V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Известно [1-4] что в основном все прицепные транспортные средства и в частности, например, тракторные двухосные прицепы класса 2ПТС-4, широко используемые в агропромышленном комплексе страны, состоят из кузова, размещённого на раме, в задней части которой установлена с помощью рессор ведомая пара колёс, а в передней её части с помощью поворотного круга размещена подкатная тележка с рулевыми колёсами (рис.1). Подкатная тележка снабжена дышлом, предназначенным для транспортировки прицепа в составе тракторного поезда. Такой прицеп прост по конструкции и достаточно эффективен в условиях эксплуатации. Однако ему присущ весьма важный недостаток, заключающийся в том, что, находясь в составе тракторного поезда, в его движении возникают значительные колебания прицепа в поперечной плоскости, называемые вилянием. Такие колебания бывают так значительны (их амплитуда достигает 400мм в одну из боковых сторон и более), что возникают ситуации, когда прицеп может столкнуться с обгоняющим или движущимся навстречу транспортом. В итоге техника выходит из строя, гибнут люди и т.д.

 

В тоже время известны также автомобильные прицепы моделей ГКБ -817, ГКБ-8350, ГКБ-8352, ГКБ-819, ГКБ-8527, МАЗ-8926, агрегатируемые с автомобилями ГАЗ-53А, МАЗ-5335, ЗИЛ-131В, КамАЗ-5410, МАЗ-6422, Вольво-F89-32 и др., конструкции которых в целом аналогичны выше описанным тракторным прицепам и поэтому недостатки их подобны.

Учитывая вышеизложенное в ЕГУ имени И.А. Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики выполняется бюджетная НИР на тему: «Динамика, прочность и надёжность транспортных, сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин, а также стандартного и нестандартного оборудования используемого в Чернозёмном регионе РФ». Анализ многочисленных литературных и патентных источников позволил разработать перспективное техническое решение, позволяющее эффективно осуществлять демпфирование колебаний виляния прицепов в соответствии с требованиями ГОСТ 2349-54 и ГОСТ 13377-67 Такая конструкция может быть привязана к двухосному автотракторному прицепу и признана изобретением (RU2397906).

На рис.2 показан общий вид двухосного прицепа сбоку, а на рис.3 часть поворотного круга в передней части прицепа.

Двухосный прицеп состоит из кузова 1 установленного на раме 2 снабжённой задней подвеской колёс 3. В передней части рамы 2 закреплено верхнее кольцо 4 поворотного круга взаимосвязанное подвижно с нижним кольцом 5, которое жёстко присоединено к раме 6 подкатной тележки снабжённой передней подвеской колёс 7. На раме 6 шарнирно установлено дышло 8. На раме 2 жёстко закреплён цилиндрической формы корпус 9, в котором подвижно расположено сферическое тело качения 10 подпружиненное пружиной сжатия 11 причём последнее взаимодействует с рядом различных по глубине углублений элементов шара 12 выполненных на дугообразном кронштейне 13 жёстко присоединённом к раме 6 подкатной тележки.

Рис.2 Рис.3

Работает двухосный прицеп следующим образом, при прямолинейном движении по стрелке А в составе автотракторного поезда задняя подвеска колёс 3 и передняя подвеска колёс 7 лежат в продольной плоскости дороги, при этом сферическое тело качения 10 расположено в углублении элемента шара 12 имеющего величину h₁ наименьшую среди других подобных углублений элементов шара 12 расположенных справа и слева относительно продольной оси симметрии прицепа (рис.3) . В этом случае за счёт наличия усилия Р_пр (рис.4), создаваемого пружиной сжатия 11 и виляние прицепа в боковые стороны с малой амплитудой исключено, так как сферическое тело качения 10 под незначительным воздействием окружной силы Р₁ не может «покинуть» углубление элемента шара 12, например, в направлении стрелки В, и, следовательно, устойчивое движение прицепа будет обеспечено. Предположим, что усилие Р₁ возрастёт за счёт увеличения угла поворота подкатной тележки прицепа и тогда сферическое тело качения 10 под действием такого усилия переместится по стрелке С в следующее углубление элемента шара 12 величина которого равна h₂, что позволит вновь обеспечить устойчивое прямолинейное движение прицепа. Но так как в процессе движения прицепа проявляются колебания подергивания, то дышло 8 тут же получит угловой поворот, а вместе с ним и подкатная тележка, в направлении противоположном стрелке С и тогда сферическое тело качения 10 вновь окажется в углублении элемента шара 12 глубиной h₁. В этом случае передняя и задняя подвески 6 и 3 вновь будут лежать в одной продольной плоскости автотракторного поезда и он будет двигаться прямолинейно. Подобным образом сферическое тело качения 10 может оказаться и в углублении элемента шара 12 имеющего глубину h₁(следует отметить, что число углублений элемента шара 12 в правую и левую сторону при угловом повороте подкатной тележки может быть и большим чем показано на чертежах, однако они должны быть выбраны так, чтобы максимальный угол поворота подкатной тележки не превышал примерно 16^о в одну и другую сторону, так как эта величина наиболее точно отражает виляние прицепов зарегистрированных в практике [4,5]. При повороте подкатной тележки влево, вызванном вилянием прицепа, процесс перемещения сферического тела качения 10 аналогичен выше описанному. В практике зачастую возникает необходимость поворота подкатной тележки прицепа при его маневрировании или отстое и тогда сферическое тело качения 10 переходит соответствующие углубления элементов шара 12 и оказывается на плоской поверхности дугообразного кронштейна 13 двигаясь по стрелке Е. В этом случае оно перекатывается без сопротивления и не вызывает трудностей например, при повороте дышла 8 вручную.

Для расчёта основных геометрических параметров устройства разработана расчетная схема, рис.4 представлена часть развернутой по длине дугообразной формы кронштейна установленного на подкатной тележке прицепа, а также показаны схемы силового нагружения элементов устройства снижающего виляние прицепа.

 

Рис.4

 

Анализируя предложенную конструкцию стабилизирующего устройства видно, что ответственным элементом его, характеризующим надёжность и работоспособность последнего является его фиксатор и в частности пружина сжатия 11 (см. рис.2 и рис.3), поэтому произведём расчёт её силовых и основных геометрических параметров. В качестве объекта на котором может быть смонтирован о такое устройство выберем тракторный поезд состоящий из колёсного трактора МТЗ-82 собственным весом 3,0т и автотракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А грузоподъёмностью 4,0т, также имеющий собственный вес 1,8тс. Массы звеньев тракторного поезда в этом случае будут соответственно равны М_ПР = 592 кгс·с² /м и М_Т = 306 кгс·с² /м , а коэффициент весовой характеристики тракторного поезда составит т = М_ПР / М_Т + М_ПР = 0,66.

Определим критическую силу, возникающую в сцепном устройстве тракторного поезда по зависимости [4]:

,

где - коэффициент динамичности учитывающий влияние зазоров в сцепке и равный 1,5 [4];

- коэффициент динамичности при резонансных колебаний рассматриваемой системы и равный 1,25 [4];

q₀- высота неровности дороги, равная 6см [4];

L – длина волны неровности 2,5м [4].

Предположим, что дышло прицепа при вилянии прицепа совместно с подкатной тележкой под действием Р_крmax повернулось на угол 5⁰ и тогда поперечная сила в месте сцепа его с сцепным устройством трактора определится как Р_ПОПЕР = tg5⁰Р_крmax= 0,087·1639 = 142,6кгс. В этом случае момент на подкатной тележке вызвавший такой угловой поворот будет равен М = Р_ПОПЕР·l_Д = 142,6·1,8 = 256,7кгс·м (гдеl_Д длина дышла равная 1,8м).

Конструктивно примем, что диаметр тела качения 10 подпружиненного пружиной сжатия 11 равен 25мм, причём высоты углублений 12 (рис.3) соответственно равны h₁ = 6,0мм, h₂ = 8,0мм, h₃ = 10,0мм и h₄ = 12,5мм.

Видно, что для фиксации подкатной тележки и исключения углового поворота её, окружное усилие действующее на тело качения должно быть меньше чем усилие создаваемое пружиной сжатия 11. Расчет жесткости С_ПР пружины фиксатора произведём в случае нахождения тела качения 10 в углублении 12 имеющемh₄ = 12,5мм при этом окружное усилие как было описано выше, Р_ПОПЕР = 142,6кгс, которое и стремиться сжать пружину сжатия и тем самым вывести тело качения из углубления 12. Такую силу можно определить по зависимости:

где α — угол, выбранный конструктивно и равный 38⁰.

Видно, что полученное значение удерживающей силы выше, чем окружная сила в среднем в 1,3 и поэтому в дальнейшем угловой поворот подкатной тележки прицепа будет исключён

Исходя из этого и используя справочные данные, установим геометрические характеристики пружины при нагрузочной ее способности 215кгс несколько больше чем 182,5кгс :D_нар = 68мм, диаметр проволоки 9,0мм, высота пружины в сжатом состоянии 95 мм, жесткость С_ПР = 3,3кгс/мм, материал сталь 60С2 с τ = 57 кгс/мм².

Анализируя вышеизложенное видно, что в практике виляние звеньев автотракторных поездов возможно при различных его скоростях движения начиная от 20км/ч и более. Исходя из этого с целью расширения эксплуатационных возможностей устройства, исключающего виляние звеньев автотракторных поездов в каждом конкретном случае на различных моделях прицепов должны устанавливаться стабилизирующие устройства спроектированные в зависимости от весовых характеристик прицепов и их назначения. В то же время для подбора рациональной конструкции их необходим широкий спектр проведения испытаний натурных образцов в эксплуатационных условиях, и только после этого можно окончательно обосновать оптимальные геометрические и кинематические параметры предложенного стабилизирующего устройства.

Для экономической оценки предложенного технического решения использована методика финансово-инвестиционного анализа и аудита при внедрении новой техники [2]. В качестве базового образца принят автотракторный прицеп МАЗ-8926 Минского автомобильного завода. По данным ряда автотранспортных и сельскохозяйственных предприятий Российской федерации эксплуатирующих такие прицепы по причине повышенного износа шин подкатной тележки, отказов деталей поворотного круга и сцепного устройства связанной с вилянием прицепов движущихся в составе автотракторных поездов средняя стоимость ремонта одного прицепа составляет 76,3,2тыс.руб, а наработка на такие отказы достигает в среднем 125,0 тыс.км пробега.

Исходя из вышеизложенного, а также, используя данные таблицы, определим годовой экономический эффект от внедрения вышеуказанного изобретения, на одном из предприятий Черноземного региона РФ ремонтирующем подобные прицепы позволяющего повысить долговечность их за счёт снижения колебаний виляния в эксплуатационных условиях.

Для этого используем следующие показатели.

1. Коэффициент сравнительной экономической эффективности, определяемый по зависимости:

2. Коэффициент приведения затрат к одинаковому объему производства продукции по базовому прицепу составит:

Таблица

№ № пп	Показатели	Обозначения	Единица измерения	Базовый прицеп	Модернизированный прицеп
1	Годовой выпуск ремонта прицепов	А	тыс. шт.	9,5	9,5
2	Пробег прицепа до ремонта	Д	тыс.км.	125,0	182,4
3	Себестоимость ремонта прицепа	С	руб.	105000	110000
4	Капитальные вложения на один прицеп	У	руб.	152000	175400
5	Нормативный коэффициент эффективности	Ен	-	0,15	0,15

1. Приведённые затраты по прицепам:

а) по базовому-

б) по модернизированному-

4. Приведенные затраты с учетом коэффициента приведения к одинаковому объему производства прицепов:

На основании вышеизложенного произведём расчёт прибыли, которую получит предприятие от выпуска одного модернизированного прицепа по зависимости:

Следовательно, на планируемую программу годового выпуска предприятием прицепов 9500 шт. общий объём прибыли составит:

Для автоматизации расчётов экономической эффективности от внедрения предложенного технического решения в конструкции автомобильных прицепов серийно выпускающихся предприятиями, как в нашей стране, так и за рубежом, разработана программа для ЭВМ на языке Delphi, которая апробирована при проведении данного исследования.

Проведённые расчеты показали, что внедрение предложенной конструкции повышающей надежность прицепов, связанных со снижением их виляния, является выгодным для производства так как оно от серийного их выпуска в количестве 9,5 тыс. штук в год может получить прибыль в размере 477,8 млн. руб. При этом в условиях эксплуатации пробег прицепов также может быть повышен с125,0 до 184,2 тыс. км.

Результаты исследования рекомендуются как отечественным, так и зарубежным НИИ, конструкторским и производственным структурам автомобильной промышленности для дальнейшего изучения и доработки предложенного устройства с целью возможного внедрения его в практику.

Библиография

1. Краткий автомобильный справочник. 10-е изд. перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1983. – 220с.

2. Закин Я.Х. Прикладная теория движения автопоезда. М.: Транспорт 1967. – 215с.

3. Смирнов Г.А. Теория движения колёсных машин: Учеб. Для студентов машиностроит. спец. вузов. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Машиностроение, 1990. – 352с.

4. Щукин М.М. Сцепные устройства автомобилей и тягачей. М-Л.: Машгиз, 1961.-204с.

5. Глущенко А.Д., Сливинский Е.В. Динамика и прочность транспортной системы для перевозки легковесных грузов. Ташкент: Фан, 1988. 116 с.

6. Гиляровская Л.Т., Ендовицкий Д.А. Финансово-инвестиционный анализ и аудит коммерческих организаций. – Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 1997. – 336 с.

Код для цитирования: Скопировать