СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ......................................................5
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..........................................12
ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЖЕСТКОСТНЬТХ ПАРАМЕТРОВ......................................37
2.1 Математическая модель элементов гусеничного
движителя...............................................38
2.1.1 Уравнения кинематических связей между элементами гусеничного движителя.................................39
2.1.2 Уравнения силовых связей между элементами гусеничного движителя.................................43
2.1.3 Уравнения динамики гусеничного движителя........46
2.2 Методика линеаризации системы дифференциальноалгебраических уравнений.............................52
2.3 Методика численного решения системы уравнений, моделирующей динамическое поведение элементов гусеничного движителя............................................57
2.4 Алгоритм расчета динамических перемещений и скоростей элементов гусеничного движителя......................62
2.5 Алгоритм расчета оптимальных параметров шарнирного соединения...........................................64
2.5.1 Постановка задачи
оптимизации...........................................64
2
2.5.2 Алгоритм расчета оптимальных параметров на основе комплексного метода Бокса....................................65
Заключение к главе 2....................................72
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ШАРНИРНОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРАКОВ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ..........................74
3.1 Назначение, область применения программного комплекса ЭТЯАК..................................................74
3.2 Структура программного комплекса ЭТЯАК.................75
3.3 Решение тестовых задач.................................77
3.3.1 Вычисление динамических перемещений и скоростей элементов одномерной трехмассовой системы.......77
3.3.2 Экспериментальное и теоретическое определение параметров свободных колебаний участка гусеничного обвода..............................81
3.3.3 Оптимальное проектирование параметров подвески транспортного средства (четырехмассовая система с пятью степенями свободы)..............................84
Заключение к главе 3.....................................89
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................91
4.1 Объект исследования....................................91
4.2 Жесткостные характеристики шарнирных соединений
звеньев гусеничного обвода.................................95
4.3 Расчет динамических перемещений и нагрузок элементов ведущего участка гусеничной цепи с резинометаллическими шарнирными соединениями....................................99
4.4 Расчет амплитудно-частотных характеристик.............109
4.5 Оценка влияние жесткостных и инерционных параметров шарниров на их динамическую нагруженность............112
4.6 Влияние изменения жесткостных параметров резиновых элементов тройных и двойных проушин на динамическую нагруженность шарнира и неравномерность
нагружения................................................117
4.7 Расчет оптимальных жесткостных параметров
резинометаллических шарнирных соединений..................121
Заключение к главе 4......................................125
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ....................................127
ЛИТЕРАТУРА....................................................130
ПРИЛОЖЕНИЕ 1..................................................140
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время гусеничные машины широко применяются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства страны. Они играют ведущую роль в механизации полевых сельскохозяйственных работ, лесозаготовок, строительства, дорожных работ.
Основными преимуществами гусеничного движителя по сравнению с колесным являются:
- высокий коэффициент полезного действия;
~ хорошие сцепные качества;
- высокая проходимость;
- низкое удельное давление на грунт, что является хорошим экологическим показателем.
Вместе с тем гусеничные тракторы отличаются от колесных машин сложностью конструкций ходовой части и более высоким отношением массы трактора к его мощности. Особенностью движителя со звенчатым гусеничным обводом является наличие открытых кинематических пар, работающих в условиях абразивного износа. К ним можно отнести шарнирные соединения звеньев гусеничной цепи, контакт опорного катка с беговой дорожкой звена, контакт ведущей звездочки и звена. В связи с необходимостью учета абразивного износа в процессе эксплуатации при проектировании в конструкции элементов ходовой части закладывается избыток металла, что увеличивает массу трактора. С другой стороны, высокая материалоемкость объясняется применением в гусеничном движителе низкосортных материалов.
Другой немаловажный момент, занимающий особое место в исследованиях и проектировании ходовых систем, связан с повышением энергонасыщенности и ростом рабочих скоростей тракторов. Возрастание скоростного режима приводит к значительному увеличению динамических
5
и ударных нагрузок в гусеничном движителе, вибрациям. Увеличение нагрузок возникает как в силу принципиального устройства (звенчатость гусеничного обвода), так и вследствие конструктивных и технологических зазоров, а также обусловливается взаимодействием с сельскохозяйственными агрегатами и почвой. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной долговечности отдельных узлов. Кроме того, ударные взаимодействия и вибрации механизмов движителя, имеющих зазоры в кинематических парах, приводят к возрастанию энергетических потерь и снижению коэффициента полезного действия всего движителя. Источниками диссипации энергии являются механизмы с большим количеством зазоров (гусеничный обвод), при этом доля рассеиваемой им энергии оказывается весьма значительной. Наконец, возрастание уровня вибраций в гусеничном обводе приводит к разрушению грунта, что существенно увеличивает коэффициент буксования трактора.
Быстрый абразивный износ открытых шарниров, вибраций
гусеничного обвода, повышенные потери в ходовой части настолько существенны для энергонасыщенных тракторов, что уже первые эксплуатационные испытания современных гусеничных тракторов (ДТ-175С, Т-150, Т-250) показали полную несостоятельность применения традиционных серийных конструктивных схем гусеничного движителя. Поэтому ряд вопросов, связанных с коренным, принципиальным
совершенствованием ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов с целью повышения их надежности и долговечности, представляют собой актуальную задачу.
Проектирование и создание современных гусеничных тракторов связано с внедрением новых высокопрочных материалов,
совершенствованием конструкций и методов расчета. Одним из реальных путей решения поставленной задачи является применение в конструкциях
6
узлов и механизмов движителя силовых резинометаллических элементов, таких как резинометаллические блоки амортизационно-натяжного устройства, резиновые амортизаторы балансирных кареток, опорные катки с внутренними резиновыми и наружными резиновыми элементами, обрезиненные звенья, резинометаллические шарнирные соединения траков. Исследования в области транспортного машиностроения и эксплуатационные испытания сельскохозяйственных гусеничных тракторов показывают, что использование таких узлов обеспечивает существенное снижение массы и способствуют улучшению тягово-динамических качеств гусеничного движителя. Резина, как высокоэластичный и вязкоупругим материал, позволяет реализовать большие относительные смещения отдельных деталей узлов, способствует гашению динамических нагрузок и ударных воздействий. При этом внешнее трение металлических пар в условиях абразива заменяется внутренним трением резины. Данные факторы значительно повышают долговечность элементов движителя, за счет чего происходит снижение объема запчастей, необходимого для обеспечения заданного срока службы машины. Эти выводы справедливы и применительно к сельскохозяйственным тракторам, однако, они недостаточно серьезно рассматривались вплоть до недавнего времени, пока не были предложены конструктивные решения, имеющие низкую стоимость, и стали более доступными технологические процессы изготовления резинотехнических изделий.
За последние десятилетия коллективами конструкторских отделов заводов, таких как АТЗ, ВгТЗ, ХТЗ, совместно с учеными АлтГТУ, НАТИ и других организаций были спроектированы, изготовлены и испытаны различные варианты конструкций гусеничных цепей с РМШ [57]. Наибольший интерес представляют результаты испытаний гусениц с РМШ, установленных на энергонасыщенном тракторе Т-250. При проектировании гусеницы использовались результаты теоретических исследований,
7
основанных на современных методах расчетов и алгоритмах оптимального проектирования. По результатам испытаний средняя наработка гусениц с РМШ трактора Т-250 составила 5200 моточасов.
Особенностью проектирования перспективных конструкций гусеничных движителей с силовыми резиновыми и резинометаллическими является необходимость проведения большого объема научно-исследовательских работ. Решение задач, связанных с обеспечением работоспособности, надежности и долговечности подобного движителя требует отчетливых представлений о характеристиках используемых в нем резиновых элементов и об их влиянии на всю ходовую систему. При этом особое внимание должно быть уделено теоретическим исследованиям, позволяющим на стадии проектирования дать оценку прочности и надежности резинометаллических конструкций, разработать для них рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров. При разработке методов теоретической оценки нагруженности ходовой части возрастает роль динамических расчетов, особенно для новых проектируемых конструкций. Это дает возможность составления научно обоснованных норм проектирования параметров силовых резинометаллических элементов гусеничного движителя. Необходимы количественные критерии, характеризующие динамическую нагруженность элементов в зависимости от различных вариантов изготовления, отличающихся конструктивным исполнением, технологией изготовления. Без цифровых данных трудно обоснованно подходить к решению задач оптимизации гусеничного движителя с резинометаллическими элементами как с точки зрения качества, так и затрат на изготовление.
Несомненно, заключение о долговечности конкретного изделия в конкретных условиях эксплуатации может быть дано и по результатам полевых и стендовых испытаний гусеничной техники. Однако эти данные сразу оказываются бесполезными при изменении конструктивных
8
параметров или эксплуатационных условий. Кроме того, до настоящего времени не имеется достаточно надежных критериев эквивалентности эксплуатационных и стендовых режимов. Что же касается задачи оптимального проектирования, то здесь эмпирический путь вовсе непригоден 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 гусеничного движителя. Этому способствует стремительное развитие вычислительной техники.
Проведение оптимизационных расчетов параметров силовых резинометаллических элементов при статических, динамических, ударных, тепловых воздействиях требует обширных знаний в различных областях механики и вычислительной математики и является сложным, даже если каждая из частных задач, с точки зрения узкоспециальной, может считаться разрешимой с относительно малыми трудностями. Это является следствием большого разнообразия и взаимосвязанности факторов, обусловливающих механическое поведение резиновых элементов в гусеничном движителе, и требует систематического и комплексного изучения свойств резинометаллических элементов соединений с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов.
Следует отметить, что теория механического поведения резинометаллических элементов гусеничного движителя находится лишь на стадии становления. Имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных исследований весьма разрозненны, а вследствие различия в методиках и в степени их корректности не всегда сопоставимы.
Исследование динамического поведения элементов гусеничного движителя ограничивалось до настоящего времени лишь частным случаем. Рассматривались или отдельные участки гусеничного движителя (ведущий участок гусеничной цепи) или упрощенные постановки (разделение
9
колебаний гусеничной цепи на продольные и поперечные). При этом полностью отсутствуют методы оптимального проектирования с точки зрения снижения динамической нагруженности элементов гусеничного движителя.
В связи с этим настоящая работа посвящена разработке:
- методики теоретического определения динамических нагрузок, возникающих в гусеничном движителе при различных режимах работы и внешних условиях с учетом параметров шарнирных соединений звеньев гусеничной цепи;
- методов оптимального проектирования параметров резинометаллических соединений звеньев гусеничного обвода.
Основные теоретические положения диссертационной работы:
- создание математической модели динамического поведения элементов гусеничного движителя в виде системы дифференциальноалгебраических уравнений, учитывающей силовые и кинематические связи;
- применение метода временных конечных элементов при расчете динамического отклика элементов гусеничного движителя;
- применение теории прикладного оптимального проектирования динамических систем.
Материал настоящей работы изложен в четырёх главах.
Первая глава посвящена краткому обзору и анализу методов исследований, расчета и проектирования гусеничных обводов. Особое внимание уделено гусеничным движителям с резинометаллическими шарнирными соединениями гусеничного обвода. Глава заканчивается постановкой задач диссертационной работы.
Во второй главе представлена математическая модель и алгоритм расчета динамического отклика элементов гусеничного движителя на основе метода временных конечных элементов, а также алгоритм расчета
10
оптимальных жссткостных параметров резиновых элементов шарнирного соединения с целью снижения неравномерности нагружения этого узла.
В третьей главе приводится описание программного комплекса ОТИЛК, предназначенного для исследования динамического поведения гусеничного движителя при различных параметрах проектирования. Рассмотрены тестовые задачи.
В четвертой главе представлены результаты численных экспериментов, проведенных с использованием программного комплекса ЭТЯАК. Проведены расчеты динамических перемещений и нагрузок элементов шарнир ного соединения звеньев. В качестве объекта исследования рассмотрен наиболее нагруженный участок - ведущий участок гусеничного обвода. Исследовано влияние жесткостных характеристик резинометаллических шарнирных соединений звеньев на их динамическую нагруженность. Проведен расчет оптимальных жесткостных параметров шарнирного соединения с целью снижения неравномерности нагружения резиновых элементов.
11
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В связи с увеличением рабочих параметров гусеничных машин (единичной мощности, скоростей, нагрузок), а также при создании машин, предназначенных для работы в экстремальных условиях, возникает необходимость и повышается значимость обоснования их прочности и ресурса. Решение этой проблемы, как показывает последний опыт проектирования, испытаний и эксплуатации гусеничных машин, все в большей степени связывается с актуальностью использования при расчетах на стадии проектирования результатов фундаментальных научных исследований в области динамики механических систем, механики деформируемого твердого тела.
До настоящего времени срок создания новой модели гусеничного зрак-. тора зачастую составлял 10-15 лет, включая время, необходимое на экспериментальную доводку. При этом процесс доводки продолжался на протяжении всего периода выпуска изделия вплоть до снятия его с производства.
Одним из наиболее перспективных способов повышения качества, сокращения сроков разработки и подготовки выпуска гусеничных машин является автоматизация процесса проектирования отдельных узлов, механизмов и всей машины в целом с помощью системы автоматизированного проектирования на основе внедрения и использования проблемно-ориентированных программных комплексов.
Проектирование элементов гусеничных движителей характеризуется специфическими условиями, особенностью которых являются жесткие требования к металлоемкости. Снижение металлоемкости конструкций гусеничного движителя приводит к максимальному использованию резервов прочности конструкционных материалов и обусловливает высокую напряженность несущих элементов не только в экстремальных ситуациях, но и при нормальной эксплуатации. Другой немаловажный момент, занимающий особое место
12
- Київ+380960830922