РАЗДЕЛ 2
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОЦЕНКИ РЕСУРСА ШИН
Выполненные разработки, посвященные исследованию связи пневматических шин с дорогой и оценке их технического состояния, показали, что кроме эксплуатационных факторов, таких как внешние нагрузки, действующие на колесо во время движения, давление воздуха и теплообразование в шине, скорость движения транспортного средства, существенное влияние на пробег оказывают конструкция шины и физико-механические свойства корда. Однако предложенные подходы для оценки ресурса пневматических шин разработаны в основном с учетом условий эксплуатации транспорта. В связи с этим и с целью дальнейшего развития теории и практики использования шин была поставлена задача исследования закономерности изменения их долговечности с учетом качественных характеристик витого армирующего элемента и ряда эксплуатационных факторов, решению которой и посвящен данный раздел.
Известно, что не только эксплуатационные факторы определяют усталостные разрушения шины. Большое влияние на ресурс шины оказывают конструктивные ее параметры, а также физико-механические свойства материалов, зависящие во многом от технологии их изготовления. Учитывая, что троллейбусные и автобусные шины испытывают значительные нагрузки, нестабильный режим вождения и эксплуатируются при небольших скоростях, особое внимание следует уделять конструктивным и технологическим факторам шины, на которые значительное влияние оказывает тип, вид и конструкция армирующего элемента, а также качественные показатели. Из этого следует, что на этапе проектирования и изготовления шин конструкция должна подвергаться расчетной и экспериментальной проверкам на долговечность.
2.1. Математическая модель определения ресурса пневматических шин
Выполненный анализ влияния комплекса факторов на надежность пневматических шин, позволил выбрать наиболее весомые, которые легли в основу новой аналитической зависимости для оценки их ресурса. В частности, к ним были отнесены: внешние нагрузки (вертикальная или весовая нагрузка) - FВ, Н; тангенциальная нагрузка (тормозная) - FГ, Н; боковая нагрузка - FБ, Н; скорость движения колеса - VР, км/ч; давление в шине - Р, МПа; температура шины- t, ?С; качественная характеристика армирующего элемента - остаточная крутимость металлокорда , обор.
В общем виде влияние перечисленных выше факторов на ресурс шины (Тр) можно представить следующим образом [88, 89]:
. (2.1)
Применяя методы теории размерностей [90, 91], выражение (2.1) представим в виде степенного ряда:
. (2.2)
Согласно (2.2) по базовым размерностям длины L, массы M и времени T получаем уравнение размерности:
. (2.3)
Неизвестные показатели степеней определяем из условий, учитывающих наличие показателей при базовых размерностях:
. (2.4)
Решая систему алгебраических уравнений (2.4) с семью неизвестными, получаем:
. (2.5)
Критерий Тр позволяет оценить ресурс шин по совокупности параметров, определяемый сроком их службы и отображаемый в км. Учитывая, что горизонтальная нагрузка находится в плоскости колеса также как и вертикальная, принимаем с=1.Тогда f=1/2, g= -1/2,d=3, b=-5/2, e= -2.
В результате преобразований, выражение (2.1) принимает следующий вид:
. (2.6)
После преобразования размерностей многофакторного выражения (2.6), получаем следующую формулу для вычисления пробега шин с коэффициентом коррекции размерностей [92]:
. (2.7)
Необходимо отметить ряд достоинств, присущих предложенной оценке. Так используя эту зависимость, представляется возможным рассчитать ресурс шин для разных моделей троллейбусов, а при необходимости для любого требуемого транспортного средства; оценить ресурс, как в целом, так и для разных мостов, т.е. определить наработку шины с начала ее эксплуатации без учета перестановки на другой мост; рассмотреть влияние каждого из факторов в отдельности на долговечность шин.
Таким образом, полученная математическая модель с учетом таких факторов, как внешние нагрузки, действующие на колесо во время движения, скорость движения транспортного средства, внутреннее давление, теплообразование в шине и технологического фактора - качественная характеристика металлокорда (показатель остаточной крутимости), способствует определению среднего ресурса шины.
Для ее реализации необходимо проанализировать нагрузки, действующие на колеса во время движения, температурный режим, присущий для эксплуатации троллейбусных шин, а также обосновать границы условий эксплуатации шин транспортных средств на примере троллейбусов. Кроме того, возникла необходимость проведения дополнительных исследований влияния свойств металлокорда на ресурс шин при разных режимах эксплуатации.
2.2. Определение внешних нагрузок, действующих на колеса пассажирского транспорта повышенной грузоподъемности
Действующие на колесо силы и моменты вызывают со стороны дороги реактивные силы, которые в общем случае расположены в трех взаимно перпендикулярных направлениях и приложены в месте его контакта с основанием дороги. Эти реактивные силы, как было сказано выше, являются вертикальной, тангенциальной и боковой.
Под действием приложенной к колесу нормальной нагрузки шина деформируется, площадь ее контакта с опорной поверхностью увеличивается до тех пор, пока не наступит равновесие между нормальной реакцией дороги и нагрузкой. Это происходит почти при неизменной величине внутреннего давления воздуха в ней. Объем воздуха, вытесненный в результате деформации шины, по сравнению с адекватным показателем в камере очень мал, поэтому увеличение давления в шине вследствие нагрузки также мало и составляет 5 % от нормального. Несмотря на незначительное повышение внутреннего давления воздуха в шине, работа сжатия воздуха при ее деформации довольно значительна: она составляет при номинальных на