Прогнозирование вибронагруженности дотрансформаторной зоны трансмиссий транспортных машин и синтез гасителей крутильных колебаний

Актуальность проблемы.

При разработке транспортных машин с дизельными двигателями и разнесенным моторно-трансмиссионным отделением передача момента от двигателя к гидромеханической трансмиссии осуществляется через карданную передачу, образуя так называемую дотрансформаторную зону.

Гидротрансформатор обычно выполняет роль активного демпфера возмущений, однако в дотрансформаторной зоне возникают высокочастотные процессы с существенной амплитудой. Это приводит к динамической нагруженности элементов дотрансформаторной зоны и ограничению их долговечности. Кроме того, высокий уровень вибраций, колебательные процессы в трансмиссии приводят к вибронагруженности машины в целом, снижая ее комфортабельность.

Учитывая высокую стоимость современных трансмиссий и ^ дополнительные затраты на восстановление в течении ресурса машины, проблема исключения колебаний в трансмиссии транспортных машин является актуальной. Снижению вибронагруженности механических приводов посвящены исследования многих ученых и специалистов, в результате которых предложен ряд методов динамического гашения колебаний.

Предлагаемые исследователями различные методы снижения динамической нагруженности путем оптимизации упруго-инерционных параметров системы, обеспечивающих вывод резонансных режимов работы за пределы рабочего диапазона, синтез динамических гасителей не всегда можно реализовать из-за конструктивных, технологических и экономических V ограничений. Эта задача решается обычно путем линеаризации системы, поэтому частоты и формы собственных колебаний не всегда соответствуют действительным.

В трансмиссиях транспортных машин чаще применяются упруго-демпфирующие гасители колебаний. Выбору параметров таких гасителей посвящены многие исследования отечественных и зарубежных специалистов. Установленные рекомендации применимы на этапе доводки механических трансмиссий. При этом не в полной мере учитывается полигармонический характер возмущения и динамика разветвленной нелинейной системы, что не позволяет выявить все параметры, существенно влияющие на частотный спектр динамической системы. Кроме того, в известных работах в недостаточно полном объеме освещены особенности виброзащиты гидромеханических трансмиссий. Недостаточный уровень проработки в области создания гасителей приводит к тому, что при конструировании выбор типа гасителя и его параметров осуществляется на уровне изобретений в процессе доводки конструкции. Необходимость решения этой задачи на ранних стадиях проектирования и определяет актуальность проведения настоящего исследования.

Используя достижения науки в области механики и статистической динамики транспортных машин, представляется возможным прогнозировать вибронагруженность дотрансформаторной зоны трансмиссии, решать обратную задачу по выбору типа конструкции гасителя колебаний и определения его параметров.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ — создание метода прогнозирования вибронагруженности трансмиссий транспортных машин и определения параметров динамических гасителей.

Методы исследования.

Для решения поставленных в диссертационной работе задач проводится спектральный анализ характеристик двигателя, компьютерное моделирование динамики механической системы «двигатель — трансмиссиятранспортная машина», как существенно нелинейной, экспериментальное исследование, а также решается обратная задача выбора параметров конструкции, обеспечивающих приемлемую динамическую нагруженность трансмиссии транспортной машины. Обработка экспериментальных данных велась на основе теории вероятности, спектральных функций, прямого преобразования Фурье в программных пакетах Mathcad 2001 и Statistica 5.5.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлена физика ограничения долговечности элементов дотрансформаторной зоны трансмиссий транспортных машин и основные причины высокой динамической нагруженности.

2. Разработана математическая модель дотрансформаторной зоны трансмиссии транспортной машины, в которой на основе использования методов статистической динамики и спектрального анализа впервые учтены существенно нелинейные свойства разветвленной механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина» при полигармоническом возмущении от дизельного двигателя с учетом виброзащитных свойств гидромеханической трансмиссии.

3. Получены новые экспериментальные данные о динамических процессах, протекающих в системе «двигатель — трансмиссия — транспортная машина» при различных режимах работы силовой установки, на основе которых выявлены условия возникновения резонансов в дотрансформаторной зоне, сформулированы исходные допущения к математической модели, выполнена идентификация ее параметров.

4. На основе обобщения результатов расчетных и экспериментальных исследований разработан инженерный метод, позволяющий на ранних этапах проектирования прогнозировать и обеспечивать вывод резонансных режимов за пределы рабочего диапазона и соответственно повысить надежность трансмиссий транспортных машин.

Практическая ценность.

Разработанный метод прогнозирования вибронагруженности трансмиссий транспортных машин и определения параметров динамических гасителей колебаний, позволяет на стадии проектирования уменьшить динамическую нагруженность элементов и за счет сокращения доводочных работ ускорить процесс создания новых образцов техники, снизить затраты на ее разработку. ^ Разработанный пакет компьютерных программ позволяет прогнозировать условия возникновения резонансных режимов при действии периодических моментов, обусловленных работой дизельного двигателя, по совмещенной частотной характеристике ДВС и механической многомассовой системы и решать обратную задачу по выводу резонансных режимов за пределы рабочего диапазона.

Разработан и изготовлен мобильный измерительно-регистрирующий комплекс, состоящий из ПЭВМ PC-совместимого типа в исполнении notebook, 8-канальной системы регистрации данных (СРД) фирмы Conrad Electronic, усилительных ячеек (Burr-Broun) — нормализаторов сигналов низкого уровня от тензометрических мостов и стабилизированного источника питания для питания датчиков, тензомостов, усилителей, СРД иL* преобразователя импульс-частота-напряжение, блок предачи сигналов по радиоканалам. Система позволяет проводить экспериментальные исследования динамики трансмиссии в реальных условиях движения транспортной машины.

Использование алгоритма решения обратной задачи позволило синтезировать конструкцию гасителя колебаний, что позволило уменьшить амплитуду динамического момента в дотрансформаторной зоне в 5.6 раз и вывести резонансный режим за пределы рабочего диапазона частот вращения двигателя.

На защиту выносятся: Метод прогнозирования вибронагруженности трансмиссий транспортных машин и синтеза динамических гасителей ^ колебаний, математическая модель механической системы «двигатель трансмиссия — транспортная машина», результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Реализация работы.

Теоретические и экспериментальные исследования отражены в 2 отчетах о НИР, переданных ОАО «СКБМ» и управлению конструкторских работ ОАО «Автодизель». Результаты работы использованы при доводке трансмиссий серийно выпускаемых изделий производства ОАО «Курганмашзавод» ТМ-120, MJI-107 и опытного изделия ТМ-130, а также в учебном процессе при подготовке студентов специальности 150 300 в Курганском государственном университете.

Апробация работы.

Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались: на XIV межгосударственном постоянно действующем научно-техническом семинаре при Саратовском государственном аграрном университете имени Н. И. Вавилова. — Саратов, 2002., на XXII Российской школе по проблемам науки и технологий — Миасс 2002., на межрегиональной научно-практической конференции «Многоцелевые гусеничные и колесные машины: разработка, производство, боевая эффективность, наука и образование» (БРОНЯ-2002). — Омск, 2002., на IV Международной конференции «Динамика систем, механизмов и машин», посвященной 60-летию ОмГТУ. — Омск, 2002. на технических совещаниях управления конструкторских работ ОАО «Автодизель», г. Ярославль., ОАО «СКБМ» ., г. Курганна научно-технической конференции посвященной 65-летию НИИ Спецмашиностроения — Москва, МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. на Втором Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения в XXI веке». — Омск, 2003. на Всероссийской научно-технической конференции «Механика и процессы управления моторно-трансмиссионных систем транспортных машин» -Курган, 2003.

Публикации.

Все основные положения диссертации опубликованы в 9 печатных работах и двух отчетах о НИР.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, выводов, списка использованных источников и приложения. Содержание работы изложено на 193 страницах текста, включающих 54 рисунка, 8 таблиц, списка использованных источников из 78 наименований.

4.4. Выводы.

На основе обобщения результатов теоретического и экспериментального исследования разработан метод прогнозирования вибронагруженности дотрансформаторной зоны транспортных машин и синтеза гасителей крутильных колебаний. Прогноз основывается на анализе характеристик двигателя и параметров существенно нелинейной разветвленной механической системы.

Для решения обратной задачи определяется диапазон варьирования собственных частот и учитываются особенности виброзащиты гидромеханической трансмиссии. Использование этого метода применительно к изделиям ТМ-120 и ТМ-130 позволило выбрать параметры упруго-демпфирующего гасителя при выполнении прочностных условий и компоновочных ограничений. Изготовление гасителя возможно по импортно замещающей технологии.

Общность разработанного метода подтверждается достоверностью прогноза вибронагруженности дотрансформаторной зоны изделия MJI-107.

Экспериментальные исследования на МЛ-107 подтвердили, что формирование динамической нагруженности дотрансформаторной зоны в значительной степени определяется разветвленностью механической системы.

На основе выполненного прогноза и анализа результатов экспериментальных исследований динамических процессов в трансмиссии изделия МЛ-107 сделаны следующие выводы:

1) В рабочем диапазоне частот вращения двигателя резонансные колебания с незначительными амплитудами (30.65 даН-м) происходят на собственной частоте системы при возбуждении «не мажорными» гармониками двигателя.

2) Динамическая нагруженность трансмиссии на оборотах выше 1 ООО. 1200 об/мин определяется кинематическим возбуждением от привода вентилятора. Колебательный процесс носит резонансный характер, возмущающим фактором которого является периодический момент, порождаемым параметрическими колебаниями асинхронной пространственной карданной передачи в приводе вентилятора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1) Разработан метод, позволяющий прогнозировать вибронагруженность дотрансформаторной зоны трансмиссий гусеничных транспортных машин и решать задачу синтеза гасителей колебаний на ранних стадиях проектирования.

2) Разработана математическая модель дотрансформаторной зоны трансмиссии транспортной машины, в которой на основе использования методов статистической динамики и спектрального анализа впервые учтены существенно нелинейные свойства разветвленной механической системы «двигатель — трансмиссия — транспортная машина» при полигармоническом возмущении от дизельного двигателя с учетом виброзащитных свойств гидромеханической трансмиссии.

3) На основе выполненных исследований становится возможным определять условия возникновения резонансных режимов по совместным частотным характеристикам двигателя и механической системы, а также устанавливать требуемый диапазон варьирования частот. Выполненные исследования дают возможность определять основные параметры гасителя с учетом особенностей виброзащиты гидромеханической трансмиссии, полигармонического характера возмущения и динамики разветвленной нелинейной системы.

4) Выявлено, что основными причинами высокой динамической нагруженности дотрансформаторной зоны трансмиссий исследуемых классов транспортных машин являются резонансные явления, вызванные близким совпадением собственных частот механической системы с полигармоническим возмущением двигателя и карданных передач основного и дополнительных потоков мощности разветвленной системы. Резонансные явления являются высокочастотными (до 20 Гц) и за 100 часов работы трансмиссии число циклов нагружения превышает базовое число циклов кривой уталости (7,2 млн).

5) Предложенная математическая модель и пакет компьютерных программ дает возможность исследовать динамику разветвленной нелинейной системы при полигармоническом нагружении, установить основные закономерности возникновения резонансных режимов, подтвержденные экспериментально и решать обратную задачу по снижению динамической нагруженности. На основе численного моделирования динамики установлено, что спектральная плотность возмущающего момента двигателя содержит мажорные гармоники. Существенные нелинейности системы формируют сложный частотный характер, определяют основное и супергармонические движения. Установлено существование оптимального значения момента трения, обеспечивающего минимум динамической нагрузки. Резонанс проявляется при совпадении мажорных частот двигателя со спектром собственных частот системы. В тоже время на фоне незначительных резонансов, вследствие совпадения немажорных гармоник двигателя с собственной частой системы могут проявляться резонансы с существенной амплитудой момента, вызванные параметрическими колебаниями в ветвях разветвленной системы.

6) Разработанный бортовой комплекс информационно-измерительной аппаратуры позволяет измерять параметры динамического процесса на стационарных и переходных процессах функционирования трансмиссий транспортных машин, и производить статистическую обработку результатов в режиме реального времени с использованием современных методов. Телеметрический канал передачи информации позволил изучить динамические явления в деталях, совершающих сложные движения и имеющих недоступные форму и компоновку, ограничивающих возможность использования стандартных средств и методов.

7) Проведенные экспериментальные исследования динамики механической системы и статистическая обработка их результатов подтверждает достоверность разработанной математической модели, отражающей физические процессы при резонансных режимах и корректность основных допущений.

8) Экспериментально установлено, что динамика дотрансформаторной зоны может рассматриваться независимо от возмущений внешней среды и гусеничного движителя. Коэффициент динамичности нагрузки при переходных процессах трогания с места, переключения передач и блокировки ГТ составляет 2,5−3. В связи с этим конструкция гасителя, используемая в ГМТ не выполняет роль сдающего звена.

9) Разработанные в соответствии с результатом работы конструкция гасителей для ГМТ изделий ТМ-120 и ТМ-130 по импортозамещающей технологии позволили вывести резонансные режимы за пределы рабочего диапазона с 700 — 850 до 450 — 500 об/мин двигателя и уменьшить динамическую нагруженность и вибронагруженность моторно-трансмиссионной установки машин в 5. .6 раз.

10) Общность полученных результатов позволяет распространить их на I ряд транспортных машин с ГМТ, что подтверждает выполненный анализ динамической нагруженности дотрансформаторной зоны трансмиссии лесопромышленной машины MJI-107. Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлена физика высокой динамической нагруженности элементов дотрансформаторной зоны, вызванной параметрическими колебаниями разветвленной механической системы и существенно ограничивающей долговечность деталей. На основе полученных результатов предложены технические решения, позволяющие уменьшить динамическую нагруженность привода вентилятора в три раза, и разработать конструкторско-технологические меры по повышению долговечности деталей ограничивающих ресурс трансмиссии.