], что передача мощности ко всем
ведущим
колесам
трехосного
полноприводного
автомобиля
осуществляется с помощью той или иной схемы трансмиссии. При этом
используется одна или несколько коробок.
Раздаточная коробка, установленная непосредственно за основной (в
одном картере или же раздельно) выполняет также функции
дополнительной коробки передач в том случае, когда применение
серийной коробки передач не обеспечивает искомый диапазон
передаточных
отношений.
Тогда
в
раздаточной
коробке
предусматриваются две ступени передаточных чисел, что обеспечивает
широкий диапазон регулирования передаточных чисел трансмиссии,
необходимый для автомобилей высокой проходимости. Если же
применяются коробки передач с широким диапазоном передаточных
отношений, тогда раздаточная коробка выполняется одноступенчатой.
Схема силового привода (трансмиссии) трехосных автомобилей с
колесной формулой 6х6 отличается большим разнообразием, так как для
правильного распределения момента, передаваемого от двигателя, между
шестью колесами, в лучшем случае, должно быть три межколесных, один
симметричный и один несимметричный дифференциалы [15].
Типы приводов, применяющихся в конструкциях автомобилей и
автопоездов, делятся на четыре основные группы: индивидуальный,
дифференциальный, блокированный и комбинированный [4, 20].
Индивидуальный привод предполагает наличие индивидуальных
двигателей по числу колес автомобиля при наличии общей или раздельных
силовых установок.
Дифференциальный привод обычно характеризуется применением 3звенных дифференциалов (шестеренчатых, червячных, кулачковых и др.)
во всех узлах разветвления потоков мощности в трансмиссии: в
раздаточных коробках, межбортовых редукторах, главных передачах и т.д.
67
Блокированный привод отличается наличием жесткой механической
связи всех колес движителя.
Комбинированный
привод
характеризуется
одновременным
применением двух или нескольких элементов привода трех типов
(индивидуального, дифференциального и блокированного).
Анализ литературных источников показывает, что, несмотря на
большой
объем
проведенных
исследований,
и
устоявшихся
конструктивных решений, универсальных схем привода к ведущим мостам
и колесам нет. Результаты и выводы исследователей противоречивы, а
теоретическая и практическая задача сравнения блокированного и
дифференциального привода в части конечных рекомендаций не нашла
однозначного решения.
Следовательно, обоснование схемы силового привода вновь создаваемого
трехосного грузового автомобиля малой размерности с колесной формулой
6х6 является актуальной теоретической и практической задачей.
В процессе решения данной задачи, схемы привода должны
окончательно выбираться уже на стадии проектирования автомобиля, т.е. с
применением общих аналитических методов, и предусматривать наиболее
высокие технико-экономические показатели автомобиля в преобладающих
дорожных условиях.
Наличие различных вариантов схем силового привода к ведущим
мостам и колесам ставит перед исследователями проблему разработки
критериев оценки эффективности упомянутого привода. Если понимать
«эффективность», как оценку расходования энергии силовой установки на
преодоление сопротивления движению, то в случае полноприводных
автомобилей, в том числе с колесной формулой 6х6, в процессе движения
основные потери связаны с характером взаимодействия движителя с
опорной поверхностью, особенно в условиях бездорожья. При таком
подходе понятно, что потери в движителе зависят, прежде всего, от
характера распределения крутящего момента двигателя по ведущим
мостам и колесам [1, 4, 6, 16-18, 21]. Иными словами, минимальное
сопротивление движению может быть достигнуто тогда, когда к каждому
мосту и колесу подводится такой крутящий момент, который обеспечивает
минимальное сопротивление качению и минимально возможную величину
буксования. Т.е. зависит от схемы силового привода. Получается, что
оценочный критерий эффективности, в виде того или иного коэффициента,
должен описывать степень оптимального распределения крутящего
момента по ведущим мостам и колесам в зависимости от схемы силового
привода.
В работах [4, 6] на основе тягово-энергетической характеристики
колеса разрабатываются общие зависимости для оценки эффективности –
КПД многоприводных машин и их движителей на транспортных, тяговых
68
и транспортно-тяговых режимах движения при любом соотношении числа
ведущих и ведомых колес, любом количестве и типе звеньев
T
автотракторных поездов. При этом использовались тяговый КПД х
ходовой системы, тяговый КПД T машины в целом, транспортный КПД –
хTР и полный КПД – хП .
В относительно простых вариантах
m
TP
х
е
c
N f Гi N
i 1
i 1 i 1
n
m
П
f Гi
или
N Ki
N f Гi –
N f Гi
i 1
n
,
N Ki
i 1
где
TP
х
i 1
мощность, затрачиваемая на преодоление дополнительного
сопротивления качению i-го колеса от перевозимого груза; N Кi –
мощность, подводимая к i-му ведущему колесу; m, n – общее число колес и
число ведущих колес транспортного средства; е, с – число мостов одного
прицепа и число прицепов соответственно.
Применение этого коэффициента связано с большим объемом
вычислений, так как можно учитывать не только величину буксования
ведущих колес, но и влияние макронеровностей, подъемы, спуски и
динамику автомобиля. Однако в работе [18] отмечается, что коэффициент
КПД, приведенный выше, имеет существенный недостаток, так как не дает
представления о количественном изменении мощности машины при
изменении величины КПД. Иными словами, если при усовершенствовании
TР
схемы силового привода х увеличивается на 5%, то мощность,
подводимая к движителю, не обязательно уменьшается на те же 5%. Т.е. не
ясна зависимость технико-экономических показателей (мощности и
расхода топлива) от характера совершенствования схемы силового
TР
привода. К тому же, понятно, что чем больше х , тем лучше. Но трудно
определить предел конструктивного совершенствования схемы силового
TР
привода, так как обеспечить х 1 вряд ли возможно.
В работе [2] приводится методика анализа схем силового привода
полноприводных автомобилей, позволяющая учитывать особенность
конструкции и условия эксплуатации автомобиля. Методика анализа состоит
из трех последовательных взаимосвязанных этапов: кинематический анализ с
целью определения суммарной величины кинематического несоответствия в
элементах блокированной силовой передачи; силовой анализ, при котором
рассчитывается распределение мощности в трансмиссии при данных
69
величинах кинематического несоответствия; экономический расчет
трансмиссии, позволяющий оценить потери и окончательно выбрать схему
силового привода автомобиля.
Как видим, основное внимание уделяется кинематическому
несоответствию, которое возникает в результате воздействия многих
эксплуатационных
и
конструктивных
факторов,
действующих
одновременно при движении автомобиля, увеличивая или уменьшая
общую величину кинематического несоответствия (разные радиусы колес,
различное давление в шинах, неодинаковые нагрузки на колеса и др.).
В общем виде величина кинематического несоответствия
mК
К
где m
Sm Sk
S
100% (1 k ) 100% ,
Sm
Sm
– кинематическое несоответствие элемента m относительно
элемента k в %; S k – путь, проходимый элементом k; S m – путь,
проходимый элементом m.
У рассматриваемой формулы имеются частные вариации. Например, с
учетом конструктивно-эксплуатационных параметров
rkB im
(1 B ) 100% ,
rm ik
К
m
B
B
где rk и rm – радиусы качения колес в ведомом режиме; ik и im –
передаточные числа приводов колес. Изучение результатов анализа
К
позволило заключить, что m не позволяет оценить эффективность схемы
силового привода в полной мере. Полученные авторами цитируемой
работы значения кинематического несоответствия полноприводных
автомобилей приведены в таблице 2.
Таблица 2
Значение возможного кинематического несоответствия
автомобилей высокой проходимости
Максимально возможное
Причины возникновения
кинематического несоответствия
- колебания размеров шин при изготовлении и
неравномерный износ в процессе эксплуатации
- перепад давления в шинах при эксплуатации
- изменение координат центра тяжести
- динамическое изменение вертикальных нагрузок
на колесах
- преодоление препятствий крутизной до 30º
- движение по разбитым дорогам
70
К
значение m в %
Межосевое
Межколесное
1,5 – 2,0
1,5 – 2,0
1,0 – 1,5
1,0 – 1,5
1,0 – 1,5
0,5
4–5
2
16
2
–
1–2
В работе [3] сформулирован закон оптимального распределения
мощности по колесам, которому и должна соответствовать схема силового
привода автомобиля высокой проходимости. Согласно этому закону, схема
трансмиссии и ее функционирование могут считаться оптимальными, если:
- во-первых, мощность, подводимая к каждому колесу, в любой момент
времени, в любых условиях и режимах движения будет равна мощности
сопротивления его качению, т.е. если схема трансмиссии обеспечивает его
качение в свободном режиме;
- во-вторых, мощность, необходимую для преодоления внешних
сопротивлений движению (разгон, тяга на крюке, преодоление подъема и
сопротивления воздуха, сопротивления при криволинейном движении), схема
распределяет по всем колесам равномерно (с учетом поправочного
коэффициента на условия взаимодействия колеса и автомобиля с опорной
поверхностью);
- в-третьих, суммарная мощность, подведенная к колесу, как в тяговом, так
и тормозном режиме его движения не превосходит мощность 30%-го
буксования (скольжения).
То есть
N Ki N fKi K i
N вн.с
N 30%бук ,
2n K
где N Ki – мгновенная мощность, подведенная к i-му колесу; N fKi –
N вн.с –
мгновенная мощность внешних сопротивлений движению автомобиля; n K
– число ведущих колес автомобиля; K i – поправочный коэффициент,
мгновенная мощность сопротивления качению i-го колеса;
учитывающий условия взаимодействия колеса и автомобиля с опорной
поверхностью и его возможности реализовать подводимую мощность.
В первом приближении
1
K i Ki RZi max
Ga1 n ,
где max – максимальный коэффициент сцепления шины данной
конструкции, полученный на сухой асфальтобетонной дороге при полном
скольжении; Ki – мгновенный коэффициент сцепления i-го колеса с
опорной поверхностью в данных условиях движения; RZi – нормальная
реакция дороги под i-м колесом в данный момент движения; n – число
осей автомобиля; Ga – масса автомобиля.
Все члены формулы, отображающей закон оптимального
распределения мощности, легко подсчитываются с помощью известных из
теории автомобиля зависимостей.
71
Однако в реальном автомобиле к каждому колесу подводится
мощность N ОР , отличающаяся от оптимальной N ООПТ , обеспечивающей
минимальное сопротивление качению, на величину
N . Поэтому в
качестве общего критерия К Д (коэффициента добротности, или
совершенства, схемы трансмиссии) следует принять среднеквадратичное
отклонение, которое подсчитывается по формуле:
K Д 1 N
1
Оa
2n
( N Оi
i 1
ОПТ
N Oip ) 2
,
где N ОiОПТ – оптимальная мощность, подводимая к i-у колесу в данный
момент времени; N Оip – реально подводимая к нему мощность; n – число
осей; N Оa – суммарная тяговая мощность, которая должна быть подведена
от двигателя к трансмиссии и разделена по колесам автомобиля в заданных
условиях и режимах его движения.
В случае идеальной трансмиссии ( K Д 1 ) - N ОР N OОПТ . Во всех
остальных случаях схема силового привода не отличается добротностью,
или несовершенна.
В работе [18] утверждается, что коэффициент добротности К Д
непосредственно не связан с количественным изменением мощности
необходимой для движения автомобиля с данной и оптимальной
трансмиссиями. Поэтому для оценки эффективности схемы силового
привода предлагается ввести коэффициент оптимальности распределения
мощности ( К ОМ ) по ведущим мостам
К ОМ 1
где
N ОПТ
N ОПТ
,
N Оа
– мощность, подведенная к движителю автомобиля с
оптимальным распределением мощности по осям; N Оа – мощность,
подведенная к движителю реального шасси.
Здесь же утверждается, что К ОМ позволяет определить оптимальную
характеристику дифференциала, других элементов трансмиссии и
движителя не только при прямолинейном равномерном движении
автомобиля, но и при повороте, ускорении, движении с прицепом,
движении на подъеме и т.д. В результате схему силового привода
автомобиля можно оптимизировать. Из этого делается вывод, что К ОМ
может быть использован в качестве оценочного коэффициента, выразив
КПД шасси. Однако К ОМ зависит еще и от того, насколько оптимально
72
распределяются массы автомобиля по ведущим мостам. Этот вопрос
требует дополнительно рассмотрения.
Следовательно, разработка оценочного коэффициента силового
привода является актуальной задачей.
Исходя из вышеизложенного, была сформулирована цель работы,
которая ведется в ФГУП «НАМИ»: проведение теоретических
исследований вновь разрабатываемой раздаточной коробки трехосного
грузового автомобиля малой размерности с колесной формулой 6х6,
создание опытных образцов и экспериментальное их исследование.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие
основные задачи исследования:
1. Провести теоретические исследования по обоснованию схемы
силового привода трехосного грузового автомобиля малой размерности с
колесной формулой 6х6 НАМИ-3333.
2. Провести теоретические исследования и разработать оценочный
коэффициент эффективности силового привода.
3. Разработать и исследовать раздаточную коробку для автомобиля
НАМИ-3333 с тремя выходными валами и межосевым дифференциальным
приводом.
4. Провести стендовые испытания вновь изготовленной раздаточной
коробки для оценки адекватности принятых конструктивных решений.
5. Провести дорожные испытания опытного образца автомобиля
НАМИ-3333 для оценки оптимальности обоснованности схемы силового
привода.
В настоящее время завершается изготовление вновь разработанных
раздаточных коробок опытного образца автомобиля НАМИ-3333 [14], идет
подготовка к сборке самого опытного образца и стендового оборудования
для планируемых исследований.
Библиографический список
1. Агейкин Я.С. Проходимость автомобилей. – М.: Машиностроение, 1981. – 232 с.
2. Аксенов, П.В. Анализ схем силовой передачи автомобилей высокой проходимости [Текст]
/ П.В. Аксенов, А.С. Поляков // Автомобильная промышленность. – 1968. – № 10. – С. 11-15.
3. Аксенов П.В., Белоусов Б.Н. Критерии для оценки схем // Автомобильная
промышленность. 1997. №6. –С. 19-21.
4. Андреев А.Ф. и др. Дифференциалы колесных машин / А.Ф. Андреев, В.В. Ванцевич,
А.Х. Лефарев: Под общ. ред. А.Х. Лефарова. – М.: Машиностроение, 1987. – 176 с.: ил.
5. Бахмутов С.В., Шухман С.Б., Лепешкин А.В. Силовой привод колес многоосных
машин: перспективы научного поиска оптимальных решений// Автомобильная
промышленность. 2005. №3. –С. 11-15.
6. Ванцевич В.В. Синтез схем привода к ведущим мостам и колесам многоприводных
транспортно-тяговых машин/Автореферат дисс. … доктора технических наук. – Минск,
1992. – 46 с.
73
7. Гоберман В.А. Автомобильный транспорт в сельскохозяйственном производстве. –
М.: Транспорт, 1986. – 287 с.
8. Дзоценидзе Т.Д. Обоснование параметров малогабаритных транспортных средств
сельскохозяйственного назначения с широкими функциональными возможностями.
Дисс. … доктора технических наук. – М., МГАУ им. В.П. Горячкина, 2009. – 407 с.
9. Дзоценидзе, Т.Д. Проблема создания новых средств развития транспортной
инфраструктуры и пути ее решения на примере семейства МТС [Текст]/Т.Д.
Дзоценидзе, Леонов А.В., Козловская М.А., Журавлев А.В.//Труды НАМИ. Выпуск 241.
М., Изд. ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»2009. С. 90-111. (М.А. Козловская - 0,40 п.л.)
10. Дзоценидзе, Т.Д. Разработка технологических процессов производства
малогабаритных транспортных средств для сельского хозяйства [Текст]/Т.Д.
Дзоценидзе, Н.С. Кузнецов, М.А. Козловская, А.В. Журавлев//VIII Конгресс технологов
автомобилестроения. Сборник докладов и тезисов. – М.: ОАО «Автосельхозмашхолдинг», 2008. С. 19-30. (М.А. Козловская - 0,38 п.л.).
11. Евтюшенков Н.Е. Перспективы транспорта для села до 2010 г.// Техника и
оборудование для села. 2005. №1. С. 9-10; №2. С. 11-12.
12. Измайлов А.Ю. Технологии и технические решения по повышению эффективности
транспортных систем АПК. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2007. – 200 с.
13. Ипатов А.А., Дзоценидзе Т.Д. Создание новых средств развития транспортной
инфраструктуры. Проблемы и решения. – М.: Металлургиздат, 2008. - 272 с., ил.
14. Козловская М.А. и др. Раздаточная коробка трехосной колесной машины /Е.Б.
Александров, Т.Д. Дзоценидзе, П.А. Кабанин, М.А. Козловская, А.Н. Лушников, А.П.
Недялков, С.Н. Семикин. Заявка № 2009141672 на выдачу патента Российской
Федерации на изобретение от 12.11.2009.
15. Коротоношко Н.И. Работы НАМИ в области создания унифицированного
семейства многоприводных автомобилей/ Тр. НАМИ, 1968, вып. 103. С. 74-89.
16. Петрушов В.А. Автомобили и автопоезда: Новые технологии исследования
сопротивлений качения и воздуха. – М.: ТОРУС ПРЕСС, 2008. – 352 с.: ил.
17. Петрушов, В.А. О различии тягово-динамических показателей автомобилей с
дифференциальным и блокированным приводом [Текст] / В.А. Петрушов, Ю.В.
Пирковский, С.А. Шуклин // Автомобильная промышленность. – 1968. – № 10. – С. 8-11.
18. Пирковский Ю.В., Шухман С.Б. О коэффициенте оценки конструктивного совершенства
шасси автомобиля // Автомобильная промышленность. 1997. №12. – С. 17-20.
19. Формирование и использование парка машин в малых формах хозяйствования.
Научный доклад. – М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2006. – 51 с.
20. Шуклин, С.А. Принципы выбора схемы силового привода многоприводного
автомобиля на основе расчета экономической эффективности [Текст] / С.А. Шуклин,
В.В. Московкин, В.И. Чергейко. – М.: НИИНАВТОПРОМ, 1975. – 48 с.
21. Шухман С.Б., Соловьев В.И., Прочко Е.И. Теория силового привода колес
автомобилей высокой проходимости. Под общей редакцией д.т.н., проф. С.Б. Шухмана.
– М.: Агробизнесцентр, 2007. – 336 с.
22. Энциклопедия военных автомобилей [Текст] / Е. Д. Кочнев, Издание 2-е, доп. и
перераб. – М.: ООО «Книжное издательство „За рулем“», 2008. — 640 с: ил.
74
УДК 629.11.012
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ
АВТОПОЕЗДА ПО ДЕФОРМИРУЕМОМУ ГРУНТУ ПРИ УПРУГОЙ
СВЯЗИ МЕЖДУ ТЯГАЧОМ И ПРИЦЕПОМ
Г.О. Котиев, д-р. техн. наук, проф.; В.А. Горелов, канд. техн. наук;
Р.И. Жирный *
МГТУ им. Н.Э. Баумана; *ООО «Газсеверинвест»
Не секрет, что важнейшими для экономики РФ являются
газодобывающая и нефтедобывающая отрасли. На сегодняшний день
большое количество разрабатываемых месторождений нефти и газа
находятся в труднодоступных районах Крайнего Севера, в условиях «вечной
мерзлоты» и бездорожья, в связи с чем, доступ к ним весьма затруднён. Эти
месторождения, в том числе, и на пол-ве Ямал, требуют обслуживания и
доставки тяжёлых, крупногабаритных и неделимых грузов. Большие
перспективы для решения подобных транспортных задач имеет направление,
связанное с применением многоосных большегрузных автопоездов.
В рамках совместных исследований кафедры «Колёсные машины»
МГТУ им. Н.Э. Баумана и ООО «Газсеверинвест» была создана
транспортная система (рис. 1), прошедшая предварительные испытания на
пол-ве Ямал в апреле 2009 года.
Рис.1. Транспортная система
75
Доказано, что в зависимости от характера связи между тягачом и
прицепом, автопоезд может иметь различные характеристики по
проходимости. В этой связи необходимо на стадии проектирования решить
задачу по прогнозированию характеристик прямолинейного движения
автопоезда по бездорожью при: буксировании прицепа движущимся
тягачом с жесткой связью, буксировании прицепа движущимся тягачом с
гибкой связью, буксировании прицепа неподвижным тягачом с
использованием лебёдки и анкерно-упорного устройства. Данная задача
решается с помощью имитационного математического моделирования.
Вопросам взаимодействия эластичного колёсного движителя и
деформируемого опорного основания посвящено достаточно много трудов как
отечественных, так и зарубежных авторов. Прежде всего, эти работы
направлены на описание процесса взаимодействия колеса с грунтом в
функции конструктивных параметров движителя и физико-механических
свойств опорного основания. Следует отметить, что теория взаимодействия
эластичного колеса с деформируемым опорным основанием в данном
представлении весьма развита и позволяет описывать такие явления, как
колееобразование, бульдозерный и экскавационный эффекты, уплотнение
грунта и т.д. При таком подходе целью исследований является выбор
оптимальных параметров конструкции колеса, как правило, по критериям
максимального тягового усилия, минимизации затрат на движение и вредного
воздействия на почву.
Однако когда движитель уже создан и необходимо исследовать его
возможности в составе колёсной машины, например, в случае оценки
средней скорости движения на заданном маршруте, с целью решения
задачи о рациональном распределении мощности по колёсам, для оценки
нагруженности элементов трансмиссии представляется целесообразным
использовать характеристики тягово-сцепных свойств (рис. 3) и потерь
энергии (рис. 2) для различных условий взаимодействия колеса с опорным
основанием, полученные при экспериментальных исследованиях в
грунтовом канале или на полигоне (рис. 4 - 7).
Характеристиками процесса прямолинейного качения колеса в различных
случаях движения являются удельные потери энергии fw (потери энергии при
качении на единицу пройденного колесом пути при единичной вертикальной
нагрузке), удельная свободная тяга (продольная сила, приложенная к оси
катящегося колеса, при единичной вертикальной нагрузке на его ось),
k rko Vxk
r
V
1 k ; rk xk [1], где k коэффициент буксования S Б
k rko
rko
k
угловая скорость вращения колеса; rko - радиус колеса в свободном режиме; rk
- радиус качения колеса; Vxk - скорость цента масс колеса в продольном
направлении.
76
Результаты испытаний представляются в виде тягово-энергетических
f w f ( )
и тягово-сцепных характеристик f (S Б ) . Примеры
экспериментальных характеристик, виды грунтового канала и
экспериментальная установка представлены на рис. 2-7 [1].
Методика проведения экспериментальных исследований с целью
получения представленных характеристик опирается на уравнение
энергетического баланса и подробно описывается в [2].
Построение математической модели движения автопоезда рассмотрим на
примере трехосного тягача с возможностью реализации индивидуального,
дифференциального и блокированного привода колёс и трёхопорного прицепа
в ведомом режиме. Расчётная схема автопоезда, представленная на рис. 8,
принята с учётом характера решаемой задачи и описывается
соответствующими уравнениями движения для тягача (1) и прицепа (2).
Рис. 2. Удельные потери энергии при
качении модификаций колеса
Рис. 3. Тягово-сцепные характеристики
модификаций колеса
Рис. 4. Цилиндрическая модификация колеса
Рис. 5. Образец в грунтовом канале
а) Исследование ведомого колеса
б) Опыты с ведущим колесом
Рис. 6. Общий вид экспериментальной установки для исследования взаимодействия с
грунтом крупногабаритного пневматического колеса при нагрузке 100-250 кН
77
а) Большой канал с пылевидным грунтом б) Малый канал с мягко-сыпучим грунтом
Рис. 7. Экспериментальная лабораторная установка для исследования взаимодействия
эластичных оболочек с очень слабыми пылевыми и мягко-текучими грунтами
Рис. 8. Расчетная схема движения автопоезда
Для тягача
3
mТ VX 2 PX i mТ g sin( ) PКР
Т
i 1
(1)
I k i k i M K i (1 S Б i )( f w i i ) RZ i rKo
mK i a X K i i RZ i PX i mКi g sin( ) ,
Для прицепа
6
mПР VX 2 PX i mПР g sin( ) PКР
ПР
i 4
(2)
I k i k i (1 S Б i ) (i f w i ) RZ i rKo
mK i a X K i PX i i RZ i mКi g sin( ) ,
где i = 1, …3; mТ и mПР - масса тягача и прицепа, соответственно; mK i - масса
колеса; I k i - момент инерции колеса; i - номер колеса; VX и VX - продольное
Т
ПР
ускорение центра масс тягача и прицепа, соответственно; k i - угловое
78
ускорение i-го колеса; a X K i - продольное ускорение центра масс i-го колеса; g ускорение свободного падения; - угол наклона опорной поверхности.
Связь тягача и прицепа реализуется через силу тяги на крюке PКР ,
которая определяется по зависимости:
PКР ( X С Т X С ПР ) C (VXТ VX ПР ) B ,
(3)
где C - коэффициент жесткости сцепного устройства в продольном
направлении; B - коэффициент демпфирования сцепного устройства в
продольном направлении; X С Т - координата центра масс тягача по оси Х;
X С ПР - координата центра масс прицепа по оси Х; VXТ - скорость центра
масс тягача; VX ПР - скорость центра масс прицепа.
Таким образом, изменяя коэффициенты жесткости и демпфирования узла
сочленения, можно задавать различную связь между тягачом и прицепом.
Cила, действующая на корпус тягача со стороны колеса по оси X:
PX i ( X K i LK i ) Cподв (VX K i VX C ) Bподв ,
(4)
где Cподв - коэффициент жесткости подвески в продольном направлении;
Bподв - коэффициент демпфирования подвески в продольном направлении; X K i
- расстояние от центра масс до оси колеса по оси Х; LK i - расстояние от центра
масс до точки крепления подвески по оси Х; V X C - скорость центра масс
автомобиля.
Cила, действующая на корпус прицепа со стороны колеса по оси X:
PX i ( LK i X K i ) Cподв (V X C V X K i ) Bподв ,
(5)
Пусть удельная свободная сила тяги соответствует рис. 3 и
определяется по зависимости:
SБ
sign( S Б ) max (1 e
SO
(6)
),
где - максимальное значение коэффициента силы сцепления колеса с
опорной поверхностью; S 0 - константа.
Удельные потери энергии при качении колеса:
max
i
f w i f w o K f log(1
1
SO
),
(7)
i max (1 e )
где f w o - коэффициент удельных энергетических потерь при отсутствии
буксования в свободном режиме качения; K f - коэффициент
пропорциональности.
Вертикальная реакция в пятне контакта колес тягача с опорной
поверхностью определяется следующей зависимостью:
RZ i PZ i mK i g cos( )
(8)
79
PZ i определяются из решения системы уравнений (9):
PZ 1 PZ 2 PZ 3 mC g cos( )
PZ 1 LK 1 PZ 2 LK 2 PZ 3 LK 3 M ОТН
(9)
PZ 1 ( LK 2 LK 3 ) PZ 2 ( LK 3 LK 1 ) PZ 3 ( LK 1 LK 2 ) 0 ,
где M ОТН (mC a x H c Pкр H кр M к (1) M к ( 2) M к (3) ) - сумма крутящих
моментов относительно проекции центра масс на линию, соединяющую
оси колес; H c - высота центра масс; H кр - высота приложения силы тяги на
крюке Pкр ; M к (i ) - крутящий момент, реализуемый на соответствующей оси
автомобиля.
При определении вертикальных реакций под колёсами прицепа
используется такой же подход, как и для тягача, с учетом особенностей,
отраженных в расчетной схеме.
Рассмотрим динамику трансмиссии тягача на примере блокированной
раздачи мощности по колёсам. Упрощенная схема трансмиссии с
блокированным приводом по борту приведена на рис. 9.
Рис. 9. Схема трансмиссии с блокированным приводом
Динамика трансмиссии с блокированной связью по борту описывается
системой дифференциальных уравнений с учетом равенства угловых
ускорений колес.
Проведенные предварительные теоретические исследования динамики
автопоезда при различных упругих и демпфирующих характеристиках
сцепного устройства позволили сделать следующие выводы. В том случае,
когда параметры сцепного устройства C и B принимаются равными
небольшим величинам, тягач «уезжает» от прицепа, скорость которого в
определенный момент времени становится равной нулю. В противоположном
случае, т.е. когда коэффициенты упругости и демпфирования достаточно
велики, тягач оказывается неспособным выполнять транспортировку прицепа.
Скорость обеих частей автопоезда в определенный момент равна нулю. При
определенных значениях величин C и B оказалось возможным выполнить
транспортировку тягачом прицепа при тех же массовых, геометрических и
80
энергетических характеристиках. При начале движения за счёт имеющейся
упругой связи тягач сначала разгоняется без приложения силы на крюке, а
далее полученной инерции хватает для того, чтобы потянуть за собой прицеп.
Таким образом, одной из задач, которая может быть решена с
помощью разработанной математической модели автопоезда, является
оптимизацию параметров сцепного устройства с целью реализации
максимального тягового усилия при транспортировке прицепа в режиме
трогания в заданных дорожных условиях.
Библиографический список
1. Наумов В.Н., Рождественский Ю.Л. Математическая модель взаимодействия
металлоупругого колеса с уплотняющимся грунтом // Вопросы расчёта и конструирования
гусеничных машин. - Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. - 1980. № 339. - С. 84-111.
2. Серебренный И.В., Котиев Г.О. Повышение проходимости автомобиля за счёт
рационального распределения потоков мощности по колёсам // Вестник МГТУ им.
Н.Э. Баумана. Машиностроение. - 2008. - Специальный выпуск. - С.193-201.
УДК 629.113
ОПЫТ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ САМОХОДНЫХ
ТРАНСПОРТНЫХ И ТЯГОВЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН
ПОВЫШЕННОЙ ПРОХОДИМОСТИ
С ГИДРООБЪЕМНЫМИ ТРАНСМИССИЯМИ
А.В. Лепёшкин канд. техн. наук, проф.
МГТУ «МАМИ»
В настоящее время все более актуальным для развития России становится
решение проблем, связанных с необходимостью освоения огромных
территорий Дальнего Востока, Сибири и Крайнего Севера, а также развитием
других удаленных от центра регионов нашей необъятной страны. Одним из
главных препятствий этому является отсутствие с этими регионами надежного
наземного транспортного сообщения. Практическое отсутствие в этих районах
развитой дорожной сети указывает на то, что одним из важнейших условий
достижения успеха в решении поставленной цели является необходимость
оснащения транспортных предприятий, работающих в этих областях России,
высокопроизводительными наземными безрельсовыми транспортными
средствами повышенной проходимости. При этом потребителей колесных
транспортных и тяговых машин повышенной проходимости, прежде всего,
интересует соответствие их современным требованиям. Помимо высокой
проходимости основными из этих требований являются:
простота в управлении;
надежность в работе;
81
экономичность;
щадящее воздействие на опорную поверхность при движении по
бездорожью.
В настоящее время очевидным для специалистов в области создания и
эксплуатации транспортных и тяговых колесных машин, удовлетворяющих
перечисленным требованиям, является то, что для достижения названной цели
необходимо использование полноприводных машин с трансмиссиями,
оснащенными системами автоматического управления, которые в каждый
момент времени обеспечивают адаптацию машины к изменяющимся условиям
ее
движения.
Такие
трансмиссии
называют
«гибкими»
или
«интеллектуальными». Под изменяющимися условиями движения машины
здесь понимается не только изменение рельефа местности или характера
взаимодействия движителя машины с опорной поверхностью, а и процессы,
вызванные текущими управляющими воздействиями со стороны водителя.
Общепризнанным является также и то, что адаптация таких машин к условиям
движения подразумевает выполнение, по возможности, пожеланий водителя,
связанных с обеспечением заданного скоростного режима и траектории
движения, при минимальном потреблении двигателем для этой цели топлива и
щадящем воздействии на опорную поверхность при движении по бездорожью.
Изучением теоретических проблем, связанных с созданием
самоходных многоприводных многоосных колесных машин, занимались
многие ученые как у нас в России, так и за рубежом. В основном эти
исследования проводились применительно к машинам с механическими
трансмиссиями.
Благодаря полученным результатам, в парке современных транспортных
средств образовался довольно развитый сегмент автомобилей повышенной
проходимости, в том числе и полноприводных. Кроме этого достаточное
распространение
получили
полноприводные
колесные
тракторы,
сельскохозяйственные и специальные машины. Практически для всех них
характерно наличие механических трансмиссий со ступенчатым изменением
передаточных чисел в коробках перемены передач, а также использование в
этих трансмиссиях либо обгонных муфт, либо дифференциалов (межколесных
и межосевых), исключающих возникновение в трансмиссиях циркуляции
мощности. Высокий кпд, стабильность характеристик в широком диапазоне
эксплуатационных условий и достаточно высокая надежность при
относительно невысокой стоимости обусловили широкое распространение
таких трансмиссий в основном на машинах с двумя или тремя ведущими
осями. Причем на машинах с тремя ведущими осями две из них, в
большинстве случаев, предельно сближены друг с другом. Обусловлено это
также и тем, что таким образом с целью повышения проходимости машины
разработчики стремятся уменьшить разнообразие условий качения ее ведущих
колес, так как главным недостатком дифференциального привода является
82
потеря проходимости всей машины при нарушении сцепления с дорогой
одного из ее ведущих колес. В существующих конструкциях механических
трансмиссий многоприводных колесных машин для исключения подобных
проблем предусматривается возможность принудительной блокировки
дифференциалов водителем или используются дифференциалы с
повышенным внутренним трением. И тот и другой вариант существенно
усложняет конструкцию трансмиссии и снижает надежность всей машины.
Очевидно, что использование таких дифференциальных механических
трансмиссий на многоприводных колесных машинах с числом ведущих осей
больше двух встречает существенные трудности. В некоторых случаях,
например, при активизации прицепных звеньев автопоездов или для
некоторых сельскохозяйственных и специальных машин, эти трудности
можно рассматривать как непреодолимые. Следует также отметить, что в
случае, когда разработчиками предпринимается попытка конструктивного
решения этих трудностей, результатом этого, как правило, является
существенное снижение энергоэффективности разрабатываемой машины.
Перечисленные обстоятельства в начале 60-х годов прошлого века
обусловили появление в отечественной и зарубежной практике очевидной
тенденции использовать для привода ведущих колес самоходных и
транспортных машин бесступенчатые регулируемые трансмиссии, в
качестве которых предлагалось использовать гидрообъемные и
электрические приводы. Наиболее привлекательными представлялись
гидрообъемные трансмиссии (ГОТ), имеющие следующие очевидные
преимущества по сравнению с другими типами приводов:
высокая энергоемкость (передаваемая мощность, отнесенная к весу
привода);
практически полная свобода компоновки узлов и агрегатов;
простота и надежность защиты элементов трансмиссии и приводного
двигателя машины от перегузки;
простота
осуществления
бесступенчатого
регулирования
передаточного отношения, обеспечивающая требуемое кинематическое
соответствие частот вращения ведущих колес самоходной машины при ее
движении в разных условиях, в том числе и на машинах, оснащенных
системами регулирования давления в шинах, или работающих с
комплектом сменных разноразмерных шин;
относительная простота реализации системы автоматического
управления режимами работы трансмиссии;
достаточная простота осуществления реверса, в том числе и
обеспечение режима противовращения ведущих колес одной оси;
возможность использования привода в режиме торможения машины,
в том числе и с целью накопления энергии для последующего разгона;
достаточная простота получения технологических ("ползучих")
83
скоростей движения самоходной машины.
Были предприняты попытки создания самоходных машин,
оснащенных как полнопоточными ГОТ (все ведущие колеса приводятся
при помощи ГОТ), так и комбинированными трансмиссиями (ведущие
колеса основного ведущего моста – привод от механической трансмиссии
традиционной конструкции, дополнительные ведущие колеса – привод от
ГОТ). При этом более широкое распространение самоходных машин с
комбинированными
трансмиссиями
обусловлено
изначальным
предположением разработчиков об их меньшей стоимости и более
высокой надежности по сравнению с полнопоточными ГОТ.
Например, в 60-х годах ХХ века в США (фирма "Deere & Co") впервые
приступили к серийному производству самоходных машин с ГОТ
дополнительных ведущих колес. Приблизительно в то же время в СССР был
разработан автопоезд ЗИЛ-137 с ГОТ ведущих колес полуприцепа (рис.1). В
70-е годы к выпуску машин с этим типом привода активно приступили многие
зарубежные фирмы, в том числе: канадская фирма "Levy", западногерманская
фирма "Robert Bosch GmbH", а также финская фирма "Sisu", разработавшая
ГОТ, которую ряд фирм Голландии, Италии и Финляндии используют при
активизации прицепных звеньев лесовозов, трубовозов, контейнеровозов и
тому подобных машин. С 2005 года фирма MAN начала серийный выпуск
седельных тягачей, самосвалов и грузовики различного назначения с полной
массой более 18 т, оснащенных системой HydroDrive (рис. 2) [5, 6, 8],
обеспечивающей привод управляемых колес переднего моста.
Рис. 1. Автопоезд ЗИЛ-137 с ГОТ активного полуприцепа ЗИЛ-137Б: 1 – масляный бак;
2 – коробка отбора мощности; 3 – аксиально-поршневой, нерегулируемый насос;
4 – шланги; 5 – аксиально-поршневой, нерегулируемый гидромотор; 6 – редуктор
гидромотора; 7 – карданный вал; 8 – ведущие мосты полуприцепа; 9 – карданная
передача; 10 – раздаточная коробка
84
Гидромотор
Насос
Рис. 2. Седельный тягач фирмы MAN, оснащенных системой HydroDrive
Появившийся опыт отразился в соответствующих публикациях, где
приводились достижения машин, оснащенных ГОТ.
Так эксплуатация лесовоза фирмы "Sisu" показала, что лесовоз,
оснащенный ГОТ, развивает тягу на 25% больше, чем без нее, позволяет
преодолевать подъем в 1,5 раза большей крутизны и, не смотря на большую
стоимость и более высокую трудоемкость технического обслуживания,
окупается в два раза быстрее. Причина этого в том, что он по погодным
условиям может работать большее количество дней в году. Кроме этого фирма
отмечает, что использование ГОТ позволяет при необходимости уменьшить
радиус поворота машины (Материалы международного симпозиума по
машинам для лесного хозяйства, Москва, 1974 г.).
Интересны также данные отчета об испытании автопоезда ЗИЛ-137
(рис. 1) с ГОТ прицепного звена: на влажных грунтовых дорогах, на
мокром песчаном грунте, в условиях снежного покрова увеличение тяги
автопоезда за счет использования ГОТ достигало 200%; автопоезд с ГОТ
мог преодолевать подъем в 1,5 раза большей крутизны; с включенной ГОТ
полуприцепа автопоезд преодолевал заболоченные участки с твердым
основанием на глубине 0,3 - 0,4 м, свободно передвигался на подъемах и
поворотах в условиях песчаной целины; включение ГОТ позволяло
ускорить процесс "складывания" автопоезда (отчет по испытаниям
автопоезда ЗИЛ-137 10×10 с гидроприводом на активные оси полуприцепа,
№ 62-83 от 25.12.62, г. Москва, архив № 2182).
Аналогичные результаты были получены при испытании опытных
образцов специального чаеуборочного самоходного шасси Т16ММЧ и
универсально-пропашного трактора МТЗ-82, оснащенных ГОТ передних
управляемых колес. Эти испытания проводились в соответствии с планами
НИР и ОКР МТиСХМ СССР (в выполнении этих работ принимали участие
сотрудники кафедры "Гидравлика и гидропневмопривод" МАМИ).
Испытания самоходного чаеуборочного шасси Т16ММЧ с ГОТ
85
показали, что, не смотря на то, что в ГОТ использовались шестеренные
гидромашины с низкими энергетическими характеристиками, было
получено 38% увеличение тяги при движении на 1-ой передаче, 47%
увеличение максимальной тяговой мощности и 40% увеличение кпд
(протокол № 21-79 заводских испытаний самоходного шасси Т16ММЧ с
передним ведущим мостом, Тбилиси, 1979г., тема № 159/198-76).
Испытания трактора МТЗ-82, у которого серийный механический
привод передних колес с обгонной муфтой был заменен на ГОТ, показали,
что использование ГОТ, кроме увеличения тяги, гарантировало снижение
износа протектора шин на 10%. Этот эффект получен за счет того, что,
благодаря имеющейся возможности бесступенчатого регулирования
передаточного отношения ГОТ, при движении трактора на транспортных
скоростях по дороге с твердым покрытием был обеспечен нейтральный
режим качения управляемых колес [2]. Этот результат испытаний
позволяет сделать вывод о том, что положительный эффект от
использования ГОТ в качестве привода дополнительных ведущих колес
можно получить и при движении в относительно легких условиях.
И все же, не смотря на положительные результаты, полученные от
использования ГОТ, широкое внедрение их на самоходных и транспортных
машинах в качестве привода дополнительных ведущих колес не произошло.
Причина этого в недостатках, присущих этому типу привода по сравнению с
традиционными механическими трансмиссиями. Основными из них являются:
недостаточно высокий кпд (особенно на частичных режимах, когда
режим работы гидромашин, использующихся в ГОТ, в значительной
степени отличается от номинального);
зависимость характеристик ГОТ от внешних условий и режима работы;
постепенное ухудшение характеристик ГОТ при выработке ею
технического ресурса;
значительная стоимость, меньший срок службы и более высокая
трудоемкость технического обслуживания.
Очевидно, что перечисленные недостатки существенно сужают область
целесообразного использования ГОТ в качестве привода дополнительных
ведущих колес. Эта область практически ограничивается теми машинами, для
которых использование механического привода для этой цели сопряжено со
значительными конструктивными сложностями. Анализ показал, что к таким
машинам, работающим в тяжелых дорожных условиях, в первую очередь
относятся большегрузные автопоезда (например, лесовозы, трубовозы и так
далее), где актуальным является активизация колес прицепных звеньев, а
также различного рода сельскохозяйственные и специальные, в том числе
многоопорные, самоходные и транспортные машины.
К перечисленным выше недостаткам также можно отнести факт,
установленный при проведении полевых испытаний трактора фирмы
86
"Deere & Co" и опытного образца самоходного шасси Т16ММЧ,
оснащенных ГОТ передних ведущих колес (испытания проводились НПО
НАТИ [3]). Дело в том, что системы автоматического управления
режимами работы ГОТ на этих машинах были построены по схеме,
обеспечивающих работу ГОТ в режиме постоянства передаваемой
мощности. Благодаря этому, на грунтах высокой и средней несущей
способности отмечалось увеличение кпд самоходных машин, а при
движении по грунту с малым коэффициентом сцепления происходило
увеличение частоты вращения передних колес машины при малом
реализуемом моменте на них. При этом имело место интенсивное
фрезерование почвы под этими колесами, увеличение глубины колеи и, как
следствие, ухудшение проходимости машины. Данное обстоятельство
указывает на то, что использование при построении систем
автоматического управления ГОТ простых известных решений, не
учитывающих условия взаимодействия ведущих колес с опорной
поверхностью, как правило, не позволяют получить желаемого результата.
Справедливым следует признать, что для этой цели предварительно
необходимо всестороннее изучение объекта автоматизации, используя, в
том числе, и современные методы математического моделирования для
проверки различных условий эксплуатации проектируемых машин.
Опубликованные данные позволяют заключить, что практически во
всех случаях применения ГОТ в качестве привода дополнительных
ведущих колес самоходных машин они имеют много общего.
Во-первых, все эти ГОТ работают в достаточно узком диапазоне
скоростей движения машины. Это объясняется, прежде всего, особыми
требованиями к эксплуатации гидромашин [9]. Так скоростной диапазон
ГОТ лесовоза фирмы "Sisu" составляет 10% от общего диапазона
скоростей движения лесовоза, на автопоезде ЗИЛ-137 (рис. 1) ГОТ
ведущих колес полуприцепа работает только при движении со скоростью
не более 7 км/час, на автомобилях фирмы MAN (рис. 2) ГОТ HydroDrive
может использоваться до скорости 30 км/час.
Во-вторых, практически все ГОТ дополнительных ведущих колес
включаются и выключаются водителем, иногда одновременно с
включением соответствующей передачи в коробке перемены передач. При
этом предусматривается механическое или гидравлическое блокирование,
исключающее использование ГОТ на высоких рабочих и, тем более,
транспортных скоростях машины.
В-третьих, наиболее распространенной является ГОТ, в которой
используются так называемые гидромотор-колеса. В качестве них
используются либо низкооборотные высокомоментные радиальнопоршневые гидромоторы (“Sisu”, “Poclain”), встроенные в ступицу
ведущего колеса машины, либо высокооборотные аксиально-поршневые
87
гидромоторы (“Bosh Rexroth”, ГСТ-90), установленные на раме машины и
связанные с колесом через карданную передачу и механический
согласующий редуктор.
В-четвертых,
в
большинстве
ГОТ
гидромотор-колеса,
обеспечивающие привод колес одной оси машины, включаются
параллельно, обеспечивая для этих колес дифференциальную
межколесную связь. При необходимости блокирования межколесной связи
гидромотор-колеса включаются последовательно. Для этой цели в
известных ГОТ используются специальные гидрораспределители.
Если обобщить приведенные выше соображения, то появление в
современном парке самоходных машин серийных транспортных и тяговых
колесных машин повышенной проходимости с ГОТ дополнительных
ведущих колес можно ожидать только тогда, когда они будут обладать
большей эффективностью по сравнению с аналогичными машинами с
традиционными механическими трансмиссиями, а также при условии, что
их срок службы позволит окупить дополнительные затраты, связанные с
оснащением их ГОТ. Получить такие результаты реально только в том
случае, если ГОТ будут оснащаться системами автоматического
адаптивного управления, которые в процессе движения машины из всего
многообразия возможных вариантов будут выбирать режим работы ГОТ,
обеспечивающий максимальную эффективность системы «автомобильдвигатель-трансмиссия-движитель-опорная поверхность».
Проведенный анализ опубликованных данных об особенностях,
выявленных разработчиками самоходных машин с комбинированными
трансмиссиями, позволяет перечислить основные проблемы, которые
необходимо решать при разработке систем автоматического управления
(САУ) ГОТ дополнительных ведущих колес:
при прямолинейном движении машины в изменяющихся условиях
из-за
различия
жесткостей механических характеристик ГОТ
дополнительных ведущих колес и механического привода основных
ведущих колес САУ ГОТ для обеспечения высокой эффективности
машины должна постоянно следить за согласованностью в работе
основных и дополнительных ведущих колес;
при движении по криволинейной траектории САУ ГОТ для
обеспечения высокой эффективности и маневренности машины должна
следить не только за межосевым кинематическим соответствием частот
вращения основных и дополнительных ведущих колес, но и за
кинематическим соответствием частот вращения для ведущих колес,
привод которых обеспечивается ГОТ;
для обеспечения надежного трогания самоходной машины в тяжелых
условиях САУ ГОТ должна компенсировать отставание в нарастании сил
тяги дополнительных ведущих колес по сравнению с нарастанием сил тяги
88
основных ведущих колес, обусловленное существенно большей
податливостью ГОТ по сравнению с механической трансмиссией;
для увеличения межремонтного интервала самоходной машины с
комбинированной трансмиссией САУ ГОТ должна позволять необходимую
корректировку законов управления ГОТ, обусловленную изменением ее
характеристик, связанных, прежде всего, с постепенным уменьшением
объемных кпд гидромашин из-за их износа в процессе эксплуатации;
ГОТ дополнительных ведущих колес должна оснащаться системой
диагностики состояния входящих в нее гидромашин для получения
данных, необходимых для проведения отмеченной выше корректировки
законов управления ГОТ.
Схожие проблемы сдерживают и создание серийных самоходных
транспортных и тяговых машин повышенной проходимости, оснащенных
полнопоточными ГОТ.
За рубежом полнопоточные ГОТ применяются на малотоннажных
многоколесных плавающих автомобилях высокой проходимости типа
«Мул», аэродромных тягачах, тяжелых аэродромных топливозаправщиков
Titan Avitailleur 8×8 (рис. 3), гусеничных транспортерах с бортовым
поворотом, автомобилях высокой проходимости (АВП) с активными
полуприцепами, опытных образцах многоместных городских автобусов с
рекуперацией энергии торможения, небольших сериях французских
большегрузных (до 50 т) полноприводных самосвалах «Секмафер». Кроме
этого фирма «Секмафер» выпускает ГОТ для самосвала грузоподъёмностью
120 т (полная масса – 308 т) с двигателем мощностью 985 кВт (1320 л.с.).
Самосвал развивает скорость 50 км/ч и преодолевает подъём в 25% [1]. ГОТ
являются основным видом трансмиссий для самоходных тяжеловозов
грузоподъемностью 120…200 т с мощностью двигателя 132…265 кВт [10].
Применение ГОТ позволяет таким транспортным средствам перемещаться в
любом направлении (вперед, назад, вбок «лагом», вбок по диагонали,
разворот на месте вокруг центра платформы – «карусельное движение») с
плавным изменением поступательной скорости от 0,1 до 12 км/ч.
Состыкованные между собой в блоки самоходные тяжеловозы позволяют
обеспечить перевозку неделимых грузов массой до 1200 т и более.
В России в настоящее время таких машин серийно практически вообще
не выпускается. Исключением является серийно выпускаемый с 1986 года
зерноуборочный комбайн «Дон-1500» (рис. 4), с двигателем мощностью 162
кВт, оснащенной гидрообъёмной трансмиссией ГСТ-90, включающей в себя
регулируемый гидронасос с наклонной шайбой и нерегулируемый
гидромотор. Гидросистема объемного привода ведущих колес переднего
моста обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения
комбайна в двух диапазонах скоростей, что важно в сложных условиях уборки
зерна и способствует повышению маневренности комбайна. Максимальная
89
скорость рабочего диапазона движения комбайна 10 км/ч, максимальная
транспортная скорость – 20 км/ч [3, 15].
Рис. 3. Тяжелый аэродромный топливозаправщик Titan Avitailleur 8×8 и ГОТ
Рис. 4. Зерноуборочный комбайн «Дон-1500» с ГОТ
Все другие самоходные машины, привод движителей которых
обеспечивался полнопоточными ГОТ, построенными с использованием
гидромашин различного типа, разработанные в нашей стране во второй
половине XX века не получили серийного внедрения. Этому имеется
много причин как объективного, так и субъективного характера.
Не смотря на то, что ГОТ ряда транспортных установок создавались
под руководством таких ученых-гидравликов, как Т.М. Башта, К.И.
Городецкий, Л.Н. Игнатов, Ю.А. Данилов, Ю.Л. Кирилловский, А.В.
Кулагин, Б.Б. Некрасов, Д.Н. Попов, В.Н. Прокофьев и др. на достаточно
высоком научно-техническом уровне, в них не полностью учитывались
особенности полноприводной автомобильной техники.
При практической реализации недостаточное внимание уделялось
специфическим вспомогательным системам ГОТ мобильных машин таким
как: теплообменники с автоматическим регулированием охлаждения в
90
зависимости от климатических условий и нагрузок; системы компенсации
рабочей жидкости при работе ГОТ во всех скоростных и силовых диапазонах;
работа в условиях повышенного содержания пыли, грязи, влаги; движение на
уклонах и кренах свыше 30º; предпусковая подготовка агрегатов к принятию
нагрузки; система быстрого бесступенчатого реверсирования и пр.
На высоком научном уровне были проведены динамические
исследования объемных гидроприводов, построены их сложные
математические модели с использованием новейших научных методов. Но
в них не достаточно отражались условия работы ГОТ на реальных
транспортных машинах, так как эти модели в упрощенном виде описывали
процессы, протекающие в самих машинах.
Машины создавались, как правило, по схеме питания всех гидромоторов
от общей насосной станции, т.е. с полным гидродифференциальным приводом
всех
колес.
Какая-либо
блокировка
(межколесная,
межосевая,
межтележечная), способствующая повышению различных эксплуатационных
характеристик машин, практически не предусматривалась.
Ввиду
отсутствия
специальных
мобильных
гидромашин
и
вспомогательных гидросистем, соответствующих поставленным задачам и
способных эффективно работать в составе ГОТ, конструктора автомобильной
техники,
пытались
самостоятельно
создавать
специальные
высокофорсированные гидромашины в транспортном исполнении, в том числе
по нетрадиционным конструктивно-силовым схемам (регулируемые радиальношаровые, аксиально-плунжерные многоходовые, по схеме Ванкеля и др.).
Отсутствие опыта конструирования гидромашин и гидрообъемных
трансмиссий в целом, а также неподготовленность автомобильных производств
в то время к изготовлению прецизионных пар и узлов привело к тому, что
созданные ГОТ имели низкий кпд, высокую стоимость и малую долговечность,
что препятствовало их внедрению на серийных транспортных средствах.
Таким образом, в результате краткого обзора выполненных работ по
созданию транспортных машин с полнопоточными ГОТ, можно сделать
вывод, что полноценных образцов этих машин, максимально
удовлетворявших требованиям эффективного движения в различных
дорожных условиях (вплоть до полного бездорожья), с одной стороны, и
требованиям грамотно, на хорошем научно-техническом уровне
проектирования ГОТ, с другой стороны, создано не было. В результате
негативный отечественный опыт создания транспортных машин с ГОТ
надолго незаслуженно дискредитировал у нас в стране саму идею
применения ГОТ на транспортных средствах. Между тем, зарубежный
опыт свидетельствует об обратном.
Технический прогресс в области создания ГОТ за рубежом дал
ощутимые положительные результаты.
Наблюдается устойчивая тенденция роста максимального рабочего
91
давления в гидросистемах. При этом, как известно, улучшаются габаритновесовые и эксплуатационные показатели агрегатов, входящих в состав
ГОТ. В настоящее время оно достигло уровня 42…45 МПа и не опускается
ниже 35 МПа [16]. В ближайшем будущем планируется увеличение
максимально рабочего давления для объемных гидромашин до 49 МПа, а к
2015 г. – до 56 МПа.
Значение силового диапазона регулирования насосов, равное
отношению верхней и нижней границ рекомендуемых перепадов давления
в гидросистеме, составляет 3,5…4,5, а силовой диапазон для современных
гидромоторов – 4,85…5,12 с увеличением в перспективе до 7,37 [12].
Скоростной диапазон регулирования ГОТ, определяющийся
отношением максимальной частоты вращения вала гидромотора к
минимально устойчивой его частоте вращения под нагрузкой, для
современных гидромашин составляет 100…120 (минимально устойчивая
частота вращения аксиально-поршневого гидромотора обычно составляет
30…50 об/мин) [13, 14, 16].
У современных гидромашин, благодаря повышению жесткости их
конструкции, уменьшению гарантированных гидравлических зазоров,
применению новых материалов, использованию новых, более
совершенных
методов
расчета
подшипников,
распределителей,
гидростатических опор, плунжерных пар, заметно возросли значения
объемного (до 0,97…0,985), механического (до 0,945…0,965) и,
соответственно, значения общего кпд гидромашины (до 0,95) [13, 14, 16].
Благодаря этому, использование на автотранспортных средствах
полнопоточных ГОТ теперь становится вполне перспективным.
Главным преимуществом полнопоточных ГОТ по сравнению с ГОТ
дополнительных ведущих колес, работающих совместно с механическими
трансмиссиями, является то, что полнопоточные ГОТ обеспечивают
бесступенчато регулируемый привод всех ведущих колес самоходной
машины. Следствием этого является то, что полнопоточные регулируемые
ГОТ имеют возможность управлять распределением мощности,
реализуемой на каждом ведущем колесе. То есть в полнопоточных ГОТ,
оснащенных соответствующими системами автоматического адаптивного
управления (СААУ), реально существует возможность постановки и
решения задачи обеспечения выбора оптимального режима работы
каждого ведущего колеса самоходной машины в данных условиях.
Решению этой задачи служит разработанный в 2003 году ОАО
«Инновационная фирма «НАМИ-Сервис» совместно с АМО ЗИЛ
полноприводный автомобиль-лаборатория «Гидроход-49061» (рис. 5) [11] с
колесной формулой 6×6 полной массой 12 тонн с полнопоточной ГОТ.
Благодаря наличию у этого автомобиля ГОТ, полностью приспособленной для
проверки на практике различных вариантов систем автоматического
92
адаптивного управления, появилась реальная перспектива решения задачи
создания полноприводного автомобиля с «интеллектуальной» трансмиссией,
обеспечивающей оптимальное распределение мощности на каждое ведущее
колесо. В реализации этого совместно с ОАО «Инновационная фирма
«НАМИ-Сервис» активно работает МГТУ «МАМИ».
В настоящее время предложена структура СААУ, в которую введены
элементы, обеспечивающие в процессе движения автомобиля постоянную
корректировку режима работы ГОТ, адаптируя его к текущим условиям.
Результаты
теоретических
и
экспериментальных
исследований
подтверждают возможность реализации таких систем на перспективных
транспортных и тяговых колесных машинах повышенной проходимости.
Таким образом, не смотря на негативный опыт прошлого, реальности
сегодняшнего дня указывают на то, что активизация ведущих колес
многоприводных колесных машин при помощи ГОТ продолжает быть весьма
актуальным направлением как научно-исследовательских, так и опытноконструкторских работ, а ожидаемые результаты позволят в значительной
степени обеспечить развитие малоосвоенных территорий России.
Рис. 5. Гидрообъемная трансмиссия автомобиля «Гидроход-49061»: 1 – датчик
положения педали управления подачей топлива в двигатель; 2 – датчик углового
перемещения рулевого колеса; 3 – бортовой компьютер автоматической системы
управления; 4 – каналы для управления гидронасосами; 5 – сервопривод управления
подачей топлива в двигатель; 6 – каналы для управления гидромоторами;
7 – каналы для сбора информации от датчиков угловой скорости вращения
гидромоторов; 8 – каналы для сбора информации от датчиков давления гидронасосов;
9 – гидронасос; 10 – датчик частоты вращения редуктора насосной станции;
11 – гидромотор.
93
Библиографический список
1. Белоусов Б.Н., Попов С.Д. Колесные транспортные средства особо большой
грузоподъёмности. - М., 2006.
2. Городецкий К.И. и др. Снижение износа шин передних ведущих колес тракторов
при использовании объемной гидропередачи. Труды НАТИ, Выпуск 259, 1978.
3. Городецкий К.И. и др. О влиянии дроссельных регуляторов потока на
характеристики гидроходоуменьшителя. Труды НАТИ, 1981.
4. Журнал «Авторевю», 2003, № 18.
5. Журнал «Авторевю», 2006, № 7 (355). – с. 122.
6. Журнал «Грузовик – пресс», 2007, № 4. – с. 44-45.
7. Журнал «Грузовик – пресс», 2008, № 1.
8. Журнал «За рулём», 2007, № 6 (912). – с. 235.
9. Прокофьев В.Н. и др. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод. – М.,
Машиностроение, 1969, 496 с.
10. Прочко Е.И., Курмаев Р.Х., Анкинович Г.Г. Опыт создания и испытаний автомобиля с
гидрообъёмной трансмиссией (ГОТ). - М., Известия МГТУ «МАМИ», №1(5), 2008. – с. 100-106.
11. Шухман С.Б., Соловьёв В.И., Прочко Е.И. Теория силового привода колёс
автомобиля высокой проходимости. Книга. - М., 2007.
12. CAG — Computer-aided gear changing (проспект фирмы Scania. - Швеция).
13. Produktkatalog Mobilhydraulik. Каталог фирмы Rexroth Bosch Group, - Германия,
90 005-01/07.03.
14. Produktkatalog Mobilhydraulik. Каталог фирмы Rexroth Bosch Group, - Германия,
90 005-02/07.03.
15. http://ru.wikipedia.org/wiki/Дон-1500
16. http://www.boschrexroth.com/country_units/europe/russia/ru/index.jsp
УДК 629.113
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕТОДА ОГРАНИЧЕНИЯ
ИЗБЫТОЧНОГО ДЕЙСТВИЯ ПРИ РАСПРЕДЕЛЕНИИ
МОЩНОСТИ МЕЖДУ ВЕДУЩИМИ КОЛЕСАМИ
С.Н. Марченко, И.А. Мурог, канд. техн. наук, проф.,
А.В. Келлер, канд. техн. наук, доц., А.Н. Торопов, А.В. Платонов
Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище
Сущность метода ограничения избыточного действия заключается в
снижении избыточной мощности силовой установки, которая не может
быть реализована ведущими колесами АМН по сцепным свойствам, путем
уменьшения подачи топлива или приложением тормозного момента к
буксующему колесу.
Основной задачей предлагаемого метода является поддержание в
процессе движения относительного буксования колес в узких пределах
критического буксования кр. В этом случае обеспечиваются оптимальные
тяговые характеристики. Для этой цели необходимо в процессе движения
регулировать момент, подводимый к ведущим колесам.
94
Ограничение при этом момента двигателя не всегда целесообразно, так
как это обеспечит требуемый эффект только для буксующего колеса (снизит
его буксование). Однако это
не будет способствовать реализации
возможностей колеса, имеющего большее сцепление с опорной поверхностью.
Наиболее
целесообразно
использовать
свойства
симметричного
дифференциала, распределяющего момент между колесами поровну.
Одним из важнейших вопросов при разработке новой конструкции
системы ограничения буксования является вопрос правильного выбора степени
подтормаживания буксующего колеса. Нетрудно убедиться, что большее
значение тормозного момента, приложенного к буксующему колесу,
обеспечивает повышение тяговых качеств АМН за счет рационального
использования сцепного веса ведущего моста. А это, в свою очередь,
обеспечивает лучшую динамичность и проходимость АМН в условиях
различных сил сцепления ведущих колес с дорожной поверхностью. Однако
значительное подтормаживание может оказать отрицательное воздействие на
устойчивость, управляемость и топливную экономичность АМН. Кроме того,
это вызовет значительный износ фрикционных элементов тормозных
механизмов. Следовательно, степень подтормаживания буксующего колеса
нужно ограничивать,
исходя
из условий, при которых указанное
отрицательное воздействие минимально или отсутствует. В качестве параметра,
характеризующего степень реализации сцепных возможностей АМН и
распределение крутящего момента между полуосями при приложении
тормозного момента, представляется целесообразным принять, по аналогии с
дифференциалами, коэффициент подтормаживания. Под ним следует понимать
отношение момента трения (тормозного момента) в системе привода ведущего
колеса (СПВК) (Мт) к моменту, реализуемому на колесе по сцеплению (М):
(1)
kп= Мт /М.
В зависимости от распределения крутящего момента в СПВК
kп = 0...; kп = 0 при отсутствии тормозного момента в СПВК, kп = - при
полной блокировке СПВК.
Для эффективной реализации предлагаемого способа необходимо
определить характеристику изменения коэффициента подтормаживания в
СПВК в зависимости от параметров опорной поверхности и АМН.
Определим указанную характеристику изменения коэффициента
подтормаживания из условия обеспечения максимального использования
сцепных возможностей ведущих колес АМН при сохранении показателей
устойчивости движения АМН.
Очевидно, что влияние степени распределения моментов при
прямолинейном движении наиболее существенно проявляется при трогании
с места и разгоне или движении АМН на подъем в условиях, когда силы
сцепления ведущих колес с поверхностью различны. Указанная
неравноценность сцепных качеств наиболее вероятна в случае попадания
95
одного из ведущих колес на участок дороги с пониженным сцеплением или
в случае переезда его через неровность. При обычном дифференциале это
приводит к пробуксовыванию и раскручиванию одного из ведущих колес
под действием избыточного момента.
Первым условием, ограничивающим коэффициент распределения
моментов при заданном значении крутящего момента на корпусе
дифференциала, является отсутствие буксования колеса на поверхности с
худшим сцеплением. Для определения коэффициента распределения моментов
по этому условию рассмотрим движение АМН по ровной горизонтальной
поверхности в условиях кратковременной не равноценности сцепления
ведущих колес, приводящей к пробуксовыванию одного из них. Примем, что в
лучших по сцеплению условиях находятся колеса правого борта.
Исходя из математической модели движения эластичного колеса, имеем:
Mп M
a 1
о
J
rко
d
R z11rко ,
rко dt
(2)
где Mо – крутящий момент, подводимый к ведущему мосту; J – момент
инерции колеса; - скорость движения АМН; а - ускорение АМН; rko радиус свободного качения колеса; Rz1 - вертикальная реакция на
буксующем колесе;1 - коэффициент сцепления буксующего колеса с
опорной поверхностью.
Предельный
коэффициент
распределения
моментов,
соответствующий отсутствию буксования колеса с худшим сцеплением,
может быть определен из уравнения (1) с учетом выражения (2):
a (1 )
М о J
kп
rко
rко
d
R z11rко
dt
R z1rко 1 f o
(3)
,
где fо – коэффициент сопротивления качению.
При выполнении этого условия дальнейшего увеличения
коэффициента распределения моментов не требуется, так как это не дает
увеличение реализуемой автомобилем суммарной силы тяги.
Вторым ограничением коэффициента распределения моментов
является полное использование сил сцепления не буксующего колеса. В
этом случае коэффициент распределения моментов должен равняться:
R z2 2 rко R z11rко
kn
(4)
,
R z1rко (1 f о )
где Rz2- вертикальная реакция на небуксующем колесе; 2 - коэффициент
сцепления небуксующего колеса с опорной поверхностью.
96
Очевидно,
что
последующее
увеличение
коэффициента
распределения моментов в этих условиях также нерационально.
На устойчивость и управляемость АМН распределение крутящих
моментов наиболее существенно влияет в случае движения на повороте или
при преодолении неровности. При большом значении коэффициента
распределения моментов на ведущих колесах возникают значительно
отличающиеся друг от друга силы тяги. Разность этих сил на плече, равном
половине колеи, создает момент, стремящийся повернуть АМН в плоскости
дороги. При большом поворачивающем моменте передние или задние колеса
начнут скользить по дороге в направлении, перпендикулярном к движению, и
АМН потеряет устойчивость. Действие малых моментов вызовет увод колес,
что ухудшит управляемость АМН.
Таким образом, третьим фактором, ограничивающим величину
коэффициента распределения моментов, является обеспечение устойчивого
движения автомобилем в условиях различного сцепления ведущих колес с
опорной поверхностью. Полагая, что коэффициенты сцепления в продольном
и поперечном направлениях для небуксующего колеса равны между собой,
коэффициент распределения моментов, согласно третьему ограничению,
может быть найден из условия:
(5)
( Rz2маx )2 - Rx22- Rу22= 0,
где маx - коэффициент сцепления небуксующего колеса с дорогой.
Для описанного режима тангенциальные реакции на ведущих колесах
будут на буксующем колесе:
(6)
Rх1= 1( 1- k)Rz1,
где k – коэффициент, учитывающий влияние буксования колеса на его
сцепление с опорной поверхностью.
На не буксующем колесе:
(7)
Rх2= (1(1- k)+fo)Rz1 [1+ kп]- foRz + J(/rko2)d/dt.
В целях упрощения примем, что боковая сила на задней оси,
вызванная неравномерностью тяговых сил, воспринимается лишь
небуксующим колесом и составляет:
Rу2= В (Rx2 – Rx1 )/ 2L ,
(8)
где В - колея АМН, L - база АМН.
Подставляя выражения (8), (7) и (6) в уравнение (5) и решая его
относительно коэффициента распределения моментов (1), получим:
2
1 1 k Rz A1 C DA2 D 21 1 k Rz A Rz 2 1
kn
1 1 k f o Rz D
.
(9)
1 1 k Rz A1 C
1 1 k f o Rz D
Данное уравнение имеет одно положительное решение.
Входящие в (9) коэффициенты находим из следующих уравнений:
(10)
А = J(/rko)2d/ dt; C = В / 2L; D =(1+ C2).
97
Вертикальные реакции на ведущих колесах могут быть найдены из
известных уравнений, описывающих движение АМН в целом.
Так как применение ПБС сопряжено с расходом энергии двигателя на
преодоление сил трения в тормозном механизме буксующего колеса, еще
одним
условием,
ограничивающим
величину
коэффициента
подтормаживания, является экономическая целесообразность. То есть, до
тех пор, пока потери мощности на буксование Nбукс не превысят потерь
мощности на трение Nтр в тормозном механизме, величину
подтормаживания увеличивать не следует:
N букс N тр ;
N букс М кр о
(11)
,
N тр М т о (1 )
где Мкр – крутящий момент на буксующем колесе;
- коэффициент буксования;
о - угловая скорость колеса.
Совместно решив уравнения (1) и (11), получим:
kп
Мт
.
М кр 1
(12)
На рисунке 1 показаны зависимости тормозного момента в СПВК
АМН УАЗ-3151 от изменения коэффициента сцепления ведущих колес с
опорной поверхностью в процессе разгона (с постоянным ускорением) и
равномерного движения одним из бортов по асфальтобетонному участку.
Рис. 1. Зависимость тормозного момента в СПВК АМН от коэффициента сцепления
буксующего колеса и подводимого крутящего момента
98
Анализ данных, приведенных на рисунке 1, показывает, что тормозной
момент, прикладываемый к буксующему колесу, ограничивается, с одной
стороны, исключением буксования колеса на поверхности с худшим
сцеплением, а с другой, – обеспечением устойчивого движения АМН. Это
объясняется тем, что при значениях коэффициента подтормаживания,
лежащих под этими кривыми, уменьшается развиваемая автомобилем сила
тяги. Это существенно, так как величина самой силы тяги в этих условиях
невелика. При значениях коэффициента подтормаживания, лежащих над
этими кривыми, происходит полное использование запаса боковой реакции
задней оси, что может привести к заносу АМН.
Таким образом, с позиций реализации сцепных сил без потери
устойчивости прямолинейного движения АМН степень подтормаживания
должна определяться из условия обеспечения буксования колеса в
пределах, соответствующих максимально возможному в данных условиях
сцеплению колеса с опорной поверхностью.
УДК 629.113.075
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
В МЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ АВТОМОБИЛЯ
С ГИБРИДНЫМИ СИЛОВЫМИ УСТАНОВКАМИ
ПРИ ЗАПУСКЕ ДВС С ХОДУ МЕТОДАМИ МОДЕЛИРОВАНИЯ
В СРЕДЕ МATLAB- SIMULINK
Нгуен Хак Туан, аспирант
МГТУ «МАМИ»
В настоящее время существует много программных продуктов
предназначенных для моделирования динамики механической системы. В
том числе, универсальные программы: Matlab, Msc.Adam, Sympack…
также существует большое количество программ, ориентированных на
конкретные объекты, например для моделирования динамики
автомобильной системы: Carsim, Alaska, Simdriveline… Все объектноориентированные программы автоматизируют процесс формирования
уравнений движения конкретной механической системы на основе
описания инерционных, геометрических, кинематических параметров,
моделей
силовых
взаимодействий,
выбранных
или
заданных
пользователем. Для дальнейшего исследования динамики объекта
используются численные методы анализа уравнений движения, например,
численное интегрирование. Очевидно, что этот подход не может быть
использован для компонентного моделирования cложной динамической
системы, так как, во-первых, принципиально не поддерживает
99
мультидоменные компонентные модели с ненаправленными связями и, вовторых, не позволяет задавать описание элементарных компонентов
средствами входного языка, что приводит к появлению в модели
искусственных структурных схем, не соответствующих структуре
моделируемой системы. Для исключения данных недостатков можно
использовать подсистему SIMULINK пакета МATLAB - интерактивная
среда для моделирования и анализа широкого класса динамических систем
с помощью блок-диаграмм. При моделировании с использованием
SIMULINK реализуется принцип визуального программирования, в
соответствии с которым пользователь на экране из библиотеки
стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты.
При этом, в отличие от классических способов моделирования,
пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и
численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся
при работе на компьютере, и, естественно, знаний той предметной области,
в которой он работает. При моделировании пользователь может выбирать
метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения
модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе
моделирования
имеется
возможность следить за
процессами,
происходящими в системе. Для этого используются устройства
наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты
моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.
В обычной механической трансмиссии автомобиля, динамический
момент может возникнуть в случаях, например, при резком трогании с
места или торможения при не выключенном сцеплении. Для механической
трансмиссии с ГСУ представляет один еще случай – динамические
нагрузки, возникающие в трансмиссии при запуске ДВС с ходу. В
настоящей работе представлен метод моделирования и расчета
динамических нагрузок в механической трансмиссии автомобиля с ГСУ в
среде программирования Matlab Simulink.
На рис. 1. представлена динамическая схема, по которой можно
определить динамические нагрузки в трансмиссии автомобилей с ГСУ. В
схеме приняты следующие обозначения: -моменты инерции Iдвс - ДВС с
маховиком; Iэд- электродвигателя; Iс -деталей сцепления; Iкп -главной
КПП и раздаточной коробкой; Iпк -деталей переднего моста с передними
колесами; Iзк деталей заднего моста с задними колесами; Iа маховика,
эквивалентного поступательно-движущейся массе автомобиля; - жесткости
и коэффициенты демпфирования: сэ,bс –сцепления; сэ,bэ – звена,
связывающего вал электродвигателя с раздаточной коробкой; сптр, bптр,; сзтр,
bзтр,– деталей трансмиссий переднего и заднего моста; спш, bпш,, сзш, bзш –
тангенциальные жесткости и коэффициенты демпфирования передней и
задней шин; - внешние моменты: Мсп – момент сопротивления (включает
100
моменты: момент сопротивления подъему, момент аэродинамического
сопротивления). Мэд -момент электродвигателя; Мс -момент трения
сцепления; Мдвс -момент ДВС; МFЗ, МFП – моменты сопротивления
качению на ведущих колесах переднего и заднего моста;
Рис. 1. Динамическая схема трансмиссии автомобиля с ГСУ
Дифференциальные уравнения движения системы, приведенной на
рис. 1, можно записать в виде (1)
I эдэд M эд cэ ( э кп ) bэ ( э кп );
I cc M c cc ( c кп ) bc (c кп );
I двсдвс M двс M c ;
I кпкп cc ( c кп ) bc (c кп ) cэ ( э кп ) bэ ( э кп );
u[c зтр (u. кп зк ) bзтр (u. кп зк )] u.[cптр (u. кп пк ) bптр (u. кп пк )];
I зкзк c зтр (u. кп зк ) bзтр (u. кп зк ) c зш ( зк а ) bзш ( зк а ) M FЗ ;
I пкпк cптр (u. кп пк ) и птр (u. кп пк ) спш ( пк а ) ипш (пк а ) M FП ;
(1)
I аа c зш ( зк а ) bзш ( зк а ) cпш ( пк а ) bпш (пк а ) M СП ;
M УЭД cэ ( э кп ) bэ ( э кп );
M УС cc ( c кп ) bc (c кп );
М ПТР cптр (u. кп пк ) bптр (u.кп пк );
М ЗТР c зтр (u. кп зк ) bзтр (u.кп зк );
М ЗШ c зш ( зк а ) bзш ( зк а );
М ПТР спш ( пк а ) bпш ( пк а ),
где: МУЭД, МУС, Мптр, Мптр, Мпш, Мпш – упругие моменты на валу
электродвигателя, сцепления, в передней и задней трансмиссиях моста, в
передней и задней шинах, соответственно;
φэ, φс, φдвс, φкп, φзк, φпк, φа: углы поворота масс Iэд, Iс, Iдвс, Iкп, Iзк, Iпк, Iа
соответственно;
u – передаточное число трансмиссии.
При запуске ДВС с ходу Мдвс является моментом сопротивления и
описывается выражением [3]:
101
M двс QVn ( B D.n) [Н.м]
где B, D, Q – эмпирические коэффициенты
(для бензинового двигателя В=0,4-0,5; В=0,0035; Q=12,5);
Vn, n – рабочий объем и обороты ДВС.
При определении динамических нагрузок в трансмиссии момент
трения сцепления Мс представляется в виде экспоненциальной
зависимости [1]:
Мс=Мсц,ст(1-e-kt),
где: Мсц,ст – статический момент трения в сцеплении;
k = 3/tc – константа, характеризующая темп включения сцепления;
tc – время включения сцепления. Величина tс является случайной, можно
принять tсmin=0,015c, tс max=1,5c
Таким образом, решая системы уравнений (1) можем определить
моменты в упругих звеньях трансмиссии и также углы поворота φi.
В качестве модельного образца взята трансмиссия автомобиля УАЗ
5153 с ГСУ, разработанной учеными и специалистами МГТУ «МАМИ»
[2]. Начальные условия при моделировании: при t=0; Мэд=180Нм;
скорость автомобиля va = 15км/ч.
На рис. 2 представлена модель для определения момента трения
сцепления Мс и на рис. 3 представлены зависимости момента трения
сцепления от времени и времени включения сцепления.
На рис 4. представлена структурная модель SIMULINK пакета MATLAB
для расчета динамических нагрузок в механических трансмиссией
автомобилей с ГСУ. На модели были использованы блок-диаграммы и
функция MATLAB (MATLAB Fcn), построена по системе уравнения (1).
На рис. 5 представлены результаты расчёта динамических моментов
на валу электродвигателя в двух случаях: без учета (рисунок 5,а) и с
учетом (рисунок 5,б) коэффициентов демпфирования шины.
Mcmax
Constant1
Product
1
Mc
1
Constant
u
e
-3/tc
Clock
Gain
Math
Function
Рис. 2. Модель, определяющая момента трения сцепления
Результаты расчетов показали, что динамические моменты,
возникающие в ветвях трансмиссии автомобиля с демпфирующими
элементами, почти на 89% меньше его в трансмиссии без демпфирующих
102
элементов и в ветвях трансмиссии автомобиля с демпфирующими
элементами, колебания упругих моментов также быстро затухают.
tc=0.2c
250
tc=0.8c
Момент трения сцепления Мс
200
150
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
1
0.8
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Время [сек]
Рис. 3. Зависимости момента трения сцепления от времени и времени включения сцепления
Mue
1/s
Mekfout
1- Mue
Muc
1/s
Mucfout
2- Muc
Mct
1/s
Mtptfout
3- Mct
Mcs
1/s
Mtpsfout
4- Mcs
Mlt
Scope
1/s
5- Mlt
1/s
6- Mls
input2
Mcout
Subsystem
7- Mfe
MATLAB
Function
MATLAB Fcn
Mls
Mloptfout
Mlopsfout
33 -wel
1/s
welout
34 -we
1/s
weout
35 -wc
1/s
8- Ml
1/s
wcout
36-whs
37-wlt
Mcfout
1/s
38-wls
Mfeout
Mload
1/s
wlsout
va
jaout
waout
ja
vaout
Subsystem1
Mload wa
Mfe
wltout
wa
39- wa
1/s
whsout
we
Рис. 4. Структурная схема SIMULINK пакета MATLAB для расчета динамических
нагрузок в механических трансмиссией автомобилей с ГСУ
103
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
0
0.5
1
1.5
2
2.5
t[
3
3.5
4
4.5
5
]
а) без учета bзш и bпш
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
0
0.5
1
1.5
2
2.5
t[
3
3.5
4
4.5
5
]
б) с учетом bзш и bпш
Рис. 5. Зависимости упругих моментов на валу двигателя от времени
На рис. 6 представлены результаты расчёта динамических моментов в
передней трансмиссии автомобиля УАЗ 3153 с ГСУ при запуске ДВС с
ходу также в двух случаях: без учета и с учетом коэффициентов
демпфирования шины bзш и bпш.
Для описания и оценки максимальных динамических нагрузок
использован коэффициент динамичности кД, под которым понимается
отношение:
кД
М мах
; где: Ммах – максимальные значения момента, возникающего в
М Тмах
ветвях трансмиссии автомобиля при включении сцепления.
Мтмах=МЭДмах+МДВСмах
104
МЭДмах,
МДВСмах:
максимальные
значения
момента
электродвигателя и ДВС
На рис. 7 представлены зависимости коэффициентов динамичностей в
ветвях трансмиссии от времени включения сцепления tc (темпа включения
сцепления) при запуске ДВС на 4-ой передаче. Результаты расчетов
показали, что чем быстрее включение сцепления (чем меньше tc), тем
больше динамические нагрузки, возникающие в ветвях трансмиссии
автомобиля. Однако, когда tc повышает до предельного значения tcп (в
данном случае tcп≈0,7c), повышение времени включения сцепления tc > tcп
больше не снижает коэффициенты динамичностей в ветвях трансмиссии
но процесс буксования сцепления увеличивается.
b
b
3000
b
b
2500
2000
1500
1000
500
0
500 0
0.5
1 1.5
2
2.5
t[
]
3
3.5
4
4.5
5
Рис. 6. Зависимости упругих моментов в передней трансмиссии от времени
2.2
2.1
2
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
0
0.5
1
t [
1.5
]
Рис. 7. Зависимости кд в ветвях трансмиссии от времени включения сцепления
105
Заключение
Метод моделирования механической трансмиссии автомобиля с ГСУ
в среде программирования Matlab Simulink дает возможность подробно
исследовать динамические процессы в трансмиссии с ГСУ и также
влияния структурных параметров на динамические нагрузки в
механической трансмиссии автомобиля с ГСУ при запуске ДВС с ходу.
Библиографический список
1. Гришкевич А.И., Вавула В.А. и др. Автомобили, конструкция, конструирование и
расчет, трансмиссия. –М.: Вышэйшая школа, 1985. –240с.
2. Гибридные автомобили – столбовая дорога к экономичному и экологически чистому
транспорту. д.т.н. Карунини А.Л. д.т.н Бахмутов С.В. к.т.н. Селифонов В.В. и др. //
Автомобильных инженеров №3(44), 2007
3. Селифонов В.В. – Теория автомобиля. – М.: Гринлайт, 2009 – 208с.
4. The MathWorks, Inc. 2002 - Simulink Model-Based and System-Based Design.
УДК 629.1.098.001.01
АВТОМОБИЛИ ДЛЯ МЕГАПОЛИСОВ
А.В. Николаенко, канд. экон. наук; С.В. Бахмутов, д-р техн. наук;
В.В. Селифонов, канд. техн. наук; А.Н. Титков *, канд техн. наук
МГТУ "МАМИ"; *ОАО «АСМ-холдинг»
Сегодня в мире существует порядка 1 млрд. автомобилей, суммарная
мощность двигателей которых более чем в 5 раз превосходит мощность
всех существующих электростанций. Кроме автомобилей есть еще
тракторы, сельхозмашины, стационарные установки с ДВС. Все эти
транспортные и стационарные средства ежегодно выбрасывают в
окружающую среду более миллиарда тонн вредных веществ. Отдельно
стоит проблема выбросов СО2, Хотя этот газ и является безвредным для
человека, вместе с тем его увеличение в атмосфере приводит к
глобальному потеплению атмосферы.
Избежать этих негативных последствий путем отказа от автомобилей
невозможно, поскольку они вошли во все сферы нашей деятельности.
Очевидно, что единственно возможным путем уменьшения вредных
последствий является максимально возможное уменьшение вредных
выбросов и сокращение расхода органического топлива при эксплуатации
автомобильного транспорта. Наиболее интенсивные работы по ряду
направлений начались 15-20 лет назад.
Одно из возможных направлений – создание электромобилей на
топливных элементах с использованием в качестве топлива водорода.
106
Президент США Д.Буш в 2002 г. утвердил программу и выделил более $4
млрд. на создание топливных элементов приемлемой стоимости, согласно
которой в США с 2015 г. автомобили с ДВС выпускаться не должны. Фирмы
ДМ, Форд и Крайслер, развернув работу по топливным элементам и вложив
дополнительно почти такую же сумму в НИОКР, сумели на порядок снизить
стоимость топливных элементов и повысить их характеристики, но по цене
они остаются все еще на порядок дороже аналогичных ДВС.
Следует иметь в виду, что в настоящее время топливные элементы
используют в качестве источника энергии чистый водород, получение
которого требует также значительных энергозатрат. Специалисты ведущих
автомобильных фирм считают, что работа по указанному кардинальному
направлению должна интенсивно продолжаться, хотя реальное ее
воплощение следует ожидать не ранее чем через 20-30 лет.
Остается проблема сегодняшнего дня, когда мировой парк автомобилей
до кризиса рос ежегодно на 35-40 млн. ед. при выпуске 62-65 млн.
автомобилей. В мире наметилось несколько альтернативных направлений.
Япония сделала ставку на гибридные автомобили. Основной
разработчик – фирма Тойота с массовым гибридным автомобилем
«Приус». Считается, что такой автомобиль может дать экономию топлива
20-30%, а в последних разработках называется цифра 40-60%.
Европа пошла по пути совершенствования конструкции дизелей
(повышение давления впрыска – система Коммон Рэйл, пьезоэлектрические
форсунки,
дающие
многоразовый
впрыск,
изменяемые
фазы
газораспределения, двухступенчатый турбонаддув и т.д.). В результате
удалось снизить расход топлива на 15-20%. Дизели существенно подорожали,
а экологический эффект улучшился, но не кардинально.
Американцы, привыкшие к бензиновым двигателям, занялись их
усовершенствованием путем отключения ряда цилиндров у V-образных
двигателей, введения систем «стоп энд гоу», непосредственного впрыска
бензина в цилиндры, изменения фаз газораспределения и др. Однако,
параллельно, опираясь на опыт Японии, они занялись и созданием
собственных гибридных автомобилей. В последние два года и Северная
Америка, и Европа буквально бросились нагонять упущенное в создании
гибридных автомобилей, и сегодня практически нет ни одной ведущей
фирмы в мире, которая бы не занималась этой проблемой.
В настоящее время гибридные автомобили выпускают или готовят
серийное производство Тойота, Ниссан, Мазда, Форд, ДM, Фиат, Рено,
Фольксваген, Субару, Порше и многие другие.
К сожалению, в России этой проблемой наши предприятия
практически не занимаются.
ОАО «АВТОВАЗ» на Московском автосалоне в 2007 г. показал
экспериментальный электромобиль на топливных элементах. В следующем
107
году была подготовлена усовершенствованная модель электромобиля, однако
в связи с частыми изменениями в руководстве предприятия, а затем и
наступивший кризис привели к прекращению этой перспективной работы.
ОАО «ГАЗ» занялся работой по чистому электромобилю с нулевым
выбросом. На Московском автосалоне в 2009 г. Была выставлена «Газель»
с электрической трансмиссией и литий-ионными электрическими
накопителями. Параметры этого электромобиля показывают, что он может
использоваться только в ограниченных городских условиях. Большинство
исследователей
считают,
что
при
современных
накопителях
электроэнергии производство чистых городских электромобилей не
превысит 20%.
ОАО «ЛиАЗ» изготовил опытный гибридный автобус по
последовательной схеме и заявил о желании поставить его на производство
в 2010 году, однако реального подтверждения этому нет.
Кроме автопредприятий гибридными автомобилями занимался в 19992002 г.г. ОАО «АСМ-холдинг». Был построен образец автомобиля Акласса
(проект «Мишка»), исключающий механические элементы
трансмиссии. Двигатель соединялся с генератором-стартером, ток от
генератора поступал на 4 мотор-колеса или в накопитель энергии –
тяговые
суперконденсаторы.
Мотор-колеса
имели
обратимые
электродвигатели,
которые
позволяли
проводить
рекуперацию
электроэнергии. Для повышения динамики разгона, защиты тяговых
суперконденсаторов от высоких токов, повышения КПД рекуперации у
каждого мотор-колеса имелся свой небольшой разгонный суперконденсатор с очень низким внутренним сопротивлением даже при -4550оС.
Образец был построен – показан на Московском автосалоне в 2001 г.,
а его доводка так и не была начата из-за прекращения правительством
Москвы финансирования этого проекта.
МГТУ «МАМИ» совместно с НПП «КВАНТ» в 2006 г. изготовил
концептуальный образец гибридного автомобиля на базе серийного
полноприводного УАЗ-3153.
Разработчики остановились на параллельной схеме гибридной
силовой установки (ГСУ), поскольку, во-первых, отечественная
промышленность выпускает все необходимые для ее реализации
автомобильные и электрические агрегаты и узлы; во-вторых, она
обеспечивает автомобилю топливную экономичность, практически не
отличающуюся от той, которую может дать смешанная схема; в-третьих,
она проще последней по исполнению.
Компоновочная схема автомобиля УАЗ-3153, оборудованного ГСУ
МАМИ-КВАНТ, приведена на рис. 1.
108
2
1
3
4
5
6
7
11
9
10
8
Рис. 1.
Как видно из рисунка, в нее входят элементы не только серийного
автомобиля (ДВС, коробка передач, приводы переднего и заднего мостов),
но и новые для автомобиля устройства (обратимая электрическая машина 6
со своим приводом 5, система управления тяговым электрооборудованием
10 и свинцово-кислотные накопители электрической энергии 7). Установка
элементов ГСУ на многоцелевом автомобиле УАЗ-3153 показана на рис. 2.
Рис. 2.
Сотрудники Научно-образовательного центра «Автомобили с
гибридными силовыми установками» при кафедре «Автомобили» им.
Е.А.Чудакова МГТУ «МАМИ» совместно с сотрудниками НИЦИАМТ ФГУП
НАМИ провели на полигоне испытания автомобиля с гибридной силовой
установкой на сертифицированном стенде с беговыми барабанами.
Ниже приведены результаты экспериментальных исследований.
Расход топлива определен при движении автомобиля в городском
цикле по правилу № 83 ЕЭК ООН. Штатный автомобиль имел – 20,45
л/100 км. При определении расхода топлива, без учета небольшого
109
отрицательного электробаланса, расход у автомобиля с ГСУ составил –
10,2 л/100 км. Учет отрицательного электробаланса по правилу
№ 101 ЕЭК ООН дал эквивалентный расход топлива в 12,1 л/100 км.
Выбросы вредных веществ автомобиля с ГСУ в процентах от вредных
выбросов штатного автомобиля составил: СО – 28%, СН – 62%, СО 2 – 55%.
Как видно из приведенных результатов, применение ГСУ позволяет
существенно уменьшить количество вредных выбросов и расход топлива
при работе автомобиля в условиях мегаполиса, которым соответствует
выбранный при испытаниях ездовой цикл ЕЭК ООН (правило №83)
Созданный при МГТУ "МАМИ" Научно-образовательный центр
"Автомобили с гибридными силовыми установками" ведет планомерную
работу по созданию и исследованию автомобилей с комбинированными
(гибридными) силовыми установками.
В рамках этой работы создан и смонтирован в исследовательской
лаборатории кафедры "Автомобили" МГТУ "МАМИ" исследовательский
стенд, реализующий гибридную силовую установку последовательно параллельного типа, включающую дизельный ДВС ЗМЗ-5143.10, две
обратимые электромашины 4АПА 2Э160М и генератор в качестве
нагружающего устройства. Стенд предназначен для снятия статических и
динамических характеристик установленных агрегатов, определения
тягово-скоростных,
топливно-экономических
и
экологических
характеристик грузовых автомобилей с ГСУ, а также отработки алгоритма
управления ГСУ для автомобилей класса ГАЗ-3310 "Валдай".
Для возможности установки разработанной ГСУ на разные типы
автомобилей стенд выполнен по модульной схеме. Схема стенда
представлена на рис. 3.
1
2
3
4
6
7
5
Рис. 3. Схема универсального стенда для испытаний ГСУ
последовательно-параллельного типа
1, 3 – первая обратимая электромашина, 4 – электромагнитная муфта, – ДВС, 2 –
сцепление 5 – карданная передача, 6 – вторая обратимая электромашина, 7 –
нагружающий генератор с инерционными массами.
110
Стенд
представляет
собой
полномасштабную
модель
комбинированной энергетической установки средне тоннажного грузового
автомобиля. Использованные в стенде модули могут без значительных
переделок быть установлены на опытном образце автомобиля.
Другим направлением решения проблем экологии крупных городов
является замена ДВС электродвигателями, не загрязняющими
окружающую среду и значительно менее шумными. Но из-за отсутствия
эффективных накопителей электроэнергии приемлемых габаритов, массы
и стоимости обеспечить путевой пробег электромобиля, сравнимый с
пробегом автомобиля на одной заправке топливом весьма проблематично.
Кроме того, возникают экологические проблемы зарядки установленных
на электромобили накопителей электрической энергии и утилизации
отработавших накопителей.
Следует также отметить, что массовое использование чистых
электромобилей может внести определенные сбои в снабжении крупных
городов
электроэнергией.
Действительно,
если
положить
в
предварительном расчете среднюю энергоемкость аккумуляторов
электромобиля в 50 ампер-часов, а минимальное напряжение тягового
электродвигателя в 500 В, то при полной разрядке батарей в процессе
дневной эксплуатации (при среднем пробеге в 100 км) ночью потребуется
для зарядки аккумуляторов одного электромобиля 25000 ватт-часов, что
при парке электромобилей в 100 000 единиц, составит каждую ночь 2,5
млн. кВт-часов электроэнергии.
Наметившаяся тенденция для автомобилей с ГСУ частично
потреблять энергию от электросети города дают ее более
сбалансированное потребление.
ГНЦ РФ ФГУП НАМИ ведет работы, как по гибридным автомобилям,
так и по чистым электромобилям.
Заслуживают внимания последние разработки НАМИ в области
создания автобусов с комбинированными энергосиловыми установками с
использованием унифицированных модулей двигательно – генераторной
установки и электродвигательной установки.
Подобные работы ведутся еще некоторыми научными и проектными
организациями, но все они не находят пока должной поддержки ни у
государственных структур, ни у частных инвесторов.
В 2009 г. Тойота произвела 500 тыс. гибридных автомобилей всех
моделей. В 2011 г Тойота. намерена выпустить их более 1 млн. штук на
заводах как в Японии, так и на зарубежных. В Китае фирма ВУД в 2008 г.
начала производство гибридов. К концу 2011 г. в Китае надеются объем
выпуска гибридов довести до 500 тыс. штук.
Мировой парк гибридных автомобилей на 1.01.2010 г. насчитывает
более 2 миллионов единиц.
111
Наша задача - доказать, что деньги в период кризиса надо выделять на
новые разработки, каковыми в области автотранспорта безусловно являются
гибридные автомобили. Для России в настоящий момент наиболее
перспективными являются гибридные автобусы, гибридные грузовые
развозные автомобили и гибридная спецтехника для силовых структур.
УДК 681.2.002
РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ПОДВЕСКИ КАБИНЫ АВТОМОБИЛЯ
А.В. Победин, канд. техн. наук, проф., В.В. Шеховцов, д-р. техн. наук, доц.,
К.В. Шеховцов
Волгоградский государственный технический университет
В настоящее время в стране бурными темпами идет развитие
нефтегазового комплекса. Большая часть месторождений нефти и газа
расположена в Западной и Восточной Сибири, а также на Дальнем
Востоке. В регионах, где осуществляется добыча нефти и газа, транспорт
грузов часто осуществляется в условиях полного бездорожья. Кроме того,
эти регионы характеризуются суровыми климатическими условиями.
Поэтому для сооружения и эксплуатации магистральных нефте- и
газопроводов используются автомобили повышенной проходимости и
грузоподъемности. В связи с тем, что при передвижении по грунтовому
покрытию либо полному бездорожью на кабину автомобиля действуют
передающиеся от ходовой части нагрузки повышенной динамичности,
кабина должна обладать совершенной подвеской.
Выполнен анализ схем и конструкций технических решений упругодемпфирующих устройств для использования преимущественно в
подвеске кабины автомобиля, эксплуатируемого в условиях бездорожья.
Исходя из условий работы, наиболее подходящими для подвески
кабины автомобиля являются упруго-демпфирующие устройства со
следующими свойствами:
с высокой надежностью и долговечностью;
не требующие частого технического обслуживания и регулировок в
процессе эксплуатации;
сохраняющие постоянство упругих и демпфирующих свойств в
течение всего времени эксплуатации;
способные эффективно работать в диапазонах низких, средних и
высоких частот воздействий;
с автоматически адаптационно подстраивающейся под характер
воздействий упруго-демпфирующей характеристикой;
112
способные, кроме осевых, воспринимать боковые нагрузки и
эффективно гасить вертикальные, продольно-угловые и поперечноугловые колебания кабины.
Рассмотрены
конструкции
устройств
с
металлическими,
пневматическими упругими элементами и элементами из эластомеров, с
сухим и жидкостным демпфированием. В результате анализа разработана
классификация технических решений упруго-демпфирующих устройств, в
основу которой положены способы управления их упругими и
демпфирующими характеристиками.
В настоящее время этому списку требований наиболее полно
удовлетворяют
упруго-демпфирующие
устройства,
содержащие
комбинацию воспринимающих осевые и боковые нагрузки металлических,
резиновых, иногда пневматических упругих элементов, при формировании
упругой характеристики работающих параллельно или последовательно, и
комбинацию демпферов, также параллельно или последовательно
работающих при формировании демпфирующей характеристики.
Для изучения и целенаправленного формирования упругих и
демпфирующих характеристик колебательной системы подвески кабины
автомобиля разработана программа KOS. В первом варианте кабина
представлена одномассовой системой. В модели предусмотрен ввод линейной
или нелинейной зависимости между колебательной скоростью и силой
сопротивления колебаниям.
Исходные данные для исследования – подрессоренная масса, параметры
жесткости и демпфирования, зависимость между колебательной скоростью и
силой сопротивления – задаются оператором. Они могут соответствовать
параметрам конкретной или проектируемой подвески кабины. Предусмотрены
также расчетные исследования, экспериментально реализуемые на
кафедральном стенде для испытания упруго-демпфирующих устройств. В
результате расчетов получаются данные, характеризующие перемещения,
скорости и ускорения колебаний в каждый момент времени. Имеется
возможность получения данных и построения огибающих графиков
зависимости перемещений от времени. Программа предусматривает и
возможность изучения влияния на изменение собственной частоты колебаний
изменения подрессоренной массы и жесткости подвески. Возможно также
получение в каждый момент времени значения логарифмического декремента
и силы сопротивления колебаниям.
При исследовании линейной модели уравнения решаются алгебраически.
На рис. 1 для примера показано влияние на колебательный процесс изменения
подрессоренной массы, на рис. 2 – жесткости подвески, на рис. 3 – собственной
частоты и логарифмического декремента при изменении массы и жесткости.
Для нелинейной модели параметры колебаний получаются
интегрированием.
Степень
нелинейности
модели
определяется
113
показателем степени n зависимости силы трения от колебательной
скорости. Для нескольких частных случаев при n = 0., 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 и
3.0 значения эйлерова интеграла второго рода, получаемые
интегрированием, известны (табл. 1). Исследования нелинейной модели
выполняются для этих фиксированных значений n без интегрирования,
путем решения алгебраических уравнений.
m = 150 кг
m = 80 кг
0,1
0,08
0,06
0,04
Y, м
0,02
0
-0,02
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-0,04
-0,06
-0,08
-0,1
T, c
Рис. 1. Влияние изменения массы на колебательный процесс
С = 1500000 Н/м
C = 800000 Н/м
2000
1500
1000
Y, м
500
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
-500
-1000
-1500
-2000
T, c
Рис. 2. Влияние изменения жесткости на колебательный процесс
114
1
Таблица 1
Соответствие показателя степени n значению I
n
I
0
1,000
0,5
0,875
1,0
0,785
1,5
0,718
2,0
0,667
2,5
0,624
3,0
0,589
На рис. 3 показаны графики перемещения с огибающими при n = 0
(сухое, или кулоново трение) и n = 2.
Δ
26
0,25
25
0,24
24
0,23
23
0,22
22
0,21
21
0,2
20
1200000
1300000
1400000
1500000
1600000
1700000
Δ
ω, Гц
ω
0,19
1800000
С, Н/м
а)
А, м
Y, м
0,1
0,08
0,06
А, м
Y, м
0,04
0,02
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-0,02
-0,04
-0,06
Т, с
б)
Рис. 3. Процесс затухания колебаний и его огибающая при: а) n = 0; б) n = 2
На рис. 4 приведены графики изменения логарифмического декремента
при разных n, а также изменения силы трения при n = 0. По последнему
графику (рис. 5) для случая смешанного трения (n > 0) возможно для
каждого момента времени определить долю сухого трения (n = 0).
115
А, м
Y, м
0,1
0,08
0,06
0,04
А, м
Y, м
0,02
0
-0,02
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
-0,04
-0,06
-0,08
-0,1
Т, с
Рис. 4. Процесс затухания колебаний и его огибающая при n = 0
n=0
n = 0,5
n = 1,5
n=2
n = 2,5
n=3
0,09
0,08
0,07
А, м
0,06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Т, с
Рис. 5. Изменение логарифмического декремента при разных значениях n
Результаты и выводы
1. Анализ схем и конструкций упруго-демпфирующих устройств, способов
формирования их упругих и демпфирующих характеристик позволил
разработать новые, более совершенные технические решения упругодемпфирующих устройств, техническая документация для патентования
которых разрабатывается.
2. Разработанная программа позволяет эффективно проанализировать
влияние конструктивных параметров упруго-демпфирующего устройства
на его упругие и демпфирующие характеристики, тем самым обеспечивая
возможность оптимального проектирования.
3. Результаты расчетных исследований позволяют определить, при каких
конструктивных параметрах упруго-демпфирующие устройства подвески
кабины автомобиля наиболее полно отвечают комплексу эксплуатационных
нагрузок, характерных для движения в условиях бездорожья.
116
Библиографический список
1. Модели и средства концептуального проектирования виброзащитных систем / А. В.
Андрейчиков, Д. Е. Декатов, С. Ю. Кузнецов, И. Е. Егорова; ВолгГТУ. – Волгоград,
РПК «Политехник», 2004.
2. Колебания в технике: Справочник в 6 т. Т 1: Колебания линейных систем / Под ред.
В. В. Болотина. – М.: Машиностроение, 1999.
3. Виброзащита человека-оператора и вопросы моделирования [Сборник статей. Отв.
ред. К. В. Фролов] – М.: Наука, 1973.
4. Коловский М.З. Автоматическое управление виброзащитными системами. М.: Наука,
1976.
5. Виброизолирующие системы в машинах и механизмах [Сборник статей] / АН СССР, ГНИИ
Машиноведения [Отв. ред. М. Д. Генкин] – М.: Наука, 1977.
6. Карамышкин В.В. Динамическое гашение колебаний. – Л.: Машиностроение,
Ленингр. отд-е, 1988.
УДК 629.113
ОЦЕНКА СООТВЕТСТВИЯ
НАХОДЯЩИХСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОЦИСТЕРН
ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Б.В.Савельев, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Нефтепродукты (бензины, дизельное топливо, сырая нефть и т.д.)
являются опасными грузами класса 3 "легковоспламеняющиеся жидкости".
Объем перевозок нефтепродуктов значительно опережает перевозки других
опасных грузов. Для перевозки нефтепродуктов применяют в основном
автоцистерны – автомобили-цистерны, полуприцепы-цистерны и прицепыцистерны (далее автоцистерны для перевозки нефтепродуктов – АЦ).
По данным департамента обеспечения безопасности движения МВД России
за 2003-2008 гг. о дорожно-транспортных происшествиях (ДТП) с участием
транспортных средств, осуществляющих перевозки опасных грузов, наиболее
частыми участниками ДТП были транспортные средства с опасными грузами
класса 3. Доля ДТП с участием АЦ составляла до 95 % от общего числа ДТП
транспортных средств, осуществляющих перевозки опасных грузов (рис. 1).
Отчасти это отражает тот факт, что объем перевозок нефтепродуктов намного
превышает объемы перевозок других опасных грузов.
Распределение ДТП по типам транспортных средств (рис. 2)
показывает, что от 32 до 64 % ДТП совершают автомобили- и автопоездацистерны, что отражает тот факт, что наиболее распространенным
способом перевозки нефтепродуктов является перевозка в автоцистернах.
117
Доля ДТП, %
100
80
60
40
20
0
2003
2004
2005
2006
2007
Календарный год
2008
Рис. 1. Доля ДТП с участием транспортных средств,
осуществляющих перевозки опасных грузов класса 3 (нефтепродуктов)
70
Доля ДТП, %
60
50
- Автомобиль-цистерна;
- Автопоезд-цистерна;
- Прочие ТС
40
30
20
10
0
2003
2004
2005
2006
2007
Календарный год
2008
Доля ДТП, %
Рис. 2. Распределение ДТП с участием транспортных средств,
осуществляющих перевозки опасных грузов, по типам транспортных средств
80
70
60
50
40
30
20
10
0
- Опрокидывание
- Розлив груза
- Возгорание
2003
2004
2005
2006
2007
Календарный год
2008
Рис. 3. Распределение ДТП с участием АЦ по видам ДТП
118
Распределение ДТП с участием АЦ по видам ДТП (рис. 3) показывает:
1) чаще всего ДТП сопровождались частичной или полной утратой
перевозимого продукта (до 70 % всех ДТП с участием АЦ), вследствие:
- повреждения цистерны или ее арматуры в результате столкновений
(наездов) с другими транспортными средствами или опрокидывания АЦ;
- неисправности (негерметичности) лючков цистерны, дыхательных
устройств и пр. через которые происходила утечка груза при
опрокидывании АЦ;
2) вторым по частости (до 65 %) является ДТП с опрокидыванием АЦ,
которое, как правило, сопровождается розливом груза;
3) возгорания АЦ в результате ДТП не превышали 18 %, однако для
этого вида ДТП были характерны большие материальные потери (груз и
транспортное средство) и человеческие жертвы.
АЦ отличаются повышенной опасностью по отношению к
автотранспорту общего назначения, ДТП с участием АЦ отличаются
тяжелыми последствиями. По этой причине нормативные правовые акты
предъявляют к АЦ дополнительные технические требования.
Европейское соглашение о международной дорожной перевозке
опасных грузов (ДОПОГ [3]) предписывает проверки корпусов (цистерн) и
их оборудования:
- периодические – не позднее, чем через каждые 6 лет;
- промежуточные – не позднее, чем через каждые 3 года.
Промежуточные
проверки
предусматривают
испытание
на
герметичность корпусов (цистерн) вместе с их оборудованием и проверку
удовлетворительного функционирования всего оборудования. В случае
ремонта,
изменения
конструкции
или
дорожно-транспортного
происшествия цистерны (корпуса) и их оборудование подвергаются
внеплановым проверкам.
Кроме того, ДОПОГ [3] предписывает ежегодный технический осмотр
транспортных средств, осуществляющих перевозки опасных грузов, в том
числе АЦ, с целью проверки их соответствия общим правилам
безопасности (тормоза, освещение и т.д.) и дополнительным требованиям
части 9 ДОПОГ [3].
В
Российской
Федерации
к
транспортным
средствам,
осуществляющим перевозки опасных грузов только на территории
Российской Федерации, положения ДОПОГ не применяются [4].
Законодательство Российской Федерации не предусматривает проведение
периодических
проверок
технологического
оборудования
АЦ.
Поддержание надлежащего технического состояния технологического
оборудования АЦ полностью возлагается на собственников АЦ, и далеко
не всегда обеспечивается. Отсутствие централизованного контроля
позволяет недобросовестным перевозчикам эксплуатировать АЦ с
119
неисправным или некомплектным технологическим оборудованием, что,
принимая
во
внимание
масштабы
перевозок
нефтепродуктов
автомобильным транспортом, повышает вероятность возникновения
инцидентов, связанных с их перевозкой.
Отсутствие
контроля
технологического
оборудования
АЦ
целесообразно восполнить проверками его технического состояния в
рамках государственного технического осмотра (далее – ГТО).
Периодичность ГТО транспортных средств для перевозки опасных грузов,
включая АЦ, установлена дважды в год [6], т.е. в два раза чаще, чем
транспортных средств общего назначения, а также выше периодичности
технического осмотра, установленного ДОПОГ [3].
В соответствии с Правилами проведения ГТО [8] транспортные средства
проверяют на соответствии общим требованиям безопасности, которые
устанавливают ГОСТ Р 51709 и Основные положения [5]. К транспортным
средствам, осуществляющим перевозки опасных грузов, Правила проведения
ГТО [8] предписывают дополнительно применять положения Правил
перевозки опасных грузов автомобильным транспортом [7].
Дополнительные (по отношению к транспортным средствам общего
назначения) требования, которые указанные стандарт и нормативные
правовые акты предъявляют к АЦ, не затрагивают технического состояния
технологического оборудования АЦ (табл. 1), т.е. в отношении АЦ
являются явно не достаточными.
Таблица 1
Дополнительное оборудование АЦ,
требования к которым установлены нормативными правовыми актами,
включенными в перечень Правил проведения ГТО [8]
Нормативный Пункт
Объект регламентации
правовой акт
ГОСТ Р 51709 4.7.15 Комплектация огнетушителями
Основные 8
Опознавательный знак "Опасный груз"
положения [5]
16, 20 Проблесковый маячок оранжевого цвета
Правила
2.8.5 Опознавательные цвета цистерн (оранжевый) и
перевозки
предупреждающие надписи ("Огнеопасно")
опасных
4.1.2 Вынос выпускной трубы глушителя вперед.
грузов [7]
Защита топливного бака
4.1.4 Выключатель аккумулятора от электрической цепи
(привод в кабине водителя и снаружи транспортного средства)
4.1.5 Защита от статических и атмосферных электрических зарядов
на стоянке (металлические заземлительная цепочка и штырь)
4.1.7 Задний защитный бампер цистерны
4.1.9 Дополнительная комплектация
4.1.11 Установка информационных таблиц
120
Недостаточность требований к техническому состоянию АЦ можно было бы
устранить включением в утвержденный Правилами проведения ГТО [8] перечень
стандартов и нормативных правовых актов ГОСТ Р 50913. Применению
требований ГОСТ Р 50913 в полном объеме препятствует отсутствие
испытательного оборудования, которое можно было применять в рамках ГТО, т.е.
без демонтажа с АЦ, например для проверки цистерн на герметичность,
работоспособности дыхательных устройств, донных клапанов и пр.
Элементы технологического оборудования АЦ, требования к которым
могут
быть
проверены
без
инструментального
контроля
(органолептическим методом), сведены в табл. 2. Там же приведены
номера соответствующих пунктов ГОСТ Р 50913 и технического
регламента "О безопасности колесных транспортных средств" [9].
Таблица 2
Элементы технологического оборудования АЦ,
требования к которым (по ГОСТ Р 50913 и техническому регламенту [9])
могут быть проверены органолептическим методом
Объект регламентации
1 Наличие лестниц и площадок
2 Наличие дыхательного устройства
3 Наличие фильтра предварительной очистки на
всасывающем трубопроводе автоцистерны,
оборудованной насосом
4 Наличие фильтра тонкой очистки перед счетчиками
количества нефтепродукта
5 Наличие заглушек на патрубках наполнения
(опорожнения) цистерны
6 Размещение информационных таблиц
7 Наличие и конструкция ящиков для хранения
рукавов, наличие ящиков для укладки ЗИП.
Укомплектованность рукавов заглушками
8 Конструкция рукавов
9 Материалы (покрытие) присоединительных
устройств рукавов, патрубков, и заглушек к ним (не
создающие искр при ударе)
10 Запрет газобаллонного автомобиля
11 Наличие и конструкция отсека технологического
оборудование топливозаправщика
12 Наличие непрерывной относительно болта
заземления электрической цепи металлического и
электропроводного неметаллического оборудования,
трубопроводов
13 Защита топливного бака
14 Вынос выпускной трубы автомобиля
15 Число и емкость огнетушителей
121
Номер пункта
ГОСТ Р 50913 ТР (прил. № 6)
5.1.4.2
–
5.1.6.17
1.18.18
5.1.6.18
–
5.1.6.19
–
5.1.6.25
–
5.1.6.31
–
5.1.6.32
–
5.2.4
–
5.2.5
–
6.1
1.18.1
6.3
1.18.3
6.4
1.18.4.3
6.5
6.6
6.7
1.18.5
1.18.6
1.18.7
16
17
18
19
Дополнительная комплектация
Надписи "Огнеопасно"
Наличие проблескового маячка оранжевого цвета.
Защитная оболочка электропроводки, находящейся в
зоне цистерны и отсека с технологическим
оборудованием
20 Электрооборудование, устанавливаемое в отсеке
технологического оборудования
21 Наличие таблички с предупреждающей надписью:
"При наполнении (опорожнении) топливом
автоцистерна должна быть заземлена"
22 Наличие и конструкция донного клапана
Продолжение таблицы 2
6.9
1.18.9
6.10
1.18.10
6.11
1.18.11
6.12
1.18.12
6.13
1.18.13
6.14
1.18.14
6.18
1.18.16
ГОСТ Р 50913 устанавливает достаточно большое количество
объектов проверки технологического оборудования АЦ, которые можно
проводить органолептическим методом (см. табл. 2). С 23 сентября 2010 г.
вступает в силу технический регламент [9], который переводит требования
ГОСТ Р 50913 в разряд применяемых на добровольной основе.
Технический регламент (прил. № 6, разд. 1, подразд. 1.18), хотя и
повторяет в основном предписания ГОСТ Р 50913, но не в полном объеме,
ряд требований к технологическому оборудованию АЦ не включен в
технический регламент [9] (см. табл. 2). В частности не включено
требование ГОСТ Р 50913 (п. 5.1.6.17), предписывающее самозакрывание
дыхательного устройства при опрокидывании АЦ.
Кроме того, ряд положений технического регламента [9] неточно
сформулирован. Например, требование (прил. № 6, п. 1.18.1) "АЦ не
должны устанавливаться на транспортных средствах с двигателем,
работающем на газе" фактически означает, что транспортное средство с
кузовом-цистерной не должно устанавливаться на другое транспортное
средство, работающее на газе. Целесообразно уточнить предписания
технического регламента [9] в отношении АЦ и максимально
гармонизировать эти предписания с положениям гл. 6.8 ДОПОГ [3].
Одним из путей решения проблемы поддержания в эксплуатации
исправного состояния технологического оборудования АЦ может стать
создание специализированных пунктов технического осмотра. Создание
таких пунктов предусматривает:
1) разработку перечня объектов контроля в отношении
технологического оборудования АЦ, включая разработку дополнительной
(вспомогательной) диагностической карты;
2) разработку испытательного оборудования, позволяющего проводить
инструментальные проверки технического состояния и работоспособности
элементов технологического оборудования (герметичности цистерн, люков
цистерн, правильности работы дыхательных устройств и пр).
122
В настоящее время УГИБДД УВД Омской области совместно с
кафедрой "Автомобили и тракторы" СибАДИ проводит работу по
изучению возможности организации специализированного пункта
технического осмотра, созданию оборудования и методов проверки
технологического оборудования АЦ.
Библиографический список
1. ГОСТ Р 50913-96. Автомобильные транспортные средства для транспортирования и
заправки нефтепродуктов. Типы, параметры и общие технические требования.
2. ГОСТ Р 51709-2001. Автотранспортные средства. Требования безопасности к
техническому состоянию и методы проверки.
3. Европейское соглашение о международной дорожной перевозке опасных грузов
(ДОПОГ-2009): В 2-х томах. – Нью-Йорк, Женева: Издание ООН, 2008.
4. Наставление по техническому надзору Государственной инспекции безопасности
дорожного движения Министерства внутренних дел Российской Федерации. –
Утверждено приказом Министерства внутренних дел Российской Федерации от 7
декабря 2000 г. № 1240.
5. Основные положения по допуску транспортных средств к эксплуатации и
обязанности должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения. –
Утверждены постановлением Совета Министров – Правительства Российской
Федерации от 23 октября 1993 г. № 1090.
6. Положение о проведении государственного технического осмотра автомототранспортных
средств и прицепов к ним государственной инспекцией безопасности дорожного движения
Министерства внутренних дел Российской Федерации. – Утверждено постановлением
Правительства Российской Федерации от 31 июля 1998 г. № 880
7. Правила перевозки опасных грузов автомобильным транспортом. – Утверждены
приказом Минтранса России от 8 августа 1995 г. № 73.
8. Правила проведения государственного технического осмотра транспортных средств
Государственной инспекцией безопасности дорожного движения Министерства
внутренних дел Российской Федерации. – Утверждены приказом Министерства
внутренних дел Российской Федерации от 15 марта 1999 г. № 190.
9. Технический регламент "О безопасности колесных транспортных средств",
утвержденный постановлением правительства Российской Федерации от 10 сентября
2009 г. № 720
УДК 629.113
МЕТОД ВВЕДЕНИЯ ЖЕСТКОЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
И СРЕДСТВА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
А.Н.Торопов, А.В. Келлер, канд. техн. наук, доц., С.В. Ушнурцев,
С.В. Отегов, Д.Н. Бакин
Челябинское высшее военное автомобильное командно-инженерное училище
На современных автомобилях многоцелевого назначения (АМН)
наиболее распространен дифференциальный привод, обеспечивающий
123
автомобилю достаточно высокие эксплуатационные показатели. Однако
такому приводу присущи и серьезные недостатки, ограничивающие
возможность полной реализации тягово – скоростных свойств АМН. Анализ
конструкции дифференциалов, применяющихся на современных АМН
показал, что, ни один из существующих дифференциалов не обеспечивает
оптимального характера связи между колесами для всех условий движения.
Как показывает практика одним из эффективных методов обеспечения
подвижности АМН в условиях разбитых, размокших, заснеженных дорог, а
также при движении по бездорожью является метод введения жесткой
кинематической связи, который теоретически обеспечивает полную
реализацию сцепных возможностей ведущих колес. Вместе с тем, методу
введения жесткой кинематической связи присущи два существенных
недостатка: затрудненное введение жесткой кинематической связи в
процессе движения АМН, и перераспределение крутящим моментов
вследствие неизбежного кинематического несоответствия.
На АМН в настоящее время наибольшее распространение получила
принудительная механическая блокировка дифференциалов, которая
достаточно проста и надежна. Однако, заблокировать дифференциал
можно только на неподвижном автомобиле, вследствие чего, блокировка
используется
для
преодоления
временных
сопротивлений,
а
эффективность ее применения зависит от квалификации водителя. связи с
этим, предложены конструкции систем управления блокировкой
межосевого и межколесного дифференциалов (рисунки 1, 2). Алгоритм
работы объединенной системы представлен на рисунке 3.
Система управления блокировкой межосевого дифференциала (рисунок
1) содержит муфту 1 блокировки, установленную на валу привода переднего
моста и пневматический цилиндр 2 управления блокировкой, шток которого
связан с муфтой 1 блокировки, модулятор давления 3, соединённый
посредством пневмопроводов 4 с пневмоцилиндром 2 управления
блокировкой и пневмоцилиндром 5 управления подачей топлива двигателя
транспортного средства, блок управления 6, связанный посредством
электрических цепей 7 с датчиками частот вращения ведущих колёс 8 и 9, и
угла поворота рулевого колеса 10 и модулятором давления 3.
При движении машины по прямой на хорошей дороге колёса переднего
11 и заднего 12 мостов АМН вращаются синхронно, муфта 1 блокировки
межосевого дифференциала разблокирована, датчики 8 и 9 частоты вращения
передают в блок управления 6 данные о частотах вращения колёс, разность
которых не превышает допустимого значения, заложенного в программу блока
управления 6. Буксование колес того или другого моста приводит к
увеличению разности частот вращения колёс. В том случае если эта величина
превышает допустимые пределы, блок управления 6 передаёт управляющий
сигнал в модулятор давления 3, который подает воздух в пневмоцилиндр 5
124
управления подачей топлива двигателя, в результате чего уменьшается подача
топлива, снижается развиваемый двигателем крутящий момент, и как
следствие происходит уменьшение буксования колес, и выравнивание
угловых скоростей ведущих колес переднего 11 и заднего 12 мостов. После
выравнивания угловых скоростей блок управления 6 подает сигнал в
модулятор давления 3 для подачи воздуха в пневмоцилиндр 2 управления
блокировкой, который воздействует на муфту 1 блокировки межосевого
дифференциала, в результате чего происходит блокировка межосевого
дифференциала. При этом, вследствие равной скорости ведущих колес,
блокировка дифференциала происходит безударно.
Рис. 1.Система управления блокировкой межосевого дифференциала транспортного
средства (патент РФ на полезную модель №83043)
При повороте АМН, в блок управления 6 от датчика 10 поворота
рулевого колеса поступает сигнал, и в этом случае величина разности
угловых скоростей колёс переднего 11 и заднего 12 мостов, при которой
включается блокировка межосевого дифференциала увеличивается,
пропорционально увеличению угла поворота управляемых колёс, что
устраняет возможность блокировки дифференциала при повороте АМН.
Система управления блокировкой межколесного дифференциала
(рисунок 2) содержит муфту блокировки 4, установленную на полуоси и
пневматический цилиндр 3, шток которого связан с муфтой блокировки 4,
модулятор давления 5, соединённый посредством пневмопроводов 12 с
пневмоцилиндром 3 и тормозными камерами 1, 10 тормозной системы
125
транспортного средства, блок управления 6, связанный посредством
электрических цепей 13 с датчиками частот вращения ведущих колёс 2 и 7,
и угла поворота управляемого колеса 11, и модулятором давления 5.
Рис. 2. Система управления блокировкой межколёсного дифференциала
(патент РФ на полезную модель №82012)
При движении машины по прямой на хорошей дороге колёса
транспортного средства 8 и 9 вращаются синхронно, муфта блокировки
межколёсного дифференциала 4 разблокирована, датчики частоты
вращения полуосей 2 и 7 передают в блок управления 6 данные о частотах
вращения колёс, разность которых не превышает допустимого значения,
заложенного в программу блока управления 6. Буксование того или
другого колеса приводит к увеличению разности частот вращения колёс. В
том случае если эта величина превышает допустимые пределы, блок
управления 6 передаёт управляющий сигнал в модулятор давления 5,
который подает воздух в тормозную камеру буксующего, результате чего
начинается его торможение, и как следствие выравнивание угловых
скоростей ведущих колес, после выравнивания угловых скоростей блок
управления подает сигнал в модулятор давления для подачи воздуха в
пневмоцилиндр 3, который воздействует на муфту блокировки
межколесного дифференциала 4. При этом, вследствие равной скорости
ведущих колес, блокировка дифференциала происходит безударно.
При повороте АМН, в блок управления 6 от датчика поворота
управляемого колеса 11 поступает сигнал, и в этом случае величина
разности угловых скоростей колёс, при которой включается блокировка
126
межколёсного
дифференциала
увеличивается,
пропорционально
увеличению угла поворота управляемых колёс, что устраняет возможность
блокировки дифференциала при повороте АМН.
а)
б)
в)
Рис. 3. Алгоритм работы системы управления блокировками дифференциалов:
а – общий алгоритм; б – блокировки межосевого дифференциала;
в - блокировки межколесного дифференциала
УДК 629.113
ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ ПРОЦЕССА РЕКУПЕРАЦИИ
ЭНЕРГИИ НА АВТОМОБИЛЕ
С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
А.И. Филонов
МГТУ «МАМИ»
Рекуперацией называется процесс возвращения части энергии для
повторного использования в том же технологическом процессе. Этот процесс
возможен на автомобилях с гибридной силовой установкой (ГСУ). Гибридной
силовой установкой называется такая установка, которая включает в себя два
двигателя, получающих энергию из источников разных типов, как правило,
это двигатель внутреннего сгорания (ДВС) (первичный источник энергии),
127
питающийся углеводородным топливом, и электромотор с аккумуляторными
батареями (вторичный источник энергии). Автомобили с такими силовыми
установками принято называть гибридными. Использование ГСУ позволяет
повлиять на состояние вторичного источника питания, т.к. в нем возможна
регенерация энергии во время движения.
Существует несколько путей для рекуперации на борту автомобиля с
гибридной силовой установкой. При наличии двигателя внутреннего
сгорания, обладающего избытком мощности для движения, этот избыток
можно возвращать в батарею. Избыток энергии может образоваться при
движении автомобиля на постоянной скорости и даже при ускорении
автомобиля. Еще один резерв для пополнения запаса энергии – это
рекуперативное торможение. Именно процесс возвращения энергии при
торможении потенциально представляется основным источником для
пополнения недостатка энергии и устранения ее отрицательного баланса.
Дисбаланс энергии в автомобиле с гибридной силовой установкой может
возникнуть, например, при трогании автомобиля с места и его движении с
низкими скоростями только на электротяге, когда вторичный источник,
работая как электродвигатель, тратит больше энергии, чем впоследвии
возвращает, функционируя в режиме генератора.
Основными задачами при разработке систем рекуперации являются
следующие:
- правильный выбор накопителя энергии;
- определение наилучших параметров агрегатов ГСУ для увеличения
времени использования рекуперативного торможения с достаточной
эффективностью без вовлечения в работу фрикционных тормозов. Высокие
замедления при торможении способна обеспечить система рекуперации,
воспринимающая
большие
мощности,
следовательно,
создающая
значительный тормозной момент, что позволит автомобилю на некоторых
режимах замедляться только при помощи рекуперативного торможения.
- повышение эффективности рекуперации путем выбора рациональной
схемы ГСУ с минимальными потерями при преобразовании энергии из одного
вида в другой при ее передаче от источника к источнику. КПД
преобразований зависит от схемы примененной ГСУ. Выбранная схема
оказывает заметное влияние на эффективность процесса рекуперации.
В МГТУ «МАМИ» работы над рекуператорами энергии ведутся на
протяжении ряда лет. В 1988 году в лаборатории кафедры «Автомобили»
им. Е.А. Чудакова А.М Фироновым под руководством профессора В.В.
Селифонова были проведены теоретические и экспериментальные
исследования инерционных накопителей кинетической энергии –
маховичных накопителей. Был создан экспериментальный стенд и получен
ряд патентов. Результаты исследований показали, что применение
128
механического рекуператора энергии позволяет улучшить топливную
экономичность малого автобуса почти на 30%.
Применение маховичных накопителей исключает преобразования
энергии из одного вида в другой, что повышает КПД процесса
рекуперации. Эти накопители обладают большой удельной мощностью. Но
такие недостатки механических рекуператоров, как большие размеры,
необходимость применения бесступенчатой передачи, высокие требования
к безопасности и необходимость учета аэродинамических эффектов из-за
высокой скорости вращения маховика ограничивают возможности их
применения в системах рекуперации автомобилей.
В настоящий момент в рамках научно-образовательного центра
«Автомобили с гибридными силовыми установками» при МГТУ «МАМИ»
ведутся работы над накопителями электрической энергии –
аккумуляторными батареями. Гибридная силовая установка с данными
накопителями используется на автомобиле «МАМИ-ГСУ», созданном
сотрудниками центра (рис.1).
Рис. 1. Автомобиль «МАМИ-ГСУ»
В табл. 1 дана техническая характеристика автомобиля «МАМИ-ГСУ».
При использовании в системе рекуперации автомобилей с ГСУ
накопителей электрической энергии возникает ряд проблем, обусловленных
внутренними свойствами этих накопителей. При высоком уровне заряда
аккумуляторной батареи эффективность процесса подзарядки резко
снижается. Также невозможно заряжать батареи при низких скоростях
движения автомобиля из-за того, что при малой частоте вращения якоря
электромашины, работающей в режиме генератора, на возбуждение ее
обмотки тратится больше энергии, чем возвращается в батарею. Данные
ограничения влияют на величину тормозного момента, создаваемого
генератором. Их можно учесть с помощью весовых коэффициентов (рис. 2):
129
TРЕК W1 W2 TM
где Трек – тормозной момент, создаваемый генератором при рекуперативном
торможении, Tм – тормозной момент, который может создать генератор, W1 –
весовой коэффициент, учитывающий уровень заряда батареи, W2 – весовой
коэффициент, учитывающий скорость автомобиля.
Таблица 1
Техническая характеристика автомобиля «МАМИ-ГСУ»
Колесная формула
Масса, кг
снаряженная
электрокомпонентов
полная
ДВС
Макс. крутящий момент, Нм
Макс. мощность, кВт (л.с.)
Мин. удельный расход топлива, г/кВтч
Электрическая машина
Масса
Макс. крутящий момент, Нм
Макс. мощность, кВт
при частоте вращения вала, об/мин
Напряжение, В
Аккумуляторная батарея (тип)
Количество аккумуляторов
Масса общая, кг
Макс. емкость (при 3-х часовом разряде), Ач
Рис. 2. Весовые коэффициенты
130
4х2, 4х4
2140
340
2600
УМЗ-4518.10
200
73 (99.2)
300 (221)
трехфазная, асинхронная
100
280
35
2600
120
свинцово-кислотная
10
190
55
На автомобиле «МАМИ-ГСУ» установлены свинцово-кислотные
аккумуляторные батареи Optima YellowTop. Техническая характеристика
этих батарей представлена в табл. 2.
Таблица 2
Техническая характеристика аккумулятора Optima YellowTop
Напряжение, В
Конструкция
Емкость, Ач
Стоимость, $
Размеры, Д/Ш/В, мм
Масса, кг
13.8
Герметичная, необслуживаемая
55
285
254/172/198
20
На рис.3 можно видеть расположение батареи на борту автомобиля.
Рис. 3. Аккумуляторные батареи
Тип батарей также накладывает ряд ограничений на процесс
рекуперации. В нашем случае во избежание негативных эффектов,
связанных с разрушением батареи, ток при ее зарядке не мог быть больше
некоторого определенного значения. Это повлекло за собой уменьшение
мощности рекуперации. Кроме этого, батарея имеет ограничение
напряжения на терминальных выводах, превышение которого может
привести к ее разрушению (в нашем случае ограничение составило 160 В).
В связи с вышесказанным необходимо тщательно подходить к выбору
типа накопителя электрической энергии. Существует возможность
использовать в системе рекуперации помимо свинцово-кислотных другие
типы аккумуляторов, в том числе более перспективные никельметаллогидридные и литий-ионные, а также суперконденсаторы и
комбинации «суперкондесатор-батарея», «маховик-батарея».
131
Выбор аккумуляторной батареи базируется на анализе и сравнении
свойств и показателей аккумуляторов различных типов. Во-первых, при
проектировании гибридной силовой установки необходимо учитывать
удельные характеристики накопителей, такие как удельная энергия [Вт*ч/кг] и
удельная мощность [Вт/кг]. Для свинцово-кислотных аккумуляторов,
установленных на экспериментальном автомобиле «МАМИ-ГСУ» абсолютные
значения данных показателей сравнительно невелики, но их зависимость друг
от друга удовлетворительна – при увеличении удельной мощности, например, в
режиме зарядки, что требуется для обеспечения необходимой мощности
рекуперации, удельная энергия, т.е. способность запасать полученное
количество энергии, отнесенное к единице массы батареи, уменьшается
незначительно. Для никель-металлогидридных батарей данная зависимость
оптимальна – при увеличении удельной мощности в определенных пределах
удельная энергия почти не уменьшается. Это выгодно отличает данные
аккумуляторы от литий-ионных, у которых удельная энергия может
уменьшиться в несколько раз при незначительном увеличении удельной
мощности. Но этот недостаток в данном случае может компенсироваться
увеличением числа аккумуляторов в батарее, так как масса одного литийионного аккумулятора намного меньше, чем свинцово-кислотного и никельметаллогидридного. В итоге масса батареи может быть одинаковой у всех трех
типов аккумуляторов, а удельная мощность заметно отличаться.
Данный факт указывает на то, что при выборе накопителя необходимо
анализировать и другие показатели батарей, такие как: масса, стоимость,
освоенность в производстве, приспособленность к конкретным условиям
эксплуатации, величину жизненного цикла и т.д. Таким образом, при
разработке гибридной силовой установки для автомобиля «МАМИ-ГСУ»
выбор был сделан в пользу свинцово-кислотных аккумуляторных батарей,
потому что по стоимости, приспособленности к эксплуатации при низких
температурах и освоенности в производстве данные батареи заметно
отличаются в лучшую сторону от батарей других типов, а именно эти
показатели, при допустимых ограничениях по удельным мощности и
энергии,
были
определяющими
для
разработчиков.
Никельметаллогидридные и литий-ионные аккумуляторы имеют заметно большую
стоимость, к тому же массовое производство тяговых литий-ионных батарей
еще не освоено, при этом они требуют специальной системы подогрева при
эксплуатации в холодном климате, иначе их характеристики, к примеру,
емкость, при низких температурах заметно снижаются. Таким образом, в
перспективе разработчиками планируется установка на автомобиль с ГСУ
никель-металлогидридных батарей как наиболее удовлетворяющих всем
критериям оценки, кроме, пожалуй, стоимости.
Упомянутые выше комбинации батарей с маховиками и
суперконденсаторами также являются перспективными. Такое решение
132
позволяет избежать ограничений по мощности зарядки, накладываемое
батареей, так как в этом случае именно маховик или суперконденсатор
воспринимают большую мощность и сразу передают ее в батарею, которая
используется для хранения возвращенной энергии. В этом случае при
подзарядке исключена возможность ее разрушения.
Сотрудниками научно-образовательного центра были проведены
стендовые и дорожные испытания автомобиля с гибридной силовой
установкой. В ходе испытаний была выполнена оценка эффективности
работы системы рекуперации энергии торможения и ее влияния на
топливную экономичность автомобиля с гибридной силовой установкой.
Так как данный автомобиль имеет возможность накапливать энергию не
только во время торможения, а также в режимах разгона и равномерного
движения, это также было учтено при расчете расхода топлива.
Испытания проводились в соответствии с Правилами №83 по
европейскому городскому циклу ECE-15 (рис.4):
Рис. 4. Цикл ECE-15
На рис. 5 и 6 изображены фрагменты испытаний автомобиля «МАМИГСУ»:
Некоторые результаты испытаний представлены в табл. 3:
Таблица 3
Результаты испытаний
Выбросы вредных веществ, г/км
УАЗ-3153
МАМИ-ГСУ
СО
СН
СО2
17.8
5.3
3.43
1.51
383
211
133
Расход топлива, л/100 км
по
по
газоанализатору расходомеру
18.8
20.45
9.5
10.2
Рис. 5. Испытательное оборудование
Рис. 6. Стендовые испытания
Из табл. 3 видно, что применение гибридной силовой установки
значительно улучшает топливную экономичность и экологичность
автомобиля. Данная экономия топлива получена при отрицательном
балансе энергии, в среднем равном 300 кВт*c за цикл. С учетом норм
Правил №101 ЕЭК ООН для автомобилей с ГСУ эквивалентный расход
134
топлива с учетом этого дисбаланса составил 12.4 л/100км. Экономия
топлива при компенсации дисбаланса энергии получена за счет
выключения ДВС при замедлении, остановках и в начальной фазе разгона
автомобиля. Кроме этого, экономия обеспечивается рекуперацией энергии.
Этот процесс иллюстрируется табл. 4:
Таблица 4
Экономия топлива с учетом рекуперации
Рекуперация
торможении
Снижение расхода
топлива, л/100 км
Возвращенная
энергия, кДж
Доля возвращенной
энергии
при Подзарядка батареи Подзарядка батареи
при
равномерном во время разгона
движении
0.6
1.71
0.28
55.61
156.91
25.74
23
66
11
Табл. 4 демонстрирует возможности рекуперации на автомобиле
«МАМИ-ГСУ». Наибольшую долю возвращенной энергии дает
рекуперация при равномерном движении автомобиля в цикле, когда
двигатель внутреннего сгорания работает по характеристике минимальных
удельных расходов топлива, а значит с почти полностью открытой
дроссельной заслонкой, а избыток энергии направляется в накопитель.
Также небольшой вклад вносит и подзарядка батареи при разгоне
автомобиля в цикле, когда также образуется небольшой избыток энергии
при работе ДВС по характеристике минимальных удельных расходов
топлива. Рекуперация при торможении возвращает в батарею 23% энергии.
Но общая эффективность процесса рекуперативного торможения невелика.
Данный факт иллюстрирует табл. 5.
Таблица 5
Эффективность процесса рекуперации
Свободная кинетическая энергия при торможении, кДж
Энергия, возвращенная в накопитель при торможении, кДж
Эффективность, %
457.16
55.61
12
Как можно видеть из табл. 5, при торможении запасается лишь 12% от
всей кинетической энергии, которую теоретически можно было бы вернуть в
накопитель во время замедления. Это наглядно иллюстрирует график
зависимости мощности от времени при движении в цикле (рис. 7). На графике
зеленым цветом выделены зоны под кривой, соответствующие запасенной
энергии, а красным – та энергия, которую не удалось рекуперировать. Это
135
произошло из-за того, что процесс рекуперации невозможен при низких
скоростях движения (красные зоны выше горизонтальной прямой) и по
причине ограничения тока (а значит и мощности) зарядки во избежание
разрушения свинцово-кислотных батарей, установленных на автомобиле
(красные зоны ниже горизонтальной прямой).
Рис. 7. График зависимости мощности от времени
Тем не менее, результаты испытаний показали, что использование
рекуперации положительно влияет на топливную экономичность и
экологичность автомобиля, однако ее эффективность, в том числе на
автомобиле «МАМИ-ГСУ», относительно невысока. Поэтому для улучшения
этого показателя возможно провести ряд усовершенствований ГСУ, а именно:
- применить накопители энергии с высокими удельными
мощностными и энергетическими показателями;
- применить комбинированную систему накопления энергии,
состоящую из высокомощных конденсаторов и тяговых батарей;
- применить электроагрегаты с высоким КПД во всем скоростном и
силовом диапазоне;
- разработать алгоритм управления ГСУ, обеспечивающий высокий
КПД работы всех составляющих агрегатов.
В настоящее время ведется работа по модернизации гибридной
силовой установки с учетом полученных результатов.
136
УДК 629.113
КОНСТРУКТИВНЫЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
С РОТОРНО-ВИНТОВЫМ ДВИЖИТЕЛЕМ
В.А. Шапкин, д-р техн. наук, А.А. Кошурина, канд. техн. наук,
М.С. Крашенников,
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Роторно-винтовой движитель для транспортно-технологических
машин изготавливается в одном из двух основных типов исполнений.
Наиболее распространенный вариант исполнения – это двух роторный
движитель (рис.1.а ГПИ-66; рис.1.б ГПИ-16Р).
Рис. 1.а) ГПИ-66
Рис. 1.б) ГПИ-16Р
Подобный вариант исполнения
движителя, ставший уже
классическим, впервые применил еще в 1804 году американский инженермеханик Джон Стивенс (1749-1838). Он создал пароход, курсировавший по
р. Гудзон, с приводом от двух гребных винтов.
Вторым видом исполнения является четырех роторный движитель
(рис.2.а ГПИ-06; рис.2.б ГПИ-72).
Рис. 2 а) ГПИ-06
Рис. 2 б) ГПИ-72
137
Его отличие от предыдущего состоит в том, что движители в нем на
каждом из бортов разделены на два винтовых ротора с равными длинами,
вращающимися в разном направлении, поэтому эти части изготавливаются
с направлением навивки лопастей друг навстречу другу.
Машины с роторно-винтовым движителем не отличаются большой
скоростью передвижения, в среднем она составляет около 20 км/ч (40 км/ч
уже считается «рекордной»), но этот недостаток полностью оправдывается
высокой проходимостью в различных климатических условиях, в том числе и
в сложных условиях бездорожья, а также в условиях Сибири и Крайнего
Севера. Такой вездеход обладает высокими тягово-сцепными и
экономическими качествами и может свободно преодолевать непроходимые
болотистые участки, легко передвигаться по илистому грунту, по глубокому
снегу, плавать по воде со скоростью, недоступной для колесных и
гусеничных плавающих машин. Следует указать, что роторно-винтовые
машины не пригодны для езды по асфальтным покрытиям или по бетону, а
также могут нанести существенный экологический ущерб вдоль трасс своего
движения. И поэтому, не смотря на то, что такие машины имеют широкую
область применения, они не претендуют при этом на замещение собой
существующих типов движителей, а занимают свое место в ряду средств
передвижения вездеходной техники.
Одной из самых важных характеристик любого транспортного
средства является его управляемость. Рулевое управление роторновинтовыми машинами традиционно осуществляется за счет изменения
разности вращающих моментов на роторах, находящихся на разных
бортах машины. В некоторых случаях это приводит к полной потере
управляемости. Так, например, при выполнении поворота на снегу всего
небольшое рассогласование во вращающих моментах может за 1,5-2
секунды развернуть машину на 90 градусов. Подобное поведение вполне
можно охарактеризовать как неуправляемое (рис. 3).
Рис. 3. Схематичное изображение потери управления роторно-винтовой машины
при выполнении поворота
138
Недостатком приведенного рулевого управления роторно-винтовой
машиной является его неспособность обеспечить при относительно
больших скоростях достаточную устойчивость прямолинейного движения,
а при повороте обеспечить минимально возможные увод с траектории и
угол заноса (рис. 4).
Рис. 4. Схематичное представление поворота роторно-винтовой машины в общем виде
Все эти отклонения связаны также и с тем, что переход с одного
режима вращения роторов на другой при разгоне осуществляется
водителем вручную, а не автоматизировано. Следствием это является в
лучшем случае ступенчатое переключение скоростей, с трудом
осуществляемое вовремя вне условий испытания. Однако все
вышеперечисленные недостатки связаны не с самим принципом
регулировки параметров движения, а связаны с несовершенством
конкретных конструктивных и технических его реализаций.
При сравнении типовых исполнений роторно-винтового движителя
между собой, при прочих равных условиях и наиболее обобщенно, можно
отметить следующее:
1. Двух роторные машины менее критичны к небольшому (до четверти
длины) смещению центра тяжести, чем четырех роторные; боковой увод у
двух роторных машин меньше;
2. При малой скорости движения (порядка 1-3 км/ч)
по снегу с
3
3
плотностью от 0,25 т/м до 0,5 т/м двух роторные машины имеют более
линейную зависимость угла поворота от разности вращающих моментов
(более управляемы) по сравнению с четырех роторными. Также при таких
скоростях движения и при одинаковой разности вращающих моментов
двух роторные машины будут поворачивать на больший угол;
3. С ростом скорости движения преимущество двух роторных машин
уменьшается и при скорости около 5 км/ч угол их поворота уже будет
меньше, чем у четырех роторных;
139
Таким образом, исходя из вышеперечисленного, получаем, что в качестве
транспортных машин, у которых в процессе эксплуатации изменяется центр
тяжести, рационально использовать двух роторные машины и использовать
их при относительно небольших скоростях движения.
В свою очередь четырех роторная машина будет наиболее пригодной
для выполнения технологических и иных операций, где требуются более
высокие скорости передвижения, и существуют строгие требования к
выполнению задач в сложных условиях эксплуатации.
Выводом из этого следует вопрос о возможности объединения
достоинств существующих исполнений роторно-винтового движителя в
одном движителе, путем разработки на их основе нового перспективного
исполнения. Для дальнейшего его использования в создании
универсального
транспортно-технологического
средства
с
характеристиками, превосходящими предыдущие решения, а также
имеющего более широкую область своего рационального применения.
При создании роторно-винтового движителя проектировщики
задавали количество роторов, величину их диаметра, длину базового
цилиндра ротора, конструктивные параметры винтовой лопасти (высоту,
форму в поперечном сечении, угол навивки и ее направление) и т.д. В
данной работе предлагается рассмотреть иное соотношение длин базовых
цилиндров роторов в четырех роторном движителе и оценить
целесообразность возможного применения подобного исполнения (рис. 5).
Рис. 5. Предлагаемое исполнение роторно-винтового движителя
Предполагается, что такое решение, наряду с его простотой реализации и
экономичностью изготовления, сможет вобрать в себя все преимущества
вышеперечисленных типовых исполнений роторно-винтовых движителей,
добавив к тягово-сцепным качествам двух роторных скоростные качества
четырех роторных. Однако применение ротора с более короткой передней
частью будет означать сосредоточение управляющих механизмов спереди
машины, а так как роторно-винтовые машины при встрече с препятствием
(например, выходом на лед) воспринимают нагрузку лобовой частью, то это
может повлечь за собой выход машины из строя. И поэтому четырех роторный
140
движитель с более короткой задней частью может оказаться более надежным в
эксплуатации. Также одним из достоинств предлагаемой новой схемы
исполнения движителя является возможность создания дополнительного
управляющего воздействия на машину (поворот передних или задних
коротких частей четырех роторного движителя в зависимости от нужного
направления движения).
Основная сложность создания подобной конструкции состоит, прежде
всего, в определении оптимального соотношения длин частей ротора и
определении рационального режима работы передних и задних частей при
вождении. Все это позволит вездеходам на роторно-винтовом ходу
расширить круг своего применения.
СЕКЦИЯ 4
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ
И ПРОЦЕССЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
УДК 621.777
РАСЧЕТ ДЕФОРМАЦИОННОЙ ПОВРЕЖДЕННОСТИ ФЛАНЦЕВ
СО СФЕРИЧЕСКИМИ И КОНИЧЕСКИМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ
А.А. Александров, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Необходимым условием создания и успешной реализации
конкурентоспособных
технологий
на
основе
эффективных
конструкторских и технологических решений является нахождение и
применение оптимальных параметров и режимов обработки материалов
при изготовлении деталей
Известно, что одним из ограничений к применению малоотходных
технологий холодной объемной штамповки для получения изделий
является ресурс пластичности металла. В данной статье приведена
математическая модель процесса поперечного выдавливания фасонных
фланцев
со
сферическими
(коническими)
поверхностями.
С
использованием обобщенных показателей напряженно-деформированного
состояния металла на кромке фланца получены выражения, позволяющие
рассчитывать деформационную поврежденность металла, прогнозировать
исчерпание ресурса его пластичности, находить оптимальные параметры
инструмента для повышения предельной пластичности выдавливаемого
металла и получения качественных изделий.
Схема процесса представлена рис. 1.
141
Vо
RT
Ro
1
0
ρ
h0
2
Примем
кинематически
возможное
поле
скоростей,
удовлетворяющее гипотезе плоских
сечений. При этом радиальная
составляющая
скорости
перемещения частицы в зоне
фланца задается в виде V 3 f ( ) ,
и
определяется
из
условия
постоянства объема
V 3 0,5 V0 R02 / hT , (1)
3
где
V0 – скорость движения
hT
z2
пуансона; R0 – внутренний радиус
контейнерной части матрицы; –
RT θ1
текущий
радиус
сферических
поверхностей
матрицы
и
RT
z3
контрпуансона; hT – текущая высота
зазора, а z1 и z2 – ординаты
θ2
Рис. 1. Схема процесса
соответственно верхней и нижней
выдавливания сферических
границ
боковой
поверхности
z4
фланцев
фланца; R1 и R2 – радиусы
z
сферических поверхностей матрицы
и контрпуансона соответственно.
Составляющие
скорости
деформации
находятся
из
дифференциального уравнения несжимаемости среды Z 0 .
z1
V / V / 0.5 [V0 R02 (1 / C 2 1 / C1 )] / hT2 ,
V
V
, Z Z 0.5 V0 R02 1 / C 2 1 / C1 / hT2 ,
z
где C1 R12 2 , C2 R22 2 .
Интегрируя (1), с учетом граничных условий:
VZ3=V3 tgθ1 при z1= z3 –R1 cos θ1 ;
VZ3=V3 tgθ2 при z2= z4 –R2 cos θ2 ,
где tgθ1 = tg(arcsin ρ/R1)=ρ/C1 , tgθ2 = tg(arcsin ρ/R2)=ρ/C2,
находим осевую составляющую скорости перемещения частиц металла во
V tg1 z 2 V tg 2 z1
z
z
фланце VZ 3
1 V tg1 .
z 2 z1
z1
z1
Экспериментально
установлено
[2],
что
разрушение
при
выдавливании такого вида изделий является область кромки, прилегающая
142
к поверхности матрицы. Поэтому дальнейший расчет ведется для
траектории, совпадающей с образующей матрицы.
Величина составляющей скорости деформации сдвига Z вдоль
указанной траектории описывается выражением
V 2 1
1 C 2
( M ) VZ
.
Z
1
2
C
h
C
C2 2
T
1
Интенсивность скоростей деформации сдвига
H 2 [( ) 2 ( Z ) 2 ( Z ) 2 ] / 3 2Z ,
2
2
C3
1 C3
2 V
0.25 2
S
S
C1
2
1 1
C1
1
C ,
C
S
2
1
где С3 1 / С 2 1 / С1 .
Выразим линейные размеры, определяющие форму фланца, через R0:
K = / R0 ; S = S3 / R0 ;
= h0 / R0 .
Показатель деформированного состояния – степень деформации сдвига
2
2
1 C3
C3 2 1
2
C
3 R0 dK .
C C
C
2
C
1
1
1 1
1
В качестве показателя напряженного состояния, являющегося
критерием жесткости схемы деформирования, принято относительное
гидростатическое давление /T ( - гидростатическое давление; T –
интенсивность касательных напряжений).
Из уравнения связи осевых компонент напряжений и деформаций для
несжимаемого материала 2 T / H , с учетом граничного
K
R
H ( K ) 0 dK
V
1
K
условия на кромке фланца ( = 0), находим, что
T
1 / C3 / C1
2 .
.
2
T
H
2
2
С3 / С1 С3 / С1 0.5 / С1 1 / C1 C3
При аппроксимации диаграммы пластичности в интервале изменения
показателя напряженного состояния / T (от +1,0 до –1,0) линейными
функциями предельная степень деформации сдвига P представляется в
виде P A B / T , где A и B – коэффициенты аппроксимации,
Считая, что характер исчерпания ресурса пластичности в каждый
момент процесса деформирования зависит практически от соотношения
/P, то предельное значение коэффициента выдавливания KП можно
определить из условия, что поврежденность металла на кромке фланца
143
KП
H ( K ) R0
dK =1.
V
/
T
(
K
)
p
1
Полученные формулы позволяют рассчитывать поврежденность
металла и прогнозировать возможность появления трещин на кромке
фланца при холодном поперечном выдавливании фланцев со
сферическими поверхностями.
С применением вышеописанной методики к расчету предельной
деформируемости металла при выдавливании конических фланцев (схема
процесса на рис. 2) получены следующие выражения для определения P и KП.
Предельная степень деформации сдвига
p A 2 B ( S K m) / M ,
где M = (4+ctg2)(S - Km) + 4KSm; m=ctgα-ctgβ.
Предельное значение коэффициента выдавливания KП находится из
условия:
KП
1
M /K S ( A
M 2 B ( S K m) dK 0 .
1
На рис. 3 приведены расчетные зависимости предельного
коэффициента
выдавливания
от
геометрических
параметров
формообразующего инструмента для алюминиевого сплава АВ (авиаль).
Сравнение теоретических расчетов и экспериментальных данных по
предельной деформируемости металла показывает (рис. 4) их хорошее
соответствие.
Рис.2. Схема процесса выдавливания конических фланцев
144
Рис.4. Зависимости Кп от угла α
Рис.3. Зависимость Кп от параметров
α и λ (сплав АВ) при β = 90о
и величины λ при β = 90о
расчет (––––), эксперимент (– – –)
Библиографический список
1. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформация, разрушение / В.Л. Колмогоров. – М.:
Металлургия, 1970. – 230 с.
2. Евстифеев В.В. Устойчивость деформирования в процессах выдавливания изделий с
коническими поверхностями / В.В. Евстифеев // Омский научный вестник. – 1998.– №2.
– С. 49-55.
УДК 621. 777
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ
ВОЛОКНА ПРИ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ЗАГОТОВКИ
А.А. Александров, канд. техн. наук, доц., А.И. Ковальчук, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Для изделия, работающего в условиях циклических и динамических
нагрузок, одной из важных характеристик его эксплуатационных свойств
является направление и форма волокон. Известно, что расположение
последних по сечению детали может существенно влиять на усталостную
прочность, ударную вязкость, износостойкость и т.д. [1, 2]. Возможность
создания изделий с заданной волокнистой структурой в полной мере
относится к получению их методами обработки металлов давлением.
В данной статье на примере процесса волочения (прессования) полосы
через симметричную клиновую матрицу описан графический метод
расчета направления волокон в деформированной заготовке. Ввиду
симметрии на рис.1 изображена половина схемы процесса, а на рис. 2 –
соответствующий ей годограф скоростей. Деформируемая полоса
145
представлена в виде трех зон. Очаг пластической деформации представлен
в виде треугольной зоны 2.
Основные приемы построений с использованием годографа скоростей
покажем на изменении положения сечения, которое в исходном положении
(до деформации) перпендикулярно к оси симметрии (рис. 3).
Для определения положения сечения во второй зоне в плоскости
годографа (рис. 3а) проводятся две прямые – одна из полюса годографа
скоростей параллельно вектору V1-2, а другая из конца вектора скорости 1
блока V1 перпендикулярно к этому вектору до их пересечения. Соединяя
точку M пересечения этих прямых с концом вектора V2, получаем линию,
показывающую положение сечения в очаге деформации.
Для определения положения сечения на выходе из матрицы
проводятся две прямые – одна из полюса годографа скоростей параллельно
вектору V2-3, а другая из конца вектора скорости 2 блока V2 параллельно
найденному положению (направлению) волокна в очаге деформации до их
пересечения в точке N. Соединяя эту точку с концом вектора V3, находим
искомое положение сечения на выходе из матрицы.
Таким образом, определяется поворот сечения при прохождении двух
линий сдвига.
Рис. 1. Схема процесса
а)
Рис. 2. Годограф скоростей
б)
Рис. 3. Построение изменения положения сечения (волокна):
а) в плоскости годографа скоростей; б) в физической плоскости (на схеме процесса)
146
На рис. 4 показана поэтапная деформация квадратной ячейки и вписанной
в неё окружности, которые после прохождения линий сдвига между зонами 12 и 2-3 преобразуются соответственно в параллелограмм и в эллипс.
Рис. 4. Деформация квадратной ячейки (окружности) при прохождении линий сдвига
Последовательность построения изменения формы элементарной
квадратной ячейки А1В1С1D1 показана на рис. 5. Отметим, что при
использовании
нижеследующих
приёмов
построения
площадь
деформируемой ячейки не изменяется, следовательно, условие
постоянства объема строго выполняется.
Через точку А1 (рис. 5а) проводятся две линии – L1 и L2. Линия L1
параллельно направлению скорости V2, а линия L2 параллельно отрезку
MN (рис. 3а), определяющему направление сечения во 2 зоне. Затем из
точек В1 и D1 проводятся линии L3 и L4 параллельные отрезку ОМ до
пересечения с линиями L1 и L2 проходящими через точку А1. Точки их
пересечения обозначены как B2 и D2. Затем через точки B2 и D2 проводятся
линии L5 и L6 параллельные отрезку MN и направлению скорости V2
соответственно. Они пересекаются в точке С2. Соединяя все найденные
точки (точки А1 и А2 совпадают), получаем параллелограмм А2В2С2D2,
представляющий вид деформированной элементарной ячейки после
прохождения линии сдвига между зонами 1 и 2.
а)
б)
Рис. 5. Построение искажения элементарной ячейки: а) во 2 зоне; б) – в 3 зоне
147
Аналогичным образом, можно получить вид деформированной
элементарной ячейки после прохождения линии сдвига между зонами 2 и 3
(рис. 5б). Для этого через точку В2 проводятся линия L8 параллельно
направлению скорости V3, а линия L7 параллельно отрезку, определяющему
положение сечения в 3 зоне (рис. 3а). Из точек А2 и В2 проводятся линии L9 и
L10 параллельные отрезку ОN до пересечения с линиями L7 и L8. Точки их
пересечения обозначены как А3 и С3. Затем через найденные точки А3 и С3
проводятся линии L11 и L12 параллельные линиям L7 и L8. Их пересечение
дает точку D3. Соединяя все найденные точки (точки B2 и B3 совпадают),
получаем искомый параллелограмм А3В3С3D3.
Далее по найденным параллелограммам соответственно устанавливаются
параметры соответствующих эллипсов и рассчитываются деформации.
Применение предложенных приемов определения деформации сетки и
направления волокна непосредственно на годографе скоростей упрощает
вычисления, а также показывает более широкие расчетные возможности
данного метода в сравнение с известным методом построения линий тока и
искажения прямоугольной сетки [3].
Исходя, из вышеизложенного заключим, что предложенный
графический метод позволяет эффективно рассчитывать деформированное
состояние по сечению заготовки и может быть использован для
квалифицированной оценки расположения волокон в штампованном
изделии на этапе разработки технологии.
Библиографический список
1. Фельдман Г.Д. Холодное выдавливание стальных деталей. М.: Машгиз, 1963. 188 с.
2. Воронцов А.Л. Расчет направления волокон в стенке выдавленных полых изделий //
Вестник машиностроения. 2005. №10. С. 63-66.
3. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов. М.: Металлургия,
1972. 408 с.
УДК 621. 735. 043
ПОСТРОЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ХОЛОДНОГО ВЫДАВЛИВАНИЯ
В.В. Евстифеев, д-р. техн. наук, проф., А.А. Александров, канд. техн. наук, доц.,
В.Г. Азаров, канд. техн. наук, доц., И.С. Лексутов, преподаватель,
К.Н. Пантюхова, преподаватель *
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
*Омский государственный технический университет
Технологии холодной объемной штамповки (ХОШ) с полным
основанием относятся к малоотходным. Опыт отечественных и
148
зарубежных фирм показывает, что при изготовлении изделий ХОШ почти
вдвое сокращаются расходы материала и электроэнергии, уменьшается, а
иногда полностью исключается, доработка резанием.
В то же время внедрение процессов холодного деформирования
требует относительно высоких расходов на опытно-конструкторские
работы и изготовление деформирующего инструмента.
ХОШ характеризуется многообразием вариантов технологических
схем пластического деформирования, которые зависят от свойств
деформируемого металла, геометрии детали, необходимости обеспечения
определенных эксплуатационных характеристик, программы выпуска,
типа используемого оборудования.
Эффективность
технологических
процессов
определяется
максимальным коэффициентом использования металла, минимальным
количеством операций формоизменения и последующей механической
обработки, относительно небольшими удельными силами деформирования.
Ниже показаны технологии, отвечающие этим показателям,
разработанные специалистами МГТУ «МАМИ», НИИТАвтопрома,
ОмГТУ, СибАДИ, [1].
При отработке технологии штамповки ниппеля (рис. 1а) выбраны
операции формирования ступенчатой полости обратным выдавливанием и
высадки головки, что обеспечивает высокую стойкость инструмента и
небольшой отход материала при отрезке исходной трубной заготовки.
Выдавливание детали «Гайка» (рис. 1, б) из заготовки диаметром 36 мм
(степень деформации 70%) требует изготовления инструмента из твердых
сплавов или быстрорежущих сталей. Вопрос повышения стойкости решается
при использовании операций контурной осадки (рис. 1, 2), когда при
определенных соотношениях размеров исходной заготовки высота отростка
остается равной высоте заготовки (рис. 1, 1), и вытяжки-свертки (рис. 1, 3).
Механическая доработка состоит в нарезании резьбы и торцовке.
В случае выдавливания детали «Крышка» (рис. 2) за счет подбора
диаметра исходной заготовки (32 мм) удалось добиться того, что
формирование стенок полой части и многогранного отростка завершается
одновременно (то есть в условиях комбинированного выдавливания).
Для штамповки выдавливанием деталей с многогранной наружной
поверхностью обоснован выбор формы заготовки в виде цилиндра с
усеченным конусом (или двумя) или «недозаполненного многогранника» с
усеченным конусом с целью оформления ребер по всей высоте [2]. Такая
форма части заготовки, предназначающейся для формирования полой
многогранной части детали, используется при штамповке штуцеров,
накидных гаек с коническим хвостовиком и др.
149
1
2
3
а)
б)
Рис. 1. Технологические переходы штамповки ниппеля (а) и гайки (б):
1 – заготовка; 2 – осадка контурная; 3 – вытяжка-свертка
1
2
3
Рис. 2. Технологические переходы штамповки детали «Крышка»: 1 – осадка;
2 - выдавливание комбинированное; 3 – вытяжка с утонением
При рассмотрении вариантов технологий штамповки фасонных деталей
следует в первую очередь рассматривать варианты со способами
комбинированного выдавливания, так как последние выполняются при
относительно небольших удельных деформирующих силах. Именно этот
принцип использован при разработке технологии выдавливания детали «Гайка»
(рис. 4). Можно рекомендовать также способы комбинированного выдавливания
стержневых и полых деталей с использованием способов а, в (рис. 5) в условиях
мелкосерийного производства и способов б, г (рис. 5) во всех других [3].
В некоторых случаях
(проверка технологий с использованием
операций со сложной кинематикой течения металла) необходимо
проводить опытную штамповку для определения текущего и конечного
формоизменения, что увеличивает стоимость проектирования. Но в
настоящее время ее можно заменить численными экспериментами при
помощи системы автоматизации моделирования процессов холодной
объемной штамповки [4].
150
Рис. 3. Технология выдавливания гайки колесной: 1 – осадка- калибровка заготовки;
2 – формовка цилиндроконической заготовки; 3 – полуфабрикат перед заключительным
переходом штамповки
Рис. 4. Переходы выдавливания детали «Втулка»: 1 - выдавливание
комбинированное; 2- деталь
Рис. 5. Схемы инструментов для одновременной штамповки двух деталей
в условиях комбинированного выдавливания: 1 – пуансон; 2 – матрица;
3, 4 – заготовки; 5 – контрпуансон
151
Покажем возможности моделирования на примере оценки
формоизменения при выдавливании опоры шаровой (рис. 6 б) из трубной
заготовки. Задача решалась в осесимметричной постановке, при этом
сферическая поверхность инструмента аппроксимировалась (рис. 7а)
двадцатью отрезками прямых линий.
В процесс моделирования изменялись размеры заготовки (высота
кольцевой заготовки H и её толщина L): 10 и 5 мм; 10 и 4,5 мм; 9 и 5 мм.
а)
б)
Рис. 6. Технология выдавливания детали «Опора шаровая»: а – заготовка (без
указания высоты и толщины стенки перед имитационным моделированием); б - деталь
Построение зависимостей изменения размеров заготовки от хода
пуансона происходило автоматически за счет считывания координат точки
на пересечении верхней торцовой и наружной поверхностей, а также точки
на внутренней поверхности на уровне основания детали (рис. 7б).
По графикам (рис. 8) видно, что в третьем случае размеры
выдавленного полуфабриката при ходе пуансона 6,0 - 6,5 мм наиболее
близки к размерам детали (с учетом растачивания отверстия до диаметра
36 мм).
На рис. 9 и рис 10 представлены схемы инструментов
для
одновременной высадки утолщений на двух заготовках. В первом случае
заготовки 2 и 4 устанавливаются в матрицы 1 и 3 параллельно друг другу
на расстояниях между осями, обеспечивающих при совместной высадке
контакт по плоскости, образующей грани (лыски) на каждой головке (б);
таким образом исключаются операции фрезерования или обрезки (в). Во
втором случае обеспечивается высадка полок (меньшей или большей
толщины, чем толщина исходных заготовок) на плоских заготовках [5].
Детали типа конических стаканов возможно выдавливать только по
схеме прямого выдавливания [7]. При этом должны быть обеспечены
условия, когда радиальные и тангенциальные напряжения на кромке –
сжимающие.
152
L
P
H
а)
Пуансон
сфера
∅40
H
L
Матрица
б)
Рис. 7. Картина формоизменения кольцевой заготовки при автоматизированном
моделировании: а) до деформирования; б – в процессе деформирования
153
H, L (мм)13
H1
12
H2
11
H3
10
9
8
7
L1
6
L3
5
L2
4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Ход пуансона
Рис. 8. Изменение высоты и толщины (по нижнему торцу) поковки
для трех соотношений размеров исходной заготовки
а)
б)
в)
Рис. 9. Инструмент и детали, высаживаемые при встречном движении матриц
154
Рис. 10. Схема одновременной высадки полок: 1 – пуансон; 2, 3 – заготовки;
4 - матрица
а)
б)
Рис. 11. Конический стакан, выдавленный по схеме прямого выдавливания в
суживающуюся щель: а) деталь (штамповка); б) заготовка исходная
Библиографический список
1. Евстифеев В.В. Научное обоснование, обобщение и разработка прогрессивных
технологий холодной объемной штамповки / Дис. …докт. техн. наук. М.: МГТУ
им. Н.Э. Баумана,1994. 482 с.
2. Евстифеев В.В. Исследование кинематики течения металла и силового режима при
холодной штамповке полых многогранных деталей / Дис. … канд. техн. наук. М.:
МАМИ, 1969. 197 с.
3. Азаров В.Г. Исследование одновременного выдавливания двух заготовок / В.Г.
Азаров, В.В. Евстифеев // Анализ и синтез механических систем: Сб. науч. тр. Омск:
ОмГТУ, 1998. С. 80 – 83.
4. Евстифеев В.В. Проектирование, анализ и расчет процессов холодной объемной
штамповки / В.В. Евстифеев, А.А. Александров, И.С. Лексутов. Омск: СибАДИ, 2009. 184 с.
5. Патент РФ № 2227989 МПК В21D 22/02, В21J 5/08. Способ изготовления Г –
образных деталей / Евстифеев В.В., Пантюхова К.Н. 20.06.2006. Бюл. № 17. 4 с., ил.
6. Евстифеев В.В. Прогнозирование возникновения дефектов на стадии разработки
технологии холодной высадки / В.В. Евстифеев, А.А. Александров, И.С. Лексутов, К.Н.
Пантюхова // Матер. III Междунар. технологич. конгресса «Военная техника,
вооружение и технологии двойного применения». Омск: ОмГУ, 2005. Ч. I. С. 124 – 125.
7. Евстифеев В.В. Методика построения геометрии инструмента при холодном
выдавливании конических стаканов / В.В. Евстифеев, Г.П. Подколзин // Кузнечноштамповочное производство, 1978. № 3. С. 11-13.
155
УДК 621.074
НОВЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
В.В. Естифеев, д-р. техн. наук, проф., В.И. Гурдин, канд. техн. наук, проф.,
В.В. Седельников, канд. техн. наук, А.В. Бердюгин, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Непрерывное обновление и совершенствование машин и приборов,
применяемых в современном машиностроении, требует создания
материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Особая роль в их
разработке отводится методам порошковой металлургии, которые
являются энерго- и ресурсосберегающими. Во многих случаях они могут
обеспечивать уникальные свойства за счет возможности соединения
различных компонентов композиционных материалов (КМ), обладающих
разными физико-механическими свойствами.
Наиболее широко применяются КМ из спеченных железных
порошков. Повышение плотности и механических свойств изделий из
спеченных порошковых КМ достигается за счет применения высоких
давлений уплотнения, легирования матрицы КМ, прессования с
применением специальных способов получения материалов и изделий
(горячее статическое и динамическое прессование, повторное прессование
и т.д.) Однако эти методы повышают энергоемкость процессов, а
значительная часть получаемых материалов и изделий характеризуется
большей или меньшей остаточной пористостью. Применение жидкой
фазы, образующейся в прессованном изделии в результате плавления
более легкоплавкой составляющей или контактного плавления
легирующих добавок между собой (или в паре с основным компонентом
при нагреве и последующем жидкофазном спекании), не позволяет
получать изделия с минимальной усадкой.
Увеличение плотности прессовки может быть достигнуто
инфильтрацией предварительно спеченного каркаса более легкоплавким
компонентом (пропитывающим сплавом). Композиционные материалы,
полученные методом пропитки сплавами определенного химического
состава и последующего жидкофазного спекания, могут обеспечить
высокие эксплуатационные свойства изделий.
Повышение конкурентоспособности продукции автомобилестроения
требует создания новых материалов, обладающих высоким уровнем
механических свойств и высоким сопротивлением термомеханической
усталости, а также новых, более совершенных способов получения КМ.
156
Важную роль в решении этой задачи играют армированные КМ со
спеченной металлической порошковой матрицей, имеющие высокое
сопротивление усталостному разрушению. При получении материалов,
армированных металлическими волокнами, необходимо обеспечить
прочную связь на границе раздела фаз «волокно – матрица»,
обеспечивающую передачу нагрузки на волокна. При жидкофазном
спекании создаются условия для сближения поверхностей частиц
пропитывающего сплава с поверхностью волокон на достаточно малые
расстояния и образования химической связи между этими фазами.
Совершенство гетерогенной структуры материалов, определяющее
термомеханическую стабильность КМ, может быть достигнуто за счет
совмещения процессов пропитки и легирования компонентов КМ при
жидкофазном спекании. Поэтому проблема создания КМ на основе
спеченной железной матрицы, имеющих высокие механические и
теплофизические свойства, является актуальной и представляется важной в
теоретическом и практическом отношениях.
В данной работе представлено одно из возможных решений указанной
проблемы, которое базируется на предложенной идее применения в
качестве
пропитывающих
материалов
борсодержащих
сплавов
эвтектического состава на основе железа, никеля и кобальта, обладающих
высокой жидкотекучестью, низким поверхностным натяжением и высоким
уровнем физико-механических свойств, что позволяет разрабатывать
технологии их получения методом пропитки борсодержащими сплавами
эвтектического состава и последующего жидкофазного спекания на основе
структурно-энергетического подхода к определению состава и
технологических режимов, обеспечивающих получение гетерогенной
структуры с высокими механическими и теплофизическими свойствами.
На рисунке 1 представлена схема пропитки пористого изделия
борсодержащими сплавами эвтектического состава.
Использование в качестве пропитывающих материалов новых
эвтектических борсодержащих сплавов на основе железа, кобальта и
никеля требует определения температуры плавления сплавов, температуры
образования и разложения различных химических соединений в
присутствии железа, кобальта и никеля, так как эти данные либо вообще
отсутствуют, либо носят противоречивый характер [1, 2].
Эти характеристики пропитывающих материалов определялись
дифференциально-термический анализом (ДТА) на дериватографе типа
ОД-103 Венгерского оптического завода.
Эксперименты показали, что в интервале температур плавления
эвтектических сплавов происходит резкое изменение энтальпии.
Экстремальный минимум соответствует поглощенной теплоте плавления
157
пропитывающих сплавов, то есть изменению энтальпии системы при
переходе из твердого состояния в жидкое.
Частица
порошка
бора
Частица
железного
порошка
Рис. 1. Схема пропитки пористого изделия
Особый интерес представляют физико-химические явления,
происходящие в процессе пропитки пористых прессовок эвтектическими
сплавами: взаимодействие между жидкой фазой (пропитывающим
сплавом) и твердой пористой прессовкой; взаимная диффузия элементов
пропитывающего сплава и пористой матрицы и т.д.
158
Проведенный термодинамический анализ процесса получения
композиционных материалов методом пропитки железной матрицы
борсодержащими пропитывающими сплавами эвтектического состава на
основе железа, кобальта, никеля и последующего жидкофазного спекания
показал, что в системе «пропитывающий сплав – пористая железная
прессовка»
при
определенных
температурах
развивается
термодинамический процесс, включающий:
- плавление
пропитывающего
сплава
(фазовый
переход),
сопровождающее-ся резким изменением энтальпии системы, которое
соответствует поглощенной теплоте плавления пропитывающего сплава,
т.е. изменению энтальпии системы при переходе из твердого в жидкое
состояние;
- проникновение пропитывающего сплава в поры железной матрицы под
действием капиллярных сил, сопровождающееся выделением тепла.
Исследования показали, что процесс пропитки (проникновение
жидкой фазы в твердую пористую матрицу) начинается сразу после
появления первых капель жидкой фазы в брикете питателя и заканчивается
почти одновременно с полным расплавлением пропитывающего сплава.
В табл. 1 представлены результаты экспериментов. Видно, что
прочность композиционных материалов тем выше, чем больше величина WA.
Таблица 1
Результаты ДТА процесса пропитки и свойства композиций
WA,
кДж / моль
σв, МПа
3,1
360 – 380
4,3
400 - 420
Fe 14 % ФБ 20
Fe 100 %
2,15
280 – 300
Fe 3,8 % B
Fe 100 %
0,49
240 – 260
Пропитывающий сплав
материал матрицы
Ni 4 % B
Fe 100 %
Сo 4 % B
Fe 100 %
Это дает основание полагать, что при пропитке железной прессовки
материалами составов Ni + 4 % В и Со + 4 % В идет энергичное
смачивание жидкой фазой твердого каркаса; активнее протекает
взаимодействие этих двух фаз с образованием промежуточных
соединений, что приводит к повышению работы адгезии.
159
При легировании сплавов молибденом, вольфрамом, ниобием и
другими элементами изменяется и температура их плавления.
При изыскании более и менее дефицитных борсодержащих
материалов и разработке сплавов для пропитки железных прессовок с
целью повышения их физико-механических свойств использовался
ферробор марок ФБ 20, ФБ 17, ФБ 12, ФБ 6, применяемых в металлургии
сталей и сплавов.
Свойства образцов, изготовленных из прессовок, (давление
прессования 500 МПа, температура спекания 1190…1200 0С, время
жидкофазного спекания 15 мин., α = 0,22), полученных методом пропитки
пористой железной матрицы сплавами системы Fе – ФБ 20, приведены в
табл. 2.
Таблица 2
Свойства композиционных материалов, полученных методом пропитки пористой
железной матрицы сплавами системы Fе – ФБ 20
Состав пропитывающего
материала
σв, МПа
δ, %
Линейная усадка, %
Fе+10% ФБ 20
260…280
1,2…1,8
0,9…1,3
Fе+14% ФБ 20
270…280
1,8…2,0
1,2…1,3
Fе+18% ФБ 20
280…290
1,9…2,2
1,1…1,4
Fе+22% ФБ 20
250…270
2,0…2,2
1,1…1,4
Таблица 3
Свойства полученных композиционных материалов
Композиционный материал:
питатель / матрица
σв, МПа
δ, %
Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Ni
340
10,8
Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Cr
440
2
Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Mo
600
2,3
Fe + 14 % ФБ 20 / Fe + 6 % Mn + 0,2 % C
700
1,8
Примечание – давление прессования образцов = 500 МПа; температура спекания
1190°С; среда спекания - вакуум не выше 0,01 Па; время жидкофазного спекания 15 минут.
160
Исследования показали (табл. 3), что по механическим свойствам
полученные материалы не уступают материалу, содержащему бор, но по
стоимости в 25-30 раз дешевле, что является определяющим фактором в
перспективности их применения [3].
Библиографический список
1. Бор: Его соединения и сплавы [Текст] / Г.В. Самсонов [и др.]. – Киев: Изд–во АН
УССР, 1960. – 590 с.
2. Криштал, М.А. Структура и некоторые свойства сплавов железа с бором [Текст] /
М.А. Криштал, А.Н. Свободов. // Металловедение и термическая обработка металлов. –
1969. – № 9. – С. 7–10.
3. Сплав на основе железа [Текст]: а.с. № 587172 СССР: МКИ2 С22 С38/00, С22 С33/02,
B22 F3/26 / А.К. Машков, В.И. Гурдин В.И., Е.П. Поляков [и др.]; заявитель и
патентообладатель Омский политехнический институт. – № 2367638/22-2; заявл.
26.05.76; опубл. 05.01.78, бюл. №1. – 2 с.
УДК 678.5.066
НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА АВТОМОБИЛЕЙ
А.П. Жигадло, д-р. пед. наук, доц., А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доц.,
В.П. Расщупкин, канд. техн. наук, доц., Д.А. Цуркан, инженер
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Известно,
что
применение
компьютерного
моделирования
значительно сокращает время поиска эффективных материалов и снижает
расходы на эти цели. Это не означает, что методами компьютерного
моделирования удаётся точно предсказать структуру материала, но удаётся
оптимизировать цикл экспериментальных исследований, существенно
сократить количество элементов, подлежащих экспериментальной
проверке.
Можно
ожидать,
что
применение
компьютерного
моделирования при конструировании наноструктурированных материалов
также окажется эффективным.
В настоящее время внимание фокусируется на моделях, позволяющих
прогнозировать новые свойства материалов. Развивается направление,
получившее название «Многомасштабное моделирование материалов и
процессов». Для реализации этого подхода необходимо опираться на
знания и модели, описывающие различные уровни организации материала:
атомарный, наноразмерный – кластер атомов, микро - и макроуровневый.
Строение и свойства конечного макрообъекта определяются
строением и свойствами всех уровней организации материала. Модели,
применяемые сегодня, на каждом из уровней иерархии должны быть
связаны в единую программу расчёта.
161
Реализованы методы отбора значимых результатов расчета, полученных
на каждом иерархическом уровне, и их интеграция в рамках
полномасштабного описания исследуемого объекта. Многомасштабный
подход в стратегической перспективе играет роль объединяющей парадигмы и
языка науки и техники, позволяя соединить различные научные,
вычислительные и технические модели, представления и метрики.
Считается, что применение этого подхода в сфере нанотехнологий
будет эффективно, поскольку интенсивно разрабатывается аппарат
агрегирования моделей, применяемых на разных уровнях иерархии
материала, растет доступность вычислительных ресурсов для работы со
сложными моделями и осознается потенциал моделей прогнозировать
свойства, которые лежат за пределами современного эксперимента.
Для повышения физико-механических свойств сплавов типа чугуна
осуществлен поиск элементов, которые формируют эти свойства в
процессе кристаллизации жидкого расплава.
Выяснение механизма образования центров кристаллизации графита в
расплаве чугуна является важным, но до сих пор нерешенным вопросом. В
настоящей работе исследовали механизм образования центров кристаллизации
графита на молекулярном уровне в рамках термодинамической модели
кванторавновесных систем на основе теории информации, теории графов и
статистической термодинамики. Работа состояла из двух частей –
компьютерного эксперимента и натурных испытаний.
Компьютерный эксперимент проводили
по алгоритмам и
программам, описанным в работах [1-3]. Расчет квазиравновесных
концентраций пластинчатых и сферических центров кристаллизаций
графита проводили по методу Бринкли [4]. В качестве базовой модели
была взята эвтектика Fe-C, содержащая 4,3 % С, которой добавляли
микролегирующие добавки ЩЗМ (Mg, Ca, Ba) и лантаноиды.
Расчеты показали, что наиболее вероятен механизм образования
центров кристаллизации: 2 - интеркалят, 3 - полеарен, 4 - «сэндвич» соединение, 5 - сферический центр кристаллизации или полиэдран, 6 карбиды металлов, М - атом железа, ЩЗМ или лантоноида. На основе
значения потенциалов Гельмгольца все эти соединения располагаются в
следующие ряды при t = 1150/1200 С° и р= 100/300 кПа: для эвтектики FeC:1>4~2>3>1>6, для состава Fe – C – М, где М – лантоноид: 5>4>2>1~3>6.
Полиэдраны со структурой типа 5 должны быть стабильными
частицами (ареновые и сэндвичевые комплексы могут служить
временными соединениями, образующимися и распадающимися в
процессе образования и роста центра графитизации). В этом случае они
могут наблюдаться в реальных расплавах эвтетик. Действительно, расчет
квазиравновесных концентраций соединении 1-4 выявил р-Т области
162
наиболее вероятного обнаружения зародышей кристаллизации со
структурой полиэдранов 5.
Определены зависимости максимальных вероятностей обнаружении
соответствующих квазиравновесной концетрации соединения 5, от
давления и температуры расплава при следующих концетрациях
микролегирующей добавки: 0,01; 0,05 и 0,1%. Оптимальными металлами
для образования сферических центров кристаллизации являются Mg, Ca,
Ba, Y, La, Ce, Sin и Gd.
Для натуральных испытаний выбрали чугун, микролегированный 0,058%
Ce. Из литого образца по стандартной методике выделяли графитовые
включения, которые сепарировали по мелкости путём их взбалтывания в 10%м водном растворе глицерина. Мелкие частицы, плавающие на поверхности
раствора, деконтировались, отделялись от раствора на стеклянном фильтре и
сушились при комнатной температуре. Химический анализ показал, что
выделенный продукт содержит 85,78% С и 13,98% Се, что отвечает составу
С 71,4 Се 0,99 . С выделенного вещества были сняты рентгеновский и ИК-спектры
на приборах ДРОН-2, ИСК-29. Сопоставление этих спектров со спектрами
графита показало наличие существенных различий строения выделенного
вещества и пластинчатого графита. Наличие поглощения в области 10001200см-1 в ИК – спектре говорит о существовании пятичленных циклов в
выделенном веществе (в пластичном графите эти циклы и отвечающие им
поглощения в ИК- спектре отсутствует). Тем самым натуральные испытания
подтвердили данные компьютерного эксперимента.
Полученные результаты позволяют проводить целенаправленный
подбор микролегирующих добавок к чугунам в зависимости от условий
плавки металла, скорости охлаждения отливки, её массы и условий
термообработки.
Распространённые методы модифицирования стали и сплавов
добавками ШЗМ и РЗМ повышают пластичность металла и незначительно
увеличивают прочность. Действие комплексных модификаторов,
содержащих карбидо- и нитридообразующие элементы, сочетает
модифицирование с микролегированием, обеспечивая измельчение зерна,
твёрдорастворное и дисперсионное упрочнение при термообработке.
Введение модификаторов в жидкий расплав является сложной технической
проблемой. Ее удалось решить, применяя принцип нанотехнологии. Вопервых, была решена проблема получения наночастиц и, во – вторых, был
разработан технологический способ ввода в жидкую сталь частиц путём
вдувания или в виде прессованных таблеток.
Известно, что стали и сплавы интенсивнее упрочняются при введении
частиц в виде ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений,
частицы которых являются мельчайшими кристаллами размером 0,01-1 мкм, а
также комплексными модификаторами, упрочняющими сплавы на нескольких
163
структурных уровнях. На структурном уровне кристаллических решёток такие
частицы, равномерно распределенные внутри зёрен и имеющие межфазные
границы, служат стоками вакансии и атомов примесей, которые в отсутствии
частиц снижают силы межатомного взаимодействия в кристаллических
решётках и прочность матрицы сплава.
Так, в сталях, модифицированных 0,02% (массы расплава)
карбонитридом {Ti(CN)}, на частицах кристаллизуется эвтектика,
содержащая 28-30% Fe, Mn, 7-8,7% P и С, размеры включения которой <1
мкм. Частицы УДП делят матрицу сплава на блоки за счёт полей
напряжений вокруг них, препятствуя движению дислокации и способствуя
их зарождению, что повышает предельное напряжение разрушения.
Граница зерна в модифицированной стали огибает частицы и имеет вид
ломаной линии. Частицы УДП оказывают влияние на топографию и
морфологию избыточных фаз, являясь центрами их кристаллизации, и
препятствуют выделению эвтектики, что оказывает инверсию структуры.
Улучшенные свойства стали можно получать с
применением
легирования и модифицирования. Для получения необходимых зависимостей
реализовали 13 планов дробного факторного эксперимента, при этом один
является базовым (для нелегированного и не модифицированного составов), а
остальные при одинаковом уровне общих переменных факторов (C, Si, Mn, P,
S, Ti) дополнительно содержали один из легирующих элементов (Mn, Si, Ni,
Al, Cr, U, Mo, W, Ti) или модификаторов (ФС, КС). Обработкой
экспериментальных данных получили уравнения регрессии, устанавливающие
зависимость механических свойств, параметров структуры. Учитывая, что для
всех планов одинаковыми сохранились уровни общих факторов, установили
коэффициенты
отражающие
влияние
легирующих
элементов
и
модификаторов,
в
результате
чего
получили
следующее
i
k i
i
уравнение: yi a 0 aixi aik xi x k ai j x j
l
l
l
В уравнении первые три слагаемые отражают влияние общих
переменных факторов (C, Si, Mn, S, P, d, T) на структуру и свойства, а
последнее – влияние на них легирующих элементов и модификаторов.
Количество легирующих добавок и модификаторов, обеспечивающих
заданный уровень свойств и параметров структуры чугуна, определяется
эмпирически.
Легирующие добавки и модификаторы расположены в порядке их
технологической и экономической целесообразности. Для каждой добавки
установлен диапазон изменения ее уровня. В зависимости от требований
производства для заданных свойств или параметров структуры
устанавливаются диапазоны их изменений: yi yi yi max . Для расчета
двух, трех или четырех добавок разработаны программы для ЭВМ.
164
Удовлетворение заданным требованиям проверяются для вектора y
покоординатно и при первой же координате y, не удовлетворяющей
требованиям, дальнейшая проверка на этих уровнях прекращается, что резко
сокращает время расчета: для двух добавок оно составляет пять минут, для 310 мин. для 4- 15мин. Все три программы могут использоваться как
самостоятельные или могут быть соединены в одну с автоматическим
выбором числа и уровней добавок или объединены в комплекс с программой
состава базового чугуна с дальнейшим легированием и модифицированием.
Как видим, оптимальный химический состав не легированного состава не
обеспечивает требуемых свойств и параметров структуры отливки. В связи с
этим по разработанным программам выбирали тип и количество легирующих
добавок и модификаторов, которые обеспечивали бы требуемые свойства.
Найдено, что заданные свойства и параметры структуры (при сохранении
оптимального химического состава) нелегированного состава обеспечиваются
составами, %:1 Cu+1.1Cr; 1.15Mn+0.85Cu+1Cr; 1.15Mn+0.2ФС + 0,85Cr+1Cu/
Наилучшие свойства достигаются в последнем варианте.
Вопрос о выборе конкретного оптимального состав сплава и наложений
на него допусков, а также ограничений на вредные примеси – это важная
подзадача общего синтеза сплавов. Данная подзадача решается путем
планируемого эксперимента, построением математической модели и ее
оптимизации. Решение подзадачи позволяет свести число факторов –
компонентов, входящих в сплав, до приемлемого минимума. Любой
технический сплав должен обладать определенными механическими
свойствами. При синтезе конструкционных сплавов, для которых это
требование является главным и часто единственным, приходится решать
задачу о соотношении прочности, пластичности и стоимости. Все чаще
ставится вопрос о экономнолегированных сплавах, т.е. очевидно, о сплавах,
обладающих минимальной стоимостью при заданных прочности и
пластичности. Методика расчета, необходимая для данной конструкции
прочности и пластичности, к сожалению, пока не создана. При допущении той
или иной пластичности и прочности приходится опираться на накопленный
опыт и интуицию. Упрочнение сплавов за счет регулирования их составов
может осуществляться с растворением легирующих элементов в основе,
ограничением содержания вредных примесей.
Библиографический список
1. Хеккель, К. Техническое применение механики разрушения / К. Хеккель М.:
Металлургия, 1974. 256 с.
2. Нотт. Дж. Ф. Основы механики разрушения / Дж. Ф. Нотт М.: Металлургия, 1976. 256 с.
3. Финкель, В.М. Физика разрушения. Рост трещин в твердых телах / В.М. Финкель М.:
Металлургия, 1970. 376 с.
4. Браун, М.П. Микролегирование стали / М.П. Браун Киев: Наукова думка, 1982. 30 с.
165
УДК 621.87 681.5
ПОСТРОЕНИЕ МАТРИЦЫ СМЕЖНОСТИ ГРАФА
ПОВЕРХНОСТИ С ПРЕПЯТСТВИЯМИ ДЛЯ ПОИСКА
КРАТЧАЙШЕЙ ТРАЕКТОРИИ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ГРУЗА
АВТОМОБИЛЬНЫМ КРАНОМ
М.С. Корытов, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
При перемещении грузов автомобильными кранами, как правило, не
ставится задачи точной отработки траектории перемещения груза. Однако
существуют ситуации, при которых задание определенной траектории
перемещения груза необходимо. Такие ситуации могут иметь место,
например, при наличии различных препятствий между начальным и конечным
положениями груза. Наличие препятствий предусматривает их обход с какойлибо стороны, а следовательно, возникает задача управления грузом в трех
координатах пространства и минимизации пути [1, 2].
Использование методик поиска кратчайшего пути в системе
автоматического управления автокраном позволит перемещать груз по
оптимальной траектории, обеспечивая минимизацию расстояния (а
следовательно, повышение производительности), и одновременно
плавность перемещения.
Необходимо переместить груз из начального положения в конечное,
минуя препятствия, расположение и форма которых известны.
Дополнительно
необходимо
минимизировать
длину
траектории
перемещения. Форма и размеры груза предполагаются известными.
Все преобразования в трехмерном пространстве могут быть сведены к
композиции двух преобразований: вращения и переноса вдоль
координатных осей. Это позволяет разделить и выполнять по отдельности:
1) нахождение траектории определенной точки груза в трехмерном
пространстве с препятствиями; 2) оптимизацию траекторий трех угловых
координат груза.
Выполнение п. 1 предполагает расчет и оптимизацию пути
перемещения характерной точки начала координат системы груза в среде с
поверхностями-препятствиями,
представляющими
собой
пространственные эквидистантные (равноудаленные) поверхности от
реальных поверхностей-препятствий (чтобы исключить столкновение
груза с реальными поверхностями препятствий).
Существуют традиционные подходы к решению задачи поиска
минимального пути. Наиболее эффективны алгоритмы на взвешенных
графах. Это относительно сложные алгоритмы. Все более простые
166
алгоритмы не гарантируют, что путь обязательно будет найден, и
найденный путь будет именно кратчайшим [3, 4].
Алгоритмы поиска путей на графе работают с 2-мерным массивом
чисел, описывающим пространство с препятствиями как граф.
Разработаны и используются готовые программные реализации ряда из
перечисленных алгоритмов. Чтобы их использовать, необходимо
подготовить исходные данные в виде матрицы смежности графа [4].
В каждой ячейке этой матрицы записывается число, определяющее
наличие связи от вершины-строки к вершине-столбцу (либо наоборот). В
нашем случае это число будет расстоянием между двумя точками в
пространстве – вершинами графа.
Возможны разные подходы к созданию матрицы смежности, от
эффективности и удачности выбора которых зависит точность и
быстродействие применения алгоритмов поиска.
Наиболее универсальным способом задания значений матрицы
смежности, применение которого описывается простым алгоритмом и
возможно при любой конфигурации препятствий, является способ
рассмотрения всех без исключения узлов трехмерной равномерной
пространственной решетки ограниченной области пространства, где
происходит движение груза из начального положения в конечное (рис. 1).
При этом для каждого узла описываются его связи только с ближайшими
узлами-соседями в реальном пространстве.
Для каждого узла возможно рассмотрение соседних узлов в пределах
одного ряда, в пределах двух или нескольких рядов.
Если для какого-либо узла
j= jmin,(jmin+1),…jmax y
z
пространственной
решетки
вертикальная координата z будет k=kmin,
меньше
высоты
эквидистантной (kmin+1)
поверхности в точке с данными …kmax
координатами x и y (то есть узел будет
находиться внутри препятствия), то
i=imin,(imin+1),…imax
x
расстояние между данным узлом и
всеми его рассматриваемыми узлами- Рис. 1. Пространственная равномерная
решетка (пример): o – свободные
соседями принимается на графе равным
узлы;
● – занятые препятствием узлы
бесконечности (∞) [3, 4].
Вычислительные затраты на подготовку матрицы смежности при
увеличении рассматриваемых узлов-соседей возрастают в геометрической
прогрессии, и при количестве рядов-соседей более трех становятся
недопустимо
большими
для
практического
использования.
Вычислительные эксперименты показали, что влияние количества
рассматриваемых рядов-соседей на точность найденной траектории
незначительно, то есть можно ограничиться рассмотрением одного ряда. В
167
этом случае затраты на подготовку матрицы смежности относительно
невелики. Однако, в общем случае, траектория, найденная любым
алгоритмом поиска пути на графе при таком способе задания значений
матрицы смежности, не является кратчайшей.
Улучшить
эффективность
поиска кратчайшего пути в среде с
препятствиями можно за счет
изменения алгоритма подготовки
матрицы
смежности
графа.
Предлагается,
во-первых,
уменьшить количество вершин
графа, принимая в рассмотрение
только точки, расположенные на
поверхности препятствий выше
определенного уровня, например,
Рис. 2. Точки поверхности (пример):
уровня нижней из двух точек
o – не учитываемые в графе;
начала/окончания пути (рис. 2).
● – учитываемые в графе
Свободные узлы (вне препятствий),
равно как и узлы, находящиеся внутри препятствий, при этом способе
исключаются из рассмотрения, что значительно уменьшает размеры
матрицы смежности и ускоряет поиск пути. Исключение составляют две
точки: начальная и конечная, которые также учитываются, хотя находятся
вне препятствий. Начальная точка будет первой в списке вершин графа,
конечная – последней. Рассматриваемые точки будут располагаться на
равномерной сетке относительно координат X и Y.
Во-вторых, в матрице смежности будут заданы расстояния только
между теми узлами, которые видимы между собой (то есть, между ними нет
препятствий). Такие точки будут считаться соединенными между собой.
Если прямая, соединяющая какие-либо две точки, содержащиеся в списке
вершин графа, проходит через препятствие, данные два узла не будут иметь
соединения между собой. Кроме того, чтобы уменьшить вычислительные
затраты на проверку условия «видимости» между текущим рассматриваемым
узлом графа и остальными узлами, можно исключить проверку указанного
условия для всех узлов, которые расположены дальше относительно
конечной цели, т. е. дальше от последнего узла, чем текущий узел.
Для этого систему координат, в которой рассматривается сцена с
препятствиями и происходит поиск траектории, необходимо представить
(преобразовать) таким образом, чтобы начальная и конечная точки
траектории располагались на прямой, параллельной одной из осей
координат, например, оси X (см. рис. 2). А список вершин графа
формировать таким образом, чтобы большему номеру вершины в списке
соответствовало большее значение X. Тогда для каждого узла достаточно
168
проверить условие «видимости» только для вершин с большими, чем у
текущего узла, порядковыми номерами.
Таким образом, алгоритм создания матрицы смежности по «точкам
видимости» будет следующим (рис. 3): 1) преобразование системы
координат, в которой описывается поверхность препятствий, с целью
расположения начальной и конечной точек вдоль одной из осей координат
(центроафинное преобразование); 2) формирование последовательного
списка точек поверхности, учитываемых в графе (вершин графа) в виде
одномерного вектора; 3) последовательный перебор всех вершин графа с
первой до предпоследней и проверка каждого текущего узла на условие
«видимости» относительно всех вершин с большими, чем у текущего узла,
порядковыми номерами в списке вершин.
Пуск
Задание поверхности препятствий
z(x,y) и точек начала и конца [x1 z1
y1] и [xn zn yn]
Центроафинное преобразование:α=atn((xn– x1)/(yn– y1)),
x'(i)=x(i)∙cos(α)–y(j)∙sin(α); y'(j)= x(i)∙sin(α)+y(j)∙cos(α); z'ij=zij
Двухмерная табличная интерполяция z'(x',y')
Формирование списка точек поверхности, учитываемых в графе (вершин графа) в
виде одномерного вектора: Если z'ij>min(z1, zn), то m=m+1, [xm zm ym]=[xi zjj yj]
Перебор вершин графа с первой до предпоследней и проверка каждого узла на
условие «видимости» относительно всех вершин с большими порядковыми номерами
Стоп
Рис. 3. Упрощенная блок-схема алгоритма создания матрицы смежности
Выполнение п. 1 алгоритма возможно следующим образом: пусть
имеются точки начала и цели (конца) перемещения с координатами [x1 z1 y1] и
[xn zn yn] соответственно в исходной системе координат X'Y'Z' (рис. 4). Переход
от исходной к преобразованной системе координат будет осуществляться
поворотом вокруг вертикальной оси Z. Угол поворота α будет равен:
α=atn((xn– x1)/(yn– y1)).
(1)
Точка с координатами x, y, z в исходной системе координат XYZ, будет
иметь в преобразованной системе координат X'Y'Z' следующие значения
координат:
x'=x∙cos(α)–y∙sin(α);
y'= x∙sin(α)+y∙cos(α);
z'=z.
(2)
Подобным образом необходимо получить значения координат в
преобразованной системе X'Y'Z' для всех точек поверхности. Затем в
преобразованной системе координат необходимо сформировать ту же
поверхность, но уже на новой равномерной дискретной сетке X'Y' с
169
заданным шагом. Для этого предлагается использовать известный способ
двухмерной табличной линейной интерполяции.
Выполнение п. 2 алгоритма происходит в следующем порядке.
Рабочая область с препятствиями задана в виде двухмерного массива чисел
– высот точек поверхности z'ij. При помощи циклов, меняющих i и j в
последовательности [i, затем j], осуществим перебор каждой точки сетки с
высотой z'ij и проверим выполнение условия z'ij>min(z1, zn). При
выполнении данного условия точка заносится в список узлов графа.
Первой в списке предварительно ставится начальная точка (№ 1 на рис. 2),
последней – конечная (№ 74 на рис. 2).
Выполнение п. 3 алгоритма предлагается
xn
осуществлять
следующим
способом.
Z' x1
X
Выполняется последовательный перебор всех
y1
α
вершин графа из списка, и для каждой
[x1 z1 y1]
X'
текущей вершины m=2, 3,…,n осуществляется
yn
построение прямой в пространстве между
[xn zn yn]
данной вершиной и всеми вершинами с
Y' Y
большими номерами (m+1, m+2, …, n). Прямая
Рис. 4. Преобразование систем разбивается на p отрезков в соответствии с
координат (вид сверху,
шагом дискретности, и на данной прямой
навстречу оси Z)
рассматриваются p промежуточных точек. Для
каждой из промежуточных точек проверяется условие превышения ее
вертикальной координаты над поверхностью. Если для всех p точек
прямой, соединяющей узел m с узлом (m+q), q=1,…,(n–m), данное условие
выполняется, делается вывод о том, что узлы m и (m+q) «видимы» между
собой, и информация об этом заносится в матрицу смежности графа.
Затраты вычислительного времени предлагаемого алгоритма создания
матрицы смежности графа на порядок меньше, чем для универсального
алгоритма создания матрицы смежности. Вычислительные затраты на
собственно поиск пути на графе также снижаются на порядок или на два
порядка.
Поиск пути на графе, сформированном подобным образом по «точкам
видимости», показал лучшие результаты, чем при универсальном способе
задания значений матрицы смежности по всем точкам пространства, при
одновременном снижении времени вычислений. Вычислительные
эксперименты на различных поверхностях показали, что траектория в
пределах погрешности, создаваемой шагом дискретности сетки,
приближалась к кратчайшей при любой форме поверхности препятствий.
Использование предложенного алгоритма построения матрицы смежности
графа поверхности с препятствиями произвольной формы является более
эффективным, чем применение универсального алгоритма рассмотрения
всех узлов пространственной решетки.
170
Библиографический список
1. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов и крановманипуляторов: ПБ 10-382-00 и ПБ 10-257-98. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. – 335 с.
2. Правила техники безопасности при эксплуатации стреловых самоходных кранов:
ВСН 274-88. – М.: СтройИнфо, 2007. – 22 с.
3. Dijkstra, E.W. A note on two problems in connexion with graphs / Numerische
Mathematik 1, 1959. – pp. 269-271.
4. Siek, J.G., Lee, L-Q, and Lumsdaine, A. (2002). The Boost Graph Library User Guide and
Reference Manual, (Upper Saddle River, NJ:Pearson Education).
УДК 621.891:678.7
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКЦИИ УПЛОТНЕНИЙ
АВТОМОБИЛЕЙ ДЛЯ СИБИРИ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА
Ю.К. Машков, д-р. техн. наук, проф.; В.В. Сыркин, д-р. техн. наук, доц.;
М.Ю. Байбарацкая*, канд. техн. наук, проф.; О.А. Мамаев*, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
* Омский танковый инженерный институт
В процессе эксплуатации автомобилей происходит неизбежное
старение материала резиновых уплотнительных элементов (манжет)
герметизирующих устройств (ГУ), которые при этом должны сохранять
удовлетворительные
триботехнические
свойства:
высокую
износостойкостью и низкий коэффициент трения.
Важным требованием, предъявляемым к уплотнительным резинам,
также является теплостойкость, которая зависит от полимерной основы
резины. Резины на основе нитрильных и акрилатных каучуков
работоспособны до температуры 130-150 °С, на основе фтора и
фторсиликоновая резина – до 200-230 °С [1, 2]. При низких температурах
порядка -40°С – -70 °С большинство каучуков теряют эластичность и
становятся твердыми.
Известно, что температурный режим работы уплотнений ГУ
определяется температурой уплотняемой среды и количеством теплоты,
генерируемой трением. Температура в зоне трения при тяжелых режимах
работы ГУ может превышать температуру среды на 80-100 °С. При трении
без смазки наибольшее значение коэффициента трения резины
наблюдается в области температур 80-120 °С и достигает значения 1,5.
Высокое значение коэффициента трения способствует дальнейшему
повышению температуры и интенсивности изнашивания. В области
температур 180-250 °С износ уплотнений приобретает катастрофический
характер, то есть температура является определяющим фактором износа.
171
Повышение работоспособности и долговечности уплотнительных
элементов ГУ, особенно в жестких условиях эксплуатации Сибири и
Крайнего Севера, возможно за счет применения антифрикционных
полимерных
композиционных
материалов
(ПКМ)
на
основе
политетрафторэтилена (ПТФЭ). Эти материалы не имеют указанных выше
недостатков резины, а также отличаются высокой химической стойкостью,
морозо- и теплостойкостью и имеют низкий (среди известных полимеров)
коэффициент трения с металлами без смазки. Работоспособность
композитов сохраняется в интервале температур -200°С - +200°С.
Замечательным свойством ПКМ на основе ПТФЭ является то, что они при
понижении температуры практически не затвердевают. Так у материала
Криолон-5 при снижении температуры от 0 °С до минус 100 °С модуль
Юнга увеличивается всего на 20%, а предел прочности – на 38%. При этом
износостойкость повышается на 25-30 %, а коэффициент трения – на 8-10
%, достигая значения 0,13-0,14 [3], то есть в 10 раз меньше, чем
коэффициент трения резины в аналогичных условиях. Химическое
строение
макромолекул
и надмолекулярная
структура
ПТФЭ
обеспечивают высокую химическую стойкость полимера.
С целью изучения влияния внешнего энергетического воздействия на
структуру и свойства нового ПКМ на основе ПТФЭ проведено
исследование его сохраняемости ускоренным старением при высоком
давлении всестороннего сжатия и повышенной температуре.
Объектами исследования служили новый композиционный материал с
дисперсным и волокнистым углеродными наполнителями [4] и
герметизирующее устройство пневмогидроцилиндра [6]. Образцы в виде
колец прямоугольного сечения 10х10 мм наружным диаметром 70 мм
изготавливали по технологии холодного прессования и свободного
спекания.
Для изучения совместного влияния всестороннего сжатия при
давлении 4 и 16 МПа, температуры (20 и 100°С), газовой (воздух) и
жидкой (масло) сред был разработан план факторного эксперимента типа
23. Восемь комплектов образцов выдерживали в заданных согласно плану
условиях в печи, предварительно поместив их в специально изготовленные
универсальные приспособления – герметичные контейнеры.
В первой серии экспериментов образцы выдерживали в печи в
течение 2200 ч, во второй серии – в течение 4400 ч. После этого из колец
изготавливали образцы для испытаний на растяжение и трение и
определяли предел прочности при растяжении σр, модуль упругости Ер и
относительное удлинение при разрыве р, а также момент трения и
скорость изнашивания. Испытания на растяжение проводили на разрывной
машине Р-05 по стандартной методике. Влияние длительного нагружения
на структуру изучали методом рентгеноструктурного анализа по методике
172
исследования полимерных материалов, описанной в [3]. Испытания на
трение и износ проводили на машине трения СМТ-1 по схеме «вал –
частичный вкладыш» при контактном давлении 0,5 МПа и скорости
скольжения 0,5 м/с. Контртело было изготовлено из сталей 45 и 45ХНМ с
твердостью 45…50 HRC. Продолжительность испытания каждого образца
составляла 6 ч. В процессе испытания измеряли момент трения и
температуру образца на расстоянии 1 мм от поверхности трения.
На втором этапе исследования проводили испытания уплотнительных
элементов, изготовленных из ПКМ, в составе герметизирующего
устройства плавающего поршня пневмогидроцилиндра.
В табл. 1 приведены условия нагружения образцов при ускоренном
старении и результаты исследования механических свойств ПКМ.
Таблица 1
Условия нагружения образцов ПКМ в контейнере и результаты
механических испытаний
Условия нагружения в
контейнере
Х2
Х3
Х1
Т,
Р,
среда
°С
МПа
Исходное состояние
Масло
20
4,0
Воздух
20
4,0
Масло
20
16,0
Воздух
20
16,0
Масло
100
4,0
Воздух 100
4,0
Масло
100
16,0
Воздух 100
16,0
Продолжительность нагружения
2200 ч
№
σр,
Ер,
образц
δр, %
МПа
МПа
а
0
23,5
245,6
64,0
1
25,2
247,8
91,1
2
25,2
256,1 112,5
3
25,9
254,2
78,3
4
25,5
321,8
85,8
5
23,44
334,9 105,8
6
23,9
283,6 115,8
7
23,2
280,6 102,5
8
22,4
246,7 108,3
Продолжительность
нагружения 4400 ч
№
образ
ца
9
10
11
12
13
14
15
16
17
σр,
МПа
Ер,
МПа
δр, %
26,8
24,2
24,2
24,3
23,6
23,9
24,3
24,0
23,8
300,9
254,0
253,2
320,5
322,9
310,9
269,9
290,0
240,7
87,5
108,3
111,0
95,5
113,3
102,5
132,2
122,5
120,5
Анализ результатов исследований свидетельствует о том, что в
процессе длительной выдержки образцов в условиях всестороннего сжатия
механические характеристики ПКМ изменяются незначительно.
При продолжительности выдержки 2200 ч, которая соответствует трем
календарным месяцам, прочность и жесткость ПКМ незначительно
повышаются (на 8,5-13,0%). При увеличении продолжительности
выдержки в два раза эти характеристики незначительно снижаются (на 6,010,0%). Для образцов, выдержанных в течение 2200 ч и 4400 ч, уравнения
регрессии для предела прочности σр имеют вид:
σр = 24,4 – 1,1Х2 – 0,175Х3 – 0,2Х1Х2 – 2Х1Х3 – 2,4Х2Х3 – 0,2Х1Х2Х3.
σр = 24,1 + 0,7Х1Х2 – 1,1Х1Х3 + 0,3Х2Х3.
173
Видно, что при нагружении ПКМ в течение 2200 ч его предел
прочности зависит главным образом от уровня температурного
воздействия (Х2), сжимающего давления (Х3) и от взаимодействия всех
внешних факторов. При увеличении продолжительности нагружения
влияние отдельных факторов нивелируется, т.к. коэффициенты уравнения
регрессии при Х1, Х2, Х3 оказались незначительными.
Исследовали также триботехнические свойства ПКМ в исходном
состоянии и после длительной выдержки под давлением. В табл. 2
приведены результаты испытаний образцов, выдержанных в течение 2200
ч и 4400 ч, а также образцов в исходном состоянии. Средние значения
момента
трения,
характеризующие
антифрикционные
свойства
металлополимерной пары трения, изменяются от 5 до 15 % при различных
условиях выдержки. Средние значения скорости изнашивания изменились:
при выдержке образцов в течение 2200 ч – на 4,4 % в сторону уменьшения,
а в течение 4400 ч – на 8,8 % в сторону увеличения. Такие изменения
находятся в пределах ошибки эксперимента и это позволяет сделать вывод
о том, что износостойкость образцов ПКМ при выдержке в заданном
напряженно-деформированном состоянии в течение шести месяцев
изменяется незначительно.
Таблица 2
Результаты триботехнических испытаний образцов ПКМ
Продолжительность выдержки
Продолжительность выдержки
2200 ч
№
4400 ч
№
образца
Момент
Скорость
Момент
Скорость
образца
трения,
изнашивания,
трения,
изнашивания,
Н·м
г/ч·10-2
Н·м
г/ч·10-2
0
3,42
0,270
9
3,07
0,147
1
4,18
0,283
10
4,22
0,190
2
3,84
0,350
11
3,54
0,159
3
3,31
0,238
12
3,25
0,136
4
3,84
0,266
13
3,52
0,132
5
3,27
0,210
14
4,16
0,178
6
3,26
0,246
15
3,07
0,152
7
3,36
0,221
16
3,70
0,168
8
3,63
0,255
17
3,30
0,165
Примечание – Условия нагружения образцов см. табл. 1.
Исследование
надмолекулярной
структуры
образцов
методом
рентгеноструктурного анализа показало, что после длительного нагружения
всесторонним
сжатием
наибольшие
изменения
характеристик
надмолекулярной структуры, по сравнению с исходным ПКМ, наблюдаются в
аморфной фазе матрицы: межслоевое расстояние в ней увеличилось на
174
5,5…8,3 %, а степень кристалличности уменьшилась на 8…12 %. Параметры
кристаллической ячейки, а также ширина кристаллического рефлекса
практически не изменились после испытаний. Следовательно, в
кристаллической решетке отсутствуют микронапряжения.
Таким образом, выдержка образцов ПКМ в условиях всестороннего
сжатия при давлении до 16 МПа и температуре до 100°С в воздушной и
жидкой средах приводит к незначительному повышению характеристик
механических свойств при длительности выдержки 2200 ч, а увеличение
длительности выдержки до 4400 ч вызывает развитие процессов
релаксации и снижение характеристик на 6-10% по сравнению с
исходными. Также незначительно изменяются триботехнические свойства
ПКМ – в пределах 4-8 %. Все это объясняется малыми изменениями
основных характеристик надмолекулярной структуры полимерной
матрицы и отсутствием в ней микронапряжений, что позволяет
прогнозировать длительную работоспособность изделий из ПКМ в
аналогичных условиях эксплуатации и хранения.
С целью проверки работоспособности ПКМ, созданного авторами [5], в
реальных условиях были разработаны герметизирующие устройства с
уплотнительными элементами (манжетами, уплотняющими втулками).
При разработке конструкций ГУ была обеспечена их взаимозаменяемость
с серийными резиновыми уплотнительными элементами (манжетами,
кольцами) и поршневыми кольцами транспортных и других машин. На
рис. 1 показаны ГУ двух типов: для уплотнения осей, валов, а на рис. 2 –
для уплотнения штоков и поршней [5, 6].
а)
б)
Рис. 1 Герметизирующее устройство для уплотнения валов: а) для вращающихся
поверхностей, б) для поверхностей возвратно-поступательного движения.
1 – корпус, 2 – уплотнительное кольцо, 3 – вал, 4 – уплотняющая губка, 5 – эспандер
175
Герметизирующие устройства для уплотнения вращающихся
поверхностей (рис. 1а) прошли длительные стендовые испытания и
ходовые испытания на военных транспортных машинах, показали высокую
надежность и обеспечили более высокую герметичность при наработке
более заданного ресурса до капитального ремонта. По окончании
испытаний уплотнительные элементы находились в хорошем состоянии и
пригодны к дальнейшей эксплуатации.
Рис. 2. Герметизирующие устройства для уплотнения поршней и штоков: 1 –
корпус, 2 – уплотнительное кольцо (манжета), 3 – поршень, 4 – уплотняющая
губка, 5 – эспандер.
Герметизирующие устройства для уплотнения поверхностей
возвратно-поступательного движения (рис. 2) дважды прошли длительные
стендовые испытания в качестве уплотнений гидро-пневмоцилиндров
военной техники. При первом испытании уплотнительные элементы были
изготовлены из заготовок нового ПКМ в исходном состоянии. Во втором
испытании уплотнительные элементы изготавливали из заготовок ПКМ,
подвергнутых испытанию по программе ускоренного старения.
Результаты испытаний показали высокую надежность новой
конструкции ГУ и возможность увеличения ресурса в 3 раза по сравнению
с серийным уплотнением поршня резиновыми кольцами.
Библиографический список
1.Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2-х кн. Под ред. И.В. Крагельского и
В.В. Алисина. – М.: Машиностроение. 1979. Кн.2 – 338 с.
2. Кондаков Л.А., Голубев А.И., Гордеев В.В. и др. Уплотнения и уплотнительная
техника. Справочник. – М.: Машиностроение, 1994. – 382 с.
3. Машков Ю.К. Трибофизика и свойства наполненного фторопласта: науч. издание. –
Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. – 192 с.
4. Полимерный антифрикционный композиционный материал: патент РФ № 2307130/
Ю.К. Машков, О.А. Мамаев, З.Н. Овчар, В.С. Зябликов
5. Герметизирующее устройство: патент РФ № 2269046/Ю.К. Машков, О.А. Мамаев,
М.Ю. Байбарацкая, В.С. Зябликов.
6. Герметизирующее устройство: патент РФ № 2265767/ Ю.К. Машков, О.А. Мамаев,
В.Р. Эдигаров.
176
УДК 620.178.3:620.194.8
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ЛИСТОВЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ СТАЛЕЙ
Г.В. Пачурин, д-р. техн. наук, проф.; В.А. Власов, канд. техн. наук, доц.,
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Надежность элементов металлоконструкций автомобилей наряду с
конструктивными факторами в значительной мере определяется
структурой и свойствами используемых материалов, а так же
температурными условиями эксплуатации.
В автомобильной промышленности широко используются листовые
конструкционные малоуглеродистые стали. Однако сведения по влиянию
видов и режимов их технологической обработки на механические свойства
при различных температурах ограничены и разрозненны [1].
Поэтому исследование влияния пластического деформирования на
изменение механических характеристик листовых сталей при статическом
и циклическом нагружении в области различных эксплуатационных
температур является весьма актуальным.
Исследовались технологически обработанные (предварительно
деформированные при комнатной температуре) стали 08Ю, 08кп, 08пс,
08ГСЮТ, 07ГСЮФТ и сварные соединения из сталей 08пс, 08кп, 20кп,
07ГСЮФ, 08ГCЮФ. Определялись прочностные (σв, σ 0,2 ) и пластические
(δ, ψ) характеристики материалов при температурах -50, +20 и +70 °С в
состоянии поставки и после технологической обработки.
По результатам статических испытаний так же строились кривые
упрочнения в координатах lgσϊ (σϊ - истинное напряжение) - lgεϊ , (εϊ истинная деформация), которые позволяют определить показатель степени
А в уравнении кривой деформационного упрочнения (σо . εА; где εϊ =
lg(1+δϊ)) исследованных материалов в состоянии поставки и после
технологической обработки.
Результаты испытания материалов на статическое растяжение при
разных температурах предварительно деформированных цельных и
сварных образцов представлены в табл. 1-3.
Из их анализа следует, что при температурах испытания -50,
20, и 70°С у предварительно растянутых образцов из стали 20кп
пределы текучести σ 0,2 и σ т и прочности σв выше, а относительные
удлинение δк (до разрушения) и δр (равномерное) ниже, чем у
образцов в исходном состоянии, хотя относительное сужение ψк и
предел прочности до разрушения σк практически остаются
постоянными.
177
Охлаждение до температуры -50°С увеличивает прочностные
характеристики при сохранении пластичности стали 20кп (на уровне
комнатной температуры), что свидетельствует об отсутствии ее
охрупчивания при этих температурах.
Таблица 1
Механические свойства листовых материалов для различных режимов
технологической обработки
Марка стали
1
08кп
07ГСЮФТ
08ГСЮТ
08Ю
08пс
20кп
Режим обработки
2
Холоднокатаная
Растяжение 2,5%
Растяжение 11%
Растяжение 15%
Растяжение 17%
Растяжение 21%
Горячекатаная
Растяжение 5%
Растяжение 17%
Растяжение 29%
Горячекатаная
Растяжение 5%
Растяжение 17%
Растяжение 29%
Холоднокатаная
Растяжение 3%
Растяжение 10%
Растяжение 20%
Растяжение 30%
Холоднокатаная
Растяжение 4%
Растяжение 8%
Растяжение 17%
Горячекатаная
Растяжение 9%
Растяжение 22%
σв ,
МПа
3
390
375
377
394
400
407
440
471
545
547
461
457
499
551
294
313
315
345
397
370
390
415
455
437
534
602
σ0,2,
МПа
4
256
190
174
192
182
190
306
433
532
532
250
398
466
537
163
230
271
286
343
285
340
400
445
319
530
599
ψ / δ, %
А
5
84/41
83/40,7
81/40,6
78/29
79/21
77/10
48/18
44/14
33/3
30/1,6
48/26
46/15
41/9
33/1
50/30
49/26
48/17
35/7
29/3
70/20
69/14
63/4
63/4
48/23
49/5
48/4
6
0,16
0,20
0,22
0,24
0,22
0,20
0,16
0,12
0,11
0,02
0,21
0,16
0,07
0,02
0,25
0,16
0,10
0,07
0,09
0,18
0,06
0,02
0,02
0,03/0,18
0,02
0,02
Анализ кривых деформационного упрочнения стали 20кп и ее
сварных соединений при вышеуказанных температурах показал, что при
растяжении цельных и сварных образцов, предварительно
деформированных до одной и той же степени (17…18%), относительное
удлинение (равномерное δр и общее δк) при температуре -50°С
значительно выше, чем при температуре +70°С.
178
Это может быть обусловлено различием атомных механизмов,
контролирующих пластическую деформацию. Так при температуре 50°C усиливается влияние поперечного скольжения винтовых
дислокаций по сравнению с движением краевых дислокаций, что
обеспечивает некоторое повышение пластичности стали 20кп.
Таблица 2
Механические свойства листовой стали 08пс при разных температурах для
различных режимов технологической обработки
Темп.
Степ. предв.
σт ,
σ0,2,
σв ,
δ,
ψ,
δр,
испыт., °С
деф., %
МПа
MПа
MПа
%
%
%
20
0
265
285
370
29
70
20
0,02/0,18
4
320
340
390
19
69
14
0,06
8
385
400
415
11
63
4
0,02
17
405
445
455
6
61
0,7
0,02
0
240
260
345
27
71
17
0,03/0,17
4
300
320
355
18
70
14
0,05
8
375
400
410
7
59
1,5
0,02
17
405
450
460
6
58
0,8
0,02
0
345
400
470
25
65
20
0,01/0,17
4
330
395
475
22
58
15
0,05
9
480
505
520
9
52
3
0,01
18
500
565
579
9
50
0,3
0,01
70
-50
A1/A2
При растяжении исходных (предварительно не деформированных)
образцов (εпр.д.=0%) вначале наблюдается стадия инкубационного
деформирования (ε 1…2%) с низким значением показателя А1, а затем
начинается интенсивное упрочнение с высоким значением А2. С
понижением температуры испытания продолжительность стадии
инкубационного упрочнения увеличивается, что отражается на величине
общего и равномерного удлинения.
Величина показателя упрочнения А наклепанных образцов из стали 20кп
при всех исследованных температурах практически одинакова А=0,02, в то
время как при растяжении исходных цельных и сварных образцов для
температур 70 и -50°С показатель А несколько ниже, чем при 20°С.
Микроструктура стали 20кп, деформированной при 20, 70 и -50°С,
практически не изменяется.
179
Таблица 3
Механические свойства сварных листовых образцов при разных температурах
Марка стали
Температура,оС
0,2 ,
МПа
,
МПа
к ,
%
,
%
,
%
A1 /A2
08кп
20
70
170
205
380
355
19
24
79
77
16
18
0,23
0,06/0,21
-50
20
70
315
215
285
420
485
450
25
16
19
76
75
70
22
14
16
0,06/0,22
0,22
0,06/0,22
-50
20
435
220
525
345
22
13
78
74
18
10
0,04/0,22
0,11/0,19
70
235
345
20
79
15
0,06/0,19
-50
20
70
-50
20
70
-50
310
285
260
400
290
266
580
440
370
345
470
417
410
601
21
29
27
25
18
17
5
77
70
71
65
52
51
55
15
20
17
20
11,5
14
2.5
0,10/0,16
0,02/0,18
0,03/0,17
0,01/0,17
0,04/0,16
0,12/0,16
0,03
08ГСЮФ
07ГСЮФ
08пс
20кп
С ростом температуры испытания от -50 до +70°С стали 08пс
параметры прочности σт , σ0,2 , σв уменьшаются, а пластичности ψ увеличиваются. При этом возрастание степени предварительной
деформации εпр.д до 17…18% обусловливает повышение прочностных и
понижение пластических характеристик во всем вышеуказанном диапазоне
температур статического нагружения.
Величина показателя А2 у кривых деформационного упрочнения
образцов из стали 08пс при температурах +70 и -50°С несколько ниже, чем
при комнатной температуре. Однако для всех температур с ростом степени
предварительной деформации εпр.д А существенно уменьшается, особенно
при -50°С.
Механические свойства сварных листовых сталей 08кп, 08ГСЮТ и
07ГСЮФТ представлены в табл. 3.
У сварных образцов из стали 08ГСЮТ наблюдаются более высокие
прочностные свойства σв и σ0,2 по сравнению со сталями 08кп и
07ГСЮФТ, у которых они практически одинаковые. Более высокая
пластичность у стали 08кп; у сталей 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ параметры δ и
δр примерно одинаковы, a ψ различается незначительно.
180
Из анализа кривых деформационного упрочнения при температурах 20,
70 и -50°С сваренных встык образцов из сталей 08кп, 08ГСЮТ и 07ГСЮФТ
следует, что критическая степень деформации, соответствующая перелому
кривых, составляет ~ 2…5%. У сталей 08кп и 08ГСЮТ показатель А2 выше
(0,23 и 0,22, соответственно), чем у стали 07ГСЮФТ (0,16…0,19).
Исходная микроструктура листовых сталей 08кп, 07ГСЮФТ и
08ГСЮТ состоит преимущественно из зерен феррита и небольшого
количества перлита для 08кп, а также с карбидными включениями у стали
07ГСЮФТ и 08ГСЮТ. Размер зерна феррита стали 07ГСЮФТ равен
20…40 мкм, а сталей 08кп и 08ГСЮТ – 10…30 мкм.
Структура листовой стали 08пс преимущественно состоит из зерен αтвердого раствора, которые в результате пластической деформации
получают определенную вытянутость, что отражается на повышении, в
связи с этим, прочностных характеристик и снижении показателя
упрочнения (табл. 1,2).
Как и в случае ферритной, в ферритно-перлитных сталях 08кп,
07ГСЮФТ и 08ГСЮT с величиной зерна 10…40 мкм происходит
внутризеренное, относящееся к разным системам, неоднородное
скольжение, отличительной особенностью которого является наличие
следов механизмов пересечения и поперечного скольжения. С
увеличением степени деформации скольжение по полосам становится
множественным, а плотность следов скольжения возрастает. Момент
появления микротрещин и последующее разрушение обусловливаются
сдвиговыми актами внутри зерен феррита в условиях сильно развитого
множественного скольжения. Стали 07ГСЮФТ и 08ГСЮT имеют
карбидные включения, которые препятствуют движению дислокаций при
пластическом деформировании и с ростом степени деформации повышают
прочностные характеристики (табл. 1). Однако они являются также
источниками образования микротрещин при растяжении.
Поверхности разрыва при растяжении образцов из сталей 07ГСЮФТ,
08кп и 08ГСЮТ, испытанных при температурах 20, 70 и -50°С,
свидетельствуют о вязком характере разрушения. Марка стали и
температура испытания практически не изменяют морфологию
поверхности разрыва образцов. При этом в изломе сталей 08ГСЮТ и
07ГСЮФТ наблюдаются карбидные частицы размером около 4 мкм,
расположенные преимущественно в ямках поверхности разрыва.
Выводы: С увеличением степени предварительной деформации
величины условного предела текучести и предела прочности материалов
возрастают, а относительных сужения и удлинения – уменьшаются. При
этом кривые упрочнения располагаются выше и становятся положе.
Высокие значения параметров пластичности ферритной стали 08кп
характеризует ее лучшую штампуемость. В условиях эксплуатации автобусов
181
ПАЗ (северное и южное исполнение) удалось повысить стабильность
прочностных свойств штампованных деталей, сократить номенклатуру марок
сталей на заводе и снизить (примерно на 5%) металлоемкость.
Библиографический список
1.Пачурин, Г.В. Микромеханизмы высокотемпературной усталости и ползучести
металлов и сплавов: учеб. пособие / Г.В. Пачурин, С.М. Шевченко, В.Н. Дубинский и др.
– Н. Новгород: НГТУ, 2006. – 116 с.
УДК 620.178.3.539:620.194.8
ЭКОНОМИЯ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ ЗА СЧЕТ ПОВЫШЕНИЯ
КАЧЕСТВА МЕТАЛЛОПРОКАТА ПОД ХОЛОДНУЮ ВЫСАДКУ
КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ
А.А. Филиппов, аспирант; Г.В. Пачурин, д-р. техн. наук, проф.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Одной из важнейших задач современного этапа развития
промышленного производства является улучшение качества исходной
металлопродукции и изготавливаемых из нее деталей, повышение их
работоспособности, надежности, долговечности, а также доведение этих
показателей
до
мировых
уровней
с
целью
обеспечения
конкурентоспособности российской продукции на мировом рынке.
Для изготовления крепежных изделий холодной высадкой
используются конструкционные углеродистые стали с содержанием
углерода не выше 0,5%. Марки, химический состав и другие свойства
сталей, предназначенных для холодной штамповки, регламентирует ГОСТ
10702-78. К технологическим свойствам металла, подвергаемого холодной
высадке, относятся его способность выдерживать без разрушения (без
появления трещин и надрывов поверхности) испытание на осадку под
воздействием деформирующего инструмента, имеющего плоскую
поверхность. Наилучшая способность сталей к холодной высадке практически
обеспечивается в том случае, если образец выдерживает испытание на осадку
до 1/Зh и менее. Недостатком испытания на осадку является то, что
полученные результаты не полностью характеризуют всю партию и даже
отдельный бунт контролируемого металла. Это объясняется невозможностью
обеспечения контроля всей партии металла и неравномерностью
распределения дефектов по всей длине бунтового материала при
установленных стандартами нормах отбора образцов.
К поверхностным дефектам горячекатаного и калиброванного проката
относятся раскатные газовые пузыри, волосовые трещины, рванины, закаты
[1]. Неизменным дефектом поверхности металлопроката является
182
образование обезуглероженного слоя вследствие выгорания части углерода
при нагреве металла как на стадии прокатки, так и при термической
обработке перед калибровкой. Обезуглероживание и окалинообразование
существенно снижают механические свойства в поверхностных слоях
металлопроката. Основными причинами их возникновения являются
дефекты металлургического производства. В результате поверхность
становится восприимчивой к образованию рисок, задиров, царапин при
прокатке, калибровке и холодной высадке.
Характеристика дефектов поверхности регламентирована в ГОСТ
21014-88 «Прокат черных металлов. Термины и определения дефектов
поверхности».
При изготовлении ответственного крепежа моторной группы
автомобилей применяют различные виды и способы удаления
поверхностных дефектов – механическая обточка, химическое травление в
концентрированных растворах кислот при повышенных температурах и
другие дорогостоящие, мало экологичные
и затратные
методы
подготовки поверхности проката.
Исходной заготовкой для производства крепежных изделий (болты,
гайки), получаемых методом холодной высадки, является горячекатаный
прокат. Его пластичность и деформируемость во многом определяют
способность стали к дальнейшему калиброванию и холодной высадке.
Качество горячекатаного проката под холодную высадку оценивается
соответствием его требуемым геометрическим параметрам согласно ГОСТ
2590-88 «Прокат стальной горячекатаный круглый», соответствием
химическому составу и необходимым механическим свойствам получаемого
калиброванного проката. Кроме того, горячекатаный прокат должен иметь
высокую чистоту поверхности и бездефектное поперечное сечение.
Структура и механические свойства исходного горячекатаного
проката еще не гарантируют отсутствие брака в крепежных изделиях при
обработке холодной высадкой [2, 3].
Наиболее распространенным видом дефектов металлургического
происхождения являются неметаллические включения - частицы шлака и
огнеупоров. При холодной пластической деформации проката трещины
образуются в местах наибольших скоплений неметаллических включений.
Металлургические поверхностные дефекты, как правило, носят
прерывистый характер. Испытания на осадку исходного горячекатаного
проката до ½ h не позволяют выявить в нем металлургические дефекты,
которые раскрываются в виде трещин только при холодной высадке.
Наиболее часто встречающиеся дефекты исходного горячекатаного
проката – трещины и рванины. Они, в свою очередь, являются причинами
дефектов на получаемых методом объемной штамповки крепежных
изделиях - разрывов по граням шестигранных гаек и болтов.
183
Результат статистического анализа периодических проверок при
поставках горячекатаного проката в бунтах сталей 10пс, 20, 45, 38ХА, 40Х,
20Г2Р и 30Г1Р для производства метизов методом холодной высадки,
поступавшего с металлургических заводов показал следующее.
Количество горячекатаного проката с отклонением на входном
контроле составило:
- ОАО «Северсталь» -29294 кг или 3,1 %;
- ОАО «ЭОМК» - 4178 кг или 0,001%.
Основные отклонения металлопроката производства (ОАО
«Северсталь» / ОАО «ОЭМК») указаны в табл. 1.
Таблица 1
Отклонения на входном контроле металлопроката под холодную высадку
производства (ОАО «Северсталь» / ОАО «ОЭМК»)
№ п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Отклонения на входном контроле
Наличие поверхностных дефектов
Не выдержали испытание на осадку до 1/3 h
Отклонение по структуре проката
Отклонение по химическому составу сталей
Закаливаемость проката 20Г2Р
Отклонение по геометрическим параметрам
согласно ГОСТ 5990
Величина обезуглероженного слоя
Отклонения по механическим свойствам
согласно ГОСТ 10702-78
Наличие неметаллических включений
Количество, кг
12097/2625
15547/1553
0/0
0/0
1650/0
0/0
%
1,3/0,1
1,6/0,06
0/0
0/0
0,18/0
0/0
0/0
0/0
0/0
0/0
0/0
0/0
Выводы: Переработка горячекатаного проката с металлургическими
дефектами увеличивает количество бракованных крепежных изделий, и,
следовательно, приводит к повышенному расходу металла. При
поступлении металлопроката необходим качественный входной контроль с
целью выявления браковочных признаков и соответствия требованиям
нормативно-технологической документации.
Библиографический список
1. Филиппов А.А., Пачурин Г.В. Анализ поверхностных дефектов заготовок
горячекатаного проката для холодной высадки метизов // Заготовительные
производства в машиностроении, 2008. №5. С. 35-37.
2. Владимиров Ю.В., Герасимов В.Я. Технологические основы высадки стержневых
изделий. М.: Машиностроение, 1984. 120 с.
3. Локша О.Г., Напалков А.В. О причинах дефектов при производстве крепежа // ШиГ,
2001. №5. С.12-14.
184
УДК 620.178.3.539:620.194.8
ЭКОЛОГИЧНАЯ ЭЛЕКТРОННО-ПЛАЗМЕННАЯ ОЧИСТКА
ПОВЕРХНОСТИ СТАЛЬНОГО ЛИСТОВОГО ПРОКАТА
А.А. Филиппов, аспирант; Г.В. Пачурин, д-р. техн. наук, проф.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Холоднокатаный листовой прокат в рулоне, предназначенный для
холодной штамповки, должен иметь чистую и блестящую поверхность,
свободную от окалины, жировых и других загрязнений.
Горячекатаный или термически обработанный холоднокатаный
прокат имеют на поверхности окалину, которая должна быть удалена для
предупреждения износа валков стана и получения чистой и точной по
толщине холоднокатаной ленты.
Основным способом удаления окалины с листового проката в рулоне
является химическое травление в растворах кислот при повышенных
температурах. При относительной простоте этот метод очистки имеет ряд
существенных недостатков – образование длинных заправочных концов
ленты, большая площадь травильных и промывочных ванн, высокая
температура воды (50-70ºС), продолжительное время операции травления
(30-50 мин.), образование вредных отработанных растворов.
Использование ингибиторов позволяет избежать «недотрав» или
«перетрав» проката. Во время травления полосовой стальной ленты
образуются вредные запахи, которые постоянно должны удаляться через
бортовые отсосы в течение всего технологического процесса. Химическая
утилизация вредных отработанных растворов трудоемка и связана с
энергетическими и материальными затратами. Продолжительность
травления при очистке химическим способом соответствует скорости 0,18
м/мин без учета затрат времени на вспомогательные и транспортные
операции [1].
Возможна очистка металлических листов и лент шириной до 1600 мм
из различных марок сталей в закрытых агрегатах. Скорость очистки в
проходных агрегатах в зависимости от вида проката и возможностей
перемоточных механизмов может достигать 10 м/с [2]. Использование
электронно-плазменной технологии очистки горячекатаной ленты в рулоне
позволяет исключить ряд операций, которые используются при травлении
полосовой ленты в растворах кислот, и обеспечить экологичность
производственного процесса. Листовой прокат, обработанный способом
электронно-плазменных технологий, обладает высокой адгезионной
способностью, которая в 2-3 раза выше, чем при использовании других
способов очистки.
185
Удельные затраты электроэнергии составляют 0,3 - 0,6 квт.ч/м² [2].
Скорость очистки при электронно-плазменной технологии определяется е
мощностью, подводимой к рабочему электронно-плазменному модулю.
Максимальная скорость очистки плоского проката определяется только
параметрами перемоточного устройства и прочностью очищаемой ленты.
Практическое опробование показало, что электронно-плазменная
очистка представляет собой высокопроизводительный и экологически
чистый способ очистки горячекатаного плоского проката и термически
обработанной ленты в рулоне. Устройство для осуществления
предлагаемого способа очистки представлено на рис. 1.
Рис. 1. Устройство для очистки листового проката: 1 – вакуумная камера; 2 – кольцевые
пустотелые электроды; 3 – крышка вакуумной камеры; 4 – система вакуумирования; 5 –
правильные ролики; 6 – протяжные ролики; 7 – рама; 8 – система электропитания
(соленоиды, выпрямители, сварочные выпрямители, осцилляторы, дроссели), [3]
Установка полностью автоматизирована, занимает небольшое
пространство (около 40 м²) и отвечает требованиям техники безопасности
и охраны окружающей среды.
Результаты опытных работ по очистке горячекатаного проката в
рулоне стали марки 08кп с химическим составом, указанным в табл. 1,
приведены в табл. 2.
Таблица 1
Химический состав стали марки 08кп
Марка
стали
08кп
С
0,07
Mn
0,19
Содержание элементов в %
Si
P
0,01
0,005
S
0,013
Визуальный осмотр листового проката стали марки 08кп
свидетельствует об однородности поверхности. Следов окалины не
обнаружено. Микроструктура поверхностного слоя образцов после
химического травления в растворах кислот и после электронно-плазменной
обработки практически не отличается от сердцевины. Это подтверждается
результатами измерения микротвердости.
186
Таблица 2
Качество поверхности горячекатаного проката в рулоне стали марки 08кп
Характеристика
поверхности
Рябизна;
шероховатость
Rz 2,8
Рябизна;
шероховатость
Rz 2,8
Микроструктура
Наличие
упрочненного слоя
Химическое травление в растворах кислот
Феррит +
Отсутствует
третичный
цементит
Электронно-плазменная обработка
Феррит +
Отсутствует
третичный
цементит
Микротвердость
HV 100
215
217
Выводы: Применение электронно-плазменных методов очистки
поверхности плоского проката в рулонах позволяют обеспечить
экологически чистый оптимальный состав окружающей рабочей среды.
Библиографический список
1. Ширшов, И.Г. Электродуговая вакуумная очистка стального листового проката /
И.Г. Ширшов. // Судостроение, 1993. №10. С. 33-35.
2. Сенокосов, Е.С. Плазма, рожденная Марсом / Е.С. Сенокосов, А.Е. Сенокосов //
Металлоснабжение и сбыт, 2001. №4. С. 50-51.
3. Патент № 2139151 «Способ очистки металлических поверхностей и устройство для
его осуществления».
УДК 620.18:621.793.7
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛГГИИ РЕМОНТА
БРОНЗОВЫХ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
МЕТОДОМ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
М.Я. Швец канд. техн. наук, доц.; В.В. Акимов д-р. техн. наук, проф.;
А.Ф. Мишуров ст. преп.; Р.Ф.Салихов канд. техн. наук, доц.
Одной из важных проблем современного машиностроения является
восстановление деталей машин в ремонтном производстве, особенно тех,
которые выходят из строя по причине поверхностного износа:
распределительные валы, клапаны, цилиндровые втулки, коленчатые валы,
валы шестеренчатых насосов и так далее. Технологический процесс
восстановления поверхности позволяет создать достаточно долговечные
детали машин, требующие лишь периодического ремонта (если
повреждения сердцевины незначительны).
В качестве метода восстановления и упрочнения поверхностей
деталей
машин
является
нанесение
на
них
износостойких
187
самофлюсующихся покрытий, в результате которого выполняются
следующие операции: химико-термическая обработка деталей с
покрытием; механическая обработка защитного слоя. При нанесении
износостойких покрытий термическая обработка будет существенно
влиять на структуру и свойства упрочненных деталей машин. При
восстановлении изношенных деталей с износостойким покрытием
недопустимо охрупчивание, снижение трещиностойкости, а также
разупрочнение основы. Невыполнение данных условий приводит к
снижению конструктивной прочности деталей. Причиной этого является
неблагоприятное строение, низкие механические свойства зон
наплавления, термического влияния на материал.
В данной работе представлен термодиффузионный способ
восстановления бронзовых деталей машин. Метод позволяет увеличить
размеры изношенных деталей от (0,1до 0,5) мм в зависимости от толщины
стенок деталей, состава диффузионной смеси и режима насыщения, а
также получать слои, обладающие повышенной износостойкостью с
исходной бронзой.
Значительным преимуществом этого метода является простота
выполнения технологических операций, несложностью оборудования,
недефицитностью использованных материалов, что позволяет снизить
расход запасных частей примерно на 5%.
Для проведения экспериментальных работ в качестве образцов
использовали блок цилиндров гидронасоса (рис.1).
Для восстановления образцов использовали диффузионные смеси
следующего состава: порошок цинка-20%, хлористый аммоний-1%,
огнеупорная глина-79%. Время выдержки при диффузионном насышении
при температуре 725оС -1,5 час.
б)
а)
Рис. 1. Блок цилиндров качающего узла гидронасоса: а- до восстановления; б- после
восстановления
188
Толщина наращиваемого слоя должна составлять для блоков
качающего узла гидронасоса (0,4-0,5) мм. Это обусловлено величиной
припуска на механическую обработку и обеспечением шероховатости
внутренней поверхности отверстий цилиндров. Толщина наращиваемого
слоя должна составлять для блоков качающего узла гидронасоса (0,4-0,5)
мм.Это обусловлено величиной припуска на механическую обработку и
шероховатости внутренней поверхности отверстий цилиндров.На рис.2
представлена графическая зависимость величины наращенного слоя от
времени выдержки диффузии при различных температурах.
Рис.2.Зависимость величины наращиваемого слоя от времени диффузионного
процесса при различных температурах.
Были определены оптимальные диапазоны температуры нагрева 750 о
С и времени диффузионного процесса (5000-7000) с до наращиваемого
необходимого слоя покрытия. Снижение температуры и времени
выдержки уменьшают толщину слоя, а увеличение приводит к
перенасыщению цинком восстанавливаемой детали и охрупчиванию
наращиваемого слоя.
Библиографический список
1.Бороисов, Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов: справочник /
Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.А. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская.- Киев: Наукова
думка, 1987.-543с.
2.Супрунов, Г.И. Исследование износостойкости плазменных покрытий деталей
почвообрабатывающей техники и комбикормового оборудования при трении в
свободном абразиве/ Г.И. Супрунов, Б.Е Лопарев // Омский научный вестник., 2009.- №
1 (77).- С. 45-47.
3.Минкевич, Б.А, Котов В.А. Химико-термическая обработка меди и латуни./ Б.А.
Минкевич, В.А.Котов. - М.: Машгиз, 1960.-36с.
4.Колачев,Б.А., Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов
/.Б.А.Колачев, В.А. Ливанов., В.И. Елагин. М. : Металлургия, 1972.-480с.
189
СЕКЦИЯ 5
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ
И ТТМ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА
УДК 629.083: 656.13
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ РЕМОНТА
АВТОМОБИЛЕЙ
В.И. Гурдин, к.т.н., профессор; А.В. Бердюгин, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Под параметрами системы понимаются величины, характеризующие
ее свойства. Оптимизация параметров системы ремонта заключается в
установлении таких значений этих параметров и такого их изменения во
времени, при которых достигается максимально возможная в
определенных условиях эффективность. Оптимизация параметров системы
ремонта включает изучение составляющих элементов системы;
составление модели исследования; получение численных значений
исходных данных; разработку, отладку программ вычислений; составление
плана исследований; осуществление исследований; анализ исследований;
корректировку (при необходимости) модели и проведение повторных
исследований; формирование рекомендаций.
Оптимизацию параметров системы ремонта можно проводить
теоретическими,
экспериментальными
и
экспериментальнотеоретическими методами.
При формулировании целей оптимизации Ц пользуются одним из
следующих принципов:
Э
max ,
З
Ц З min ,
Ц
Ц Э max ,
где Э – эффект от функционирования системы; З – затраты на
функционирование системы.
При проведении исследований по оптимизации параметров системы
ремонта накладываются определенные ограничения. Имея целевую функцию
и ограничения, можно составить математическую, модель оптимизации.
Типовая схема оптимизации параметров теоретическими методами
(рис. 1) состоит из следующих блоков:
1 – блок исходных данных для получения: а – зависимости эффекта (Э) от
оптимизируемых параметров (Рi), времени их введения (tВ), периода
действия (ТД) и текущего времени;
190
б – зависимости затрат (З) на разработку, производство, эксплуатацию и
ремонт автомобилей и их составных частей;
в –зависимости цели производства ремонта от эффекта затрат и времени;
г – зависимости параметров системы от научно-технических возможностей
(ограничения) – Е;
д –зависимости параметров системы от производственных возможностей,
материально-технического
снабжения
запасными
частями,
комплектующими изделиями, обеспеченность кадрами и т. д. – НР;
2 – блок составления зависимостей а, б, в, г, д;
3 – блок прогнозирования изменения исходных данных зависимостей в
будущий период времени;
4 – блок составления целевой функции (Ц) и ограничений (Е и НР) по
зависимостям а, б, в, г, д;
5 – блок вычисления оптимальных параметров по целевой функции и
ограничениям блока 4;
1
2
Составление исходных
зависимостей:
Затраты
Эффекты
Связи м/у параметрами
Научно-технические
возможности
Ограничения в виде
неравенств
Получение
входной
информации
З
3
З
4
Э
Прогнозирование
изменения
исходных
зависимостей
Э
Формализация
целевой
функции
и
ограничений
Z
E
H
Z
E
H
Процесс
изменения
параметров
Pi , t b , T
Изменение
входной
информации
Изменение
зависимостей
Целевая
функция
Ограничения
Ц 1 ( P1 P1 ,..., Pu Pu ,...)
5
Вычисление
Дополнительная
информация
Ц opt
Дополнительная
информация
8
Принятие
решения по
корректировке модели
Ц
6
Оценка
модели
7
Прогнозирование
отдельных
параметров
9
Принятие
решения
Дополнительная
информация
Рис. 1. Принципиальная схема оптимизации параметров системы ремонта
теоретическими методами
191
6 – блок оценки применимости модели, коррекции исходной информации
и способов учета связей между параметрами, их изменений во времени и
других факторов;
7 – блок непосредственного прогнозирования отдельных параметров;
8 – блок принятия решения по корректировке модели;
9 – блок принятия решения по параметрам системы.
Построение рациональной системы ремонта необходимо базировать
на научно обоснованных данных: о видах ремонта, периодичности их
проведения,
перечне
выполняемых
операций,
трудоемкости,
производственных средствах [1].
Техника построения системы сводится к группированию видов работ
по периодичности (рис. 2). Данные о периодичности работ получают по
результатам стендовых и дорожных испытаний, из статистических
обобщений данных опытной и повседневной эксплуатации автомобилей.
По результатам группирования работ по срокам выполнения
определяются виды ремонта автомобилей, периодичность и перечень
операций при каждом ремонте.
Периодичность, тыс. км
Виды работ
20
40
60
80
100
120
140
0
Очистные
Диагностические
Регулировочные
Крепежные
Смазочные
Разборочно-сборочные:
при замене деталей,
при замене узлов,
при замене агрегатов,
при восстановлении
ресурса
Ремонтные:
арматуры, оперения,
базисных деталей,
небазисных деталей
Группы работ
1
2
3
3
4
5
Рис. 2. Схема построения системы технического обслуживания и ремонта
Группирование работ проводится по каждому агрегату и автомобилю
в целом. Близкие друг другу по периодичности работы округляются в
192
сторону уменьшения. В приведенном примере (рис. 2) все работы можно
объединить в следующие группы:
1 – через 3,5 – 5 тыс. км – ТО-1;
2 – через 14 – 20 тыс. км – ТО-2;
3 – по потребности – текущий ремонт агрегатов и автомобиля;
4 – через 120 тыс. км – капитальный ремонт отдельных агрегатов;
5 – через 200 тыс. км капитальный ремонт автомобиля.
Периодичность проведения технических обслуживании и ремонтов
зависит: от конструкции автомобилей, надежности их составных частей,
климатических и дорожных условий эксплуатации, качества обслуживания
и вождения, применяемых сортов горюче-смазочных материалов, условий
использования [1].
Трудоемкость выполнения операций при каждом из видов
технического обслуживания и ремонта рассчитываются применительно к
определенному производству.
Неисправные
автомобили
Вход
Производственные
средства,
Процесс ремонта
Запасные части
Исправные
автомобили
Выход
Неисправные детали
Управление
Ограничения
Получение информации, ее переработка,
принятие решений, контроль
Нормативы, нормы,
ТУ, Положения
Рис. 3. Принципиальная схема функционирования системы ремонта
Эффективность функционирования системы ремонта (рис. 3) зависит
от параметров входа, выхода, производственных средств и управления.
Основными параметрами входа являются: поток требований на ремонты,
распределение этого потока по маркам автомобилей, видам ремонта,
характеристики ремонтного фонда по видам работ и трудоемкости.
Выходящий поток характеризуется: потоком отремонтированных
автомобилей, распределением их по маркам, качеством выполнения
ремонтных работ, надежностью отремонтированных автомобилей,
трудовыми и материальными затратами, общей себестоимостью ремонта.
Превращение неисправных автомобилей в исправные осуществляется
производственными средствами, которые характеризуются ведомственной
принадлежностью, специализацией, производственной мощностью,
адаптацией к смене обстановки.
193
Ограничениями в системе являются: себестоимость, расход трудовых
и материальных ресурсов на единицу ремонта, специализация
производственных средств, их мощность, размещение по территории,
ведомственная принадлежность, размеры поставок материалов, запасных
частей, комплектующих изделий и др.
Исходными данными для проектирования рациональной системы
ремонта автомобиля являются [3]:
-значения доремонтных и межремонтных ресурсов автомобилей и их
агрегатов;
-численность, возрастной состав, техническое состояние парка по маркам
автомобилей, его разбивка на группы эксплуатации;
-интенсивность и условия эксплуатации автомобилей;
-средняя трудоемкость единичного ремонта изделий, поступающих в
ремонтные средства;
-порядок финансирования и возмещения затрат на построение и
функционирование ремонта;
-размещение ремонтного фонда по территории, обслуживаемой системой
ремонта, порядок и календарные сроки его поступления на ремонтные
предприятия;
-наличие и резервы трудовых ресурсов в районах функционирования
системы ремонта;
-правовые нормы взаимоотношений с автотранспортными предприятиями,
органами снабжения, и другими организациями;
-достижения науки и практики по организации производства, технологии
выполнения ремонтных работ, управлению и другим вопросам
деятельности ремонтных предприятий и объединений.
На основе этих исходных данных можно провести расчет элементов
подсистемы капитального ремонта автомобилей.
Выход автомобилей в ремонт обусловливается предельно
допустимыми отклонениями параметров технического состояния
автомобилей и их составных частей.
Установление предельно допустимых отклонений параметров
технического состояния составных частей автомобиля производят по
одному из следующих критериев: техническому, технологическому,
экономическому. Как правило, предельное состояние деталей и
сопряжений устанавливается по одному критерию, другие являются
вспомогательными. Для передаточных механизмов автомобиля основным
критерием является технический (наступление форсированного износа),
для органов управления и тормозов — технологический (качество работы),
для двигателя и автомобиля в целом — экономический критерий.
Определение оптимального допустимого отклонения параметра
технического состояния составных частей автомобиля производятся по
194
следующей методике [2]. В процессе эксплуатации через определенные
наработки tк составные части диагностируют и определяют потребность в
ремонте из условия:
u1 (tк ) Do , или u1 (tк ) Do ,
где u1 (tк ) – значение параметра технического состояния; Do – допустимое
отклонение параметра технического состояния.
При этом может оказаться, что:
-ресурс составной части автомобиля меньше наработки до первого
контроля (в механизмах наблюдается форсированный износ);
-остаточный ресурс, оставляемый для работы составной части автомобиля,
меньше межконтрольной наработки (автомобиль выйдет в текущий ремонт
до контрольной проверки);
-ресурс составных частей автомобиля используется полностью
(автомобиль будет выходить в ремонт в планируемые периоды).
Изменение допустимого отклонения параметра технического
состояния или межконтрольной наработки влияет на вероятность отказа
составных частей автомобиля QDo , tк и на их средний, фактически
используемый, ресурс tф Do , t к .
Любое изменение Do или tк улучшает один из показателей QDo , tк
или tф Do , t к одновременно ухудшая другой.
Оптимальное допустимое отклонение параметра техническогосостояния из условия обеспечения минимума удельных издержек на
эксплуатацию и ремонт при заданной межконтрольной наработке
определяется минимумом следующей функции:
A Q Do c1 Q( Do )
ФDo min
.
ODU1 t ( D )
tф ( Do )
ф o
Do 1
вероятность отказа
Q( Do ) 1 , а средний,
При любом
фактически используемый ресурс составной части tф Do Tcp .
Вероятность отказа вычисляется по формуле
i 1
To
i T
D
o
,
Fo o
QDo Fo
o
o
n
где Fo –
нормированная и центрированная функция нормального
распределения
случайной
величины;
i
–порядковый
номер
межконтрольного периода;
n
1
; o p ,
1 Do
tм
где o – среднее квадратичное значение ресурса автомобиля.
195
Допустимые отклонения параметров и остаточный ресурс составных
частей агрегатов определяется на основе подконтрольной эксплуатации
определенного количества автомобилей, в процессе которой фиксируются
изменение параметров во времени и от пробега, а также экономические
затраты на техническое обслуживание и ремонт.
В качестве показателей ресурса и наработки элементов на отказ
принимают: средний ресурс; коэффициент вариации ресурса; наработку на
отказ; наработку до момента контроля; наработку между техническими
обслуживаниями и ремонтами.
В качестве характеристик изменения параметра технического
состояния составной части агрегата принимается: номинальное значение
параметра; предельное значение параметра; изменение параметра в
процессе приработки; изменение параметра через определенные
подконтрольные наработки, а также при технических обслуживаниях и
ремонтах; среднее квадратичное отклонение параметра и показатель
степени, функций.
В качестве экономических характеристик технического обслуживания
и ремонта принимают: средние издержки на диагностирование составной
части по данному параметру; средние издержки на предупредительное
восстановление, в которые входят издержки на проверки, регулировки,
ремонт с целью доведения параметра до номинального значения; средние
издержки на устранение отказа составной части по данному параметру.
Условия эксплуатации автомобилей, влияние климата и другие
особенности учитывают при расчетах ресурсов с помощью поправочных
коэффициентов.
Трудоемкость единичных ремонтов автомобилей зависит от
конструкции и технического состояния автомобилей, специализации и
мощности ремонтных предприятий, уровня организации и механизации
труда, объема восстановления изношенных и поврежденных деталей,
применяемой технологии и оснащения производства необходимым
оборудованием.
При проектировании системы, в которой предусмотрен ремонт новых
моделей автомобилей, нормы времени определяют по статистическим
данным о нормах на ремонт основных моделей автомобилей с учетом
коэффициента приведения [1].
Коэффициент приведения K П определяется по формуле:
KП 3
G12
,
G22
где G1 – масса новой модели автомобиля; G2 – масса модели, принятой за
аналог; –поправочный коэффициент, = 0,95, если; G1 G2 ; =1,05,
если G1 G2 .
196
Так же учитывается влияние на трудоемкость других факторов.
Проектную трудоемкость рассчитывают по формуле
TП Ti К П К М К С Кi ,
где Ti – трудоемкость ремонта модели, принятой за аналог; К М , К С , Кi —
коэффициенты, учитывающие соответственно мощность, специализацию и
оснащенность ремонтных предприятии.
Оценка эффективности функционирования системы производится по
количественным, качественным и экономическим показателям, что
позволяет
определить
производительность,
стоимость,
фондовооруженность системы, трудоемкость и себестоимость ремонта,
качество и надежность отремонтированных автомобилей, время
нахождения автомобилей в системе и др.
Библиографический список
1. Маслов Н. Н. Эффективность и качество ремонта автомобилей – 2-е изд. перераб. и
доп. – М.: Транспорт, 1995. – 304с. – (надежность и качество)
2. Писарев И. С. Перспективы создания информационных систем в ремонте агрегатов
автомобилей / В. Н. Катаргин, И. С. Писарев // В сб. научных трудов Вестник Краснояр.
гос. техн. ун-та Вып. 34. Транспорт. – Красноярск, 2004. – С. 164–168.
3. Трегуб Г. Г., Дюмин И. Е. Ремонт автомобилей: Учебник для вузов./ Под ред.
И.Е. Дюмина. М.: Транспорт, 1995. 280с.
УДК 621.43
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ДАТЧИКА КОНЦЕНТРАЦИИ
КИСЛОРОДА И ВЛИЯЮЩИХ НА НЕГО
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ
И.П. Залознов, канд. техн. наук, доц.; О.В. Куксгаузен, соискатель
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
На современном автомобиле проблемы нейтрализации токсичных
веществ в отработавших газах (ОГ) двигателя решается с применением
специальных газонейтрализаторов. Эти устройства более надежно
работают совместно с системой впрыска бензина, которая оснащена
датчиком (датчиками) концентрации кислорода (ДКК) в выпускном тракте
двигателя [1]. Основной задачей ДКК является определение количества
кислорода в отработавших газах.
В системах впрыска, как правило, регулирование топливоподачи
осуществляется по сигналу обратной связи от ДКК. Принцип работы системы
регулирования топливоподачи с обратной связью по составу смеси
заключается в следующем: в соответствии с величиной выходного сигнала
установленного
в
выпускной
системе
кислородного
датчика,
197
характеризующей мгновенный фактический состав сгоревшей смеси, система
регулирования обеспечивает такое изменение топливоподачи, которое бы
компенсировало текущее отклонение состава смеси от стехиометрического[4].
Современные ДКК для систем управления двигателем, в зависимости
от метода определения концентрации кислорода, выполняются в
следующих вариантах:
- как химический источник тока с изменяемой по концентрации кислорода
электродвижущей силой: чувствительный элемент таких датчиков в
основном изготавливается из двуокиси циркония (ZrO2), но возможно
применение и других электролитов с подобными свойствами[1,5,6,7,8,9];
- как хеморезистор, у которого величина электрического сопротивления
зависит от парциального давления кислорода в омываемых датчик
выхлопных отработавших газах: чувствительный элемент датчиков такого
типа выполняется, как правило, из двуокиси титана (TiO2), но возможно
применение и других электролитов с подобными свойствами (CaO,
CoO,MgO2)[1,10,11,12];
- как термопара с термоэдс, зависящей от концентрации кислорода[1];
- парамагнитный датчик, принцип действия которого основан на
использовании парамагнитных свойств кислорода: при периодической подаче
в зазор датчика газа, содержащего кислород, магнитный поток в контуре
изменяется, вследствие чего изменяется и возбуждаемый им электрический
ток, и по колебаниям тока судят о содержании в газе кислорода[13];
- датчик для измерения парциального давления кислорода, принцип
действия которого основан на анализе акустических волн[14];
- оптический датчик содержания кислорода, чувствительный диск
которого из палладия, соединенный тремя оптическими волоконными
светодиодами с источником света, отражательная способность диска
зависит от парциального давления кислорода в отработавших газах[15].
В автомобилестроении применяются ДКК изготавливаемые по первым
трем вариантам. На сегодняшний день наибольшее распространение
получили ДКК как химические источники тока с чувствительным
элементом из ZrO2[3]. Такие датчики имеют различное конструктивное
исполнение и их можно разделить на три группы[2].
1. Двухступенчатые ДКК.
Пористая керамика на основе ZrO2 (рисунок 1) легированная оксидом
иттрия, является твердым электролитом, т.е. проводит ионы кислорода. После
прогрева до рабочей температуры между электродами Pt/ZrO2/Pt возникает
напряжение, величина которого определяется разностью содержания
кислорода в отработавших газах двигателя (0,1…2,0 %) и в наружном воздухе
(21 %). Чем больше концентрация кислорода в отработавших газах, тем
меньше выходное напряжение на кислородном датчике. Диапазон рабочих
температур обычных датчиков составляет 300..400°С. Диапазон выходного
198
напряжения кислородного датчика составляет 10-1200мВ и определяется его
конструкцией. При стехиометрическом составе смеси (14,7:1) среднее
значение выходного напряжения составляет примерно 450-500мВ. Следует
отметить, что в зоне оптимального состава смеси (при λ=1) напряжение ДКК
характеризуется достаточно высокой крутизной выходной характеристики
(рисунок 2). То есть при таком составе смеси его выходное напряжение резко
изменяется даже при незначительных изменениях содержания кислорода в
отработавших газах. Данное свойство двухступенчатых ДКК является
недостатком, так как блок управления двигателем по такому сигналу не может
определить содержание кислорода в ОГ в зоне обедненных смесей[3,7,8,9].
1 – керамический элемент ДКК (ZrO2);
2 – платиновые электроды; 3 – контакты;
а – богатая смесь (недостаток воздуха);
4 – контакт корпуса; 5 – выпускная труба; b – бедная смесь (избыток воздуха)
6 – керамический защитный слой (пористый)
7 – отработавшие газы; 8 – атмосфера
Рис. 1. Принципиальная схема
Рис. 2. Характеристическая кривая
двухступенчатого ДКК
напряжения на контактах ДКК
2. Планарные ДКК.
Планарные датчики кислорода по своим характеристикам
соответствует двухступенчатым ДКК со скачкообразной характеристикой
кривой при λ=1 (рисунок 2). Твердый электролит этого датчика состоит из
ряда отдельных, наслаивающихся друг на друга пленок (рис. 3).
Планарные ДКК как и двухступенчатые работают по принципу
гальванического элемента с твердым электролитом (принцип Нернста).
При достижении температуры 350˚С, керамический элемент датчика
становится проводящим для ионов кислорода. Так как при работе в зоне
стехиометрической смеси (λ=1) имеет место резкое изменение
концентрации кислорода в измерительном слое ДКК, это приводит к тому,
что между обеими пограничными поверхностями датчика возникает
электрическое напряжение из-за разности концентрации кислорода внутри
и снаружи зонда[2,16,17]. Возможен вариант планарного датчика, когда
контрольный канал заполнен кислородом и не сообщается с атмосферой.
199
1 – отработавшие газы; 2 – пористый керамический защитный слой; 3 – измерительный
слой с микропористым слоем из благородных металлов (ZrO2); 4 – канал контрольного
воздуха; 5 - нагреватель
Рис. 3. Измерительный элемент планарного ДКК
3. Планарный широкополосный (широкодиапазонный) ДКК.
Преимущество широкополосного ДКК перед другими датчиками
заключается в возможности определения концентрации кислорода в ОГ в
широком диапазоне, что соответствует коэффициенту избытка воздуха от
0,7 до бесконечности (рисунок 4).
Рис. 4. Зависимость насосного тока от коэффициента избытка воздуха λ
Широкополосный ДКК представляет собой планарный датчик
предельного тока. Его измерительный элемент состоит из керамического
тела на основе диоксида циркония (ZrO2) и представляет собой сочетание
элемента концентрации Нернста, как у двухступенчатого датчика и
насосного элемента, который переносит ионы кислорода (рисунок 5).
Отработавшие газы 1 через канал 10 поступают в диффузионную щель
6 через диффузионный барьер 11. Концентрация кислорода в ОГ в
диффузионной щели сравнивается с контрольным воздухом в воздушном
канале 5, причем блок управления путем подачи напряжения Up
поддерживает в диффузионной щели постоянный состав газа при λ = 1.
При высоком содержании кислорода в ОГ (бедная смесь) насосный
200
элемент откачивает кислород наружу (положительный насосный ток), а
при уменьшении содержания кислорода в ОГ (богатая смесь) кислород из
ОГ откачивается через диффузионную щель в окружающую среду
(отрицательный насосный ток). При λ = 1 перекачка кислорода не
происходит, насосный ток равен нулю. Насосный ток пропорционален
концентрации кислорода в ОГ и является нелинейной мерой коэффициента
избытка воздуха λ (рисунок 4) [2,18,19,20].
1 – отработавшие газы; 2 – выпускная труба; 3 – нагреватель; 4 – электронная схема
регулирования; 5 – опорный элемент с контрольным воздушным каналом; 6 –
диффузионная щель; 7 – элемент концентрации Нернста; 8 – насосный элемент для
подкачки кислорода с насосными электродами; 9 – пористый защитный слой; 10 –
канал для доступа ОГ; 11 – пористый диффузионный барьер; Ip – ток насоса; Up –
напряжение насоса; Uн – напряжение нагревателя; URef – контрольное напряжение (450
мВ, соответствует λ = 1); Us – напряжение зонда.
Рис. 5. Схема строения измерительного элемента планарного широкополосного ДКК
В процессе эксплуатации автомобиля технические характеристики
ДКК ухудшаются. Как показала практика и проведенные ранее
исследования основные причины, приводящие к неисправности и отказам
ДКК, и эксплуатационные факторы, оказывающие влияние на элементы
датчика следующие:
1. Повреждение керамического элемента, вследствие изменения
физико-химических свойств керамического элемента ДКК:
- под действием продуктов сгорания насыщенных углеводородов
моторного масла (при чрезмерном износе ЦПГ и маслосъемных
колпачков)[21,25];
- при применении бензина содержащего добавки марганца и железа,
повышающие детонационную стойкость бензина[21];
- под действием свинца, который хоть в малых количествах содержится в
любом бензине (в этилированных бензинах содержится больше свинца,
чем в стандартном бензине)[22];
- при попадание в чувствительный элемент кремнийорганических
продуктов, содержащихся в силиконовых герметиках[23,24];
201
- при применение «присадок», «очистителей топливных систем»,
растворителей, сольвентов и тому подобных добавок к топливу, которые
не сертифицированы для систем с датчиками кислорода и
каталитическими нейтрализаторами;
- при попадании в систему выпуска составных частей охлаждающей
жидкости (антифриза);
2. Отказ подогревателя ДКК (перегорание нагревательного элемента,
повреждение цепи питания подогревателя);
3. Нарушение герметичности корпуса;
4. Повреждение электрических соединений (обрыв цепи, короткое
замыкание на корпус или на выход)[3].
Анализ литературы и патентов показал, что основными параметрами,
характеризующими исправность ДКК, являются:
- время реакции датчика на изменение состава топливовоздушной
смеси (быстродействие);
- диапазон выходного сигнала;
- время нарастания сигнала[3].
В современных блоках управления двигателем алгоритм определения
неисправности ДКК основан на определении изменения диапазона
выходного сигнала[26,27,28]. Другие признаки ухудшения параметров
ДКК не определяются электронным блоком управления двигателем, хотя
его эксплуатационные свойства могут значительно ухудшаться.
Выводы:
1. На большинстве современных автомобилей в системе управления
двигателем применяются датчики концентрации кислорода, которые
отличаются многообразием конструкций и применяемых материалов, но
все же наибольшее распространение получили ДКК с измерительным
элементом на основе ZrO2.
2. В процессе эксплуатации автомобиля характеристики ДКК
ухудшаются, что приводит к увеличению расхода топлива, снижению
мощности двигателя, увеличению выбросов вредных веществ в атмосферу.
3. Блок управления двигателем фиксирует только явные неисправности ДКК
и не определяет другие признаки ухудшения параметров датчика, влияющих
на эксплуатационные свойства автомобиля. Поэтому актуальным вопросом
технической эксплуатации автомобиля является разработка методики
поддержания ДКК в работоспособном состоянии, при котором
эксплуатационные свойства автомобиля находятся в допустимых пределах.
Библиографический список
1. Соснин, Д.А. Автотроника. Электрооборудование и системы бортовой автоматики
современных легковых автомобилей: Учебное пособие / Д.А. Соснин. – М.:СОЛОН-Р,
2001. – 272 с.
202
2. Системы управления бензиновыми двигателями. Перевод с немецкого. Первое
русское издание. – М.: ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. – 432 с.: ил.
3. Лещенко В.П. Кислородные датчики. Устройство, принцип действия, диагностика /
В.П.Лещенко. – М.: Легион-Автодата, 2003. – 112 с.
4. Тюфяков, А.С., Ибрагимов, Б.Р., Штрайхер, Е.Е. Управление составом смеси в
бензиновом ДВС по содержанию кислорода в отработавших газах. //
Двигателестроение. – 1990. - № 5. - С. 52-54.
5. «Krafthand»,1973, 46, №23, 1504-1505.
6. Eddy David «IEEE Trans.Veh. Technol.»,1974, 23, №4, 125-128.
7. Пат. США №3844920, 1974.
8. Пат. ФРГ №2502409, 1976.
9. А.с. 193728, ЧССР, 1982.
10. Пат. США №4147513, 1979.
11. Пат. США №4012709, 1977.
12. Пат. США №4004452, 1977.
13. Otten Johan «SAE Techn. Pap. Ser.» - 1990, №900067, pp. 1-28.
14. А.с. 1191817, СССР, 1985.
15. Пат. США №4764343, 1988.
16. Пат. ФРГ №4243733, 1994.
17. Пат. ФРГ №4243732, 1994.
18. Пат. ФРГ №4243734, 1994.
19. Пат. США №4570479, 1983.
20. Ueno Sadayasu «SAE Tech. Pap. Ser.»,1985, №860409, pp. 27, 33, ill.
21. Kawai Mitsuo, SaitoTakaharu «ISATA 81. Proc. 10th Anniv. Int. Symp. Automot.
Technol. And Autom., Stockholm, 7-11 Sept., Vol.2», Croydon, s.a., 1-15.
22. Young C.T. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1979, №790143, 10pp., ill.
23. Holleboom Bruce W. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1986, №860478, pp.117-122, ill.
24. Landis Julie K., Garner Paul J., «SAE Tech. Pap. Ser.». – 1988. - №880024. – с. 1-4.
25. Brett P.S. «SAE Tech. Pap. Ser.», 1989, №890490, pp. 1-12.
26. Пат. США №546765, 1989.
27. Пат. США №4938194,1990.
28. Пат. США №5577382, 1996.
УДК 621.439:629.114.5
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ
ТРУБЧАТОГО ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЯ (ТЭН)
Н.Г. Певнев, д-р. техн. наук, проф., зав. кафедрой, М.В. Банкет, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В последнее десятилетие ХХ века в мировой экономике начала набирать
силу волна популярности сжиженного нефтяного газа (СУГ) как моторного
топлива. Сегодня только в США пропановый бизнес оценивается в 8
миллиардов долларов. По прогнозам специалистов эта волна достигнет своего
высшего уровня к концу первой четверти ХХI века. В России также
наблюдается повышенный интерес к использованию СУГ в качестве
203
моторного топлива. Так рост объемов газа, реализуемого через автомобильные
газовые заправочные станции, за последние три года вырос на 60% [1].
По мнению аналитиков, если стоимость моторного топлива в течении
ближайших лет повысится, спрос перераспределится в сторону СУГ.
Ежегодный объем потребления СУГ внутренним рынком, составляет 3
млн.т. В настоящее время в России основными альтернативными видами
моторного топлива являются компримированный природный газ и СУГ [2].
В регионах, где имеется развитая инфраструктура для использования
СУГ на автомобильном транспорте, применение этого вида моторного
альтернативного топлива считается перспективным, однако имеется ряд
проблем при эксплуатации газобаллонных автомобилей (ГБА) при
отрицательных температурах окружающего воздуха [3].
Эффективная работа современного газобаллонного автомобиля
зависит от ряда внешних факторов таких как: условия эксплуатации ГБА,
свойства СУГ, надежность газобаллонного оборудования (ГБО).
Влияния данных факторов на работу ГБА представлено в виде блок
схемы на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема влияния внешних факторов на работу ГБА
Условия эксплуатации ГБА представлены подсистемами: температура
окружающего воздуха, скорость ветра. Свойства СУГ представлены
подсистемами: температура и давление СУГ в автомобильном газовом
баллоне. Надежность ГБО представлена подсистемами: качество ГБО и
204
выбор ГБО для конкретного ГБА. Работа ГБА представлена подсистемами:
система питания ДВС ГБА, вид топлива используемого ГБА,
экономические показатели работы ГБА.
Условия эксплуатации ГБА воздействует на свойства СУГ, изменяя
давление в автомобильном газовом баллоне, если давление снизится до
0,15 МПА (согласно ГОСТ Р 52087-2003) система питания двигателя ГБА
не сможет работать на газовом топливе, что повлечет за собой
автоматический переход на питание бензином и следовательно произойдет
увеличение статьи затрат на топливо (см. рис. 1 блок экономические
показатели работы ГБА). На экономические показатели работы ГБА также
влияет надежность ГБО, а именно качество ГБО и выбор ГБО для
конкретного ГБА. Поскольку неправильный выбор ГБО повлечет
дополнительные затраты, в следствии увеличения отказов ГБО.
Для обеспечения круглогодичной эксплуатации автомобильного
транспорта на СУГ предложен вариант поддержания заданного давления в
автомобильном газовом баллоне при помощи ТЭН /3/.
Предметом
исследования
представленной работы
являются
закономерности, устанавливающие связь между параметрами работы ГБА
и предложенным методом поддержания давления насыщенный паров СУГ,
а также математическая модель расчета параметров ТЭН.
Блок схема влияния внешних факторов на работу ГБА с учетом
предложенного метода поддержания давления СУГ изображена на рис. 2.
Рис. 2. Блок-схема влияния внешних факторов и метода поддержания
давления СУГ на работу ГБА
205
При установке ТЭН в
газовый
баллон
ГБА
нагреватель
будет
воздействовать на физические
свойства СУГ, увеличивая
давление насыщенных паров
газа, тем самым обеспечивая
эксплуатацию ГБА на СУГ и
уменьшая статью затрат на
топливо.
ТЭН
будет
воздействовать
и
на
надежность ГБО.
Рис. 3. Принципиальная схема математической
Выбор
ТЭН
для
модели расчета параметров ТЭН
поддержания
заданного
давления в газовом баллоне необходимо производить исходя из ряда
условий: 1) температура СУГ в газовом баллоне, 2) объем газового баллона
установленного на ГБА, 3) место расположения газового баллона на ГБА.
После определения данных граничных условий производится расчет
параметров ТЭНа. Исходя из расчетных параметров, осуществляется выбор
ТЭНа. Принципиальная схема математической модели представлена на рис.3.
Математическая
модель
расчета
параметров
трубчатого
электронагревателя (ТЭН) представлена на рис.4.
Пример расчета трубчатого электронагревателя (ТЭН)
Определяем граничные условия: 1) температура СУГ в автомобильном
газовом баллоне: -20 0 С . 2) объем газового баллона установленного на
ГБА: 50 л. 3) место расположения газового баллона на ГБА: на раме ГБА.
Расчет параметров ТЭН
Поскольку газовый баллон установлен на раме автомобиля,
необходимо произвести учет поправок на скорость ветра. Учет
производится
согласно
методике
разработанной
Научноисследовательским институтом охраны труда РГСУ («НИИОТ РГСУ»).
Таблица 1
Скорость ветра
м/сек
2
3
5
8
11
15
км/час
7
11
18
29
40
54
Температура с учетом поправок на скорость ветра
Температура, ˚С
0
-1
-4
-9
-13
-16
-18
-5
-6
-10
-15
-20
-23
-26
-10
-11
-15
-21
-27
-31
-34
-15
-16
-21
-28
-34
-38
-42
-20
-21
-27
-34
-41
-46
-49
206
-25
-27
-32
-40
-48
-53
-57
-30
-32
-38
-47
-55
-60
-65
-35
-37
-44
-53
-62
-68
-73
-40
-42
-49
-59
-69
-75
-80
-45
-47
-55
-66
-76
-83
-88
-50
-52
-60
-72
-83
-90
-96
Рис. 4. Математическая модель расчета параметров ТЭН
207
Скорость автомобиля примем 40 км/ч. Температура СУГ в газовом
баллоне при данной скорости согласно таблице 1 равна -46 0 С .
Количество теплоты, необходимое для повышения температуры СУГ
до заданной величины с учетом тепловых потерь нагревательного
элемента, Дж:
Q ПБС С ПБС М ПБС (t к t н ),
Дж
где С ПБС - массовая теплоемкость ПБС,
;
кг С
М ПБС - масса ПБС, кг;
t к - конечная температура ПБС, 0 С ;
t н - начальная температура ПБС, 0 С .
Q ПБС 1,854 22 (36 (46)) 407,88кДж .
Дж
Массовая теплоемкость ПБС,
:
кг С
С ПБС С П m П С Б m Б ,
Дж
где С П - массовая теплоемкость пропана,
;
кг С
Дж
С Б - массовая теплоемкость бутана,
;
кг С
m П - масса пропана, кг;
mБ - масса бутана, кг.
кДж
С ПБС 0,5 2, 23 0,5 1, 478 1,854 0 .
кг С
Количество теплоты, необходимое для повышения температуры
материала стального бака с учетом потерь, Дж:
Qбака С бака М бака (t к t н ),
где С бака - массовая теплоемкость материала бака,
Дж
;
кг С
М бака - масса бака, кг;
Qбака 0,47 21 (36 (46)) 98,7 кДж .
Полное количество теплоты, Дж:
Q
(Q ПБС Qбака )
,
где - КПД нагревательного элемента.
Q
(407,88 98,7)
516,9кДж .
0,98
Необходимый тепловой поток нагревательного элемента, Вт
P
Qk
,
где
k – коэффициент запаса (1,1-1,3), учитывающий уменьшение
напряжения сети, старения нагревательного элемента и др;
208
- время нагрева изделия, с.
P
516,9 1,1
0,135кВт .
70 60
Сила тока нагревательного элемента, А:
P 1000
,
U
0.135 1000
I
9,67 А .
14
I
Диаметр нагревателя круглого сечения, м:
4t P 2
d 3 2
,
U 2 эф
где t - удельное электрическое сопротивление нагревательного элемента
при температуре t,
Вт
.
см 2
t 20 k ,
где 20 - удельное сопротивление при 20 0 С , Ом м ;
k - поправочный коэффициент для жаростойких и жаропрочных
сплавов в интервале температуры от 20 0 С до 1400 0 С равен k =1,01-1,1.
t 1,12 1,01 1,13Ом м .
U – напряжение на нагревателе, В;
эф - эффективная удельная поверхностная мощность нагревателя в
зависимости от температуры СУГ,
d 3
Вт
Вт
. эф 6,1 10 4 2 .
2
см
см
4 1,13 (135) 2
0,0009 м 0,9 мм .
10 6 (3,14) 2 14 6,1 10 4
Стандартное сечение круглого нагревателя d=0,9мм.
Диаметр спирали нагревателя, мм:
D=(7-10)d,
D 7 0,9 6,3 мм .
Длина проволоки нагревателя, м:
l3
l3
PU 2
,
2
4 t эф
135 14 2 10 6
0,8 м .
4 3,14 1,13 36 10 8
Выбор ТЭНа
Выбор ТЭНа производится согласно требованиям: 1) среда:
сжиженный нефтяной газ, 2) напряжение: 14В, 3) мощность (расчетная):
135 Вт 4) размеры ТЭНа (расчетные): диаметр нагревателя круглого
209
сечения: 0,9 мм, диаметр спирали нагревателя: 6,3 мм, длина проволоки
нагревателя: 800 мм.
В соответствии с действующим ГОСТ 13628-74 «Электронагреватели
трубчатые» производим выбор необходимого ТЭН.
Для заданных параметров и требований выбран ТЭН 80 А10/0,135 Р 12.
Выводы: предложена блок-схема влияния внешних факторов и метода
поддержания давления на работу ГБА, а также математическая модель
расчета параметров ТЭН, с помощью которой осуществляется выбор ТЭН
для различных газовых баллонов ГБА и условий их эксплуатации.
Библиографический список
1. http://firma-trader.ru/sggaz.html.
2. Ким А.А. ОАО «Газэнергосеть» планирует увеличить количество газовых АЗС. Транспорт на альтернативном топливе, №3 (9) 2009. – С. 26.
3. Певнев Н.Г., Банкет М. В. Повышение эксплуатационной надежности газобаллонных
автомобилей при низких температурах окружающего воздуха. Транспорт на альтернативном
топливе: Международный научно-технический журнал. – М:. - №5 (10) 2009. С. 20-23.
4. Певнев Н.Г., Банкет М. В. Методика расчета трубчатого электронагревателя
сжиженного газа для автомобильного баллона: Материалы 59-й Международной
научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (24-25 сент.
2007 г). – Омск. СибАДИ, 2007. - С. 222-227.
УДК:629.33; 656.13
О ПРОЕКТЕ ЗАВОДА «СЕВЕРНЫХ» АВТОМОБИЛЕЙ
В Г. ОМСКЕ: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
В.В.Робустов, канд. техн. наук, доц., Б.В. Журавский, инженер
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Проблемы повышения эффективности зимней эксплуатации
транспортных машин в условиях низких температур является весьма
актуальной не только для Российской Федерации, но и стран Скандинавии,
Канады, северных штатов США и других стран с холодной зимой. Для
России это объясняется двумя причинами: климатическими условиями
Российской Федерации, более 80% территории которой находится в зоне
холодного
климата,
и
конструктивной
неприспособленностью
отечественных машин к работе в суровых климатических условиях. При
этом машины часто выпускаются без подготовки топливной системы. В
результате применение даже арктического топлива не всегда обеспечивает
надежную работу машин в суровых климатических условиях из-за
забивания топливных фильтров и топливозаборников выпадающим из
топлива парафином при низких температурах [1].
210
Актуальность и важность данной проблемы подтверждается
решениями целого ряда конференций Ассоциации автомобильных
инженеров (ААИ). Так, в решении 43-й конференции ААИ (г. Омск, 2003
г.) записано: «Большинство моделей автомобилей при температурах ниже 35С теряют работоспособность и требуют доработки силами
эксплуатационников» [2].
В решении Внеочередной конференции ААИ в г. Сургуте (2005 г.)
отмечается, что «низкие и экстремально низкие температуры,
значительный снежный покров зимой в сочетании с большими
расстояниями между населенными пунктами делают приспособленность к
этим условиям конструкции автотранспортных средств вопросом
безопасности, а порой и выживаемости человека».
И это действительно так, ибо имеется уже много случаев смертельных
исходов от замерзания водителей и пассажиров при отказах автомобилей
на пустынных трассах в сильные морозы.
На рисунке 1 показан застрявший автомобиль на ледовом зимнике
Крайнего Севера. В такой ситуации без посторонней помощи судьба
экипажа предрешена. Схема развития критической ситуации показана на
рисунке 2.
Рис. 1. Застрявший автомобиль на зимнике
Решения 59-й конференции ААИ (12-13.09. 2007г.) отличаются особой
практической направленностью для повышения безопасности АТС,
211
развития отечественной автомобильной промышленности. В них
отмечается необходимость
внесения требований к транспортным
средствам, предназначенным для эксплуатации в холодных регионах, в
разрабатываемый специальный технический регламент «О требованиях к
конструктивной безопасности автотранспортных средств» [3].
В настоящее время этот технический регламент утвержден и
требования к АТС для Крайнего Севера и приравненных к нему регионов
Сибири значительно возросли. Это законодательно обязывает
автопроизводителя включать в состав АТС автокомпоненты и системы,
повышающие безопасность и безотказность машин в условиях низких
отрицательных температур [4]. Однако для практической реализации
нового регламента потребуется ещё немало времени.
Одной из причин трудного решения проблем конструктивного
совершенствования
автотракторной
техники
и
ее
слабой
приспособленности к суровым условиям эксплуатации при низких
отрицательных
температурах
является
отсутствие
совершенной
стратегической концепции «северного» автомобиля и отсутствие
надежного механизма ее реализации. Такая концепция должна обязывать
изготовителя машин «северного» исполнения вносить конструктивные
усовершенствования для надежной работоспособности машин при
температурах -50 градусов и ниже.
Что касается механизма создания по-настоящему «северного»
автомобиля, полностью отвечающего всем необходимым требованиям, то
существующий до настоящего времени механизм также несовершенен, что и
подтверждается отсутствием отечественного полноценного «северного»
автомобиля с надёжной системой жизнеобеспечения экипажа, безотказного и
безопасного при низких отрицательных температурах до -60С [5,6] .
На наш взгляд, полноценный «северный» автомобиль – это автомобиль
специальный и выпускать его должен специализированный завод, так же
как, например, пожарные автомобили, автокраны и т.п. машины
выпускают специализированные заводы. Проведенный нами анализ
показал, что это наиболее реальный и правильный путь.
Условия для организации автосборочного завода, дооснащающего
автомобили серийных заводов до полноценного «северного» исполнения, в
городе Омске давно созрели. Здесь имеются высотехнологичные предприятия
ОПК и квалифицированные кадры. В этом суть реальности решений и
механизмов создания по-настоящему «северного» автомобиля - надежного для
эксплуатации в суровых условиях Сибири и Крайнего Севера.
Именно решению этой задачи и посвящается Проект организации
«Автосборочного завода «северных» автомобилей» (АЗСА) в г. Омске. Для
реализации Проекта создана группа предприятий.
212
Критическая ситуация
Сценарий 2
Отказал двигатель или
системы его обеспечения
Экипаж в опасности
При неоказании
внешней помощи
исход тотальный
Неисправности отопителя
Отопление не работает, разряжена АКБ
Система отопления работает
Движение невозможно
из-за отказа ходовой части
Экипаж в опасности
после выработки топлива
Неисправности отопителя
Отопление не работает, топливо замерзло
Система отопления работает
Экипаж в опасности
после выработки топлива
Неисправности отопителя
Отопление не работает, разряжена АКБ
Отопления не работает, нет топлива
Отопление не работает, топливо замерзло
Система отопления работает
Экипаж в опасности
после выработки топлива
При неоказании
внешней помощи
исход тотальный
Отопление не работает, разряжена АКБ
Движение невозможно
из-за отказа двигателя
Движение невозможно из-за
заносов, бурана, провала
Экипаж в опасности
Отказала ходовая
часть
Отопление не работает, топливо замерзло
Автомобиль
исправен
Сценарий 3
Отопления не работает, нет топлива
Сценарий 1
Экипаж в опасности
При неоказании
внешней помощи
исход тотальный
Рис. 2. Схема развития критической ситуации в отказавшем
автомобиле при температуре воздуха ниже -35С
К настоящему времени нами получено одобрение целесообразности
проекта со стороны Министерства промышленной политики, транспорта и
связи Омской области, Министерства экономики, Администрации г.
Омска, получено одобрение Генеральной дирекции ОАО КАМАЗ, которая
считает возможным поставлять на АЗСА автомобили для дооснащения их
до полного «северного» исполнения.
АВТОМОБИЛЬ
ПОЛНОГО
«СЕВЕРНОГО»
исполнения
принципиально ОТЛИЧАЕТСЯ высокими показателями системы
213
жизнеобеспечения как собственно автомобиля, так и системы
жизнеобеспечения экипажа:
- Повышение жизнеобеспечения автомобиля достигается за счет новой
топливной системы, теплоизолированных топливопроводов, подогрева
баков и фильтров, картера двигателя, аккумуляторных батарей, утепления
капота и моторного отсека; установки топливных баков на 500 - 600 л,
применения морозоустойчивых резинотехнических изделий и др.
- Значительное повышена эффективность системы жизнеобеспечения
экипажа достигается трех-четырех-кратным дублированием отопления,
обеспечивающим комфортную температуру внутри кабины, а так же за
счет утепления и герметизации кабины, установкой двойного остекления,
миниэлектростанции и т.п. Необходимым условием спасения экипажа
является оснащение автомобиля надежными средствами радиосвязи.
В результате применения указанных нововведений автомобиль
становиться безопасным и надежным при низких температурах до -60С.
Некоторые из предлагаемых нами усовершенствований показаны на
рисунке 3.
Положительно оценивая важность и необходимость организации
завода «северных» автомобилей в г. Омске Министерство промышленной
политики, транспорта и связи Омской области включило Проект АЗСА в
Подпрограмму развития транспортного машиностроения «Сибирское
машиностроение-транспорт» (СибМаш-транс) на 2010-2014 гг.
В настоящее время проводятся маркетинговые исследования и рекламная
компания, разрабатывается полный Перечень доработок автомобиля и
Техническое задание (ТЗ), идёт подготовка к сборке первого опытного
образца автомобиля типа КАМАЗ полного «северного» исполнения.
Однако, ввиду отсутствия финансирования, все работы проводятся пока за
счёт энтузиазма участников Проекта.
Каковы же перспективы данного Проекта? На наш взгляд они
благоприятны. Имеется 3-4 варианта: 1) Подпрограмма СибМаш-транс, 2)
Вхождение в Федеральную программу развития автомобильной
промышленности РФ, 3) Мощный Инвестор, 4) Северные заказчики и
другие. Мы предпринимаем шаги по всем возможным направлениям и
надеемся на положительные итоги.
Проведение 69-й конференции будет способствовать установлению
научно-технических связей и сотрудничества представителей науки и
промышленности, улучшению качества отечественных автомобилей для
Сибири и Крайнего Севера, повышению надежности и безопасности
транспортных и специальных машин в экстремальных климатических
условиях.
214
Рис. 3. Важнейшие дополнения автомобиля полного «северного» Исполнения
215
Библиографический список
1. Н.В.Семенов. Эксплуатация автомобилей в условиях низких температур. – М.:
Транспорт, 1993. – 190 с.
2. Проблемы создания и эксплуатации автомобилей, специальных и технологических
машин в условиях Сибири и Крайнего Севера. Материалы 43-й Международной
научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров. - Омск:
Издательство «ЛЕО», 2004. – 256 с.
3. Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего севера.
Материалы 59-й Международной научно-технической конференции Ассоциации
автомобильных инженеров (ААИ). – Омск: Издательство «СибАДИ», 2007.
4. Рохманов А.Л. К вступлению в силу технического регламента «О безопасности
колесных транспортных средств». Материалы 68-ой международной научнотехнической конференции ААИ «Техническое регулирование в области
автомототранспортных средств». - М.: НИЦИАМ ФГУП «НАМИ», 2009.
5. ГОСТ Р - 50992. Безопасность транспортных средств при воздействии низких
отрицательных температур. Общие технические требования.
6. В.А. Резниченко. Какой автомобиль нужен России //. Ж. Автомобильная
промышленность, 1995. - № 10.
УДК 621.9
ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ
В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
С.М. Иванов, аспирант МГТУ «МАМИ»
Специфика природно-климатических условий России, имеющей
огромные территории, относящиеся к зоне холодного климата (низкие
температуры окружающего воздуха, большая продолжительность зимнего
периода со снеговым покровом, с заснеженными дорогами), обусловливает
целый ряд особенностей эксплуатации автомобилей.
К ним, во-первых, следует отнести затрудненный пуск двигателей,
особенно дизельных, при низких температурах окружающего воздуха. При
пуске холодного двигателя в таких условиях, с одной стороны, имеет
место значительное увеличение сопротивления вращению коленчатого
вала вследствие повышения вязкости масла в двигателе, с другой,
уменьшение мощности, отдаваемой аккумуляторной батареей, вследствие
падения напряжения на зажимах и уменьшения ее емкости из-за
увеличения внутреннего сопротивления батареи и вязкости электролита.
Это приводит к значительному уменьшению частоты вращения
коленчатого вала при пуске, к ограничению возможности пуска двигателя
стартером. При низких температурах и малой пусковой частоте вращения у
карбюраторных двигателей из-за повышения вязкости бензина и
уменьшения скорости движения воздушного потока во впускном
трубопроводе значительно ухудшается распыливание и испарение топлива,
216
что ведет к ухудшению смесеобразования. Низкие температуры
окружающего воздуха и малая пусковая частота вращения приводят также
к ухудшению искрообразования в свечах зажигания вследствие резкого
снижения напряжения во вторичной обмотке катушки зажигания. У
дизельного двигателя при низких температурах (в цилиндры поступает
холодный воздух) и малой пусковой частоте вращения ухудшаются
условия для достижения в конце такта сжатия необходимой для
воспламенения топлива температуры воздуха. Кроме того, имеющее при
этом место повышение вязкости топлива и уменьшение скорости его
впрыска вызывают ухудшение распыливания топлива в цилиндрах дизеля.
Все это затрудняет пуск холодного двигателя при низких температурах.
Пуск холодного двигателя сопровождается повышенным изнашиванием
основных его рабочих деталей. Это имеет место по ряду причин: из-за
поступления масла к трущимся поверхностям с некоторым запаздыванием
после начала работы двигателя. По данным исследований, время задержки
появления масла из коренного подшипника после начала работы насоса может
составлять до 2 мин и более; из-за смывания масла со стенок цилиндра
топливом, попадающим в цилиндр в жидком виде, что приводит к ухудшению
смазки; из-за быстрого загрязнения масла, вызываемого неудовлетворительной
его фильтрацией вследствие резкого снижения пропускной способности
фильтров тонкой очистки в результате повышения вязкости смолистых
веществ, отложившихся в них. При отрицательной температуре фильтр тонкой
очистки пропускает масла в 20…30 раз меньше по сравнению с максимальной
пропускной способностью при положительной температуре. Кроме того,
возрастание при низких температурах вязкости масла приводит к повышению
давления в системе и срабатыванию перепускного клапана фильтра грубой
очистки, в результате чего последний также выключается из работы.
Прогревание же масла в поддоне картера двигателя при низких температурах
окружающего воздуха происходит очень медленно.
При низких температурах значительно активизируется коррозия
деталей цилиндропоршневой группы двигателя.
Поэтому в условиях низких температур при пуске двигателя имеет
место интенсивное (во много раз больше, чем при нормальном тепловом
режиме) коррозионно-механическое изнашивание его деталей.
При эксплуатации автомобилей в условиях низких температур возникают
серьезные затруднения с поддержанием нормального теплового режима
двигателя, особенно при работе с частыми остановками для погрузки —
разгрузки и по другим причинам. При низких температурах значительно
возрастает изнашивание деталей двигателя. Переохлаждение агрегатов
трансмиссии приводит к застыванию масла в них, ухудшению условий
смазывания рабочих поверхностей, увеличению изнашивания деталей.
217
Возможное при низких температурах замерзание жидкости в системах
охлаждения двигателя, отопления кабины, кузова, электролита в
аккумуляторной батарее может приводить к размораживанию блока двигателя,
разрыву бачков и трубок радиатора, баков батареи. В условиях низких
температур намного выше вероятность отказов топливной системы дизелей.
Их причиной могут быть ледяные и воздушные пробки в трубопроводах,
которые образуются вследствие скопления мелких кристалликов льда при
замерзании воды, находящейся в дизельном топливе. Парафины,
содержащиеся в топливе, при этом превращаются в студенистую массу,
которая может забивать топливные фильтры, топливопроводы, что также
является причиной отказов. В условиях низких температур снижается также
надежность гидравлического тормозного привода из-за возможного
застывания некоторых тормозных жидкостей. При температурах ниже -45°С
теряют свою эластичность, становятся хрупкими и разрушаются шины, детали
из резины (сальники, резиновые шланги гидропривода тормозов и т.д.),
пластмассовые детали трескаются, твердеют, теряют свои качества
консистентные смазочные материалы. При особо низких температурах (-60…70°С) изменяются физические и механические свойства металлов, что
вызывает частые поломки деталей. По подсчетам специалистов, количество
поломок и аварий, изнашивание деталей стандартной техники на Севере в
3…5, а иногда в 8…10 раз больше, чем в условиях умеренного климата.
При эксплуатации автомобилей в зоне холодного климата имеет место
ухудшение их топливной экономичности. Основные причины возрастания
расхода топлива: увеличение времени пуска и прогрева двигателя; работа
двигателя при пониженной температуре жидкости в системе охлаждения;
повышенная вязкость масла в агрегатах трансмиссии, что ведет к
значительным потерям мощности на ее прокручивание; повышенное
сопротивление движению по заснеженным дорогам.
При перевозке грузов значительно усложняется возможность
обеспечения их сохранности вследствие того, что многие из грузов при
остывании, замерзании теряют необходимые свойства, снижается их
качество. Низкие температуры значительно ухудшают условия работы
водителя, поездки пассажиров. Затрудняется работа водителя также
вследствие снижения видимости дороги из-за запотевания и обмерзания
стекол кабины, частых при температуре ниже -40°С туманов, при
движении по заснеженным и обледенелым дорогам. Чрезвычайно
усложняются возможности обнаружения и устранения отказов в пути,
особенно в системах питания и зажигания из-за небольших размеров
деталей приборов этих систем.
Особенности эксплуатации автомобилей в условиях холодного
климата определяют ряд требований к их конструкции, обеспечивающих
218
надежность и безопасность эксплуатации автомобилей, надлежащие
условия работы водителя, комфортабельность поездки пассажиров.
Для эффективной и безопасной эксплуатации автомобилей в районах
Севера технически и экономически целесообразны модификации этих
автомобилей в северном исполнении. Автомобили должны надежно
работать при безгаражном хранении в диапазоне температур окружающего
воздуха от +40°С до — 60°С и относительной его влажности до 98 % при
+25°С и более низких температурах. Особое внимание должно уделяться
обеспечению надежного легкого пуска двигателя при низких
температурах, определяющего в общем случае готовность к движению. В
условиях низких температур это приобретает чрезвычайно важное
значение, характеризуя безопасность эксплуатации автомобиля.
Надежность пуска двигателей автомобилей, предназначенных для
эксплуатации в условиях низких температур, может обеспечиваться
применением системы предпускового подогрева, использованием
соответствующих топлив и масел, специальных устройств для обеспечения
пуска холодного двигателя, системы теплоизоляции и подогрева
аккумуляторных батарей.
Для предпускового индивидуального подогрева двигателей
используются встроенные предпусковые подогреватели типа П или ПЖБ,
работающие на бензине, или типа ПЖД — на дизельном топливе. Они
обеспечивают одновременный разогрев охлаждающей жидкости в системе
охлаждения и масла в картере. На рис. 3.1 показан предпусковой
подогреватель модели ПЖД-30, устанавливаемый на автомобилях КамАЗ.
Применение индивидуальных подогревателей особенно эффективно при
температурах наружного воздуха ниже -30°С.
При -12°С…-30°С для
облегчения пуска холодных двигателей эффективно использовать
приспособления для впрыска легковоспламеняющейся пусковой жидкости.
Для снижения сопротивления провертыванию коленчатого вала
двигателя при пуске необходимо применять специальные зимние масла с
пологой вязкостно-температурной характеристикой, с температурой
застывания до -(60…70) °С. Для сокращения времени прогрева двигателя при
пуске должна быть предусмотрена возможность временного отключения
вентилятора. Аккумуляторные батареи для хранения необходимой емкости
должны иметь теплоизоляцию и регулируемый обогрев от работающего
двигателя или других источников тепловой энергии. Имея степень
заряженности 75 %, они должны обеспечивать надежный пуск двигателя без
предварительного подогрева с применением средств облегчения его после 24ча¬совой стоянки автомобиля на открытом воздухе.
С целью снижения изнашивания деталей двигателя в период пуска
желательно предусматривать в его конструкции возможность ввода масла
219
под давлением в масляную магистраль за 1.. .2 мин до пуска двигателя, а
также в период его прогрева.
Система охлаждения двигателей должна иметь теплорегулирующий
комплекс, обеспечивающий поддержание нормального теплового
состояния двигателя на всех режимах работы при разных температурах
наружного воздуха с учетом того, что в зимнее время часть теплоты
должна отводиться в систему отопления кабины, а также пассажирского
салона у автобусов. Этот комплекс включает автоматически регулируемое
утепление радиатора (жалюзи или сплошные шторки), термостат,
устройство для автоматического отключения вентилятора при понижении
температуры охлаждающей жидкости, утеплительные чехлы капота или
передней стенки кабины (при бескапотной компоновке). Применение
последних позволяет сохранять тепло при неработающем двигателе, что
очень важно для сокращения времени его пуска и прогрева после
непродолжительной стоянки. Способность двигателя сохранять тепло
характеризуется средней скоростью остывания жидкости в нижних точках
системы охлаждения. Она не должна превышать 0,75°С в минуту в
интервале температур жидкости от 85°С до 20°С при температуре
наружного воздуха -55…-60°С и при отсутствии ветра.
Для обеспечения безотказной работы агрегатов, механизмов и систем
автомобиля при эксплуатации в условиях низких температур необходимо
применение зимних видов топлив, смазочных материалов, технических
жидкостей, обладающих необходимыми вязкостно-температурными
свойствами и не теряющих их при температурах до -70°С.
С целью повышения безотказности работы системы питания дизелей
целесообразно использовать систему подогрева топлива, что может быть
осуществлено за счет теплоты отработавших газов или в специальном
теплообменнике за счет теплоты охлаждающей жидкости.
Резинотехнические изделия, в том числе шины, тормозные шланги,
изделия из пластмасс и других неметаллических материалов, должны быть
морозостойкими, сохранять заданные рабочие свойства при температуре
окружающего воздуха до — 70°С. Металлические детали автомобилей
должны изготавливаться из хладостойкого металла.
Особую важность представляют требования к конструкции,
направленные на обеспечение удобства использования автомобиля, и в
первую очередь на создание необходимых условий работы водителя и
комфортабельности поездки пассажиров.
Размеры и расположение сидений должны быть такими, чтобы
обеспечивалась возможность работы водителя и комфортабельность
поездки пассажира в зимней или полярной одежде.
220
Кабины и пассажирские салоны таких автомобилей должны иметь
улучшенную теплоизоляцию и надежное уплотнение дверных, оконных
проемов.
Эффективность теплоизоляции и уплотнения оценивается средней
скоростью остывания воздуха в кабине и пассажирском салоне при
закрытых дверях и окнах, выключенном двигателе и неработающей
системе отопления. Этот параметр должен быть не более 0,5°С в минуту
для кабин и пассажирских салонов особо малых автобусов и не более
0,35°С в минуту для пассажирских салонов остальных автобусов.
Система отопления кабины и пассажирского салона в комплексе с их
теплоизоляцией должны обеспечивать как при движении автомобиля, так и на
остановках установившийся тепловой режим: не ниже +10°С на уровне
поясницы водителя и сидящих пассажиров, а также в зоне ног водителя на
уровне 100 мм от пола и не ниже +5°С в зоне ног пассажиров. Для городских
автобусов в пассажирском салоне должно быть не менее +8°С на уровне
поясницы сидящих пассажиров и не ниже -2°С на уровне 100 мм от пола.
Система отопления должна обеспечивать прогрев кабины и
пассажирского салона до температуры не ниже 0СС на уровне поясницы
сидящих пассажиров за время не более 30 мин.
В целях недопущения запотевания и обледенения стекол кабины при
работающей системе отопления как на стоянке, так и при движении
автомобиля должны предусматриваться двойное остекление или
пленочный электрообогрев стекол. При этом конструкция двойного
остекления должна обеспечивать возможность опускания стекол дверей, а
также пользования поворотными стеклами вентиляции. Конструкция
системы отопления кабины и пассажирского салона во избежание
скопления токсичных веществ в них должна предусматривать забор
воздуха снаружи. Только на период прогрева пассажирского салона
автобуса без пассажиров допускается забор воздуха из салона.
При эксплуатации автомобилей в суровых условиях Сибири и
Крайнего Севера отказ двигателя или зависимой от него системы
отопления автомобиля в случае значительного удаления его от населенных
пунктов может представлять серьезную опасность для жизни людей.
Поэтому автомобили, за исключением предназначенных для работы в
городах или использования в технологическом цикле при малой длине
ездки, должны быть оборудованы резервной системой отопления. Эта
система должна надежно работать как при движении, так и на стоянке и
поддерживать температуру воздуха на уровне поясницы сидящих
пассажиров и в зоне ног водителя не ниже 0°С в течение 10 ч при стоянке
автомобиля с неработающим двигателем.
В кабинах и пассажирских салонах должна обеспечиваться чистота
воздуха, отвечающая требованиям действующих санитарных норм. Не
221
допускается попадание снежной пыли, влаги через уплотнения, а также
через системы отопления и вентиляции.
В целях обеспечения хорошей видимости автомобилей их
окрашивают в яркие цвета: оранжевый, красный, желтый.
Повышенные требования предъявляются к такому свойству, как
безотказность агрегатов, механизмов, систем автомобиля, особенно
приборов системы зажигания, питания, контрольно-измерительных и
освещения. Желательно наличие приборов-дублеров, вводимых в работу в
случае отказа основного.
Для обеспечения сохранности грузов, которые при низких
температурах могут изменять свои свойства, должно быть предусмотрено
утепление, обогрев кузовов. Систему обогрева должны иметь также кузова
самосвалов, чтобы не допускать примерзания к ним перевозимых сыпучих
грузов, что затрудняет их разгрузку.
УДК 629.08:656.13
АКТУАЛЬНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫБОРА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ
АВТОТРАНСПОРТНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
А.П. Елгин, канд. техн. наук, доц., Р.З. Кисматулин, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В условиях современного рынка наблюдаются различные пути развития
автотранспортных предприятий (АТП), включая уменьшение количества
подвижного состава с сохранением прежней структуры предприятия.
Преобладающей тенденцией развития является разделение эксплуатационных
и производственных структур, учитывая интенсивное развитие предприятий
автосервиса и усложнение конструкций подвижного состава.
При усложнении конструкции автомобилей повышается стоимость
единицы подвижного состава, что ограничивает возможности предприятия
по количественному увеличению парка. Недостаточное количество
подвижного
состава
делает
нецелесообразным
приобретение
дорогостоящего технологического оборудования для выполнения работ по
ТО и ТР силами автотранспортного предприятия.
Если стоимость одного грузового автомобиля в 1998 году составляла в
среднем 780000 рублей (автомобили КамАЗ – 730000 рублей, ЗИЛ –
410000 рублей, МАЗ, КрАЗ – 950000 рублей, «Урал» - 850000 рублей) [1],
то в 2009 году в связи с усложнением конструкций грузовых автомобилей,
вызванным необходимостью улучшения потребительских свойств
подвижного состава в связи с увеличением конкуренции на автомобильном
222
рынке и изменившимися предпочтениями транспортных компаний,
наблюдается следующая ситуация:
- КамАЗ – 1300000 рублей [2];
- МАЗ – 1700000 рублей [3];
- Ford 65513 – 2850000 рублей [3];
- CAMS – 1600000 рублей [3];
- MAN – 2300000 рублей [4];
- Renault – 3500000 рублей [4];
- Scania – 2500000 рублей [4].
В зависимости от сложившейся структуры предприятия виды и объёмы
выполняемых на автотранспортном предприятии работ по ТО и ТР
подвижного состава различны, что приводит к необходимости использования
технологического оборудования различных типов и производительности.
Целесообразность
применения
оборудования
с
различными
характеристиками зависит от конкретных условий, сложившихся в процессе
развития автотранспортного предприятия:
- количественный и модельный состав парка подвижного состава АТП;
- наличие сервисных предприятий в регионе;
- соотношение себестоимости производства работ по ТО и ТР силами
предприятия и себестоимости выполнения аналогичных работ в форме
приобретаемой услуги.
Учитывая перечисленные выше условия и большой ассортимент
различных видов технологического оборудования от множества
производителей, можно сделать вывод, что существует проблема выбора
технологического оборудования на предприятиях автомобильного
транспорта [5].
При выборе технологического оборудования из имеющихся
альтернативных вариантов необходимо обоснование по широкому ряду
параметров, в том числе условиями оптимальности выбора оборудования
являются: обеспечение эффективного использования производственнотехнической базы АТП, увеличение коэффициента технической
готовности парка подвижного состава, получение максимальной прибыли.
Очевидно, что при небольшой производственной программе
нецелесообразны
дополнительные
затраты
на
завышенную
производительность
оборудования.
Избыточная
универсальность
оборудования при отсутствии потребности в выполнении дополнительных
функций приводит к неоправданным затратам на универсальность в ущерб
производительности.
Для определения механизмов выбора оптимальных вариантов
оборудования необходимо проведение дополнительных исследований по
методам
оптимизации,
определению критериев и параметров
применительно к условиям АТП.
223
Актуальность исследований по оптимизации выбора технологического
оборудования в различных отраслях, включая автомобильный транспорт,
подтверждается публикациями работ по данной тематике [6-11].
Библиографический список
1. За рулём: Журнал, 2002, №11. – М.: ОАО «За рулём», 2002. – 276 с.
2. Компания «ЛидерАвто»: [Сайт]. – URL: http://www.kamaz-dealer.ru/.
3. Компания «РусБизнесАвто»: [Сайт]. – URL: http://www.russian-trucks.ru/.
4. Группа компаний «ЕвроТрейд»: [Сайт]. – URL: http://www.truck-daf.ru/.
5. Журнал «Правильный автосервис»: [Сайт]. – URL: http://www.avtoservice.info//.
6. Шабуров В. Н. Подбор оборудования пунктов технического осмотра
автотранспорта с применением генетического алгоритма: Статья. – В. Н. Шабуров. –
М.: Материалы «Ежегодной XVIII Международной Интернет-конференции молодых
ученых и студентов по современным проблемам машиноведения», 2006.
7. Шабуров В. Н. Оптимизация комплекта оборудования предприятий, проводящих
технический осмотр транспортных средств: Статья. – В. Н. Шабуров. – СПб: Вестник
МАНЭБ, 2006.
8. Ермилов Д. С. Разработка методики оптимизации использования производственнотехнической базы сети автотранспортных предприятий: на примере ГУП МО
«МосТрансАвто»: Автореферат диссертации / Д. С. Ермилов. – М.: МАДИ, 2008.
9. Коробкова Т. А. Разработка автоматизированной подсистемы оптимизации
компоновки производственного оборудования машиностроительного предприятия:
Автореферат магистр. работы / Т. А. Коробкова. – Донецк: ДонНТУ, 2006.
10. Рыбак А. Т. Моделирование и оптимизация гидромеханических систем мобильных
машин и технологического оборудования: Автореферат диссертации / А. Т. Рыбак. –
Краснодар: ФГОУВПО «Кубанский государственный технологический университет», 2008.
11. Янов А. В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации
сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: Автореферат диссертации /
Саратов: 2005.
УДК 629.08:656.13
АКТУАЛЬНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ ВЫБОРА
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДПРИЯТИЙ
АВТОСЕРВИСА
А.П. Елгин, канд. техн. наук, доц., Р.В. Малкова, инженер
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Современный рынок характеризуется жесткой конкуренцией, в том
числе в отрасли автомобилестроения и выпуска оборудования,
используемого при эксплуатации и ремонте автомобилей.
Современные автомобили отличаются насыщенностью системами с
электронным управлением для обеспечения конкурентоспособности по
потребительским свойствам: электронные системы управления двигателем,
включая системы подачи топлива, системы стабилизации движения, в том
224
числе антиблокировочные и антипробуксовочные системы, климатические
установки, мультимедийные развлекательные системы, противоугонные и
охранные системы, дополнительные системы сервиса такие как автозапуск
и автоподогрев, системы навигации и контроля и т.д. Обслуживание и
ремонт таких систем невозможны без применения специализированного
оборудования (диагностические стенды, сканеры, тестеры и оборудование
для настроек и регулировок), а также программного обеспечения, которое
с учетом «ноу-хау» и авторских прав составляет значительную часть затрат
предприятия [1].
Интенсивное развитие новых технологий в области электроники привело
к резкому увеличению темпов морального старения электронного
оборудования,
применяемого
в
автомобилях,
следовательно,
и
технологического оборудования по обслуживанию и ремонту автомобилей.
Так, если раньше технологическое оборудование использовалось до
наступления физического износа в течение десятилетий, то сейчас моральное
старение оборудования происходит в течение 2…3 лет. Изменение
конструкций автомобилей и износ технологического оборудования приводит
к необходимости переоснащения производственно-технической базы
предприятий автосервиса.
На сегодняшний день рынок представляет широчайший спектр
оборудования, отличающегося технологическими и функциональными
возможностями, в том числе универсальностью, а также надежностью,
производительностью, стоимостью приобретения, монтажа и содержания,
себестоимостью единицы производимой работы, ресурсом, в достаточно
широких диапазонах для существенного влияния на экономические
показатели при их использовании [2]. Для успешного конкурирования в
сложившихся на данный момент рыночных условиях предприятия
автосервиса должны учитывать эти факторы.
Квалифицированный инженерный анализ конструкции технологического
оборудования, его отдельных агрегатов и деталей позволяет достаточно
уверенно прогнозировать не только ремонтопригодность, но и безотказность,
долговечность и сохраняемость оборудования.
При выборе альтернативных вариантов оборудования необходимо
учитывать перспективы его морального и физического износа, возможности
модернизации и дооснащения при изменении технологических потребностей.
Также особое значение необходимо уделять техническому уровню
(относительная характеристика качества продукции, основанная на
сопоставлении значений показателей свойств, отражающих техническое
совершенство продукции с соответствующими значениями лучших образцов
техники) технологического оборудования в условиях эксплуатации, но
определение его на стадии выбора оборудования является проблематичным.
Вследствие
конкурентной
борьбы
производители
сложного
225
технологического оборудования стремятся минимально раскрывать сущность
используемых в его конструкции и технологии изготовления технических
решений, что также существенно осложняют оценку качества
технологического оборудования при его выборе.
Выбор необходимого оборудования предполагает сравнение
различных вариантов технического обеспечения работ с учетом
разнообразных критериев и факторов, определение наилучшего сочетания
(т.е. оптимального) многообразных местных производственных условий,
возможностей предприятия, качества и технических возможностей
технологического оборудования [3].
Неоптимальный выбор оборудования приводит к значительным
экономическим затратам, потере энергии, материалов, а иногда к
простоям рабочих постов, участков. Увеличение числа и возрастание
сложности оборудования при его неправильном выборе приводит к
неоправданному возрастанию численности обслуживающего персонала,
увеличению материальных и финансовых затрат [4].
В большинстве случаев выбор различных вариантов приобретаемого
оборудования решается на интуитивном уровне, зависящем от
квалификации и опыта исполнителя, принимающего решение. В связи с
этим очень часто принятые решения бывают далеки от оптимальных.
Для оптимизации процесса подбора технологического оборудования
можно использовать различные методы. В направлении оптимизации
выбора технологического оборудования проводились ряд исследований
[5 – 10].
Таким образом, учитывая интенсивность морального старения
технологического оборудования и его высокую стоимость, для повышения
эффективности
производственно-технической
базы
предприятий
автосервиса необходимо использовать научно-технические методы при
выборе альтернативных вариантов технологического оборудования. Для
разработки механизмов выбора необходимо проведение дополнительных
исследований в данном направлении.
Библиографический список
1. Компания «Wabco»: [Сайт]. – URL:http://www.wabco-auto.com/.
2. В.П. Грузинов. Экономика предприятия. М: Финансы и статистика./ В.Д. Грибов.
2004.-335 с.
3. В.С. Малкин. Техническая эксплуатация автомобилей. Учебное пособие./ В.С.
Малкин.-Ростов на Дону 2007.
4. Н.В. Бакаева. Технологическое оборудование для технического обслуживания
автомобилей. Учебное пособие./ Н.В. Бакаева, В.В. Чикулаева.- Орел: ОрелГТУ 2007-208 с.
5. Шабуров В. Н. Подбор оборудования пунктов технического осмотра автотранспорта
с применением генетического алгоритма: Статья. – В. Н. Шабуров. – М.: Материалы
«Ежегодной XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и
студентов по современным проблемам машиноведения», 2006.
226
6. Шабуров В. Н. Оптимизация комплекта оборудования предприятий, проводящих
технический осмотр транспортных средств: Статья. – В. Н. Шабуров. – СПб: Вестник
МАНЭБ, 2006.
7. Ермилов Д. С. Разработка методики оптимизации использования производственнотехнической базы сети автотранспортных предприятий: на примере ГУП МО
«МосТрансАвто»: Автореферат диссертации / Д. С. Ермилов. – М.: МАДИ, 2008.
8. Коробкова Т. А. Разработка автоматизированной подсистемы оптимизации
компоновки производственного оборудования машиностроительного предприятия:
Автореферат магистр. работы / Т. А. Коробкова. – Донецк: ДонНТУ, 2006.
9. Рыбак А.Т. Моделирование и оптимизация гидромеханических систем мобильных
машин и технологического оборудования: Автореферат диссертации / А. Т. Рыбак. –
Краснодар: ФГОУВПО «Кубанский государственный технологический университет», 2008.
10. Янов А. В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации
сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: Автореферат диссертации /
Саратов: 2005.
УДК 621.439:629.114.5
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГАЗОБАЛЛОННЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
С БОРТОВЫМ ГЕНЕРАТОРОМ СИНТЕЗ-ГАЗА
Н. Г. Певнев, д-р техн. наук, проф.; В. А. Кириллов*, д-р техн. наук;
О.Ф. Бризицкий**, зам. гл. констр.; В.А. Бурцев***, гл. констр.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
*Институт катализа СО РАН, г. Новосибирск
**РФЯЦ “ВНИИЭФ” (г. Саров),
***ООО “Газомотор-Р”, г. Рыбинск
В Омской области в настоящее время по данным Омского отделения
Российской Транспортной инспекции и областного ГИБДД насчитывается
порядка 30-35 тыс. г/б автомобилей, использующих в качестве топлива
сжиженный пропан-бутановый газ. Это в основном автомобили, работающие в
черте города: маршрутные микроавтобусы и грузовые автомобили «ГАЗЕЛЬ»,
коммерческие легковые таксомоторы и легковые автомобили индивидуальных
владельцев. Достаточно хорошо развита инфраструктура обслуживания этих
автомобилей: в черте города расположены 35 АГЗС, 15 на трассах области и в
районных центрах. В каждом административном округе и районном центре
насчитывается по 3-4 организации, занятых обслуживанием автомобилей
владельцев любой формы собственности. Функционируют автошколы с правом
подготовки водителей для работы на газобаллонных автомобилях (ГБА). При
СибАДИ более 15 лет работает орган по сертификации услуг на автомобильном
транспорте, центр по подготовке специалистов для монтажа ГБО на автомобили
и обслуживания ГБО в составе автомобиля. Таким образом, г. Омск, являясь
227
центром Западной Сибири, начиная с 1970 года динамично наращивает как
инфраструктуру для эксплуатации ГБА, так и создаются определенные условия,
стимулирующие рост ГБА, в частности, отпускная цена на АГЗС вдвое меньше
стоимости распространенного бензина АИ-92.
В настоящее время наметился дефицит на рынке нефтепродуктов,
основным потребителем которых является ежегодно увеличивающийся на
6-8% парк автомобилей. Соответственно объемам потребляемых
нефтепродуктов в атмосферу выбрасываются продукты их сгорания,
основную часть которых составляют азот (N2), двуокись углерода (СО2) и
токсичные компоненты – окись углерода (СО), углеводороды (СН) и
окислы азота (NОх).
Директивы Еврокомиссии предписывают для легковых автомобилей
снизить эмиссию СО2 до 90 г/км к 2015 г. Во исполнение директив
Еврокомиссия предлагает систему налогового регулирования выбросов
СО2 путем снижения или увеличения налоговых выплат на каждый
автомобиль (табл. 1).
Таблица 1
Рекомендации Еврокомиссии по налоговому регулированию за выбросы СО2 автомобилем
Выбросы СО2
Изменение налоговых выплат
Менее 120 г/км
Снижение от 500 до 700 €
От 120 до 140 г/км
Снижение от 250 до 350 €
От 140 до 180 г/км
0
Более 180 г/км
Увеличение от 400 до 3200 €
Для автомобиля среднего класса, например, ВАЗ – 2110, имеющего в
настоящее время эмиссию СО2 140 г/км, снижение выбросов СО2 до 90
г/км эквивалентно снижению расхода бензина на 28%, т.е. до 3.7 л/100 км
пробега (рис. 1). Если использовать традиционные топлива, изменением
конструкции автомобиля и ДВС добиться такого уменьшения выбросов
весьма проблематично и крайне дорого.
Нормы на токсичные выбросы автомобилей ужесточаются каждые 5
лет примерно в два раза. Не выполнение директив по выбросам СО2 ведет
к снижению конкурентоспособности автомобилей и к потере рынка их
сбыта, а не выполнение норм по токсичности - к запрету на продажу.
Вышеперечисленные факторы привели к интенсивным работам,
направленным на снижение расхода топлива, переходу к использованию
альтернативных и возобновляемых топлив, в том числе водорода. В
настоящее время в промышленно развитых странах действуют
государственные программы, стимулирующие работы по использованию
альтернативных топлив.
Наиболее эффективным и дешевым способом снижения эмиссии СО2
является использование альтернативных топлив с низким содержанием
углерода (рис. 2).
228
Рис. 1. Европейские директивы по ограничению эмиссии СО2
Рис. 2. Эмиссия СО2 при работе на различных топливах
При работе серийных двигателей ВАЗ на природном газе эмиссия СО2
снижается на 23 – 38%. При работе на природном газе в смеси с
водородосодержащим синтез - газом, получаемым на борту автомобиля из
основного топлива, можно обеспечить снижение эмиссии СО2 на 52%, а
токсичности до уровня Евро-5. Автомобиль на топливных элементах с
бортовым процессором получения водорода может обеспечить снижение
эмиссии СО2 на 56%.
Автомобили, работающие на водороде обеспечивают нулевую
эмиссию СО2.
229
Таким образом, просматривается возможность поэтапного решения
проблемы снижения эмиссии СО2 без существенного увеличения затрат на
производство автомобилей, в результате намечена концепция развития
транспортных средств на альтернативных топливах.
Ключевыми задачами реализации «концепции» являются:
1. Организация серийного производства автомобилей, работающих на
природном газе с параллельным развитием сети автомобильных
газонаполнительных станций.
2. Создание генераторов водородосодержащего синтез-газа,
получаемого на борту автомобиля из природного газа, либо пропан бутанового газа. Организация производства автомобилей с бортовыми
генераторами синтезгаза, а также установки генераторов синтезгаза на
автомобиле, находящегося в эксплуатации.
При этом природный газ рассматривается, на ближайшие годы, как
топливо, позволяющее существенно снизить загрязнение атмосферы, как
основной исходный продукт для получения наиболее дешевого водорода.
Существующая
инфраструктура
снабжения
природным
газом
рассматривается в качестве базы для развития
водородной
инфраструктуры. Решение задач «концепции» невозможно без
организационной,
законодательной
и
финансовой
поддержки
государственных структур, без участия ОАО «ГАЗПРОМ».
Предлагаемый в настоящем докладе подход к решению энергоэкологических проблем автомобилизации заключается в улучшении
процесса сгорания топлива в ДВС добавкой к традиционному топливу
водородосодержащего синтез-газа, получаемого из части топлива
непосредственно на борту автомобиля посредством воздушной
конверсии с помощью в бортовых генераторов синтез-газа. Такой
подход предполагается применить к автомобилям, находящимся в
эксплуатации и вновь создаваемым автомобилям.
Разработка и создание бортовых генераторов получения синтез-газа и
массовое внедрение их в практику, в первую очередь, установка на парк
эксплуатируемых автомобилей, позволят получить ощутимый эффект в
повышении топливной экономичности и улучшении экологических
характеристик автомобилей в ближайшее время, а также адаптировать
эксплуатацию генераторов синтез-газа в составе автомобиля в различных
климатических условиях.
По мнению специалистов многих стран, в обозримом будущем
никакой замены традиционным ДВС в массовом автомобилестроении
не предвидится, тем более, что у них имеются большие потенциальные
возможности для повышения топливной экономичности и снижения
токсичности выхлопных газов. По крайней мере, на ближайшие два
десятилетия ДВС остается основным типом силовой установки для
230
автомобилей, что вынуждает искать новые решения энерго-экологических
проблем автомобильного транспорта.
Попытки серийного внедрения на автомобильный транспорт
устройств конверсии углеводородного топлива предпринимались в 1980-е
гг., но из-за отсутствия эффективных катализаторов и их носителей не
удавалось создать малогабаритные генераторы синтез-газа с коротким
временем запуска. К тому же, в то время не было особой актуальности
использования таких устройств по экологическим критериям.
Прогресс последних лет позволил Институту катализа СО РАН
создать новые катализаторы и новые подходы к разработке реакторов
для проведения сильно экзотермических процессов, в том числе и для
конверсии углеводородов в синтез-газ, используя которые РФЯЦВНИИЭФ совместно с ИК СО РАН разработали ряд малогабаритных
конвертеров воздушной конверсии природного газа.
Синтез-газ представляет собой смесь окиси углерода и водорода.
Существует различные способы для его получения, например, посредством
паровой конверсии или парциального окисления (воздушная конверсия)
природного газа на специальных катализаторах.
Общий вид катализатора для проведения воздушной конверсии
приведен на рис. 3.
Рис. 3. Блочный катализатор на армированном сетчатом носителе для воздушной
конверсии природного газа
Если в ДВС использовать топливную смесь, состоящую из
традиционного топлива и добавок продуктов частичной конверсии ~520% такого же топлива, т.е. синтез-газа, получаемого непосредственно на
борту автомобиля в бортовом генераторе синтез-газа, то КПД двигателя
повышается, а соответствующие ему стехиометрические значения α, при
231
которых обеспечивается устойчивая работа двигателя сдвигаются в
области бедных смесей. Сегодня этот процесс можно осуществить только
для природного газа, т.к. он имеет достаточную чистоту. Что касается
других видов топлива, а именно пропан-батанового и бензинов, то здесь
требуется вмешательство контролирующих государственных структур, т.к.
раздаваемые на автозаправках упомянутые продукты резко отличаются от
требований ГОСТ и слишком загрязнены.
Принципиальная схема бортового генератора приведена на рис. 4.
Синтез-газ (СО+Н2) смешиваясь с основным топливом, обеспечивает
повышенную реакционную способность топливной смеси, что
способствует улучшению процесса сгорания топливной смеси в ДВС.
Соотношение СО:Н2 в синтез-газе зависит от применяемого способа
получения этого продукта. При воздушной конверсии метана, это
отношение близко 1:2, а выход водорода составляет не менее 32%. А для
двигателя автомобиля даже 6~10 процентная добавка водорода позволяет
обеспечить устойчивую работу на обедненных топливных смесях. Это
объясняется инициирующим воздействием водорода, который
образует центры сгорания. О перспективах создания подобных устройств
говорил академик Я.Б.Зельдович в своей теории сгорания. Сейчас уже
известно, что водородная добавка увеличивает эффективность работы
двигателя и его экологических характеристик, а именно:
- расход топлива при движении автомобиля в условиях городского цикла
сокращается на 20-25 процентов;
-содержание окиси углерода и еще более опасных для окружающей среды
окисей азота уменьшается до норм Евро-4;
- уменьшение расхода топлива на холостом ходу достигает 40 процентов.
При этом исходная структура топлива не оказывает решающего
влияния на образование активных центров и, в первую очередь, атомарного
водорода — наиболее легкой частицы со скоростью диффузии почти в 4 раза
большей, чем у любого другого радикала. Наиболее важным фактором,
определяющим скорость реакции, является отношение С/Н в исходном топливе.
С уменьшением этого отношения расширяются концентрационные пределы
сгорания. В этом плане обогащение топливно-воздушной смеси водородом
можно рассматривать с определенными допущениями как метод снижения С/Н
базового углеводородного топлива и, следовательно, как метод направленного
воздействия на концентрационные пределы его сгорания. Влияние водорода
столь велико, что при относительно небольших его добавках
представляется возможным реализовать такие степени обеднения,
которые недоступны любому другому способу [1].
Устройство для получения синтез-газа представляет собой комплект,
состоящий из катализаторного блока и блока управления бортовым
232
генератором [2] (рис 5, 6). Катализаторный блок производит конверсию
углеводородного топлива для получения синтез-газа.
Система подачи и
дозирования
топлива и воздуха
Н1
P1
Воздух
Риформер
каталитический
ДГ
1
ДТ
2
Природ
ный газ
Ф
1
Каталитический
реактор
СМ
1
Система автоматического
регулирования
рабочих параметров (СРП)
Теплообменни
к-охладитель
водородсодерж
ащего газа
ДТ
1
Искров
ая
свеча
Каме
ра
сгор
ания
Водородсодержа
щий газ
Выход
Вход
охлаждающей охлаждающей
жидкости
жидкости
ДГ1 - дозатор воздуха; P1 – датчик расхода воздуха; Н1 – нагнетатель воздуха; СМ1
– смеситель природный газ/воздух; Ф1 – форсунка электромагнитная; ДТ1, ДТ2 –
датчики температуры.
Рис. 4. Принципиальная схема бортового генератора
233
Блок управления осуществляет дозирование поступающей смеси,
производит начальный запуск генератора и контролирует систему
охлаждения. Разработчикам удалось создать генератор с оптимальными
для применения в автомобиле массогабаритными и динамическими
характеристиками. Реактор имеет массу 8 кг и объем 2,5 л, запуск
осуществляется за 11 – 35 секунд, что соизмеримо со временем прогрева
нейтрализатора. В настоящее время приоритет, по мнению разработчиков,
отдается применению бортовых генераторов синтез-газа на городских
автобусах либо микроавтобусах. Пример компоновки бортового
генератора на автомобиле «Соболь» приведен на рис. 7.
Применение на легковых автомобилях генератора синтез-газа
несколько ограничено необходимостью решения задачи для оптимальной
компоновки оборудования в отсеке двигателя автомобиля. Кроме того,
существует общая проблема с внедрением подобных устройств,
поскольку это новая, непривычная для потребителя продукция.
Проведенные на ОАО ЗМЗ испытания ДВС ЗМЗ-40522 (табл 1),
работающего на обедненной смеси природного газа с добавками синтезгаза, получаемого из природного газа с помощью генератора синтеза-газа,
подтвердили возможность существенного снижения токсичности выбросов
выхлопных газов ДВС (по оксидам углерода - до 300-400 ppm, по оксидам
азота - до 20-30 ppm) [3].
Как следует из предварительных экспериментов, применение синтезгаза в качестве добавки к используемому в ДВС углеводородному топливу
обеспечивает значительное снижение концентрации СО и NOx в
выхлопных газах двигателя. Этим достигается выполнение норм EUROIV без применения каталитических нейтрализаторов в выпускном
тракте двигателя, а также существенная экономия топлива, особенно на
малых и средних нагрузках.
В таблицах 2 и 3 приведены сравнительные данные по результатам
дорожных испытаний автомобиля Соболь, проведенные в пробеге
«Голубой коридор» по маршруту В.Новгород - Санкт-Петербург - В.
Новгород - Тверь-Москва – Московская область. Общая протяженность
маршрута из г. Рыбинска Ярославской области до места старта пробега и
обратно составила 2235 км. Для участия в этом пробеге был использован
микроавтобус «Соболь» , оборудованный газобаллонным оборудованием и
бортовым генератором синтез газа производительностью 5-25 м3/час.
Участие в этом пробеге позволило провести полномасштабные испытания
автомобиля, провести замеры фактических показателей содержания
вредных выбросов автомобиля непосредственно во время пробега и
замеры фактического расхода топлива. Особенностью данного
транспортного средства являлось то, что кроме природного газа он мог
работать на смеси метана и синтез-газа, получаемого непосредственно на
борту, а также на бензине. Это позволяло в сопоставимых условиях
провести сравнительные измерения и оценить эффективность применения
234
добавок синтез газа. В таблице 6 приведены сравнительные данные по
эмиссии различных топлив при проведении дорожных испытаний. Из
таблицы следует, что применение добавок синтез газа к топливу снижает
эмиссию по СО в 18 раз, по NОх примерно в 12 раз, по СО2 в 1.4 раза, но
примерно на 1.50 раза увеличивает выбросы по СН. Последний результат
требует проведения дополнительных исследований.
В таблице 4 приведены данные по эффективности применения синтез
газа в качестве добавок к топливу при проведенных дорожных
испытаниях. Из таблицы следует, что в случае использования смеси
природного газа с добавками синтез газа время разгона увеличивается
примерно на 14-30% в зависимости от типа передачи. Затраты на 100 км
пробега в ценах на топливо на момент пробега (июнь 2009 года) при
переходе с бензина на природный газ снижаются в 3.28 раза, а при
использовании КПГ с добавками синтез газа в 3.83 раза. При переходе с
КПГ на природный газ с добавками синтез газа снижение затрат
наблюдается в 1.17 раза и увеличение пробега микроавтобуса на 62
километра. Отметим, что полученные результаты по эффективности могут
быть значительно выше в случае оптимизации двигателя и генератора по
нагрузочным характеристикам.
Полученные результаты экспериментов указывают на возможность
нового подхода к экономии топлива и решения проблемы уменьшения
вредных выбросов путем экологически чистого сжигания топлива в
самом автомобильном двигателе.
Рис. 5. Общий вид каталитического риформера ГСГ для автомобиля
235
Рис. 6. Система управления бортовым генератором
Необходимо отметить, что разработка бортового устройства
получения синтезгаза для условий эксплуатации, в отличие от
стендового варианта, потребует определенных усилий не только по
созданию каталитического блока, но и всех остальных устройств и
подсистем, которые должны быть компактными и дешевыми.
Аналогичные задачи в автомобилестроении решались при внедрении
каталитических нейтрализаторов в системе выпуска отработавших газов и
системы впрыска топлива, что привело в свое время к значительному
улучшению экологических характеристик двигателей автомобилей.
Применение генератора синтеза газа на борту автомобиля необходимо
рассматривать также в плане выполнения современных нормативных
требований не только по токсичным выбросам, но и по выбросам СО2,
которые должны составлять 90-120 г/км. Расчеты, выполненные ОАО
«АвтоВАЗ», показали, что достичь таких показателей на ДВС можно либо
добавлением в основное топливо водорода, либо, при работе ДВС на
природном газе с использованием генератора синтезгаза, работающего на
природном газе. С учетом того, что инфраструктура водородных
заправочных станций отсутствует, а ее внедрение требует колоссальных
финансовых затрат, разработка и внедрение генераторов синтеза газа на
борту автомобиля, работающего на природном газе, является
единственной реальной возможностью резкого повышения топливной
экономичности
и
улучшения
экологических
характеристик
автомобильного транспорта.
236
Блок управления
газ-бензин
Шланг подачи
синтез газа
Генератор синтез газа
Газовые форсунки
Редуктор газовый
Фильтр воздушный генератора
синтез-газа
Рис. 7. Реализация установки генератора синтез-газа в моторном отсеке
автомобиля «Соболь»
Таблица 2
Результаты испытаний двигателя ЗМЗ-40522 с генератором синтез-газа
Режим работы
ДВС
Снижение
выбросов СО
Снижение выбросов
СН+NOx
Снижение расхода
топлива, %
n=1088об/мин
13,6 раза
13 раз
16,7
n=1861 об/мин
19,2 раза
215 раз
12,5
n=2886 об/мин
6,5 раза
36 раз
15,8
n=3694 об/мин
7,5 раза
6,9 раза
4,3
Стоимость автомобильного генератора синтез-газа, по оценкам
разработчиков при серийном производстве не будет превышать 30-50 тыс.
руб. С учетом того, что это устройство не только улучшает экологические
237
показатели автомобиля, но и повышает его экономичность, затраты на
приобретение такого генератора должны окупаться за 1,5-2 года эксплуатации.
Таблица 3
Сравнительные данные по эмиссии при дорожных испытаниях.
КПГ х – компримированный природный газа, содержащийся в газовых баллонах
Вид топлива
Двигатель – ЗМЗ-40522.10
Бензин
Контрольный пробег, км
КПГХ
КПГ+сингаз
0
0
0
СО, %
0,35
0,3
0,016
СН, ррм
147
193
292
NОх, ррм
174
191
16
СО2,%
13,2
11,1
7,5
550
550
550
СО, %
0,29
0,31
0,035
СН, ррм
210
216
310
NОх, ррм
210
235
17
СО2,%
13,1
11,8
8,1
1800
1800
1800
СО, %
0,3
0,33
0,02
СН, ррм
195
222
340
NОх, ррм
205
195
14
СО2,%
12,9
10,9
7,95
Контрольный пробег, км
Контрольный пробег, км
В докладе приводятся результаты разработок по генератору синтезгаза
при работе на природном газе.
Природный газ это экологически чистое топливо для ДВС, как
правило с превалирующим, более 90%, содержания метана и
незначительных добавок этилена, этана и пропана.
Но в настоящее время в стране работает значительное количество
газобаллонных автомобилей на пропан-бутановом газе с хорошо развитой
инфраструктурой, обеспечивающей бесперебойную эксплуатацию этих
автомобилей. Все эти автомобили, или большее их количество, как
правило, работают в крупных городах (Москва, Екатеринбург, Тюмень,
Омск, Новосибирск и др.) и могли бы работать с использованием
бортового синтез-газа, но нужно поднять технологическую дисциплину
раздачи на АГЗС чистого топлива, отвечающего требованиям ГОСТ.
238
Таблица 4
Показатели эффективности применения синтез газа в ДВС при дорожных испытаниях
Вид топлива
Двигатель – ЗМЗ-40522.10
КПГ+
Бензин
КПГ
2235
2235
2235
123
103
103
120
120
120
0 – 100 км/час (1-5 передачи)
32
34
42
60 – 100 км/час (3 передача)
12
14
16
60 – 100 км/час (4 передача)
17
21
27
80 – 120 км/час (5 передача)
42
42
55
Единица измерения топлива
л
куб. м
куб.м
Вместимость заправочных емкостей
50
39
39
Стоимость топлива, руб.
24
8
8
11,5
10,5
8-9
276
84
72
434
371
433
Контрольный пробег, км
Номинальная мощность, л. с. (на
моторном стенде)
Максимальная скорость, км/час
Синтез газ
Время разгона, с:
Расход на 100 км пробега (движение в
колонне с V=75 км/час)
Затраты на 100 км пробега, руб.
Пробег на одной полной заправке одним
топливом, км
В законе об альтернативных топливах, в качестве альтернативы
моторным, следующим за природным газом, назван сжиженный пропанбутановый газ.
Учитывая эти обстоятельства, необходимо провести комплекс работ
по исследованию возможности работы генераторов синтезгаза на пропанбутановом газе. Эту работу, т.е. проведение стендовых и
эксплуатационных испытаний, при наличии генераторов синтезгаза, могли
бы выполнить специалисты факультета АТ СибАДИ, по согласованной с
разработчиками программе исследований. Специалисты СибАДИ имеют
достаточный опыт работы с газобаллонными автомобилями (разработка,
изготовление, проведение сертификационных испытаний и организация
всего технологического комплекса для эксплуатации этих автомобилей)
[4]. Необходимо провести проверку работы генератора синтез-газа в
239
условиях эксплуатации с использованием углеводородных топлив,
отличных от природного газа. Это будет расширение области применения
уникального процесса добавки водорода к основному топливу.
Надеемся на поддержку Министерства промышленной политики,
транспорта и связи Омской области.
Заключение и предложения:
1. Проведенные исследования показали, что воздушная конверсия
природного газа является наиболее простым и дешевым способом
получения водородсодержащего синтез-газа на борту транспортного
средства.
2. Упомянутые в пункте 1 исследования показали, что добавки
6~10% синтезгаза к основному топливу имеют такой же эффект, что и
добавки чистого водорода, который дороже синтез-газа в 3-5 раз.
3. Необходимо провести стендовые и эксплуатационные испытания
работы ДВС при использовании пропан – бутанового газа совместно с
генератором синтезгаза.
4. Для развития и внедрения технологии ДВС+ГСГ в повседневную
эксплуатацию необходимы совместные усилия разработчиков ГСГ и
предприятий занятых эксплуатацией газобаллонных автомобилей.
5. Для безопасной эксплуатации автомобилей с ГСГ необходимо
организовать обучение обслуживающего персонала. Такое обучение может
проводить факультет “Автомобильный транспорт” СибАДИ.
Библиографический список
1. Бризицкий О.Ф. Разработка компактных устройств для получения синтезгаза из
углеводородного топлива на борту автомобиля в целях повышения топливной
экономичности и экологических характеристик автомобилей. / О.Ф. Бризицкий, В.Я.
Терентьев, А.П. Христолюбов, И.А. Золотарский, В.А. Кириллов, В.А. Собянин, В.А.
Садыков, Г.К. Мирзоев, А.И. Сорокин// Альтернативная техника и экология. – 2004. №11.
2. Бурцев Н.В., Бризицкий О.Ф., Кириллов В.А., Комаров В.Н., Собянин А.А.
Применение методов адаптивного управления при разработке микропроцессорной
системы управления многотопливным ДВС с использованием синтез-газа. Вестник
НГУ, сер. Информационные технологии. 2009. т. 7. в. 2, с. 62-73.
3. Бризицкий О.Ф. Использование генератора синтез-газа в ДВС автомобиля/ О.Ф.
Бризицкий, В.Я. Терентьев, В.А. Кириллов, А.И. Савицкий, В.А. Бурцев// Транспорт на
альтернативном топливе. – 2008. - №6.
4. Певнев, Н.Г. Концепция совершенствования процесса эксплуатации газобаллонных
автомобилей /Н. Г. Певнев, И.В. Хамов // Международный научно-технический
журнал «АГЗК + АТ». -2005. - №3. - С . 22-27.
240
УДК 621.9
АСПЕКТЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ СНЕЖНОГО
ПОКРОВА ДЛЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ДВИЖЕНИЯ
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ПО СНЕГУ
С. Е. Петров, аспирант МГТУ «МАМИ»
Теория движения транспортно-технологических машин по грунтам
разработана относительно полно как отечественными, так и зарубежными
учеными. Вопросы передвижения машин, в особенности на эластичных
движителях, по снегу освещены недостаточно и тем более вопросы,
связанные с движением по неводным снегам и минерально-снежным
дисперсным композитам. Задача построения математической модели
автомобиля при движении по снегу осложняется многообразием вариантов
самого снежного покрова.
При всем многообразии исследований снежного покрова Земли на
сегодняшний день не существует единой теории, описывающей поведение
снега под нагрузкой от движителей транспортно-технологических машин,
пригодной для разработки общей теории взаимодействия колесо – снег. В
условиях, когда полотно пути покрыто снегом, движение транспортнотехнологических машин бывает не только затруднено, но и совсем
исключено. Поэтому задача остается актуальной.
Снежный покров как полотно пути для движения транспортных
средств является одной из самых сложных пространственных структур,
математическое описание которой намного сложнее аналогичного
описания большинства грунтовых образований.
Снег поразительно изменчив. Такие привычные физические свойства,
как плотность, теплопроводность, теплоемкость, пористость, влажность,
диэлектрическая постоянная, скорость распространения звука и так далее
для снега принципиально не могут длительно сохраняться, быть
неизменными. Меняется, трансформируется решительно все, вплоть до
структуры, формы и размеров снежинок, их связности. Плотность снега по
данным Б. П. Вейнберга способна меняться от 0,01 до 0,7 г/см3, причем
верхний предел соответствует тому состоянию, когда мы еще вправе
назвать его снегом. При дальнейшем увеличении плотности снег
превращается в лед, в корне отличающийся по свойствам от своего
предшественника [3].
В некоторых научных работах [1], [2] говорится, что под плотностью
понимается вес единицы объема снега, включая объем, занимаемый
минеральными частицами (лед-минерал) и промежутками (порами) между
ними. Плотность является одной из важнейших характеристик снежного
241
покрова, так как непосредственно связана с жесткостью, твердостью,
влажностью и т. д. Плотность снега зависит от места залегания, например,
в лесу, при отсутствии уплотняющего действия ветра, плотность всегда
меньше, чем на открытых участках местности. Плотность изменяется и по
глубине снежного покрова. Это происходит за счет микросублимационных
процессов, происходящих под влиянием температуры в снежном покрове.
В таблице 1 приведена зависимость плотности снега от температуры,
при которой он выпадает. Плотность снега зависит также от времени и
глубины залегания, изменяясь во времени в сторону увеличения, особенно
в его нижних слоях (таблица 2), а также от местности, на которую
выпадает снег. Во всех случаях с увеличением влажности плотность снега
также увеличивается (таблица 3).
Таблица 1
Зависимость плотности снега от температуры
Температура, °С
Плотность снега, г/см3
Ниже – 10
0,075
От – 10 до – 5,1
0,087
От – 5 до 2,1
0,104
От – 2 до 0,1
0,128
От 0 до + 2
0,183
Выше + 2
0,196
Таблица 2
Зависимость плотности снега от глубины и времени залегания
Высота
Плотность слоя снега, г/см3
покрова,
Верхнего
Среднего
Нижнего
см
Месяц
Ноябрь
21
0,07
0,12
0,17
Декабрь
19
0,12
0,17
0,20
Январь
30
0,13
0,16
0,20
Февраль
34
0,15
0,19
0,20
Март
30
0,19
0,20
0,22
Апрель
28
0,15
0,21
0,25
Таблица 3
Изменение плотности и жесткости снега в зависимости от влажности
Влажность, W, %
Плотность, ρ, г/см3 Температура снега,
Коэффициент
t, °C
жесткости, Кж, Н/м3
1,0
2,0
5,0
0,220
0,275
0,320
– 0,5
0
0
242
7,5×105
1,16×106
1,38×106
Непостоянство снега объясняется существованием воды в уникальных
условиях, совсем близко от так называемой тройной точки фазовых переходов,
различной для разных веществ, в которой вещество находится во всех трех фазах.
Под фазовыми переходами подразумевают переходы вещества из
газообразного состояния (фазы) в жидкость, а затем превращение его в
твердое тело.
Сложность снега состоит не только в том, что он близок к тройной
точке фазовых переходов, но и в том, что снег – неоднородная среда,
состоящая изо льда, пор, наполненных воздухом и водяным паром,
примесей различного происхождения и талой влаги.
В настоящее время для изучения снега и льда используются такие
разделы
современной
физики,
как
механика
сплошных
многокомпонентных сред, статистическая физика, аэрогидромеханика,
теплофизика, электродинамика.
Существует несколько работ по классификации снежного покрова.
Например, Г. Д. Рихтер выделяет три типа снега: свежевыпавший,
уплотненный и старый, которые в свою очередь подразделяются на виды и
разновидности (таблица 4). Рассматривая снег, как полотно пути, С. В.
Рукавишников предлагает классифицировать все его многообразие,
положив в основу способность снега к различным видам деформации
движителем транспортных средств. При этом выделены три типа снега:
фрикционно-связной, фрикционный, связной, каждый из которых имеет
свои виды и разновидности (таблица 5).
Таблица 4
Снег
I. Свежевыпавший
снег (новый,
молодой)
Классификация снега (Г. Д. Рихтер)
Вид
Разновидность
а) пушистый снег
(пороша)
б) игольчатый снег
1. Свежевыпавший (дикий)
сухой снег
в) порошковидный
(песчаный снег)
г) мучнистый снег
(снег крупа)
д) снег изморозь
2. Свежевыпавший
мокрый снег
Плотность, г/см3
0,01 – 0,2
0,03 – 0,6
0,1 – 0,3
–
0,05 – 0,07
0,1 – 0,3
0,2 – 0,6
1. Осевший сухой
II. Уплотненный снег снег
2. Осевший
(лежалый)
влажный снег
3. Метелевый снег
(ветровой)
243
0,2 – 0,3
0,3 – 0,4
0,4 – 0,6
Продолжение таблицы 4
III. Старый снег
(перекристаллизов 1. Молодой
анный)
0,3 – 0,6
2. Старый
3. Снег-плывун
(глубинный иней)
0,4 – 0,7
0,3 – 0,4
Таблица 5
Тип
Фрикционносвязной
Фрикционный
Связной
Классификация снега (С. В. Рукавишников)
Вид
Разновидность
Состояние
Пушистый
Сухой
Игольчатый
Свежевыпавши Порошковидны
й
й
Мучнистый
Снег-изморозь
Осевший
Сухой
Уплотненный
Метелевый
Мелкозернисты
Сухой рыхлый
Перекристалли
й
зованный
Среднезернист
ый
Перекристалли Крупнозернист
Сухой рыхлый
зованный
ый
(зернистый)
Смерзшийся
Сухопластинат
Фирновый
ый (снегСухой сыпучий
плывун)
Трубчатый
Повторно
фирнизованны Сухой сыпучий
й
Уплотненный
Метелевый
влажный
слипшийся
Плотность
до 0,1
до 0,1
до 0,15
–
0,1 – 0,15
0,10 – 0,21
0,23 – 0,30
0,16 – 0,26
0,19 – 0,28
0,20 – 0,32
0,26 – 0,35
0,24 – 0,35
–
0,35 – 0,40
0,22 (при очень
низкой t) – 0,7
(при t 0°C)
Приведенная выше классификация снега подтверждает многообразие
его видов, достаточную сложность его идентификации при проведении
экспериментальных
исследований
различных
транспортнотехнологических машин и определенные сложности при математическом
описании, как самой опорной поверхности, так и взаимодействия
колесного движителя объекта испытаний с полотном пути.
При математическом описании движения машины по снегу
приходится брать частный случай вида снежного покрова, так как попытка
244
представления в универсальном виде повлечет значительную погрешность
вычислений.
Все указанные выше аспекты подтверждают актуальность дальнейших
исследований и работ по этому вопросу.
Библиографический список
1. Агейкин Я. С. Проходимость автомобилей. – М.: Машиностроение, 1981. – 230 с.
2. Беляков В. В. Взаимодействие со снежным покровом эластичных движителей
специальных транспортных машин. Диссертация доктора технических наук, 05.05.03.
Нижний Новгород, 1999. – 485 с.
3. Донато И. О. Теоретическое и экспериментальное обоснование повышения
проходимости колесных машин по снегу. Диссертация доктора технических наук,
05.05.03. Нижний Новгород, 2007. – 306 с.
УДК 531.767
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ТАХОГРАФОВ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
А.В. Трофимов, канд. техн. наук, доц., А.В. Проценко, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Тахограф - контрольное устройство для непрерывной регистрации
пройденного пути и скорости движения автомобиля, времени работы и
отдыха водителя. Тахограф устанавливается на транспортное средство в
целях повышения безопасности дорожного движения путем соблюдения
водителями режимов труда и отдыха.
На сегодняшний день на территории Российской Федерации широкое
применение на транспортных средствах получили следующие типы
тахографов: Kienzle 1318, МТСО 1324, VEEDER ROOT VRC8400, EGK
100. Процентное соотношение тахографов, установленных на
транспортных средствах, эксплуатируемых в городе Омске и области, по
типам представлено на рис. 1.
Рис. 1. Процентное соотношение тахографов, установленных на транспортные
средства, эксплуатируемые в городе Омске и области по типам
245
Таким образом, тахографы Kienzle 1318 и MTCO 1324 получили
наибольшее распространение среди прочих. Это обусловлено тем, что
автомобили российского производства оснащаются через сервисную сеть
«Kienzle» тахографами модели Kienzle 1318. Основная доля
импортируемых грузовых автомобилей и автобусов оснащены
тахографами типа MTCO 1324 и реже EGK 100.
Практика эксплуатации автомобилей, оборудованных тахографами
Kienzle 1318 показала, что наряду с плановыми видами технических
воздействий, такими как периодическая настройка и периодическая
поверка, возникает необходимость проведения ремонта. На рисунке 2
приведена статистика установок, ремонтов, настроек тахографов на базе 98
– го сервисного центра «Kienzle» ООО «Тахограф-сервис».
Рис. 2. Показатели работы 98-го сервисного центра «Kienzle»
ООО «Тахограф-сервис» по годам
Таким образом видно, что в последние годы наблюдается рост числа
ремонтов. Это связано прежде всего с тем, что оборудование
транспортных средств тахографами практически завершено, а ранее
установленные тахографы из-за суровых условий эксплуатации (резкие
перепады температур, запыленность, повышенные вибрации) начинают
выходить из строя.
Для определения некоторых показателей надежности элементов
тахографа, был проведен анализ ремонтов 50 единиц тахографов.
Выполнены следующие условия:
- Наработка каждого тахографа составила не менее 500 тыс. км.
- Информация по ремонтам тахографов собиралась с момента их
установки на транспортное средство.
- Ремонт производился только 98-м сервисным центром «Kienzle» ООО
«Тахограф-сервис».
246
- Все тахографы эксплуатируются в одинаковых условиях на автобусах
ПАЗ – 3205, принадлежащих ГП «Омскоблавтотранс».
Были определены следующие показатели надежности [1,2,4]:
1) Вероятность безотказной работы:
P( L)
N ( L)
,
N0
(1)
где N (L) - количество изделий, работавших без отказа на пробеге L ; N 0 количество изделий.
2) Средний ресурс детали:
Lср
1
N0
N0
L
i
,
(2)
i 1
где Li - пробег до отказа i-й детали.
По обработанным данным статистики из строя выходят следующие
элементы [2,3]:
- Корпус тахографа. В основном это механические дефекты, связанные с
желанием водителей добраться до механической платы или одометра для
несанкционированной корректировки показаний пробега. Из строя выходят:
крышка кодирующего устройства (4%), лицевая панель (5%), ручки
переключения режимов труда и отдыха водителей (91%). Этот элемент не был
проанализирован с точки зрения надежности, ввиду того что определяющим
фактором является человеческий, а не механический износ.
- Электронная часть. Поломки выражаются в остановке часов, отсутствии
показания скорости, либо полной остановке тахографа. Основные отказы
это выход из строя электронной платы (93%), повреждение
токопроводящего жгута (7%)
Выход из строя электронной платы связан с перенапряжение в
бортовой сети автомобиля (96%), также брак завода изготовителя (4%).
Lср электронной части по формуле (2) составляет 275 тыс. км.
Вероятность безотказной работы электронной части представлена на рис. 3.
Рис. 3. Вероятность безотказной работы электронной части
247
Таким образом, функция имеет характер убывающей экспоненты.
Точкой начала снижения вероятности безотказной работы можно считать
пробег в 75 тыс. км.
Механическая плата. Поломки выражаются в полной остановке
одометра, в отсутствии отклонений стрелки спидометра, либо в ее
«зависании» в крайнем положении, также отсутствие записей на
диаграммных дисках. Основными причинами неисправностей являются
механический износ элементов механической платы (77%), поломки
перьев (10%), остановка двигателя КПЛ (10%) и «механизм» измерения
скорости (13%). Механическому износу в наибольшей степени подлежат
зацепления муфты обгона, колеса привода муфты обгона. Повышенный
износ возникает из-за вибраций и запыленности. Неисправности перьев
выражаются в нечеткости начертания, отклонения от шаблона при
начертании линий записей на диаграммном диске. Основными причинами
неисправностей являются несанкционированный доступ к перьям
самописцев и применение неоригинальных диаграммных дисков.
Lср механической платы по формуле (2) составляет 311 тыс. км.
Вероятность безотказной работы механической платы представлена на
рис. 4.
Рис. 4. Вероятность безотказной работы механической платы
Таким образом, функция имеет характер равномерно убывающей
экспоненты. Точкой начала снижения вероятности безотказной работы
можно считать пробег в 75 тыс. км.
- Одометр. Неисправности выражаются в нарушении работы цифровых
колес одометра (отсутствие проворачивания колес, заедание при
проворачивании). Основными причинами неисправностей являются:
механический износ колес одометра (52%), механический износ червяка
одометра (41%), несанкционированное вмешательство в работу одометра (7%).
Механическому износу в наибольшей степени подлежат зубчатое
зацепление метрового (красного) колеса с приводным червяком одометра.
248
Повышенный износ возникает из-за вибраций и запыленности. Кроме того
отмечается усиленный износ зубьев красного колеса на моделях
тахографов выпуска позднее 2005 года. Несанкционированное
вмешательство водителей в работу одометра производится с целью его
«подмотки», и приводит к механическим поломкам корпуса одометра,
пружин оси колес червяка.
Lср одометра по формуле (2) составляет 311 тыс. км.
Вероятность безотказной работы одометра представлена на рис. 5.
Рис. 5. Вероятность безотказной работы одометра
Точкой начала снижения вероятности безотказной работы можно
считать пробег в 25 тыс. км. Начиная со 125 тыс. км происходит резкое
снижение надежности, это связано с тем, что на этом пробеге
обнаруживается максимальный механический износ зацепления червяка с
зубьями «красного» колеса. Очевидно этот пробег нужно считать
пороговым для планового периодического ремонта одометра.
- Часовой механизм. Неисправности выражаются в отставании, либо
полной остановке стрелок часов, в отсутствии хода диаграммного диска
тахографа. Основными причинами неисправностями являются заводской
брак часового механизма (15%) и механический износ элементов часового
механизма (85%).
Из-за заводского брака нарушается работа в электропроводке часового
механизма, что ведет к отставанию либо полной остановке часов. При
полной остановке часового механизма диаграммный диск перестает
вращаться, и поэтому данные о скорости, пройденном пути и режиме
труда и отдыха на нем не регистрируются. Механическому износу
подлежат цапфа якоря часового механизма и колеса привода часового
механизма, что ведет к отставанию часов.
Lср часового механизма по формуле (2) составляет 293 тыс. км.
249
Вероятность безотказной работы часового механизма представлена на
рис. 6.
Рис. 6. Вероятность безотказной работы часового механизма
Начало отказов часового механизма наблюдается при пробеге 125 тыс.
км, при котором обнаруживаются максимальный механический износ
элементов часового механизма. Очевидно, этот пробег нужно считать
пороговым для планового периодического часового механизма.
Выводы:
1. При эксплуатации тахографа в жестких условиях (низкая температура
окружающего воздуха, высокая запыленность, вибрации) возникают отказы
тахографа, устраняемые ремонтами. Большое количество отказов приходится
на одометр (55%) и механическую плату (31%).
2. Часть поломок возникает в результате неправильной эксплуатации
прибора, вмешательства водителя в работу прибора с целью изменении
регистрационных данных. В результате наблюдаются поломки одометра и
перьев самописцев тахографа.
3. Пробег 75-125 тыс. км. Является плановым для проведения
профилактического ремонта (замены) наиболее часто выходящих из строя
элементов – одометра и муфты обгона.
4. Техническая документация по проведению ремонта тахографа
отсутствует и требует разработки.
Библиографический список
1. Кузнецов Е. С. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для ву-зов. - 3-е
изд., перераб. и доп. / Е. С. Кузнецов, В. П. Воронов, А. П Болдин и др.; Под ред. Е. С.
Кузнецова / Издательство: М.: Транспорт, 1991. - 413 с.
2. Острейковский В. А. Теория надежности / Издательство: Высшая школа 2003 г. 463 стр.
3. РД 37.001.247-92 Установка тахографа на автотранспортном средстве. Методы проверки.
4. Шейнин. А. М. Методы выявления и поддержания надежности автомобилей в
эксплуатации: учеб. пособие / А. М. Шейнин; Ред. Г. В. Крамаренко ; МАДИ. - М. :
Транспорт, 1968. - 98 c.
250
УДК 621.439:629.114.5
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГАЗОБАЛЛОННОГО
ОБОРУДОВАНИЯ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ
Д.А. Фоменко, аспирант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Автомобильное газобаллонное оборудование (ГБО) различается по
поколениям:
1. Системы с вакуумно–механическим управлением, которые
устанавливают на бензиновые карбюраторные, а также на инжекторные
автомобили. Здесь используются вакуумные газовые редукторы. Также
отсутствует электронное управление составом топливно-воздушной смеси.
2. Механические системы, дополненные электронным дозирующим
устройством, работающим по принципу обратной связи с датчиком
содержания кислорода в отработавших газах. Они устанавливаются на
автомобили, оснащенные инжекторными двигателями, с лямбда-зондом и
каталитическим нейтрализатором отработавших газов.
3. Системы, где газ подаётся во впускной коллектор в
непосредственной близости к впускному клапану цилиндра. Между
редуктором, который подаёт избыточное давление, и штуцерамиклапанами, установленными во впускном коллекторе, имеется
форсунка, которая обеспечивает правильную дозировку газа во
впускной коллектор. Переключением режимов и поддержанием
правильной подачи газо-воздушной смеси занимается электронный
блок управления, на который поступают необходимые сигналы со
штатных датчиков двигателя.
4. Системы с распределенным синхронизированным впрыском газа.
Отдельное электронное управление подачей газа для каждого цилиндра.
Так же предусмотрено электронное управление составом топливновоздушной смеси. В отличие от систем предыдущего поколения, в ГБО
четвертого поколения использует форсунки, которые устанавливаются на
впускном коллекторе непосредственно у впускного клапана каждого
цилиндра. Именно ГБО четвертого поколения является наиболее
совершенной системой.
Не смотря на все преимущества ГБО четвертого поколения перед
предыдущими, при эксплуатации возникают неисправности его элементов,
что нарушает работу двигателя (таблица 1,2).
Цель работы: Определить периодичность технического обслуживания
(ТО) и замены элементов ГБО четвертого поколения.
251
Была сделана выборка пятидесяти автомобилей при сборе и обработке
статистической информации [1] на ООО «ГазАвтоСервис» после монтажа
комплекта ГБО и последующего его технического обслуживания.
Элементы ГБО, приходилось заменять (либо ремонтировать) намного
раньше, чем заявлено заводом изготовителем.
Таблица 1
Причины неисправностей элементов ГБО и способы их устранения
Неисправности и причины
Метод устранения
Двигатель неустойчиво работает на холостом ходу
Заменить плунжеры, либо уплотнительные
Неисправны газовые форсунки
кольца, проверить на открывание
Не корректная регулировка газовых
Отрегулировать зазор плунжеров
форсунок
Двигатель не развивает полной мощности
Заменить плунжеры, либо уплотнительные
Неисправны газовые форсунки
кольца, проверить на открывание
Разобрать, промыть редуктор, при
Пониженное давление газа на выходе из
необходимости заменить диафрагмы,
редукторе
отрегулировать
Засорен фильтр газа в редукторе
Заменить фильтр
Засорен фильтр тонкой очистки газа
Заменить фильтр
Двигатель не переходит на питание газом после достижения «температуры
перехода», обозначенной программой
Проверить электрическую цепь на разрыв,
Неисправен датчик температуры редуктора
при необходимости заменить датчик
Не исправен датчик температуры газа
Заменить датчик
Не исправен датчик давления газа
Заменить датчик
Повышенный расход газа
Разобрать, промыть редуктор, при
необходимости заменить диафрагмы,
Не исправен редуктор
отрегулировать
Заменить плунжеры, либо уплотнительные
Не исправны газовые форсунки
кольца, проверить на открывание
Повышенное давление на выходе газа из
Отрегулировать с помощью регулировочредуктора
ного винта на редукторе до номинального
Провал при резком открытии дроссельной заслонки
Пониженное давление газа на выходе из
Отрегулировать с помощью регулировочредукторе
ного винта на редукторе до номинального
Засорен фильтр газа в редукторе
Заменить фильтр
Засорен фильтр тонкой очистки газа
Заменить фильтр
Заменить плунжеры, либо уплотнительные
Не исправны газовые форсунки
кольца, проверить на открывание форсунки
Двигатель самопроизвольно переходит на питание бензином
Неисправен датчик температуры редуктора Заменить датчик
Не исправен датчик температуры газа
Заменить датчик
Не исправен датчик давления газа
Заменить датчик
252
Это происходит по разным причинам:
- низкое качество газа;
- суровые климатические условия;
- некорректная настройка ЭБУ;
- не квалифицированная установка и т.д.
Таблица 2
№ Элементы ГБО
Газовые
1 форсунки
2
Фильтр газа
в редукторе
Фильтр тонкой
3 очистки газа
4
Датчик
давления газа
5
Датчик
температуры
газа
Отказы элементов ГБО и их последствия
Пробег до ТО или
замены,
заявленный
Последствия
заводомизготовителем, км
Двигатель неустойчиво работает на
холостом ходу
Двигатель не развивает полной мощности
55000
Повышенный расход газа
Провал при резком открытии дроссельной
заслонки
Двигатель не развивает полной мощности
Провал при резком открытии дроссельной
75000
заслонки
Двигатель не развивает полной мощности
15000
Провал при резком открытии дроссельной
заслонки
Двигатель не переходит на питание газом
после достижения температуры «перехода»,
обозначенной программой
60000
Двигатель самопроизвольно переходит на
питание бензином
Двигатель самопроизвольно переходит на
питание бензином
Двигатель не переходит на питание газом
45000
после достижения температуры «перехода»,
обозначенной программой
Согласно полученной статистической информации определим
плановую замену и ТО элементов ГБО до момента отказа. Периодичность
плановой замены и ТО определяем по методу допустимого уровня
безотказности [2]. Этот метод основан на выборе такой рациональной
периодичности, при которой вероятность отказа элемента не превышает
заранее заданной величины. Значение вероятности безотказной работы
(Rд) принимаем 0,85. Определенная таким образом периодичность меньше
средней наработки на отказ и связана с ней следующим образом:
L=β L ,
253
где β – коэффициент рациональной периодичности, учитывающий
величину и характер вариации наработки на отказ, а также принятую
допустимую вероятность безотказной работы.
Влияние Rд на β зависит от коэффициента вариации (V), согласно [2] при
V=0,2 коэффициент рациональной периодичности (β)=0,80 (таблица 3).
Таблица 3
Плановая периодичность замены и ТО элементов ГБО
Элементы
ГБО
Газовые
форсунки
Фильтр газа в
редукторе
Фильтр тонкой
очистки газа
Датчик
давления газа
Датчик
температуры
газа
Пробег до ТО
или замены,
заявленный
заводом изготовителем, км.
Среднее
значение
пробега до
наработки
на отказ
Среднее
квадратичное отклонение.
Коэфнт
вариац
ии.
Периодичност
ь
плановой
замены и ТО
(L), км.
( L ), км.
55000
51345
2640
0,17
43700
75000
70410
2652
0,18
60548
15000
11970
1785
0,23
10345
60000
55045
3318
0,16
46400
45000
40519
2959
0,2
32584
Полученные результаты при определении плановой замены и ТО
округляем в меньшую сторону до значения пробега кратного 10000 км.
Таким образом, с помощью сбора статистической информации и
применения метода допустимого уровня безотказности и измерения
случайных величин была определена плановая замена элементов ГБО
четвертого поколения:
1. Фильтр тонкой очистки газа, 10000 км;
2. Датчик температуры газа, 30000 км;
3. Газовые форсунки, 40000 км;
4. Датчик давления газа 40000 км;
5. Фильтр газа в редукторе 60000 км.
Библиографический список
1. Крамаренко Г.В. Техническая эксплуатация автомобилей: Учебник для вузов.-2-е
изд., перераб. и доп.-М.: Транспорт,1983.-488 с.
2. Палий И.А. Прикладная статистика: Учеб. пособие для вузовМосква: 2004. – 176 с.
254
СЕКЦИЯ 6
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ
И КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
И ИХ СИСТЕМ
УДК 534.44:621.892
СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ДОБАВКАМИ ДЛЯ УЗЛОВ
ТРЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
Г.А. Голощапов, инженер; Д.А. Цуркан, соискатель;
В.И. Лиошенко, канд. техн. наук, доц., В.А. Володарец
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Актуальность работы. В процессе эксплуатации узлы трения машин
подвергаются воздействию неблагоприятных факторов, таких как
перепады температур, воздействию влаги, вибрации, абразивных сред. Эти
условия оказывают непосредственное влияние на их работоспособность.
Особенно это характерно для работы узлов трения с знакопеременными
нагрузками. Большегрузные автомобили нашли широкое применение как
для перевозки различных грузов, так и в качестве базовых для различных
передвижных смесительных установок, которые широко используются в
дорожном строительстве.
Узлы трения таких машин работают в условиях повышенной
запылённости при контакте с абразивными средами, подвергаясь
интенсивному изнашиванию, то улучшение противоизносных свойств
смазочных материалов является актуальной задачей.
Исследованиями
смазочных
материалов,
выполненными
на
четырехшариковых машинах трения (ЧШМ) в условиях точечного контакта
показана возможность улучшения противоизносных свойств смазок за счет
изменения их состава в условиях абразивного изнашивания. Однако, таких
работ мало, результаты полученные авторами противоречивы. В немалой
степени это обусловлено отсутствием приборов и объективных методов
оценки противоизносных свойств смазочных материалов.
ЧШМ с точечным контактом не моделируют условия работы
большинства узлов трения (контакт по линии или плоскости), а поэтому
полученные с их помощью оценки свойств смазочных материалов в
значительной мере условны и требуют уточнения. Это связанно прежде
всего с тем, что испытания смазочных материалов проводится в объёме в
условиях гидродинамического режима смазки, что в большей степени
характерно для работы жидких масел. По этому результаты испытаний
255
пластичных смазок, а особенно с различными добавками искажаются
наличием гидродинамического режима. В таких условиях производить
оценку противоизносных свойств пластичных смазок в зависимости от их
состава становится практически невозможно.
Целью данной работы является повышение срока службы
большегрузных автомобилей типа КамАЗ за счёт применения смазочных
материалов способных снижать абразивный износ поверхностей трения.
В этой связи были поставлены следующие задачи:
− разработать прибор и метод оценки на нём способности смазочных
материалов снижать абразивный износ поверхностей в условиях
граничного трения за счёт изменения их состава;
− изучить влияние на противоизносные свойства товарных смазок при
абразивном изнашивании добавок различной физико-химической природы
на этом приборе.
− разработать рекомендации по применению смазок с улучшенными
противоизносными свойствами в узлах трения автомобилей КамАЗ.
Практические результаты. Разработан трёхшариковый трибометр и
метод оценки на нём противоизносных свойств смазочных материалов.
Проведённые испытания смазок с различными добавками позволили
выявить наиболее эффективные из них по снижению абразивного
изнашивания поверхностей. В табл. 1 приведены основные результаты выбора
добавок. Установлено, что смесь порошков Мо S2 и графиты в сочетании 1:1 в
количестве 15% масс, эффективно снижает абразивный износ поверхностей.
Сочетание этой смеси с 3% масс присадки ТКФ (трикрезилфосфат)
синергетически усиливает противоизносный эффект порошков и наилучшим
образом снижает абразивное изнашивание поверхностей трения.
На основании регрессионного анализа полученных результатов
предложены уравнения для прогнозирования величины износа
поверхностей в зависимости от состава смазки.
Уравнения регрессии.
y=27,215-0,689x₁
y=24,495-0,422x₂
y=24,849-0,578x₃
где: x₁- MoS₂; x₂- графит; x₃ - MoS₂+ графит (1:1).
Практическая ценность. С целью практической реализации
полученных результатов были проведены испытания смазки литол-24 с
добавкой композиции 15% порошка MoS₂ в сочетании с 3% масс
присадки трикрезилфосфат в узлах трения передней подвески рессор,
шкворней поворотных кулаков автобетоносмесителя марки СБ-92В-2 на
базе автомобиля КамАЗ. Пробег автомобиля составил 45000 км.
256
Таблица 1
Влияние органических соединений и их композиций с порошкообразными добавками
на противоизносные свойства смазки литол-24
в присутствии абразива (кварц 20-25 мкм)
Состав образцов
h, мкм Коэффицие
Ra, мкм
нт трения
До
После
испытания
испытания
Литол-24
27,93
0,133
0,521
0,440
Литол-24 + 3% добавки:
ТКФ
22,43
0,141
0,529
0,375
Хлорэф-40
21,56
0,104
0,535
0,364
ДФ-11
25,38
0,112
0,526
0,387
ЛЗ-318
19,98
0,112
0,535
0,390
этиленгликоль, 4%
14,31
0,133
0,546
0,410
То же + 3%ТКФ + 15%
добавки в виде порошков:
MoS2
13,61
0,175
0,529
0,388
Графит
14,05
0,154
0,550
0,378
MoS2 + графит (1:1)
15,93
0,175
0,522
0,390
То же + 3% хлореф-40 + 15%
добавки в виде порошков:
MoS2
Графит
17,86
0,133
0,528
0,376
MoS2 + графит (1:1)
20,55
0,133
0,553
0,370
То же + 3% ДФ-11 + 15%
12,42
0,133
0,534
0,350
добавки в виде порошков:
MoS2
21,60
0,125
0,550
0,397
Графит
21,77
0,112
0,534
0,382
MoS2 + графит (1:1)
21,26
0,133
0,530
0,390
За время проведения испытаний по заправке узлов трения смазкой
литол-24 ТО проводилось через 5000 км, а при заправке узлов трения
смазкой литол-24 с упомянутыми добавками 15% MoS₂ + 3% ТКФ через
10000 км. После окончания испытаний была проведена разборка узлов
трения с опытной смазкой и смазкой литол-24 без добавок, их дефектация
и микрометраж.
Анализ результатов измерений показал, что применение добавок в
смазке литол-24 способствует снижению износа рабочих поверхностей
шкворня на 35-40%, бронзовой втулки на 30-35%, пальцев подвески
передней рессоры до 40-45%. Применение смазки литол-24 с добавками
позволяет получить экономический эффект за счёт увеличения
периодичности замены смазки литол-24 с добавками в 2 раза, сокращения
затрат на проведение ТО, а так же повышения срока службы деталей узлов
трения базового автомобиля типа КамАЗ.
257
Библиографический список
1. Шейман Е.А. Абразивный износ. Обзор американской печати./ Трение и износ
−2005,№1(26). С.100-110.
2. Умаров И.К., Вайншток В.В. Влияние пластичных смазок на абразивный износ
поверхностей трения – «Химия и технология топлив и масел»,1985.№5. С.17-19.
3. Заславский, Ю.С. Трибология смазочных материалов/ Ю.С. Заславский –
М.:Химия,1991.-300с.
4. Фукс, И.Г. Добавки к пластичным смазки/ И.Г. Фукс. М.:Химия,1982.-248с.
УДК 665.76
ПРЕИМУЩЕСТВА УНИФИКАЦИИ ПРИМЕНЯЕМЫХ МОТОРНЫХ
МАСЕЛ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН
ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
С.В. Дорошенко, соискатель
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Эксплуатация
техники
при
отрицательных
температурах,
характеризуется значительным изменением свойств конструкционных и
эксплуатационных материалов. При низкой температуре окружающего
воздуха вязкость масла повышается, затрудняется его прокачиваемость по
каналам системы смазки [1]. Вязкость может возрасти на столько, что при
обычном давлении, которое развивает масляный насос, масло не будет
прокачиваться, или будет поступать к узлам смазки в недостаточном
количестве. Условия смазки становятся особенно тяжёлыми во время
прогрева после пуска холодного двигателя.
Анализ данных служб эксплуатации дорожного ремонтностроительного предприятия г. Сургута за 11 месяцев 2007г показывает, что
пик отказов двигателей СДМ приходится именно на зимние месяцы
эксплуатации (рисунок 1).
Что подтверждает существенное влияние отрицательных температур
на эксплуатационную надежность СДМ.
Эксплуатация двигателей на пониженных тепловых режимах
приводит к низкотемпературному осадкообразованию в моторных маслах,
что является результатом низкой агрегатной устойчивости присадок,
окислов азота, продуктов неполного сгорания топлива и окисления масла
под влиянием накапливающейся воды (рисунок 2). При этом в состав
осадка входят не только продукты окисления масла и топлива, но и
разложившиеся присадки [4]. Интенсивность протекания процесса
осадкообразования в значительной степени зависит от коллоидной
стабильности моторных масел, от их деэмульгирующей способности.
258
количество отказов
Распределение отказов ДВС по месяцам года
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
й
ма
нь
ию
ль
ию
ст
гу
ав
рь
яб
т
н
се
рь
яб
т
ок
рь
яб
о
н
рь
аб
к
де
рь
ва
н
я
ль
ра
в
е
ф
рт
ма
Рис.1. Распределение отказов двигателей СДМ по месяцам года
а)
б)
Рис. 2. Визуальное наличие накопления воды в процессе прогрева ДВС
а) конденсат на крышке маслозаливной горловины, б) конденсат со следами
ржавчины на трубке пробозаборника извлеченного из маслозаливной горловины
В этих условиях особое значение приобретает соответствие качества
применяемого моторного масла условиям эксплуатации.
Повышение требований к экологическим характеристикам выпускаемых
машин инициирует дальнейшее совершенствование конструкций ДВС и
применение современных высокоэффективных моторных масел. При этом
расширяется номенклатура применяемых смазочных материалов на
предприятиях, поскольку одновременно в эксплуатации находятся машины,
относящиеся к разным экологическим классам с различными требованиями к
эксплуатационным свойствам моторного масла.
В современных дизельных двигателях, отвечающих экологическим
требованиям уровня ЕВРО-3 рекомендованы к применению моторные масла
259
категории CI-4/SL по АPI. Следует отметить что, хотя масла API CI-4
разработаны для двигателей с системой перепуска отработанных газов, они
также обеспечивают лучшую защиту и для дизелей без системы перепуска
отработанных газов и, полностью заменяя все ранние спецификации API CF-4,
CG-4, CH-4, могут применяться в двигателях, для которых указаны масла этих
категорий. Масла API CI-4 значительно превосходят все перечисленные выше
по следующему ряду эксплуатационных свойств: детергентно-диспергирущие,
противоизносные, антикоррозийные, показатели окислительной стабильности.
Проведенные эксплуатационные испытания моторного масла API CI4/SL, SAE 10W40 в двигателях шести машин на базе автомобилей КАМАЗ
экологического класса 2 и шести машин экологического класса 3,
показали различие в динамике изменения состояния моторного масла в
процессе работы.
Анализ данных лабораторного исследования проб работавшего масла,
5 заборов проб с каждой машины в течение испытательного цикла, показал
более интенсивное снижение щелочного числа в случае ДВС третьего
экологического класса (рисунок 3).
Щелочное число является условной мерой способности масла
нейтрализовать кислоты, образующиеся из продуктов сгорания топлива и
окисления базовой основы масла. Различие процессов снижения щелочного
числа в ДВС 2-го и 3-го экологических классов объясняется различными
условиями работы моторного масла, обусловленными конструктивными
изменениями в двигателях 3-го экологического класса [5].
Рис. 3. Снижение щелочного числа работавшего моторного масла
CI-4/SL в ДВС 2го и 3го экологических классов
260
Степень окисления моторного масла определяется кислотным числом.
Продукты окисления не только свидетельствуют об ухудшении смазочных
свойств масла, но и активизируют процессы окислительного и коррозионного
разрушении металлов. Чем больше продуктов окисления, тем больше
кислотное число. В случае двигателей различных экологических классов
кислотное число изменяется с разной интенсивностью. Условия работы
моторного масла в ДВС третьего экологического класса вызывают более
интенсивное окисление базовой основы, что иллюстрирует различие в
динамике изменения кислотного числа (рисунок 4).
Рис. 4. Динамика изменения кислотного числа работавшего масла CI-4/SL
в зависимости от экологического класса ДВС
Более жесткие условия работы ДВС третьего экологического класса
подтверждаются
сравнительным
анализом
характера
изменения
кинематической вязкости при 100ºC. Экстремум функции изменения
кинематической вязкости обусловлен протеканием двух процессов деструкции вязкостной (загущающей) присадки и окислением базовой
основы масла. В случае третьего экологического класса экстремум равен
10800км, для второго -13600км. пробега (рисунок 5).
Проведенный анализ подтверждает, что моторное масло API CI-4/SL,
SAE 10W40 в двигателях внутреннего сгорания третьего экологического
класса работает в более напряженных условиях, что определяет более
короткие интервалы замены по сравнению с результатами применения
данной марки масла в ДВС второго экологического класса.
261
Рис. 5. Изменение кинематической вязкости работавшего моторного масла»
CI-4/SL при 100 0С в ДВС экологических классов 2 и 3
Таким образом, одним из эффективных направлений повышения
надежности СДМ является унификация применения моторного масла API CI4/SL, в двигателях, отвечающих требованиям, как третьего, так и второго
экологического класса. Это выразится в сокращении ассортимента смазочных
масел за счет исключения из него менее эффективного сорта моторного масла
категории API CF-4/SJ, и увеличении периодичности замены моторного масла
для СДМ второго экологического класса.
Запас эксплуатационных свойств моторного масла категории API CI4/SL позволит повысить надежность строительных и дорожных машин
эксплуатируемых в условиях низких температур.
Библиографический список
1. Гуреев А.А. Фукс И.Г. Лашхи В.Л. Химмотология. - М.: Химия, 1986 г. – 368с.
2. Корнеев С.В. Критерии работоспособности моторных масел // Строительные и
дорожные машины, №4, 2004, с. 28-29.
3. Соколов А.И., Тищенко Н.Т., Аметов В.А Оценка работоспособности машин по
параметрам работающего масла.: Учебное пособие. – Томск: Изд-во Том. ун-та, 1991. – 200с.
4. Колунин А.В. Влияние низких температур окружающей среды на периодичность
технического обслуживания силовых установок дорожных и строительных машин.:
Дис. канд. техн. наук / Омск 2006.- 115с.
5. Гатаулин Н.А. Модельный ряд дизелей КамАЗ // Автомобильная промышленность,
2006 г. №3.
6. Отчет о НИР «Разработка и внедрение системы диагностирования строительных и
дорожных машин по параметрам работающих масел» № гос. регистрации 0188.0004882
под рук. В.А. Некипелова, Омск, 1988 64с.
262
УДК 621.43
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ
ИСПЫТАНИЙ ПОРШНЕВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.Л. Иванов, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Работы по совершенствованию процессов, протекающих в двигателе,
или по оптимизации его конструкции, без последующих испытаний вряд
ли имеют какой-то здравый смысл. Но и проведение испытаний должно
проводиться в соответствие с общепринятыми в автомобиле- и
двигателестроении правилами, то есть в соответствие с существующими
стандартами, ГОСТами и другими нормативными документами. Для этого
необходимо соответствующее оборудование. При этом данное
оборудование должно удовлетворять ряду требований, в зависимости от
поставленной задачи.
В нашем случае для оснащения лабораторий ВУЗа и подготовки
настоящих специалистов наиболее актуальны следующие задачи:
определение характеристик существующих двигателей, в том числе, на
предельных режимах, с возможностью изменения настроек систем двигателя.
изучение процессов протекающих в двигателе (в камере сгорания, в
узлах трения, в элементах системы питания и т.п.).
Проведение актуальных научных исследований, также как и
лабораторно-практических занятий, обеспечивающих высокий уровень
подготовки специалиста, требует наличия оборудования, отвечающего
современному уровню развития техники.
Существуют измерительные комплексы и стенды для испытаний
двигателей, позволяющие проводить испытания поршневых двигателей
внутреннего сгорания (ДВС) на достаточно высоком уровне и определять
параметры и характеристики двигателей в соответствии с действующими
стандартами. В частности продукция зарубежных фирм "AVL" (Рис.1.) и
"HORIBA" (Рис.2) хорошо известна и широко используются ведущими
мировыми производителями автомобилей и двигателей, а также
испытательными центрами.
В нашем случае использовать современную продукцию данных фирм
нерационально по нескольким причинам. При стоимости данных стендов
от нескольких десятков до сотен тысяч евро, и достаточно широких
функциональных возможностях, они, как правило, имеют относительно
узкую область использования и в нашем случае потребуют доработки. Для
использования в учебном процессе немаловажным является наглядное
263
представление материала и возможность некоторого вмешательства в ход
эксперимента, от чего как раз уходят производители современных стендов.
Рис. 1. Стенд для испытаний двигателей фирмы AVL
Рис. 2. Стенд для испытаний двигателей фирмы HORIBA
Кроме того, в случае проведения параллельных испытаний
одновременно на нескольких двигателях или в разных лабораториях,
потребуется также соответствующее увеличение числа комплексов и
пропорциональное увеличение затрат на их приобретение.
264
Таким образом, целесообразно создание собственного стенда с
современным оборудованием для исследования процессов, протекающих в
двигателе, определения его характеристик, а также изучения работы
двигателя с различными регулировками его систем, в том числе и при
проведении лабораторно-практических занятий в ВУЗе.
Исходя из имеющегося на кафедрах СибАДИ «Автомобили и
тракторы» и «Теплотехника и тепловые двигатели» опыта проведения
дорожных и стендовых испытаний, а также практического опыта создания
аппаратуры для проведения испытаний автотранспортных средств,
предлагается
создание
«Аппаратно-программного
комплекса»,
позволяющего автоматизировать процесс определения параметров и
характеристик двигателя. Комплекс будет регистрировать и обрабатывать
значения параметров ДВС с помощью компьютера с необходимой
точностью и выдавать требуемый отчет о проведенных испытаниях.
Предполагается, что комплекс должен удовлетворять следующим
требованиям:
обеспечивать определение технических параметров двигателя и снятие
тягово-скоростных характеристик в соответствии с требованиями ГОСТ
14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний» и
ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых
испытаний»;
обладать
достаточной
мобильностью
и
универсальностью
использования;
должна быть предусмотрена возможность оперативной установки
элементов комплекса на двигатель с минимальным вмешательством в его
конструкцию;
регистрация параметров с достаточной точностью и быстродействием, с
возможностью последующей обработки с помощью компьютера;
иметь приемлемую для учебных заведений стоимость.
Комплекс предназначен для использования:
в учебном процессе, связанном с получением и оценкой технических и
эксплуатационных характеристик ДВС при подготовке специалистов
автомобильного транспорта;
при выполнении научных исследований и подготовке аспирантов;
при выполнении экспертиз по оценке технического состояния ДВС;
испытания и получения характеристик ДВС после внесения изменений
в его конструкцию, изменения настроек его систем или установки
дополнительного оборудования;
Разрабатываемый "Аппаратно-программный комплекс" (Рис. 3.)
состоит из современных средств измерительной и вычислительной
техники отечественного и импортного производства и выполняется на
базе мобильного компьютера МК (ноутбука).
265
Основной принцип, лежащий в основе создания комплекса, это
использование готовых стандартных модулей уже выпускаемых
промышленностью и удовлетворяющих техническим требованиям,
предъявляемым к комплексу в целом. Кроме того, модульная структура
позволит легко адаптировать комплекс для решения новых задач и
дополнять его новыми модулями.
С помощью коммутационного блока КСД (коммутатор сигнала
датчиков), можно быстро перенастроить комплекс с одного вида
проводимых испытаний на другой, выполнив подключение необходимых
датчиков к измерительной схеме. Блок КСД кроме коммутации выполняет
функцию обеспечения датчиков необходимым напряжением питания.
Система
индицирования
и печать
информации
Мобильный
компьютер
Блок питания
Аналого-цифровой
преобразователь
(АЦП)
Преобразователь
частота-напряжение
(ПЧН)
Коммутатор сигнала
датчиков (КСД)
КОМПЛЕКТ
ДАТЧИКОВ
Отметчик
события
Расход
топлива
Положение
органа упр.
подачей
топл.
Нагрузка на
двигатель
Температура
охлаждающе
й
жидкости
Скорость
вращения
Температура
окружающег
о воздуха
Давление
масла
Температура
масла
Рис. 3. Структурная схема "Аппаратно программного комплекса"
Питание комплекса осуществляется от внешней сети 220 В через блок
питания
БП, обеспечивающего стабилизированное напряжение,
266
необходимое для питания мобильного компьютера и коммутационного
блока КСД.
Датчики осуществляют преобразование измеряемых параметров в
электрические сигналы. Сигналы датчиков поступают через КСД на блоки
ПЧН (преобразователь частота напряжение) и АЦП (аналого цифровой
преобразователь), где идет обработка данных одновременно по нескольким
каналам, что позволяет с необходимой точностью и быстродействием
измерять и регистрировать все необходимые параметры.
Сбор сигналов от датчиков, обработка, запись и вывод на дисплей или
печатное устройство осуществляется программным обеспечением,
установленным на МК. Программное обеспечение также позволяет
регистрировать, обрабатывать и записывать информацию об измеряемых
параметрах одновременно по нескольким каналам и при необходимости
выводить результаты на дисплей МК или печатное устройство.
Подготовка комплекса к работе заключается в установке датчиков в
соответствующих точках контроля на двигателе и последующей настройке
коммутационного блока и программного обеспечения для обработки
необходимых данных. Настройка комплекса несложная, для работы с ним
достаточно одного оператора.
Один из самых сложных и ответственных моментов при создании
подобного комплекса, это выбор типа необходимых датчиков или их
компонентов. В настоящее время уже выбраны модели основных датчиков.
Датчик нагрузки TU – K1M (Рис.4). Компактный
датчик
предназначен для измерения статических и динамических нагрузок. Тело
датчика выполнено из цельного куска металла без сварных швов. Это
допускает высокую устойчивость к механическому удару и вибрации.
Диапазон измерений: от 50 до 1,000 Kg. Класс точности: 0.2% . Степень
защиты: IP67 (DIN 40050).
Рис. 4. Датчик нагрузки TU – K1M
267
Для измерения расхода топлива планируется использовать
жидкостные датчики DATRON DFL (Рис.5.). Измерение потребления
топлива датчиками DFL основано на четырех-поршневом счетчике.
Датчики были специально разработаны как приложение к мобильной
контрольно-измерительной аппаратуре, как для легковых, так и для
грузовых автомобилей. Диапазон измерений 0,5 … 60 л/час. Точность
измерений ±0.5 %. Степень защиты IP 54.
Рис. 5. Датчик измерения расхода топлива DATRON DFL
Частоту вращения вала двигателя планируется измерять цифровым
датчиком частоты вращения модели DN30 и MP981 (Рис.6). Датчик имеет
процессор частоты вращения с частотным выходом и достаточно прост в
настройке.
Рис. 6. Датчик измерения частоты вращения вала двигателя
Кроме того, при организации стендовых испытаний открытым
остается вопрос выбора типа нагрузочного устройства необходимой
мощности, достаточной для проведения испытаний современных
двигателей, пусть даже легковых автомобилей. Имеющиеся на кафедре и
268
используемые в настоящее время в качестве нагрузочного устройства
асинхронные электродвигатели морально, технически и физически
устарели, и, кроме того, их мощности недостаточно для проведения
испытаний современных двигателей. Вопрос подбора оптимальных
компонентов комплекса, с точки зрения удовлетворения вышеуказанным
требованиям и в том числе имеющих приемлемую стоимость, требует
тщательной проработки и обсуждения.
Библиографический список
1. Двигатели внутреннего сгорания: В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник
для вузов/ В.Н. Луканин, К.А. Морозов, А.С. Хачиян и др.; Под ред. В.Н. Луканина. − 2-е
изд., перераб. и доп.− М.: Высш. школа, 2005. – 400 с.: ил.
2. ГОСТ 14846-81. Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний.
3. ГОСТ 18509-88. Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний.
УДК 621.9
ПОИСК ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ ГИБРИДНОЙ
СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ АВТОМОБИЛЯ МЕТОДОМ
ДИНАМИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ
И. Куликов, МГТУ «МАМИ»
В МГТУ «МАМИ» на кафедре «Автомобили» был создан
экспериментальный автомобиль-лаборатория, который предназначен для
исследования гибридных силовых установок (ГСУ). Схема его силового
привода (рис. 1) позволяет сравнивать разные варианты ГСУ
параллельного типа, в том числе полноприводные. Подробно об
экспериментальном автомобиле и его испытаниях можно узнать из работ
[3], [4] и [5].
Рис. 1. Гибридная силовая установка экспериментального автомобиля «МАМИ»
269
Важнейшим компонентом ГСУ является ее система автоматического
управления (САУ), разработка которой ведется в настоящее время
сотрудниками кафедры. В основе САУ лежит стратегия управления
гибридной силовой установкой. В ее создании можно выделить три
основные задачи:
– разработка логических правил, которые управляют переходами между
двумя режимами работы силовой установки: режимом чистой
электрической тяги (электромобиль) и гибридным режимом (совместная
работа теплового двигателя и электромашины);
– создание алгоритмов и законов взаимодействия между компонентами
ГСУ гибридном режиме;
– разработка законов взаимодействия между электрической машиной и
колесными тормозами в режиме рекуперации кинетической энергии.
Разработанная в настоящее время стратегия управления ГСУ основана на
логических правилах и законах управления агрегатами, которые были созданы
исходя из опыта и теоретических знаний разработчиков. Такой подход
является наиболее распространенным при создании САУ гибридных силовых
установок. В англоязычных работах по ГСУ он называется Rule-based
(«основанный на правилах») или, сокращенно, RB. Однако существование
множества альтернативных вариантов управления, а также сложная,
зависящая от большого количества факторов, характеристика энергетических
потерь в ГСУ не позволяют утверждать, что стратегия, основанная на
субъективных
решениях,
полностью
реализует
потенциал
энергоэффективности ГСУ. Поэтому решения, использованные в
разработанной стратегии, должны быть проверены с помощью аппарата
теории оптимального управления. Например, проверке подлежит
целесообразность обязательного отслеживания характеристики минимальных
удельных расходов топлива (ХМУР) при работе двигателя внутреннего
сгорания (ДВС). Топливная экономичность гибридного автомобиля зависит не
столько от кпд ДВС, сколько от энергоэффективности всей ГСУ. Если
наибольшая эффективность ДВС (т.е. фактически ХМУР) не совпадает с
наибольшей эффективностью ГСУ, то необходимо отклонение от ХМУР.
Другим важным для энергоэффективности ГСУ вопросом является
целесообразность увеличения количества используемых передач в коробке
передач (КП). Для поиска оптимального управления ГСУ в рамках данной
работы было выбрано динамическое программирование (ДП). Этот метод
теории оптимального управления хорошо приспособлен для реализации на
ЭВМ, а также отвечает специфике решаемых задач.
Поиск оптимального управления ГСУ при помощи динамического
программирования – это весьма долгий и ресурсоемкий процесс. Поэтому
его невозможно использовать непосредственно в системе управления, от
которой требуется принятие решений в реальном времени. Однако по
270
результатам поиска можно корректировать созданные разработчиками
правила и законы управления или формулировать новые.
Динамическое программирование
Задача оптимального управления заключается в том, чтобы перевести
модель исследуемой системы из начального состояния в конечное,
руководствуясь определенным критерием качества. Самым простым
критерием качества для оптимизации управления ГСУ является
минимальный расход топлива. Состояние модели ГСУ характеризуется
степенью зарядки батарей, которая часто обозначается английской
аббревиатурой SOC (State of charge). В качестве управления, которое
изменяет состояние системы,
удобно использовать мощность
электрической машины.
Поиск управления методом динамического программирования
основан на принципе оптимальности, который был сформулирован
создателем ДП Р. Беллманом [1], [2]: оптимальное управление в любой
момент времени не зависит от предыдущих состояний системы и
определяется только ее текущим состоянием и целью управления.
Из принципа оптимальности следует, что в каждом состоянии системы
управление должно выбираться, во-первых, без учета прошлых состояний,
а во-вторых, таким образом, чтобы последовательность состояний,
начинающаяся с текущего и заканчивающегося последним, привела
систему к цели управления (которая определяется критерием качества).
Это можно назвать принципом дальновидного планирования. В случае
дискретной задачи каждый шаг планируется с учетом всех будущих шагов.
Есть один шаг, который можно планировать без учета будущего.
Очевидно, что это последний шаг. Управление на нем можно выбрать так,
чтобы достичь минимума целевой функции на этом шаге. Согласно
принципу оптимальности, на предпоследнем шаге управление должно
быть таким, чтобы вместе с последним шагом (на котором управление уже
выбрано) достичь минимума целевой функции. Шаг, предшествующий
предпоследнему, должен учитывать результаты предпоследнего и
последнего шагов вместе взятых. Таким образом, принцип оптимальности
реализуется при разворачивании процесса от конца к началу.
Программа поиска оптимального управления ГСУ методом ДП была
реализована в системе MATLAB/Simulink. Чтобы ускорить процесс поиска,
программа компилировалась в исполняемый файл с помощью системы RealTime Workshop, которая является дополнением к пакету Simulink.
Результаты поиска оптимального управления ГСУ
Поиск оптимального управления ГСУ был проведен для наиболее
характерных для гибридных автомобилей условий движения – городских,
которые имитируются городскими ездовыми циклами. В данной работе
было использовано два цикла – городской цикл ЕЭК ООН и цикл FUDS
271
испытательной программы США (первые 800 секунд). Обязательным
условием работы ГСУ являлись одинаковые степени зарядки батарей в
начале и в конце цикла (условие баланса энергии в накопителе). Таким
образом обеспечивается корректное сравнение получаемых путевых
расходов топлива.
На текущем этапе исследований характеристики кпд электрических
компонентов ГСУ являются приблизительными, что не позволяет
достоверно сравнивать расчетные путевые расходы базового автомобиля и
автомобиля с ГСУ. Поэтому ниже будут приводиться только соотношения
между расчетными путевыми расходами автомобиля с ГСУ при
использовании разных управлений, что вполне достаточно для оценки
эффективности использования ДП.
Результаты поиска оптимального управления с помощью ДП для
цикла ЕЭК ООН показаны на рисунке 2. На нем сверху вниз изображены
графики изменения скорости автомобиля, степени зарядки батареи (SOC),
мощности электрической машины и мощности ДВС.
Рис. 2. Оптимальное управление ГСУ для движения автомобиля
в городском цикле ЕЭК ООН
Этот цикл использовался для сравнения расчетных путевых расходов
топлива, полученных при управлении ГСУ с помощью оптимальной
стратегии и Rule-based стратегии. Согласно последней, в гибридном
режиме ДВС работает только по ХМУР, избыток его мощности забирается
электромашиной в накопитель, а в КП используется только третья
передача. Для обеспечения сравнимости результатов выбор передач для
ДП также был ограничен третьей. Режим работы ДВС для ДП, напротив,
272
не имел никаких ограничений, кроме пределов диапазона работы по
частоте и мощности.
На топливную экономичность автомобиля с ГСУ параллельного типа
влияет не только работа силовой установки в гибридном режиме, но и
логика перехода между режимом электромобиля и гибридным режимом.
Основными критериями перехода являются скорость автомобиля и SOC.
От их граничных значений существенно зависит расход топлива. Поэтому
путевой расход, обеспеченный оптимальным управлением, сравнивался с
несколькими путевыми расходами, полученными при разных настройках
перехода между режимами в RB-стратегии. В городском цикле ЕЭК ООН
оптимальное управление, найденное алгоритмом ДП, дает экономию
топлива 12…30% относительно RB. При малой скорости перехода с
электротяги на гибридный режим в RB-стратегии большая часть времени
работы ДВС в цикле ЕЭК ООН приходится на участки разгона
автомобиля, на которых двигатель существенно загружен силой
сопротивления ускоренному движению. Поэтому большая часть мощности
ДВС направляется к колесам эффективным механическим путем, что
уменьшает путевой расход и сокращает резерв для дальнейшей
оптимизации (до 12%). Если поднимать скорость перехода между
режимами, то увеличивается время работы ДВС при равномерном
движении автомобиля, для которого требуется небольшая мощность.
Поскольку при этом двигатель отслеживает ХМУР, то он вырабатывает
много избыточной мощности, которая направляется по малоэффективному
электрическому пути, что ведет увеличению путевого расхода (на 25% и
более относительно оптимального управления).
На последнем графике рис. 2 хорошо видны те «приемы», которые
использовало ДП для минимизации путевого расхода. Во-первых, это
снижение скорости перехода в гибридный режим – ДВС в основном
включается при разгоне автомобиля. При этом ДП почти точно находит
ХМУР, ничего «не зная» о ней. Вторым «приемом» является отклонение от
ХМУР (в сторону уменьшения мощности), если необходима работа ДВС
при равномерном движении автомобиля. Такое решение недоступно в
исходной RB-стратегии и, очевидно, благодаря ему оптимальное
управление дает 12% экономии топлива. Отклонение от ХМУР
одновременно увеличивает кпд ГСУ (приблизительно на 5%) и уменьшает
количество энергии, отправляемой через электрические компоненты.
Для оценки целесообразности увеличения числа передач в КП был
использован 800-секундный отрезок цикла FUDS. Сначала был проведен
поиск оптимального управления с использованием в гибридном режиме
только 3-й передачи, а затем повторный поиск, но уже с возможностью выбора
между 2-й, 3-й и 4-й передачами. Результаты показаны на рисунке 3.
273
Рис. 3. Оптимальное управление ГСУ в ездовом цикле FUDS
с разным числом используемых передач автоматической КП
Поиск оптимального управления показал, что увеличение числа
используемых передач снижает путевой расход топлива на 7,2%. Экономия
достигается за счет оптимизации режимов работы компонентов ГСУ.
Средняя мощность ДВС в цикле снизилась с 19,5 кВт до 16,6 кВт, а
максимальная мощность – с 37,3 кВт до 27,3 кВт. Таким образом,
количество энергии, отправляемой по малоэффективному электрическому
пути, уменьшилось. Это хорошо видно на графике изменения степени
зарядки батарей: использование трех передач вместо одной значительно
сокращает амплитуду изменения SOC (с 0,03 до 0,017, т.е. на 41,6%). Это,
в свою очередь, увеличивает кпд самих накопителей, который зависит не
только от мощности тока заряда или разряда, но и от степени зарядки
батарей.
Выводы
Наличие динамического программирования в инструментарии
теоретического исследования ГСУ дает возможность исследовать особое
свойство силовой установки – оптимальное управление. Его не создают
разработчики,
оно
выявляется
с
помощью
динамического
программирования в виде режимных точек работы компонентов ГСУ.
Полученное
оптимальное
управление
можно
анализировать
математическими методами, а результаты анализа использовать в
разработке системы управления силовой установкой. Однако следует
иметь ввиду, что ДП не предлагает готовые стратегии управления силовой
274
установкой. Оно выявляет такие пути управления ею, которые позволяют
наиболее полно реализовать потенциал ее энергоэффективности.
Очевидно, что динамическое программирование можно применять не
только для поиска управления уже созданной ГСУ, но и в
проектировочных работах, когда требуется выбрать компоненты силовой
установки. Вместе с математическим моделированием ДП является
мощной теоретической базой для научно-исследовательских работ в
области гибридных силовых установок.
Библиографический список
1. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. М.
«Наука», 1965 г.
2. Вентцель Е.С. Элементы динамического программирования. М. «Наука», 1961 г.
3. Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Баулина Е.Е.,
Авруцкий Е.В., Карпухин К.Е. Экспериментальный многоцелевой гибридный
автомобиль. Автомобильная промышленность, №7 2006 г.
4. Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Вайсблюм М.Е., Баулина Е.Е.,
Карпухин К.Е. Испытания экспериментального многоцелевого гибридного автомобиля.
Автомобильная промышленность, №6 2007 г.
5. Селифонов В.В., Карпухин К.Е., Филонов А.И., Баулина Е.Е., Авруцкий Е.В.
Гибридные автомобили – решение экологической проблемы автомобильного
транспорта. Известия МГТУ «МАМИ», Выпуск 2(4) 2007 г.
УДК 621. 43.038. 8. 001
ДИАГНОСТИКА ФОРСУНОК ДИЗЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ,
ИХ РЕГУЛИРОВКА И ВОССТАНОВЛЕНИЕ
Ю.П. Макушев канд. техн. наук, доц.; Л.Ю. Михайлова инженер;
А.В. Филатов студент
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
1. Устройство стенда КИ-3333 для регулировки форсунок и его
модернизация.
На рисунке 1. показан общий вид стенда КИ–3333 для регулировки
давления начала впрыскивания (Рфо) распылителей форсунок. Величина
данного давления зависит от формы камеры сгорания (КС) и способа
смесеобразования – пленочного, объемно-пленочного и объемного [1]. У
штифтовых распылителей и разделенных камерах сгорания двигателя
(предкамера или вихревая камеры) величина Рфо лежит в пределах 12÷15
МПа (120÷150 атм.). У неразделенных камер сгорания с объемным способом
смесеобразования давление Рфо достигает величины 18÷30 МПа. Для
каждого типа двигателя величина Рфо указана в руководстве по регулировке
форсунок, зависит от диаметра иглы и способа смесеобразования. Топливные
275
факелы, выходящие из распылителя, должны быть направлены в полость КС.
Если факел направлен не в КС, а в стенку цилиндра, то процесс
смесеобразования распыленного топлива с воздухом будет нарушен. Расход
топлива и токсичность выхлопных газов увеличится.
Стенд КИ-3333 позволяет дополнительно контролировать мелкость
распыливания (визуально) и углы в плане и шатре распыливающих
отверстий. Углы в плане (вид сверху) можно определить по пятну контакта
центра топливного факела и прозрачной стенки цилиндра камеры впрыска.
Углы в шатре представляют собой расположение распыливающих
отверстий относительно оси распылителя (вид спереди и сбоку).
Применение распылителей с равным числом сопловых отверстий, но
другими углами в шатре и плане не допускается.
Гидравлическая схема стенда приведена на рис. 2. Из бака 1 через
фильтр 2 топливо поступает в пространство над плунжером насосной
секции 3. При помощи рычага плунжер движется вверх и, сжимая
топливо, создает давление. При открытых кранах 5 и 6 клапанной коробки
4 топливо поступает к манометру 7, аккумулятору 8 и форсунке 9. При
создании давления, при котором открывается игла форсунки, происходит
впрыск распыленного топлива в прозрачную камеру. При необходимости
регулируют форсунку, контролируя давление манометром 7. Для удаления
паров топлива в бак 1 служит вентилятор 10, который приводится во
вращение от турбины 11. Турбина вращается потоком воздуха,
поступающего из сети от компрессора.
Рис. 1. Общий вид стенда КИ–3333 для регулировки форсунок
276
Рис. 2. Гидравлическая схема стенда КИ–3333:
1 – корпус стенда с баком для топлива; 2 – фильтр; 3 – насосная секция;
4 – клапанная коробка; 5, 6 – краны для сообщения с аккумулятором и манометром;
7 – манометр; 8 – аккумулятор; 9 – форсунка; 10 – вентилятор для удаления
паров топлива; 11 – воздушная турбина; 12 – кран для подвода сжатого воздуха
При ремонте стенда или снижении уровня топлива в баке 1 в полость
насоса 3 может поступить воздух и работа стенда прекращается. Для
удаления воздуха необходимо ослабить винт, расположенный в корпусе
насоса 3, и прокачать систему.
Испытывать форсунки и регулировать следует в соответствии с
технологией испытания и техническими условиями заводов-изготовителей.
Регулировку форсунок на давление Рфо осуществляют при помощи
прокладок различной толщины или винтом, изменяя усилие пружины.
Конструкция серийного стенда имеет недостаток, заключающийся в том,
что топливо поступает к форсунке при открытой игле 5. Игла 5 представляет
собой конический запорный орган, выполненный из иглы форсунки
переменного сечения (рисунок 3). В процессе эксплуатации зазор между иглой
5 и корпусом 12 увеличивается, что приводит к утечкам топлива и
загрязнению стенда. Кроме того, форсунку 15, прошедшую диагностику и
регулировку, демонтируют со стенда под избыточным давлением. Это
приводит к разбрызгиванию топлива и ухудшает условия труда техника.
Для устранения указанных недостатков гидравлическая схема стенда
КИ – 3333 была изменена. В центральном соединительном канале 13
клапанной коробки 12 удалили технологическую пробку-заглушку, а
вместо нее установили штуцер, к которому подсоединили топливопровод
от насоса высокого давления 3. Подвод топлива от насоса осуществлен в
центральный канал клапанной головки (рисунок 4) и соединен с
аккумулятором 14 и форсункой 15. Процесс регулировки и давление
создается на стенде при закрытом клапане 5. При открытии клапана
давление в системе снижается до атмосферного, сжатое топливо удаляется
в топливный бак 1 через канал 4. Раньше этот канал служил для подвода
277
топлива от насоса 3. Сжатое топливо не утекает через зазор в паре иглакорпус, так как давление создается в системе при закрытой игле 5.
Рис. 3. Гидравлическая схема серийного стенда КИ-3333:
1 – топливный бак; 2 – фильтр тонкой очистки; 3 – насос высокого давления с ручным
приводом; 4 – подводящий канал; 5, 9 – игла запорная; 6, 10 – втулка с резьбой; 7, 11 –
винт с головкой; 8 – манометр; 12 – корпус клапанной коробки; 13 – центральный
соединительный канал; 14 – аккумулятор; 15 - форсунка
Рис. 4. Модернизированная гидравлическая схема стенда КИ-3333 М
Одной из причин неудовлетворительной работы форсунки является
подтекание топлива из посадочного конуса иглы. Это приводит к увеличению
расхода топлива, токсичности выхлопных газов. В выхлопных газах
увеличивается содержание несгоревших углеводородов (топлива) и твёрдых
частиц (сажи). Ниже приводится описание стенда и методика восстановления
герметичности посадочного конуса распылителя форсунки.
2. Стенд и методика восстановления герметичности посадочного
конуса иглы форсунки распылителя.
В процессе длительной эксплуатации топливной аппаратуры дизеля
посадочные поверхности конуса иглы и корпуса распылителя форсунки
изнашиваются, что способствует плохому распыливанию
и даже
278
подтеканию топлива из распылителя. Распылитель форсунки может
«лить», увеличивая расход топлива и токсичность отработавших газов.
На рисунке 5 показан посадочный конус нового распылителя с
кольцевым уплотнением шириной примерно 0,5 ÷ 1,0 мм и требуемой
мелкостью распыливания топлива. При испытании на стенде КИ-3333 и
хорошей подвижностью иглы она способна многократно подниматься и
опускаться на седло (дробить). Поток топлива не дросселирует под
конусом иглы, а рассекается на участки и поступает к сопловым
отверстиям под высоким давлением, обеспечивая требуемую мелкость
распыливания топлива. Топливо из распылителя вытекает в виде тумана с
характерным звуком. Игла форсунки совершает колебательный процесс с
частотой примерно 100 гц.
Ширина посадочного конуса и ее площадь зависят от напряжения
смятия металла, из которого изготовлен распылитель. В процессе посадки
иглы на неё действует сила от давления топлива и инерционные силы от
подвижных масс форсунки [2] (игла, штанга и 30% массы пружины). В
момент посадки иглы на седло перепад давления топлива достигает 5÷10
МПа. При малой площади в зоне контакта конусов может произойти
пластическая деформация с нарушением паралельности.
При изношенном распылителе ширина кольцевого уплотнения
увеличивается [3] (рисунок 5). Широкий посадочный конус с малым
зазаром представляет собой местное сопротивление с большим
коэффициентом потерь. Топливо, проходя через длинную коническую
щель, теряет энергию давления. При этом поток топлива не рассекается на
отдельные участки и при малом давлении поступает к сопловым
отверстиям, вытекает из них, не распадаясь на мелкие капли. Процесс
сгорания топлива ухудшается, мощность двигателя снижается,
увеличивается нагарообразование и токсичность выхлопных газов.
Рис. 5. Вид уплотнения посадочного конуса нового, изношенного
и восстановленного распылителя
При увеличении ширины
уплотнения теряется герметичность
посадочного конуса и распылитель начинает «лить». Для обеспечения
279
требуемой ширины посадочного конуса и его герметичности необходимо
восстановить геометрию конуса корпуса распылителя. Удалить часть
поверхности конуса иглы так, чтобы ширина кольцевого уплотнения была
равной 0,5 ÷ 1,0 мм и притереть уплотнение (рисунок 5).
Для восстановления герметичности запорного конуса распылителей
форсунок разработана методика и стенд (рис. 6) для притирки запорных
конусов. Применение стенда позволяет восстанавливать до 50% подтекающих
распылителей. Масса стенда 10 кг, габаритные размеры 50х25х20 см,
напряжение питания 220 вольт, мощность двигателя 200 Вт, частота вращения
выходного вала 150 ÷ 200 мин–1. Стенд имеет цанговый патрон, в котором
зажимается хвостовик иглы, позволяет восстанавливать герметичность
посадочных конусов многодырчатых и штифтовых распылителей.
Стенд совершенствуется и в последнем варианте используется
преобразователь частоты MIKROMASTER–410, позволяющий изменять
частоту и направление вращения.
Для полного сгорания рабочей смеси и минимальной токсичности
отработавших газов форсунки дизеля должны в распыленном виде подавать
топливо в камеру сгорания. Плохое качество распыливания и течь топлива в
запорном конусе распылителя повышает расход топлива до 10% и увеличивает
выброс вредных веществ с отработавшими газами. Для контроля качества
форсунок вначале проверяют углы в плане и шатре сопловых отверстий и
регулируют давление начала подъема иглы, например, 20 МПа у дизеля
КамАЗ–740, оценивают качество распыливания на стенде КИ–3333. Затем
снижают давление на 1÷2 МПа и в зоне сопловых отверстий наблюдают
образование капель топлива. Если в течение 10 секунд не образуется капля, то
герметичность посадочного конуса считается удовлетворительной. Если
распылитель подтекает и имеет плохую подвижность, то его восстанавливают
по предлагаемой методике.
1. При помощи специальной оправки с посадочного конуса корпуса
распылителя снимают изношенную поверхность (5÷10 мкм).
2. Удаляют часть поверхности конуса иглы (от вершины) на глубину
0,1÷ 0,2 мм. Ширина кольца контакта конуса иглы с конусом корпуса
распылителя должна быть равна 0,5÷1,0 мм.
3. Зажимают хвостовик иглы в цанговый патрон притирочного
устройства.
На
уплотняющую
поверхность
конуса
наносят
мелкозернистую пасту (5÷10 мкм).
4. Соединяют корпус распылителя с иглой, включают привод стенда и
при вращении вала (влево – вправо) подбивают конус иглы к конусу
корпуса распылителя.
5. Проверяют подвижность иглы и с использованием мелкозернистой
пасты (0,5÷1,0 мкм) с направляющей поверхности иглы удаляют, при
необходимости, лаковые и коксовые отложения.
280
6. Распылитель промывают в керосине и на стенде КИ-3333
проверяют герметичность конуса и качество распыливания топлива.
7. При течи топлива в запорном конусе процесс притирки повторяют.
8. Проверяют ход иглы (0,2÷0,3 мм) и при необходимости снимают
часть металла с торца корпуса распылителя при помощи крупнозернистой
пасты (20÷30 мкм) с использованием притирочной плиты.
Рис. 6. Стенд для восстановления герметичности посадочного конуса
распылителя форсунки
Если распылитель новый, с хорошим распыливанием, но подтекает в
результате, например, прижатия твердой частицы в зоне уплотнения, то
выполняют только операции 3, 4, 6.
Распылители с подрезанным конусом (КамАЗ) восстанавливают,
выполняя операции 1, 3, 4, 6.
Герметичность посадочного конуса штифтовых распылителей
восстанавливают по методике, изложенной выше. Перед началом
восстановления распылителя необходимо удалить нагар на корпусе и игле,
особенно в районе штифта.
Выводы по работе:
1. Модернизирован стенд для регулировки форсунок КИ-3333. Изменена
гидравлическая схема (не требующая дополнительных деталей), в которой
отсутствуют утечки топлива через запорный клапан. Система позволяет
повысить герметичность линии высокого давления. Демонтаж форсунки
со стенда можно производить без избыточного высокого давления, что
улучшает условия труда техника.
281
2. Разработан стенд и методика восстановления герметичности
посадочного конуса распылителей форсунок дизелей. Восстановление
герметичности распылителей и требуемой мелкости распыливания снизят
расход топлива и токсичность отработавших газов.
Библиографический список
1. Макушев Ю.П. Системы питания быстроходных дизелей: Учебное пособие. – Омск:
Изд-во СибАДИ, 2004. – 181 с.
2. Трусов В.И., Дмитриенко В.П., Масляный Г.Д. Форсунки автотракторных дизелей.
М.: Машиностроение, 1977. – 167 с.
3. Патент номер 2131343, класс В23Р6/00, номер заявки 97120570/02, опубликован
10. 06. 1999, заявитель и автор Битков В.А. Способ восстановления работоспособности
форсунок.
УДК 621.43
КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ
ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОМОБИЛЕЙ
Ю.П. Макушев, канд. техн. наук, доц.; В.Г. Монохин, канд. техн. наук, доц.;
А.В. Филатов, студент; Т.А. Макушева* ст. преп.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
*Омский государственный технический университет
Общие положения.
При эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, даже полностью
уравновешенных, на определенных скоростных режимах появляются
вибрации и стуки, приводящие иногда к разрушению коленчатого вала.
Причиной этого являются крутильные колебания вала, которые возникают
вследствие недостаточной жестокости коленчатого вала под действием
переменных по величине и направлению крутящих моментов двигателя
[1]. Крутильные колебания могут быть собственными и вынужденными.
Собственные колебания коленчатый вал совершает выведенный из
состояния покоя под действием только момента сил упругости вала ( М уп )
и момента сил инерции ( M ин ) от вращающихся масс. Вынужденные
колебания коленчатого вала возникают в процессе работы двигателя
вследствие действия периодически изменяющихся крутящих моментов,
которые вызывают упругие деформации скручивания коренных шеек.
При совпадении частот собственных крутильных колебаний с
вынужденными возникает резонанс. Создаются большие дополнительные
напряжения кручения, приводящие к поломке вала.
1. Свободные крутильные колебания вала с одной массой.
282
Рассмотрим колебания вала с маховиком, жестко закрепленного на
свободном конце (рис. 1). Крутильная система имеет маховик массой m и
моментом инерции ( J м ), вал длиной L с наружным диаметром d.
Колебание – движение, повторяемое во времени. Период – время в
секундах одного полного колебания.
Приложим к маховику крутящий момент М кр и закрутим вал на угол с
(например, 10 градусов). Мгновенно устраним действие М кр . Под действием
момента сил упругости ( М уп ) закрученный вал вернется в первоначальное
положение. Далее, под действием момента сил инерции маховика ( M ин ), вал
закрутится в противоположную сторону на угол с . Предположим, что
сопротивления колебаниям отсутствуют, а инерцией вала пренебрегаем.
Рис. 1. Система вала с одной массой, совершающая свободные колебания
Тогда M ин М уп ,
M ин М уп 0 .
(1)
Предположим, что одно полное колебание произошло за 2 с.
Период колебания Т равен 2 с. Амплитуда колебания равняется значению
с или максимальному углу поворота от своего нейтрального положения.
Частотой колебаний называют число колебаний за единицу времени.
283
1
кол/с.
T
(2)
В нашем примере = 0,5 кол/с.
Круговая частота с – число полных колебаний, которые
совершаются за 2 единиц времени
с 2 2 T рад/ с.
(3)
В нашем примере угловая скорость с 3,14 рад/с.
Из формулы 3 находим период T 2 c .
При частоте вращения 1 об/с. (за 1 с. совершается оборот) система
проходит 360 градусов или 6,28 радиан (2 радиан). Один радиан равен
57,3 градуса.
Момент касательных сил инерции ( M ин ) определяется выражением:
d 2
M ин J м 2 ,
dt
2
d
d 2 d
2
где
– угловое ускорение маховика 1/с ( 2
).
dt
dt 2
dt
Момент упругости вала М уп согласно закону Гука равен:
GJр
М уп
,
L
(4)
(5)
где G – модуль упругости материала вала при сдвиге, Н/м2 ;
d4
Jр
– полярный момент инерции сечения вала диаметром d, в м4 ;
32
– угол закручивания вала в радианах при деформации ;
L – длина вала в м.
Уравнение 5 можно представить в виде:
М уп С ,
(6)
где С
G Jр
L
– жесткость вала, представляющая собой крутящий
момент в Н·м, необходимый для закручивания вала на 1 град. или 1 рад;
L – длина вала, м.
Используя выражение 1, запишем:
d 2 G J р
Jм 2
0.
L
dt
Разделим обе части выражения 7 на величину J м , получим:
d 2 G J р
0 .
2
L
J
dt
м
284
(7)
(8)
Введем обозначение:
с
GJр
L Jм
с
.
Jм
(9)
Окончательно получим:
d 2
с2 0 ,
2
dt
(10)
где с - круговая, циклическая частота собственных крутильных
колебаний, 1/с.
Уравнение 10 является дифференциальным уравнением свободных
колебаний вала с одной массой.
Решение уравнения 10 имеет вид:
A sin c t B cos c t .
(11)
Постоянные величины A и B находят из начальных условий.
В начале движения – в момент максимального угла закручивания вала
при t = 0, c ,
d
0.
dt
Из уравнения 11 получим:
t 0 c A sin 0 B cos 0 B ; B c ;
d
Ac cos 0 Bc sin 0 0 ; A 0 .
dt t 0
Таким образом:
c cos c t .
(12)
Уравнение 12 выражает гармоническое колебательное движение, в
котором c является амплитудой или максимальным углом поворота
маховика от своего нейтрального положения.
2. Вынужденные крутильные колебания вала с одной массой.
Если к маховику приложить возмущающий
момент М В ,
изменяющийся по гармоническому закону
М В М 0 cos В t ,
(13)
где М 0 – амплитуда гармонически возмущающего момента (зависит от
значения крутящего момента двигателя);
В – круговая частота
возмущающего момента.
Уравнение 7 примет вид:
d 2 G J р
Jм 2
М 0 cos В t
L
dt
или
285
(14)
d 2 G J р
М0
cos В t
Jм
dt 2 L J м
(15)
Учитывая содержание уравнения 10, и вводя обозначения q
M0
,
Jм
получим:
d 2
с2 q cos В t 0 ,
2
dt
(16)
которое представляет собой уравнение вынужденных колебаний вала с
одной массой. Данное уравнение неоднородное, дифференциальное и
имеет решение:
1 2 ,
1 c cos c t ,
2 В cos В t ,
В
q
c2 В2
(17)
Угол В является амплитудой вынужденных колебаний.
При с В
равна частоте
бесконечности.
GJр
c
, где с
частота собственных колебаний
Jм
L
вынужденных,
амплитуда
В ,
колебаний
достигает
(18)
Данное явление называется резонансом и приводит к резкому
повышению деформации кручения и возможным поломкам коленчатого вала.
3. Расчет коленчатого вала на крутильные колебания.
Расчет коленчатого вала на крутильные колебания включает:
1. Приведение крутильной системы вала.
2. Определение
частоты собственных крутильных колебаний
приведенной системы.
3. Определение резонансного критического числа оборотов.
4. Выработка рекомендаций, устраняющих крутильные колебания.
3.1. Приведение крутильной системы вала
На рис. 2 представлена крутильной системы четырехцилиндрового
двигателя автомобиля ВАЗ -2108 с маховиком и эквивалентная схема,
состоящая из двух масс.
При расчете крутильной системы вала учитывают массы коленчатого
вала, поршней и шатунов. Приведение крутильной системы состоит из
следующих этапов:
286
1. Вычерчивается схема коленчатого вала;
2. Определяется длина отдельных участков коленчатого вала. Длины
соответствующих участков прямолинейного вала должны иметь
крутильную жесткость, равную жесткости участков действительного вала;
3. Оцениваются моменты инерции насаженных на приведенный вал
дисков (момент инерции колена вала, шатуна и поршня), кинетическая
энергия которых при крутильных колебаниях должна быть равна
кинетической энергии действительной системы.
Диаметр приведенного вала равен
диаметру коренной шейки
коленчатого вала. Диаметр коренной шейки примем
0,05 м, радиус
кривошипа 0,0375 м, массу поршня 0,34 кг, шатуна 0,5 кг.
Отношение диаметра коренной шейки к диаметру цилиндра
(dk/D=0,6÷0,7), относительная длина коренной шейки Lk/D=0,6÷0,7;
относительная длина шатунной шейки Lш / D = 0,5 ÷0,8; относительная
толщина щеки Eщ / D = 0,2. Длина одного колена вала l равняется
(1,3÷1,5)D.
Принимаем длину колена вала l кол , равной 1,315∙D. При диаметре
цилиндра D = 0,076 м (ВАЗ 2108) величина l кол =0,1 м.
Рис. 2. Слева – приведенная система коленчатого вала;
справа – двухмассовая система коленчатого вала
3.2. Определение частоты собственных крутильных колебаний
приведенной системы
Для упрощения расчетов многомассовую систему заменяем
эквивалентной двухмассовой. Объединенный момент инерции должен быть
равен сумме моментов инерции приведенных масс каждого цилиндра.
Jоб = ∑ Ji
(19)
Пусть
l1 l2 l3 l4 lкол = 0,1 м,
(20)
где lкол приведенная длина колена. Приведенная общая длина
287
lоб
J1l1 J 2l2 J 3l3 J 4l4
,
J1 J 2 J 3 J 4
(21)
где J1 J 2 J 3 J 4 J Д ;
где J кол
J Д – момент инерции диска.
J Д J кол J н.ч.ш. J п.ч. ,
(22)
- момент инерции колен вала (в нашем примере J кол = 0,01 кг∙ м2);
J н.ч.ш. - момент инерции вращающейся нижней части шатуна
J н.ч.ш. m2 R 2 .
(23)
J н.ч.ш. 2 / 3 0,5 0,03752 0,00047кг м2 .
J п.ч. - момент инерции от поступательно движущихся масс;
J п.ч. 0,5m j R 2 .
(24)
J п.ч. 0,5 0,34 1 / 3 0,5 0,0375 2 0,014кг м 2 .
J Д 0,01 0,00047 0,014 0,03 кг∙ м2.
Jоб = ∑ Ji = 0,03· 4 = 0,12 кг· м2.
Жесткость вала
с1 с2 с3 с4
G Jр
lкол
,
(25)
где G = 8,3 1010 Н/м2 модуль упругости при сдвиге (кручении) материала;
Jр = dk4/32 – полярный момент инерции сечения вала в м4 (диаметр
коренной шейки 0,05 м)
Жесткость вала представляет собой момент в Нм, который
необходимо приложить к валу, чтобы скрутить его на 1 градус.
Общая жесткость системы расположенной между массой маховика и
объединенной массами коленчатого вала
Соб
С об
GJр
l об
G Jр
lоб
(26)
8 1010 3,14 0,05 4
480000Н м .
32 0,1
Круговая частота собственных колебаний приведенной двухмассовой,
одноузловой системы
С1 1,1
Соб J об J м
1/с ,
J об J м
где J м - момент инерции маховика, 0,12 кг∙ м2.
288
(27)
Соб J об J м
480000 (0,12 0,12)
1,1
3100 1/с
J об J м
0,12 0,12
1.3.
Определение резонансного критического числа оборотов
Период и число колебаний двухмассовой приведенной системы
2
T
, с.
(28)
С1 1,1
C1
T
2 3,14
0,002 с.
3100
60 C1
2
кол/мин
60 3100
29600
2 3,14
(29)
кол/мин
Частота вращения коленчатого вала двигателя, соответствующая
резонансному режиму
nр
2
мин 1 ,
z
(30)
где z – число цилиндров.
2 29600
14800 мин 1
4
Если величина n p окажется в указанном диапазоне минимальной и
максимальной частоты вращения, то в процессе работы двигателя могут
возникнуть резонансные колебания, вследствие чего в коленчатом валу
появятся дополнительные напряжения, опасные в отношении его прочности.
Резонансное число оборотов двигателя определяет исходя из
основного уравнения резонанса.
K р C1 ,
(31)
nр
Где K – это порядок резонирующей моторной гармоники. Для
четырехтактных двигателей значение К = 0,5; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 и т.д. Для
двухтактных двигателей К = 1; 2; 3; 4 и т.д.
р
np
30
= 3,14 ·14800/30 = 1549 1/с – средняя угловая скорость
вращения коленчатого вала двигателя при резонансном числе оборотов n p
коленчатого вала по отношению к K-й гармонике.
Для обеспечения равенства левой и правой частей уравнения 31
величина К = 9,5.
289
Так как двигатель работает в диапазоне nmin 600 мин 1 до nmax
(например, nmax 6000 мин 1 ), то для того, чтобы К-ая
гармоника
возбудила резонансное колебание, необходимо, чтобы выполнилось еще
одно условие [1, 2]
nmin
Величина
30 C1
K
30C1
K
nmax .
(32)
= 30·3100/ (3.14· 9,5) = 3120 мин-1 лежит в
диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя (600 ÷ 6000 мин-1).
3.4. Выработка рекомендаций, устраняющих крутильные колебания
Если резонансное число оборотов находится в зоне частот работы
двигателя, то для устранения резонанса и уменьшения амплитуд
вынужденных крутильных колебаний изменяют конструкцию кривошипношатунного механизма или применяют гасители крутильных колебаний.
В автомобильных двигателях могут применяться гасители колебаний
жидкостного типа. В корпусе гасителя, который жестко прикреплен к
свободному концу коленчатого вала, расположен диск. Диск находится в
масляной среде. При резонансных колебаниях скорость вращения корпуса и
диска становятся различными. Диск, двигаясь относительно корпуса, создает
силу жидкостного трения, которая уменьшает амплитуду колебаний.
Выводы по работе:
1. В представленной работе рассмотрены причины возникновения
крутильных колебаний коленчатых валов,
дана методика расчета,
приведён пример расчета коленчатого вала автомобиля ВАЗ-2108 при
его крутильных колебаниях.
2. Значение частоты вращения коленчатого вала, соответствующей
резонансному числу оборотов n p = 14800 мин -1, находится вне диапазона
частот вращения двигателя. Но из выражения 32 следует, что при частоте
вращения коленчатого вала 3120 мин -1 двигателя автомобиля
ВАЗ-2108 и
резонирующей моторной
гармонике
равной 9,5
могут возникнуть
резонансные колебания, опасные в отношении его прочности. В данном
случае необходимо изменить конструкцию кривошипно-шатунного механизма
(размеры, жесткость, массы) или применить гаситель крутильных колебаний.
Библиографический список
1. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 2. Динамика и конструирование:
Учебник для вузов / В.Н. Луканин и др.; под ред. В.Н. Луканина и М.Г. Шатрова. – 2-е
изд., перераб. и доп. – М.: Высшая шк., 2005. – 400 с.
2. Лашко В.А., Лейбович М.В. Матричные методы в расчетах крутильных колебаний
силовых установок с ДВС. Учебное пособие. – Хабаровск: Изд-во Хабар. гос. техн. унта. 2003. –.211 с.
290
УДК 621.431-833
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ
А.В. Нижмаков, аспирант, А.Н. Леонтьев, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
На сегодняшний день в условиях стабильного роста тарифов проблема
внедрения собственных энергогенерирующих мощностей для большинства
потребителей электрической и тепловой энергии приобретает
чрезвычайную актуальность.
Одним из вариантов перехода на автономные источники
энергоснабжения является когенерация комбинированный способ
производства электроэнергии и теплоты в одном устройстве
когенерационной установке (мини-ТЭЦ).
Мини-ТЭЦ на базе поршневого двигателя представляет собой
компактную самостоятельную энергетическую установку, состоящую из
поршневого двигателя внутреннего сгорания, приводящего в действие
электрогенератор, устройств утилизации теплоты отработавших газов и
системы охлаждения двигателя, регуляторов работы установки и
вспомогательного оборудования. Применение энергоустановок на базе
поршневых двигателей для совместной выработки электроэнергии и теплоты
в качестве автономных источников энергоснабжения позволяет экономически
выгодно и экологически целесообразно получать энергетическую продукцию.
Электрическая мощность таких установок меняется от нескольких
киловатт, до нескольких десятков мегаватт: на 100 кВт вырабатываемой
электрической мощности приходится около 160 кВт тепловой мощности в
зависимости от варианта применения поршневой энергоустановки [1].
Поршневые двигатели по сравнению с любыми другими тепловыми
являются
наиболее
экономичными,
а
двигатели,
изначально
спроектированные для работы на газообразном топливе, отличаются большим
ресурсом – полный ресурс до списания составляет более 200тыс. часов или 25
лет. Кроме того, они обладают высокой экономичностью, малой
металлоёмкостью, надёжностью и долговечностью, что позволяют этому типу
двигателей занять ведущее место в энергетике. Совместное производство
тепловой и электрической энергии обеспечивает как экономию топлива, так и
снижение токсичных выбросов, особенно парниковых газов [2].
С применением энергоустановок на базе поршневых двигателей резко
повышается эффективность использования теплоты сгорания топлива с 38-40 %
до 80-85 % и сокращаются вредные выбросы атмосферу. Особенно актуально
применение подобных энергоустановок для районов отдалённых от большой
291
земли, временных поселений, потребителей, не имеющих возможности
подключения к централизованным сетям энергоснабжения [1,2].
Эффективному использованию теплоты сгорания топлива в
поршневых энергоустановках способствует полезное использование
теплоты уходящих газов, а также теплоты системы охлаждения двигателя.
Вторичная теплота поршневых энергоустановок используется для
отопления и горячего водоснабжения промышленных предприятий,
близлежащих жилых домов, тепличных хозяйств и т. д. Простейшая схема
энергоустановки на базе поршневого двигателя представлена на рисунке 1.
21
8
14
16
17
13
10
6
3
5
19
15
22
20
2
18
1
4
7
11
9
7
12
Рис. 1. Схема энергоустановки на базе поршневого двигателя:
1–поршневой двигатель; 2–радиатор охлаждения двигателя; 3-рубашка охлаждения
двигателя; 4–насос системы охлаждения двигателя; 5–теплообменник для полезного
использования теплового потока, отводимого из рубашки охлаждения двигателя; 6–
теплообменник полезного использования теплового потока, отводимого с уходящими
газами двигателя; 7–трубопровод обходной сетевой воды; 8–трубопровод отвода
отработавших газов; 9–насос циркуляции сетевой воды; 10–вентиль для отвода воздуха
при заполнении системы водой; 11–направление потока теплоносителя;12–бакгрязевик; 13–фильтр; 14–отвод выхлопных газов в атмосферу;15-трубопровод водный
системы отопления (гор. водоснабжения); 16–потребитель тепловой энергии; 17–
расширительный бак воды системы отопления;18 – электрогенератор; 19–муфта
упругая фланцевая; 20–вентиль; 21–обходной трубопровод выхлопных газов; 22 трубопровод системы охлаждения двигателя
Такая схема рассчитывается для любого потребителя, имеющего
определённую потребность в электрической и тепловой энергии,
исходными данными для теплового расчёта схемы поршневой
292
энергоустановки являются технические характеристики и результаты
расчёта теплового баланса поршневого двигателя.
Из всех возможных вариантов автомобильных двигателей наиболее
предпочтительными для создания поршневых энергоустановок являются
двигатели отечественного производства, что обусловлено следующими
преимуществами [1]:
- стоимость ниже зарубежных аналогов;
- короткий срок окупаемости;
- возможность выпуска или переоборудования силового агрегата для
работы на различных видах топлива;
- простота конструкции;
- меньшие затраты на проведение технического обслуживания и ремонта
двигателя;
- лёгкий запуск в условиях низких температур;
- более дешёвая энергетическая продукция: стоимость производства
электроэнергии от 39коп/кВт∙ч в зависимости от варианта применения и
загрузки энергоустановки.
Выводы:
Создание автономных систем энергоснабжения является одним из
приоритетных направлений развития отечественного двигателестроения.
Переход на поршневые энергоустановки создаёт перспективу для
развития отечественных заводов, производящих автомобильные двигатели,
т.к. в ближайшем будущем может возникнуть высокий спрос на
автомобильные двигатели отечественного производства.
Библиографический список
1.Интернет-источник www.cogeneration.ru.
2. Нижмаков А.В., Сергеев А.С. Малая энергетика. Реформирование и развитие.//
Межвузовский сборник трудов студентов, аспирантов и молодых учёных. Вып 2, Ч 1.
Омск 2005. С 181-185.
УДК 621.436
ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ДЛЯ
ДИЗЕЛЬНЫХ ТОПЛИВ ПРИМЕНЯЕМЫХ НА АВТОМОБИЛЯХ
В.С. Пономаренко, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В последнее время с каждым годом повышаются требования к
снижению содержания в топливах примесей, в частности серы. Это
наглядно видно по национальному стандарту российской федерации
293
«Топливо дизельное ЕВРО», ГОСТ 52368 – 2005 [1], который аналогичен
Европейскому стандарту EN 590.
По физико-химическим и эксплуатационным показателям топливо
должно соответствовать требованиям настоящего стандарта и
изготовляться по технологии, утвержденной в установленном порядке. Эти
требования указанны в табл. 1.
Таблица 1
Требования к топливу
Наименование показателя
1. Цетановое число, не менее
Значение
51,0
820-845
2. Плотность при 15 °С, кг/м
3. Содержание серы, мг/кг, не более, для топлива:
вид I
вид II
вид III
4. Температура вспышки в закрытом тигле, °С, не ниже
5. Зольность, % (по массе), не более
6. Содержание воды, мг/кг, не более
350,0
50,0
10,0
55
0,01
200
2,0 - 4,50
7. Кинематическая вязкость при 40 °С, мм /с
8. Фракционный состав:
при температуре 250 °С, % (по объему), менее
при температуре 350 °С, % (по объему), не менее
перегоняется при температуре 360 °С, % (по объёму), не менее
65
85
95
Топливо для умеренных климатических условий по предельной
температуре фильтруемости должно соответствовать требованиям,
указанным в табл. 2.
Таблица 2
Требования к топливу для умеренного климата
Наименование показателя
Предельная температура фильтруемости, °С,
не выше
А
В
5
0
Значение для сорта
С
D
Е
-5
-10
-15
F
-20
Топливо для холодного и арктического климата должно
соответствовать требованиям, указанным в табл. 3.
Еще больше ужесточены требования к топливу в техническом регламенте
"О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и
судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту"
утвержденном постановлением Правительства Российской Федерации от 27
февраля 2008 года N 118. Эти требования указаны в табл. 4.
294
Таблица 3
Требования к топливу для холодного и арктического климата
Наименование
показателя
1. Предельная температура
фильтруемости °С, не выше
2. Температура помутнения, °С, не выше
3. Плотность при 15°С, кг/м
4. Кинематическая вязкость при 40 °С,
мм /с
5. Цетановое число, не менее
6. Фракционный состав:
до температуры 180 °С, % (по объему),
не более
до температуры 340 °С, % (по объему),
не менее
0
Значение для класса
1
2
3
4
-20
-26
-32
-38
-44
-10
-16
-22
-28
-34
800- 845 800-845 800-840 800-840 800-840
1,50-4,0 1,50-4,0 1,50-4,0 1,40-4,0 1,20-4,0
49,0
49,0
48,0
47,0
47,0
10
10
10
10
10
95
95
95
95
95
Таблица 4
Требования к характеристикам дизельного топлива
Характеристики
Единица
Нормы в отношении
дизельного топлива
измерения класса 2 класса 3 класса 4 класса 5
Массовая доля серы, не более
мг/кг
500
350
50
10
Температура вспышки в закрытом
°С
тигле, не ниже:
дизельного топлива, за исключением
дизельного топлива для арктического
40
40
40
40
климата
дизельного топлива для арктического
30
30
30
30
климата
Фракционный состав - 95 процентов
°С
360
360
360
360
объемных перегоняется при
температуре не выше
Массовая доля полициклических
процент
11
11
11
ароматических углеводородов, не
ов
более
Цетановое число, не менее
45
51
51
51
Цетановое число для дизельного
47
47
47
топлива для холодного и
арктического климата, не менее
Предельная температура
°С
фильтруемости, не выше:
дизельного топлива для холодного
минус 20 минус 20 минус 20 минус 20
климата
дизельного топлива для арктического
минус 38 минус 38 минус 38 минус 38
климата
Смазывающая способность, не более
мкм
460
460
460
460
295
Выпуск в оборот дизельного топлива допускается в отношении:
класса 2 и класса 3 - до 31 декабря 2011 года;
класса 4 - до 31 декабря 2014 года;
класса 5 - срок не ограничен.
Однако дизельные топлива являются смазочным материалом для
движущихся деталей топливной аппаратуры быстроходных дизелей, трущихся
пар плунжерных топливных насосов, запорных игл, штифтов и др. На
поверхностях трущихся пар при контакте с топливом образуется граничный
слой, обладающий специфическими свойствами. Этот очень тонкий
граничный слой (толщина меньше 1 мкм) выполняет функцию смазочной
пленки. Он предотвращает непосредственный контакт поверхностей трения,
при этом уменьшаются сила трения и износ трущихся деталей.
Присутствующие в топливах молекулы гетероатомных соединений
серы, кислорода или азота, имея постоянный дипольный момент,
притягиваются поверхностью металла, строго ориентируются в слоях и
создают смазочную пленку, которая уменьшает трение и износ.
Смазывающие свойства топлив значительно хуже, чем у масел, так
как и вязкость, и содержание поверхносно-активных веществ (ПАВ) в
топливах меньше, чем их содержание в маслах. Противоизносные свойства
топлив улучшаются с увеличением содержания ПАВ, вязкости и
температуры выкипания.
В связи с ужесточением требований к качеству дизельных топлив по
содержанию серы и переходом на выработку экологически чистых топлив,
гидроочистку их проводят в жестких условиях. При этом из дизельных
топлив удаляются соединения, содержащие серу, кислород и азот, что
негативно влияет на их смазывающую способность. Опыт использования
дизельного топлива с содержанием серы 0,005% в Швеции, наряду с
положительными моментами — снижением содержания вредных веществ в
выхлопных газах, выявил негативные последствия — преждевременный
выход из строя топливных насосов из-за снижения смазывающей
способности дизельного топлива. Высокий уровень износа отмечен уже
после 5000 км пробега, кроме того, имела место тенденция к увеличению
заедания деталей насоса. Исследования, проведенные в США и Германии,
также показали низкую смазывающую способность и плохие
противоизносные характеристики малосернистых дизельных топлив, в
результате чего возникали поломки инжекторных насосов. Компания Shell
провела исследования по изучению вопроса о соответствии характеристик
топлив условиям их применения, при этом, исходя из имеющегося опыта
использования авиационного керосина, основное внимание было уделено
смазывающей способности топлива. Программа исследований наряду с
дорожными и стендовыми испытаниями на долговечность топливного
296
оборудования включала фундаментальные лабораторные исследования
смазывающей способности топлив.
По существу, имеются три возможности улучшения смазывающих
способностей дизельных топлив:
использование
нестандартных
условий
проведения
процесса
гидроочистки, которые сводят к минимуму удаление важных
компонентов;
смешение дизельных топлив с продуктами с высоким содержанием
природных компонентов, обеспечивающих высокую смазывающую
способность в условиях граничной смазки;
использование присадок, придающих топливу дополнительные
противоизносные свойства.
Для малосернистого топлива использование двух первых
возможностей улучшения смазывающих характеристик является
неприемлемым, так как получаемое в этих случаях топливо не
соответствует строгим техническим стандартам. Поэтому использование
присадок является наиболее реальным способом.
Анализ патентных данных показал, что для улучшения
противоизносных характеристик дизельных топлив предлагается большое
количество химических соединений, принадлежащих к различным
классам. Так, в качестве противоизносных присадок испытывались
сложные эфиры ди- и монокарбоновых кислот и ди- и полиатомных
спиртов, соединения, содержащие серу, фосфор, азот, бор и другие
гетероатомы, а также другие классы химических соединений.
Хотя в принципе существует много вариантов повышения смазывающей
способности дизельных топлив с помощью присадок, на практике их выбор
достаточно узок. Большинство противоизносных присадок, применяемых в
моторных и индустриальных маслах, слишком агрессивны в топливах. Кроме
того, многие из этих присадок содержат серу, что делает нежелательным их
применение в экологически чистых дизельных топливах, или фосфор,
отрицательно влияющий на систему очистки выхлопных газов.
При решении проблемы подбора эффективной присадки, исходя из
требований к топливам по экологической безопасности, приводит к
использованию только тех присадок, которые могут придать топливам
смазывающую способность на уровне, характерном для дизельных топлив
с содержанием серы - 0,2% мас. И ароматики 25-30% мас.
Смазочную способность дизельных топлив оценивали на
вибрационном трибометре SRV фирмы Optimol, используемом для оценки
процессов трения и износа смазочных материалов. Прибор позволяет
оценивать изменение коэффициента трения в процессе испытания в
зависимости от нагрузки, скорости скольжения, длительности испытания
и температуры в условиях граничного режима трения.
297
За рубежом оценка противоизносных свойств дизельных топлив
проводится на приборе HFRR на узле трения пластина - шар. При
испытании
на
приборе
HFRR
дизельные
топлива
должны
характеризоваться уровнем противоизносных свойств не более 460 мкм.
Для дизельных топлив специально подбираются условия испытаний
[2]. Оценочными показателями при испытании дизельных топлив
являются: диаметр пятна износа, коэффициент трения и удельная нагрузка.
Лучшими противоизносными свойствами обладают образцы, имеющие
низкий коэффициент трения, малый диаметр пятна износа и высокую
удельную нагрузку.
В качестве присадок, улучшающих противоизносные свойства
дизельных топлив, испытаны сложные эфиры пентаэритрита и
синтетических монокарбоновых кислот (эфир ПЭТ), сложные эфиры 2этилгексанола и себациновой кислоты (эфир ДОС), сложный эфир
пентаэритрита, себациновой и акриловой кислот (эфир ПАС), нафтеновые
кислоты, а также некоторые зарубежные присадки, рекомендуемые
фирмами. Результаты этих исследований представлены в табл. 5, 6.
Таблица 5
Влияние присадок на противоизносные свойства дизельного топлива
с содержанием серы 0,05% масс
Наименование
Без присадки
Нафтеновые
кислоты
Эфир ПЭТ
Эфир ДОС
Эфир ПАС
Диз. топливо с
содержанием серы
0,2%
Концентрация,
% мас.
Диаметр пятна
износа, мм
Коэффициент
трения
0,1
0,05
0,01
0,1
0,05
0,01
0,1
0,05
0,01
0,1
0,05
0,01
0,45
0,39
0,38
0,40
0,83
0,82
0,44
0,45
0,49
0,42
0,41
0,52
0,58
0,22
0,12
0,12
0,15
0,18
0,18
0,23
0,19
0,23
0,18
0,19
0,17
0,15
Удельная
нагрузка,
кг/мм2
31,45
40,82
43,10
38,85
9,43
9,47
33,65
32,89
29,45
37,04
37,88
24,04
19,23
–
0,30
0,16
70,77
Из представленных в табл. 1 результатов видно, что наиболее
эффективны нафтеновые кислоты в концентрации 0,05% мас.
Использование эфира ПЭТ приводит к ухудшению противоизносных
свойств, а введение эфиров ДОС и ПАС практически не влияет на
смазочные характеристики топлива.
298
Таблица 6
Влияние импортных присадок на противоизносные свойства дизельного
топлива с содержанием серы 0,05% мас
Наименова
Концентрац
Диаме
Коэффицие
Удельн
*
ние
ия, % мас.
тр пятна
нт трения
ая нагрузка,
износа, мм
кг/мм2
Без присадки
–
0,45
0,22
31,45
Paradyne 639
0,03
0,45
0,30
31,45
Paradyne 655
0,014
0,46
0,27
30,10
0,001
0,40
0,17
39,81
CD-2
0,0001
0,41
0,15
37,03
*
Концентрации присадок выбраны по рекомендации фирм.
Результаты испытаний на приборе SRV некоторых зарубежных
присадок (см. табл. 6) показывают, что присадки Paradyne 639 и
Paradyne 655 практически не влияют на противоизносные характеристики
исходного дизельного топлива. Введение присадки CD-2 даже в малых
концентрациях (0,0001% мас.) уменьшает коэффициент трения и
увеличивает удельные нагрузки. Настоящие исследования позволяют
установить принципиальную возможность улучшения противоизносных
свойств экологически чистых дизельных топлив с помощью присадок.
Таким образом, для исследования повышения показателей качества
дизельных топлив и применения современных присадок необходимы:
современные приборы для определения содержания серы с помощью
рентгеновской флюоресценции образца топлива, для оценки процессов
трения и износа деталей топливной аппаратуры трибометрические машины,
приборы для определения предельной температуры фильтруемости топлива.
Библиографический список
1. ГОСТ 52368 – 2005. Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.
2. Т.Н. Митусова, Е.В. Полина, М.В. Калинина. Современные дизельные топлива и
присадки к ним — М.: Издательство «Техника». ООО «ТУМА ГРУПП», 2002. — 64 с.
УДК 621.43: 681.31 (075.8)
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
И.А. Холмянский, д-р. техн. наук, проф.; В.А. Каня, ст. преп.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В СибАДИ на кафедре «Теплотехника и тепловые двигатели»
разрабатывается система автоматизированного проектирования (САПР)
двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В качестве первого модуля
выбрана САПР коленчатого вала.
299
Рис. 1. Пример геометрического образа коленчатого вала
Проектирование ДВС начинается с изучения требований
потребителей в различных отраслях промышленности: авиации,
автомобильном транспорте, судостроении, энергомашиностроении и
агрегатов специального назначения.
Далее составляется техническое задание (ТЗ) на проектирование ДВС,
которое содержит назначение объекта, условия эксплуатации, и основные
параметры, характеризующие конструкцию двигателя:
1. Номинальная (максимальная) мощность, Ne, кВт.
2. Среднее эффективное давление, pе, МПа.
3. Рабочий объём цилиндров ДВС (литраж) Vл, определяемый по формуле:
V л i Vh ,
где i – число цилиндров; Vh – рабочий объём одного цилиндра, л (дм3).
4. Частота вращения коленчатого вала, n, мин-1:
а) на режиме номинальной (максимальной) мощности;
б) минимальная при холостом ходе.
5. Диаметр цилиндра, D, м.
6. Ход поршня, S, м, или отношение S/D.
7. Скорость поршня, cm, м/с.
8. Максимальный крутящий момент, Memax Н∙м.
9. Чистый сухой вес с маховиком, кг, или удельная масса mN, кг/кВт.
10. Габаритные размеры ДВС, мм.
11. Тактность ДВС, .
Некоторые параметры взаимосвязанные, определяются с учётом
размеров цилиндра, например: i, pе, S/D, cm.
При любом проектировании решается комплекс проблем и
выбирается оптимальное решение.
Наиболее часто проектирование начинается с определения основных
параметров нового ДВС и, прежде всего, с нахождения эффективной мощности [1]:
p V in
(1)
N e e h , кВт.
30
Для заданного отношения S/D и Nе находят диаметр цилиндра:
120N e , м.
(2)
D
3
p e ni
300
S
D
Варьируя значением параметров i и S/D, изменяют объём двигателя.
Иногда в качестве одного из основных параметров, особенно
применительно
к
быстроходным
автомобильным
двигателям,
рассматривается литровая мощность:
pn
N л e , кВт/л.
(3)
30
тогда диаметр цилиндр определяется по формуле:
D
4N e
3
S
N л i
D
.
(4)
По литровой мощности судят об эффективности использования
рабочего объёма и уровня форсирования двигателя.
Рассматривают также поршневую мощность, а также мощность,
отнесённую к диаметру цилиндра, которая характеризует уровень
форсирования двигателя (тепловую напряжённость его поршневой группы).
Sn
Производят оценку быстроходности cm
,м/с, а также удельной
30
M
массы двигателя m N
, кг/кВт.
Ne
Число цилиндров i связано с диаметром цилиндра D, так как они
определяют литраж двигателя и соответственно мощность при заданных
эффективном давлении и частоте вращения.
Отношение хода поршня к диаметру цилиндра S/D определяет
протекание важнейших физических процессов в цилиндре, а также
габаритные размеры и массу двигателя.
Диаметр цилиндра D является основным геометрическим параметром для
определения большинства геометрических размеров деталей двигателя.
Выбрав размеры диаметра цилиндра D и ход поршня S, приступают к
проектированию кривошипно-шатунного механизма, вычерчивая его схему
для поперечного разреза двигателя по оси цилиндра. При этом производится
выбор размеров длины шатуна l и кривошипа r с последующим
конструктивным оформлением и прочностным расчётом всех элементов.
В настоящее время для проектирования ДВС широко применяют
САПР, которые включают модули [2, 3]:
Computer Aided Engineering (CAE) расчётно-оптимизационные
системы расчётов и инженерного анализа конструкции;
Computer Aided Design (CAD) системы конструкторского
проектирования, ориентированные на построение пространственных
объектов и их взаимного расположения, то есть собственно компьютерное
конструирование и оформление конструкторской документации;
301
Computer Aided Manufacturing (CAM) технологические системы,
направленные на проектирование технологических процессов и
автоматизированную подготовку производства;
комплексные системы, включающие совокупность вышеперечисленных
систем CAE/ CAD/ CAM.
Управление проектированием в целом осуществляется программным
продуктом PDM, который обеспечивает процесс сквозного проектирования
в условиях единого информационного пространства с участием различных
предприятий в создании и производстве новых двигателей.
Однако для учебного процесса в ВУЗах и колледжах, в небольших
конструкторских бюро (КБ) приобретение больших сертифицированных
программных комплексов неэкономично и неэффективно. Поэтому
выбрана следующая технология создания САПР ДВС:
для графического моделирования использовать систему трёхмерного
твердотельного моделирования «КОМПАС-3D»;
для расчётов по инженерным методикам табличный процессор
Microsoft Office Exсel.
Программный комплекс состоит из пяти блоков.
Блок 1 информационный. Он содержит сведения о конструкциях
коленчатых валов современных автомобильных двигателей, частоте
вращения, максимальном крутящем моменте, мощности, применяемых
материалах и конструкциях, например, коленчатого вала и
подшипниковых опор, а также о соотношениях размеров элементов
коленчатого вала к диаметру поршня.
Блок 2 предназначен для ввода-вывода графической информации и
чертежей. Он служит для эскизного проектирования коленчатого вала с
обеспечением смазки подшипников, выбором и обоснованием элементов
конструкции на основе анализа и сопоставления с конструкциями валов по
блоку 1. Кроме того, здесь оформляется чертёж коленчатого вала после
завершения проектирования.
Блок 3 выполняет расчёты кинематики, динамики, определения
прочности и долговечности. В этом блоке производится уточнение
размеров, обеспечение уравновешивания инерционных сил и снижение
крутильных колебаний, определение собственных частот и форм
колебаний, потерь энергии от неравномерности вращения и др.
Блок 4 осуществляет анализ конструкции, её технологичности,
допусков и технических условий на изготовление.
Блок 5 производит оценку условий эксплуатации, обеспечения
ремонтопригодности и утилизации.
В дальнейшем планируется разработать блок по компьютерной
балансировке и отстройке от резонансных частот, намечено выполнение
302
конечно-элементного анализа с учётом изменения поверхностной
твёрдости от химико-термической обработки.
В первом блоке предварительно выбирается геометрический образ
коленчатого вала с учётом заданной эффективной мощности Nе и
рассчитанным диаметром цилиндра D и крутящим моментом Ме (рис. 1).
Затем этот эскизный проект коленчатого вала вводится в модуль САПР,
где полуавтоматически снимаются все его геометрические размеры.
Далее в блоке 3 производятся все инженерные расчёты, и
корректируется геометрия вала. На рис. 2 приведён расчёт крутящих
моментов шеек коленчатого вала.
М1 , Н*м
М1, Н∙м
400
200
0
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
,
градус
f , градус
0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
,
градус
f , градус
0
-100 0
60
120
180
240
300
360
420
480
540
600
660
720
f , градус
,
градус
60
120
180
240
300
360
420
60
f ,градус
градус
120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 ,
-200
М2, Н∙м
М2 , Н*м
-400
400
200
0
-200
М3, Н∙м
М , Н*м
3
-400
300
200
100
-200
М4, Н∙м
М 4, Н*м
-300
300
200
100
0
-100 0
480
540
600
660
720
,f ,градус
градус
-200
-300
4-0 , Н*м
М4-0М,Н∙м
800
600
400
200
0
, градус
-200 0
-400
-600
Рис.2. Пример расчёта моментов на шейках коленчатого вала
303
Затем в блоке 2 осуществляется проектирование коленчатого вала и
выпускаются его рабочие чертежи, выполненные с помощью трёхмерного
твердотельного моделирования в системе «КОМПАС-3D».
Выполненные расчёты показали высокое быстродействие и удобство
пользования комплексом.
В дальнейшем намечено выполнение конечно-элементного анализа с
учётом изменения поверхностной твердости от химико-термической
обработки и разработка блока по компьютерной балансировке и отстройке
от резонансных частот.
Библиографический список
1. Конструирование двигателей внутреннего сгорания / Н.Д. Чайнов, Н.А. Иващенко, А.Н.
Краснокутский, Л.Л. Мягков; под ред. Н.Д. Чайнова. М.: Машиностроение, 2008. – 496 с.
2. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э Баумана, 2006. – 448 с.
3. Потёмкин А.Е. Твёрдотельное моделирование в системе КОМПАС-3D. – СпБ.:
БВХ-Петербург, 2004. – 512 с.
СЕКЦИЯ 7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СОЗДАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
АВТОТРАКТОРНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
УДК 621.873.3
НЕЧЕТКАЯ ЛОГИКА В АЛГОРИТМЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
АВТОМОБИЛЬНОГО КРАНА
И.В. Денисов, преподаватель
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В настоящее время вопросам рационального управления системами
автомобильной техники уделяется большое внимание, так как от него
зависит производительность машины, ее долговечность и условия работы
обслуживающего персонала. Автомобиль и строительные машины на его
основе представляют собой совокупность сложных систем, управление
которыми для достижения наилучшего результата возможно лишь на
основе применения современных средств автоматизации.
Сложность процессов, имеющих место в различных системах
автомобильной техники, когда отсутствует возможность составления
простой математической модели, когда приходится иметь дело с
нелинейными зависимостями между параметрами процессов, делает
затруднительным применение традиционного подхода к автоматизации.
304
При этом использование математического аппарата нечеткой логики в
моделировании сложных систем является весьма перспективным.
Нечеткая логика применяется в алгоритмах управления различными
системами автомобильной техники, среди которых основное внимание
уделяется управлению трансмиссией, впрыском топлива и специальным
оборудованием. В данной статье исследован вопрос управления рабочим
оборудованием автомобильного стрелового крана.
Впервые в автомобилестроении в 1991 году японской компанией
Nissan были применены компоненты нечеткой логики в системе
управления пятискоростной автоматической коробкой переключения
передач. К 1993 году Mitsubishi Motors представила модель Lancer с
системой АБС на основе процессора с нечеткой логикой. К этому времени
на том же Nissan была внедрена нечеткая логика в системах управления
впрыском топлива для бензиновых двигателей.
Из-за сложности процессов, происходящих в двигателе внутреннего
сгорания (ДВС), до сих пор не удавалось создать его полной математической
модели. Поэтому большинство систем управления ДВС используют
табличную модель, полученную экспериментальным путем на испытаниях и
с учетом опыта экспертов. Серьезный недостаток такой модели – сложность
создания многомерных таблиц и большой объем памяти, требуемый для их
записи, если выходной параметр формируется в зависимости от трех и более
входных. Сегодняшние табличные системы используют в основном
регулирование по двум параметрам и, соответственно, трехмерные таблицы,
описывающие поверхности. Попытки снизить разрядность входных и
выходных переменных и применить интерполяцию не привели к успеху:
вычислительной мощности контроллеров оказалось мало для обеспечения
требуемого периода регулирования. Применение нечеткой логики позволяет
заменить таблицы правилами нечеткого вывода и реализовать управление по
большому числу входных параметров.
Не менее актуальным является применение подхода, основанного на
нечеткой логике, к моделированию сложных систем в строительной технике
на базе автомобиля. Ниже предложен алгоритм функционирования системы
нечеткого управления лебедкой стрелового крана LIEBHERR LTM 1090/2,
основанный на анализе экспериментально измеренных показателей рабочего
процесса и действий человека-оператора, а также представлены результаты
моделирования системы управления.
Программная реализация модели системы нечеткого управления
рабочим процессом крана выполнена в MATLAB R2007a с пакетом
расширения Fuzzy Logic Toolbox [1]. Тип систем нечеткого вывода –
Сугэно; метод импликации – умножение; операция объединения функций
принадлежности выходной переменной – вероятностное «ИЛИ»;
дефаззификация – методом взвешенного среднего.
305
Правила нечеткого вывода составлены на основе правил
программного управления рабочим процессом крана [2]. Функции
принадлежности лингвистических переменных построены в результате
анализа экспериментальных данных о рабочих скоростях механизмов
крана и о действиях оператора в зависимости от текущего положения груза
в каждый момент времени [3].
Система нечеткого вывода для управления лебедкой представлена на
рис. 1. Входами системы являются лингвистические переменные EZ и
EF , т.е. рассогласования между заданным и текущим положениями груза
по высоте и по углу поворота в плане. Выход – лингвистическая
переменная VK , т.е. скорость каната.
Рис. 1. Структура системы нечеткого управления длиной каната
Для построения функций принадлежности входных переменных
использованы пороговые значения координат груза по высоте Z и углу
поворота в плане , при которых оператор крана осуществлял
управляющие воздействия. В результате обобщения информации о трех
рабочих циклах крана определены пороговые значения высотной
координаты Z d 0,01 м, Z 0 1,178 м, Z1 0,825 м, Z 2 2,66 м, Z 3 0,79 м,
Z 4 0,748 м, Z 5 40 м и Z 6 41 м. Пороговые значения угла поворота
платформы d 0,5 , 1 4 , 2 33 , 3 14 , 4 58 , 5 26 .
Для построения функций принадлежности выходной лингвистической
переменной VK использованы следующие скорости изменения длины
каната, задаваемые оператором: большие скорости – vk1 0,17 м/с,
vk 2 0,17 м/с; средние скорости - vk 3 0,116 м/с, vk 4 0,116 м/с; малые
скорости - vk 5 0,07 м/с, vk 6 0,07 м/с.
На рис. 2 и 3 представлены построенные в относительных единицах
функции принадлежности входных лингвистических переменных EZ (
рассогласование по высоте груза) и EF (рассогласование по углу поворота
в плане). Для переменной EZ были заданы следующие функции
принадлежности: функция EZD трапецеидальной формы с параметрами
306
0,748; 0,001; 0,001; 0,748 ,
функции треугольной формы – EZP 4 ,
EZN 4 , EZP3 , EZN 3 с параметрами соответственно, 0,001; 0,748; 0,79 ,
0,79; 0,748; 0,001 ,
0,748; 0,79; 2,66,
2,66; 0,79; 0,748 ,
S-функция EZP 2 с параметрами 0,79; 2,66 и Z-функция EZN 2 с
параметрами 2,66; 0,79 . Для лингвистической переменной EF заданы
следующие функции принадлежности: функции трапецеидальной формы
EFD , EF 2 , EF 3 с параметрами, соответственно, 4; 0,5; 0,5; 4 ,
58; 33; 33; 58 , 26; 14; 14; 26 , S-функция EFP1 с параметрами
0,5; 4 и Z-функция EFN1 с параметрами 4; 0,5 . Диапазон изменения
переменной EZ от –50 до 50 м, а переменной EF – от –180 до 180.
Лингвистической переменная VK (скорости изменения длины каната)
включает в себя 6 термов – 0, VKP3, VKN3, VKP4, VKN4, VKP5, VKN5 c
постоянными функциями принадлежности со следующими параметрами:
0, 0,17 , 0,17 , 0,116 , 0,116 , 0,07 , 0,07 .
Рис. 2. Функции принадлежности рассогласования по высоте груза
Рис. 3. Функции принадлежности рассогласования по углу поворота в плане
Нечеткое управление
следующих восьми правил:
лебедкой
307
осуществляется
с
помощью
1.
If (EZ is EZP2) and (EF is EF3) then (VK is VKN3).
2.
If (EZ is EZN2) and (EF is EF3) then (VK is VKP3).
3.
If (EZ is EZP3) and (EF is EF3) then (VK is VKN4).
4.
If (EZ is EZN3) and (EF is EF3) then (VK is VKP4).
5.
If (EZ is EZP4) and (EF is EF3) then (VK is VKN5).
6.
If (EZ is EZN4) and (EF is EF3) then (VK is VKP5).
7.
If (EZ is EZD) and (EF is EF3) then (VK is 0).
8.
If (EF is not EF3) then (VK is 0).
В результате моделирования системы управления лебедкой
стрелового крана получена поверхность отклика системы нечеткого
вывода, представляющая собой зависимость скорости каната от
рассогласования по высоте груза и углу поворота крана (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость скорости каната от рассогласования
по высоте груза и углу поворота крана
Аналогичные системы нечеткого вывода разработаны для управления
приводами подъема стрелы и поворота крана. Предложенный в настоящей
работе подход к автоматизации рабочего процесса позволит на основе
анализа действий оператора учесть трудноизмеримые и неконтролируемые
внешние воздействия, неизвестные параметры крана, повысить
производительность крана на типовых операциях сокращением
длительности процесса перемещения груза более чем в 1,5 раза.
Применение нечетких регуляторов в различных системах в составе
автомобильной
техники
является
перспективным
направлением
повышения ее эффективности.
Библиографический список
1. Штовба С. Д. Проектирование нечетких систем средствами MATLAB. – М.: Горячая
линия-Телеком, 2007. – 288 с.
2. Денисов И. В., Мещеряков В. А. Моделирование системы программного управления
рабочим процессом стрелового крана // Омский научный вестник.– 2009 № 1(77). – С. 81–86.
308
3.
Денисов И. В.
Экспериментальные
исследования
стрелового
крана
LIEBHERR 1090/2 с помощью компьютерной системы индикации LICCON //
Автомобили, специальные и технологические машины для Сибири и Крайнего Севера :
материалы 59-й Междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомоб. инженеров. –
Омск : СибАДИ, 2007. – С. 96–97.
УДК 621.43.692
АВТОМАТИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ
ТЕМПЕРАТУРЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ В
СООТВЕТСТВИИ С РЕЖИМОМ ЕГО РАБОТЫ
Д.Н. Зновенко, инженер; Б.В. Журавский, инженер;
А.П. Жигадло, д-р. техн. наук, доцент
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Система охлаждения двигателя внутреннего сгорания (ДВС)
предназначена для обеспечения оптимального и стабильного теплового
состояния его деталей. На наземном транспорте наибольшее распространение
получили двухконтурные системы с принудительной циркуляцией жидкости,
где теплоотвод осуществляется в воздух, а охлаждающая жидкость
используется в качестве промежуточного теплоносителя.
В зависимости от режима работы двигателя и условий окружающей
среды меняется как количество выделяемого двигателем тепла, так и
количество тепла, которое способен рассеять радиатор системы
охлаждения. В настоящее время в системе охлаждения автомобильных
двигателей применяется две автоматически работающие подсистемы.
Первая из них с помощью термостата отключает от системы радиатор,
обеспечивая движение охлаждающей жидкости по так называемому
малому контуру, а, следовательно, - ускоренный прогрев двигателя после
его пуска; вторая включает вентилятор радиатора при достижении
температуры данной жидкости установленного для нее верхнего предела,
предотвращая перегрев двигателя. В большинстве случаев термостат, и
датчик, включающий вентилятор работают по релейному алгоритму.
Данная система поддерживает рабочую температуру ДВС с точностью 5 ÷
10 градусов независимо от его режима работы.
Для увеличения эффективности работы двигателя необходимо
варьировать температуру охлаждающей жидкости в соответствии с
режимом его работы. При частичных нагрузках на двигатель
целесообразно увеличивать температуру охлаждающей жидкости вплоть
до 110 ÷ 115 oC, так как при повышении температуры двигателя
уменьшаются потери на трение, соответственно улучшается топливная
309
экономичность [1]. Зависимость механического к.п.д. от температуры
охлаждающей жидкости [2]:
t
t
M K 2 (1 M ) ( )( г ) oxл tохл ,
(1)
tг tохл t
где M - относительное изменение механического к.п.д.;
K 2 - линеаризованный коэффициент;
м - механический к.п.д. при данной температуре t охл ;
- динамическая вязкость масла, Па*с;
t г - температура гильзы, K;
t cт - температура стенок цилиндра, K;
t - динамическая вязкость масла при данной температуре t ;
охл
t охл - изменение средней температуры охлаждающей жидкости.
На режиме максимальной нагрузки следует снижать температуру
охлаждающей жидкости выходящей из головки блока цилиндров (ГБЦ) до
значения равного 80 ÷ 86 oC, что уменьшит величину нагрева воздушной
массы, поступающей в камеру сгорания, следовательно, увеличить
коэффициент наполнения цилиндров [2]:
t
t
v K 1 ст ( охл )t охл ,
(2)
t охл t cт
где v - относительное изменение коэффициента наполнения,
K 1 - линеаризованный коэффициент;
t охл - температура охлаждающей жидкости, K;
tохл - средняя температура охлаждающей жидкости.
Целенаправленное влияние на температуру охлаждающей жидкости,
увеличение её на частичных нагрузках и уменьшение на максимальных,
осуществляется модернизированной системой жидкостного охлаждения,
представленной на рисунке 1.
Данная система охлаждения включает в себя подсистемы
регулирования производительности по жидкостному контуру и изменения
расхода охлаждающего воздуха, проходящего через радиатор.
Регулирование
производительности
по
жидкостному
контуру
производиться с помощью жидкостного насоса с электроприводом и
программируемого термостата. Применение электропривода насоса
позволит устранить недостатки, присущие системам охлаждения, в состав
которых входит жидкостный насос с механическим приводом [3].
Программируемый термостат позволяет изменять температуру открытия
своих клапанов путем подачи напряжения на термосопротивление,
встроенное в него, и за счет этого регулировать тепловой режим в
определенном поле рабочих характеристик двигателя [4].
310
Подсистема изменения расхода охлаждающего воздуха, проходящего
через радиатор включает в себя жалюзи с электроприводом и вентилятор
переменной производительности.
- циркуляция охлаждающей жидкости по малому контуру;
- циркуляция охлаждающей жидкости по большому контуру
Рис. 1. Схема жидкостной адаптивной системы охлаждения
1 – радиатор; 2 – жалюзи; 3 – программируемый термостат; 4 – датчик положения
дроссельной заслонки; 5 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 6 – датчик
температуры окружающей среды; 7 – электронный блок управления; 8 – ДВС; 9 –
датчик частоты вращения выходного вала коробки передач; 10 – коробка передач; 11 –
датчик частоты вращения коленчатого вала; 12 – жидкостный насос с
электроприводом; 13 – обводная магистраль; 14 – вентилятор с электроприводом; 15 –
шаговый электродвигатель привода жалюзи.
Блок-схема алгоритма работы системы представлена на рисунке 2.
Для формирования управляющих воздействий электронный блок
управления анализирует показания датчиков: нагрузки двигателя, частоты
вращения коленчатого вала, скорости движения автомобиля, температуры
окружающей среды, температуры охлаждающей жидкости.
После пуска и прогрева двигателя до необходимой температуры,
определяется режим его работы [5]. При частичных нагрузочных режимах
температура стабилизируется в диапазоне 110 ÷ 115 oC, при мощностных
режимах – 80 ÷ 86 oC. Регулирование теплового состояния двигателя
осуществляется
изменением
температуры
открытия
клапана
программируемого термостата и регулированием производительности
вентилятора и жидкостного насоса.
311
Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы адаптивной системы охлаждения:
Gэл.н. - производительность электрического насоса охлаждающей жидкости, м3/с; Gв. рад. производительность вентилятора радиатора охлаждающей жидкости, м3/ч; U R терм
напряжение на термосопротивлении программируемого термостата, В; t ож - температура
охлаждающей жидкости; oC; nкв - частота вращения коленчатого вала двигателя, об/мин.
Применение модернизированной системы охлаждения с адаптивным
управлением, осуществляющей изменение температуры охлаждающей
жидкости в соответствии с режимом работы двигателя, позволит
увеличить эффективность его работы: повысить топливную экономичность
на частичных нагрузках, улучшить наполнение цилиндров на
номинальных режимах.
312
Библиографический список
1. Асмус Т. У. Топливная экономичность автомобилей с бензиновыми двигателями /
Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др.; Под ред. Д. Хиллиарда, Дж. Спрингера. М.: Машиностроение, 1988. - 510 c.
2. Петриченко Р.М. Системы жидкостного охлаждения быстроходных двигателей
внутреннего сгорания: Р.М. Петриченко; - Л.: «Машиностроение», 1975. – 224 с.
3. Алиев А. Я. Система охлаждения ДВС, оснащенная электроприводным насосом / А.
Я. Алиев, Н. Г. Фаталиев// Автомобильная промышленность: научно-технический
журнал. – 2008. - №7. – С14.
4. Луканин В. Н. Двигатели внутреннего сгорания: в 3 кн. Кн.2: Динамика и
конструирование: ред. В. Н. Луканин, М. Г. Шатров; - 3-е изд. перераб. - М.: Высшая
школа, 2007 – 400 с.
5. Мельников А.А.Управление техническими объектами автомобилей и тракторов:
Системы электроники и автоматики: Учеб. пособие для студ. высш. учеб.
заведений/А.А. Мельников. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 376 с.
УДК 519.6
ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ
РЕШЕНИЙ В СФЕРЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
АВТОТРАКТОРНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Е.Л. Першина, ст. преп.; О.А. Попова, канд. техн. наук, доц.
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В настоящее время одним из направлений в области проектирования,
создания и эксплуатации сложных технических систем является разработка
специализированных компьютерных систем поддержки принятия решений,
реализующих современные интеллектуальные технологии обработки данных
и принятия эффективных технических решений.
Специализированные системы призваны наряду с общими задачами
поддержки принятия решений, такими как анализ ситуаций, генерация и
оценка альтернатив, компьютерный анализ возможных последствий
принимаемых решений осуществлять поддержку специфических задач,
связанных с уникальностью данной предметной области, условий,
ограничений, сферы применения.
К таким техническим системам, которые нуждаются в компьютерной
поддержке, можно отнести автотракторные системы, а также различные
подсистемы,
такие,
например,
как
система
автотракторного
электрооборудования.
В процессе эксплуатации автотракторного электрооборудования
возникает ситуация принятия решений в условиях многокритериальности
и неопределенности имеющейся информации. Например, непрерывное
313
усложнение систем электрооборудования и рост степени их автоматизации
выдвигают на передний план проблему оценки состояния как всей системы
в целом, так и отдельных ее подсистем. Оценкой всех вопросов, связанных
с определением состояния технической системы и характера его изменения
с течением времени, занимается техническая диагностика. На основании
данных технической диагностики проводится качественная оценка
(работоспособен, неработоспособен, имеется дефект, дефект отсутствует и
т.п.) и на основании этих оценок принимаются решения.
Решение задач технической диагностики системы электрооборудования
целесообразно начинать в процессе проектирования объекта. Исходя из
условий использования и эксплуатации проектируемого объекта,
разрабатывают диагностические модели, эффективность которых в
значительной мере зависит от степени приспособленности конструкции
объекта к техническому диагностированию, а также применяемых методов и
средств технической диагностики.
Для разработки диагностических моделей используется разнообразный
аппарат и инструментарий. Особое место занимает метод моделирования,
который позволяет формализовать процесс оценки состояния технического
объекта. Для решения проблемы оценки сложных объектов используется
метод многопараметрического моделирования, который успешно применяется
для исследования многих технических систем. Автотракторные системы
управления - сложные устройства, в которых учитываются значения многих
параметров. Поэтому на первый взгляд применение многопараметрического
моделирования представляется адекватным инструментарием для решения
оценки состояния системы автотракторного электрооборудования.
Анализ публикаций по теме применения данного подхода к системам
электроснабжения для автотракторных систем показал, что данный подход
практически не используется. Зависимости между входными и выходными
параметрами системы строятся
на основе инженерного опыта,
экспериментальных исследований, полезная информация представляется в
виде многомерных калибровочных диаграмм. Достаточно убедительным
аргументом,
доказывающим
сложность применения
технологии
многопараметрического моделирования к таким системам, является также
тот факт, что многие параметры, характеризующие состояние системы
носят качественный характер. Проблема оценки состояния относится к
классу слабо структурированных и неструктурированных проблем.
В статье предлагается для оценки состояния системы автотракторного
электрооборудования использовать информационный подход, основанный
на применении современных интеллектуальных технологий и
многокритериальных методах моделирования многопараметрических
задач принятия решений. Для реализации данного подхода необходимо
разрабатывать и использовать специализированные компьютерные
314
интеллектуальные системы поддержки принятия решений. Основное
назначение таких систем не только представлять необходимую
информацию, но и выполнять некоторый ее предварительный анализ,
давать рекомендации, осуществлять прогнозирование развития ситуаций,
отбирать наиболее перспективные альтернативы решений, т.е.
поддерживать решения, взяв на себя значительную часть рутинных
операций, а также функции предварительного анализа и оценок.
Современная
система
поддержки
решений
связывает
интеллектуальные ресурсы человека со способностями и возможностями
компьютера для улучшения качества решений.
Основная идея новой технологии состоит в том, чтобы рассматривать
систему понятий предметной области и соответствие между ней и
системой понятий формальной модели как исходную информацию для
решения прикладных задач. Данная
информационная технология
основывается, прежде всего, на интеллектуальных технологиях и теории
искусственного интеллекта.
Компьютерная интеллектуальная система поддержки принятия
решений (КИСППР) – это компьютерная система, состоящая из пяти
основных взаимодействующих компонентов: языковой подсистемы
(механизм обеспечения связи между пользователем и другими
компонентами КИСППР), информационной подсистемы (хранилище
данных и средств их обработки), подсистемы управления знаниями
(хранилище знаний о проблемной области, таких как процедуры,
эвристики и правила, и средства обработки знаний), подсистемы
управления моделями и подсистемы обработки и решения задач
(связующее звено между другими подсистемами).
Например, часто решения, основанные на знаниях, помогают
поддерживать шаги в процессе получения решения без математической
поддержки; интеллектуальные системы моделирования решений могут
помочь пользователям строить, использовать и управлять библиотекой или
базой моделей; аналитические системы принятия решений могут
интегрировать теоретически строгие методы неопределенности в базу
знаний системы.
Компонента знаний состоит из одной или нескольких интеллектуальных
программных составляющих. Как СУБД и система управления моделями,
программное обеспечение управления знаниями обеспечивает требуемое
исполнение и интеграцию в интеллектуальных системах.
Системы, которые включают такую составляющую, называются
интеллектуальными, или КИСППР, базирующимися на знаниях. При их
создании используются идеи и методы искусственного интеллекта.
Понятия, которыми оперирует человек в различных областях знаний,
являются по своей природе слишком сложными и многоплановыми для
315
того, чтобы использовать для их представления только традиционные,
точные, хорошо определенные модели и алгоритмы. Многие понятия
вследствие субъективности человеческого мышления, приблизительного
характера умозаключений и лингвистического их описания оказываются
нечеткими по своей природе и требуют для своего представления
соответствующего аппарата.
В качестве примера использования интеллектуального подхода в
технических системах отменим, что в автомобильных электронных системах
автоматического управления (ЭСАУ) находят применение лингвистические
функциональные преобразователи, входными и выходными параметрами для
которых являются лингвистические переменные, значениями которых
являются нечеткие подмножества, выраженные в форме слов или
предложений на естественном или искусственном языке.
В отличие от классической теории множеств, в которой используются
понятия принадлежности или непринадлежности элемента к множеству,
теория нечетких множеств допускает различную степень принадлежности,
определяемую функцией принадлежности элемента, значения которой
изменяются в интервале [0,1]. Границы интервала характеризуют
соответственно полную принадлежность к нулю или полную
принадлежность к единице элемента нечеткого множества.
В работе [3] рассматривается система управления оборотами
вентилятора отопителя в салоне автомобиля в зависимости от фактической
температуры и заданной потребителем на пульте климат-контроля.
Температура в салоне автомобиля рассматривается как лингвистическая
переменная Т1. Тогда входными лингвистическими переменными будут
фактическая температура в салоне Т1 и температура ТU, задаваемая
пользователем на панели климат-контроля.
Значения лингвистических переменных представляются словами
естественного языка и называются термами. Для большинства приложений
достаточно иметь 3-7 термов на каждую переменную. Лингвистическую
переменную Т1 (температура в салоне) можно описать термами «очень
холодно», «холодно», «прохладно», «комфортно», «тепло», «жарко».
Лингвистическая переменная ТU (желаемая температура) описывается как
«холодно», «прохладно», «комфортно», «тепло», «жарко».
Для реализации лингвистической переменной необходимо определить
точные физические значения ее термов. Пусть, например, переменная Т1
может принимать любое значение в диапазоне 5...40С. Каждому значению
температуры из диапазона 5...40С ставится в соответствие некоторое число
от нуля до единицы, определяющее степень принадлежности данного
физического значения температуры к тому или иному терму
лингвистической переменной Т1. Например, температуре 18С можно
задать степень принадлежности к терму «холодно», равную 0,4, а к терму
316
«прохладно» - 0,6. Конкретное определение степени принадлежности
производится экспертами.
Каждому значению лингвистической переменной соответствует свой
диапазон изменения базовой переменной. Ограничение значения базовой
переменной характеризуется функцией принадлежности, которая каждому
значению базовой переменной ставит в соответствие определенное число
из интервала [0-1].
Выходная лингвистическая переменная ОВО (обороты вентилятора
отопителя) может быть задана термами «отключено», «малые обороты»,
«средние», «высокие», «максимальные».
Использование лингвистических переменных означает сжатие
данных, т. к. одним значением лингвистической переменной охватывается
весь диапазон значений базовой переменной, что позволяет обходиться без
создания громоздких многомерных калибровочных таблиц.
Для реализации управления задаются продукционные правила,
связывающие входные и выходные лингвистические переменные.
Совокупность таких правил описывает стратегию управления,
применяемую в данной задаче.
Продукционное правило состоит из антецедента (часть «если») и
консеквента (часть «то»). Антецедент может содержать более одной
посылки. В этом случае они объединяются посредством логических связок
«И» или «ИЛИ».
Например:
ЕСЛИ (Т1 = «очень холодно») И (ТU= «жарко») ТО (ОВО =
«МАКСИМАЛЬНЫЕ»).
Смысл этого правила в том, что если в салоне очень холодно, а
установка переключателя на панели климат-контроля в положении
«жарко», то вентилятор отопителя должен работать на полную мощность.
Данный пример показывает, что лингвистические функциональные
преобразователи с нечеткой логикой можно использовать в системах
автотракторного
электрооборудования,
управления
для
многих
автотракторных агрегатов, например, в гидравлических тормозах, в
программном обеспечении электронных систем управления подачей
топлива, управления автоматической коробкой передач, в электронных
системах управления климат-контролем.
Срабатывание систем, основанных на нечеткой логике, значительно
ускоряется по сравнению с техническим решением на основе
калибровочных диаграмм.
В заключение следует заметить, что разработка специализированных
КИСППР в автотракторной сфере является актуальной задачей. Как показал
анализ существующих сегодня КСППР в автотракторной сфере таковые
317
отсутствуют. Имеются лишь отдельные программы, решающие отдельные
частные задачи расчета технических показателей для данных систем.
На факультете «Информационные системы в управлении» в Сибирской
автомобильно-дорожной академии в рамках программы «Развитие научного
потенциала высшей школы (2009-2010) по направлению «Интеллектуальные
технологии поддержки принятия решений» ведется научно-исследовательская
работа по созданию специализированных компьютерных интеллектуальных
систем поддержки принятия решений. В этих системах реализуется
технология интеллектуального анализа данных Semp-T, которая объединяет
уникальный по мощности комплекс средств и методов представления и
обработки знаний, включающий: высокоуровневые средства задания
семантики объектов предметной области путем спецификации ограничений на
значения их параметров и локальных правил вывода; иерархическую
семантическую сеть с определяемыми свойствами отношений; аппарат для
работы с неточно заданными (недоопределенными) значениями числовых,
символьных и множественных типов; динамические типы данных; развитый
аппарат продукционных правил с двумя уровнями средств динамического
управления; средства генерации и проверки гипотез; объектная графика и
высокоуровневые средства создания пользовательских интерфейсов;
визуальный интерфейс разработчика. Semp-T носит универсальный характер и
может использоваться в любых сферах приложений, в которых требуется
описание сложных по структуре и семантике предметных областей. Semp-T
естественно сочетает мощный логический вывод и вычисления над неточно
заданными параметрами, что обеспечивает его эффективное применение в
таких областях как: экспертные системы и их проблемно-ориентированных
оболочки; интеллектуальные базы данных и знаний; сложные диагностические
системы; системы планирования и принятия решений; моделирование
процессов в технике, экономике, биологии и социологии; интеллектуальные
системы управления сложными объектами, в том числе роботами;
компьютерная поддержка учебных курсов искусственный интеллект,
инженерия знаний и др. Технология Semp-T ориентирована на конструктора
интеллектуальных систем. Обеспечивает значительное повышение качества и
многократное сокращение трудозатрат при создании сложных систем
обработки знаний.
Библиографический список
1. Башмаков А.И., Башмаков И.А. Интеллектуальные информационные технологии:
Учеб. пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. - 304 с.
2. Люггер Дэю.Ф. Искусственный интеллект. Стратегии и методы решения сложных
проблем: Пер. с англ. - 4-е изд. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 864 с.
3. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы: Учеб.
пособие. – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 240 с.
318
УДК 621.3
БУДУЩЕЕ - ЗА ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ СИСТЕМАМИ ПУСКА ДВС
В.П. Хортов, В.И. Коротков
Московский государственный технический университет «МАМИ»
Низковольтные конденсаторные системы пуска ДВС пока, как
известно, в массовое и даже серийное производство не пошли. И это,
пожалуй, хорошо. Дело в том, что за 16 лет, прошедших с момента
изобретения конденсаторной системы пуска, были проведены сотни
экспериментов и решены десятки связанных с нею теоретических задач.
Результаты того и другого позволяют сделать выводы, полезные при
принятии решения о промышленном использовании конденсаторных
систем пуска. Главный из них состоит в том, что низковольтные системы
перспективы не имеют. Наоборот, будущее – за высоковольтными
системами: они экономичны, т.е. обеспечивают пуск ДВС при значительно
меньших, чем низковольтные системы, затратах энергии, а значит, и массе
конденсаторов.
Бесперспективность низковольтных систем даже при использовании
молекулярных и иных высокоемкостных типов конденсаторов объясняется
следующим.
Общеизвестно, что важнейший показатель аккумуляторных батарей,
применяемых в системах пуска ДВС, - их внутреннее сопротивление:
именно оно определяет максимальную мощность, которую можно
получить от батареи.
Эта мощность равна отношению квадрата напряжения на зажимах
аккумуляторной батареи к учетверенному ее внутреннему сопротивлению.
Хорошо известно и то, что при снижении температуры окружающей
среды (следовательно, и электролита), а также при разряде батареи ее
внутреннее сопротивление увеличивается, значит, мощность отдаваемая
ею в сеть, снижается. В то же время потребности ДВС в мощности при
снижении температуры, наоборот, увеличивается. Поэтому попытки
внедрить конденсаторные системы пуска, были, по существу, попытками
устранить данное противоречие. При этом считалось, что аккумуляторная
батарея будет нужна только для заряда конденсаторов, и поскольку
внутреннее сопротивления последних при прочих равных условиях
значительно меньше сопротивления батареи, то мощность системы пуска
должна заметно возрасти.
Для обычных импульсных конденсаторов так оно и есть. Однако у
низковольтных молекулярных, на которые в дальнейшем из-за их высокой
удельной энергоемкости и был сделан упор, это сопротивление оказалось
319
примерно того же порядка, что и у аккумуляторов автомобильных
стартерных батарей.
Иначе не могло и быть. Ведь устройство молекулярного конденсатора,
в принципе, аналогично аккумуляторной батарее, только в нем энергия
накапливается не за счет химической реакции, а в двойном электрическом
слое, образованном поляризованным (угольным, например) электродом
(электронный проводник) и электролитом (ионный проводник). Именно
наличие электролита и не позволяет получить в молекулярном
конденсаторе внутреннее сопротивление меньшим, чем в аккумуляторных
батареях.
Убедиться в этом позволяет таблица, в которой приведены
проводимости различных электролитов. Так как и в аккумуляторных, и в
молекулярных, и в молекулярных конденсаторов применяется один и тот
же электролит (кислота или щелочь), то и характеристики этих двух
накопителей (в частности, по внутреннему сопротивлению) в пересчете на
единицу их массы оказываются одного порядка.
Но конденсатор в системе пуска- промежуточное, т.е. дополнительное
звено в цепи «аккумуляторная батарея-электростартер». Причем звено со
своими внутренним сопротивлением.
В итоге получается, что при заряде конденсатора энергия
аккумуляторной батареи тратится на ее внутреннее сопротивление, а при
его разряде (пуск двигателя) - еще и на его собственное сопротивление.
Другими
словами,
при
наличии
молекулярного
накопителя
непроизводительные с точки зрения пуска потери энергии аккумуляторной
батареи: его мощность, отдаваемая стартеру, будет больше в обратной
сопротивлениям пропорции.
Данный вывод вытекает, как видим, из простейших теоретических
положений. На практике же дело обстоит еще хуже. Разработанные в
последнее время молекулярные конденсаторы с неводными и
полимерными электролитами обладают еще большими, чем у
эксплуатируемых стартерной батарей, внутренними сопротивлениями. То
есть они совершенно непригодны для применения в системах пуска
автомобильных двигателей.
Но и это еще не все. Двойной электрический слой, открытый
Гельмгольцем еще в 1887г. и примененный в молекулярных конденсаторах
с кислотными и щелочными электролитами, существуют только при
напряжениях, не превышающих 0,8 В. Следовательно, чтобы получить
напряжение 12 В, необходимы как минимум 15 элементарных
конденсаторов, соединенных последовательно. Это не только увеличивает
внутреннее сопротивление батареи из них, но и создает огромные
технологические трудности при производстве. Особенно если учесть, что
для автомобильного парка мира в случае перехода на конденсаторные
320
системы пуска их потребуется 100 млн. в год по цене, не превышающей
стоимость традиционной автомобильной аккумуляторной батареи.
Стоимость же молекулярного конденсатора для пусковых систем сейчас на
порядок выше.
Таково положение с самими конденсаторами. Но нельзя сбрасывать со
счетов и то, что существование автомобильной бортовой сети напряжение
12 В уже давно ставится под сомнение. Например, в США и Японии
созданы и работают комитеты по изучению вопроса о переходе бортовых
систем транспортных автомобильных средств на повышенное напряжение;
фирма БМВ, как сообщалось в печати, уже собирается не позднее 2001 г
выпустить автомобиль с повышенным напряжением в бортовой сети;
многие ученые утверждают, что даже 60 В в бортовой сети - не предел.
Однако что касается высоковольтных систем пуска, то здесь такого
единодушия нет. Видимо, с появлением молекулярных конденсаторов все
надеялись, что их внедрение в системы пуска станет делом быстрым, не
требующим какой-либо переделки бортовой сети автомобиля.
Неудачи с низковольтными системами все-таки заставят, по всей
видимости, обратиться к системам высоковольтным. Потому что, как
показали исследования, выполненные в лаборатории перспективных
разработок МГТУ «МАМИ», масса высоковольтной конденсаторной
батареи в 4 раза меньше массы батареи низковольтной. Причины тому
следующие.
Во-первых, в высоковольтных батареях можно использовать обычные,
т.е. массового выпуска, электролитические конденсаторы. Они - структуры
однослойные, состоящие из алюминиевой фольги (электроды) и оксида
алюминия (диэлектрик), рассчитанные на номинальное напряжение до 500
В. Это означает, что их внутренне сопротивление при прочих равных
условиях может быть в 500 раз меньше внутреннего сопротивления одной
ячейки соответствующего по энергии или по массе молекулярного
конденсатора.
Электролит
Серная
кислота
Соляная
кислота
Азотная
кислота
Едкий
калий
Едкий
натрий
Азотнокалиевая
соль
Хлорис
-тый
натрий
Проводим
ость
электролита,
МСМ
8,58
4,26
4,21
2,71
2,47
1,45
1,26
Поэтому мощность данного источника, если исходить из ее прямой
пропорциональности
квадрату
напряжения
и
обратной
пропорциональности учетверенному внутреннему сопротивлению, можно
получить сколь угодно большой.
321
Во-вторых, хорошо известно, что КПД
низковольтного
электростартера не превышает 40%. В случае же перевода на более
высокое напряжение снижаются токи в его обмотках, а значит, и потери в
них и подводящих проводах, а также масса проводов, коллекторных
пластин и щеток, давление последних как коллектор. Итог – рост КПД
стартера, что тоже благоприятно сказывается на массе конденсаторной
батареи.
Электролитические конденсаторы имеют еще одну особенность: чем
выше их номинальное напряжение, тем больше удельная энергия. В связи
с этим реализовать системы пуска с такими конденсаторами практически
возможно, только начиная с напряжения 60-65 В, потому что при
напряжении ниже 60 В масса батареи становится неприемлемой. И чем
выше напряжение, тем масса меньше. Например, расчет, подтвержденный
экспериментом, показал: при напряжении 300 В масса конденсаторной
батареи для системы пуска двигателя автомобиля ВАЗ-2109 не превышает
5 кг. Предпусковой же заряд такой батареи можно осуществить от
мотоциклетной батареи или даже от батарейки карманного фонаря.
Причем повысить напряжение до тех же, скажем, 300 В можно с помощью
небольших и недорогих преобразователей, поскольку работают они
кратковременно.
Упрощает проблему и то обстоятельство, что в настоящее время в
мире уже существует более 200 заводов, специализирующихся на выпуске
электролитических конденсаторов, в то время как заводов по выпуску
молекулярных низковольтных конденсаторов нет.
Наконец,
об
электростартерах.
Организовывать
выпуск
высоковольтных электростартеров не нужно – проблема, в принципе, уже
давно решена, только другими отраслями промышленности. Так,
индустрия ручного электрифицированного инструмента сегодня выпускает
высоковольтные электрические двигатели, причем в количествах,
превышающих потребности автомобилестроения несколько раз. Если же
учесть, что электростартер будущего будет высоковольтной электрической
машиной с возбуждением от постоянных магнитов и с встроенным
редуктором, то его габаритны размеры и стоимость окажутся заведомо
более привлекательными, чем низковольтные электродвигатели.
К сказанному необходимо добавить следующее. Система
высоковольтного конденсаторного пуска смущает многих потребителей и
производителей именно наличием высокого напряжения. Но для опасений
оснований нет. ведь на заре развития транспортных средств бортовое
напряжение их сетей составляло всего 6 В. Однако в связи с повышением
количества потребителей и их мощности, например, на водном транспорте
и авиации уже давно ушли от низкого напряжения к высокому и даже
перешли от постоянного тока на высокочастотный, а низкое напряжением
322
(да и то 28 В) осталось лишь как вспомогательное. И только
автомобильные бортовые сети все еще остаются 120-вольтными или
(системы пуска многоцилиндровых ДВС) – 24-вольтными. Причин тому
много – от догматического 40-летней давности утверждения некоторых
авторитетов автотракторного электрооборудования («этого не будет
никогда») до боязни таких перемен с точки зрения электробезопасности.
Но все это явно не выдерживает критики. Хотя бы потому, что бортовое
напряжением выпускаемых в настоящее время электромобилей составляет
110-400 В. Так что проблема электробезопасности имеет множество
отработанных решений.
И вообще, хотим мы того или нет, переход бортовых систем
автомобиля на повышенное напряжение неизбежен. Так как, во-первых,
число потребителей электрический энергии на борту автомобиля
непрерывно растет (к примеру, на первых моделях автомобилей ВАЗ было
всего две электрические машины-потребители электроэнергии, на
последних – почти 60); во-вторых, увеличивается мощность потребителей
электроэнергии (по данным американских специалистов, к 2005-2007 гг.,
она составит 5-7 кВт); в-третьих, успехи в развитии полупроводниковой
преобразовательной техники позволяют легко переходить на любое
напряжение, оптимальное для той или иной системы автотракторного
электрооборудования (например, при переходе бортовой сети на
повышенное напряжение все слаботочные потребители – датчики,
приборы индикации и т.д. – можно оставить на низком напряжении); вчетвертых, газоразрядная светотехника в случае применения на
автомобиле дает возможность в несколько раз повысить не только
надежность электрических автомобильных ламп, но и их светоотдачу при
снижении мощности, причем газоразрядные автомобильные лампы
требуют питающего напряжения не менее 80 В; в-пятых, появление
высоковольтных конденсаторных систем пуска позволяет устранить
основное препятствие на пути перехода на повышенное напряжением –
аккумуляторную батарею, имеющую повышенное напряжение на своих
клеммах.
Конечно, переход бортового напряжения на более высокое - дело
непростое. Но то, что он – веление времени, совершенно очевидно. И
начинать этот переход нужно именно с высоковольтных конденсаторных
систем пуска.
323
СЕКЦИЯ 8
НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
И ИННОВАЦИОННЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРИ ПОДГОТОВКЕ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ
ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
УДК 656.13; 629.113.083
О РОЛИ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ В ФОРМИРОВАНИИ
КОМПЕТЕНТНОСТЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРОВ
О.Н. Андрух, канд. техн. наук, доц.
МГТУ «МАМИ»
В современных условиях решающее значение приобретает качество
оказания образовательных услуг.
Качество – степень соответствия присущих характеристик
требованиям 1.
В отношении выпускников в сфере профессионального образования
их
характеристики
определяются
уровнем
сформированных
компетентностей.
Требования
к
выпускникам
определяются
совокупностью квалификационных требований и изложены в нормативных
документах – государственных образовательных стандартах.
Следовательно, уровень требований, определяемый федеральными
государственными образовательными стандартами (ФГОС), во многом
предопределяет качество оказания образовательных услуг.
При этом роль конкретного образовательного учреждения в
формировании квалификационных характеристик выпускника с введением
ФГОС нового поколения существенно повышается, поскольку в ФГОС
сформированы требования к квалификационным характеристикам, но
образовательное учреждение вправе само определять 50% специальных
дисциплин,
обеспечивающих
формирование
квалификационных
характеристик.
Образовательное учреждение формирует нормативный документ
второго после ФГОС уровня – учебный план. Этот документ показывает,
какими средствами достигается требуемый уровень квалификационных
характеристик выпускников.
На основе учебного плана формируются рабочие программы.
Требования к формированию рабочих программ хорошо известны.
Основными структурными элементами рабочей программы являются:
- цели и задачи дисциплины;
- требования к уровню освоения содержания дисциплины;
324
- объем и виды учебной работы;
- содержание дисциплины;
- методические рекомендации;
- методическое обеспечение дисциплины;
- материально-техническое обеспечение дисциплины.
Особенное внимание следует уделить методическому обеспечению.
В ходе обучения студент вуза, в том числе автомобильного, имеет
дело в основном с учебной литературой, в то время как на производстве
или в сфере оказания услуг выпускник, автомобильный инженер,
сталкивается с нормативной и технической литературой. Разница очень
большая. Поэтому для эффективного выполнения должностных
обязанностей необходимо в процессе обучения существенную часть
времени посвящать изучению нормативной и технической документации
по конструкции, производству, эксплуатации и техническому
обслуживанию автомобилей.
Перечень нормативной и технической документации, требуемой для
выполнения должностных обязанностей автомобильных инженеров,
чрезвычайно обширен. Это технические регламенты, стандарты,
рекомендации, методические указания, технические условия, положения
по техническому обслуживанию и ремонту, руководства по текущему
ремонту, инструкции по техническому обслуживанию, руководства по
капитальному ремонту, руководящие технические материалы, руководства
по эксплуатации и т.д.
К концу 2009 года в РФ действовало восемь технических регламентов,
из них два имеют отношение к сфере автотранспорта:
1) технический регламент «О требованиях к выбросам автомобильной
техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской
Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» 2005 г.;
2) технический регламент «О требованиях к автомобильному и
авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для
реактивных двигателей и топочному мазуту» 2008 г.
В ближайшее время будут утверждены технические регламенты о
безопасности колесных транспортных средств; о безопасности машин и
оборудования. Эти новые нормативно-правовые документы требуют
детального изучения автомобильными специалистами.
Количество национальных и межгосударственных стандартов по
дорожно-транспортной тематике превышает 300 наименований, многие из
них приняты в последние годы.
Проблема в том, что преподавательский состав сам не всегда знает,
какие нормативные и технические документы раскрывают содержание
дисциплины, какие стандарты действуют, какие нормативные и
325
технические документы в первую очередь необходимы на производстве
или в сфере оказания услуг.
Для того, чтобы в этом убедиться, достаточно проанализировать
содержание действующих рабочих программ. В разделе «Методическое
обеспечение дисциплины» приведена информация о научно-технической и
учебной литературе и практически никогда – о нормативной.
И это – большой недостаток современных рабочих программ.
Например,
при
изучении
дисциплины
«Методы
испытаний
автотранспортных средств» можно было бы в раздел «Методическое
обеспечение дисциплины» внести следующие нормативные документы:
1) ГОСТ Р 51709-2001 Автотранспортные средства. Требования
безопасности к техническому состоянию и методы проверки
2) ГОСТ Р 52302-2004 Автотранспортные средства. Управляемость и
устойчивость. Технические требования. Методы испытаний
3) ГОСТ Р 51206-2004 Автотранспортные средства. Содержание
загрязняющих веществ в воздухе пассажирского помещения и кабины.
Нормы и методы испытаний
4) ГОСТ 20306-90
Автотранспортные средства. Топливная
экономичность. Методы испытаний
5) ГОСТ 22576-90
Автотранспортные средства. Скоростные
свойства. Методы испытаний
6) ГОСТ 18507-73 Автобусы и легковые автомобили. Методы
контрольных испытаний после капитального ремонта, и так далее
Если внесение нормативной документации в рабочую программу
дисциплины не приемлемо, тогда рационально разрабатывать перечни
рекомендуемых нормативных документов при изучении дисциплин
учебного плана, таблица 1.
Таблица 1
Форма перечня рекомендуемых нормативных документов при изучении
дисциплин учебного плана
Специальность _______________________________
Перечень рекомендуемых нормативных документов
при изучении дисциплин учебного плана
№
Наименование
Рекомендуемый перечень
п/п
дисциплины
нормативных документов
… ……………..
……………………
……………………
……………………
Важной особенностью является изучение не только национальных, но
и зарубежных нормативных документов. В области стандартизации мы
326
отстаем от развитых стран. Фонд отечественных стандартов
актуализирован не полной мере, в области оказания услуг действующий
фонд стандартов чудовищно мал.
Производства страны все чаще приобретают производственное
оборудование и комплектующие за рубежом, производительность труда
наших работников низка из-за устаревших методов управления, поэтому
актуальна задача изучения зарубежных нормативных документов.
Для того, чтобы понять, чему учить, образовательные учреждения
тесно сотрудничают с предприятиями и в ходе производственных практик,
в процессе изучения отзывов предприятий о выпускниках корректируют
свои образовательные программы, и в частности, корректируют
требования к методическому обеспечению. Эти мероприятия станут
гораздо эффективнее, если взаимодействовать не только с работодателями,
но и непосредственно с выпускниками, работающими по специальности.
Выпускники
могут
дать
много
ценных
предложений
по
совершенствованию перечня изучаемых дисциплин, перечню требуемой
нормативной, технической и управленческой документации.
Библиографический список
1. ГОСТ Р ИСО 9000-2001. Система менеджмента качества. Основные положения и
словарь
УДК 378.2
ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ
ДЛЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Ю.Е. Горина, старший преподаватель
МГТУ «МАМИ»
Главное конкурентное преимущество высокоразвитой страны связано
с развитием ее человеческого потенциала, во многом определяющегося
образованием. Образование является фундаментом экономики, основанной
на знаниях, - экономики постиндустриального, информационного
общества. Роль высшей школы как одного из важнейших институтов
государства не только формирует мировоззрение будущего поколения, но
и способно выступать в качестве катализатора социально-экономического
прогресса в обществе. Именно в этой сфере на современном этапе
находится ключ к обеспечению устойчивого экономического и
промышленного роста страны.
Государственно-политические
и
социально-экономические
преобразования конца 80 – начала 90-х годов оказали существенное
влияние на российское образование. Государство во многом ушло из
327
образования, которое было вынуждено заняться самовыживанием,
абстрагируясь от реальных потребностей страны. Это вызвало серьёзные
разрывы в системе «государство-образование-общество».
Экономический спад 90-х гг. привел к заметному спаду производства,
и, как следствие, – к снижению потребности в квалифицированных кадрах,
а также к резкому падению спроса предприятий на работников с
«техническими» квалификациями. Исключение в это время составляли,
пожалуй, только юристы и экономисты, обеспечивавшие адаптацию фирм
к резко изменившимся условиям существования. Это обусловило
увеличивающийся разрыв между работой системы образования и рынками
труда: образовательные учреждения действовали в пространстве
«ожидания лучшего будущего», не получая никаких внятных сигналов с
рынка (тем более платежеспособного спроса на своих специалистов).
Отсутствие связи с рынком труда привело к тому, что из вузов
выпускаются молодые специалисты, на которых фактически нет спроса.
Действительно, более гибкое реагирование образовательной системы на
изменение рыночной конъюнктуры могло бы значительно повысить ее
эффективность.
В итоге, к началу XXI века острыми стали такие проблемы, как
плохое материально-техническое оснащение учебных заведений, почти
полное отсутствие у них реальных связей с работодателями, так как
существовавшая в советские времена система взаимодействия с
предприятиями была ликвидирована, а новая не была создана.
В начале 2000-х гг. обозначился интерес промышленности к новой
технике и технологиям, и, соответственно возникла острая потребность в
квалифицированных кадрах. Восстановление экономики в новом
десятилетии использовало (по крайней мере, в первый период, до 2003 г.)
накопленный запас квалифицированных рабочих и специалистов.
Последние переходили с предприятия на предприятие, каждый раз
повышая как квалификацию, так и вознаграждение. К середине
десятилетия стало ясно, что запас исчерпан. Предприятия столкнулись с
нарастающим дефицитом квалифицированных рабочих и специалистов —
от технологов до логистов.
Однако ожидаемого ренессанса технических вузов, техникумов и ПТУ не
наступило. Они в своей массе не смогли предложить рынкам труда работников
с необходимыми компетенциями в области современных технологий. Более
того, выпускники многих техникумов и особенно учреждений начального
профессионального образования (НПО) отличались невысокой дисциплиной и
общей культурой, низкими навыками коммуникации. А в условиях
современной экономики, где резко выросла доля трансакционных благ,
работник с ограниченным потенциалом общения с клиентами оказывается
заведомо непригоден для большинства фирм.
328
Работодатели в этих условиях начали предъявлять спрос на выпускников
высших учебных заведений, возможно, не имеющих необходимых
производственных квалификаций, но зато легко обучаемых и обладающих
необходимыми социальными навыками. При этом другая часть рынка труда,
ориентированная на чисто исполнительскую работу, в большой степени
переключилась на использование временных рабочих из бывших республик
СССР. Эти работники в гораздо большей степени зависят от своего
работодателя и обходятся ему заметно дешевле, чем граждане России.
Институциональная модель школы или вуза доставшаяся нам с советских
времен, явно не вписывается в контекст рыночной экономики, особенно если
скорость трансформации последнего существенно превышает скорость
трансформации самой системы образования. Из-за того, что отечественная
образовательная система — и в целом, и в ее основной «клеточке»
(традиционном «образовательном учреждении», от школы до университета) –
никак не настроена на базовые механизмы и ценности, присущие рыночной
экономике (конкурентность, инициативность, самоуправление, выбор,
ответственность, динамичность и т.п.), существует опасность, что их
расходящиеся пути ведут Россию в зону риска.
Важной и при этом крайне негативной тенденцией последних лет
является рост недоверия работодателей к традиционной массовой системе
профессионального образования. Исследования, проведенные в рамках
мониторинга экономики образования, показывают, что:
1. Только за последние годы (2006 г. по сравнению с 2004 г.) доля
предприятий, не сотрудничающих с ПТУ и профлицеями, выросла с 59 до
67 %; не сотрудничающих с учреждениями среднего профессионального
образования (СПО) - с 61 до 65 %; не сотрудничающих с вузами - с 51 до
70 %. Особенно заметно снизилась распространенность такой важнейшей
формы сотрудничества предприятий с вузами, как стажировки и
производственные практики студентов (с 39 % в 2004 г. до 30 % в 2006 г.).
2. Предприятия за последние годы создали собственную систему
переподготовки и дополнительного образования. Двадцать девять процентов
предприятий, опрошенных по репрезентативной выборке, ведут собственную
образовательную деятельность,15 % - имеют курсы переподготовки, 11% учебные центры, по 2 % - ПТУ, колледжи и вузы. Работодатели также
предпочитают направлять работников на обучение на другие предприятия, а
не в официальные образовательные учреждения, которые, таким образом,
теряют рынок дополнительного профессионального образования.
3. С точки зрения нанимателя, наиболее важной характеристикой
потенциального работника является не качество полученных им знаний и
профессиональных компетенций, а опыт работы. Это, с одной стороны,
свидетельствует о том, что получаемые в процессе обучения знания и умения в
массе своей не востребуются, а с другой - приводит к тому, что обучающиеся
329
массовым образом начинают работать еще до окончания учебного заведения.
Это существенно в первую очередь для вузов, поскольку снижается качество
приобретаемого образования, создает дополнительное давление на вузы,
которые подстраиваются под работающих студентов, вынужденно или
добровольно снижая планки требований к ним.
4. Характеристики учебного заведения, где выпускник получил
образование, а также уровень его учебных достижений для работодателей
менее важны, чем опыт и наличие сертификатов о дополнительном
образовании. Если о важности опыта и наличия рекомендаций с предыдущих
мест работы говорят 54% и 38% работодателей соответственно, то репутация
и известность учебного заведения важна только для четверти работодателей,
в то время как 10% совершенно безразличны к данному параметру. Еще
меньшую роль играет конкретное содержание диплома. Так, набор курсов и
оценки играют первостепенную роль только для 8% работодателей, а каждый
четвертый считает, что на это никогда не обращают внимания. Таким
образом, качественные характеристики институтов высшего образования
крайне слабо различаются рынком труда.
5. Недоверие к системе профессионального образования стало
повсеместным явлением. Установленный исследованием факт более
частых претензий к качеству рабочей силы со стороны менее успешных,
относительно небольших предприятий, сворачивание сотрудничества
работодателей с вузами, учреждениями СПО и НПО заставляют
предположить, что работодатели могли бы оказывать большее влияние на
систему профессионального образования, еще и потому, что успехи
любого предприятия, прежде всего, зависят от качества, точнее
адекватности требованиям производства. Примеры успешных практик
демонстрируют крупнейшие российские предприятия, которые, с одной
стороны, предъявляют высокие требования к качеству рабочей силы, а с
другой – активно сотрудничают с образовательными учреждениями.
Положительным примером в плане профессиональной подготовки
работников, для промышленных предприятий и взаимодействии ВУЗ –
промышленное предприятие может послужить Германия. Когда
западноевропейских менеджеров, финансистов, журналистов, депутатов,
преподавателей и чиновников учреждений попросили оценить уровень
подготовки молодых специалистов, инженеров из разных стран, то с
большим отрывом первое место они присудили выпускникам
западногерманских вузов. В чем же секрет столь высокого уровня
технического образования в этой стране?
Во-первых, большое различие между отношением к профессиональнотехническому образованию в Германии и в России. В ФРГ оно престижно,
и туда, как правило, идут лучшие, а не проблемные ученики. Причем в
разные годы получать престижные рабочие профессии идут от 60 до 80%
330
выпускников школ. Престиж профобразования в Германии высок, но
высоки и требования к обучающимся. В подготовке кадров большую роль
играют немецкие предприятия, особенно ведущие. Образовательный
процесс строиться двояким образом. Есть система производственного
профессионального обучения. В этом случае молодой человек или девушка
заключают договор об образовании с предприятием, и, таким образом,
начинается процесс их профессионального обучения. При этом ученики
участвуют в процессе реального производства, за что, естественно,
получают деньги. На больших предприятиях даже есть классы, в которых
проводится соответствующее теоретическое обучение. Приобретение
практических навыков занимает два года. Если же избранная профессия
требует усвоения достаточно большого количества теоретических знаний,
то срок обучения увеличивается до 3,5 лет. В Германии есть и система
дневного школьного профессионального образования в учреждениях
среднего профессионального образования. В основе деятельности этих
школ лежит модульный принцип обучения – прохождения
соответствующих курсов, как в школе, так и на предприятии.
Во-вторых, высокое качество образования достигается его тесной
связью с практикой. Инженера готовят четко по программам либо для
работ на производстве в строгом соответствии с получаемой
специальностью, либо для системы научно-исследовательских и опытноконструкторских разработок. Существующий Федеральный закон о
профессиональном образовании Германии регулирует взаимоотношения
студента, в первую очередь, с предприятием, а затем - с образовательным
учреждением. С первого курса студенты проводят большую часть
учебного времени именно на предприятиях, а не в учебных аудиториях. На
предприятиях для них создаются учебно-производственные места, где
студенты приобретают практические навыки будущей профессии.
Для студентов образование фактически бесплатное, что, однако, не
сделало их отношение к диплому менее ответственным, ведь компаниям
нужны специалисты, а не владельцы дипломов. Специализация будущих
инженеров начинается с первого семестра, а работа над дипломом сочетается
с 26-недельной стажировкой на промышленном предприятии. По окончании
обучения студенты сдают экзамены комиссии, включающей в себя
представителей предприятий, образовательных учреждений и профсоюзов.
Кроме того, в Германии давно сложилась система тесного
взаимодействия бизнеса с образовательными учреждениями и есть
соответствующее регулирование этой деятельности на государственном и
общественном уровне. Особая роль в этой деятельности принадлежит
торгово-промышленным палатам, несущим особую ответственность за
содержание профессиональной подготовки, координацию деятельности
331
образовательных учреждений и бизнес-структур, а также оценку уровня и
квалификации выпускников.
Анализируя вышесказанное, можно сделать вывод о том, что для
обеспечения высокого уровня технического образования в настоящее
время необходимо восстановить утраченные связи с промышленными
предприятиями, которые являются одними из главных заказчиков услуг
вузов. Именно они во многом определяют, какие специалисты
востребованы, каким должен быть уровень их профессиональной
подготовки, какие знания и умения необходимы для скорейшей адаптации
по месту работы, каковы тенденции и долгосрочная потребность в них со
стороны производственной сферы. Иными словами, необходимо
объединение теории и практики: то, что познается в лаборатории,
мастерской или на предприятии, должно непосредственно увязываться с
математической или научной базой данной операции или процесса, и,
наоборот, техническая теория, а также математика и наука,
подкрепляющие ее, должны иллюстрироваться практикой их применения.
Совместная взаимовыгодная деятельность в рамках социального
партнерства вузов и бизнес-сообщества должна быть направлена на
развитие и совершенствование высшего образования путем определения
содержания и оценки качества образования, прогнозирование
потребностей и формирование рынка труда и рынка образовательных
услуг. При разработке новых образовательных стандартов крайне важен
конструктивный диалог вузов и бизнес-сообщества при координирующей
роли Министерства образования и науки РФ. Необходимо обсуждать с
работодателями, их профессиональными сообществами новые подходы к
формированию образовательных стандартов, позволяющие строить гибкие
и индивидуальные образовательные траектории.
Основной задачей образовательной системы должно стать
обеспечение соответствия результатов ее деятельности кадровым запросам
экономики, определяемым тенденциями развития науки, техники,
производства. В соответствии с этим
важным аспектом развития
технического образования является ориентация на потребности реального
сектора экономики, кадровое обеспечение ведущих отраслей
производства,
прежде
всего
оборонно-промышленного,
машиностроительного
комплекса,
других
отраслей,
играющих
значительную роль в формировании экономического потенциала страны.
Обеспечение высокого качества образования на основе сохранения его
фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным
потребностям личности, общества и государства является одной из главных
задач российской образовательной политики. Качество высшего образования
имеет определяющее значение для успешного развития любой страны:
революционное изменение технологий, опирающееся на высочайший уровень
332
интеллектуальных ресурсов, и связанная с этим геополитическая конкуренция
ведущих стран мира за такие ресурсы влияют не только на экономику, но и на
политику нового века. В связи с этим уровень интеллектуального потенциала
страны, напрямую определяющийся качеством высшего профессионального
образования, становится важнейшим фактором не только экономического и
социального развития, но и фактором экономической и политической
самостоятельности страны, фактором ее выживания. Безусловно, такая
глобальная проблема не может решаться на уровне отдельно взятого вуза, она
требует целенаправленных и скоординированных усилий государства,
общества и высшей школы.
Библиографический список
1. Боголюбов Л.Н, Лазебникова А.Ю. Человек и общество. М., 1998 г. С.378, 380.
2. Вашурина Е.В., Дрантусова Н.В, Евдокимова Я.Ш., Клюев А.К., Майбуров И.А. Анализ
мировых тенденций развития научно-образовательной деятельности: аналитический обзор.
Екатеринбург: изд-во уральского университета, 2006. С.4, 7, 55, 72-73.
3. Горюнов И. Немецкое решение проблемы прфтехобразования. [Электронный
ресурс]. Режим доступа http://www.eed.ru/opinions/o15-89.html
4. Концепция модернизации российского образования на период до 2010 года.
Одобрена распоряжением Правительства Российской Федерации от 29.12.01 № 1756-р.
5. О состоянии и перспективах развития среднего технического образования и его роли
в обеспечении экономики квалифицированными кадрами. Решение коллегии
Министерства образования российской Федерации от 24.01.04 № 1/2
6. Образование и общество: готова ли Россия инвестировать в свое будущее? Доклад
Комиссии Общественной палаты РФ. Университетское управление: практика и анализ,
2008. № 2 (54). С 34-35.
7. Пересмотренная рекомендация о техническом и профессиональном образовании
Организации Объединенных Наций от 19.11.1974 г.
8. Пресс-релиз: «Профессионально-техническое образование. Взгляд из Германии»
[Электронный
ресурс].
Режим
доступа
http://www.educom.ru/ru/department/news/news_detail.php?ID=6667
УДК 378:629
ПРОБЛЕМА ПОДГОТОВКИ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ ДЛЯ
АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.
А.П. Жигадло, д-р техн. наук, доцент, декан факультета «АТ»
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Этимология термина «инженер» (от латинского «ingenium» —
«остроумное изобретение») органически проистекает из понятия
творчества, созидания нового. Оно было введено в русский язык
Феофаном Прокоповичем в начале ХVIII в. и по своей сути означает
создателя новых полезных вещей и умений, новых орудий труда и оружия,
333
сооружений, средств передвижения и средств развлечений. Говоря языком
экономики, инженер — это создатель новых товаров и услуг.
Современное российское высшее техническое образование вступает в
активную фазу модернизации, детерминированную вектором современного
общественного развития России и перспективами технического прогресса. Она
предопределена рядом факторов, среди которых важнейшими являются такие
существенные обстоятельства, как определенный руководством страны курс
на инновационное развитие экономики, предполагающий обеспечение ее
техносферы специалистами, способными самостоятельно конструировать
сложные технические и социотехнические системы, управлять ими,
способными к научной, изобретательской, опытно-конструкторской работе и
внедрению инноваций.
Решение этой задачи требует не только адекватных перемен в системе
высшего технического образования, но и повышения ответственности
самих студентов за качество профессиональной подготовки. Успех
инновационного развития экономики страны, безусловно, будет зависеть
от человеческого потенциала, способного решать задачу ее реализации.
Особое место в системе высшего образования занимает техническое
образование, уникальный феномен образования в России. В стране со
средним уровнем промышленного развития почти полтора столетия назад
возникла и за исторически короткий срок укрепилась, приобрела
всемирный авторитет целостная и весьма эффективная система
отечественного технического и, в частности, высшего технического или,
иначе говоря, инженерного образования.
Ведущие аналитики в сфере высшего образования считают, что она
будет трансформироваться сообразно общественным задачам с учетом
существующих негативных тенденций, среди которых наиболее
значимыми являются:
- увеличение численности студентов при сужении техносферы
экономики;
- повышение затрат на обучение технических специалистов при
снижении бюджетного финансирования;
- усложнение образовательных программ подготовки по техническим
специальностям при моральном и физическом старении учебноматериальной и технологической баз, их отставании от современных
потребностей подготовки специалистов;
- необходимость устойчивой профессиональной ориентации
обучаемых при недостаточной мотивации к инженерному труду;
- старение управленческих и преподавательских кадров;
- рутинность современных структур управления образованием и форм
их деятельности, исключающих эффективный менеджмент в образовании.
В условиях системного кризиса российского общества система
334
высшего технического образования оказалась в критической ситуации.
Определенные положительные результаты и достижения не меняют
тяжелого общего положения в этой области, а количество проблем
лавинообразно растет.
Вызванные кризисом негативные социальные и демографические
процессы вызвали снижение качества образования и, как следствие,
ослабление духовного и интеллектуального потенциала общества, «утечку
мозгов», что естественным образом ухудшило исходные возможности
перехода к инновационному развитию экономики. За период с 1991 по
2001 гг. вузы России, согласно данным фонда «Социус», лишились
значительной
части
высококвалифицированного
профессорскопреподавательского состава, особенно в области технического
образования. Из вузов ушли более 300 тыс. преподавателей, значительная
часть из них выехала за границу. Почти в 20 раз сократились объемы
научно-исследовательских работ в высшей школе. Практически
прекратилось переоснащение вузов новым учебно-лабораторным
оборудованием. Современное избирательное финансирование его
обновления в отдельных вузах не решает проблемы в целом.
Обладая относительной самостоятельностью и значительной
инерционностью, высшая техническая школа, во-первых, не успевает
приспосабливаться к быстро меняющимся технолого-организационным,
экономическим и социокультурным условиям. Во-вторых, система
высшего технического образования оказалась перед фактом разрушения
производственно-технической базы экономики. Так, число работников
транспорта сократилось с 929 тыс. человек в 1995 г. до 707 тыс. в 2004 г.
Требования рынка труда к качеству подготовки выпускников
технических вузов не подкреплены видением отдаленных перспектив
развития техносферы и ее персонала. Образовательную политику
государства отличает неопределенность, исключающая качественное
прогностическое планирование в вузах (определение нужных
специальностей,
объема
выпуска
специалистов,
дидактических
приоритетов и т.д.). Девяностые годы прошлого века породили
феноменальную ситуацию «ненужности» инженерных специальностей, а
упадок
промышленного
производства,
слом
прежней
модели
жизнеорганизации общества привели к ситуационному росту спроса на
специалистов экономического, юридического профиля.
Особая острота кризиса российской системы высшего технического
образования обусловлена развалом промышленности и других отраслей
материального производства, для которых готовятся инженерные кадры.
Создалась крайне противоречивая ситуация: долгосрочная перспектива
возрождения промышленности — основы благосостояния и могущества
страны, а следовательно, подготовки соответствующих инженерных и
335
научных кадров, способных вывести страну на самые передовые рубежи
научно-технического прогресса, существует наряду с необходимостью
ориентировать подготовку кадров в технических вузах на рыночный спрос,
которому сегодня не нужны эти кадры в таком количестве, или же
готовить за наш счет высококвалифицированные кадры для других стран.
В системе российского высшего технического образования назрел
целый ряд острых противоречий:
– между быстрым ростом объективных требований жизни, социальных
ожиданий и государственных стандартов, предъявляемых к специалистам, и
нарастающим отставанием качества подготовки инженеров;
– между возрастанием сложности, ответственности, креативности
профессиональных функций и низким качеством условий трудовой
деятельности и жизни специалистов, которые не позволяют в полной мере
проявлять и развивать творческие способности, социальную активность,
новаторские ориентации;
– между высокой социально-экономической значимостью инженеров,
занятых в сфере производства, с одной стороны, и заниженным уровнем
социального положения этих специалистов, престижа их профессий, а также
личной заинтересованности работников в росте качества трудовой деятельности,
их неудовлетворительным социальным самочувствием с другой;
– между нарастающими реальными и перспективными требованиями к
специалистам, с одной стороны, и известной консервативностью системы
высшего образования, обладающей меньшей динамичностью, чем быстро
развивающаяся наука и производственные технологии и процессы, с
другой стороны.
Указанные и другие противоречия деструктивируют высшее техническое
образование и создают опасность снижения его качества. Их теоретическое и
практическое разрешение требует комплексных исследований с привлечением
многих наук, в том числе педагогики. Жизнь настоятельно требует изменения
и совершенствования ныне действующей системы технического образования,
которая должна быть адекватной задаче всемерного повышения роли
инженеров в социально-экономическом и научно-техническом прогрессе
российского общества. Необходим тщательный и интенсивный поиск тех
возможностей, подходов и решений, которые позволят в новых условиях
развивать инженерное образование в соответствии с новыми
технологическими и социальными требованиями.
Состояние и динамика современного производства находятся в прямой
зависимости от надежного и эффективного функционирования специалиста,
поэтому повышенное внимание к подготовке молодого специалиста –
отличительная черта любого успешного предприятия или организации.
Формируемые
социальный
и
производственный
заказы
на
востребованного сегодня и в ближайшей перспективе специалиста, кроме
336
усложнившихся требований к его профессиональной квалификации,
содержат акцент на мировоззренческие характеристики личности, мотивацию
профессиональной деятельности, фундаментальную и методологическую
базу и др. Одновременно с этим, можно констатировать, что усложняются и
запросы самой личности, ее жизненные и профессиональные интересы,
растет уровень притязаний, связанных с предпочтением определенного вида
профессионального труда. В ситуации, когда стихийное развитие личности в
профессиональном образовании уже не обеспечивает компромисса между ее
интересами и запросами производства, общества, актуальным является
целенаправленное обеспечение процесса профессионального становления
будущего специалиста в условиях учреждения профессионального
образования.
В современной науке существует ряд подходов, с позиции которых, на
наш взгляд, может быть дано теоретическое обоснование основных
положений проблемы профессионального становления инженера.
Одним из ключевых научных подходов к ее рассмотрению является
личностно-деятельностный подход (Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, С.Л.
Рубинштейн и др.). Опора на него обеспечивает возможность
осуществлять правильный выбор приоритетов в целеполагании при
организации педагогических процессов, акцентировать внимание на
интересах личности, а затем через их обеспечение добиваться соблюдения
насущных интересов общества и государства. Обусловленное данным
понимание личности одновременно как субъекта и как продукта
деятельности позволяет рассматривать профессиональное образование как
одно из важнейших условий личностного развития.
Социологи (Г.Г. Дилигенский, В.А. Ядов), опираясь на личностнодеятельностный подход, связывают потребности обеспечения социализации с
требованиями к профессиональному образованию, которое в современных
условиях не сводится только к профессиональному «научению», но включает
дисциплины и курсы, обеспечивающие моделирование и воспроизводство
богатства всех жизненных отношений личности.
Обращаясь к сути профессионального становления личности на этапе
овладения профессией, подчеркнем динамичность и управляемость
данного процесса вхождения молодых людей в профессию,
сопровождающегося
развитием
и
изменением
личностных
и
профессиональных качеств, формированием позитивного отношения к
профессии, овладением системой профессиональных знаний и
компетенций, позволяющих человеку продвигаться на пути к
профессионализму. Важной, на наш взгляд, является и точка зрения Е.А.
Климова, который включает в профессиональное становление процессы
творческого преобразования личностью не только себя, но и профессии, а
в качестве его важнейшего результата рассматривает обретенную
337
личностью
возможность
не
только
решать
существующие
профессиональные задачи, но и готовность осваивать в рамках профессии
новые виды деятельности.
Отметим тот факт, что профессиональное становление как процесс
рассматривается исследователями (С.Г. Вершловский, Л.А. Головей, А.А.
Деркач, Е.А. Климов, В.Д. Шадриков и др.) в двух аспектах:
операциональном (становление профессионального потенциала как
процесс овладения средствами решения профессиональных задач, а также
моделями
их
решений)
и
личностном
(профессиональное
самоопределение). Основной предпосылкой для разворачивания процесса
в обоих аспектах выступает организованное взаимодействие между
личностью и профессией.
Признавая равнозначность операционального и личностного аспектов
процесса профессионального становления будущего специалиста,
профессиональное становление инженера можно трактовать как
многогранный процесс, включающий несколько линий: приобретение
технических навыков, знаний и умений, освоение средств труда
(операциональная сторона профессионального становления) и процесс
выбора профессиональной позиции, пути самореализации (личностное
становление
в
период
профессионализации);
включение
в
профессиональное сообщество, усвоение норм и ценностей данной
социальной группы, общение в рамках профессиональных задач
(социализация в процессе профессионализации).
В силу этого профессиональное становление будущего инженера нами
понимается как процесс развития, происходящий в ходе высшего
профессионального образования, в результате которого будущий инженер
приобретает операциональный и личностный потенциал.
Используемое
в
принятом
нами
определении
понятие
«операциональный потенциал», с нашей точки зрения, означает
совокупность профессионального опыта, знаний, умений и навыков,
профессиональной компетентности, профессионально важных качеств,
обеспечивающих молодому человеку в будущем возможность выполнять
задачи профессиональной деятельности в условиях современного
производства. «Личностный потенциал» – это совокупность свойств и
качеств личности, обеспечивающих удовлетворенность будущего
специалиста профессиональной деятельностью и устойчивую мотивацию
на профессиональное развитие.
Реформирование системы высшего профессионального образования,
признающее за ним широкие социальные функции, формирует заказ на
молодых специалистов, готовых к новым экономическим и социальнополитическим реалиям, востребованных в силу своего профессионализма,
компетентности и мобильности.
338
Рассмотрение проблемы подготовки инженерных кадров для
автомобильной промышленности, с опорой на признание равноценности в
этом процессе личностного и операционального начал дает возможность
выявить взаимосвязанность пути становления профессионала не только с
характеристиками деятельности, с возрастными или временными
периодами, но и с личностными изменениями, учитывать данные аспекты
при разработке цели, задач и содержания образовательного процесса,
обеспечивающего профессиональное становление будущего специалиста в
условиях меняющегося общества и производства.
УДК 378:629
ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА
ИНЖЕНЕРОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ОБУЧЕНИЯ
В ТЕХНИЧЕСКОМ ВУЗЕ
Н.В. Келеменев, аспирант кафедры «Инженерная педагогика»
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В нынешних условиях повышается роль профессиональной
подготовки будущих инженеров. Современный инженер непременно
должен быть знаком с методиками технического творчества, иметь навыки
сравнения технических решений и уметь оформить необходимые
документы для защиты приоритета своей разработки.
Отсутствие этих навыков у инженера или научного работника
зачастую приводит к значительному снижению эффективности их труда, а
незнание патентной информации - к дублированию работ и потере
приоритета в новых разработках.
Как известно, патентная информация - это ключ к решению многих
научных, производственных и коммерческих задач. Она позволяет судить о
существующем уровне и тенденциях развития современной науки и техники.
В этой связи вырастает роль ВУЗов в подготовке специалистов,
владеющих методами технического творчества, знакомых с основами
патентования, умеющих на практике применять свои познания в данных
областях.
В процессе обучения общетехнических и специальных дисциплин
студент получает определенный объем знаний, необходимый для
выполнения дипломного проекта. В задании на дипломный проект обычно
ставится задача с указанием конечной цели поиска без конкретизации
методов ее достижения. Студент в процессе проведения патентного поиска
обязан самостоятельно определить наиболее целесообразные методы и
339
технические средства решения поставленной задачи, предусмотрев
возможные ограничения при их использовании.
В новых образовательных стандартах высшего профессионального
образования, утвержденных Министерством образования РФ, среди
прочих требований к специалисту-инженеру и специалисту-инженерупедагогу отмечается способность эффективно управлять коллективом
сотрудников предприятия или коллективом группы студентов
соответственно, что предполагает владение основами психологии и
педагогики, т.е. профессионально-педагогическую компетентность
специалиста. Инженер как потенциальный руководитель трудового
коллектива призван выполнять среди прочих функций также и
воспитательную функцию. Инженер-педагог является руководителем
группы студентов (учащихся) и кроме воспитательной функции, он
выполняет и обучающую и образовательную функции.
В научных исследованиях и литературе большое внимание уделяется
вопросу содержания профессионального образования. Содержание
образования является одним из факторов экономического и социального
прогресса [2, с. 258]. Оно не замыкается на профессиональной подготовке,
хотя именно специальность и определяет основной список дисциплин.
В технических вузах психология и педагогика занимают двойственное
положение: с одной стороны, это – особые дисциплины, поскольку знания по
психологии и педагогике необходимы любому человеку; с другой стороны,
для технических вузов психология и педагогика не являются
профилирующими предметами. Студенты воспринимают их как
дисциплины, которые не влияют на уровень компетентности будущего
инженера. Такое восприятие обусловлено тем, что, во-первых, вузовский курс
психологии и педагогики значительно оторван от практических приложений, а
во-вторых, студенты еще не включены в практическую деятельность,
связанную непосредственно со сферой производственных отношений, где
знания психологии и педагогики нашли бы свое применение.
Очевидна необходимость профессиональной направленности курса
психологии и педагогики с будущей профессиональной деятельностью, это
тем более важно в наши дни, когда знания психологии и педагогики все
шире применяются в инженерно-технической деятельности.
Под профессиональной направленностью обучения психологии и
педагогике мы понимаем такое содержание учебного материала и
организацию его усвоения в таких формах и видах деятельности, которые
соответствуют логике построения курса психологии и педагогики и
моделируют познавательные и практические задачи профессиональной
деятельности будущего специалиста.
Вопросы профессионально направленного обучения в наибольшей
степени разработаны для педагогических вузов и в значительно меньшей
340
степени – для технических. Содержательный и методический аспект
профессионально направленного обучения психологии и педагогике
будущих инженеров разработаны слабо.
В настоящее время общепризнано, что основные цели обучения
психологии и педагогики в техническом вузе состоят в том, чтобы студент в
ходе изучения данного курса повысил общую и психолого-педагогическую
культуру, сформировал целостное представление о психологических
особенностях человека как факторах успешности его деятельности, научился
самостоятельно мыслить и предвидеть последствия собственных действий,
научился самостоятельно учиться и адекватно оценивать свои возможности,
самостоятельно находить оптимальные пути достижения цели и преодоления
жизненных трудностей.
Достижение указанной цели
невозможно без получения
фундаментальных знаний по психологии, педагогике и психологической
культуре, следовательно, компетентностный подход к психологопедагогической подготовке в техническом вузе должен быть направлен на
достижение сформулированных целей в их единстве.
Государственные образовательные стандарты лишь перечисляют
обязательные
разделы
психологии
и
педагогики,
а
также
профессиональные задачи, свидетельствующие о компетентности
выпускника. Таким образом, стандарты задают лишь начальные и
конечные параметры обучения психологии и педагогики, поэтому вопрос о
профессионально
направленном
содержании
этого
обучения,
способствующем
повышению
компетентности
бакалавров,
дипломированных специалистов или магистров по различным
направлениям инженерного образования является открытым. При этом
важно найти оптимальное соотношение между фундаментальностью и
профессиональной
направленностью
психолого-педагогической
подготовки, без которой невозможно достичь ее высокого качества.
Специфика психологии и педагогики такова, что наиболее важным
средством профессионального направленного обучения является решение
соответствующим образом ориентированных психолого-педагогических
задач. Комплекс таких задач по психологии и педагогике для студентов
определенного направления инженерного образования позволяет
эффективно
моделировать
психолого-педагогический
аспект
профессиональной деятельности инженера. Разработка этих комплексов
задач по всему курсу психологии и педагогики для применения их на
лекциях, практических занятиях и в самостоятельной работе студентов в
единстве с традиционными психолого-педагогическими задачами является
одним
из
путей формирования
содержания
профессионально
направленного обучения психологии и педагогике.
341
Знания по психологии и педагогике помогут формированию
целостного представления студента о личностных особенностях человека
как факторе успешности овладения и осуществления им учебной и
профессиональной деятельности, будут способствовать развитию умений
учиться, культуры умственного труда, самообразования; позволят более
эффективно принимать решения с опорой на знание психологической
природы человека и общества.
Библиографический список
1. Левина М.М. Технологии профессионального педагогического образования. - М., 2001.
2. Педагогика профессионального образования: Учеб. пособие для студ. высш. пед.
учеб. заведений / Е.П. Белозерцев, А.Д. Гонеев, А.Г. Пашков и др.: Под ред.
В.А.
Сластенина. – М.: Академия, 2004. – 368 с.
УДК 983.29.07
ОРГАНИЗАЦИЯ СТРАТЕГИЧЕСКИХ БИЗНЕС-ЕДИНИЦ В ВУЗАХ
КАК ИНСТРУМЕНТ ФОРМИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ
КОМПЕТЕНЦИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ИНЖЕНЕРОВ
В.В. Пальцев
НГТУ им. Р.Е. Алексеева
Одной из самых серьезных проблем высшего образования сегодня
является разрыв между содержанием образования и практикой применения
полученных знаний. Сегодня идеология передачи «готовых знаний»
постепенно сменяется идеологией формирования базовых компетенций.
Критерием становится не столько объем знаний, умений и навыков,
сколько профессиональная компетенция выпускника вуза.
В университете необходимо и важно обеспечить рациональный баланс
между практико-ориентированным знанием, фундаментальными науками
и исследованиями.
Не менее важная сфера жизни общества - обеспечение безопасности
дорожного движения; данное направление является одной из форм
реализации единой государственной политики в области охраны жизни,
здоровья и имущества граждан путем предупреждения дорожнотранспортных происшествий, снижения тяжести их последствий.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, дорожнотранспортные происшествия ежегодно становятся причиной гибели более
двух миллионов человек.
В связи с вышеперечисленным в НГТУ им. Р.Е.Алексеева было
принято решение о создание Учебно-научно-технического центра
диагностики, экспертизы и сертификации транспортных средств.
342
В рамках реализации данного проекта планируется провести
капитальное строительство учебно-научно-технического комплекса общей
площадью 690 кв.м. на территории VI корпуса НГТУ (Казанское шоссе).
Центр планируется оснастить современным оборудованием (необходимым
для проведения полного комплекса работ по диагностике, экспертизе и
сертификации транспортных средств и их компонентов) ведущих мировых
фирм в данной области («МАНА», «ОМА» и т.д.).
Реализация данного проекта позволит качественно повысить уровень
подготовки специалистов для автомобильного и автотранспортного
комплекса Нижегородской области, а также обеспечить удовлетворение
потребностей Нижегородского региона в сфере охраны безопасности
дорожного движения.
Потребность в инвестициях (финансировании) составляет 27 242 510 руб.
Средства для окупаемости проекта будут формироваться за счет
прибыли УНТЦ от осуществления коммерческой деятельности (оказания
услуг организациям и частным лицам в сфере ОБДД), а также за счет
дополнительного финансирования из внебюджетных средств НГТУ.
Срок окупаемости полных инвестиционных затрат составляет 2года и
4 месяцев с момента начала эксплуатации оборудования.
Дисконтированный срок окупаемости при ставке сравнения 22%
годовых составляет 4,02 года. Однако при ставке дисконтирования 14% (по
оптимистическому сценарию, предполагающему льготный процент по
кредиту) срок окупаемости сокращается до 3,68 лет.
Чистая текущая стоимость проекта (NPV) при ставке сравнения 22%
годовых составляет 2 891 112,82 рублей. Внутренняя норма доходности
проекта (IRR) составляет 32% годовых, что выше чем затраты по
финансированию проекта.
В рамках оценки эффективности проекта был проведен анализ
чувствительности, который показал, что в целом проект является
финансово устойчивым и доходным.
УДК 378.1
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА КАК ОДИН ИЗ ЭЛЕМЕНТОВ
В ИННОВАЦИОННОМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ.
Т.Н. Шоколова
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
Мы много говорим об инновациях в образовательном процессе.
Принято считать, что инновация это нововведение или новшество, которое
повышает эффективность действующей системы. Модульно-рейтинговая
343
система обучения отвечает основным требованиям, предъявляемым к
современной системе образования. Известно, что модульный подход
нацелен на достижение профессиональной компетентности.
Основным средством модульного обучения является учебный элемент,
который направлен на формирование у учащихся определённых знаний и
навыков. Освоение учебного материала происходит преимущественно
самостоятельно, согласно установленной последовательности и выбранном
самим учащимся темпом. Следовательно, одной из первостепенных задач
является организация и руководство самостоятельной работой. Основной
задачей образования является формирование творческой личности,
способной к саморазвитию, самообразованию и инновационной
деятельности. Для того, чтобы решить эту задачу, необходимо перевести
учащегося из пассивного потребителя знаний в активного, который может
правильно сформулировать проблему, найти пути её решения и доказать его
правильность. Следует отметить, что обучение самостоятельной работе
учащихся в настоящее время является одной из важных форм
образовательного процесса, так как учащиеся не умеют самостоятельно
работать над предложенным тем или иным материалом. В школах не
уделяется должного внимания этому виду деятельности.
Самостоятельная работа должна строиться так, чтобы учащийся мог
развивать умение учиться, формировать свои способности к саморазвитию и
творческому применению полученных знаний. Для этого необходимо
правильно спланировать и организовать самостоятельную работу учащихся.
В исследованиях, посвящённых планированию и организации
самостоятельной работы (Л.Г. Вяткин, М.Г. Гарунов, Б.П. Есипов, В.А.
Козаков, П.И. Пидкасистый и др.) рассматриваются общедидактические,
психологические,
организационно-деятельностные,
методические,
логические и другие аспекты этой деятельности. Однако особого внимания
требуют вопросы мотивационного, процессуального, технологического
обеспечения
самостоятельной
аудиторной
и
внеаудиторной
познавательной деятельности учащихся – целостная педагогическая
система, учитывающая индивидуальные интересы, способности и
склонности обучающихся.
Самостоятельную работу можно проводить на занятиях по заданию
преподавателя, но без его непосредственного участия; на консультациях
вне расписания, под руководством преподавателя, а также самостоятельно
дома, в библиотеке и т.д. Причём, выбранный материал для
самостоятельной работы должен отвечать главным принципам и правилам
обучения: прочности, доступности, научности и связи теории с практикой.
Цель самостоятельной работы – научить учащегося осмысленно и
самостоятельно работать сначала с учебным материалом, а затем с научной
344
информацией, заложить основы самоорганизации и самовоспитания,
привить умение в непрерывном повышении своей учебной деятельности.
Основная роль в организации самостоятельной работы принадлежит
преподавателю, который должен работать индивидуально с конкретной
личностью, с её сильными и слабыми сторонами, индивидуальными
способностями и наклонностями. Задача преподавателя – увидеть и развить
лучшие качества учащегося. Чтобы развить положительное отношение
учащихся к внеаудиторной самостоятельной работе, следует на каждом этапе
разъяснять цели работы, контролировать понимание этих целей, формировать
у них умение самостоятельной постановки задачи и выбора цели.
Важнейшим условием эффективности самостоятельной работы
учащихся является разработка комплекса методического обеспечения
учебного процесса. К такому комплексу следует отнести учебные и
методические пособия, программы для самоконтроля. Самостоятельно
применять имеющиеся знания в обучении и на практике. Доказано, что
активная самостоятельная работа учащихся возможна только при наличии
серьёзной и устойчивой мотивации. Самостоятельно применять
имеющиеся знания в обучении и на практике.
Известно, что мотивация к предмету занимает ведущее место среди
факторов, определяющих продуктивность дидактического процесса.
Мотивы – главные движущие силы этого процесса. Мотивация как процесс
изменения состояний и отношений личности основывается на мотивах, под
которыми мы понимаем конкретные побуждения, причины, заставляющие
личность действовать, совершать поступки. (1, с. 360)
Чтобы сформировать у учащихся самостоятельность необходимо:
1.
Развить самостоятельность в познавательной деятельности, научить
их самостоятельно овладевать знаниями, формировать своё мировоззрение.
2.
Самостоятельно применять имеющиеся знания в обучении и на
практике.
Самостоятельная работа – это высшая работа учебной деятельности
учащегося и является компонентом целостного педагогического процесса,
поэтому ей присущи такие функции, как воспитательная, образовательная,
развивающая.
Библиографический список
1. И.П.Подласый Педагогика. Москва,2003.
2. Л.Г.Вяткин Самостоятельная работа учащихся на уроке. – Саратов: Изд-во
Саратовского университета, 1978.
3. М.В.Кларин Инновационные модели обучения в зарубежных педагогических
поисках. М.: изд-во Арена, 1994.с.214
4. В.А.Понков., А.В.Коржуев Дидактика высшей школы. М.: Академия,2003
5. Д.В.Чернилевский Дидактические технологии в высшей школе. М.: Юнити, 2002
345
СОДЕРЖАНИЕ
СЕКЦИЯ 1
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ СТАНОВЛЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ ТРАНСПОРТНОГО КОМПЛЕКСА РОССИИ
В.Н. Иванов, Г.К. Салихова Технические требования,
предъявляемые
мировым
экономическим
хозяйством
к
современному наземному транспорту.………………………………
С.В. Сорокин Развитие перевозок пассажиров коммерческим
транспортом в г. Омске..………………………………...…………..
3
7
СЕКЦИЯ 2
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФОРМАЦИОННО –
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ И БЕЗОПАСНОСТИ
ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
В.А. Березовский, В.А. Майстренко, В.Л. Хазан, В.В. Робустов
Современные технологии и технические средства радиосвязи для
автотранспорта на крайнем севере...…………………………………
А.Н. Калинин Каналы коротковолновой радиосвязи с повышенной
надёжностью передачи данных для мониторинговой системы
автотранспорта…………………….………………………………..…..
А.А. Соловьев, Е.В. Шлякова Лазерная обработка деталей
двигателей автомобильной техники…………………………………..
И.В. Ходес, О. Б. Ригин, Нгуен Тхе Мань Скорости движения АТС
в системе ВАД……………………………………………………….....
12
17
21
27
СЕКЦИЯ 3
ПРОБЛЕМЫ КОНСТРУКТИВНОГО
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
Н.Е. Александров; Н.А. Гулий Комбинированные энергетические
установки для городского транспорта………………………………
Д.А. Загарин Исследование основных эксплуатационных режимов
работы малогабаритного транспортного средства сельскохозяйственного
назначения в качестве колесной транспортно-тяговой машины………….
А.В. Келлер, В.В. Окольников, И.О. Бобков, К.А. Пшеницын,
А.Ю. Кокшин Оценка влияния кинематического несоответствия
между мостами на эффективность метода введения жесткой
кинематической связи…………………………………………………..
346
35
40
52
И.М. Князев, И.В. Хамов Современный городской автомобиль……
И.М. Князев, Л.Г. Ягодкин Кафедре «Автомобили и тракторы»
СибАДИ 80 лет………………………………………………………….
М.А. Козловская Разработка и исследование раздаточной коробки
трёхосного грузового автомобиля малой размерности с колёсной
формулой 6х6…………………………………………………….……...
Г.О. Котиев; В.А. Горелов, Р.И. Жирный Моделирование
прямолинейного движения автопоезда по деформируемому грунту
при
упругой
связи
между
тягачом
и
прицепом………………………………………………......…………….
А.В. Лепёшкин Опыт и перспективы создания самоходных
транспортных и тяговых колесных машин
повышенной
проходимости с гидрообъемными трансмиссиями…………………...
С.Н. Марченко, И.А. Мурог, А.В. Келлер, А.Н. Торопов, А.В. Платонов
Оценка эффективности метода ограничения избыточного действия при
распределении мощности между ведущими колесами……………………
Нгуен Хак Туан Исследование динамических нагрузок в
механической трансмиссии автомобиля с гибридными силовыми
установками при запуске ДВС с ходу методами моделирования в
среде Мatlab- Simulink……………………………………………….....
А.В. Николаенко, С.В. Бахмутов, В.В.Селифонов, А.И. Титков
Автомобили для мегаполисов………………………………………….
А.В. Победин, В.В. Шеховцов, К.В. Шеховцов Расчётные
исследования для совершенствования подвески кабины автомобиля….
Б.В. Савельев Оценка соответствия находящихся в эксплуатации
автоцистерн для перевозки нефтепродуктов………………………….
А.Н. Торопов, А.В. Келлер, С.В. Ушнурцев, С.В. Отегов,
Д.Н. Бакин Метод введения жесткой кинематической связи и
средства его реализации………………………………………………
А.И. Филонов Особенности и проблемы процесса рекуперации
энергии на автомобиле с гибридной силовой установкой…………...
В.А Шапкин, А.А. Кошурина, М.С. Крашенников Конструктивные
совершенствования транспортно- технологических машин с
роторно- винтовым движителем……………………………………….
56
59
62
75
81
94
99
106
112
117
123
127
137
СЕКЦИЯ 4
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ И
ПРОЦЕССЫ В АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ
А.А. Александров Расчёт деформационной повреждённости
фланцев со сферическими и коническими поверхностями…………..
347
141
А.А. Александров, А.И. Ковальчук Графический метод определения
направления волокна при пластической деформации заготовки……….
В.В. Евстифеев, А.А. Александров, В.Г. Азаров, И.С. Лексутов,
К.Н. Пантюхова Построение рациональных технологий холодного
выдавливания……………………………………...……………………..
В.В. Естифеев, В.И. Гурдин, В.В. Седельников, А.В. Бердюгин
Новые композиционные материалы для машиностроения…………..
А.П. Жигадло, А.Л. Иванов, В.П. Расщупкин, Д.А. Цуркан Новые
конструкционные материалы для производства автомобилей………
М.С. Корытов Построение матрицы смежности графа
поверхности с препятствиями для поиска кратчайшей траектории
перемещения груза автомобильным краном…………………………
Ю.К. Машков, В.В. Сыркин, М.Ю. Байбарацкая, О.А. Мамаев
Новые материалы и конструкции уплотнений автомобилей для
Сибири и крайнего Севера.…………………………………………….
Г.В. Пачурин, В.А. Власов Механические свойства листовых
автомобильных сталей…………………………………………………
А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин Экономия природных ресурсов за
счёт повышения качества металлопроката под холодную высадку
крепежных изделий…………………………………………………….
А.А. Филиппов, Г.В. Пачурин Экологичная электронно-плазменная
очистка поверхности стального листового проката…………………...
145
148
156
161
166
171
177
182
185
СЕКЦИЯ 5
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ И ТТМ
В УСЛОВИЯХ СИБИРИ И КРАЙНЕГО СЕВЕРА
В.И. Гурдин, А.В. Бердюгин Оптимизация параметровсистемы
ремонта автомобилей…………………………………………………...
И.П. Залознов, О.В. Куксгаузен Анализ конструкций датчика
концентрации кислорода и влияющих на него эксплуатационных
факторов…………………………………………………………………
Н.Г. Певнев, М.В. Банкет Математическая модель расчета
параметров трубчатого электронагревателя (ТЭН)………………….
В.В.Робустов, Б.В. Журавский О проекте завода «северных»
автомобилей в г. Омске: состояние, проблемы и перспективы……...
С.М. Иванов Проблемы эксплуатации автомобилей в условиях
низких температур………………………………………………………
А.П. Елгин, Р.З. Кисматулин Актуальность оптимизации выбора
технологического оборудования для автотранспортных предприятий…
А.П. Елгин, Р.В. Малкова Актуальность оптимизации выбора
технологического оборудования для предприятий автосервиса ……
348
190
197
203
210
216
222
224
Н.Г. Певнев, В.А. Кириллов, О.Ф. Бризицкий, В.А. Бурцев
Перспективы использования газобаллонных автомобилей с
бортовым генератором синтез-газа…………………………………….
С.Е. Петров Аспекты идентификации параметров снежного
покрова для математического описания движения транспортнотехнологических машин по снегу……………………………………...
А.В. Трофимов, А.В. Проценко Определение показателей надежности
тахографов при эксплуатации автомобилей в условиях Сибири……….
Д.А. Фоменко Анализ надежности элементов газобаллонного
оборудования четвертого поколения…………………………………..
227
241
245
251
СЕКЦИЯ 6
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ И
КОНСТРУКЦИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ СИСТЕМ
Г.А. Голощапов, Д.А. Цуркан, В.И. Лиошенко, В.А. Володарец
Смазочные материалы с добавками для узлов трения автомобилей...
С.В. Дорошенко Преимущества унификации применяемых
моторных
масел
строительных
и
дорожных
машин
эксплуатируемых в условиях низких температур…………………….
А.Л. Иванов Аппаратно-программный комплекс для проведения
испытаний поршневых двигателей…………………………………….
И. Куликов Поиск оптимального управления гибридной силовой
установкой
автомобиля
методом
динамического
программирования………………………………………………………
Ю.П. Макушев, Л.Ю. Михайлова, А.В. Филатов Диагностика
форсунок
дизелей
автомобилей,
их
регулировка
и
восстановление………………………………………………………….
Ю.П. Макушев; В.Г. Монохин, А.В. Филатов, Т.А. Макушева
Крутильные
колебания
коленчатых
валов
двигателей
автомобилей……………………………………………………………..
А.В. Нижмаков, А.Н. Леонтьев Перспективы применения
автомобильных двигателей в системах энергоснабжения…………...
В.С. Пономаренко Тенденции развития показателей качества для
дизельных топлив применяемых на автомобилях…………………….
И.А. Холмянский, В.А. Каня Система автоматизированного
проектирования коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания….
349
255
258
263
269
275
282
291
293
299
СЕКЦИЯ 7
ПРОЕКТИРОВАНИЕ, СОЗДАНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
АВТОТРАКТОРНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
И.В. Денисов Нечеткая логика в алгоритме функционирования
автомобильного крана…………………………………………………..
Д.Н. Зновенко, Б.В. Журавский, А.П. Жигадло Автоматическое
регулирование температуры двигателя внутреннего сгорания в
соответствии с режимом его работы…………………………………..
Е.Л. Першина, О.А. Попова Применение специализированных
интеллектуальных систем поддержки принятия решений в сфере
проектирования
и
эксплуатации
автотракторного
электрооборудования……………………………………………………
В.П. Хортов, В.И. Коротков Будущее - за высоковольтными
системами пуска ДВС………………………………………………......
304
309
313
319
СЕКЦИЯ 8
НАУЧНО-ПЕДАГОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
И ИННОВАЦИОННЫЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРИ ПОДГОТОВКЕ ИНЖЕНЕРНЫХ КАДРОВ
ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТ
О.Н. Андрух О роли нормативных документов в формировании
компетентностей автомобильных инженеров………………………
Ю.Е. Горина Профессиональная подготовка инженерных кадров
для машиностроительных предприятий……………………………
А.П. Жигадло Проблема подготовки инженерных кадров для
автомобильной промышленности……………………………………
Н.В. Келеменев Профессионально-педагогическая подготовка
инженеров в процессе их обучения в техническом вузе…………
В.В. Пальцев Организация стратегических бизнес-единиц в вузах
как
инструмент
формирования
базовых
компетенций
автомобильных инженеров…………………………………………
Т.Н. Шоколова Самостоятельная работа как один из элементов в
инновационном образовательном процессе………………………
350
324
327
333
339
342
343
КАКОЙ АВТОМОБИЛЬ
НУЖЕН РОССИИ?
Материалы 69-й Международной научно-технической конференции
Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ)
Печать статей произведена с оригиналов, подготовленных авторами.
Подписано к печати
Формат 60 х 90 1/16. Бумага писчая
Оперативный способ печати
Гарнитура Times New Roman Cyr
Усл. п.л. ; уч.-изд. л.
Тираж экз. Заказ №
Цена договорная
Отпечатано в полиграфическом отделе УМУ СибАДИ
644080, Омск, пр. Мира, 5
351