Транспорт У Т Р А Н С П О Р Т УДК 629.114.2.001.2 ПОТРЕБИТЕЛЬСКИЕ СВОЙСТВА КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРОВ СЕМЕЙСТВА «БЕЛАРУС» Докт. техн. наук ГУСЬКОВ В. В.1), канд. экон. наук ПАВЛОВА В. В.1), канд. техн. наук РАВИНО В. В.1), РАДЧЕНКО П. В.1), канд. техн. наук ГУСЬКОВ А. В.2) 1)Белорусский национальный технический университет, 2)ОАО «МАЗ» Колесные тракторы эксплуатируются в раз- личных погодно-климатических и природных условиях. Требования, предъявляемые к ним, весьма разнообразны и противоречивы. Для удовлетворения этих требований необходимо наличие ряда эксплуатационных свойств, ха- рактеризующих в комплексе эффективность, комфортность, безопасность и экономичность трактора вместе с агрегатируемой машиной или орудием, в дальнейшем именуемым как ма- шинно-тракторный агрегат (МТА). Комплекс эксплуатационных свойств называется «Потре- бительские свойства машины» и в соответствии с СТБ 1218–2000 определяется как совокуп- ность технических, эстетических и других свойств продукции, создающей полезный эф- фект и привлекательность для потребления. Потребительские свойства продукции оцени- ваются рядом комплексных и единичных показа- телей [1]. Показатель потребительских свойств может оцениваться: в сравнении с показателями трактора, принятого в качестве аналога; расчет- ным путем; статистическими методами; по ре- зультатам сравнительных испытаний. При этом источниками информации могут быть: международные и национальные стан- дарты, а также другие нормативные документы с требованиями к тракторам и сельскохозяйст- венной технике; справки маркетинг-цент- ров заводов и других организаций о состоянии и тенденциях развития рынка; каталоги и про- спекты ведущих фирм, периодические издания; отчеты специалистов заводов или других орга- низаций, в том числе НИИ, вузов, о посещении международных выставок и ярмарок; прото- колы испытаний; патенты на изобретения, сви- детельства на промышленные образцы; анали- тические обзоры статей в технической литера- туре и научные публикации, посвященные тео- рии, проектированию и расчету тракторов; карты технического уровня и качества; резуль- таты анкетирования потребителей и специали- стов и др. Особо следует отметить источники [2, 3], в которых приводятся сведения и результа- ты расчетов по оптимизации потребитель- ских свойств и системообразующих парамет- ров колесных тракторов, основанные на иссле- дованиях проблем тракторостроения в рам- ках заданий Государственной научно-техниче- ской программы «Белавтотракторостроение» за 1995–2005 гг., в которой авторы принимали непосредственное участие. Существуют различные классификации по- требительских свойств продукции, каждая из которых может отражать различные аспекты исследуемой проблемы. Общетехнические по- требительские свойства связаны в основном с обеспечением удобства работы и обслужива- ния, санитарно-гигиенических условий и усло- вий безопасности работы водителя. Они оцени- ваются следующими показателями: предель- ным уровнем шума, вибрации, запыленности, загазованности и микроклиматом в кабине; легкостью обслуживания, готовностью к рабо- те и т. д. Безопасность работы водителя оценивается предельными углами статической и динамиче- 58 Наука и Science & Technique техника, № 6, 2012 Транспорт ской устойчивости, критическими скоростями движения, тормозными качествами и противо- пожарной безопасностью (наличием искрогаси- телей, огнетушителей и др.). По одной из наиболее распространенных классификаций [4] потребительские свойства трактора условно можно разделить на три группы: 1) характеризующие приспособленность трак- тора к выполнению технологических требова- ний, вытекающих из условий работы, или тех- нологические (агротехнические); 2) определяющие производительность и эко- номичность работы агрегата, или технико-эко- номические; 3) обеспечивающие комфорт водителя и его безопасность, или общетехнические. Технологические (агротехнические) потре- бительские свойства представляют собой ряд свойств, связанных в основном с проходимо- стью и маневренностью трактора. В качестве показателей для определения проходимости используют давление на грунт, буксование, аг- ротехнический и дорожный просвет, тип и кон- структивные особенности движителя, габарит- ную высоту и ширину машины. Технико-экономические потребительские свойства определяются в основном производи- тельностью и экономичностью трактора. Про- изводительность трактора характеризуется объ- емом выполненной работы за единицу времени при соблюдении заданных условий технологи- ческого процесса и может определяться, на- пример, размером обработанной площади, мас- сой перевозимого груза за единицу времени и др. В соответствии с этим производитель- ность оценивается такими показателями, как мощность двигателя, запас крутящего момента и коэффициента приспособляемости, диапазон тяговых усилий и скоростей движения, тип на- весного устройства и вала отбора мощно- сти и т. д. Экономичность трактора определяется се- бестоимостью выполненных работ и зависит от: расхода топлива, смазочных материалов и их стоимости, затрат на заработную плату водителей, расходов на техническое обслужи- вание и ремонт, размеров отчислений на амор- тизацию и т. д. В теории трактора [4] рассмат- риваются в основном вопросы топливной эко- номичности агрегата и ее зависимости от рас- хода топлива при различных эксплуатационных режимах, от потерь, возникающих при движе- нии машины, подбора диапазонов и количества передач, других конструктивных и эксплуата- ционных показателей. Существует и другая классификация потре- бительских свойств машины [5]. В качестве классификационного признака приняты свойст- ва машин, преимущественно характеризующие те или иные показатели этих свойств (табл. 1). Перечисленные в табл. 1 потребительские свойства машины в большей или меньшей мере взаимосвязаны, поэтому правильнее говорить о преимущественном влиянии той или иной группы свойств на определенные факторы. Наиболее тесная связь имеет место меж- ду свойствами технологичности конструкции и ресурсоемкости машины. Технологичность конструкции характеризует свойства, опреде- ляющие приспособленность конструкции к достижению оптимальных (наименьших) затрат ресурсов при производстве, эксплуатации и ре- монте машин. Иными словами, технологич- ность определяет возможность снижения затрат до оптимального уровня. Ресурсоемкость ма- шины характеризует свойство, определяющее фактическое количество ресурсов, вложенных при изготовлении, эксплуатации, ремонте и ис- пользовании машины. Такие показатели, как унификация, универсализация, приспособлен- ность к техническому обслуживанию и ремон- ту, транспортабельность, относятся только к свойствам технологичности конструкции. Существует тесная связь между свойства- ми, характеризующими технический эффект, безопасность и надежность машин. Рациональ- ность формы, отражающая свойства техниче- ской эстетики, связана с эргономической обу- словленностью машин (неслучайно ряд вид- ных специалистов в области проектирования, например Дж. К. Джонс [5], взаимоувязывают художественное и эргономическое проектиро- вание техники) (рис. 1). Свойства, характеризующие экономическую эффективность машины, по существу, являются производными от остальных потребительских свойств техники. 59 Наука Science & Technique техника, № 6, 2012 и Транспорт Таблица 1 Классификация потребительских свойств № п/п Классификационный признак Примеры показателей, определяющих потребительские свойства машин Cвойства, характеризующие: 1 техническую эффективность Производительность; пропускная способность; интенсивность рабочего процесса; точность выполнения рабочего процесса 2 безопасность машины Напряженность электрического магнитного поля; вибрации и шум на рабочем месте оператора; механические, радиационные и иные воздействия на окружающую среду 3 надежность машины Средняя наработка на отказ; вероятность безотказной работы; средний ресурс (срок службы); среднее время восстановления работоспособного состояния 4 технологичность конструкции Показатели (конструктивные параметры), определяющие приспо- собленность конструкции к использованию по назначению, тех- ническому обслуживанию и ремонту: конструктивные параметры, определяющие транспортабель- ность конструкции (использование веса, габаритов и др.); унификации конструкции 5 ресурсоемкость машины Средняя или удельная оперативная трудоемкость технического обслуживания и ремонта; удельная материалоемкость машины; удельная энергоемкость машины 6 человеко-машинную систему (эргономич- ность машины) Антропометрические (соответствие размерам и форме оператора); гигиенические (освещенность, состав воздуха); физиологические (соответствие силовым и иным физиологиче- ским возможностям человека); психологические (соответствие возможностям восприятия ин- формации) 7 техническую эстетичность машины Художественная выразительность (образная или декоративная); рациональность формы (соответствие формы назначению из- делия); целостность композиции (соподчиненность целого и частей); совершенство производственного исполнения (чистота восполне- ния контуров и сопряжений) 8 экономическую эффективность машины или производства новой техники Приведенные затраты; прибыль; срок окупаемости капитальных вложений; интегральный показатель качества техники Человек (оператор) Техническое средство Среда Свойства технических средств, характеризующие показатели экологичности Свойства технических средств, характеризующие показатели надежности и энргоемкости Свойства технических средств, характеризующие показатели трудоемкости Свойства технических средств, характеризующие показатели эргономичности и безопасности СХЕМА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ Рис. 1. Отдельные потребительские свойства в системе «человек – техническое средство – среда» и ергоемкости 60 Наука и Science & Technique техника, № 6, 2012 Транспорт Существует и еще одна классификация по- требительских свойств, разработанная в Голов- ном конструкторском бюро по пропашным тракторам ПО «Минский тракторный завод», по которой все потребительские свойства раз- делены на 17 групп, оцениваемых в долях еди- ницы [6]. Согласно этой классификации, пока- затели потребительских свойств для отдельных характеристик раздела вычисляются по формуле т со ПСО т са П= , П iK (1) где т тсо саП , П – соответственно численные зна- чения показателей потребительских свойств оцениваемой модели и аналога. Примерный перечень потребительских свойств колесных тракторов приведен в табл. 1 и дополняется из карт технического уровня, требований потребителя, технического задания, сравнительных испытаний и других источни- ков. Здесь же приводятся ориентировочные значения их весомости для отдельных показа- телей разделов αi и βi. Весомость показателя в группе оценивае- мых показателей αi назначается руководителем проекта на основе анализа потребительских свойств в соответствии с технико-экономиче- ским обоснованием (ТЭО) на проектируемый трактор. Сумма показателей αi = 1,0. Весомость показателя в группе оцениваемых показате- лей βi назначается руководителем проекта в зависимости от значимости этой характеристи- ки для потребительских свойств оцениваемого трактора, при этом сумма βi = 1,0. При невозможности численной оценки по- казателя (например, дизайн, удобство управ- ления, наличие системы диагностики и др.), а также отсутствии его численных значений ве- личина ПСО iK выбирается из табл. 2. Показатель потребительских свойств по разделу рассчитывают по формуле ПСР ПСОα , i i iK K=∑ (2) где αi – коэффициент весомости показателя в оцениваемом разделе, назначаемый началь- ником КБ, специалистом или руководителем проекта в зависимости от важности показате- ля для потребительских свойств оцениваемого трактора. Таблица 2 Значения ПСО iK при качественной оценке показателя Оценка показателя Принимаемое значение ПСО iK Значительно лучше (на 25 % и более) 2,0 Лучше (от 0 до 25 %) 1,5 Одинаковы 1,0 Хуже (от 0 до 25 %) 0,5 Значительно хуже (на 25 % и более) 0 Показатель потребительских свойств по трактору рассчитывают по формуле ПС ПСPβ , i i iK K=∑ (3) где βi – коэффициент весомости показателей раздела в оцениваемом тракторе, назначаемый руководителем проекта или экспертной комис- сией специалистов в зависимости от важно- сти показателей раздела для потребительских свойств оцениваемого трактора. Расчет среднего показателя потребитель- ских свойств для оценки показателя качества процесса (СТП СМК 110-7.3.0) [7] производит- ся по выражению ПСc ПС , K K n = ∑ (4) где ПСK – показатель потребительских свойств для каждого трактора, принятого для расчета; n – количество тракторов, принятых для расчета. Ниже приведен пример расчета показателя потребительских свойств 4ПСРK по разделу 4 «Надежность» [8] для садоводческого трактора «Беларус-921» по сравнению с трактором New Holland TN 90 F. Расчет производили по (1). Надежность (наработка на отказ). Данные получены из отчета по испытаниям Молдавской машинно-испытательной станции (МИС) (Киши- нев) № 4-2004 [8]. Наработка на отказ состави- ла: для садоводческого трактора «Беларус-921» 1050 ч, для New Holland TN 90 F – 1220 ч: 4.1 ПСО 1050 0,86. 1220 K = = Ресурс основных узлов (наработка до сложного ремонта). Данные получены из отче- 61 Наука Science & Technique техника, № 6, 2012 и Транспорт та по испытаниям Молдавской МИС (Кишинев) № 4-2004 [8]. Ресурс основных узлов для садо- водческого трактора «Беларус-921» составил 12000 ч, для New Holland TN 90 F – 10000 ч: 4.2 ПСО 12000 1,20. 10000 K = = Трудоемкость технического обслужива- ния. Данные получены из отчета по испытани- ям Молдавской МИС (Кишинев) № 4-2004 [8]. Трудоемкость технического обслуживания за 1000 ч работы для садоводческого трактора «Беларус-921» составила 17,8 чел.-ч, для New Holland TN 90 F – 17,5 чел.-ч: 4.3 ПСО 17,5 0,98. 17,8 K = = По результатам опроса персонала, произво- дившего ремонт тракторов на Молдавской МИС (Кишинев), выявлено, что приспособлен- ность к ремонту садоводческого трактора «Бе- ларус-921» лучше, чем трактора New Holland TN 90 F. В соответствии с табл. 2 принимаем значение показателя потребительских свойств 4.4 ПСО 1,50.K = Наличие средств диагностики техниче- ского состояния. По данным проспектов, на садоводческом тракторе «Беларус-921» количе- ство средств диагностики технического состоя- ния оказалось значительно меньше (на 30 %), чем на тракторе New Holland TN 90 F. Согласно табл. 2, это соответствует оценке показателя «значительно хуже». Следовательно, прини- маем значение показателя потребительских свойств 4.5ПСО 0.K = Значение показателя потребительских свойств 4ПСРK по разделу 4 «Надежность» [8] с учетом весомостей показателей (табл. 2) для садоводческого трактора «Беларус-921» по сравнению с трактором New Holland TN 90 F, рассчитанное по (2), составит 4 4.1 4.2 4.3 4.4 ПСР 4.1 ПС 4.2 ПС 4.3 ПС 4.4 ПС 4.5 4.5 ПС α α α α α 0,28 0,86 0,25 1,20 0,22 0,98 0,16 1,50 0,09 0 0,99. K K K K K K = + + + + + = ⋅ + ⋅ + ⋅ + + ⋅ + ⋅ = Долю показателя потребительских свойств КПС с учетом весомости βi (табл. 2) по разде- лу 4 [8] рассчитывали по формуле (3) 4 ПС ПСPβ 0,06 0,99 0,059. i iK K= = ⋅ = Аналогичные расчеты проводили и по дру- гим разделам. Наряду с изложенным следует отметить противоречивость потребительских свойств. Задачи повышения технического уровня машин следует решать на стадии проектирова- ния, так как только в этом случае возможны всестороннее рассмотрение различных вариан- тов конструкций и выбор решений, которые наилучшим образом удовлетворяют поставлен- ным требованиям. Как правило, выбор оптимальных техниче- ских решений связан с необходимостью про- работки различных альтернативных вариантов и с выполнением соответствующих расчетов. В этом основная особенность современных проектно-конструкторских задач, в чем и вы- ражена их сложность. Последняя обусловлена не только необходимостью перебора большого числа вариантов, но и тем, что такие задачи по своему математическому содержанию являются многокритериальными с противоречивыми це- левыми функциями. Для решения указанных задач необходимо обоснованное определение допустимого множества решений и допусти- мых пределов изменения параметров. Противоречивыми, например, являются тре- бования прочности и легкости изделия, выпол- нение которых связано не только с выбором материалов, обладающих высокой прочностью и малой плотностью, но и с применением более совершенных методов расчета нагружения де- талей машины и определением возникающих в них напряжений. Известно, что долговечность работы муфт сцепления в трансмиссиях машин зависит от количества выделяемого тепла при их включении: чем больше время включения, тем больше выделяется теплоты и тем меньше срок службы муфты. Поэтому, с точки зрения долговечности фрикционов, желательно, чтобы время их включения было минимальным. Од- нако это вызывает повышенные динамические нагрузки в приводе машины и ухудшает усло- вия работы оператора. Отсюда возникает зада- ча, связанная с выбором материала для рабо- чих элементов муфт сцепления и рациональных конструкций самих муфт и привода машины в целом. 62 Наука и Science & Technique техника, № 6, 2012 Транспорт Обычно используемые при прочностных расчетах простые арифметические формулы сводят вычисление напряжений лишь к грубым оценкам (за исключением деталей, имеющих простые геометрические формы). Это вызывает необходимость расширить математическое ис- следование конструктивной схемы и там, где это возможно, использовать не только область упругих деформаций металла, но и зону пла- стичности, лежащую выше предела текуче- сти, но ниже предела прочности. Получить более точную и полную картину напряжений в конструкции, имеющей сложную пространст- венную геометрию и переменные сечения эле- ментов, позволяет метод конечных элементов. Применение его открывает возможности расче- та нелинейного деформирования конст- рукций, подвергающихся действию ударных нагрузок. При проектировании систем пассивной безопасности колесных и гусеничных машин, предназначенных для защиты операторов при опрокидывании машины или от падающих на кабину предметов, конструктор также стал- кивается с противоречивыми требованиями. С одной стороны, защитные конструкции долж- ны обладать достаточной жесткостью, чтобы при ударе кабины машины об основание де- формированные элементы кабины не травми- ровали оператора, а с другой – конструкция защитного устройства не должна быть слишком жесткой, чтобы часть энергии удара могла быть поглощена за счет деформации элементов за- щитного устройства. В настоящее время разра- ботаны весьма эффективные методы расчета систем пассивной безопасности, например ав- томобилей и тракторов, а также методы их экс- периментального исследования, позволяющие выбрать рациональные конструкторские реше- ния защитных конструкций. С альтернативными категориями встреча- ются также при оценке влияния отдельных па- раметров на управляемость и путевую устойчи- вость колесных и гусеничных машин. Если при прямолинейном движении, с точки зрения управляемости и путевой устойчивости, пре- имущество имеют длиннобазные машины, обе- спечивающие в этом случае наименьшие затра- ты на управление машиной и наилучшую ус- тойчивость, то при движении на поворотах предпочтение следует отдать короткобазным машинам. Сложные научные и инженерные проблемы возникают при выборе рациональных схем подвесок мостов колесных тракторов и некото- рых других типов машин. Включение в ходо- вую часть машин рессорных подвесок позволя- ет повысить плавность хода машины и снизить динамические нагрузки, воспринимаемые не- сущей рамой машины и оператором, но при этом резко ухудшается устойчивость машины против опрокидывания, особенно при выпол- нении рабочих операций, например при меха- низации горного земледелия или выполнении грузоподъемных или монтажных работ само- ходными кранами. Наконец, потребителю продукции нередко приходится выбирать между ее ценой и качест- вом. В практике международной торговли по- требитель (покупатель) часто останавливает свой выбор на продукции, которая оказывается приемлемой по качеству или по каким-то опре- деляющим свойствам и по сравнению с другой предлагаемой продукцией того же назначения продается по меньшей цене. С точки зрения числа характеризуемых свойств, различают следующие виды показа- телей: • единичные, характеризующие какое-либо одно свойство машины (интенсивность разгона трактора, номинальное крюковое усилие, агре- гатируемость, максимальную скорость движе- ния, мощность двигателя); • комплексные, характеризующие опреде- ленную совокупность взаимоувязанных свойств (производительность, надежность, ресурсо- емкость); • интегральные, характеризующие совокуп- ность свойств, которые определяют качество машины в целом с позиций ее народно-хозяйст- венной эффективности (показатели, опреде- ляющие экономическую эффективность ма- шины). Отмеченные выше потребительские свойст- ва являются общими для всех типов тягово- транспортных систем. Поскольку эти свойства проявляются в основном в условиях эксплуата- ции, их называют также эксплуатационны- ми. Для каждого типа машин, скажем для авто- мобилей, тракторов, принята определенная но- 63 Наука Science & Technique техника, № 6, 2012 и Транспорт менклатура эксплуатационных свойств и харак- теризирующих их показателей, взаимосвязан- ных с соответствующими общими потреби- тельскими свойствами машинной техники. В Ы В О Д Ы 1. Потребительские свойства и их показате- ли на стадии проектирования определяются выбранными системообразующими параметра- ми трактора, такими, например, как мощность двигателя, номинальное тяговое усилие (класс трактора), сцепная и конструктивная масса, диапазон скоростей, грузоподъемность навес- ных систем, тип движителя и т. д. 2. При определении указанных параметров проектируемого трактора используются раз- личные методы. На Минском тракторном заво- де совместно с учеными Белорусского нацио- нального технического университета (при не- посредственном участии авторов) разработан оригинальный системный метод определения параметров проектируемого трактора, кото- рый был использован при создании семейства тракторов «Беларус» в рамках заданий Госу- дарственной научно-технической программы «Белавтотракторостроение» за 1995–2005 гг. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Гуськов, А. В. Оптимизация тягово-сцепных ка- честв тракторных шин / А. В. Гуськов // Тракторы и сель- хозмашины. – 2007. – № 7. – С. 14–17. 2. Беккер, М. Г. Введение в теорию систем мест- ность–машина / М. Г. Беккер; пер. с англ. В. В. Гусько- ва. – М.: Машиностроение, 1973. – 376 с. 3. Гуськов, В. В. Оптимизация параметров сельскохо- зяйственных тракторов / В. В. Гуськов. – М.: Машино- строение, 1996. – 196 с. 4. Гуськов, В. В. Тракторы: теория / В. В. Гуськов, Н. Н. Велев; под ред. В. В. Гуськова. – М.: Машинострое- ние, 1988. – 376 с. 5. Ксеневич, И. П. Технико-экономические основы проектирования машин и процессов / И. П. Ксеневич, В. А. Гоберман, Л. А. Гоберман; под ред. И. П. Ксеневи- ча. – М.: Машиностроение, 2003. – Т. 3. – 775 с. 6. Пуховой, А. А. Основные положения и практиче- ская реализация создания типоразмерного ряда тракторов «Беларус» / А. А. Пуховой. – Минск: ПО «МТЗ», 2006. – 340 с. 7. Гуськов, А. В. Потенциальная и тяговая характе- ристики колесных тракторов с отбором мощности че- рез ВОМ / А. В. Гуськов // Приводная техника. – 2000. – № 1. – С. 12–16. 8. Отчет по испытаниям садоводческого трактора «Беларус-921» / Молдавская государственная машинно- испытательная станция № 4. – Кишинев, 2004. – 36 с. Поступила 22.02.2008 УДК 621.831:539.4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ПЕРЕДАЧ МНОГОПАРНОГО ЗАЦЕПЛЕНИЯ ТРАНСМИССИЙ ТРАКТОРОВ «БЕЛАРУС» Инж. СУПИН В. В. Белорусский национальный технический университет Проектирование трансмиссий не может осу- ществляться на высоком техническом уровне без совершенствования существующих и соз- дания новых методов исследования напряжен- ного состояния зубчатых колес. Совершенст- вование методов расчета является важным ус- ловием повышения нагрузочной способности зубчатых передач, снижения их материало- емкости и стоимости. Исследования автора на- правлены на разработку метода гранич- ных элементов к определению напряжений при изгибе зубьев цилиндрических прямозу- бых колес и выбор рациональных конструк- тивных параметров профилей зубьев путем 64 Наука и Science & Technique техника, № 6, 2012