ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Коханенко Володимир Богданович

УДК 629.113.012.5

РОЗРОБКА МЕТОДІВ ДІАГНОСТИКИ ВНУТРІШНІХ РУЙНУВАНЬ

АВТОМОБІЛЬНИХ ШИН В УМОВАХ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Спеціальність 05.22.20 – Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ларін Олександр Миколайович, завідувач кафедрою пожежної та аварійно-рятувальної техніки академії цивільного захисту України МНС України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Міренський Ігор Григорович, професор кафедри міського електротранспорту Харківської національної академії міського господарства;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Піскачов Олександр Іванович, начальник науково-дослідного управління об’єднаного науково-дослідного інституту Збройних Сил, м. Харків.

Провідна установа: Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, кафедра “Автомобілі”, Міністерство освіти і науки України, м. Луганськ.

Захист відбудеться: “ 16 __березня__ 2005 р. о _1400_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “__12__” ___лютого___ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалазованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент І.С. Наглюк.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Рівень розвитку науково-технічного прогресу України дозволяє створювати високонадійні, конкурентоздатні пневматичні автомобільні шини. Підвищення швидкісних і навантажувальних характеристик автомобільного транспорту викликало необхідність використання замість діагональних шин з текстильним кордом шин радіальної конструкції з металокордом у брекері. Ці шини, володіючи поліпшеними експлуатаційними характеристиками, більш складні у виготовленні, а в експлуатації для них характерні втомливі руйнування.

Теоретичним і експериментальним дослідженням автомобільних шин присвячені праці А.М. Туренко, М.Я. Говорущенко, В.О. Богомолова, Ю.П. Макеєва, А.М. Юрченко, О.М. Ларіна, В.О. Карпенка, Ф. Бема, В.Л. Бідермана, Б.Л. Бухіна, В.П. Горячкіна, М.Е. Жуковського, А.Ю. Ішлінського, І.І. Калкера, М.В. Келдиша, В.І. Кнороза, М.А. Левіна, А.С. Літвінова, О.М. Мухіна, І.Ю. Неймарка, Г. Пайсека, Е. Робеккі, Р. Смайлі, Р. Хадекеля, Л.А. Хочатурова, Г. Фромма, М.А. Фуфаєва, Е.О. Чудакова. Створені на основі цих робіт сучасні розрахункові й експериментальні методи надають досить повну картину напружено-деформованого стану шини, при навантажнні.

Втомливі руйнування гум і особливо гумокордних композитів являються головною причиною, що обмежує термін експлуатації шин та інших гумокордних виробів, які працюють в умовах багатократних циклічних навантажень. Це не дозволяє реалізувати ресурс шин по зношенню протектора та робить їх непридатними для подальшого ремонту. При виготовленні шини також можлива поява внутрішніх дефектів, які збільшуються в процесі експлуатації, що в результаті стає причиною її раптового руйнування. Тому, проблема оцінки тривалості експлуатації елементів шини на стадії розвитку втомливої тріщини під час експлуатації являється актуальною.

На сьогодні, під час експлуатації автомобілів відсутні методи діагностики працездатності шин за критерієм розвитку втомливих дефектів та оцінки їх залишкового ресурсу.

Розробка методів визначення внутрішніх дефектів автомобільних шин з оцінкою ступеня їх надійності дозволить досягти максимального пробігу шини по зношенню протектора, встановити шляхи підвищення тривалості експлуатації елементів шини, вивчити взаємозв’язок умов експлуатації шини з її температурним станом, встановити залежності між розмірами та місцем розташування дефекту в шині та її температурними полями на поверхні шини і оцінити її залишковий ресурс.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до: постанови Національної Ради з питань безпечної життєдіяльності населення № 3 від 25 грудня 1997 р. "Про відповідність вимогам охорони праці машин, транспортних засобів, устаткування, що виготовляються в Україні"; робота була складовою частиною програми ГКНТ СРСР № 054.04 за рішенням науково-технічної проблеми "Розробити і впровадити прогресивні технічні засоби, прилади, системи і нові методи в області підвищення безпеки дорожнього руху на автомобільних дорогах країни на 1986 - 1990 роки"; постанови КМУ № 686 від 21 червня 2001 р. "Про концепцію регулювання ринку автомобілів і розвитку автомобілебудівної промисловості на період до 2005р."; робота виконувалася в рамках держбюджетних тем, а саме Головного Управління Державної пожежної охорони МВС України (1997 - 2000 р.): "Проведення лабораторних і стендових іспитів серійних і перспективних шин пожежного автомобіля", номер держреєстрації № 0197U1060 від 11.01.97 р. та - "Розробка пропозицій по реорганізації системи технічного обслуговування і ремонту пожежної техніки і часткового перепрофілювання загонів (частин) технічної служби з метою налагодження госпрозрахункової діяльності цих підрозділів", номер держреєстрації № 0103U001446 від 08.02.03 р.

Мета і задачі досліджень. Мета досліджень полягає в створенні методів контролю і засобів діагностування технічного стану автомобільних шин в експлуатації, що дозволить оцінити їхній залишковий ресурс і, відповідно, підвищити безпеку й ефективність експлуатації автомобільного транспорту, знизити час на проведення діагностики, спростити устаткування, яке використовується для цих цілей.

Мета досягається теоретичним і експериментальним дослідженнями напружено-деформованого і теплового станів шини при різних сполученнях експлуатаційних факторів, розробкою методики визначення області внутрішнього дефекту шини за значеннями її поверхневих температурних полів, що дозволить прогнозувати розвиток дефекту і визначати залишковий ресурс шини.

Для досягнення зазначеної мети в роботі сформульовані і вирішуються як теоретичні, так і практичні задачі.

Теоретичні задачі: аналіз результатів математичних моделей шин і методів розрахунку їх напружено-деформованого та теплового станів; розробка моделі шини з внутрішнім дефектом; вивчення впливу різноманітних експлуатаційних факторів на температурний режим шин; аналіз напружено-деформованого і теплового станів шини автомобіля з дефектом; вплив дефектів типу поріз та внутрішнє розшарування на її температурні поля; визначення залишкового ресурсу шини за критерієм розвитку дефекту до критичного значення.

Практичні задачі: розробка методів проведення оцінки технічного стану шини за поверхневими температурними полями і діагностування внутрішніх дефектів в шині; розробка методик оцінки залишкового ресурсу дефектної шини; вивчення теплового стану шин і розподілу температурних полів в залежності від сполучення різноманітних експлуатаційних факторів (швидкості та часу кочення шини, геометричних розмірів дефекту); проведення експериментальних досліджень шин, з метою перевірки адекватності моделей.

Об'єкт дослідження. Процес взаємодії шини з дорогою в експлуатації та підвищення рівня безпеки руху транспорту з пневматичними шинами.

Предмет дослідження. Методи діагностування робото здатності шини в залежності від специфіки експлуатації автомобіля та вивчення закономірностей впливу сполучення різноманітних експлуатаційних факторів на температурний стан шин при короткочасних та тривалих режимах руху.

Методи дослідження. На підставі принципів системного аналізу здійснювалося рішення задач, які пов’язані з розробкою нових методів діагностування. При цьому використовувалися наукові методи фізичного і математичного моделювання, теорія планування експерименту, теорія ймовірностей та математична статистика.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що набуло подальше уточнення результатів теоретичного дослідження взаємодії шини з дорогою на підставі, якого розроблена математична модель багатофакторного аналізу напружно-деформованого та теплового станів шин при короткочасних режимах роботи.

Набули подальший розвиток залежності термонапружного стану шини від експлуатаційних факторів і конструктивних особливостей шини при стаціонарному котінні.

Вперше виконано моделювання дефекту шини в вигляді порізу, виконано розрахунок її напружно-деформованого стану і тепловиділення в області дефекту.

Отримали подальший розвиток експериментально обґрунтовані методи оцінки розмірів внутрішніх дефектів і місця їх розташування в шині за її поверхневими температурними полями, а також методики оцінки залишкового ресурсу шини за критерієм критичного розміру дефекту, з метою вибору раціонального сполучення факторів експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів. Практичну значимість складають методи оцінки технічного стану автомобільної шини за значеннями її поверхневих температурних полів з визначенням місць розташування внутрішніх дефектів і оцінки залишкового ресурсу шини за критерієм розвитку дефекту до критичного лінійного розміру, а також методика діагностування наявності дефекту усередині шини за значеннями температурних полів на її зовнішній поверхні, яка впроваджена в Білоцерківському тролейбусному управлінні та в загоні технічної служби ГУ МНС України в Харківській області. Основні результати науково-дослідних робіт впроваджені у відкритому акціонерному товаристві "РОСАВА".

Особистий внесок здобувача. У роботах, опублікованих в співавторстві, автору належать: обробка результатів експерименту, їх аналіз та проведення теоретичних розрахунків 2; постановка експерименту по дослідженню температурних полів шин в залежності від їх конструктивних особливостей та розробка методик його проведення 5, 7, 15; обробка результатів експерименту, їх аналіз та обґрунтування висновків 11; постановка експерименту по дослідженню температурних полів шин в залежності від експлуатаційних факторів та розробка методик його проведення 3, 4, 6, 16; постановка експерименту по визначенню впливу дефектів в шині на її температурні поля та разробка методик його проведення 9, 10; математична модель шини 1, 14; методи оцінки ресурсу шини автомобіля по величині температури на її поверхні 12, 20 та по кутам установки керованих коліс автомобіля 18; визначення залежності між деформаціями і температурним станом внутрішніх шарів шини 21.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на: щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу ХАДІ, м. Харків (1989 - 1994 р.), КАДІ, м. Київ (1997 -1998 р.), на наукових конференціях АПБУ, м. Харків (1995-2003), на третьому всесоюзному симпозіумі шин і гумокордних композитів, м. Москва, НІІШП (1991р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені в 21 праці, з них 11 надруковано у тематичних виданнях, рекомендованих ВАК України, у 3 матеріалах міжнародних симпозіумів і наукових конференцій, а 7 - в інших виданнях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 216 сторінки, у тому числі 81 рисунок на 34 сторінках, 24 таблиці на 12 сторінках, 3 додатки на 13 сторінках. Список використаних джерел налічує 181 найменування на 17 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі дається обґрунтування обраної теми, її актуальність, формулюються мета і задачі досліджень, їхня наукова новизна і практичне значення, визначаються об'єкт і предмет досліджень.

У першому розділі проведено огляд сучасного стану досліджень напружено-деформованого стану і теплових процесів у шинах, їхній вплив на її

термін експлуатації і надійність, аналіз методів математичного моделювання процесів, що відбуваються при коченні пневматичної шини автомобіля, розглянуто засоби оцінки технічного стану та прогнозування довговічності шини при її експлуатації, проведено огляд і аналіз методів оцінки теплового стану шини, проаналізовано вплив експлуатаційних факторів на довговічність шини, досліджено можливі дефекти шин і методи їхньої дефектоскопії в експлуатації.

Температурний режим є одним з важливих показників, що характеризують ндс і визначають працездатність шини.

Аналіз провідних робіт з розрахунку напружено-деформованого і теплового станів шин показує, що вірогідність розрахунків визначається, насамперед, точністю початкової інформації, підготовка якої найчастіше є більш складною задачею, чим рішення рівняння теплопровідності. З іншого боку, основні величини, що можуть бути отримані при розрахунку (максимальна температура, потужність опору кочення), визначити експериментально значно простіше, ніж підготувати початкові дані для теплового розрахунку. Тому в практиці досліджень широко застосовуються зворотні методи ідентифікації, тобто визначення конструктивних і фізичних характеристик шини за результатами експериментальних досліджень, з можливістю їхнього використання для наступної розрахункової оцінки інтенсивності теплоутворення в аналогічних шинах.

Аналіз робіт, присвячених питанням взаємодії пневматичної шини з дорогою, дослідженню її теплового і напружено-деформованого станів показав велику розмаїтість застосовуваних математичних моделей і методів рішення відповідних задач. Їхній вибір визначається задачами досліджень, можливістю апаратної реалізації, економічною доцільністю.

З огляду на складність зв'язаної термов’язкопружної моделі роботи шини найбільш коректним способом її рішення представляється метод послідовних наближень, заснований на МКЕ і застосований до розрахунку автомобільних шин, як анізотропних шаруватих оболонок, що дозволить прогнозувати ресурс виробу на стадії його проектування, працездатність і залишковий ресурс з урахуванням можливих дефектів у процесі експлуатації.

При дослідженні причин передчасного виходу шин з експлуатації встановлено, що навіть при дотриманні правил експлуатації і норм технічного обслуговування, сучасна діагностика їхніх прихованих дефектів дозволить значно підвищити надійність і безпеку руху транспортного засобу, а при відомих умовах збільшити працездатний стан шин.

У результаті аналізу методів дефектоскопічного контролю температурного стану шин в експлуатації встановлено, що найбільш простими, надійними, безпечними й економічними є контактний та безконтактний інфрачервоний методи, які дозволяють визначати не тільки зовнішні, але і внутрішні дефекти.

На основі проведеного аналізу визначено методи і методики дослідження.

Другий розділ присвячений математичному моделюванню теплового й напружено-деформованого станів шини при її коченні в залежності від експлуатаційних параметрів і конструктивних особливостей.

Розроблена математична модель дозволяє визначати напружено-деформований стан шини, питомі тиски в контакті з опорною поверхнею і її тепловий стан у залежності від умов навантаження.

Шина розглядається як шарувата оболонка, складена з m пружних ортотропних шарів, згідно до відомих робіт Б.Л. Бухіна, Є. М. Кваши, Л.Б. Нікітіної. Оболонка віднесена до ортогональної криволінійної системи координат x1 і x2, яка відповідає лініям головних кривизни координатної поверхні. За координатну поверхню прийнято серединну поверхню внутрішнього шару. Тангенціальні переміщення по товщині оболонки змінюються по лінійному закону, поперечні деформації і напруження дуже малі для кожного шару за винятком шару протектора, обтиснення якого враховується відповідно до гіпотези Вінклера. Відповідно до прийнятих у роботі допущень, вираз повної енергії геометрично шаруватої нелінійної оболонки при дії внутрішнього тиску й обтиснення на площину буде

(1)

Прийняті позначення у наведеному рівнянні відповідають загально визначеними у роботах Б.Л. Бухіна, та Є. М. Кваши.

Отримано рішення контактної задачі з використанням методу кінцевого елемента, визначена картина температурних полів на поверхні шини, знайдені характеристики її напружено-деформованого стану і тепловиділення в околиці поверхневого дефекту в залежності від часу і швидкості кочення колеса, що дозволяє оцінити вплив інтенсивності розвитку дефекту на залишковий ресурс шини. Як критерій визначення пробігу шини прийнята втомлива витривалість матеріалів шини в зонах, де діють максимальні деформації. Оскільки при навантаженні шини її внутрішні шари знаходяться в складному напруженому стані, то в дійсній роботі визначається пробіг, який відповідає початковій появі тріщин в елементах шини.

Характерними зонами руйнування шини є крайки брекера, де більш за все виявлено дефектів в експлуатації. Напружено-деформований стан шини характеризується енергією деформації, тому, згідно до цього, залишковий ресурс шини до появи втомливих тріщин між шарами брекера і каркаса визначається відомими методами.

Однак, визначення деформацій зв'язане з урахуванням впливу навантаження і гістерезисних властивостей шинних гум, що ускладнює поставлену задачу.

Теплоутворення ж у шині в період її саморозігріву виключає ряд факторів, незв'язаних з режимом навантаження і гістерезисними властивостями. Отже, все тепло, яке утворилося в шині, йде на її розігрів, тому в роботі пропонується визначати ресурс шини через температуру по наступній залежності:

, тис. км, (2)

де: Rk – радіус кочення, м; NБ – базове число циклів руйнувань; WБ - енергія руйнувань при базовому числі циклів, МПа; nw – коефіцієнт втомливої витривалості; kц – коефіцієнт, який враховує форму цикла навантаження; Е – модуль Юнга гуми, МПа; kД – коефіцієнт, який враховує швидкість руху автомобіля й стан дорожнього покриття; kТ – коефіцієнт, який враховує температуру розігріва матеріалу шини; kС - коефіцієнт, який враховує вплив навколишнього середовища; С – питома теплоємність матеріалу, Вткг / К; - щільність матеріалу, г / см3; t – приріст температури, градус ; Е - рівноважний модуль пружності, МПа; - число оборотів колеса; - приріст часу, хв.

Аналіз програмних продуктів, застосовуваних для рішення задач теплофізики з урахуванням фазового переходу, контактних задач зі статичним і

динамічним аналізом конструкцій з обліком геометричної і фізичної нелінійності, а також аналіз втомливих руйнувань дозволив вибрати для реалізації математичних моделей програмний комплекс ANSYS. Володіючи зв'язком з різними типами аналізу пакет ANSYS дасть змогу вирішити контактну задачу взаємодії шини з опорною поверхнею з обліком її ндс і температурного стану.

Результати розрахунків представлені на рис. 1- 4.

При визначенні теплового стану шини за допомогою метода кінцевого елемента задача вирішувалася в тривимірній стаціонарній постановці.

Складена математична модель шини нам дозволила за знайденими значеннями напруг і деформацій визначити температурні поля в шині.

Знаючи температурне поле шини і термопружні властивості гум і корду, можна уточнити деформації і напруги в ній. Пропонована математична модель дозволить на стадії проектування шини враховувати вплив умов експлуатації для створення раціональної конструкції шини, з погляду її довговічності, за рахунок вибору геометрії профілю шини, типу рисунка протектора і її матеріалів.

Встановлено, що експериментальні виміри температури необхідно робити на мінімальній відстані від дефекту. Перепад температур на відстані до 15 мм від дефекту складає в середньому 3 – 5 градусів, що свідчить про можливості діагностування працездатності шини інфрачервоним методом.

Результати розрахунків підтвердили інформацію про зони максимальних деформацій шини, отриману при експерименті. Цими зонами є боковина, крайки брекера, зона борта і зовнішня поверхня плечової зони шини.

а б

Рис. 1. Залежність температури боковини шини від навантаження (а) та від тиску повітря (б) (1-155/70 R13; 2-165/70 R13; 3-175/70 R13; 4-205/70 R14; 5-210-508Р).

Рис. 2. Залежність температури Рис. 3. Розподіл температури по

протектора шини від навантаження товщині в плечовому перетині

(1-155/70 R13; 2-165/70 R13; 3-175/70 R13; 4-205/70 R14; 5-210-508Р).

Деформації по товщині шини розподіляються нерівномірно і їхня величина залежить як від конструктивного виконання, так і від експлуатаційних параметрів. У шин легкових автомобілів найбільш навантаженими є шари брекера, а у шин вантажних автомобілів – шари каркаса.

а б

Рис. 4. Залежність температури борта шини від навантаження (а) та від внутрішнього тиску (б) при номінальному навантаженні (1 –155/70 R13; 2 –165/70 R13; 3 –175/70 R13; 4 –205/70 R14; 5 –210-508Р).

Максимальні температури в оболонці шини виникають у зоні плеча і протектора. Збільшення навантаження на шину в зоні плеча до 25% приводить до збільшення температури для легкових шин до 15%, а для вантажних це

збільшення складає 25%, що пояснюється великим масивом гуми і числом шарів у плечовій зоні шини.

Збільшення навантаження на шину до 25% приводить до збільшення температури до 5%, і складає для шини 155/70 R13 -33,8 0С; для шини 165/70 R13 -34,2 0С; для шини 175/70 R13 -35,6 0С; для шини 205/70 R14 -37,1 0С, а для шин вантажних автомобілів це збільшення складає до 10% і становить 38,7 0С. Аналогічний вплив робить і зміна внутрішнього тиску повітря в шині. Отже, з метою підвищення пробігу шини в експлуатації необхідно раціонально підбирати співвідношення між навантаженням на колесо і внутрішнім тиском повітря в шині.

У третьому розділі приведено опис експериментального устаткування, що було розроблено і виготовлено при участі автора на кафедрі "ДМ і ТММ" ХНАДУ для проведення натурних іспитів, а також методики їхнього проведення. Він розкриває зміст і особливості експериментальних досліджень напружено-деформованого і температурного станів шин. Виходячи з набору фізичних параметрів, необхідних для оцінки температурного і напружено-деформованого станів елементів шини в процесі її експлуатації, підібраний і використаний наступний склад експериментального устаткування: барабанний стенд для проведення іспитів шин на великих швидкостях (до 50 м/с) руху при різних радіальних навантаженнях - для визначення температурного стану шин і розподілу температурних полів в околиці їх поверхневих і внутрішніх дефектів; стенд для дослідження фізичних процесів у контакті шини з опорною поверхнею - для визначення зв'язку напруг в елементах шини з її деформацією і навантаженням; експериментальний автомобіль-лабораторія для проведення контрольних дорожніх іспитів шин у реальних умовах.

Представлено методи для дослідження напружено-деформованого і температурного станів шини на автомобілі-лабораторії, на стенді для дослідження фізичних процесів у контакті шини з опорною поверхнею і на стенді з біговими барабанами в залежності від різного сполучення експлуатаційних факторів і конструктивних особливостей.

Четвертий розділ присвячений експериментальному дослідженню взаємодії як технічно справної, так і дефектної шини автомобіля з опорною поверхнею, а також визначенню залежностей температурного і напружено-деформованого станів шини від різного сполучення експлуатаційних факторів.

Представлено залежності температурних полів як у середині гумового масиву шини, так і на її поверхні від експлуатаційних факторів і конструктивних особливостей.

Шини легкових автомобілів 175/70 R13 і 185/65 R14 виходять на свій температурний режим 55 - 65 0С через 15 хв. їхнього кочення по біговому барабану, а шина 205/70 R14 виходить на температурний режим 50 - 55 0С – через 35 хв. її кочення по біговому барабану (рис. 5 (а)).

Температура по боковині шини вище, ніж в центрі та по крайкам протектора на 13.9 % і на 14.8% відповідно. Максимальна температура шин легкових автомобілів склала: для шини 175/70 R13 – 58 0С, для шини 185/70 R14 – 65 0С - через 15 хв. їхнього кочення по біговому барабану, а для шини 205/70 R14 – 50 0С - через 35 хв. її кочення по біговому барабану (рис. 5 (а)).

Найбільше термонапруженими у шин легкових автомобілів є перший і другий шари брекера: їхня температура перевищує температуру на каркасі до 21%, а на другому шарі і на екрані брекера – до 17%.

Шинам вантажних автомобілів потрібен більш тривалий період часу для температурної стабілізації, а через 15 хв. кочення по біговому барабану їхня максимальна температура, склавши 80 0С на третьому шарі каркаса, продовжувала зростати (рис. 5 (б)).

Найбільше термонапруженими у шин вантажних автомобілів є шари каркасу: їхня температура перевищує температуру на інших шарах на 17%. Більш термонапружений стан боковини і крайок брекера шини легкового автомобіля підтверджується підвищенням їхньої температури на 22 - 23% у порівнянні з температурою в центрі шини (для шин 165/70 R13 і 205/70 R14) і на 8 - 11% - по середині шини (для шин 175/70 R13 і 165/ 70R13).

Більш термонапружений стан центра шини вантажного автомобіля підтверджується підвищенням його температури на 32 - 37% у порівнянні з боковиною і на 9 - 25% у порівнянні з крайками брекера шин 10.00R20 і 12.00R20.

а б

Рис. 5. Розподіл температур по шарам шин (а) легкових автомобілів: 1 - шина 175/70R13; 2 – шина 185/65 R14; _________термопара на першому шарі брекера; _ _ _ _ термопара на каркасі; __ _ _____ _ ____ термопара на другому шарі брекера; __ _ _ ____ _ _ ___ термопара на екрані; та (б) вантажних автомобілів: 1 –шина 10.00 R20 моделі И-309; 2 –шина 12.00 R20 моделі И-150 А; _______термопара на першому шарі каркаса; _ _ _ _ термопара зверху каркаса; ___ ___ ___ термопара на четвертому шарі каркаса; __ _ _____ _ ____ термопара зверху металокорда; __ _ _ ____ _ _ ___ термопара на третьому шарі каркаса.

Найбільша температура на поверхні досліджуваних шин була в районі крайок брекера, а найменша – по боковині, ближче до бортового кільця.

Результати експериментальних досліджень представлені на рис. 6 і 7. При вимірі поверхневих полів температур за один і той же період часу кочення шини встановлено, що перевищення поверхневої температури в зоні дефекту (як зовнішнього, так і внутрішнього) стосовно максимальної температури в подібних бездефектних зонах склало 3 - 5 0С, що дає можливість його інструментального визначення.

Штучні внутрішні дефекти розміром 33 мм були подобою експлуатаційних дефектів розшарування, і приводили до підвищеного нагріву шини в цій зоні, стосовно бездефектних зон (рис. 6). Через 9 хв. з початку кочення шини по барабану стенда температура в зоні дефекту шини перевищувала температуру в інших (бездефектних) зонах на 4-10 0С, а в момент встановлення тимчасової температурної рівноваги в бездефектних зонах температура в місці дефекту продовжувала збільшуватися.

Рис. 6. Розподіл температур по шарам шин 165/70 R13 Ex-85 і 205/70 R14 ИД-220 із внутрішніми дефектами.

Так, для шини 205/70 R14 температура в зоні дефекту склала 75 0С, що перевищило сталу температуру в бездефектній зоні на тім же шарі, у подібному місці, на 25%.

Штучні зовнішні дефекти відтворювали експлуатаційні дефекти типу “поріз” і також призводили до перевищення температури відносно інших бездефектних зон (7 (а)).

У п'ятому розділі приводиться методи визначення залишкового ресурсу шини, яка має дефект, і сам метод визначення прихованих дефектів у шині за значеннями поверхневих температурних полів.

Природно, що при сталому режимі руху картина температурних полів у гумовому масиві шини вирівнюється, але на початковому етапі температурні перехідні процеси дають можливість діагностувати наявність прихованих дефектів шляхом сканування тим чи іншим способом поверхні шини.

Достовірний результат про величину пробігу шини, який залишився до виходу її з експлуатації, залежить від вибору критичного розміру дефекту, що може бути визначений з досвіду експлуатації шин, або виходячи з вимог, пропонованих до прийому шин на відновлюючий ремонт.

а б

Рис. 7. Розподіл температури на поверхні шини 205/70 R14 (а) із зовнішніми дефектами: 1-й дефект _______ – радіальний поріз довжиною 15 мм; 2-й дефект __ __ __ – поріз під кутом 450 довжиною 15 мм; 3-й дефект__ _ __ _ __ _ – підрізана шашечка протектора в радіальному напрямку; 4-й дефект __ _ _ __ _ _ __ _ _ __– меридіональний поріз довжиною 15 мм; та прогнозований залишковий пробіг шини 210-508Р (б) з лінійним дефектом на боковині – ? та з круговим дефектом в плечовій зоні – ¦ до розвитку його критичного розміру: 1, 2 – дефекти довжиною 10 мм радіального й колового розташування відповідно; 3, 4 – дефекти довжиною 20 мм радіального й колового розташування відповідно; 5, 6 – дефекти довжиною 30 і 20 мм радіального й колового розташування відповідно; 7, 8, 9 – дефекти на крайках брекера довжиною 3, 5, 10 мм відповідно.

Пробіг шини до повного руйнування в результаті розвитку дефекту до критичного значення дорівнює:

тис.км, (3)

де: l0 – початковий розмір дефекта, мм; -деформація, мм; С1 – емпіричний коефіцієнт; Е2 – модуль пружності, МПа; n – показник ступеня в залежності від якості покриття дороги.

Враховуючи, що деформації можна визначити через температуру, одержимо формулу для визначення пробігу шини до повного руйнування через температуру:

тис.км (4)

Прогнозований залишковий пробіг шини 210-508 Р з дефектом до розвитку його критичного розміру, отриманий у результаті розрахунку по даній залежності, представлено на рис. 7 (б).

Запропонований метод оцінки працездатності шини з дефектом вимагає кореляції математичної моделі на спосіб і методику реєстрації перепаду температур і фізико-механічних властивостей матеріалів, з яких виготовлена шина, а експлуатація шини після визначення ресурсу, що залишився, повинна здійснюватися без екстремальних умов її навантаження.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача підвищення безпеки експлуатації автотранспортних засобів за рахунок періодичного діагностування технічного стану їхніх шин і своєчасного вилучення з експлуатації дефектних шин. Розроблені методи діагностики внутрішніх руйнувань автомобільних шин в умовах експлуатації дозволили визначати експлуатаційну придатність шини за результатами поверхневих температурних полів і оцінити залишковий пробіг шини за критерієм розвитку дефекту до критичного стану. Визначити збільшення температурного стану шини в зоні дефекту можливо за допомогою нескладних переносних перетворювачів, які працюють на основі інфрачервоного методу.

2. Розраховані напружено-деформований та тепловий стани шини при впливі різноманітного сполучення експлуатаційних факторів і конструктивних параметрів дозволило розробити методи оцінки роботоздатності конструкції шини і діагностувати її технічний стан. З підвищенням тиску повітря в шині на 20 % деформації на каркасі збільшуються на 3-7 % і складають до 26 %. Збільшення навантаження на шину на 25 % зменшує пробіг шини по деформаціям першого шару в 3-5 разів, а по другому шару – в 2 рази. Збільшення внутрішнього тиску повітря в шині на 25 %, але не вище 2.2 МПа, призводить до збільшення пробігу шини по брекеру на 40 %.

3. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження розподілу деформацій в шині і на їх підставі визначені найбільш небезпечні, з точки зору втомливої витривалості, зони шини. Ними являються області плечової зони та зони борта шини. Більший термонапружений стан боковини і кромок брекера шини легкового автомобіля підтверджується підвищенням їх температури на 22-23 % в порівнянні з температурою в центрі шини (для шин 165/70 R13 и 205/70 R14) та на 8-11 % - посередині шини.

4. Напружено-деформований стан в середині шини з припустимою похибкою можливо визначити через її поверхневу температуру. Збільшення навантаження на шину до 25 % призводить до збільшення температури в бортовій області до 3 % і складає для шини 165/70R13 - 31,60 С ; для шини 175/70R13 – 32,40 С; для шини 185/70R14 – 33,60 С; для шини 205/70R14 – 35,10 С, а для вантажної шини 210508R це збільшення складає до 10% и досягає 37,90 С.

5. Встановлена нерівномірність розподілу температурних полів по перерізу шини: максимальна температура на поверхні шини в 1.4 рази менше максимальної температури всередині її гумового масиву. Встановлено, що наявність екрануючого шару в шинах легкових автомобілів підвищує їх термонапружений стан по другому шару брекера в 1.6 рази. Довготривала робота шин серії „S” (більше дух годин) на швидкостях руху близьких до критичних (V=52 м/с) призводить до різкого збільшення температури в зоні деформації і до виходу шин з експлуатації.

6. Експериментально підтверджено перевищення температурного стану шини в зоні дефекту (як зовнішнього, так і внутрішнього) по відношенню до бездефектних зон в межах 3-5 0С, що дає змогу його інструментального визначення. Термонапружений стан боковини та кромок брекера шини легкового автомобіля підтверджується збільшенням їх температури на 22-23% в порівнянні з температурою в центрі шини (для шин 165/70 R13 і 205/70 R14) і на 8…11 % - посередині шини (для шин 175/70 R13 и 165/70 R13).

7. На підставі проведених досліджень розроблені методи діагностування наявності прихованих дефектів в шині в умовах експлуатації з використанням діагностичного стенду з біговими барабанами. Оцінити придатність шин до подальшої експлуатації за значеннями їх поверхневих температурних полів можливо після 15-20 хвилин з початку їх котіння по біговому барабану зі швидкістю V = 40 км/год. Термонапружений стан центру шини вантажного автомобіля підтверджується збільшенням його температури на 32-37 % в порівнянні з боковиною та на 9-25 % в порівнянні з кромками брекера шин 10.00 R20 і 12.00 R20.

8. Основні результати дисертаційної роботи використовуються в відкритому акціонерному товаристві „Росава”, а метод діагностування наявності дефекту всередині шини за її температурними полями на її зовнішній поверхні впроваджений в Белоцерківському тролейбусному управлінні та в загоні технічної служби ГУ МНС України в Харківській області.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ларин А.Н., Коханенко В.Б., Яковлев А.М. Расчет температурного состояния шины методом конечного элемента // Науковий вісник будівництва: Вип. 8. – Харків: ХДТУБА ХОТВ АБУ. – 1999. – С. 115 – 117. Автором запропонована математична модель шини та результати розрахунків.

2. Ольшанский В.П., Ларин А.Н., Коханенко В.Б. О распределении изгибных напряжений в боковине шины // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научн. тр. ХГПУ. – Вып. 7. – Ч. 1. – Харьков, 1999. – С. 341 – 344. Автору належить обробка результатів експерименту, їх аналіз та проведення теоретичних розрахунків.

3. Ларін О., Яковлев О., Коханенко В. Експериментальне дослідження взаємодії шини з поверхнею дороги // Вісник Тернопільського державного технічного університету. Науковий журнал, том 5. № 3. - Тернопіль: ТДТУ ім. Івана Пулюя. - 2000. - С. 66-70. Автору належить постановка експерименту та розробка методик його проведення.

4. Ларин А.Н., Коханенко В.Б. Распределение температуры на поверхности и между слоями грузовой шины // Вестник Харьковского государственного политехнического университета: Сб. научн. тр. - Вып. 81 - Серия: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: ХГПУ, 2000. С. 53-54. Автору належить проведення експерименту та обробка експериментальних даних.

5. Коханенко В.Б., Юрченко А.Н., Богомолов В.А., Ларін О.Н., Яковлев О.М. Исследование влияния рисунка протектора на термонапряженное состояние шины // Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сборник - Вып. 33. - Серия: Архитектура и технические науки - К.: “Техника”. - 2001. - С. 273-276. Автору належить постановка експерименту та розробка методик його проведення.

6. Коханенко В.Б., Юрченко А.М., Ларін О.М. Порівняльні дослідження температурних полів шин автомобілів // Автошляховик України. - 2002. - №3-С. 20 - 22. Автору належить обробка експериментальних даних та обгрунтування висновків.

7. Коханенко В.Б., Юрченко АН., Богомолов В.А., Ларин А.Н., Яковлев А.М. Влияние конструктивных изменений в шине на ее температурное состояние // Вестник Национального технического университета "ХПИ": Сб. научн. тр. Тематический выпуск: Новые решения в современных технологиях. - Харьков: НТУ (ХПИ). - 2002. - № 3. - С. 156 - 160. Автору належить проведення експерименту та обробка експериментальних даних.

8. Коханенко В.Б. Огляд експериментальних методів виміру температурних полів у твердих тілах // Проблемы пожарной безопасности. Сб. научн. тр. АПБ Украины. – Вып. 10. – Харьков: Фолио, 2001. - С. 88 - 92.

9. Коханенко В.Б., Ларин А.Н., Яковлев А.М., Чернобай Г.А. Исследование влияния внутренних дефектов в шине на ее поверхностные температурные поля // Коммунальное хозяйство городов: Научн.-техн. сборник. - Вып. 42. - Серия: Технические науки. - К.: “Техника”. - 2002. - С. 202 - 206. Автору належить постановка експерименту та розробка методик його проведення.

10. Коханенко В.Б., Ларин А.Н., Яковлев А.М., Чернобай Г.А. Исследование влияния внешних дефектов в шине на ее поверхностные температурные поля // Вісник Національного технічного університету "ХПІ": Збірник наукових праць. – Тематичний випуск: Нові рішення в сучасних технологіях. - Харків: НТУ (ХПІ). - 2002. - № 7. Т. 2. - С. 104 - 107. Автору належить постановка експерименту, розробка методик та його проведення.

11. Коханенко В.Б. Анализ конструкций современных автомобильных шин // Проблемы пожарной безопасности. Сб. науч. тр. АПБ Украины. – Вып. 11. – Харьков: Фолио, 2002. – С. 115 - 120.

12. Ольшанский В.П., Ларин А.Н., Коханенко В.Б., Яковлев А.М. Косвенный метод определения надежности автомобильной шины // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сб. научн. тр. ХГПУ. – Вып. 6. В четырех частях. Ч. 1. – Харьков: Харьк. гос. политехн. ун-т, 1998. – С. 120 – 123. Автор запропонував метод визначення надійності автомобільної шини.

13. Коханенко В.Б., Ларин А.Н. Влияние температуры на работу шин автомобиля // Проблемы пожарной безопасности. Сб. науч. тр. – Вып. 5. – Харьков: ХИПБ, 1999. – С. 128 – 130. Автором запропоновані діагностичні ознаки працездатного стану шин.

14. Ольшанский В.П., Ларин А.Н., Яковлев А.М., Коханенко В.Б. Локальное поле температуры в пластине с линейчатым источником тепла // Проблемы пожарной безопасности. Сб. науч. тр. – Вып. 6. – Харьков: ХИПБ, 1999. – С. 119 – 121. Автором запропонована теплова математична модель шини.

15. Коханенко В.Б., Ларин АН. Влияние геометрической формы рисунка протектора на долговечность автомобильной шины // Геометричне та комп'ютерне моделювання: Зб. наук. пр. - Вип. 1: 32 наук. праці: Редкол.: Л.М. Куценко (відпов. ред.) та ін.; Харк. держ. акад. технол. та орг. харчування. - Харків, 2002. - С. 60 - 63. Автору належить обробка результатів експерименту, їх аналіз та обгрунтування висновків.

16 Коханенко В.Б., Юрченко А.Н., Ларин А.Н., Богомолов В.А., Кипа А.В. Исследование температурных полей шин легковых автомобилей // Вестник Национального технического университета "ХПИ": Сб. научн. тр. Тематический вып.: Новые решения в современных технологиях. -Харьков: НТУ (ХПИ). - 2002. - № 6. Т. 1. – С. 46 - 50. Автору належить постановка експерименту, розробка методик та його проведення.

17. Коханенко В.Б., Ларін О.М. Оптимізація геометрії рисунка протектора автомобільної шини // Геометричне та комп’ютерне моделювання: Зб. наук. праць. – Вип. 3: 24 наук. праці: Редкол.: Л.М. Куценко (відпов. ред.) та ін.; Харк. держ. університет харчування та торгівлі. – Харків, 2003. – С. 97 - 101. Автору