Долговечность и оптимальное проектирование гусеничного движителя с резинометаллическими элементами Коростелев Сергей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы. Возрастание скоростного режима и энергонасыщенности гусеничных машин приводит к значительному увеличению динамических и ударных нагрузок в гусеничном движителе, вибрациям. Увеличение нагрузок возникает как в силу принципиального устройства (звенчатость гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а также обуславливается взаимодействием с поверхностью пути, сельскохозяйственными агрегатами и почвой. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной долговечности отдельных узлов. Одним из путей решения задачи снижения динамической нагруженности и увеличения срока службы элементов гусеничного движителя является применение силовых резиновых и резинометаллических элементов в его конструкции.

Несмотря на опыт, накопленный предприятиями транспортного и сельскохозяйственного машиностроения, проектирование конструкций гусеничных движителей с силовыми резиновыми и резинометаллическими элементами требует проведения большого объема научно-исследовательских работ как теоретического, так и экспериментального характера.

При проектировании конструкций гусеничного движителя с резиновыми
элементами необходимо учитывать противоречивые требования, заключающи
еся в снижении металлоемкости гусеничного движителя при одновременном
повышении долговечности его элементов. Для решения подобных задач необ
ходимо опираться на результаты теоретических исследований, позволяющих
дать оценку долговечности резинометаллических элементов и на основе при
менения методов оптимального проектирования, которые в настоящее время
для силовых резиновых и резинометаллических элементов гусеничного движи
теля практически отсутствуют, дать рекомендации по выбору конструктивных
параметров. Именно этой проблеме, то есть созданию методов, алгоритмов и
программных комплексов, позволяющих оценить напряженно-

деформированное состояние резиновых элементов, их жесткостные характеристики, долговечность, а также разработке методов оптимального проектирования резиновых элементов гусеничного движителя посвящена настоящая работа.

Целью диссертационной работы является повышение долговечности гусеничного движителя с силовыми резиновыми и резинометаллическими элементами.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. На основе анализа конструкций с силовыми резиновыми элементами шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя определить основные направления их дальнейшего совершенствования и необходимые для этого методы.

1. Разработать математическую модель движения элементов гусеничного движителя как систему твердых тел с вязкоупругими и кинематическими связями, в которой металлические элементы шарнира представлены в виде отдельных твердых тел, позволяющую учесть влияние ограничителя радиальной деформации шарнира на динамическую нагруженность резиновых элементов.

2. Разработать математические модели деформирования резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя при сборке и вторичном нагружении. Создать программу для ЭВМ расчета напряженно-деформированного состояния и оценки долговечности резиновых элементов гусеничного движителя.

4. Выполнить идентификацию и оценить точность математических моделей деформирования резиновых элементов гусеничного движителя в сравнении с результатами экспериментальных исследований.

5. Выполнить анализ нагрузок, действующих на резиновые элементы гусеничного движителя, на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований.

6. Выполнить расчет напряженно-деформированного состояния резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя.

7. Определить основные причины разрушения резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя.

8. Сформулировать задачи оптимального проектирования резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя и выполнить поиск их оптимальных конструктивных параметров.

9. Провести сравнительные стендовые испытания на долговечность ре
зиновых элементов шарнирного соединения звеньев гусеничного движителя,
конструкция которых получена в результате решения задачи оптимального
проектирования.

Объектом исследований является гусеничный движитель с силовыми резиновыми и резинометаллическими элементами.

Методы исследования. Для решения поставленных задач используются методы механики твердого деформируемого тела, в частности, нелинейной теории упругости, теории усталостной прочности эластомеров, методы механики сложных динамических систем, методы оптимизации упругих тел, численные методы математического анализа.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке математических моделей деформирования резиновых эле
ментов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных
катков гусеничного движителя при сборке и вторичном нагружении;

- в результатах расчета напряженно-деформированного состояния резино
вых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации
опорных катков гусеничного движителя в виде полей распределения компо-
4

нентов тензора напряжений и удельной энергии деформации, вызванных сборкой и вторичным нагружением;

в разработке математической модели движения элементов гусеничного движителя как системы твердых тел с вязкоупругими и кинематическими связями, в которой металлические элементы шарнира представлены в виде отдельных твердых тел, позволяющей учесть влияние ограничителя радиальной деформации шарнира на динамическую нагруженность резиновых элементов;

в результатах определения нагрузок, действующих на резиновые элементы шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя;

в определении причин разрушения резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и элементов внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя;

в формулировке задач оптимального проектирования резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и опорных катков гусеничного движителя;

в получении формы и конструктивных параметров резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и опорных катков гусеничного движителя, позволяющих повысить их долговечность.

Практическая значимость

1. Разработана математическая модель деформирования резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя при сборке и вторичном нагружении.

2. Получены поля распределения компонентов тензора напряжений и удельной энергии деформации, вызванных сборкой и вторичным нагружением по сечению резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя.

3. Разработана математическая модель движения элементов гусеничного движителя как системы твердых тел с вязкоупругими и кинематическими связями, в которой металлические элементы шарнира представлены в виде отдельных твердых тел, позволяющей учесть влияние ограничителя радиальной деформации шарнира на динамическую нагруженность резиновых элементов.

4. Определены причины разрушения резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и элементов внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя.

5. Получены формы и конструктивные параметры резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и опорных катков гусеничного движителя.

6. На основе предложенных математических моделей разработаны программы для ЭВМ, позволяющие определять:

динамические нагрузки, действующие на резиновые и резинометалличе-ские элементы гусеничного движителя;

напряженно-деформированное состояние резиновых и резинометалличе-ских элементов гусеничного движителя, вызванное сборкой и вторичным нагружением;

- эпюру давления в области контакта резиновых элементов шарнирного
соединения и поверхности проушины звена гусеничного движителя;

- характеристики жесткости резиновых элементов гусеничного движителя;

параметры математической модели динамического деформирования резиновых элементов шарнирного соединения гусеничного движителя по результатам эксперимента;

потери энергии (петлю гистерезиса) при динамическом деформировании резиновых элементов;

оценку долговечности резиновых и резинометаллических элементов гусеничного движителя;

оптимальную форму и конструктивные параметры резиновых элементов гусеничного движителя.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

- математическая модель деформирования резиновых элементов шарнир
ного соединения звеньев и внутренней амортизации опорных катков гусенич
ного движителя при сборке и вторичном нагружении;

- результаты расчета напряженно-деформированного состояния резино
вых элементов шарнирного соединения звеньев и внутренней амортизации
опорных катков гусеничного движителя в виде полей распределения компо
нентов тензора напряжений и удельной энергии деформации, вызванных сбор
кой и вторичным нагружением;

математическая модель движения элементов гусеничного движителя как системы твердых тел с вязкоупругими и кинематическими связями, в которой металлические элементы шарнира представлены в виде отдельных твердых тел, позволяющей учесть влияние ограничителя радиальной деформации шарнира на динамическую нагруженность резиновых элементов;

результаты определения нагрузок, действующих на резиновые элементы шарнирного соединения звеньев гусеничного движителя;

причины разрушения резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и элементов внутренней амортизации опорных катков гусеничного движителя;

формулировка задач оптимального проектирования резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и опорных катков гусеничного движителя;

форма и конструктивные параметры резиновых элементов шарнирного соединения звеньев и опорных катков гусеничного движителя.

Реализация работы. Результаты работы используются при проектировании элементов конструкции гусеничного движителя предприятиями: ООО «Алтайлесмаш»; Рубцовским филиалом АО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод», АО «Уральское конструкторское бюро транспортного машиностроения»; ООО «Завод Вездеходных Машин».

Внедрены в учебный процесс на кафедре «Строительные и дорожные машины» ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».

Методы расчета силовых резиновых элементов гусеничного движителя и программы для ЭВМ применялись в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Автомобиле- и тракторостроение», аспирантов по специальности «Колесные и гусеничные машины», а также при проведении научных исследований на кафедре «Автомобили и тракторы» АлтГТУ им. И.И. Ползунова. В настоящее время указанные методы применяются при подготовке студентов по специальности «Наземные транспортно-технологические средства», при обучении в магистратуре «Наземные транспортно-технологические комплексы», при обучении в аспирантуре по направлению «Машиностроение», профиль «Колесные и гусеничные машины».

Апробация работы. Положения работы докладывались на научно-технических семинарах кафедры «Автомобили и тракторы» АлтГТУ им. И.И. Ползунова (г. Барнаул), и на конференциях: IV международной научно-технической конференции «Точность технологических и транспортных систем» – Пенза, 1998 г.; международной научно-технической конференции «Вузовская наука в современном мире» - Рубцовск, РИИ, 1999 г.; II международной конференции «Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов» - Барнаул, АлтГТУ, 2000 г.; 2-й межрегиональной научно-практической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии в машиностроении» - Бийск, БТИ, 2002 г.; научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» - Новосибирск, НГАВТ, 2002; международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем» - Волгоград, ВолгГТУ, 2005, 2009 г.г.; Х международной научной конференции «Решетневские чтения» - Красноярск, СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева, 2006 г.; IV всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы» - Красноярск, КГТУ, 2006 г.; V международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» - Барнаул, АГАУ, 2010 г.; международной научно-технической и образовательной конференции «Образование и наука - производству» - Набережные Челны, ИНЭКА, 2010 г.; 71-ой международной научно-технической конференции ААИ «Безопасность транспортных средств в эксплуатации» - Нижний Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2010 г.; международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров» - Москва, МГТУ «МАМИ», 2010, 2012, 2014, 2015 г.г.; всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» - Екатеринбург, УрФУ, 2011 г.; I-ой всероссийской научно-технической конференции «Современная техника и технологии: проблемы, состояние и перспективы» -Рубцовск, РИИ, 2011, 2012 г.г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 51 печатных работы, в том числе 20 работ - в изданиях, входящих в «Перечень рецензируемых научных журналов», рекомендованных ВАК, получено 3 патента на изобретения, зарегистрировано 5 программ для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста и выводов, изложенных на 358 страницах текста, содержит 227 рисунков, 1 таблицу, список использованных источников из 511 наименований.