Содержание к диссертации
Введение
1. Проблема проектирования систем подрессоривания и ходовых систем гусеничных тягово-транспортных средств 12
1.1. Особенности конструкций ходовых систем современных гусеничных машин 13
1.2. Исследования колебательных процессов гусеничных ТТС 18
1.2.1. Источники колебаний и вибрации 20
1.2.2. Неровности опорных поверхностей 23
1.2.3. Методы исследований статистических характеристик профилей дорог и полей; 27
1.2.4. Виброактивность гусеничного движителя 34
1.2.5. Виброактивность ведущего участка гусеничной цепи 35
1.2.6. Вибрационный спектр колебаний кабин 38
1.2.7. Вибрации на рабочем месте оператора 41
1.2.8. Влияние вибраций на организм человека 49
1.2.9. Критерии виброактивности 51
1.2.10. Методы испытаний и их соответствие условиям эксплуатации 54
1.3. Цель и задачи исследования 59
2. Анализ методов математического моделирования колеба тельных процессов тягово-транспортных средств 61
2.1. Динамика движения 62
2.1.1. Численные методы исследования динамики движения 62
2.1.2. Моделирование динамики движения методами статистической теории подрессоривания 70
2.2. Ведущий участок гусеничного движителя 72
2.3. Модели взаимодействия гусеничного движителя с опорной поверхностью 76
2.4. Модели деформируемых опорных поверхностей 81
2.5. Моделирование колебаний кабин 87
2.6. Моделирование тела человека как колебательной системы 90
2.7. Разработка методики оптимизации систем подрессоривания 93
2.8. Разработка экспертной системы принятия технического ре-шения 96
2.9. Выводы 99
3. Методы оценки качества систем подрессоривания и ходовых систем гусеничных тягово-транспортных средств 102
3.1. Статистическая оценка загруженности гусеничных ТТС видами сельскохозяйственных работ 104
3.2. Влияние почвенно-климатических особенностей региона на условия эксплуатации 110
3.3. Методика формирования обобщенного полигона неровностей 116
3.3.1. Функции распределения неровностей полигона 116
3.3.2. Обоснование длины реализации полигона 124
3.4. Влияние блокирования подвески силами сухого трения на реализацию тягового усилия 125
3.5. Влияние динамики ТТС на уплотняющее воздействие движителей на почву 129
3.6. Критерии оптимизации параметров и характеристик систем подрессоривания и ходовых систем 132
3.6.1. Критерии плавности хода по уровню воздействия вибраций на человека 133
3.6.2. Критерий динамического уплотняющего воздействия движителей 134
3.6.3. Критерий плавности хода по обеспечению технологических требований 135
3.6.4. Интегральный критерий плавности хода 136
3.7. Выводы 138
4. Метод моделирования взаимодействия гусеничного движителя с почвой на основе расчета квазиравновесного состояния опорной ветви гусеничного движителя 140
4.1. Классификация факторов, влияющих на опорную проходимость 140
4.2. Модель квазиравновесного состояния звена гусеничной цепи 142
4.2.1. Укладка звеньев лобового участка гусеничной цепи первым катком 149
4.2.2. Взаимодействие звена гусеничной цепи с почвой 151
4.2.3. Взаимодействие нескольких звеньев гусеничной цепи с почвой 153
4.2.4. Взаимодействие звеньев опорного участка гусеницы с последующими катками 156
4.2.5. Взаимодействие ведущего участка гусеничной цепи с последним катком 158
4.3. Моделирование физико-механических характеристик почвы 161
4.4. Моделирование деформации опорного основания 164
4.5. Моделирование перехода опорного катка со звена на звено 165
4.6. Выводы 168
5. Разработка обобщенной математической модели МТА как теоретической базы для оптимизации систем подрессоривания и ходовых систем 169
5.1. Постановка задач колебательных процессов ТТС 170
5.2. Обоснование допущений, принятых при создании динамиче-
ских моделей МТА. 174
5.3. Структура динамической системы МТА 179
5.3.1. Обоснование степени сложности динамической модели 180
5.3.2. Обоснование принятых степеней свободы колебаний
масс и межмассовых связей 182
5.3.3. Структурная схема динамической системы 185
5.3.4. Обобщенная расчетная схема динамической системы 187
5.4. Математическое описание динамической системы МТА 189
5.4.1. Кинематические возмущения 197
5.4.2. Звенчатость гусеничного движителя 202
5.4.3. Возмущения от крюковой нагрузки 208
5.4.4. Нелинейные упруго-диссипативные характеристики
систем подрессоривания 212
5.4.5. Статические силы в системах подрессоривания 216
5.5. Описание программного комплекса «Динамика МТА» 220
5.6. Выводы 223
6. Развитие метода проектирования подрессоривания и элементов кабины ТТС 225
6.1. Источники вибровозмущений кабины ТТС 226
6.2. Моделирование динамической системы - «кабина ТТС» 228
6.2.1. Моделирование узлов и агрегатов кабины 231
6.2.2. Определение плотности конечно-элементной сетки 233
6.3. Математическая модель кабины ТТС на основе метода ко-
нечных элементов 236
6.3.1. Матрица жесткостей конструкции 236
6.3.2. Матрица масс конструкции. 244
6.3.3. Матрица демпфирования конструкции 247
6.3.4. Вектор нагрузок конструкции 250
6.3.5. Вектор перемещений конструкции 251
6.3.6. Напряжения в элементах конструкции 252
6.3.7. Уровень звукового давления в кабине 254
6.4. Экспериментальное исследование динамических характеристик виброизоляторов 255
6.4.1. Методика экспериментального исследования 259
6.4.2. Результаты исследования виброизоляторов. 261
6.5. Экспериментальное исследование динамических характеристик кабины ТТС 263
6.5.1. Методика испытания 264
6.5.2. Испытательное оборудование 266
6.5.3. Точность измерений 266
6.5.4. Сходимость результатов теоретического и экспериментального исследований. 268
6.6. Оптимизация характеристик системы подрессоривания и элементов кабины 272
6.6.1. Методика оптимизации 272
6.6.2. Измерительно-программный комплекс для исследования динамических характеристик кабин ТТС 274
6.6.3. Экспериментально-измерительная установка 276
6.6.4. Описание вынужденных колебаний системы «кабина
ТТС» 279
6.6.5. Кинематические возмущения колебаний кабины 285
6.7. Выводы 290
7. Теоретические и экспериментальные исследования динамики гусеничных МТА 292
7.1. Экспериментальное исследование динамики МТА 292
7.1.1. Определение статических параметров 293
7.1.2. Определение динамических параметров 298
7.1.3. Экспериментальная установка 301
7.2. Теоретическое исследование плавности хода тракторов семейства ВТ в составе МТА 303
7.3. Исследование возможностей повышения опорной проходимости тракторов семейства ВТ 313
7.4. Выводы и рекомендации 316
8. Теоретическое исследование конструктивных возможностей
повышения навесоспособности тракторов семейства ВТ 318
8.1. Обоснование возможности повышения навесоспособности 318
8.2. Классификация способов повышения навесоспособности 321 8 3* Программный комплекс «Динамика подъёма навесного орудия» 324
8.3.1. Описание возмущающих воздействий 325
8.3.2. Описание исходных данных и результатов работы программного комплекса 326
8.3.3. Адекватность результатов математической модели 327
8.4. Оптимизация параметров трактора с целью повышения наве-
соспособности 328
8.4.1. Расчет навесоспособности серийного трактора ВТ 100 328
8.4.2. Расчет навесоспособности трактора ВТ 100 с постоянной дополнительной опорой 330
8.4.3. Расчет навесоспособности трактора ВТ 100 с дополнительной выдвижной опорой 332
8.5. Вывод 335
Основные результаты и выводы < 336
Список ссылочной литературы
- Исследования колебательных процессов гусеничных ТТС
- взаимодействия гусеничного движителя с опорной поверхностью
- Влияние почвенно-климатических особенностей региона на условия эксплуатации
- Модель квазиравновесного состояния звена гусеничной цепи
Введение к работе
Перспективы развития в России рынка тягово-транспортных средств (ТТС) сельскохозяйственного назначения с учетом насущной необходимости повышения эффективности сельскохозяйственного производства, ужесточения природоохранных мер, а также усиливающейся конкуренции иностранных фирм требуют от отечественных производителей существенного повышения технического уровня и качества выпускаемых гусеничных машин. Важными показателями технического уровня ТТС, предназначенных для сельского хозяйства, являются условия труда механизатора и степень негативного воздействия на почву^ Неудовлетворительные условия труда, обусловленные недостаточной эффективностью систем подрессоривания ТТС, в целом, и рабочего места оператора, в частности, отрицательно сказываются на его здоровье, приводят к падению производительности и качества работы. Уплотняющее и разрушающее воздействие движителей машины на почву снижает плодородие и приводит к эрозии почв. Условия труда в кабине ТТС в значительной мере определяются уровнем вибраций и шума. Колебания гусеничной машины в целом и элементов её ходовой части являются существенной, а в ряде случаев основной составляющей вредного воздействия машины на почву.
Для России характерно исключительное многообразие условий эксплуатации сельскохозяйственных машин и требований агротехники в разных почвенно-климатических зонах. Это приводит к тому, что создание ходовых систем и, в первую очередь, систем подрессоривания ТТС, которые удовлетворяли бы в полной мере всему комплексу предъявляемых к ним требований во всех почвенно-климатических зонах на разных сельскохозяйственных операциях, в настоящее время практически невозможно. Жесткая конкуренция на рынке ТТС сельскохозяйственного назначения требует от отечественного производителя дифференцированного подхода к проектированию ТТС в целом и, в частности, систем подрессоривания и
8 элементов ходовых систем под различные условия эксплуатации. Сложившаяся отечественная практика не предусматривает при проектировании и конструировании сельскохозяйственной тягово-транспортной техники учета этих конкретных условий. Следовательно, разработка методов оптимизационного синтеза систем подрессоривания и элементов ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов, адаптированных к условиям эксплуатации, - проблема весьма актуальная.
В настоящей работе обобщены результаты выполненных автором исследований динамики ТТС, в том числе в составе машинно-тракторного агрегата (МТА), направленных на решение указанной выше проблемы.
На основе анализа результатов исследований, проведенных в НАТИ МГТУ им Баумана, МАМИ, ВИМ, БПТА и других научно-исследовательских организациях, вузах и передовых предприятиях России, а также за рубежом, в первой главе диссертации показано, что, несмотря на значительный прогресс в создании инженерных методов проектирования эффективных ходовых систем и систем подрессоривания ТТС, требуется совершенствование этих систем с учетом современных тенденций как в области машиностроения, так и в сфере экономики и экологии. Определенные резервы улучшения динамических качеств ТТС связаны с учетом конкретных условий эксплуатации уже на стадии проектирования, либо с возможностью адаптации характеристик элементов ходовых систем и систем подрессоривания к этим условиям при эксплуатации.
В настоящее время для: определения динамических характеристик конструкций ТТС на стадии их проектирования особое значение приобрели методы математического моделирования. Без применения этих методов практически невозможным становится решение задач оптимизационного синтеза, направленных на улучшение динамических качеств ТТС. В связи с этим во второй главе настоящей работы специально рассмотрены применяемые методы моделирования динамических свойств и характеристик хо-
довых систем и систем подрессоривания гусеничных машин. На основании
этого выработаны подходы к решению задач оптимизационного синтеза с применением моделирования динамики ТТС, в том числе в составе МТА, доказана необходимость создания обобщенной динамической модели, учитывающей основные факторы внешних и внутренних возмущений, в том числе распределенные по длине опорной поверхности нормальные и касательные силы взаимодействия звеньев гусеницы с почвой. На основании обобщенной динамической модели разработана экспертная система принятия технических решений, направленных на повышение плавности хода, опорной проходимости и навесоспособности, снижение виброактивности и уплотняющего воздействия на почву.
Большое разнообразие условий эксплуатации гусеничных машин в разных почвенно-климатических зонах России, на различных сельскохозяйственных работах, на почвах с разными физико-механическими свойствами и агрофонами, с одной стороны, и небольшая доля выполняемых в определенных условиях конкретным; ТТС видов сельскохозяйственных работ, с другой, вызывает необходимость применения при моделировании динамики МТА обобщенных полигонов неровностей. На основании этого в третьей» главе диссертации предложена методика формирования обобщенного полигона неровностей для проведения исследований плавности хода МТА как натурных, так и на электронных моделях, с получением сравнимых результатов, по предложенному интегральному критерию плавности хода.
В четвертой главе диссертации представлен предложенный автором метод моделирования взаимодействия гусеничного движителя с почвой на основе расчета квазиравновесного состояния опорной ветви гусеничного движителя, позволяющий учитывать реакции почвы под опорными ветвями гусеничного движителя в наиболее общем случае.
В пятой главе диссертации описана созданная в ходе исследований оригинальная обобщенная модель динамики МТА, которая предназначена
10 для исследования возможных режимов эксплуатации, с учетом всей совокупности основных факторов, влияющих на динамику МТА. Среди основных факторов особо рассмотрены возможные нелинейности упруго-диссипативных связей элементов систем подрессоривания и ходовой системы, динамическое воздействие движителей на почву, в том числе при подворотах с перераспределением потока мощности на движителях.
Большой раздел работы, изложенный в шестой главе, посвящен исследованию динамики каркасных кабин, разработке и программной реализации методов проектирования виброизоляции элементов конструкции кабины ТТС. В частности, создана конечно-элементная модель каркасной кабины тракторов семейства ВТ, позволяющая рассчитывать и оптимизировать вибронагруженность системы подрессоривания и конструктивных элементов кабины. Разработана методика и создана информационно-измерительная система для исследования динамических характеристик виброизоляторов кабин, двигателей, радиаторов и т. п.
Предложенные математические модели позволили выявить возможности повышения плавности хода, опорной проходимости и навесоспособ-ности, снижение виброактивности и уплотняющего воздействия на почву и дать конкретные рекомендации, подтвержденные соответствующими актами внедрения. Теоретические и экспериментальные исследования динамики взаимодействия гусеничных ТТС с навесными орудиями, в частности оригинальная методика экспериментального исследования динамики МТА, позволяющая исследовать микропрофиль полей и дорог и определять распределенные физико-механические свойства почвы опорной поверхности за один проход МТА, описаны в седьмой и восьмой главах диссертации.
Отдельные части данной работы опубликованы в виде результатов исследований, выполненных автором в ВолгГТУ в соответствии с планами госбюджетных НИР, по хозяйственным договорам с ВгТЗ, а также в рамках
фундаментальных НИР, финансируемых Министерством образования Российской федерации.
Часть исследований, представленных в настоящей работе, автор выполнял совместно со своими коллегами Шелухиным В. С, Реуновым С. В., Дьяковым А. В. и Казанкиной Е. Н., у которых автор являлся научным консультантом при выполнении ими кандидатских диссертаций.
Автор благодарен своему научному консультанту доктору технических наук профессору Тескеру Е. И. за помощь в редактировании общих положений диссертации и содействие в представлении работы.
Искреннюю и самую глубокую благодарность автор выражает своему учителю, заведующему кафедрой «Автомобиле- и тракторостроение» кандидату технических наук профессору Победину. А. В., под творческим влиянием которого сформировалось направление настоящей работы и чьи энтузиазм, участие, поддержка и практическая помощь решающим образом содействовали подготовке диссертации. При написании ряда разделов работы научные консультации Победина А. В. были исключительно ценными.
Автор благодарит за поддержку и помощь ректорат ВолгГТУ, а также всех своих коллег по кафедре «Автомобиле- и тракторостроение» кандидатов технических наук Шевчука В. П., Шеховцова В. В., Котовско-ва А. В., Ходеса И. В., Орешкина В. Н., творческое общение с которыми во время учебы в институте и в ходе совместных исследований способствовали становлению моего научного мировоззрения, развитию научных идей и их практической реализации.
Особую признательность автор выражает доктору технических наук профессору Злотину Г. Н. и доктору технических наук профессору, заведующему кафедрой «Теплотехника и гидравлика» Федянову Е. А., чье участие, советы и консультации существенно сократили время подготовки и оформления диссертации.
Исследования колебательных процессов гусеничных ТТС
Для анализа условий эксплуатации гусеничных ТТС с позиции исследователя систем подрессоривания и средств виброизоляции необходимо определить основные источники возмущений колебаний и вибраций гусеничных машин в разнообразных условиях их эксплуатации.
Для сельскохозяйственных гусеничных ТТС в составе МТА наиболее благоприятными условиями движения, применительно к плавности хода, является движение по ровному мягкому полю с равномерным распределением физико-механических свойств почвы или по ровным дорогам на небольших скоростях. При движении ТТС по влажным и слабым грунтам колебания остова значительно снижаются. Основными возмущениями являются кинематические несоответствия скорости перемотки гусеничной цепи ведущей звездочкой и скорости выхода звена гусеницы из-под заднего опорного катка и флуктуация крюковой силы тяги. Однако время работы тракторов в таких условиях весьма ограничено. Зачастую на полях имеются существенные неровности как случайного, так и закономерного характера, и ровные грунтовые дороги в сельских районах встречаются довольно ред ко.
Типичное транспортное передвижение гусеничных тракторов осуществляется по грунтовым дорогам, которые весьма разнообразны и могут находиться в довольно плохом состоянии. Новые луговые («молодые») дороги представляют собой относительно ровную поверхность с небольшими неровностями, однако, после дождей на этих дорогах часто появляются участки со значительными неровностями. В І зависимости от состава, свойств почвы, времени года и количества выпадающих осадков, грунтовые дороги могут иметь достаточно мягкую, податливую поверхность или очень твердую поверхность, приближаясь по этому показателю к дорогам с твердым покрытием.
При движении ТТС с орудием в транспортном положении наибольшие колебания остова трактора происходят на неровных грунтовых дорогах с твердой опорной поверхностью.
Выполнение полевых работ МТА сопровождается его передвижением в достаточно стабильных условиях, так как характер опорной поверхности зачастую довольно однообразен. Например, поля культивированные вдоль борозд предыдущей обработки, большей частью, представляют собой сравнительно ровную поверхность. Встречающиеся на них неровности обычно носят случайный характер и имеют небольшую высоту при большой длине неровности. Так как почва на поверхности полей более мягкая, чем на грунтовых дорогах, то колебания остова трактора при движении по полю менее интенсивные (за счет демпфирования этих колебаний почвой).. Уменьшению колебаний в определенной степени способствуют навесные и прицепные сельскохозяйственные машины, агрегатируемые с трактором.
Вместе с тем, при выполнении ряда сельскохозяйственных работ движение МТА в полевых условиях сопровождается значительными колебаниями остова. Так, например, в случае движения поперек борозд на полях с пропашными культурами трактор преодолевает неровности небольшой длины (0,35...0,7 м), но большой высоты (до 0,1 м). Остов трактора совершает в этом случае угловые и вертикальные колебания со значительными амплитудами. Значительные колебания возникают и при движении гусеничного трактора по мерзлой пахоте, по лугам, покрытым кочками. Однако в подобных условиях трактор эксплуатируется сравнительно мало.
Кроме сказанного выше, необходимо отметить то, что иногда гусеничной машине приходится преодолевать отдельные препятствия в виде коротких крутых подъемов, рвов, оврагов, однако при этом движение осуществляется на минимальной скорости, и время движения ТТС в таком режиме сравнительно мало, поэтому колебания остова в таких условиях движения не имеют практического значения. Таким образом, в теории подрес-соривания нецелесообразно рассматривать плавность хода сельскохозяйственных гусеничных ТТС при преодолении препятствий.
На основании сказанного выше можно сделать следующее заключение: для анализа и расчета систем подрессоривания необходимо иметь данные о характере и размерах неровностей, встречающихся в типичных условиях эксплуатации ТТС, при этом следует учитывать время движения трактора по тем или иным неровностям опорной поверхности.
взаимодействия гусеничного движителя с опорной поверхностью
Выводы этой работы дают рекомендации по снижению виброактивности, заключающиеся в уменьшении угла наклона ведущей ветви, уменьшению длины звена и увеличению диаметров ведущей звездочки и заднего опорного катка. Данные рекомендации приближают звенча-тый обвод к ленте, особенно применительно к реальной почве.
В работе Докучаевой Е.Н [197] доказывается необходимость возможной компенсации неравномерности скоростей выхода звена гусеницы из под заднего опорного катка и укладки трака на ведущую звездочку. В модели, описанной в этой работе, учтено влияние подрессоренного заднего опорного катка на динамику гусеничного ТТС (рис. 2.3), что существенно повышает ее адекватность. Динамика ведущего участка В результате применения рас сматриваемой модели удалось добиться снижения расчетных динамических нагрузок более, чем в два раза, уже не за счет снижения коэффициента неравномерности, а за счет оптимизации параметров ведущего участка гусеничного движителя по критерию компенсации кинематических неравномерностей скоростей. Допущения, сделанные в перечисленных работах, на наш взгляд, достаточно сильно искажают динамику, а зачастую, и кинематику звен-чатого гусеничного обвода.
В работе Расулумуна Х.М. [63] рассмотрена кинематика и динамика ведущего участка гусеничной цепи ТТС с треугольным обводом. Модель ные представления ходовой системы, подвески остова и трансмиссии в этой работе имеют следующие допущения: - связь между трансмиссией и ведущей звездочкой заменена торсио-ном с угловой жесткостью Ст, отброшенная часть опорной поверхности заменена упругим элементом с условной жесткостью Сзок а задний опорный каток (ЗОК) связан с остовом ТТС через недефор-мируемый балансир; - отклонение траков без учета статического прогиба ветвей происходит от положения, определяемого касательной линией к окружностям ведущего колеса и ЗОК; - выход трака из контакта с опорной поверхностью происходит одновременно в правой и в левой гусеничной цепи; - касательная сила тяги, а также масса трактора и момент инерции равномерно распределяются на оба гусеничных движителя.
С учетом этих допущений автором предложена расчетная схема динамической модели (см. рис. 2.4) ведущего участка гусеницы. ренциальными уравнениями, полученными на основании уравнений Ла-гранжа второго рода при наличии в механической системе упругих и консервативных сил.
В качестве обобщенных координат приняты q 3 и 0 . В математической модели учитываются, кроме традиционных массово-инерционных параметров колебательной системы: масса и момент инерции траков ведущего участка гусеницы, жесткость шарнира, жесткость трансмиссии и жесткость ЗОК, а также, влияние изменения положения оси ведущей звездочки за счет плоских колебаний остова ТТС.
Разработанная математическая модель может быть применена для исследований кинематики и динамики гусеничного трактора, как с треугольным обводом, так и с традиционным, на, стадии проектирования и проверки кинематики и динамики ведущего участка гусеницы серийных тракторов с целью оптимизации параметров гусеничного обвода.
В работе сделан вывод: на рабочих скоростях движения сельскохозяйственного трактора наибольшую роль в формировании возмущений при зацеплении траков с ведущим колесом играет кинематика звенчатости гусеницы. Поэтому при проектировании гусеничного обвода важно добиться минимального значения виброактивности ведущего участка гусеничной цепи за счет компенсации кинематических несоответствий скоростей перемотки гусеничной цепи ведущей звездочкой и высвобождения её из-под ЗОК, что обеспечивается оптимальным подбором конструктивных параметров гусеничного обвода. Динамический анализ ведущего участка гусеницы показывает, что исследуемые процессы содержат в основном низкочастотные составляющие 0 -г- 11 Гц . Диапазон низкочастотных составляющих различен для разных конструкций обвода, причем, наличие на ведущем участке разного количества траков существенно меняет спектр низких частот.
Из-за указанных выше допущений, рассматриваемая в этой работе модель, при своей несомненной теоретической ценности, достаточно далека от физической картины ведущего участка гусеничного движителя с треугольным обводом.
Проведенный анализ научных работ, направленных на исследование динамики ведущего участка гусеничного движителя, выявил необходимость учета в динамических моделях плавности хода ТТС возмущений от ведущего участка гусеничного движителя из-за их существенной значимости в общей картине вибраций ТТС и высокой энергоёмкости. Однако, подробное описание данного явления, с включением в модель ведущего участка гусеничного движителя масс звеньев гусеницы, может существенно переусложнить математическую модель МТА, а посредством традиционных допущений свести на нет её адекватность. При моделировании наиболее целесообразным было бы ограничить описание возмущений от ведущего участка гусеничной цепи описанием мгновенного кинематического несоответствия скорости перемотки гусеничной цепи ведущей звездочкой и высвобождения её из-под заднего опорного катка с учетом системы подрессоривания и жесткости валов трансмиссии.
Влияние почвенно-климатических особенностей региона на условия эксплуатации
Решение этой проблемы, на наш взгляд, во внедрении в КБ современного инструментария конструктора - экспертных систем принятия технического решения, дающих возможность устранить вышеперечисленные недостатки проектирования технических объектов. Укрупненная блок-схема Примерной ЭКСПерТНОЙ СИСТеМЫ ПРИНЯТИЯ: ТеХНИЧеСКОГО решения; приведена на рис. 2.8.
1. Принятие технического решения основано на знании всей совокупности условий эксплуатации данного технического объекта (блок 1). Для гусеничного сельскохозяйственного трактора данные об условиях эксплуатации должны быть формализованы в полигон неровностей и нагрузок (по методике, описанной в п. 2.1).
2. Для принятия верного технического решения необходима библиотека математических моделей (блок 2), достаточно для поставленных задач адекватных. Описание математической модели динамики гусеничного сельскохозяйственного трактора дано в главе 5.
3. Решение задач поискового конструирования возможно только при корректном принятии пакета критериев оптимизации (блок 3). Применительно к задачам динамики гусеничного сельскохозяйственного ТТС обоснование принятия пакета критериев приведено в главе 3.
4. Корректное выполнение первых трех пунктов не всегда дает 100%-ную вероятность реализации проекта принятия технического решения (блок 4). Решение частных задач зачастую сопряжено с довольно узкими рамками диапазона варьирования параметрами оптимизации. Как правило, выпускающийся технический объект (особенно не один год) в достаточной мере оптимизирован по основным параметрам, и возможность существенного улучшения его функциональных качеств маловероятна. Решение общих задач при принятии технических решений конструкторами обычно сопровождается существенными изменениями конструкции технического объекта, что в условиях современного производства затруднительно по комплексу очевидных факторов. Следовательно, перед конструктором стоит задача нахождения оптимального интервала варьирования при постановке задачи поискового конструирования. Методы оптимизации в достаточной мере описаны авторами во многих работах [275, 269, 291, 292, 302, 310 и т.д.].
5. Результатом решения оптимизационной задачи является определение оптимальных параметров и характеристик ТТС, по которым необходимо параметрически или структурно синтезировать сам объект, его узел, и т.д. (блок 5). Желаемые параметры и характеристики могут быть реализованы не полностью или с искажениями, следовательно, на этом этапе необходимо уточнение их истинных значений.
В случае невозможности реализации технического решения общей задачи в ближайшие сроки (по ранее упомянутым факторам), при одновременной функциональной привлекательности данного технического решения - возможно данное техническое решение перевести в разряд стратегических. Формально стратегическое техническое решение это блок рекомендаций и ограничений, приводящих в перспективе к постепенному внедрению данного технического решения или к созданию благоприятных условий для его внедрения.
Описанная экспертная система была реализована автором, и на ее основе проведены описанные ниже исследования динамики МТА на базе гусеничных сельскохозяйственных тракторов семейства ВгТЗ.
1. Разработана экспертная система принятия технического решения по совершенствованию систем подрессоривания и ходовой системы ТТС, позволяющая объективно оценить функциональную эффективность конструкторских решений и мероприятий, снизить вероятность принятия ошибочного решения, обеспечить преемственность технической политики КБ.
2. Разработана методика оптимизации упруго-диссипативных характеристик систем подрессоривания ТТС, на базе которого создан программный комплекс автоматизированного синтеза этих систем.
3. Доказано что:
— проектирование оптимальных систем подрессоривания ТТС должно базироваться на объективных данных о неровностях, встречающихся в конкретных условиях эксплуатации, и продолжительности движения данного ТТС по тем или иным неровностям опорной поверхности, при этом первостепенное значение играют физико-механические свойства опорной поверхности в своем огромном многообразии;
— остается актуальной проблема виброзащиты рабочего места оператора, и её необходимо учитывать при исследовании задач динамики МТА. Оптимизация параметров систем подрессоривания ТТС по критериям плавности хода возможна лишь при комплексном подходе к моделиро . ванию всех значимых колебательных контуров ТТС;
Модель квазиравновесного состояния звена гусеничной цепи
Угол наклона отрезка ВВ равен углу наклона отрезка АА . Таким образом получается петля гистерезиса, характеризующая рассеивание энергии в подвеске. Переход с верхней ветви петли на нижнюю и наоборот осуществляется всегда с мгновенным блокированием упругого элемента подвески силами сухого трения, этот процесс на графике будет характеризовать отрезок, параллельный отрезкам АА и ВВ . Замкнутая кривая А"Е характеризует частный случай проявления гидравлических сил трения в / точке подвеса при полном колебании остова.
Аналитически данное явление описывается следующими логическими условиями алгоритма.
Достаточным условием перехода с одной ветви петли гистерезиса на другую является изменение знака скорости деформации упругого элемента или равенство ее нулю: Soi 0 и St 0 или Sol 0 и St 0 , ( 3.8) где Soi, Sj - соответственно скорости деформации приведенного упругого элемента на предыдущем и текущем шаге интегрирования в і точке подвеса. Далее определяется интервал результирующей силы в і точке подвеса, при нахождении результирующей силы в котором будет блокироваться упругий элемент: Fkni = Fyi+Fgi Fkwi = Fkoi 2Fgoi где Fkni t Fkwt - соответственно нижнее и верхнее значения границ интервала результирующей силы в і точке подвеса остова; Fkoi Fgoi - соответственно результирующая и диссипативная силы в і точке подвеса на предыдущем шаге интегрирования; Fyi, Fgi - соответственно результирующая и диссипативная силы в і точке подвеса на текущем шаге интегрирования.
Для момента блокирования упругого элемента подвески упругая и диссипативная силы определятся из выражений ш (rf--rf-i) (3.10) Fgi = Fkpl + Fni » где Q = Q(d) - кусочно-линейная упругая характеристика / точки подвеса, содержащая т точек; Qm Qm-1 - тангенс угла наклона последнего участка ломаной ку dm -dr сочно-линейной упругой характеристики і точки подвеса; Fkpi у Fni - составляющие диссипативной силы в і точке подвеса остова трактора, обусловленные соответственно взаимодействием орудия с почвой и деформацией почвы под опорными катками.
Программное обеспечение, написанное на базе описанного алгоритма, позволяет исследовать в математической модели динамики МТА распространения высокочастотных колебаний в опорных и несущих конструкциях ТТС, а также проникновение высокочастотных вибраций от двигателя и трансмиссии на опорную ветвь гусеничного движителя.
Как было сказано в первой главе, работа тракторов и сельскохозяйственных машин на относительно высоких скоростях в реальных полевых условиях сопровождается достаточно интенсивными колебаниями, возникающими под влиянием различных факторов, главным из которых является воздействие на І подвеску остова неровностей опорной поверхности.. При взаимодействии движителя с почвой опорной поверхности на нее действует не только статические реакции от веса МТА, но и динамическая составляющая от колебаний остова трактора. Поэтому при расчете уплотняющего воздействия от движителей МТА целесообразно учитывать возникающие колебательные процессы, которые перераспределяют нагрузку по опорной поверхности, создавая дополнительную неравномерность давления по длине гусеницы. К факторам, влияющим на распределение нагрузки, также относятся: тип подвески, число опорных катков и расстоянием между ними, шаг и натяжение гусеницы, сила тяги на крюке, положение центра тяжести трактора.
В научной литературе имеется достаточное количество информации о влиянии скорости движения МТА на уплотняющее воздействие [20, 158, 211, 289, 290 и др.]. В исследованиях, проведенных В.Ф. Бабковым, О.В. Яблонским, В.В. Гуськовым, а также НАТИ, ЦНИИМЭ и др., рассматривается влияние скорости на давление движителей в пятне контакта и вертикальную деформацию почвы. Имеющиеся по этому вопросу результаты исследования как теоретические, так и экспериментальные, противоречивы.
В опытах В.Ф. Бабкова установлено [211, 284], что чем больше скорость движения автомобиля по свеженасыпанному дорожному полотну из тяжелой супеси, тем меньше сжимающие напряжения в почве. Объясняется это тем, что при увеличении скорости движения, вследствие сокращения времени действия нагрузки и повышения скорости ее нарастания, почва не успевает полностью деформироваться.
Экспериментальными исследованиями ЦНИИМЭ установлено, что с увеличением скорости движения машин по магистральному волоку с суглинистой почвой давление под гусеницами возрастает. Выведены теоретические (полуэмпирические) зависимости, определяющие давление на почву с увеличением скорости МТА. Установлено и считается, что давление под движителями МТА равно сумме двух составлявших - статической, представляющей собой давление при скорости движения, равной нулю, и динамической, являющейся функцией свойств почвы, конструкции движителя и скорости движения.
Анализ научной литературы выявил противоречивый характер выводов авторов о влиянии скорости движения МТА на уплотняющее воздействие. Отчасти это можно объяснить не идентичностью условий проведения экспериментальных исследований, техническими сложностями по определению влажности почвы, особенно по глубине залегания, наличием и соотношением органической и других структурных составляющих почвы, и т.п. При проведении описанных исследований не учитывалась динамика колебаний остова трактора на подвеске и, как следствие, перераспределение реакций по опорным каткам, ведь в результате движения возможны пробои подвески, удары о почву направляющего колеса и ведущей звездочки, при этом динамические реакции могут в несколько десятков раз превышать статические.
