Анализ актуальных методов повышения надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту

This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International License

Фамилия И.О. и др. Вестник ВГУИТ, 2023, Т. 85, №. 3, С. 36-41 Введение

Проблема низкой надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту имеет высокую актуальность и является серьезным вызовом для сельскохозяйственных предприятий и фермеров. В условиях, когда необходимо перемещать грузы и оборудование по полям с мягким грунтом, рулевое управление транспортными средствами испытывает повышенную нагрузку, что приводит к снижению его надежности и увеличению вероятности аварийных ситуаций. Одной из главных причин повреждений рулевого оборудования при передвижении на деформируемом грунте является наличие на пути препятствий, таких как камни, ветки, корни деревьев и другие объекты, которые могут повредить детали рулевого оборудования. Кроме того, при движении по деформируемому грунту колеса транспортного средства затягиваются в него, что приводит к более интенсивному трению и вибрации рулевого оборудования. Это может привести к раннему износу и поломкам деталей, что ухудшает работу транспортного средства и может повлечь за собой дополнительные затраты на ремонт. Для решения этой проблемы необходимо принимать меры по повышению надежности рулевого управления при передвижении по деформируемому грунту.

Цель статьи – провести анализ существующих методов, направленных на повышение надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту.

Объекты и методы

Объект – надежность рулевого управления грузового сельскохозяйственного автотранспорта.

В статье используются следующие методы: анализ существующих научных и технических публикаций, исследований и патентов, связанных с проблемой надежности рулевого управления на деформируемом грунте, испытания, включающие тестирование различных рулевых систем и устройств на разных типах деформируемого грунта, обработка полученных данных, позволяющая выявить статистически значимые различия между разными методами управления и оценить их эффективность.

В статье рассмотрены следующие методы: улучшение качества материалов и деталей, разработка оптимальной геометрии шарового пальца, использование систем автоматической регулировки, применение новых технологий концепции «Precision Agriculture» и эксплуатационная самодиагностика с регулярным техническим обслуживанием.

Изучение методов повышения надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту показало, что одним из перспективных направлений является применение систем эксплуатационной самодиагностики. Эти системы могут значительно снизить количество отказов и повысить общий уровень надежности техники. Результаты научно-исследовательских работ, проведенных в этой области, показывают, что системы бортовой диагностики могут быть разработаны для мониторинга функционирования рулевого управления грузовых автомобилей, а также для обеспечения оперативной диагностики и устранения неисправностей. Принципы и алгоритмы функционирования систем самодиагностики должны обеспечивать надежность работы системы и исключать возможность потери информации внутри системы.

Ревякин М.М. [1] разработал систему эксплуатационной самодиагностики для повышения надежности грузовых автомобилей. Система включает в себя мониторинг функционирования автомобиля, структуру бортовой системы самодиагностики, а также принципы и алгоритмы функционирования. Исследование показало, что система влияет на уменьшение количества отказов и повышение надежности грузовых автомобилей.

Рулевое управление в сельскохозяйственном транспорте при передвижении по деформируемому грунту имеет высокую важность для обеспечения безопасности и комфорта водителя. Рулевой привод грузовых автомобилей отличается от легковых автомобилей наличием продольной рулевой тяги. Усилие передается через несколько элементов, включая рычаги поперечной рулевой тяги и продольной рулевой тяги. Шарниры соединений тяг шарнирные и защищены от попадания грязи. В поперечных тягах используются эксцентриковые вкладыши, устраняющие зазоры при износе сочленений. Регулировка длины тяг осуществляется за счет правой и левой резьбы на концах поперечной тяги и наконечниках.

Однако, изнашивание верхнего и нижнего шарниров рулевого вала, а также коррозия на иголках крестовины могут существенно снизить надежность рулевого привода. Средний ресурс нижних шарниров составляет 130 000 км, а ресурс вала-сектора – 350 000 км. Игольчатые подшипники крестовины могут изнашиваться со временем, если в механизм попадает влага и смазка вымывается. Спивак Д.А. [2] провел общий анализ долговечности рулевого управления в грузовых автомобилях малого класса и пришел к выводу, что верхний шарнир имеет высокий ресурс, что говорит о его высоком качестве и надежности. Однако, нижние шарниры имеют ограниченный ресурс, который составляет примерно 130000 км, что требует регулярной проверки и замены при необходимости. Кроме того, игольчатые подшипники крестовины также могут стать причиной поломки рулевого вала, если внутрь механизма попадет влага, что приведет к вымыванию смазки и коррозии иголок.

Для обеспечения безопасности и долговечности рулевого вала необходимо проводить регулярное техническое обслуживание и замену изношенных деталей. В связи с этим, необходимо постоянно следить за состоянием рулевого вала и его компонентов.

Корпус механизма, винт с шариковой гайкой и сошка являются основными компонентами рулевой системы, которые обеспечивают стабильность и безопасность управления автомобилем. По результатам исследований, эти детали практически не изнашиваются и имеют ресурс, соответствующий ресурсу автомобиля в целом. Однако, другие компоненты, такие как вал-сектор, подвержены износу в процессе эксплуатации. Средний ресурс вала-сектора исследуемых автомобилей составил 350000 км. Это достаточно большой ресурс, однако в процессе эксплуатации могут возникать различные проблемы, такие как износ, смятие и выкрашивание шлицевых поверхностей вала-сектора, а также выработка в местах работы уплотнительных колец.

В результате может произойти ухудшение качества управления автомобилем и повышение риска аварийных ситуаций. Поэтому, регулярное техническое обслуживание и замена изношенных деталей являются важными мерами для поддержания эффективности и безопасности работы рулевой системы.

Научно-исследовательская работа Терещенко Е.С., Мурга И.А., Фадеева Д.Ю., Шабалина Д.В. [3] сравнивала различные способы регулирования реактивного действия рулевого управления автомобилей многоцелевого назначения. Изменение реактивного действия может привести к увеличению усилия на рулевом колесе, что усложняет управление транспортным средством.

Для решения этой проблемы были разработаны системы автоматической регулировки, которые позволяют компенсировать неровности дороги и изменения веса груза, облегчая работу механизма рулевого управления. Однако, опыт показал, что изменение реактивного действия путем регулирования расхода насоса может привести к нелинейной зависимости усилия на рулевом колесе от расхода насоса, что усложняет выработку алгоритма управления усилием на рулевом колесе в зависимости от момента сопротивления повороту колес. Поэтому

Исследование Горелова В.А. [4] выявило, что для решения этой задачи необходимо учитывать множество факторов, включая конструктивные особенности транспортных средств и свойства грунта.

В этом контексте численное моделирование прямолинейного движения колесной техники по бездорожью является важным инструментом, позволяющим разработчикам на стадии проектирования колесной техники оценить ее проходимость и определить оптимальные параметры трансмиссии и управления для различных условий эксплуатации. В результате исследования был разработан метод прогнозирования опорной проходимости колесных транспортных средств по деформируемому грунту, который может быть использован в различных задачах проектирования колесной техники и позволяет учитывать многие важные факторы, влияющие на ее проходимость. Результаты исследования подчеркивают эффективность метода и его важность для промышленности.

Одной из ключевых проблем является износ шаровых соединений, которые испытывают значительные нагрузки и находятся в напряженно-деформированном состоянии. Для решения этой проблемы можно использовать различные методы модернизации детали шарового шарнира рулевого привода, что позволит повысить стабильность рулевого управления и снизить износ шаровых соединений [5]. Одним из таких методов, может быть, выбор более прочных и долговечных материалов для изготовления шаровых и других деталей механизма, а также оптимизация геометрии шаровой опоры. Кроме того, можно использовать системы автоматической регулировки подвески, эксплуатационную самодиагностику и регулярное техническое обслуживание для обеспечения безопасности и эффективности работы рулевого управления. Внедрение новых технологий, таких как машинное обучение и искусственный интеллект, также может способствовать улучшению процесса управления и повышению безопасности сельскохозяйственных машин на деформируемом грунте.

Результаты и обсуждение

Далее в таблице представлен анализ выявленных методов повышения надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту.

Таблица 1.

Анализ актуальных методов повышения надежности рулевого управления сельскохозяйственного транспорта при передвижении по деформируемому грунту

Table 1.

Analysis of actual methods of increasing reliability of steering control of agricultural transport when moving on deformable soil

Метод Method	Характеристика Characteristics
Улучшение качества материалов и деталей Improving material and part quality	Выбор более прочных и долговечных материалов для изготовления шаровых и других деталей механизма, использование качественных подшипников, уплотнителей и других компонентов, что позволит увеличить надежность и срок эксплуатации рулевого оборудования на деформируемом грунте, где колеса транспорта испытывают большие нагрузки и вибрации. Selection of stronger and more durable materials for manufacturing of ball and other parts of the mechanism, use of quality bearings, seals and other components, which will increase reliability and service life of steering equipment on deformable ground, where transport wheels experience high loads and vibrations.
Разработка оптимальной геометрии шарового пальца Development of optimum ball pin geometry	Анализ конструкции механизма и определение наиболее эффективной геометрии шаровой для улучшения качества рулевого управления. Analyzing the mechanism design and determining the most effective ball geometry to improve steering quality.
Использование систем автоматической регулировки Use of automatic adjustment systems	Установка системы автоматической регулировки подвески, которая будет компенсировать неровности дороги и изменения веса груза, облегчая работу механизма рулевого управления. Это позволит уменьшить нагрузку на рулевое оборудование, снизить требуемые усилия на рулевом колесе и повысить точность управления транспортным средством на деформируемом грунте. Installing an automatic suspension adjustment system that will compensate for road irregularities and changes in the weight of the load, facilitating the steering mechanism. This will reduce the load on the steering equipment, reduce the required steering wheel forces and improve the accuracy of vehicle control on deformable ground.
Применение новых технологий концепции «Precision Agriculture» Application of new technologies of the "Precision Agriculture" concept	Использование современных технологий, таких как машинное обучение и искусственный интеллект, для улучшения процесса управления и повышения безопасности сельскохозяйственных машин. Utilizing modern technologies such as machine learning and artificial intelligence to improve the steering process and increase the safety of agricultural vehicles.
Эксплуатационная самодиагностика, регулярное техническое обслуживание Operational self-diagnosis, regular maintenance	Проведение регулярного технического обслуживания механизма рулевого управления и замена изношенных деталей, чтобы сохранить его эффективность и безопасность работы. Performing regular maintenance on the steering mechanism and replacing worn parts to keep it running efficiently and safely.

Для более эффективной защиты рулевого оборудования на деформируемом грунте также можно использовать специальные устройства, такие как дополнительные защитные щитки, которые защищают рулевые детали от повреждений при прохождении через препятствия. Также можно установить системы мониторинга состояния рулевого оборудования, которые позволяют оперативно обнаруживать любые неисправности и принимать меры по их устранению.

Кроме того, важно регулярно производить техническое обслуживание транспортных средств и заменять изношенные детали, чтобы предотвратить возможные поломки и повреждения рулевого оборудования.

Концепция «Precision Agriculture» (точное сельское хозяйство) предполагает использование передовых технологий и методов для увеличения эффективности производства и повышения надежности сельскохозяйственной техники [6]. Эта концепция включает в себя использование современных информационных технологий, датчиков, систем навигации и других инструментов для точного контроля и управления процессами сельского хозяйства, включая посев, уход за растениями и животными, уборку урожая и транспортировку сельскохозяйственной продукции.

Неоднородное распределение нагрузки на колеса при движении по деформируемому грунту может привести к неравномерному износу шин, а также к деформации их поверхности. Это может привести к неустойчивости движения, потере сцепления с дорогой и повышенному риску аварийных ситуаций. Поэтому при проектировании рулевого управления сельскохозяйственного транспорта необходимо учитывать особенности передвижения по деформируемому грунту и обеспечивать равномерное распределение нагрузки на колеса.

Исследователи Rosca, R., Cârlescu, P., Ţenu, I., и Vlahidis, V. [7] в своей статье «Улучшение модели тягового механизма для взаимодействия между сельскохозяйственной шиной и почвой» упоминают, что первым ученым, который систематически исследовал взаимодействие между почвой и колесом при помощи экспериментального анализа и теоретического моделирования, был Беккер. Эти экспериментальные исследования послужили основой для развития эмпирических моделей, которые могут быть использованы для оценки производительности колесных транспортных средств на деформированном грунте. Гипотеза о деформируемом поперечном сечении шины привела к изменению результатов относительно геометрии контакта шины с землей, а также силы и эффективности тяги. Анализ соответствия результатов показал, что цель исследования была достигнута по крайней мере в отношении скольжения колеса в рекомендованных пределах для сельскохо- зяйственных операций (0–30 %). Коэффициент Пирсона для силы тяги слегка уменьшился, однако процент данных модели, попадающих в пределы 95 % доверительного интервала экспериментальных данных, значительно увеличился.

Заключение

Выбор правильных методов повышения надежности рулевого управления может значительно улучшить работу сельскохозяйственной техники на деформируемом грунте, снизить износ и повысить безопасность. Рекомендуется использовать все предложенные методы вместе для максимальной эффективности и долговечности рулевого управления транспорта.