А.И. Бобровник , доктор технических наук, Белорусский национальный технический университет

 

Резюме. В статье рассмотрены условия работы созда­ваемого на ОАО «МАЗ» автомобиля для использования в лесном хозяйстве. Приводится техническая характеристика проектируемого автомобиля, современное состояние и направления развития ходовых систем мобильных машин высокой проходимости при их эксплуатации на различных типах лесных угодий, в условиях бездорожья, весеннюю и осеннюю распутицу. Показаны преимущества и недо­статки механических, гидравлических, электромеханиче­ских приводов. Дан анализ основных типов современных движителей: пневматических гусениц, цепей противо­скольжения, быстро устанавливаемых сегментных цепей, ленточных и дискретных уширителей. Предложенгидрав­лическийприводпереднихуправляемыхколес.

Summary. In article operating conditions of the car created on JSC MAZ for use in forestry are considered. The technical characteristics of the designed car, current state and the directions of development of running systems of mobile cars of high passability is given at their operation on various types of forest grounds, in cross-country conditions, a spring and autumn impassability of roads. Advantages and shortcomings of mechanical, hydraulic, electromechanical drives are shown. The analysis of the main types of modern propellers is given: pneumatic caterpillars, chains of the antisliding, quickly established segment chains, tape and discrete expanders. The

hydraulic drive of forward operated wheels is offered.

Введение. Государственной научно-технической про­граммой «Машиностроение» на 2011-2015 годы предусмо­трено ОАО «МАЗ» и другим организациям разработать и освоить производство автомобилей с колесной формулой 6*4 с технически допустимой общей массой 25 т для ис­пользования в лесном и сельском хозяйстве».

Техническая характеристика разрабатываемого автомо­биля: колесная формула 6×4, общая масса — 24 т, мощ­ность двигателя 185 кВт, ресурс — 809 тыс. км. Аналог СНГ — КАМАЗ — 6515-049-97, аналог ЕС — MersedesBenz- ACTROS3336 K.

Разрабатываемый автомобиль предназначен для выпол­нения транспортных операций в технологическом цикле лесохозяйственного производства и должен удовлетво­рять следующим специфическим требованиям: иметь по­вышенную проходимость; иметь устройства отбора мощ­ности для привода специального оборудования; оказы­вать минимальное воздействие на грунт; предусматривать эксплуатацию на дорогах общего пользования.

Рис. 1. Упруго-эластичный привод трактора «МТЗ-80»1 — колесо; 2 — планетарный механизм; 3, 5, 14 — шестерни; 4 — сателлиты; 6 -водило; 7 — полуось; 8 — вал; 9 — кор­пус; 10 — торсионный вал; 11 — рукав; 12 — перемычки; 13 — оси.

Повышение производительности и проходимости соз­даваемых автомобилей обеспечивается за счет примене­ния колесной формулы 6×4, снижения нагрузки на теле­жку ведущих мостов до 18 — 19 тонн и двускатной оши­новки ведущих мостов. Высокопроизводительная работа автомобиля-самосвала достигается благодаря уменьше­нию снаряженной массы автомобиля, применению над­ставных бортов, сокращению времени погрузочно-раз­грузочных работ за счет использования трехсторонней разгрузки платформы.

Автомобили будут соответствовать экологическому классу Евро-4 и предусматривать модернизацию при необходимости до уровня Евро-5 с минимальными кон­структивными доработками.

Создаваемые универсальные шасси и автомобили само­свалы на их базе будут обладать повышенными потреби­тельскими свойствами по проходимости, улучшенными характеристиками, при круглогодичной эксплуатации. Особенностью транспортных средств является обеспече­ние выполнения транспортных работ в условиях бездо­рожья, особенно в осеннюю и весеннюю распутицу или зимой, когда средняя техническая скорость снижается.

Основная часть. В лесном комплексе большинство технологических операций при заготовке и вывозки дре­весины при рубках ухода и главных рубках на всевоз­можных неудобьях, выполняется машинами и орудиями на тракторной тяге и автомобилями.-тягачами-лесовзами МАЗ-543403 (колесная формула 4х4), ТМ-39 (Урал-4320) (6х6), Урал 43204-41 (6х6) с нагрузкой на коник 3600­6000 кг.. Большую нагрузку на коник -11000-15200 кг имеют тягачи-лесовозы МАЗ-641705200 и МАЗ-641808 . Применение неприспособленных тракторов из других отраслей для выполнения многих специфических техно­логических операций (например, расчистки вырубок от порубочных остатков, валежника и пней на не раскорче­ванных вырубках; осветления культур, прореживания, санитарных, проходных и постепенных рубок) не способ­ствует содействию естественного возобновления леса.

Эти работы характеризуются наличием большого коли­чества препятствий, ряд из которых представляют собой
растущие деревья, молодой подрост ценных пород, по­чвенный покров. Эти и другие факторы обусловливают специфические требования: повреждения оставляемых на корню деревьев, не должно превышать 3 %, обдир коры на участке ствола длиной не более 10 — 15 см и шириной до 5 см, поломка боковых ветвей не более 5 %, сохранность подроста не менее 70 — 80 %, Допустимое давление на по­чву — до 60 кПа [1].

Концепция машин для работы под пологом леса и на сплошных рубках рассматривается как концепция агре­гата, учитывающей возможность свободного движения и осуществления технологических операций с применением блочно-модульной конструкции, состоящей из моторно­трансмиссионного модуля и транспортно-технологического модуля. Оба модуля соединяются между собой шарнирно через вертикальную ось вращения и управляются двумя гидроцилиндрами..

Угол управления в пределах 40 — 60° до­статочен для движения в транспортном потоке. Подобные конструкции широко применяются в харвестерах (валоч- но-сучкорезно-раскряжевочных машинах) и форвардерах (сортиментовозах), выпускаемых фирмами Norcar, Lokoto, Kanto-Repola(Финляндия); Timberjack(Канада) и др. Гарантией высоких результатов являются исполнение движителей в виде балансирных тандемных тележек, при­менение колес одинакового размера с эластичными сверх­низкого давления шинами шириной 550, 600, 650 или 700 мм, с размещением их по схемам 6×6 или 8×8, а также 4×4, т. е. все колеса ведущие; установка на тандемные тележки быстросъемных гусеничных лент и цепей на одиночные колеса при работе на слабонесущих грунтах и по снегу [1].

Опорно-сцепная проходимость мобильных машин за­висит от свойств движения и тягово-сцепных качеств ма­шины в целом [2]. Автомобили повышенной проходимости представляют собой, как правило, модификацию основных моделей ограниченной проходимости, отличаясь от них некоторыми конструктивными особенностями: приводом на все колеса, пониженным или регулируемым давлением воздуха в шинах, блокируемым дифференциалом.

Известно, что касательные силы на ведомом и ведущем колесах действуют в противоположных направлениях. Наличие горизонтальных напряжений почвы как под ведомым, так и под ведущим колесом приводит к дефор­мации уплотнения и сдвига в направлении движения колеса. Вследствие этого у его передней части образуется почвенный клин. С увеличением деформации почвы в горизонтальном направлении и глубины колеи возраста­ют количество почвы и высота клина перед колесом. Это явление называют бульдозерным эффектом.

Если жесткость шины значительно больше жесткости почвы, то шина погружается в нее без деформации (как твердое тело) или испытывает небольшую деформацию. Образуется глубокая колея[3]. Если жесткость шины зна­чительно ниже плотности грунта, то шина излишне дефор­мируется, вследствие чего увеличивается плотность пятна контакта и нарушается баланс между силами сцепления и сопротивления качению. Наиболее доступным средством

Рис. 2. Полугусеничный транспортер

повышения проходимости мобильных машин является снижения давления в шинах задних колес до 80 — 100 кПа (0,08 -0,1 МПа), передних до 140 (0,14 МПа).

Коэффициенты сопротивления качению и сцепления зависят от агрофона, конструкции шины, давления воздуха в ней, скорости движения, вертикальной нагрузки и других факторов [4, 5, 6]. Значение этих параметров, по данным различных авторов, изменяются в большом диапазоне [7].

В приводах колес обычно используют три вида энергии информационного сигнала: электрическую, гидравлическую пневматическую, механическую и их комбинации. Скорость передачи информационного импульса составляет 0 30Мм/с у электрического сигнала, 1000 м/су гидравлического и 300 м/с у пневматического [8]. Силовая напряженность, то есть предельно возможные усилия, развиваемые на единицу активной поверхности составляет у электродвигателей (10 — 20) кг/см², у гидравлических двигателей (100 — 300) кг/см², у пневмодвигателей (50 — 300) кг/см² и более. Быстродействие различных приводов можно оценивать по величине предельных угловых ускорений при разгоне для вращающихся приводов 1000 1/с²у электроприводов, 10000 1/с² у гидроприводов, и по времена торможения (0,1 — 0,3) с ² с у электроприводов, (0,001 — 0,0001) с²у гидроприводов и (0,1 — 0,01) с²у пневмоприводов. Удельные массовые по­казатели составляют ( 0,3 — 0,4) кг/кВт у гидроприводов и (2 — 30) кг/кВт у электроприводов. Достоинства и не­достатки различных приводов таковы, что не позволяют сделать вывод о преимуществах какого-либо привода. Гидравлический привод обеспечивает минимальные мас­согабаритные параметры.

Для снижения динамических нагрузок в приводе ме­ханических передач (в 1,5 раза и более) совместно с ПО «МТЗ» предложены схемы приводов, содержащие упругий вал (торсион) и планетарную передачу (рисунок №1), позволяющую разделить крутящий момент на полуось и размещенный внутри торсион [9]. При использованииупру- го-эластичного привода минимальная угловая скорость двигателя увеличивается на 2…8 %, путь и время разгона агрегата сокращается на 10.20 %, а максимальные на­грузки на полуоси транспортного средства снижаются в 1,2.2 раза. [9].

Для привода технологического оборудования на автомо­биле будет установлена гидравлическая система, включа­ющая насос, фильтры, бак, распределители и другие узлы), которые будут использованы также для привода переднего ведущего моста.

В результате анализа встречающихся в эксплуатации приводов ходовых систем автомобилей наиболее перспек­тивной является система HydroDrive. Инженеры компании внедрили в производство систему MANHydroDrive[10]. Главными элементами системы являются гидравлические (гидрообъемные) моторы, располагаемые внутри ступиц передних колес. Именно они обеспечивают дополнитель­ную тягу на передней оси. Новая система идеально под­ходит для грузовиков, большую часть времени передвига­ющихся по хорошим дорогам. А устанавливать ее начали на грузовиков серии TGA- седельные тягачи, самосвалы и грузовики различного назначения с полной массой более

18,0     т. Система MANHydroDriveсостоит из гидравличе­ского насоса высокого давления, одного резервуара для масла, охладителя масла и клапанного блока. Решающий плюс этой инновационной системы: повышение тяги при необходимости без увеличения веса и расхода топлива, использование ее в обычных полноприводных системах.

Одним из движителей, значительно повышающим про­ходимость транспортных средств являются пневматические гусеницы, однако при этом сохраняются многие недостатки традиционных гусеничных машин.

Hover-Track-540 — вездеходный полугусеничный само­свальный транспортёр с системой «мультилифт» , предна­значенный для перевозки грузов (в первую очередь сыпу­чих) на грунтах с низкой несущей способностью (рисунок № 2). Разработан и производится с 2008 года компанией Veldhuizen [11].

Дорожные условия	Без цепей противоскольжения			С цепями противоскольжения
	f	-еX	Условие прохо­димости	f	-еX	Условие прохо­димости
Размокшая грунтовая дорога	0,1-0,25	0,25-0,4	Не выполняется	0,1-0,2	0,325­0,5	0,125-0,4
Песок	0,1-0,3	0,2-0,5	Не выполняется	0,125-0,25	0,3-0,6	0,05-0,475
Заболоченная мест­ность	0,2-0,35	0,1-0,3	Не выполняется	0,2-0,325	0,2-0,35	Не выполняется
Снежная целина	0,2-0,3	0,15-0,25	Не выполняется	0,175-0,275	0,2-0,3	Не выполняется

(Таб.3)Значения коэффициентов сопротивления качению/сцепления и условие проходимости

 

Нидерландская фирма VeldhuizenWagenbouw, специ­ализируется на глубокой переделке стандартных грузовых автомобильных шасси в специализированные автомобили (в том числе высокой проходимости, выпускаемые под мар­кой Hover-Track).. Hover-Track-540 — полугусеничный ав­томобиль-транспортёр высокой проходимости, созданный на базе узлов и агрегатов итальянского полноприводного автомобиля IvecoTrakker, имеющего колёсную формулу 6×6. Низкое удельное давление на грунт полугусеничного движителя и применение в нём «тракторных» резиновых гусениц и колёс с шинами низкого давления способствует минимизации повреждения почвы, делая машину более привлекательной с экологической точки зрения, прежде всего — для сельского и лесного хозяйства.

Из средств, повышающих проходимость автомобиля в сложных дорожных условиях[12], широкое распростра­нение получили металлические цепи противоскольжения. По конструкции цепи противоскольжения бывают: мелкоз- венчатые, траковые, гусеничные. При применении цепей противоскольжения на крайних колесах ведущей оси дви­гаясь по заснеженным или обледенелым дорогам тяговые

Рис. 3. Аварийные сегментные цепи Pewagcervino

 

 

свойства увеличиваются на 25 %. А при использовании цепей противоскольжения «спарка» тяговое усилие возрас­тает до 60 %. Ощутимый эффект повышения проходимости наблюдается лишь при глубине снега до 0,5R. (радиуса колеса), при этом происходит повышение тягово-сцепных свойств машины (сила тяги увеличивается в среднем на 30 %) и не существенный рост сопротивления движения (сила сопротивления возрастает на 10 — 15 %).

Исходя из значений коэффициентов сопротивления качению и сцепления составлена таблицу ориентировоч­ных данных коэффициентов сопротивления качению fи коэффициентов сцепления Фх Фх с применением на автомобилях цепей противоскольжения, по которой про­веряется условие проходимости.

Для дорожных условий, на которых не выполняется усло­вие проходимости с цепями противоскольжения, требуются другие технические решения, увеличивающие значение

коэффициента -V -V.

Производителями цепей противоскольжения для автомо­билей является ООО «Эрмика». Фирма «АвтоПромСкан» поставляет цепи противоскольжения из цепи 6 мм на колеса Bridgestone, Yokohama, Toyo, КамАЗ-4308, МАЗ-437040, с 17,5-дюймовыми колёсными диска­ми отечественного и импортного производства. ^пи пpoтивocкoльжeния PEWAG-Австрия (МАЗ, КАМАЗ) лeгкo мoнтиpуeтcя блaгoдapя cвoeму нeбoльшoму вecу. Цепи Pewagпpoизвoдятcя cтoлщинoй мaтepиaлa звeньeв квaдpaтнoгo ceчeния 4,5 мм 5,6 мм и 7 мм в зaвиcимocти oт paзмepa цeпи. Pewagиcпoльзуeт cвapныe кoльцa cдиaмeтpoм пpуткa 7 мм и бoкoвыe ^юки бoльшeгo диaмeтpa, cвязывaющиe paбoчую ceтку цeпи cбoкoвыми цeпями. ЗАО “Jupojostechnika”, LT-76180 Шяуляй, Литва, серия SuperA23104 для шин 295/80 R22.5 («МАЗ»). Стандартные цепи противоскольжения устанавливаются на колеса в начале запланированного подъема или участ­ка со слабой несущей способностью. они монтируются методом наезда на цепь. Аварийные сегментные цепи Pewagcervino(рисунок 3) быстро устанавливаются на неподвижные колеса и так же быстро могут быть демонтированы после преодоления сложного скользкого участка дороги или подъема. Основная задача аварий­ных сегментных цепей — это экстренная помощь в не­предвиденной ситуации на дороге. Модель цепи тип А универсальная и рассчитана на размеры шин: 10.00 R20,

11.0         R20, 12.00 R20, 11 R22.5, 12 R22.5, 13 R22.5, 295/80 R22.5 («МАЗ»), 305/70 R22.5, 315/60 R22.5, 315/70 R22.5, 315/80 R22.5.

Одним из способов повышения проходимости колесных машин является применение дискретных уширителей. Увеличение количества уширителей до 14 обеспечивает снижение силы сопротивления движению на 30 %, при­рост силы тяги — на 18 %. При этом преодолеваемая высота снежного покрова увеличивается примерно на 25 % [13]. Применение ленточного уширителя, представляющего собой две резинотканевые ленты, соединенные металли­ческими грунтозацепами и одевающимися аналогично цепям противоскольжения, увеличивает тяговое усилие колесной машины на снежной целине на 20 — 25 % и снижает сопротивление движению на 30 %. Однако при­менение уширителей увеличивает габаритную ширину машины, а при поворотах эти уширители имеют большую склонность к спаданию [12]. Для повышения курсовой устойчивости на обледенелых дорогах и повышения про­ходимости на снежной целине наибольший интерес из этих конструкций представляют сегментные цепи[14]. и уширители, установленные на цепи противоскольжения Шина с цепями противоскольжения и уширителями на твердых грунтах опирается на поверхность шины и цепи противоскольжения. Уширители же нагружаются только при движении по деформируемому грунту и при наезде на различные препятствия.

Заключение. Анализ направлений развития авто­транспорта для лесного хозяйства показывает, что для обеспечения проходимости машин допустимое удель­ное давление на почву не должно превышать 60 кПа. Достоинства и недостатки различных приводов ходовых систем не позволяют сделать вывод о преимуществах какого-либо привода. В последние годы получили развитие как гидравлические, так и электрические трансмиссии, базирующиеся на использовании однотипных, унифици­рованных агрегатов. Предложен гидравлический привод передних управляемых колес с установкой гидравлических моторов, запитанных от системы автомобиля МАЗ, включающей насос, фильтры, бак, распределители и другие узлы, которые могут быть использованы также для технологического оборудования автомобиля. Для повышения проходимости на обледенелых дорогах и на снежной целине предложено устанавливать уширители и серийно-выпускаемые аварийные сегментные цепи и цепи противоскольжения.