Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние проблемы, цели и задачи исследования 11
2 Обзор конструкций и условия нагружения резиноме-таллических шарнирных соединений 35
3 Математическая модель для определения напряженнодеформированного состояния резиновых элементов резинометаллических шарниров 76
4 Экспериментальное и численное определение механических характеристик резиновых элементов резино-металлических шарниров 100
Общие выводы 169
Список использованных источников 170
- Обзор конструкций и условия нагружения резиноме-таллических шарнирных соединений
- Математическая модель для определения напряженнодеформированного состояния резиновых элементов резинометаллических шарниров
- Экспериментальное и численное определение механических характеристик резиновых элементов резино-металлических шарниров
Введение к работе
В последнее время тракторостроение столкнулось с неизвестными для него ранее трудностями: во-первых, с резким сокращением платежеспособного спроса на его продукцию, во-вторых, с конкуренцией между предприятиями как внутри страны, так и с зарубежными производителями. Это вынуждает научные коллективы и конструкторские бюро к более активной разработке новых более совершенных конструкций тракторов и совершенствованию отдельных узлов и агрегатов. Также наиболее важным моментом для современного тракторостроения становится сокращение сроков проектирования, что в свою очередь, требует быстрых расчетов конструктивных параметров различных элементов конструкции.
Гусеничные тракторы получили широкое распространение в связи с их низким удельным давлением на грунт и высокими тяговыми свойствами, они отличаются от колесных машин сложностью конструкции ходовой части и более высоким отношением массы трактора к его мощности. Около 1/5 массы трактора приходится на гусеничный движитель и подвеску.
Гусеничный движитель - сложная многомассовая механическая система, работающая в условиях абразивного износа, элементы которой испытывают стохастические динамические нагрузки. Эти обстоятельства обусловливают высокие требования к прочности гусеничного обвода и его рабочему ресурсу с одновременным снижением массы. Совершенствование тракторов, в частности сельскохозяйственных, в настоящее время идет в направлении повышения энергонасыщенности и роста рабочих скоростей. Это обстоятельство обусловливает повышение требований к прочности и надежности гусеничного обвода, как наиболее нагруженного механизма ходовой части работающего в условиях абразивного износа, и в первую очередь шарнирных соединений звеньев гусеничной цепи.
В связи с этим представленная работа, посвященная исследованию влияния конструктивных параметров резинометаллических шарниров на их механические характеристики, является, несомненно, актуальной.
Возрастание скоростного режима приводит к тому, что в гусеничном движителе реализуются виброударные режимы нагружения. Последние возникают как в силу принципиального устройства (звенчатость гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а также от взаимодействия с сельскохозяйственными агрегатами. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной прочности отдельных узлов. Кроме того, ударные нагрузки и вибрация механизмов движителя, имеющих зазоры в кинематических парах, приводят к возрастанию энергетических потерь и снижению к.п.д. 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.
Одним из реальных путей преодоления отмеченных негативных факторов является использование в конструкциях узлов и механизмов движителя силовых резинометаллических элементов. Опыт транспортного машиностроения и эксплуатационные испытания сельскохозяйственных гусеничных тракторов показывают, что резинометаллические блоки натяжного устройства, амортизаторы балансирных кареток, обрезиненные опорные катки и зве-
нья обеспечивают существенное снижение нагруженности элементов ходовой части и способствуют улучшению тягово-динамических качеств гусеничной машины. Являясь высокоэластичным и вязкоупругим материалом, резина позволяет реализовать большие относительные смещения отдельных деталей узлов, гашение динамических нагрузок и ударных воздействий, причем внешнее трение металлических пар в условиях абразива заменяется внутренним трением резины. В то же время за счет резкого увеличения долговечности элементов движителя происходит снижение объема запчастей необходимого для обеспечения заданного срока службы машины. Эти выводы в равной степени приемлемы и 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 РТИ. Проведенные к настоящему времени ведомственные и государственные испытания сельскохозяйственных тракторов касса 3 с резинометаллическими шарнирными соединениями гусеничной цепи показали ряд преимуществ, способных устранить недостатки гусеничного движителя с металлической цепью. Несомненно, дальнейший прогресс в совершенствовании гусеничных движителей неразрывно связан с внедрением в их конструкции силовых ре-зинометаллических элементов.
Проектирование перспективных конструкций гусеничных движителей с силовыми резинометаллическими элементами требует отчетливых представлений о характеристиках используемых в нем эластомерных элементов и их влиянии на всю ходовую систему. Разработка методов теоретической оценки динамической нагруженности, определения параметров напряженно-деформированного состояния и изучения процесса разрушения дает возможность составления научно обоснованных норм проектирования силовых ре-зинометаллических элементов гусеничного движителя. Без цифровых данных трудно обоснованно подходить к решению задач касающихся проектирования гусеничного движителя с резинометаллическими элементами с точки
7 зрения как качества, так и затрат на изготовление. Несомненно, заключение о долговечности конкретного изделия в конкретных условиях эксплуатации может быть дано и на материале стендовых испытаний. 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 испытаний. Что же касается задачи рационального 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 поведения эластомерных деталей вплоть до разрушения.
Проведение расчетов силовых резинометаллических элементов при статических, динамических, ударных, тепловых воздействиях 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 шарнирных соединений с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов.
Необходимо 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. Несмотря на многолетний срок исследований в области расчета резинотехнических изделий, до настоящего времени нет еще единого мнения по ряду вопросов, имеющих научное и прикладное значение: например, о влиянии начальных деформаций резиновых элементов на характеристики изделия при вторичных деформаци-
8 ях, о характере разрушения резиновых элементов, работающих в условиях больших деформаций, о влиянии резиновых элементов на нагруженность металлических деталей гусеничного движителя.
Методы расчета изделий из резиноподобных материалов обладают рядом весьма специфических особенностей, как правило, неизвестных инженерам-конструкторам. Несколько монографий, обобщающих методы получения решений в задачах статических расчетов резинометаллических изделий, содержат массу примеров расчета конкретных изделий, которые невозможно применить к гусеничному движителю. Кроме того, эти книги не включают результатов многих исследований, опубликованных в научной периодике. Разбросанность этих материалов и форма представления делают их неприемлемыми в конструкторской практике. Кроме того, имеющиеся публикации не учитывают особенностей эксплуатации резинометаллических элементов в гусеничных движителях. В периодической печати имеются лишь разрозненные статьи по расчету силовых резинометаллических элементов применительно к гусеничным движителям.
Введение в гусеничный движитель резинометаллических элементов приводит к необходимости существенно изменять конструкции сопрягаемых металлических элементов. Так, установка в гусеничном обводе резинометаллических шарнирных соединений привела к значительному конструктивному изменению звеньев и пальца соединяющего их, т.е. изменилось число и диаметр проушин, длина шага, были введены металлические ограничители радиальной деформации и т.д.. Подобные конструктивные изменения и требование снижения металлоемкости гусеничного обвода вызывают необходимость в использовании проектирования с помощью ЭВМ.
Настоящая работа посвящена: определению механических характеристик РМШ при динамическом нагружении, разработке алгоритмов оценки напряженно-деформированного состояния предварительно запресованных резиновых элементов шарнирного соединения звеньев гусеничной цепи при различных видах последующего нагружения.
9 Основные теоретические положения диссертационной работы:
применение методов нелинейной теории упругости, а именно применение дельта-метода для расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов имеющих форму тел вращения после запрессовки в цилиндрическую втулку и при их вторичном нагружении крутящим моментом и радиальной силой;
применение метода конечных элементов для численной реализации алгоритма расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов.
Материал настоящей работы изложен в четырех главах.
Первая глава посвящена краткому обзору и анализу методов исследований, расчета и проектирования резиновых и резинометаллических элементов гусеничных обводов. Особое внимание уделено расчетам гусеничных движителей с резинометаллическими шарнирами для соединения траков гусеничной цепи. Также описаны методы исследования напряженно-деформированного состояния. Глава заканчивается постановкой задач диссертационной работы.
Во второй главе рассматриваются особенности конструктивных форм резинометаллических шарнирных соединений гусеничных обводов. Приведены конструкции втулочного и моноблочного вариантов с ограничителями радиальной деформации резиновых элементов и без них. Рассмотрены особенности других конструктивных решений. Сделана попытка классификации существующих гусеничных обводов. В главе описаны условия на-гружения резиновых элементов шарнирных соединений и свойства резины как конструкционного материала.
Третья глава посвящена разработке методов для определения механических характеристик резиновых элементов шарнирного соединения гусеничной цепи.
Учитывая особенности нагружения резиновых элементов, поставленная задача может быть решена методами нелинейной теории упругости. В
10 настоящее время разработаны достаточно эффективные методы расчета НДС при больших деформациях. В представленной работе используется алгоритм дельта-метода. Для численной реализации алгоритма используется МКЭ.
Четвертая глава работы посвящена экспериментальному исследованию механических характеристик резиновых элементов резинометалличе-ских шарниров и сопоставлению экспериментальных и теоретических результатов.
Экспериментальное исследование проводилось на лабораторных образцах состоящих из металлической арматуры и двух резиновых колец при-вулканизированных к ней. Исследовались образцы с резиновыми элементами прямоугольной, трапециевидной и параболической формой, различных диаметров для которых были определены:
перемещения в сечении резиновых элементов при сборке шарнира;
удельные давления в области контакта резиновых элементов и поверхности проушины;
радиальная жесткость резиновых элементов;
- угловая жесткость резинометаллических шарниров.
Описывается конструкция приспособлений для проведения экспери
ментов.
Обзор конструкций и условия нагружения резиноме-таллических шарнирных соединений
Силовые резинометаллические элементы (РМЭ) применяемые в гусеничных движителях, представляют собой широкий класс резинометаллических изделий. Они отличаются, как правило, сложностыо конструктивных форм, достаточно высокой несущей способностью и хорошими компенсационными свойствами, высокой податливостью, повышенным демпфированием.
Область использования силовых резинометаллических элементов распространяется на шарнирные соединения гусеничной цепи, упругие элементы подвески, опорные катки, амортизационно-натяжное устройство и т.д.
Разнообразие их конструктивных исполнений обусловлено, главным образом, поиском рациональных форм упругих элементов с целью снижения концентраторов напряжений и увеличения срока службы гусеничного движителя. Из всего многообразия РМЭ наибольшее распространение в настоящее время получили элементы резинометаллических шарнирных соединений, выполненных в виде цилиндрических кольцевых элементов, резиновые резинометаллические подушки звеньев, конические и кольцевые резинометаллические элементы балансирной каретки, элементы микроподрессорива-ния и резиновые бандажи опорных катков. В данной работе рассматриваются резиновые элементы резинометаллических шарнирных соединений. Различие в формах силовых РМЭ, естественно приводит к различию их характеристик и в первую очередь, к различию упругих и компенсационных свойств. Достаточно сказать, что жесткость при сжатии, кручении или сдвиге, величины допускаемых деформаций отдельных типов РМЭ одного габаритного размера могут отличаться друг от друга на порядок. Наблюдается и существенное различие в демпфирующей способности резиновых элементов. Широкий диапазон изменения параметров резиновых элементов по существу и определяет широту области их применения, позволяя для каждого конкретного узла или механизма гусеничного движителя использовать наиболее рациональную конструкцию.
Конструктивно гусеничный обвод это бесконечная лента, состоящая из металлических или резинометаллических звеньев шарнирно соединенных между собой. Гусеничный обвод трактора работает в крайне неблагоприятных условиях, при постоянном контакте с абразивом и воздействии на него растягивающих, а также знакопеременных нагрузок. При характерном для современного тракторостроения возрастании рабочих скоростей картина напряженности элементов гусеничного обвода резко ухудшается, ускоряются процессы износа их трущихся частей, и в первую очередь, шарнирных устройств. Процесс совершенствования гусеничного обвода сопровождался появлением множества различных конструктивных схем.
Гусеничные обводы с цилиндрическими резинометаллическими шарнирами состоят из нескольких шарниров в зависимости от конструктивного исполнения трех, пяти и семипроушинные варианты. Каждый шарнир представляет собой простейшую конструкцию состоящую из пальца или втулки, резинового элемента и проушины. Гусеничные цепи с резинометаллическими шарнирными соединениями можно классифицировать по следующим основным признакам: - по технологии изготовления; - по принципу действия; - по конструктивному исполнению. По технологии изготовления различают сварной, сборный и комбинированный шарниры. В сварном шарнире кольцевой резиновый элемент одновременно крепится к арматуре и к обойме с помощью клея в процессе горячей вулканизации резины. В процессе охлаждения резины до комнатной температуры про- исходит ее усадка, в результате чего возникают напряжения растяжения, стремящиеся оторвать резину от поверхностей обоймы. Для устранения этого недостатка цилиндрическую обойму изготавливают из двух и более сегментов.
В сборном шарнире фиксация резинового элемента относительно металлических поверхностей достигается за счет сил трения, вызванных нормальными давлениями от запрессовки. Степень запрессовки достигает 20-40%. К этой же группе относятся так называемые закатные шарниры, радиальное обжатие в которых достигается раскаткой до необходимого диаметра охватывающей резину обоймы из мягкой стали. Шарниры сборного типа в основном работают на коаксиальное скручивание и одновременную передачу радиальных нагрузок. В шарнирах этого типа можно обеспечить более равномерное распределение контурных нормальных напряжений от запрессовки, они технологически проще сварных, однако допустимый угол закручивания таких шарниров меньше, чем у шарниров сварного типа.
Комбинированный шарнир является компромиссом между двумя предыдущими. В комбинированном шарнире кольцевой резиновый элемент в процессе вулканизации крепится к металлической арматуре, затем полученный моноблок запрессовывается в обойму (проушину). Степень запрессовки находится в тех же пределах, что и у сборного шарнира. Несмотря на некоторые технологические трудности изготовления, высокая надежность этих шарниров привела к их широкому использованию в гусеницах современных тракторов, танков и тягачей.
Математическая модель для определения напряженнодеформированного состояния резиновых элементов резинометаллических шарниров
При проектировании различных конструкций РМШ в основном ориентируются на данные экспериментальных исследований. Существующее многообразие типов конструкций шарниров и их размерных рядов требует выполнения комплекса экспериментальных исследований, дорогостоящих и продолжительных во времени.
К настоящему времени накоплен материал экспериментального исследования некоторых характеристик резиновых элементов шарниров различных типов их работоспособности и долговечности. Однако разрозненность такого рода экспериментов, в которых исследовались лишь частные зависимости для конкретных типоразмеров шарниров, а не их размерных рядов, не позволяет с одной стороны дать обобщенные рекомендации для проектирования, а с другой — выявить особенности и пути совершенствования того или иного типа конструкций. Для выяснения указанного целесообразно использовать расчетные результаты, которые могут быть получены при анализе напряженно-деформированного состояния шарниров при статических и переменных (динамических) нагрузках и учетом физико-механических свойств конкретных марок резины.
Задача расчета напряженно-деформированного состояния РМШ различных типов сводится к краевой задаче для системы уравнений в частных производных, трудности, решения которой общеизвестны. Основные особенности задачи расчета напряженно деформированного состояния РМШ комбинированного типа, заключаются в необходимости рассмотрения как влияний технологических условий сборки шарнира (запрессовка резинового элемента) на последующие нагружения, так и учета реологических свойств вязкоупругого материала при больших деформациях. В данной работе предлагается методика расчета резиновых элементов РМШ учитывающая напряжения вызванные сборкой шарнира и вторичное нагружение крутящим моментом и радиальной силой. Объектом исследования является РМШ комбинированного типа с различной конфигурацией боковой поверхности резиновых элементов. Для проверки адекватности предложенного метода расчета напряженно деформированного состояния РМШ был проведен цикл экспериментальных работ на оборудовании и по методике, описанным в четвертой главе.
В нелинейной теории упругости используются нелинейные зависимости, характеризующие свойства материала. Проблема отыскания функции энергии деформации, пригодной для описания свойств резины, остается в значительной мере не решенной. Установлено небольшое число изотермических функций энергии деформации, применимых для резины в умеренных диапазонах деформаций и скоростей деформирования. Даже если функция энергии деформации задается в простом виде, задача решения возникающей нелинейной системы уравнений в частных производных все же связана со значительными трудностями. Виды нелинейности представляются настолько разнообразными, что опыт, накопленный при решении нелинейных задач в других областях, оказывается мало пригодным.
В настоящем разделе даны соотношения упругости при конечных деформациях; приводятся основные соотношения в цилиндрической системе координат для потенциала Трелоара, как для случая больших деформаций, так и для случая наложения малых деформаций на конечные. Закон состояния деформируемого тела может быть сформулирован двумя способами [41]: первый способ состоит в задании закона связи между тензорами напряжений и деформаций; при втором способе построения закона состояния исходят из задания выражения упругого потенциала через компоненты деформаций и по нему определяют тензор напряжений. Установление реальных физических соотношений между компонентами тензора напряжений и деформаций, соответствующих двум подходам, и решение на их основе задач составляет основную задачу нелинейной теории упругости. Приведем основные формы закона деформирования, применимые для резиноподобных материалов.
Для несжимаемых высокоэластичных материалов типа резины в области средних деформаций достаточно хорошо согласуется с экспериментом допущение о линейной зависимости между истинными напряжениями и деформациями. Линейная упругость тел предполагает, что независимо от уровня нагружения одинаковые приращения деформаций вызывают в теле одинаковые приращения напряжений. Указанное допущение для расчетов резинотехнических изделий шаговой процедурой, названо дельта-методом [23]. В соответствии с этим методом нагружение резиновых элементов рассматривается как процесс последовательных нагружений, на каждом шаге которого несжимаемый материал считается линейно-упругим. Геометрически нелинейная задача расчета сводится к последовательному решению на каждом шаге линейной задачи теории упругости для тела, конфигурация которого определена по результатам решений задач на предыдущих шагах. При решении задач по дельта-методу в такой постановке на каждом шаге деформирования используется цилиндрическая система координат г, 0, z первоначально деформированного тела. Алгоритм дельта-метода можно использовать как для аналитической, так и для численной реализации, так как на каждом отдельном шаге решается линейная задача теории упругости для первоначально ненагруженного тела. Последовательное наложение деформаций учитывается неявно при пересчетах деформированной конфигурации, что имеет определенные преимущества особенно при численной реализации расчетов. Будем предполагать далее, что для первоначально нагруженного тела приращения малы и удовлетворяют всем соотношениям линейной теории упругости (включая граничные условия) для однородного изотропного тела, записанным в системе координат г, в, z. Эти предположения вытекают из допущения о линейной упругости тела, но формулируются уже для приращений всех величин. Заметим, что относительно предварительно деформированного состояния не вводится никаких допущений, полагается возможность его определения по параметрам нагружения на основе суммирования (интегрирования) соответствующих приращений. Аналогичным образом может быть определено и состояние после дополнительных нагружений предварительно деформированного тела.
Экспериментальное и численное определение механических характеристик резиновых элементов резино-металлических шарниров
На современном этапе проектирование РМШ базируется как на теоретической основе, так и на экспериментальных методах. Оба эти направления взаимно дополняют и обогащают друг друга, однако окончательное суждение о приемлемости и достоверности расчетных методов возможно только после постановки соответствующего цикла экспериментов. Для комплексной оценки конструкции комбинированных РМШ тракторных гусениц необходимо иметь следующие данные: величину и характер перемещений в любом сечении резинового элемента при его деформировании; величину и характер распределения напряжений в резиновом элементе шарнира при сборке и вторичном нагружении крутящим моментом и радиальной силой; величину и характер распределения давления в области контакта резинового элемента и поверхности проушины; д - радиальную и угловую жесткость шарнира. Определение вышеперечисленных характеристик в сочетании с испытаниями исследуемых образцов РМШ на долговечность позволит получить обоснованные рекомендации для проектирования рациональной конструкции шарнира.
В работе были проведены исследования по определению перемещений в диаметральном сечении образцов при обжатии и радиальном нагружении, эпюр распределения удельных давлений на поверхности резиновых элементов при их обжатии и характеристики радиальной и угловой жесткости.
Экспериментальное исследование проводилось на лабораторных образцах прямоугольной, трапециевидной и параболической формой резиновых элементов средней высоты, изготовленных из резины марки ИРП-1315 с модулем сдвига 0,85 МПа.
Характер нагружения кольцевого резинового элемента при сборке шарнира предопределяет закономерность перемещений деформированных масс резины. Симметричное относительно оси шарнира обжатие резинового кольца приводит к так называемой плоской деформации, когда перемещения всех точек могут проходить через ось симметрии. Другими словами, характер перемещений не претерпит каких-либо изменений, если мы будем воздействовать симметрично относительно оси нагрузкой не на весь резиновый элемент, а на его часть, вырезанную меридиональными плоскостями с заменой отброшенной массы резины соответствующими жесткими поверхностями.
Приспособление (рисунок 4.2) представляет из себя отсеченную меридиональной плоскостью половину толстостенной втулки, закрытую в диаметральном сечении по всему контуру плоским листом, выполненным из оргстекла. Оргстекло и используемая часть втулки с коническим расширением внутреннего диаметра с одной ее стороны жестко связаны между собой болтами. Исследуемый образец также рассекается по меридиональной плоскости. На сечение кольцевого резинового элемента красящим веществом наносится ортогональная сетка.
При проведении исследований подготовленную таким образом поверхность образца совмещают с внутренней поверхностью листа из оргстекла и производят запрессовку резиновых полуколец через коническую расточку во внутреннюю полость приспособления, размер которого обеспечивает необходимую степень обжатия резины. Фиксирование на цифровой фотоаппарат возникающих при равномерном обжатии резинового элемента искривлений сетки, нанесенной на его срез, дает полное представление о характере перемещений по всему сечению образца.
При обработке полученной картины деформированного состояния резины масштаб изображения определяется по линейке с четко нанесенными миллиметровыми делениями, введенной под оргстекло перед фотографированием.
Дальнейшим развитием экспериментального исследования перемещений в сечении деформированного резинового элемента стал переход от осесимметричной задачи к случаю нагружения равномерно обжатого кольца радиальной силой.
Установка для оценки перемещений в плоскости действия нагрузки представляет из себя устройство для создания с помощью винтовой пары усилия, действующего в плоскости среза приспособления для визуальной оценки перемещений, описанного выше. При этом палец жестко фиксируется в раме станины, а охватывающая полувтулка перемещается под действием радиального по отношению к резиновому элементу усилия параллельно плоскости разъема. В силу симметричности нагружения для резины находящейся в плоскости действия радиальной силы, будет опять же характерна плоская деформация. Это позволяет визуально оценивать перемещения в резиновом элементе при различных уровнях радиального нагружения предварительно деформированного образца. Усилие развиваемое в винтовой паре регистрируется с помощью динамометра.
