СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.............................................................4
Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДИНАМИЧЕСКАЯ НАГРУЖЕННОСТЬ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................ 7
1.1. Особенности подхода к вопросу динамическая нагруженность быстроходных гусеничных машин при
конверсии............................................................7
1.2. Вибрационные нагрузки в движущейся гусеничной машине............8
1.3 Дизель как повышенный источник вибрации.........................11
1.4. Собственные колебания тела человека............................12
1.5. Влияние вибраций на функции организма человека.................17
1.6 Конструкции виброизоляторов для гусеничных машин................22
1.7. Динамические характеристики резинометаллических
виброизоляторов.....................................................28
1.8 Нормирование вибраций гусеничных машин..........................30
Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.......................32
Глава 2. Моделирование динамического поведения гусеничной машины 35
2.1. Уравнение динамики элементов гусеничного движителя.............36
2.1.1. Уравнения кинематических связей между элементами гусеничного движителя...........................................................38
2.1.2. Уравнения силовых связей между элементами гусеничного движителя...........................................................40
2.1.3. Уравнение динамики гусеничного движителя.....................44
2.2. Алгоритм решения нелинейной системы дифференциально-алгебраических уравнений............................................47
2.3. Методика численного решения системы уравнений, моделирующей динамическое поведение элементов гусеничного движителя..............51
2.4. Результаты численных расчетов гусеничной машины с различными типами подвески гусеничного движителя...............................57
з
Г лава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ БАЗА ДЛЯ ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ КОЛЕБАНИЙ ТРАНСПОРТНОГО ДИЗЕЛЯ, ДВИЖЕТЕЛЕЙ И ДРУГИХ ВОЗБУДИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ НА ВИБРАЦИИ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ.............................................................82
3.1. Экспериментальная гу сеничная машина для исследования вибраций в
условиях ходовых испытаний.........................................82
3.1 Л. Ходовая часть гусеничной машины ГМ 520......................85
3.2. Экспериментальный стенд для исследования вибраций транспортных дизелей гусеничных машин...........................................90
3.3.Измерение основных величин и оценка погрешности измерений при
про веден и и э кс п е р и м ентал ь н ы х и селе до ван и й.......95
3.4.Методика анализа и оценки вибрации.............................99
3.5. Программа научных исследований но изучению вибраций гусеничных машин................................................. 101
3.6. Особенности определения локальных вибраций в гусеничных машинах...........................................................103
3.7. Получение исходных данных о вибрации гусеничных машин........112
3.8. Выводы по главе 3............................................113
Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРАЦИЙ НА
ГУСЕНИЧНЫХ МАШИНАХ ПОДЛЕЖАЩИХ КОНВЕРСИИ...........................115
4.1. Влияние тина подвески па вибрации гусеничных машин..........1 15
4.2.Экспериментальное исследование источников вибраций на гусеничных машинах ГМ 520.........................................122
4.3. Экспериментальные исследования локальных вибраций на
семействе гусеничных машин от дизелей и ходовой части.............133
4.4. Некоторые попытки снижения вибрационных нагрузок на гусеничных машинах за счет изменения конструкции кузова...........147
4.5. Оценка эффективности работы амортизаторов гусеничной
машины при разных вариантах их установки..........................148
4.6. Измерения плавности хода гусеничной машины ГМ 520............150
4.7. Выводы по главе 4............................................152
Выводы по работе..................................................153
Список литературы.................................................156
4
ВВЕДЕНИЕ
Эксплуатационные характеристики конверсионных гусеничных машин в значительной мере определяются динамическими процессами, которые проявляются в виде вибраций на отдельные агрегаты и механизмы гусеничных машин. Кроме того, уровень вибраций отрицательно влияет на экипаж машины, что связано со здоровьем водителей. Динамическая нагруженность гусеничных машин определяет долговечность и моторесурс элементов, узлов гусеничного движителя. Проведенные до настоящего времени экспериментальные исследования показали значительное влияние параметров подвески силовых установок и параметров подвески гусеничного движителя на вибро-нагруженность гусеничной машины. Динамическая нагруженность гусеничной машины в первую очередь определяется перемещениями, скоростями и ускорениями, а также силовыми воздействиями как отдельных элементов, так и всей машины.
Богатейший опыт транспортного машиностроения в области исследования динамики гусеничных машин может быть использован в народном хозяйстве. В связи с этим тема представленной диссертационной работ!,I является актуальной.
Именно этой проблеме, то есть, созданию инструментальных вычислительных средств, а также проведению экспериментальных исследований по динамике гусеничных машин, оценке влияния параметров подвески силовой установки, параметров подвески гусеничного движителя посвящена настоящая работа.
I (ель работы - создание методологии (методики) экспериментального исследования вибронагруженности узлов и агрегатов, а также создание программных комплексов для теоретических исследований динамических параметров быстроходных гусеничных машин, подлежащих конверсии.
Методика исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач используются методы измерения вибраций на различных местах гусеничной машины и методы математического моделирования ди-
5
намического поведения многомассовых механических систем с силовыми и кинематическими связями, численные методы математического анализа.
Объект исследования. Быстроходная гусеничная машина, работающая в сложных дорожных условиях с изменением рабочих скоростей в диапазоне до 60 км/ч, с рассмотрением подвески гусеничного движителя и силовой установки.
Научная новизна работы заключается в получении новых экспериментальных данных, по динамической нагруженности центра масс и носовой части корпуса быстроходных гусеничных машин. Изучение характеристик распространения динамических процессов, обусловленных вибрациями дизеля и неровностями профиля дорожного полотна. Также изучены влияние конструктивных параметров подвески гусеничного движителя на вибронаг-руженность корпуса машины и дана оценка влияния параметров подвески движителя на динамическую нагруженность и плавность хода.
Основными разделами представленной работы, определяющими новизну являются:
- создание алгоритма и разработка программного комплекса для определения динамических перемещений, скоростей и ускорений элементов гусеничного движителя и корпуса машины;
- установлена зависимость динамической нагруженности корпуса от конструктивной схемы гусеничного движителя, параметров подвески, опорных катков и профиля дорожного полотна;
- экспериментальными исследованиями установлены значения вибрационных нагрузок, действующие со стороны дизеля и гусеничного движителя на сидение водителя, приборы и другое оборудование.
Практическая ценность. Разработана математическая модель динамического поведения элементов гусеничной машины и на её основе программный комплекс. Программный комплекс позволяет определить динамическое поведение элементов гусеничного движителя, корпуса машины. Результаты исследований могут быть использованы при разработке и усовершенствовании новых гусеничных машин.
6
Работа выполнена как часть целевой комплексной, научно-технической программы СО РАН " Конверсия", "Экология", региональной научно-технической программы "Алтай" Минобразования Российской Федерации.
Апробация работы. Материалы исследований, теоретических разработок по теме диссертации доложены на научно-технических конференциях Алтайского государственного технического университета в 1999-2001 годах, на научно-технических конференциях в г.г. Рубцовске, Москве, Пензе и Барнауле.
Публикации. Все основные положения диссертации опубликованы в 10 статьях в сборниках Академии Транспорта Российской Федерации, АлтГТУ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 115 источников отечественной и зарубежной литературы. Диссертация содержит 165 страниц машинописного текста, 42 таблицы, 52 рисунка.
Реализация результатов исследований осуществлена в ОАО "Рубцовский машиностроительный завод" при разработке и усовершенствовании гусеничных машин, подлежащих конверсии, в учебном процессе АлтГТУ. Основные положения, выносимые на защиту:
- алгоритм решения систем уравнений, описывающих динамическое поведение гусеничной машины;
- методика численного решения систем уравнений, моделирующих гусеничную машину, как многомассовую механическую систему;
- программный комплекс для решения задачи динамики 1усеничной машины;
- результаты исследований влияния параметров подвески, скоростных режимов и профиля дорожного покрытия на вибрации корпуса гусеничной машины;
- результаты экспериментальных исследований по влиянию источников вибрации на динамическую нагруженность гусеничных машинах ГМ520.
7
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ДИНАМИЧЕСКАЯ НАГРУЖЕННОСТЬ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН, ПОДЛЕЖАЩИХ КОНВЕРСИИ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1. Особенности подхода к вопросу динамическая нагруженность быстроходных гусеничных машин при конверсии
Изготавливаемые многоцелевые быстроходные гусеничные машины, подлежащие конверсии - машины повышенной проходимости, плавающие должны отвечать ГОСТам по уровню шума, вибрации, мребованиям виброзащиты водителей, используемой в народном хозяйстве [1, 2, 14, 15, 16, 17, 18,20,21,36,51,57].
Указанные требования, связанные с оценкой вибраций корпуса гусеничной машины, возникающих в результате неуравновешенности сил и моментов силовой установки, а также от динамических нагрузок, передаваемых подвеской машины.
А система подрессоривания, изменяя давление под гусеницами, влияет на проходимость гусеничной машины.
Одним из требований, предъявляемым к современным гусеничным машинам, является повышение их подвижности за счет увеличения скорости движения.
Встает вопрос о разработке новых конструкций подвески, новых технических решений по снижению потерь мощности в гусеничном движителе и повышению надежности ходовой части при существенно возросших динамических нагрузках.
Одним из требований, предъявляемым к системам подрессоривания гусеничных машин и является обеспечение высокой плавности хода, характеризуемой уровнем динамического воздействия на корпус. Увеличение плавности хода характеризуется в основном малыми вертикальными ускорениями, передаваемыми на корпус машины, быстрым гашением
8
свободных колебаний корпуса, частотой линейных и угловых колебаний в пределах, наиболее привычных для человеческого организма.
При движении по большим неровностям в любых режимах вертикальные ускорения, действующие на водителя не должны превышать 3,5
При проектировании новых подвесок гусеничных машин необходимы цифровые данные по результатам полевых и стендовых испытаний. При изменении конструкции подвески эти данные сразу изменяются.
До настоящего времени не имеется достаточно надежных критериев эквивалентности эксплуатационных и стендовых режимов. Что же касается задачи оптимального проектирования, то здесь эмпирический путь вовсе не пригоден в силу высокой стоимости эксперимента при многовариантном переборе параметров. Таким образом, наибольший удельный вес в процессе конструкторской работы приобретает математическое моделирование динамического поведения элементов ходовой части движителя. Этому способствует стремительное развитие вычислительной техники.
] .2. Вибрационные нагрузки в движущейся гусеничной машине
Вибрации в гусеничных машинах существуют как из-за неуравновешенности сил и моментов, так и от динамических нагрузок в элементах ходовой части. Дизель гусеничной машины является мощным источником вибраций с насыщенным спектром частот [89].
В настоящее время установлены основные положения оценки вибронагруженности рабочих мест водителей грузовиков [52], тракторов [85], самоходных машин в строительстве [17], гусеничных машин [74], колесных машин [36] по спектральным характеристикам ускорений с учетом чувствительности человека /ИСО 2631/.
В многостепенных колебательных системах, которыми являются подвески современных автомобилей, тракторов, гусеничных машин, при наличии связанности колебаний отдельных подсистем заложена воз-
9
а)
Рис. 1.1. Механическая модель (а) амплитудно-частотная характеристика (б) тела человека
Агр
Ат
2.5 2,0
4.5
0.5
2^ Л
5'1 / \ и
1 \ %
Г 0 ' ч 2 N > а Л > ^ * 5 И ч\ \ * ^ /
Рис. 1.2. Дувухмассова динамическая модель тела сидящего человека и ее амплитудно-частотные характеристики
10
можность широкого ре1улирования амплитудой и фазовой частотных характеристик за счет изменения соотношения масс, жесткостных и демпфирующих характеристик элементов подвески [8,22,27,30].
В нашем случае систему “дизель - корпус - сидение экипажа” можно рассматривать на основе теории динамических гасителей колебаний. Основной смысл такого подхода заключается в том, что путем согласования таких параметров, как отношение собственных частот главной массы и массы динамического гасителя, отношение главной массы и массы динамического гасителя, собственные частоты колебаний главной массы и массы динамического гасителя, коэффициент вязкого сопротивления, можно значительно изменить зависимость между относительной амплитудой перемещения главной массы ш и безразмерной частотой возмущения [34].
Движение гусеничных машин по пересеченной местности вызывает в кабинах и пассажирских отсеках спектр вибраций, характеристики которых являются многофакторными. Зачастую движение по местности сопровождается ударными явлениями, когда исчерпывается динамический ход балансиров опорных катков относительно корпуса гусеничной машины и происходит так называемое “пробой” подвески. Ударные возмущения при этом оценивают по длительности и уровню максимальных ускорений. В начальный период ускорение растет плавно до А...6% за 60...90 мс. Затем наблюдается более интенсивный рост ускорения до 16...17§ на отметке 110...120 мс, а продолжительность процесса составляет до 200...250 мс [74,89].
Уровень и частота ускорений зависят от скорости движения, типа гусеничной машины, особенностей ее ходовой части, тина трассы. В рассматриваемых нами гусеничных машинах ходовая часть выполнена с независимой торсионной подвеской каждого опорного катка, катки имеют внутреннюю амортизацию и металлический обод, беговая дорожка на гусеничных цепях - металлическая, гусеничные цепи двух типов ЦЛТ -цельнолитые траки с резинометашическими шарнирами /РМШ/
11
последовательного типа, шаг цепи - Ь| мм; СГ - составные траки, соединенные РМШ параллельного типа, шаг Ь2 мм [20].
1.3 Дизель как повышенный источник вибрации
Дизели широко используются в составе гусеничных машин и являются возбудителями вибраций, передаваемых через виброизоляторы на корпус машины, приборы, механизмы, движители. Поскольку любой дизель возбуждает колебания, его следует считать внешне неуравновешенным. Внешняя неуравновешенность является вредным явлением, поэтому, прежде чем приступить к ее уменьшению или устранению, необходимо оценить его величину.
Внешнюю неуравновешенность дизеля определяют переменные по времени силы инерции подвижных масс в их относительном движении к блоку цилиндров и условием полного уравновешивания является равенство нулю главного вектора и главного момента этих сил относительно произвольного центра. Согласно известной теореме уравновешивания машин, если машина является внешне уравновешенной при равномерном времени ведущего звена, то она остаемся внешне уравновешенной при любой другой частоте вращения ведущего звена [34].
Дизели, в зависимости от конструкций, расположения цилиндров, тактности, количества цилиндров, схемы коленчатого вала, порядка чередования вспышек в цилиндрах, могут быть неодинаково уравновешенными по силам инерции первого, второго и других порядков, моментам действующих сил. Дизели остаются неуравновешенными по опрокидывающему моменту. Последние могут вызывать сильные вибрации при резонансе [8,15,18,22,34,42,57]. Указанная неуравновешенность является источником низкочастотных колебаний дизеля.
Колебания дизеля и трансмиссии с частомами, соответствующими низшим гармоникам частоты вращения валов принято называть
12
низкочастотными вибрациями [67]. Колебания дизеля последнего подчиняются законам, справедливым для колебательной системы, представляющей собой сосредоточенную массу, закрепленную на упругих опорах, система имеет 6 степеней свободы, ей свойственны 6 форм вынужденных колебаний.
Высокочастотные колебания вызываются ударами и трением в деталях и узлах кривошипно-шатунного механизма, газодинамическими колебаниями давления в цилиндрах в процессе сгорания [68,75,77,86].
Высокочастотные колебания возникают в дизеле под действием периодически меняющихся вращающих моментов - периодической неравномерности хода, которая регулируется установкой маховика.
1.4. Собственные колебания тела человека
Обоснование оценки физиологических последствий динамических воздействий на тело человека связано прежде всего с определением его динамических свойств [75].
Некоторые авторы справедливо представляют тело человека как конструкцию, состоящую из костей, которые в механическом отношении подобны твердому телу, и мягких упругих тканей, сходных с эластомерами. Другими словами тело человека можно представить как очень сложную систему масс, упругих и амортизирующих элементов, соединенных между собой в единое целое.
Точно охарактеризовать эту систему в целом по отношению к механическим возмущениям во всем диапазоне частот, имеющих место в гусеничных машинах, сложно [931. Наиболее сложно защитить человека от колебаний и ударов с частотами до 20...30 Гц, так как при более высоких частотах существуют возможности защиты демпфирующими устройствами [78]. Однако для обеспечения нормальной работы экипажей гусеничных машин необходимо учитывать воздействие и высокочастотных колебаний, передающихся на центральную нервную систему, зрительный аппарат.
13
Механическая модель и амплитудно-частотная характеристика тела человека может быть представлена, как это предложено Е.В. Графеевым, Р.П. Демченко, В.П. Трегубовым (см. рис. 1.1). Здесь Сь С2, С3 - приведенные жесткости масс головы, туловища и т.д., К|,К2,К3 - суммарные коэффициенты сопротивления подвески головы, туловища и т.д. А расчетная схема динамической системы “оператор-сидение” представлена на рис. 1.2. Здесь ш-масса подрессоренной части сидения; т., - масса тела человека [75].
В таблице 1.1 обобщены собственные или резонансные частоты колебаний тела человека, его частей и органов. Данные таблицы дают представления о диапазоне опасных частот колебаний. Вопреки данным НАМИ, где указано, что диапазон опасных резонансных частот лежит в диапазоне 10. ..20 Гц [21], авторы [75] доказывают, что диапазон резонансных частот колебаний тела человека находится в пределах 1 ...400 Гц.
14
Таблица 1.1
Собственные или резонансные частоты колебаний тела человека, его
частей и органов
Тело, его части, органы и их положение Частота колебания, Гц тело, его части, органы и их положение Частота колебания. Гц
Тело человека: Грудная клетка 60
лежа 3-4 (диафрагма напряжена)
сидя стоя 4-6 5 и 12 Системы:
Г олова: грудь-голова 1-8
при горизон- грудь-живот 3-6
тальных коле- 2 газ-грудь 4-8
баниях Глазные яблоки 20-30 и 60-90
относительно тела Черепная коробка 20-30 300-400 Нижняя челюсть относительно черепа 100-200
Шея 3,5 Череп 300-400
Туловище на мягком сидении 2-3 Полусогнутые руки 30-40
Внутренние
органы брюшной 4-8 Плечевой пояс с руками 3-4
полости
селезенка 5-7 Плечи 20-30
желудок 2-5 Таз 5 и 9
печень 3-4 Яички в мошонке 8-20
Позвоночник 4-8 Анус прямой кишки 11-16
При рассмотрении колебаний человека его тело можно условно заменить физической моделью, позволяющей с некоторой степенью точности описать поведение колебательной системы при помощи дифференциальных уравнений. В качестве модели в ряде случаев применяется трехмассовая система, эквивалентная телу человека, сидящего