Ensuring the Stability of Agricultural Transport and Technological Machines Equipped with Ultra-Low Pressure Tires during Braking

Texto integral

Введение

В настоящее время автомобили и тракторы на шинах сверхнизкого давления с увеличенными диаметрами колес находят широкое применение в агропромышленном комплексе на всей территории Российской Федерации. Указанная техника, согласно требованиям руководства по эксплуатации, может применяться и на дорогах общего пользования (при условии движения со скоростью не более 70 км/ч), то есть с точки зрения безопасности дорожного движения должна соответствовать требованиям Технического регламента о безопасности колесных транспортных средств, в том числе требованиям по обеспечению устойчивости движения транспортного средства при торможении (условиям отсутствия заноса)¹. Также транспортно-технологические машины сельскохозяйственного назначения должны соответствовать требованиям ГОСТа 12.2.019-86, согласно которым тормозные системы данной техники должны обеспечивать удельную тормозную силу на сухом асфальте не меньшую чем 0,46².

Следует отметить, что в транспортном потоке автомобильных дорог общего пользования доля рассматриваемой техники невелика и не превышает 0,01 %. В таких условиях составить репрезентативную выборку причин возникновения различных аварий не представляется возможным. Исходя из открытых источников информации, можно утверждать, что ДТП с указанной техникой имеют место быть (рис. 1 и 2), причем часть из них связана с недостаточной эффективностью торможения, в том числе и на обледенелой дороге, а часть – с потерей устойчивости при экстренном торможении [1; 2]. 

 

 

 

Рис. 1. ДТП с транспортным средством на колесах со сверхнизким давлением,
обусловленное недостаточной эффективностью торможения³ 

Fig. 1. Road accident with a vehicle equiped with ultra-low pressure, due to low braking efficiency

 

 

 

 

 

Рис. 2. Типичное ДТП, связанное с потерей управляемости комбайна при экстренном
торможении на автомобильной дороге⁴

Fig. 2. Road accident caused by the combine harvester control loss during emergency braking on the
highway

 

Таким образом, научные исследования, связанные с обеспечением устойчивости сельскохозяйственных машин при движении по дорогам общего пользования, являются актуальной научной задачей, особенно в свете того, что навесное оборудование, устанавливаемое на них, вследствие большей габаритной ширины приводит к выезду на встречную полосу при малейшем отклонении от прямолинейного движения.

Обзор литературы

В настоящее время проводятся многочисленные исследования по оценке влияния различных конструкционных факторов транспортно-технологических машин на безопасность дорожного движения. При этом сложилась устойчивая методика проведения исследования – сначала статистическими методами определяется степень влияния того или иного параметра транспортного средства на безопасность дорожного движения, а потом с использованием методов математического моделирования демонстрируется возможность изменения параметров движения и изменения аварийности на дорогах [3]. Наиболее полно статистические методы оценки влияния изменения технического состояния транспортных средств  на безопасность дорожного движения показаны в работах иностранных авторов [4; 5]. Также дана статистическая оценка аварийности именно внедорожных машин [6–8]. В другом исследовании приведены результаты статистического исследования, связанного с движением транспортных и технологических средств именно по сельским дорогам, где вероятность попадания в ДТП сельскохозяйственной техники особенно велика [9]. Авторами установлено, что более 30 % ДТП связано именно с недостаточной эффективностью торможения: выезд за габариты полосы движения (недостаток устойчивости) имел место в 5 % ДТП, а на скользких покрытиях до 15 % [3].

Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что в настоящее время достаточно полно изучена и широко применяется теория математической статистики для определения степени влияния того или иного параметра транспортных и технологических средств на безопасность дорожного движения. При этом установлено, что одним из основополагающих факторов, влияющих на аварийность колесных тракторов, является эффективность торможения и устойчивость машины при данном режиме движения. В настоящее время основным направлением научных исследований, направленным на обеспечение безопасности дорожного движения, является широкое применение электронных систем, таких как ABS, ESP и пр. [10–13]. Отсутствие технической возможности установки электронных систем на транспортно-технологические машины сельскохозяйственного назначения на шинах сверхнизкого давления диктует необходимость проведения исследования работы тормозной системы без каких-либо электронных систем помощи водителю [14]. При этом данная система должна обеспечивать как необходимую эффективность торможения, так и устойчивость движения машины в режиме проскальзывания колес по поверхности дороги. Следует учитывать, что внедорожные шины (даже в условиях создания более высокого давления при движении по дорогам общего пользования) обладают повышенным износом, приводящим к неравномерности взаимодействия колес с дорогой, а также, кроме обеспечения значительного клиренса, приводят к увеличению высоты центра масс машины [15; 16]. При этом вопросам возникновения заноса транспортных и технологических машин в указанных специфических условиях взаимодействия не уделяется должного внимания [17]. Наиболее близкой к описываемому процессу является работа  В. Ванцевича, однако в ней изменение траектории движения на шинах низкого давления изучается с точки зрения бортового поворота, а не экстренного торможения [18–20].

Материалы и методы

Согласно теории движения колесных транспортных средств они будут устойчивыми на дороге, если блокировка колес задней оси будет происходить позже, чем на передней [10; 21]. В современных конструкциях таких машин данный порядок изменения тормозных схем при экстренном торможении реализуется либо с использованием регулятора тормозных схем, либо программно при помощи блока управления ABS [11; 12; 21]. Следует отметить, что применение штатных узлов и деталей серийно выпускаемых автомобилей для производства транспортно-технологических машин сельскохозяйственного назначения на шинах сверхнизкого давления кроме положительного эффекта, выраженного в снижении себестоимости продукции, имеет и отрицательную сторону, к которой относится отсутствие технической возможности внести изменения как в конструкцию регулятора тормозных сил, так и в блок управления ABS. Поэтому все конструкции тормозной системы современных машин с шинами сверхнизкого давления подразумевают отсутствие механизмов, регулирующих изменение тормозного усилия по осям, что отрицательно сказывается на эффективности торможения и устойчивости таких автомобилей [10; 17; 21]. Схема сил, действующих на транспортно-технологическую машину сельскохозяйственного назначения на колесах сверхнизкого давления при экстренном торможении, проиллюстрирована на рисунке 3.

 

 

Рис. 3. Силы, действующие на транспортно-технологическую машину сельскохозяйственного
назначения при торможении: G – вес автомобиля; R_Z1 – нормальная реакция дороги на передней оси;

R_Z2 – нормальная реакция дороги ни задней оси; F_Z1 – тормозная сила, действующая на переднюю ось;

F_Z2 – тормозная сила, действующая на заднюю ось; F_J – сила инерции трактора;
L – колесная база трактора; h – высота центра тяжести трактора;

а – расстояние от центра масс до передней оси; b – расстояние от центра масс до задней оси

 

Fig. 3. Forces acting on the vehicle when braking: G – vehicle weight; R_Z1 – normal road response on the front axle;

R_Z2 – normal reaction of the road on the rear axle; F_Z1 – braking force acting on the front axle;

F_Z2 – braking force acting on the rear axle; F_J – inertial force of the vehicle;
L – wheelbase of the vehicle; h – height of the tractor’s center of gravity;

а – distance from the center of mass to the front axle; b – distance from the center of mass to the rear axle

 

 

Величина сцепного веса для разных типов транспортно-технологических машин сельскохозяйственного назначения и условий загрузки различна. Так, для нерегулируемой тормозной системы, характерной для применения на технике, оснащенной колесами сверхнизкого давления, ее значение может быть найдено из условия⁵:

$m\left(\varphi \right)=\left|\begin{array}{c}\frac{1}{1+\frac{h}{b}({\varphi }_0-\varphi )}{,}^{}гд{е}^{}\varphi <{\varphi }_0\\ \frac{1}{1+\frac{h}{a}({\varphi }_0+\varphi )}{,}^{}гд{е}^{}\varphi >{\varphi }_0\end{array}\right.,$   (1)

где φ₀ – коэффициент сцепления, при котором происходит одновременная блокировка колес передней и задней осей, определяемый из уравнения:

${\varphi }_0=\frac{\frac{a}{L}(1+k)-k}{\frac{h}{L}(1+k)}=\frac{a(1+k)-k}{h(1+k)}=\frac{a}{h}-\frac{k}{1+k},$  (2)

откуда:

 $\frac{k}{1+k}=\frac{a}{h}-{\varphi }_0\to k=\frac{a}{h}-{\varphi }_0+\frac{a}{h}k-{\varphi }_{0}k\to k(1+{\varphi }_0-\frac{a}{h})=\frac{a}{h}-{\varphi }_0\to k=\frac{\raisebox{1ex}{$a$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$h$}\right.-{\varphi }_0}{1-(\raisebox{1ex}{$a$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$h$}\right.-{\varphi }_0)},$ (3)

где k – соотношение тормозных сил по осям автомобиля. Решение уравнения (3) показано на рисунке 4.

 

 

Рис. 4. Необходимое соотношение тормозных сил по осям транспортно-технологических
машин сельскохозяйственного назначения, обеспечивающих его устойчивое движение во время
торможения в условиях отсутствия регулятора тормозных сил:

1 – для коэффициента сцепления, при котором происходит блокировка задних колес, равного 0,7;

2 – для коэффициента сцепления, при котором происходит блокировка задних колес, равного 0,5

Fig. 4. The required ratio of braking forces along the vehicle wheel axes, ensuring
its steady movement during braking in the absence of a brake force controller:
1 – for the coefficient of adhesion at which the rear wheels are locked equal to 0.7;
2 – for the coefficient of adhesion at which the rear wheels are locked equal to 0.5

 

 

Тогда максимальная эффективность торможения на дороге с сухим асфальтовым покрытием определяется как:

$F_{{\displaystyle \sum }}=F_{Z1}+F_{Z2}=\mathrm{0,46}mg=\mathrm{0,46}(R_{Z1}+R_{Z2})=R_{Z1}\varphi +R_{Z2}k\varphi$ ,

откуда:

$F_{{\displaystyle \sum }}=F_{Z1}+F_{Z2}=\mathrm{0,46}mg=\mathrm{0,46}(R_{Z1}+R_{Z2})=R_{Z1}\varphi +R_{Z2}k\varphi =mg\varphi (\frac{a}{L}+(1-\frac{a}{L}))k,$

то есть:

$\frac{\raisebox{1ex}{$a$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$h$}\right.-{\varphi }_0}{1-(\raisebox{1ex}{$a$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$h$}\right.-{\varphi }_0)}>\frac{\mathrm{0,66}L-a}{L-a}$ ,

где φ – коэффициент сцепления на сухом асфальте, равный 0,7 [3]. Решение полученных зависимостей показано на рисунке 4.

Тогда:

$h<\frac{a}{\frac{0,66L-a}{1,66L-2a}+{\varphi }_0}.$

Решение данной зависимости показано на рисунке 5.

 

 

 

Рис. 5. Предельно допустимая высота центра масс транспортно-технологических машин
сельскохозяйственного назначения на шинах сверхнизкого давления, обеспечивающая
устойчивость машины и эффективность торможения на дорогах общего пользования:
1 – для опережающей блокировки задней оси при коэффициенте сцепления колеса с дорогой, равном 0,7;

2 – для опережающей блокировки задней оси при коэффициенте сцепления колеса с дорогой, равном 0,6;

3 – для опережающей блокировки задней оси при коэффициенте сцепления колеса с дорогой, равном 0,5

 

Fig. 5. Maximum permissible height of the agricultural machine mass center, ensuring the stability
of the machine and the effectiveness of braking on public roads:

1 – for the coefficient of adhesion at which the rear wheels are locked equal to 0.7;

2 – for the coefficient of adhesion at which the rear wheels are locked equal to 0.6;

3 – for the coefficient of adhesion at which the rear wheels are locked equal to 0.5

 

 

Результаты исследования

Полученные зависимости были проверены на специальной технике «Кержак» завода ООО «Трансмаш» (г. Нижний Новгород). Изменение центра тяжести достигалось загрузкой балластом грузовой платформы. Измерение его положения фиксировалось с использованием напольных автомобильных весов. Фиксация блокировки одной из осей проводилась визуально и с использованием высокоскоростной видеозаписи, исключающей возможность возникновения стробоскопического эффекта. Суммарная величина эффективного замедления трактора фиксировалась при помощи прибора «Эффект-2М».

Изменение соотношения тормозных сил по осям специальной техники достигалось уменьшением проходного сечения в тормозном контуре задней оси. Проведенные исследования показали высокую сходимость экспериментальных и теоретических данных. Максимальная погрешность получаемых результатов, необусловленная неравномерным износом шин, отклонением в прямолинейности установки управляемых колес, динамическими колебаниями трактора и обусловленная работой подвески и продольным градиентом величины сцепления колес с дорогой, превышала 10 %.

Экстраполируя полученные данные на сельскохозяйственную технику «Трэкол-Агро», можно утверждать, что смещение центра масс трактора назад за счет рабочего оборудования положительно сказывается на эффективности и устойчивости указанной техники. При этом опережающее влияние расстояния до центра масс от передней оси, по сравнению с высотой расположения центра масс, позволяет повысить эффективность торможения не только при комплектации трактора штанговым опрыскивателем, но и при комплектации разбрасывателем минеральных удобрений.

Полученные данные однозначно свидетельствуют о том, что для обеспечения эффективности торможения транспортно-технологических машин сельскохозяйственного назначения, оснащенных шинами сверхнизкого давления на дорогах общего пользования, требования по состоянию которых определяются нормативными документами, необходимо, чтобы соотношение расстояния от центра масс до передней оси было как минимум больше, чем расстояние от центра масс до опорной поверхности. Для специализированных машин «Трэкол-Агро», центр масс которых расположен на высоте 1,0–1,5 метра, данное требование означает, что во время движения по трассе баки с технологическими жидкостями должны быть заполнены, а его тормозную систему следует отрегулировать таким образом, чтобы тормозное усилие на задней оси составляло 45 % от тормозного усилия на передней оси. Вопросы управляемости трактора при данных параметрах будут рассмотрены в дальнейших исследованиях.

Обсуждение и заключение

Установлено, что основными техническими причинами возникновения ДТП транспортно-технологических машин сельскохозяйственного назначения, оснащенных шинами низкого давления на дорогах общего пользования, являются недостаточная эффективность торможения, потеря устойчивости движения и слабая управляемость исследуемой техники, обусловленная высоким расположением центра масс. Проведенный анализ нормативных требований к указанной технике, а также результатов теоретических и экспериментальных исследований позволил решить вопрос об обеспечении требований к безопасности путем определения соотношения между величинами тормозных усилий на передней и задней осях машин, оснащенных шинами со сверхнизким давлением. Установлено, что для обеспечения устойчивости исследуемой техники при экстренном торможении расстояние от центра масс до передней оси должно быть больше высоты расположения центра масс. Экспериментально подтверждено, что с учетом неравномерного износа шин, отклонения в прямолинейности установки управляемых колес, динамических колебаний трактора, обусловленных работой подвески, а также продольным градиентом величины сцепления колес с дорогой, предельно допустимая величина высоты центра масс может быть принята равной 90 % от расстояния от расположения центра масс транспортно-технологической машины сельскохозяйственного назначения до его передней (управляемой) оси.

Полученные зависимости могут быть использованы как при разработке новых конструкций транспортно-технологических машин сельскохозяйственного назначения на шинах с низким давлением (анализ существующей сельскохозяйственной техники на шинах сверхнизкого давления типа «Трэкол-Агро» показывает необходимость увеличения колесной базы с 3 до 4 метров со смещением центра тяжести к задней оси), так и при эксплуатации указанной техники, в том числе путем корректировки заполнения объемов технологическими материалами (минеральными удобрениями) для обеспечения безопасности движения указанных тракторов по автомобильным дорогам общего пользования [22–24].

 

 

¹           ТР ТС 018/2011. Технический регламент Таможенного союза «О безопасности колесных транспортных средств» (с изменениями на 21 июня 2019 года); ГОСТ Р 41.13-99 (Правила ЕЭК ООН № 13). Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения механических транспортных средств категорий M, N и O в отношении торможения.

²           ГОСТ 12.2.019-86. Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности (с Изменениями № 1-8).

³         Авария дня. Водитель вездехода «Трэкол» устроил ДТП [Электронный ресурс]. URL: https://fishki.net/auto/2449168-avarija-dnja-voditely-vezdehoda-trjekol-ustroil-v-dtp.html (дата обращения: 26.10.2020).

⁴         Комбайн – горячие посты [Электронный ресурс]. URL: https://fishki.net/tag/kombajn/hot/ (дата обращения: 26.10.2020).

⁵           Соцков Д. А. Повышение активной безопасности автотранспортных средств при торможении: дисс. ... д-ра техн. наук. Владимир, 1988. 547 с.

 

Sobre autores

Umar Vakhidov

Nizhny Novgorod State Technical University

Email: umar-vahidov@mail.ru
ORCID ID: 0000-0003-4109-8406
Scopus Author ID: 55794612500
Researcher ID: AAG-8584-2020

Head of the Chair of Construction and Road Machinery, D.Sc. (Engineering)

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Andrey Kurkin

Nizhny Novgorod State Technical University

Email: aakurkin@gmail.com
ORCID ID: 0000-0003-3828-6406
Scopus Author ID: 7003446660
Researcher ID: A-1972-2014

Vice-Rector for Science and Research, D.Sc. (Phys.-Math.), Professor

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Lev Levshunov

Nizhny Novgorod State Technical University

Email: wlev.lev@yandex.ru
Scopus Author ID: 57208467666

Associate Professor of Chair of Construction and Road Machinery, Cand.Sc. (Engineering)

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Iuri Molev

Nizhny Novgorod State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: moleff@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-0429-4590
Scopus Author ID: 57203352368
Researcher ID: AAG-8501-2020

Professor of Chair of Construction and Road Machinery, D.Sc. (Engineering),
Associate Professor

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Dmitriy Proshin

Nizhny Novgorod State Technical University

Email: proshdn@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-8620-157X
Scopus Author ID: 57214464141

Senior Lecturer of Chair of Construction and Road Machinery

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Aleksandr Sogin

Nizhny Novgorod State Technical University

Email: sapropel-nn@mail.ru
ORCID ID: 0000-0003-4384-1136
Scopus Author ID: 57203352293

Professor of Chair of Construction and Road Machinery, D.Sc. (Engineering), Associate Professor

Rússia, 24 Minin St., Nizhny Novgorod 603950

Bibliografia

Arquivos suplementares