Оптимизация параметров узлов ходовой части гусеничных машин с целью снижения их динамической нагруженности

В настоящее время гусеничные машины широко применяются в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства страны. Оки 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 тем, что при проектировании необходимо учитывать абразивный износ в процессе эксплуатации, 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 при исследованиях и проектировании ходовых систем, связан с повышением энергонасыщенности и ростом рабочих скоростей тракторов. Возрастание скоростного режима приводит к значительному увеличению динамических и ударных нагрузок в гусеничном движителе, вибрациям. Увеличение нагрузок возникает как в силу принципиального устройства (звенча-тость гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а таюке обуславливается 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 конструктивных схем гусеничного движителя. Поэтому тракторостроением поставлен перед научными коллективами страны ряд вопросов, связанных с коренным, принципиальным совершенствованием ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов с целью повышения их надежности и долговечности.

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 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 АлтПИ, НАТИ и др. 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, 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 нагруженностъ 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 с точки зрения как 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 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 рези-нометаллических 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, обуславливающих механическое поведение резиновых элементов в гусеничном движителе, и требует систематического и комплексного изучения свойств резинометаллических элементов соединений с учетом конструк-торско-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 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;

— методов оптимального проектирования параметров резинометалличе-ских соединений звеньев гусеничного обвода.

Основные теоретические положения диссертационной работы:

— создание математической модели динамического поведения элементов гусеничного движителя в виде системы дифференциально-алгебраических 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 шести 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.

В третьей главе приведен обзор и сравнительный анализ методов оптимального проектирования динамических конструкций. Дано обоснование выбора метода Бокса для проектирования оптимальных параметров элементов гусеничного обвода.

В четвертой главе приводится описание программного комплекса БТИАК, предназначенного для исследования динамического поведения гусеничного движителя при различных параметрах проектирования. Рассмотрены тестовые задачи.

В пятой главе представлены результаты численных экспериментов, проведенных с использованием программного комплекса ШПАК. Проведены расчеты динамических перемещений и нагрузок элементов ведущего участка гусеничного обвода. Исследовано влияние жесткостных характеристик резинометаллических шарнирных соединений звеньев на динамическую нагруженность. Проведен расчет оптимальных параметров шарнирного соединения.

В шестой главе показаны направления возможного использования разработанных в данной работе методик, алгоритмов и программного комплекса при решении оптимизационных задач, связанных с динамикой транспортных средств.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработана математическая модель динамического поведения гусеничного движителя с учетом голономных кинематических связей, описываемая системой нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка и нелинейных алгебраических уравнений.

2. На основе метода временных конечных элементов разработан алгоритм расчета динамических перемещений и скоростей элементов гусеничного движителя.

3. Дана постановка задачи параметрической оптимизации элементов гусеничного движителя с целью снижения их динамической на-груженности. Разработан алгоритм расчета оптимальных жесткостных параметров резинометаллических шарниров. В качестве функции цели выбирается максимальное значение амплитуды динамической нагрузки, вычисляемое в процессе реализации метода временных конечных элементов. В качестве оптимизационного метода был использован один из прямых методов — комплексный метод Бокса, позволяющий учитывать ограничения на параметры проектирования. Необходимость применения данного метода продиктована тем, что функция цели задается не аналитически, а в виде алгоритма.

4. По разработанным методикам и алгоритмам создан пакет прикладных программ БТ11АК, который может быть использован как программное обеспечение САПР гусеничного движителя.

5. Работоспособность предложенных алгоритмов и программного комплекса проверена на опубликованных в литературе тестовых примерах. В результате численных экспериментов было установлено следующее: алгоритм расчета динамических перемещений и скоростей элементов многомассовых систем дает меньшую по сравнению с другими численными методами погрешность вычисленияоптимизационный алгоритм на основе комплексного метода Бокса, использующего для вычисления функции цели метод временных конечных элементов, имеет хорошую сходимость.

6. В качестве примера, демонстрирующего возможности программного комплекса БТИАК, рассмотрена динамика ведущего участка гусеничного движителя трактора Т-250. Исследовано динамическое поведение элементов ведущего участка в момент выхода трака из-под опорного катка. Проведено исследование влияния жесткостных параметров шарнирных соединений звеньев (в том числе влияние нелинейности жестко-стной характеристики резинометаллических шарниров) на динамическую нагруженность гусеничного движителя. В результате численного эксперимента получена расчетная амплитудно-частотная характеристика. Проведено сопоставление расчетной АЧХ с экспериментальной, полученной в результате стендовых экспериментов. Кроме того, произведен расчет оптимальных коэффициентов радиальной и угловой жесткости резиноме-таллического шарнира. В результате реализации численных экспериментов получены следующие данные:

— в момент выхода трака из-под опорного катка происходит увеличение амплитуд горизонтальных перемещений на 1,11%, вертикальных перемещений на 10,4%, угловых перемещений на 14,8% и динамических сил на 10,1%;

— нелинейность радиальной жесткостной характеристики существенно влияет на динамическое поведение элементов системы, при этом наблюдается снижение амплитуд горизонтальных перемещений на 53,5%, вертикальных перемещений на 5,24%, угловых перемещений на 3,07% и динамических сил на 7,93%;

— анализ расчетной и экспериментальной АЧХ показал хорошее совпадение значений резонансных частот, при этом разность расчетных и экспериментальных значений составила не более 2 сек" 1;

— в заданном диапазоне изменения значений коэффициентов радиальной (К) и угловой (Кф) жесткости резинометаллического шарнирного соединения траков выявлен минимум критерия динамической нагруженности (4^=0,96−0,98 при К =15 000 — 17 000 кН/м и К<�р.= 0,8−1,25 кНм/рад);

— получены оптимальные значения жесткостных параметров резинометаллического соединения траков (значения коэффициентов радиальной жесткости К =16 250 кН/м и угловой жесткости К (р.= 0,983 кНм/рад), при этом динамическая нагруженность снизилась на 19,2% по сравнению с исходной конструкцией.

7. Выработаны рекомендации и даны перспективы использования предлагаемых в данной работе методик и алгоритмов исследования динамической нагруженности и оптимального проектирования механических систем.