Повышение надёжности технического состояния парка подвижного состава, специализирующегося на перевозке лесных грузов

А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, К.А. Яковлев 

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ 

ПАРКА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА, СПЕЦИАЛИЗИРУЮЩЕГОСЯ

Москва 
Издательство «ФЛИНТА» 
2019 

НА ПЕРЕВОЗКЕ ЛЕСНЫХ ГРУЗОВ 

Монография 

3-е издание, стереотипное

УДК 630.383 
ББК  43.904.5 
         С45 

Р е ц е н з е н т ы :  

зав. кафедрой строительства и эксплуатации автомобильных дорог 

Воронежского государственного архитектурно-строительного

университета, д-р техн. наук, проф. В.П. Подольский; 
д-р техн. наук, проф. Воронежского государственного 

технического университета М.И. Чижов 

С45 

Скрыпников А.В. 
     Повышение надёжности технического состояния парка подвижного состава, 
специализирующегося на перевозке лесных грузов [Электронный ресурс]: монография / 
А.В. Скрыпников, Е.В. Кондрашова, К.А. Яковлев. – 3-е изд., стер. – М. : ФЛИНТА, 2019. 
– 151 с.

ISBN 978-5-9765-1561-1 

В монографии подробно описаны методики и способы повышения надежности технического 
состояния парка подвижного состава, специализирующегося на перевозке лесных грузов. Определены 
закономерности, описывающие влияние условий эксплуатации на производительность машин лесного комплекса, 
позволяющие определить зону граничных условий и предельных состояний рабочих процессов и внутренних 
сред в функциональных системах машин лесного комплекса. Выполнена оценка устойчивости и тяговой 
динамики колесных и гусеничных трелёвочных тракторов, позволяющая увеличить полезную нагрузку на 
транспортную систему правильным выбором точек приложения технологических сил в условиях эксплуатации 
машин лесного комплекса. Разработана математическая модель колебательной системы движения машин 
лесного комплекса, позволяющая определить первопричину автоколебаний и установить допустимые 
значения дисбаланса колес. Установлены аналитические зависимости появления неисправностей агрегатов 
и узлов лесовозного автотранспорта, позволяющие прогнозировать нагруженность элементов функциональных 
систем машин лесного комплекса, рассчитать показатели его эксплуатационных свойств и надёжности. 
Определены критерии вероятности технологического риска травмирования водителей и операторов машин 
лесного комплекса, позволяющие оценить их профессиональную пригодность. 
Монография рассчитана на научных, инженерно-технических работников, специалистов, 
занимающихся эксплуатацией автомобильных дорог в районах лесозаготовок, может быть использована в 
качестве учебного пособия для аспирантов и студентов. 

УДК 630:383 
ББК 43.904.5 

ISBN 978-5-9765-1561-1 
     © Издательство «ФЛИНТА», 2013 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................... 4 
 
1. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ И 
УПРАВЛЯЕМОСТИ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА ....................................... 6 
1.1. Исследование влияния дисбаланса колес на возникновение колебаний в 
системах подвески и рулевого управления машин лесного комплекса .................. 6 
1.1.1. Теоретический анализ влияния дисбаланса на колебания колес на 
подвеске....................................................................................................................... 6 
1.1.2. Математическая модель колебательной системы колеса на подвеске с 
учетом дисбаланса...................................................................................................... 8 
1.1.3. Расчет интенсивности вынужденных колебаний колес на подвеске, 
вызванных дисбалансом колес................................................................................ 10 
1.1.4. Теоретический анализ влияния дисбаланса на колебания управляемых 
колес вокруг осей шкворней. .................................................................................. 19 
1.1.5. Исследование влияния параметров подрессоривания роспуска на его 
плавность хода.......................................................................................................... 28 
1.1.6. Выводы ............................................................................................................ 37 
1.2. Исследование влияния параметров ходовой части и шин на интенсивность 
колебаний колес автомобилей ................................................................................... 38 
1.2.1. Анализ конструкций рулевых управлений и подвесок автомобилей как 
колебательных систем.............................................................................................. 38 
1.2.2. Разработка и описание модели колебательной системы с двумя 
управляемыми мостами ........................................................................................... 41 
1.2.3. Математическое описание движения модели ............................................. 43 
1.2.4. Подготовка задачи для решения на ЭВМ .................................................... 46 
1.2.5. Исследование самовозбуждающихся колебаний в системе с одной 
(основной) степенью свободы с учетом нелинейностей...................................... 52 
1.2.6. Моделирование поведения системы с двумя основными степенями 
свободы...................................................................................................................... 54 
1.2.7. Экспериментальные исследования............................................................... 56 
1.2.8. Прогнозирование срока службы шин..................................................... 61 
1.2.9. Выводы ............................................................................................................ 67 
1.3. Исследование работы рулевых управлений с гидроусилителями .................. 68 
1.3.1. Первая схема................................................................................................... 68 

   1.3.2. Вторая схема.................................................................................................... 69 
1.3.3. Третья схема.................................................................................................... 69 
1.3.4. Теоретический анализ работы различных систем гидроусилителей........ 69 
1.3.5. Оптимизация углов давления в рулевых управлениях............................... 70 
1.3.6. Результаты экспериментальных исследований........................................... 74 
1.3.7. Выводы ............................................................................................................ 75 
 
 

2. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ И ТЯГОВО-ДИНАМИЧЕСКИХ КАЧЕСТВ 
ТРЕЛЕВОЧНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ.................................................. 76 
2.1. Объект и задачи исследования............................................................................ 76 
2.2. Методика оценки устойчивости колесных и гусеничных машин................... 76 
2.2.1. Колесные машины.......................................................................................... 76 
2.2.2. Особенности оценки устойчивости гусеничных машин с балансирной 
подвеской .................................................................................................................. 83 
2.2.3. Выводы. ........................................................................................................... 86 
2.3. Анализ тягово-динамических качеств тракторов ............................................. 87 
2.3.1. Показатели эффективности трактора........................................................... 88 
2.3.2. Анализ тягово-скоростных качеств тракторов различной 
энергонасыщенности................................................................................................ 92 
2.3.3. Выводы. ........................................................................................................... 94 
2.4. Применение системного подхода для обоснования параметров колесного 
трактора........................................................................................................................ 95 
2.4.1. Понятие и принципы системного подхода.................................................. 95 
2.4.2. Колесный трелевочный трактор как детерминированная система........... 98 
2.5. Параметры тяговой динамики трелёвочных тракторов и лесовозных 
автопоездов ................................................................................................................ 103 
 
3. УЛУЧШЕНИЕ УСЛОВИЙ ТРУДА РАБОТНИКОВ ПРИ ТЕХНИЧЕСКОМ 
ОБСЛУЖИВАНИИ, РЕМОНТЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АВТОМОБИЛЬНОЙ 
ТЕХНИКИ.................................................................................................................... 107 
3.1. Состояние проблемы в области улучшения производственных условий......... 107 
3.2. Шум и инфразвук в кабине машин лесного комплекса ................................. 107 
3.3. Вибрация............................................................................................................. 109 
3.4. Токсичные вещества в кабинах автопоездов.................................................. 111 
3.5. Микроклимат в кабинах машин лесного комплекса................................... 116 
3.6. Освещённость кабин машин лесного комплекса............................................ 119 
3.7. Ремонт машин лесного комплекса .................................................................... 120 
3.8. Нервно-эмоциональное напряжение................................................................. 121 
3.9. Работоспособность оператора........................................................................... 124 
3.10. Квалиметрическая модель оценки надёжности операторов машин лесного 
комплекса ................................................................................................................... 127 
3.11. Техническая оснащенность лесозаготовительных предприятий........................ 130 
3.12. Теоретическое обоснование критерия оценки безопасности машин лесного 
комплекса.................................................................................................................... 131 
3.13. Методика экспериментальных исследований.................................................. 135 
3.14. Выводы ............................................................................................................... 137 
 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ........................................................................................................... 139 
 
БИБЛИОГРАФИЯ....................................................................................................... 139 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Одним из разделов динамики лесных машин является изучение вопросов 
продольной и поперечной устойчивости их, распределения нагрузок по осям (или 
точкам подвески) и колесам. Неудачный выбор координат центра тяжести или точек приложения технологических сил при проектировании машины в условиях 
эксплуатации может привести к потере управляемости или устойчивости, а, в 
худшем случае, к аварии. Плохая управляемость и недостаточная устойчивость 
потребуют ограничения как скоростей движения, так и полезной нагрузки на 
транспортную систему, что, в конечном счёте приведет к снижению производительности. 
Известно, что эксплуатация лесных машин происходит по малоустроенным 
или совсем не устроенным транспортным путям, имеющим значительные продольные (до 20º) и поперечные (до 15º) уклоны, на волоках с различными почвенно-грунтовыми условиями, с резко различающимися рейсовыми нагрузками. Все 
это вызывает резкое изменение сил сопротивления движению, нагруженность ходовых систем, распределение нагрузок между осями (колесами), влияющих на 
безопасность движения. 
Большую часть парка лесных машин составляют гусеничные тракторы.  
В монографии рассмотрены вопросы продольной и поперечной устойчивости колесных и гусеничных тракторов на режиме установившегося движения с 
малой скоростью, а также условия и охрана труда работников при эксплуатации 
лесных машин. 

1. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ 
ДВИЖЕНИЯ И УПРАВЛЯЕМОСТИ МАШИН ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА 
 
1.1. Исследование влияния дисбаланса колес на возникновение 
колебаний в системах подвески и рулевого управления машин 
лесного комплекса 
 
При движении автомобилей по дороге с усовершенствованным покрытием 

могут возникать от случайных единичных возмущений автоколебания управляемых колес, а также вынужденные колебания колес, вызванные их дисбалансом. 
Эти колебания снижают комфортабельность езды, уменьшают пробег шин и долговечность деталей рулевого управления и подвески, а в некоторых случаях могут 
привести даже к потере управляемости автомобиля. 

Борьба с этил вредным явлением является актуальной задачей. Изучение ли
тературных и патентных источников показывает, что колебания управляемых колес имеют сложный характер, зависящий от многих факторов (от величины и разновидности дисбаланса колес, от скорости движения, от масс и моментов инерции 
колес, от жесткости и сопротивления рессор, от кинематической схемы подвески и 
рулевого управления, от характеристик шин и т.п.). 

До сих пор нет научно-обоснованного подхода к определению допуска на 

величину дисбаланса по типоразмерам шин. Также нет единого мнения относительно влияния дисбаланса на износ шин. 

При эксплуатации автомобилей часто бывает трудно различать автоколеба
ния управляющих колес от их вынужденных колебаний, вызванных дисбалансом 
колес. Запись колебаний на осциллограмму при различных скоростях движения 
позволяет решить этот вопрос однозначно, так как частота автоколебаний практически от скорости движения не зависит, а частота колебания, обусловленных дисбалансом колес, строго совпадает со скоростью вращения колес, т.е. линейно зависит от скорости движения. 

Причина возникновения процесса автоколебаний управляемых колес кроет
ся во внутренних свойствах самой колебательной системы. 

Автоколебания могут возбуждаться либо единичным возмущением от не
ровности дороги, либо наличием вынужденных колебаний, связанных с дисбалансом колес, с периодическими неровностями, с отклонениями от нормальной геометрической формы колес и т.п., однако эти факторы являются второстепенными 
при рассмотрении автоколебательного процесса движения, так как этот вид колебаний может продолжаться сколь угодно долго, даже после устранения источника 
возмущения, вызвавшего автоколебания. 

В связи с этим изучение внутренних свойств колебательной системы явля
ется актуальной задачей, так как позволяет определить первопричину автоколебаний управляемых колес, а следовательно, и успешно бороться с этим вредным 
явлением. 

1.1.1. Теоретический анализ влияния дисбаланса на колебания колес на 

подвеске. С момента изобретения автомобиля наибольшее число его усовершенствований относится к системам, обеспечивающим безопасную и комфортабель

ную езду на высоких скоростях движения. Среди них, в первую очередь, можно 
назвать подвеску, шины, рулевое управление. Появление мягких пневматических 
шин взамен цельно резиновых наряду с существенным улучшением плавности хода, привело в отдельных случаях к нежелательным явлениям, интенсивных, часто 
незатухающих колебаний в подвеске и рулевом управлении. 

Поскольку системы подвески и рулевого управления с колесами, снабжен
ными пневматическими шинами, имеют кинематические и гироскопические связи, 
число i обобщенных координат, которыми можно описать колебательный процесс 
в этих системах, как правило, больше двух: 

2
i ≥
. 

Кроме того, вследствие деформаций шин, возникающих при взаимодействии 

автомобиля с дорогой, появляются дополнительные степени свободы, учет которых весьма существенно усложняет математическое описание колебательного 
процесса. Многие элементы колебательной системы обладают существенными нелинейностями. 

Все перечисленное проводит к тому, что теоретический анализ колебатель
ного процесса, его зависимости от параметров и характеристик элементов колебательной системы оказывается весьма затруднен, требует применения нелинейных 
машин средней мощности. Аналитическое решение задачи становится практически невозможным, а применение ЭВМ – малоэффективно (вследствие нелинейностей в математической модели и необходимости идентификации математической 
модели и физического объекта по качеству выходного процесса). 

Вместе с тем, отдельные вопросы, связанные с появлением вынужденных 

колебаний управляемых колес от их дисбаланса, могут с достаточным для инженерной практики приближением решаться на упрощенной математической 
модели, получаемой путем гармонической линеаризации основного уравнения 
движения системы, а также путей пренебрежения связями между колебаниями 
по отдельным обобщенным координатам, ослабленными в отдельных диапазонах скоростей движения автомобиля вследствие существенного отличия частот 
колебания. 

Так, квазирезонансные колебания управляемых колес вокруг осей шкворней 

наблюдаются при одной скорости, а квазирезонансные колебания колес или неразрезного моста в поперечной плоскости – при другой. Влияние названных режимов движения друг на друга пренебрежительно мало, и они могут рассматриваться независимо друг от друга, конечно, на других скоростях движения автомобиля связь между колебаниями колес вокруг осей шкворней и колебаниями в поперечной плоскости существенно, но этот режим движения представляет малый 
интерес. 

Поэтому ниже рассматриваются эти колебания раздельно. Естественно, что 

выводы, полученные из рассмотрения упрощенных математических моделей колебаний управляемых колес вокруг осей шкворней и колебаний на подвеске, количественно справедливы только для областей квазирезонансных колебаний и сохраняют лишь качественное соответствие физическому объекту при других режимах движения. 

1.1.2. Математическая модель колебательной системы колеса на подвеске с учетом дисбаланса. С увеличением скорости движения всё большее 
влияние на работу машин лесного комплекса оказывают дисбаланс колес и шин, а 
также других вращающихся частей. Дисбаланс вызывает вибрацию, повышенную 
шумность и неприятные ощущения при езде. В отдельных случаях колебания колес могут быть более интенсивны и приводят не только к повышенному износу 
шин, узлов подвески, рулевого управления, но и к повреждениям лесовозного автопоезда. 
Статическая и динамическая несбалансированность колес в совокупности с 
радиальным и торцевым биениями являются постоянными источниками вынужденных вертикальных колебаний колес на подвеске и горизонтальных колебаний 
управляемых колес вокруг осей шкворней с частотой вращения колес. 
Причём, статистической неуравновешенностью считается такая, при которой 
главная центральная ось инерций колеса параллельна оси вращения, но не совпадает с ней. В этом случае колесо можно полностью уравновесить всего одной массой противовеса в плоскости, перпендикулярной оси вращения и проходящей через его центр тяжести. Однако, практически это иногда не выполняется. 
Динамическим дисбалансом колеса принято считать такой, при котором ось 
вращения колеса пересекается в центре его тяжести с главной центральной осью 
инерции под некоторым углом. Величина этого угла характеризует динамический 
дисбаланс количественно. Чаще все же, величину динамического дисбаланса оценивают центробежным моментом двух неуравновешенных масс, расположенных 
на колесе с разных его сторон в диаметрально противоположных точках. Такое 
представление динамической неуравновешенности боле наглядно. Мерилом эквивалентности обоих представлений динамического дисбаланса является равенство 
в обоих случаях центробежных моментов сил инерции неуравновешенных масс, 
возникающих масс, возникающих при вращении колеса. 
Обычно наблюдается комбинированная неуравновешенность колес, включающая как статистический, так и динамический дисбаланс. 
Вопрос о необходимости балансирования колес очень сложен и должен решаться для каждой модели в отдельности. 
Но даже при тщательной балансировке колес, всегда наблюдается остаточный дисбаланс. Допустимые значения остаточного дисбаланса колес тоже должны 
определяться дифференцированно по типажу автопоездов. 
Настоящий подраздел имеет целью произвести выработку рекомендаций по 
вопросам целесообразности проведения того или другого вида балансировки колес и определения размеров допустимого остаточного дисбаланса колес. 
В процессе качения колеса приведенная неуравновешенная масса m создает 
центробежную силу цб
F
, величина которой растет пропорционально квадрату скорости вращения 

R
V
m
R
m
F
2
2
цб
=
ω
=
,  
 
 
 
 
(1.1) 

 
 

где  
ω – угловая скорость вращения колеса; 
 
R – радиус качения колеса, к которому приведена неуравновешенная масса 
колеса m; 
 
V – скорость движения автомобиля. 
При вращении колеса непрерывно изменяется (по отношению к корпусу автомобиля) положение неуравновешенной массы и направление действия её центробежной силы инерции. Центробежная сила то прижимает колесо к дороге, то 
через полоборота колеса стремится его от опорной поверхности оторвать. 
Силу цб
F
 обычно раскладывают на две составляющие 

г
в
цб
F
F
F
+
=
, 
 
 
 
 
 
(1.2) 

где  
в
F  – вертикальная составляющая; 

 
г
F  – горизонтальная составляющая, 
причем 

;t
sin
F
F
цб
в
ω
⋅
=
  
 
 
 
 
(1.3) 

.t
cos
F
F
цб
г
ω
⋅
=
  
 
 
 
 
(1.4) 

Видим, что 
в
F  и 
г
F  имеют гармонический характер. Каждая из них способна вызывать вынужденные колебания колеса либо в вертикальной, либо в горизонтальной плоскостях. 
Составим математическую модель колебательной системы колеса на направляющем устройстве независимой двухрычажной подвески. 
Малые вынужденные колебания колеса в этом случае можно описать неоднородным дифференциальным уравнением 2-го порядка 

t
sin
F
z
c
z
h
z
m
цб
n
.
a
..
k
ω
=
+
+
, 
 
 
(1.5) 
где  
k
m  – неподрессоренная масса колеса; 
 
z – вертикальное перемещение колеса от положения статического равновесия; 
 
a
h  – коэффициент линейного сопротивления амортизатора; 
 
n
c  – жесткость подвески колеса. 
Преобразуем уравнение (1.5) с учетом (1.1) 

t
sin
R
m
mV
z
m
c
z
m
h
z

k

2

k

n
.

k

a
..
ω
=
+
+
 
 
 
 
(1.6) 

Обозначим 
;n
2
m
h

k

a =
 
2

k

n
k
m
c
=
; 
H
R
m
mV

k

2
=
, 

Тогда получим 

t
sin
H
z
k
z
n
2
z
2
.
..

ω
=
+
+
  
 
 
 
(1.7) 
Общее решение неоднородного дифференциального уравнения (1.7) найдем 
как сумму общего решения усеченного уравнения (без правой части) и частного 
решения с правой частью. 

После необходимых преобразований получим общий интеграл уравнения 
(1.7): 

)
t
sin(
A

)
kt
sin
k
cos
sin
n
kt
cos
(sin
Ae

)
kt
sin
k
nz
z
kt
cos
z
(
e
z

nt

0
0
0
nt

ε
−
ω
+

+
ε
ω
−
ε
+
ε
+

+
+
+
=

−

−


, 
 
 
(1.8) 

где  е – основание натуральных логарифмов; 
 
0
z  – начальное перемещение колеса на подвеске (в момент времени t=0); 
 
0
z  – начальная вертикальная скорость колеса (в момент времени t=0); 
 
А – амплитуда вынужденных колебаний; 
 
ε  – угол сдвига фазы колебания по сравнению с фазой возмущаемой силы; 

0
z  и 0
z  легко находятся из начальных условий движения. 
Первые два слагаемых выражения (1.8) соответствуют свободным и свободным сопровождающим колебаниям. Так как они с течением времени сравнительно 
быстро затухают, не будем их рассматривать в дальнейшем. 
После затухания свободных и свободных сопровождающих колебаний система будет совершать колебания часто вынужденные согласно выражению: 
)
t
sin(
A
z
ε
−
ω
=
  
 
 
 
 
(1.9) 
где 

2
2
2
2
2
n
4
)
k
(

H
A
ω
+
ω
−
=
,  
 
 
(1.10) 

ε  можно подсчитать по формуле 

2
2
k

n
2
tg

ω
−

ω
=
ε
. 
 
 
 
 
 
(1.11) 

1.1.3. Расчет интенсивности вынужденных колебаний колес на подвеске, вызванных дисбалансом колес. Выражения (1.10) и (1.11) дают возможность 
рассчитать вынужденные колебания колес на независимой двухрычажной подвеске в вертикальном направлении для любых моделей автомобилей. Предварительно 
необходимо для каждой из моделей автомобиля определить исходные данные для 
расчетов. Часть данных быть может определена по паспорту автомобиля, а такие 
данные, как 
a
h  и 
n
c  надо находить экспериментальным путем. Для этого обычно 
конструируются приспособления, позволяющие имитировать дорожные условия 
работы испытываемых узлов. 
Рассмотрим решение задачи по расчету вынужденных колебаний колес на 
подвеске на примере автомобиля со следующими исходными данными: