Разработка методики расчета колебаний и параметров упругой подвески транспортно-технологических роторно-винтовых машин при движении по льду

Актуальность работы.

Эффективное и качественное выполнение ряда важнейших народнохозяйственных задач невозможно без специальных строительно-дорожных машин.

К таким задачам относятся ледорезные работы для защиты опор мостов, гидротехнических сооружений, корпусов судов и драг от сжимающего действия льда и в период ледохода, а так же при прокладке трубопроводов и кабелей через реки и водоемы в зимнее время, при строительстве ледовых переправ. Необходимость создания и совершенствования ледорезной техники обусловлена освоением природных ресурсов Сибири, дальнего Востока, шельфа северных и восточных морей.

Около 80% территории водоемов России на длительный срок покрывается льдом. Реки и моря Крайнего Севера, замерзающие на 8−10 месяцев в году, порой являются ледовым полотном пути, единственным при осуществлении транспортно-технологических операций.

Эксплуатация транспортно-технологических средств в естественных ледовых условиях требует создания специальной мобильной техники.

Одним из перспективных движителей для вездеходных транспортно-технологических машин-амфибий является роторно-винтовой движитель (РВД). Сочетая в себе качества гидравлического и сухопутного движителей транспорт-но-технологическое средство на РВД свободно движется по глубокому снегу, льду замерзших рек плывет по воде со скоростью, недоступной для колесных и гусеничных плавающих машин. Цепляясь винтовыми движителями за края льдин ТТС на РВД свободно осуществляет выход из полыньи на поверхность льда.

ТТ РВМ используются в дорожно-строительных, сельскохозяйственны^, военных и других отраслях производства. ТТ РВМ, разработкой которых долгое время занимались в Горьковском политехническом институте, используют для резки льда около судов, установленных на зимовку.

За годы проектирования роторно-винтовых машин (РВМ) накопилось достаточное количество рекомендаций и расчетных формул для подбора основных характеристик машин (тяговое усилие, проходимость, плавучесть, скорость движения).

Существенным недостатком, препятствующим широкому использованию специальных транспортно-технологических средств с РВД, является высокий уровень колебаний, так как большинство машин с РВД имеют жесткую подвеску и, как правило, не удовлетворяют действующим нормам вибронагруженно-сти. Несовершенство систем подрессоривания ТТ РВМ снижает производительность и повышает эксплуатационные расходы, ухудшает самочувствие и здоровье людей, сохранность грузов. Бесподвесочные ТТ РВМ имеют особенно низкую плавность хода, вследствие чего виброускорения на рабочих местах водителей превышают уровень опасный для здоровья, что приводит к профессиональным заболеваниям, а также к снижению скоростей движения, в результате чего ухудшается топливная экономичность, надежность и другие эксплуатационные качества безрессорных ТТ РВМ.

Итак, основным типом подвески ТТ РВМ является жесткая подвеска. А между тем одним из перспективных путей повышения эффективности использования машин на роторно-винтовом движителе является повышение плавности хода машин, увеличение сцепления движителя с грунтом. Улучшения последних двух характеристик машины можно добиться, установив на ТТ РВМ упругую подвеску винтовых роторов.

Принимая во внимание вышеизложенные проблемы, можно отметить, что теоретические и экспериментальные исследования пространственных колебаний ТТ РВМ, имеющих упругую подвеску, является актуальной проблемой.

Цель работы.

Разработка методики расчета колебаний и параметров упругой подвески транспортно-технологических роторно-винтовых машин при движении по ледовой поверхности замерзших водоемов с учетом влияния навесного рабочего оборудования.

Объект исследований.

Экспериментальная модель роторно-винтовой машины, спроектированная и изготовленная с непосредственным участием автора диссертационной работы, упругая подвеска движителей которой защищена свидетельством на полезную модель. Ледорезная машина ЛФМ — РВД-66, транспортер ГПИ — 06.

Методы исследований.

Регистрация и анализ колебаний точек кузова и движителей экспериментальной модели РВМ в дорожных условиях произведена при помощи датчиков-преобразователей Д-14, частотный состав оценивался при помощи прибора д: я измерения вибраций и шума ВШВ 003-М2.

Все теоретические исследования и обработка экспериментальных данных выполнены с применением ЭВМ. При получении важнейших характеристик математической модели колебательной системы ТТ РВМ по операточным функциям применялись возможности символьного процессора новейшей программы математических расчетов MathCAD 2000.

Научная новизна.

1. Разработан системный подход к анализу процесса колебаний ТТ РВМ и решению задач математического моделирования динамики машин с учетом специфики конструктивных особенностей движительного комплекса машины.

2. Получена математическая модель динамики ТТ РВМ при движении по ледовому бездорожью с введением гибкой связи движителей и кузова машины.

3. При применении операточного метода лаплас-трансформации реализована система из шести дифференциальных уравнений, полностью отображающая колебания ТТ РВМ на упругой подвеске, что позволило получить изображения функций перемещения произвольной точки кузова в виде амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, а так же передаточной функции.

4. Описан и обоснован физический смысл влияния геометрических и конструктивных характеристик навесного рабочего оборудования ТТ РВМ на вид амплитудно-частотных, фазово-частотных и передаточных характеристик динамической системы.

5. Установлены потенциальные возможности защитных свойств упруго-вязкой подвески РВМ и разработана методика выбора ее рациональных характеристик и параметров.

Практическая ценность.

1. Предложенные возможности системного анализа определяют взаимосвязь и пути решения возможных задач колебаний транспортно-технологических средств с РВД.

2. Разработанная математическая модель пространственных колебаний РВМ позволяет на этапе проектирования прогнозировать влияние изменения характеристик подвески на динамику машины, а так же определять колебательные характеристики и рассчитывать отклики на воздействие в конкретно заданных точках подрессоренных и неподрессоренных масс роторно-винтовых машин благодаря выведенным системам геометрических зависимостей колебательных точек кузова и роторов.

3. Предложенная методика оценки виброзащитных свойств подвески РВМ, допускающая оперативно и обоснованно определять реализации амплитудно-частотных, фазово-частотных и передаточных характеристик точек подрессоренных и неподрессоренных масс ТТ РВМ, позволяет конкретизировать выбор параметров упругой подвески и пути их совершенствования.

4. Разработанная и созданная, защищенная свидетельством на полезную модель РФ действующая масштабная модель РВМ с упруго-вязкой подвеской демонстрирует эффективное гашение низкочастотных колебаний кузова машины. Применение подвески РВМ предложенной конструкции существенно повышает эксплуатационные качества (плавность хода, топливную экономичность) безрессорных машин на РВД.

Реализация работы.

Итогом проведенных исследований и расчетов запатентованной конструкции упруго-вязкой подвески движителей явилось изготовление действующей масштабной модели роторно-винтовой машины исследуемой конструкции, имеющей правовую защиту в виде свидетельства на полезную модель.

Расчет характеристик упругой подвески ТТ РВМ используется при проектировании транспортно-технологических машин в Научно-исследовательской лаборатории специальных строительных и дорожных машин.

Изготовленная модель, методики, алгоритмы и программы применяются аспирантами и студентами при дипломном проектировании и в научных исследованиях на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на международных научно-технических конференциях:

-«Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России» г. Н. Новгород 1998 г.;

-«Прогресс транспортных средств и систем» г. Волгоград 1999 г- -«Актуальные проблемы дорожно-транспортного комплекса Росси» г. Краснодар 1999 г;

-«Испытания материалов и конструкций» г. Н. Новгород 2000 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 15 печатных работах, в том числе одно свидетельство на полезную модель.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и шести приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Разработаны математические модели пространственных колебаний ТТ РВМ при выполнении транспортных и технологических операций на льду с введением гибкой связи роторов и кузова машины, учитывающие, что упруго-вязкая подвеска машин с РВД является зависимой в продольном направлении.

2. Итогом реализации разработанных математических моделей явились, А С1Х, ФЧХи ПХупруго-вязкой подвески ТТ РВМ. Исследование графиков амплитуд при единичном гармоническом воздействии и спектральных плотностей ускорений точек кузова при различных воздействиях позволило определить влияние конструктивных параметров машины и упруго-вязкой подвески на величины ускорений исследуемых точек кузова машины и выявить рациональные численные значения характеристик упруго-вязкой подвески.

3. Разработанная с учетом специфики конструкции и трасс движения ТТ РВМ методика оценки динамических качеств подвески математическая модель на основе анализа АЧХ, ФЧХ и спектральной плотности входного сигнала позволяет получить спектральную плотность отклика на выходе системы. Путем изменения, А ЧХ, которые определяются конструктивными параметрами машины, полученная методика дает возможность снизить пиковое значение спектральной плотности на выходе системы, а тем самым уменьшить уровень колебаний и вибраций кузова ТТ РВМ еще на стадии проектирования машины.

4. Разработана методика исследования влияния навесного рабочего оборудования и различия профиля опорного основания на реализации частотных характеристик, благодаря которой произведен выбор рациональных численных значений жесткости пружин и коэффициентов сопротивления амортизаторов для ТТ РВМ, предназначенных для выполнения транспортных операций и для ТТ РВМ, предназначенных для проведения технологических операций по резке льда.

5. Созданная действующая масштабная модель ТТ РВМ, характеристики оригинальной упруго-вязкой подвески которой рассчитаны по разработанным в диссертационной работе теоретическим моделям, позволила наглядно продемонстрировать эффективность полученных методик, выраженную в процентном расхождении теоретических и экспериментальных исследований.

6. Расхождение теоретических и экспериментальных исследований в 22% позволяет рекомендовать данную расчетную методику как универсальную для исследования пространственных колебаний машин, учитывающую линейную зависимость упруго-вязкой подвески в продольном направлении, характерную только для машин с РВД.

7. Основательный объем работ, потраченный на проведение испытаний плавности хода масштабной модели ТТ РВМ, дал возможность разработки соответствующей программы испытательных и экспериментально-исследовательских работ по изучению колебаний ТТ РВМ. Определен уровень собственных виброускорений точек кузова масштабной модели, имеющий ярко выраженный максимум на частотах 4 — 5Гц, следовательно, во всех расчетных и экспериментальных результатах на данном диапазоне частот следует ожидать наибольшие значения виброускорений.

8. Экспериментальные теоретические данные показали, что вертикальные виброускорения имеют два выраженных пиковых значения, что объясняется поочередным срабатыванием подвесок передней и задней подвесок и распространением волны вибраций по раме машины.

9. Так как не существует нормативов допустимых значений виброускорений машин с РВД, то, принимая во внимание современные санитарно-гигиенические нормы по вибрационной безопасности (ГОСТ 12.1.012−90) определен уровень допустимого ускорения перемещений точек кузова ТТ РВМ: вертикальные среднеквадратичные ускорения <х ,.= 2 м/с2, а максимальные 2лшкс =6 + 1 м/с'.

10. Применение на ТТ РВМ упруго-вязкой подвески предложенной запатентованной конструкции позволило на 10−15% снизить величину пиковых значений виброускорений кузова и сместить их в область более низких частот.

РЕКОМЕНДАЦИИ.

1 Анализ существующих схем подрессоривания грузовых машин применительно к ТТ РВМ привел к выводу об оптимальности-применения подвески, упругими элементами которой выступают пружины.

2 С целью снижения высокочастотных резонансных пиков колебаний кузова машины рекомендуется между рамой и кузовом устанавливать гидравлические виброопоры.

3 Для того чтобы добиться совпадения частотных характеристик динамики точек кузова, находящихся над местом крепления передней и задней подвесок (во избежание галопирования машины) центр массы машины следует сместить к заднему борту на 1/8 длины машины.

4 Величину парциального коэффициента аппериодичности для транспортных машин следует принимать^ = 0,25 0,4, для технологических машин ф = 0,15 ч- 0,25.

5 Рациональным соотношением масс подрессоренной к неподрессоренной следует принимать ¼.

6 Величины значений жесткости пружин и коэффициентов сопротивления амортизаторов для технологических машин типа ГПИ — 06:

С'-р' = 210 • 103 Н/м кпер• = 20 • 103 Нс/м, = 230•103 Н/м кшд =25−103 Не/м, а для транспортных машин типа ЛФМ-66:

С пср

S' кюд =30 -W Не! м.

230 • 103 Н/м кпгр¦ = 25 • 103 Нс/м, СТ = 260 ¦ 103 Н/м.