Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования 6
1.1. Критерии оценки влияния виброактивности на человека 6
1.2. Экспериментальные и теоретические исследования условий работы систем подрессоривания 12
1.3. Обзор существующих моделей колебаний трактора 14
1.4. Цели и задачи исследования 33
2. Математическая модель колебаний трактора с учетом несинхронности работы звездочек 34
2.1. Влияние фаз поворота звездочек на вертикальные и угловые колебания остова трактора 34
2.2. Выбор ограничений и обобщенных координат модели... 35
2.3. Уравнения колебаний остова трактора с учетом несинхронности работы звездочек 42
2.4. Кинематические возмущения 49
2.4.1. Возмущения на ведущих участках гусениц 49
2.4.2. Возмущения от неровностей 62
2.5. Силовые возмущения 66
2.6. Упругие и диссипативные характеристики подвески и виброизоляторов трактора 71
2.7. Описание программного комплекса 76
2.8. Выводы 80
3. Экспериментальное исследование влияния рассогласования работы звездочек на колебания остова трактора 81
3.1. Методика эксперимента 81
3.2. Измерительная аппаратура 85
3.3. Обработка и анализ результатов эксперимента 86
3.4. Выводы 97
4. Оценка адекватности модели и результаты исследования трактора ВТ-100 98
4.1. Оценка адекватности модели 98
4.2. Оптимизация параметров ведущего участка трактора ВТ-100 графическим методом 100
4.3. Определение оптимальных геометрических параметров ведущего участка трактора ВТ-100 101
4.4. Оценка влияния соотношения фаз зацепления звездочек с траками гусениц на колебания остова трактора 103
4.5. Выводы 106
Общие выводы и рекомендации 107
Список использованных литературных источников
- Экспериментальные и теоретические исследования условий работы систем подрессоривания
- Уравнения колебаний остова трактора с учетом несинхронности работы звездочек
- Обработка и анализ результатов эксперимента
- Определение оптимальных геометрических параметров ведущего участка трактора ВТ-100
Введение к работе
Качество условий труда играет все большую роль в процессах сельскохозяйственного производства. Усложнение технологических операций и технических средств, падение престижа труда механизаторов из-за неадекватной оплаты труда, ярко выраженная непопулярность аграрного сектора экономики - все это не способствует притоку рабочей силы в агроинженер-ную сферу.
Обеспечение нормальных условий труда на тракторе требует дополнительных затрат при проектировании, создании, серийном производстве и эксплуатации машин. Чем выше качество условий труда, тем выше стоимость машины.
Однако при расчете технико-экономической эффективности обычно не учитывают ряд положительных факторов, возникающих в связи с улучшением условий труда, и их влияние на производительность технического средства. Между тем, в тяжелых условиях утомляемость механизатора резко возрастает, производительность агрегата падает, здоровью работающих наносится непоправимый и значительный ущерб. Современная техника не в полной мере обеспечивает нормальные условия труда при интенсивной работе.
Повышение уровня условий труда позволяет увеличить длительность рабочей смены при неизменных затратах энергии оператора, а следовательно, и неизменной оплате труда. При этом возрастает удельная (часовая) выработка, а стоимость технического средства приближается к своему оптимальному значению при минимуме издержек эксплуатации.
Одной из наиболее важных характеристик технического средства, обеспечивающих комфортные условия труда оператора, является низкий уровень вибрации на его рабочем месте. Вопросы, связанные с колебаниями трактора и их воздействием на организм механизаторов, постоянно находятся в центре внимания исследователей и конструкторов [11,16,27,31,33,34,41,42 и др.],
5 однако по ряду причин многие из этих проблем остаются все еще нерешенными, что ставит эти вопросы в разряд наиболее актуальных. Колебания приводят не только к утомлению тракториста и существенно снижают его производительность труда, но и ухудшают качество выполнения технологических операций (на основных видах сельскохозяйственных и других работ), а также снижают надежность работы узлов и агрегатов самого трактора и машинно-тракторного агрегата (МТА) в целом. Кроме того, совершенствование системы подрессоривания может оказывать и непосредственное влияние на производительность трактора за счет уменьшения коэффициента буксования при снижении уровня вибраций [18,46,59,62], а также снижения расхода мощности двигателя на колебания
Для правильной оценки уровня виброактивности трактора на стадии проектирования новых и модернизации выпускаемых марок тракторов создается множество различных теоретических моделей, позволяющих (с той или иной степенью достоверности) получать результаты математического моделирования, адекватные натурным испытаниям.
В связи с вышесказанным на защиту выносятся следующие разработки:
методика исследования кинематических возмущений на ведущем участке гусеничной цепи вследствие неравномерности протяжки гусеницы звездочкой и изменения длины этого участка с учетом характера взаимодействия траков гусеницы с грунтом;
математическая пространственная модель гусеничного трактора, позволяющая учитывать смещение фаз взаимодействия правой и левой звездочек с траками гусениц;
программный комплекс, позволяющий формировать модель трактора, используя различные параметры ходовой системы;
методика и результаты экспериментального исследования, позволяющего оценить влияние соотношения фаз ведущих колес на колебания остова трактора, а также неравномерность нагрузки на крюке.
Экспериментальные и теоретические исследования условий работы систем подрессоривания
Наиболее достоверные результаты по плавности хода гусеничных тракторов возможно получить на основе экспериментальных исследований. При этом проведение натурных полевых и полигонных испытаний трудоемко и дорого, поэтому, особенно в течение двух последних десятилетий, испытания различных систем тракторов проводят на испытательных стендах. Недостатком таких испытаний является невозможность точного воспроизведения условий работы различных динамических систем при передвижении МТА по реальному полю или дороге - режимы их нагружения при этом формируются искусственно при помощи нагружателей, воспроизводящих эксплутационный режим с той или иной степенью достоверности. Достоинствами таких испытаний является меньшая трудоемкость и стоимость испытаний, сокращение их сроков в сравнении с полевыми, возможность автоматизации испытаний, применяя ЭВМ для задания режимов нагружения, записи и обработки результатов испытаний.
При выполнении стендовых испытаний представляют интерес испытательные системы, работающие в режиме реального времени. Текущее отслеживание и обработка поступающей информации позволяют проводить оперативное вмешательство в процесс испытаний, корректировать режимы нагружения и получать за счет этого достоверные результаты испытаний.
В настоящее время вместо дорогостоящих и трудоемких натурных испытаний все чаще выполняется расчетное исследование плавности хода тракторов на основе электронного моделирования [47,63,65,70,74,79]. Достоинством этого способа является невысокая стоимость в сравнении с натурными испытаниями, которые невозможно провести без изготовления опытных машин, возможность получения широкой гаммы результатов при исследовании нагруженности модели, имитирующей ходовую систему, в различных условиях эксплуатации. Такие испытания позволяют получить опти мальные геометрические параметры элементов ходовой системы и упруго диссипативных характеристик системы подрессоривания.
Результаты электронного моделирования оказываются достоверными, если в математическую модель системы подрессоривания ввести экспериментально определенные параметры и характеристики ходовой системы и подвески реальной машины. Адекватность модели реальной динамической системы подрессоривания существенно увеличивается и на ее основе, возможно, выполнить практически любые исследования плавности хода, в том числе такие, которые не всегда возможны при натурных испытаниях. Наилучших результатов в моделировании можно достичь, если известны такие статистические характеристики процессов нагружения систем подрессоривания в эксплуатации, как спектральная плотность, дисперсия, корреляционные функции.
Таким образом, наилучшие результаты в исследовании плавности хода достигаются при сочетании экспериментальных методов, позволяющих получить данные для построения динамической модели системы подрессоривания МТА и формирования нагрузочных режимов, и методов расчетного исследования модели.
Одним из важнейших достоинств электронного моделирования плавности хода МТА является возможность оптимизации параметров и упруго-диссипативных характеристик их систем подрессоривания для получения заданных показателей плавности хода. Используемые при этом критерии оптимизации классифицируются по конструктивным, эксплутационным, природно-климатическим и организационно технологическим категориям. Наиболее эффективно выполнять оптимизацию по интегральному критерию [19,44], учитывающему влияние на плавность хода каждого из выбранной группы критериев.
В настоящее время существует множество плоских моделей колебаний трактора, которые, при достаточно точном моделировании работы подвески одного борта, имеют ограничения, которые не дают возможности исследовать линейные и угловые колебания в поперечной плоскости. Это допущение приводит к тому, что на некоторых режимах работы происходит существенное искажение действительных процессов.
Известны теоретические разработки по анализу плавности хода гусеничной машины [2,10,11], в которых с достаточной точностью описаны уп-руго-диссипативные связи входящих в нее агрегатов, воздействия на подвеску со стороны почвы, включая регулярный или случайный профили. Однако при анализе плавности хода гусеничной машины недостаточно описаны возмущения ведущего участка гусеничной цепи, которые при некоторых обстоятельствах могут стать значимыми среди источников вибрации гусеничной машины.
Анализ кинематики и динамики гусеничного движителя базируется на фундаментальных исследованиях АниловичаВ.А. [6], Антонова А.С. [8], Бабакова И.Н. [9], Барского И.Б. [10,11], Докучаевой Е.Н. [37], Забавнико-ва Н.А. [42], Кузнецова И.П., Филатова А.И., Дегтярева Ю.П. [60], , Кутько-ва Г.М. [64,65], Платонова В.Ф. [90] и др. В этих работах рассмотрена кинематика ходовой части гусеничного трактора, предложены методы формирования динамических моделей ведущего участка гусеничного движителя, трансмиссии, колебаний остова трактора. Однако, в имеющихся моделях не учтен ряд важных для динамики гусеничных ТТС факторов, оказывающих существенное влияние на результаты моделирования. В частности, в них не учтены перемещения заднего опорного катка (ЗОК) и изменение положения ведущего колеса относительно ЗОК под влиянием колебаний остова и крюковой нагрузки. Надо отметить, что ведущий участок гусеничной це пи является многозвенным механизмом с большим числом степеней свободы. Кроме того, задача исследования усложняется необходимостью учета механических свойств реального грунта, также оказывающего существенное влияние на динамику процесса. В связи с этим, проблема достаточно точного моделирования работы ведущего участка остается актуальной.
Уравнения колебаний остова трактора с учетом несинхронности работы звездочек
Дифференциальные уравнения составлены на основе принципа Далам-бера.
Уравнения, описывающие колебания остова трактора в составе МТА, выглядят следующим образом. х --L " ml (2.2) Ркі + Pkj kdl Ркр кд2 (Рун + Рдн ) Pf -(р;К+рдхК)-(рУхд+рдхд) где то - масса, эквивалентная колеблющимся в направлении обобщенной координаты Х0 массам МТА; Р?., Р?. - горизонтальные проекции касательной силы тяги, приложенной к осям ведущих звездочек соответственно правого и левого бортов; kp kdl горизонтальная продольная проекция крюковой нагрузки; коэффициент выбора типа движения ТТС (k$j = 1 - движение с крюковой нагрузкой, k j = 0 - движение без крюковой нагрузки); РуН , Р н - горизонтальные продольные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске навесного орудия; к$2 - коэффициент выбора типа движения ТТС (к$2 = 1 - движение с орудием в транспортном положении, к$2 = 0 - движение без навесного орудия); Рг - суммарная сила сопротивления перекатыванию; РуК , Рк - горизонтальные продольные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске кабины ТТС; Р\ , Р?, - горизонтальные продольные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске двигателя ТТС. 2п = т, І (Русі + Рдоі) + I (Pyoj + Pdoj ) - PZki - PZ i=l j=l J -kdrP -kd2-(P PdzH)-(P - PdzK) -(pZyd+p2dd) (2.3) где mz0 - масса, эквивалентная колеблющимся в направлении обобщенной координаты Z0 массам МТА; Pyoi Рдоі " упругие и демпфирующие усилия в / опоре подвески правого борта остова ТТС; п - количество опор по правом борту ТТС; Pyoj Pdoj " упругие и демпфирующие усилия в / опоре подвески ле вого борта остова ТТС; к - количество опор по левом борту ТТС; z Р, - вертикальная проекция крюковой нагрузки; РуН , Р н - вертикальные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске навесного орудия; РуК , РІ - вертикальные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске кабины ТТС; Pz, , Р, - вертикальные проекции упругих и демпфирующих усилий в подвеске двигателя ТТС. t ((Русі + Рдоі ) li) + І ((Pyoj + Pdoj ) 1))- Pki І/ _ Pz . Iх — Px . /2 _ Px . lz — k Px . lz — Jr . Pz Iх -rkj L3ej rki Ізві rkj L3ej Kdl rkp lkp Kdl rkp lkp -kd2-(P;H+PL)-lx»-kd2-(PxyH+Pdx„)-lz„- , (2.4) -(p;K+pL)-ixK-(pxyK+pdxK)-i: -(маук + м?к)+ + (Руд+Рдд)-П-(Руд+Рдхд)-П-(м + м д) Y J0 - момент инерции МТА относительно горизонтальной поперечной оси Y0 ; If , Iх; - горизонтальные продольные расстояния от і (j) опоры до центра масс остова соответственно по правому и левому борту, для опор, расположенных спереди от центра масс это расстояние имеет знак " + ", а для опор, расположенных позади центра масс -знак"-"; l ei, l ej - горизонтальные продольные расстояния от осей ведущих звездочек соответственно правого и левого борта до центра масс остова; зві зві вертикальные расстояния от осей ведущих звездочек соответственно правого и левого борта до центра масс остова; /? , /5 - вертикальное и горизонтальное продольное расстояния от мгновенного центра поворота навесного орудия в рабочем положении до центра масс остова; 1ц ,1н вертикальное и горизонтальное продольное расстояния от центра масс навесного орудия в транспортном положении до центра масс остова; 1к Лк вертикальное и горизонтальное продольное расстояния от центра масс кабины ТТС до центра масс остова; МуК , Мк - упругий и демпфирующий моменты, приведенные к центру масс кабины и действующие в направлении обобщенной координаты ак; її ЛІ - горизонтальное продольное и вертикальное расстояния от центра масс двигателя ТТС до центра масс остова; Ма, , М?\ - упругий и демпфирующий моменты, приведенные к центру масс двигателя и действующие в направлении обобщенной координаты ад .
Обработка и анализ результатов эксперимента
В результате эксперимента были получены осциллограммы записи датчиков, регистрирующих величины крюковой нагрузки, напряжения в зубе звездочки и виброперемещения.
На рис. 3.5 и 3.6 представлены наиболее характерные осциллограммы записи показаний датчиков при скорости движения трактора VT « 1 м/с в случае, когда фазы перезацепления зубьев ведущих колес левой и правой гусениц совпадают (рис. 3.5) и когда они смещены приблизительно на 180 (рис. 3.6). На осциллограммах кривые расположены в следующем порядке (сверху вниз): 1 - сила тяги на крюке трактора; 2 - напряжения, возникающие в одном из тринадцати зубьев ведущего колеса правой гусеницы; 3 - положение зубьев левого ведущего колеса в вертикальной плоскости, проходящей через его ось вращения; 4 - положение зубьев правого ведущего колеса в той же плоскости; 5 - вертикальные перемещения рамы трактора при замере на правом крон штейне; 6 - вертикальные перемещения рамы трактора при замере на левом крон штейне.
Отметка времени подавалась на осциллограмму с периодом 0,02 секунды. Поперечные линии нанесены на рисунок с интервалом 0,1 секунды. Приведенные на рис. 3.5 и рис. 3.6 записи сделаны в одном масштабе (при одном и том же усилении).
Обработка осциллограмм велась методом ординат. Погрешности измерения оценивались тарировкой и контролировались калибровкой и повторными измерениями.
Таким образом, полученное нами среднеарифметическое значение может иметь отклонение от действительного с вероятностью 0,67 не более чем на 0,51 мм.
В таблице 3.4 приведены результаты статистической обработки полученных осциллограмм. Цифры 1-8 в графе табл. 3.4 соответствуют следующим измерениям: 1 - вертикальные виброперемещения на левом борту при одновременном зацеплении правой и левой звездочек с гусеницей (звездочки в фазе); 2 - вертикальные виброперемещения на левом борту при смещении фаз за цепления правой и левой звездочек с гусеницей на 180 (звездочки в противофазе); 3 - вертикальные виброперемещения на правом борту (звездочки в фазе); 4 - вертикальные виброперемещения на правом борту (звездочки в проти вофазе); 5 - вертикальные виброперемещения остова трактора в продольной плос кости, проходящей через центр масс (звездочки в фазе); 6 - вертикальные виброперемещения остова трактора в продольной плос кости, проходящей через центр масс (звездочки в противофазе); 7 - горизонтальные виброперемещения остова трактора в продольной плоскости, проходящей через центр масс (звездочки в фазе); 8 - горизонтальные виброперемещения остова трактора в продольной плоскости, проходящей через центр масс (звездочки в противофазе).
По результатам измерений определены вибросмещения остова трактора, изменения крюковой силы тяги, угловые колебания остова в поперечной вертикальной плоскости и др. Таблица 3.4 Статистические характеристики виброперемещений
Как видно из рис. 3.6 и 3.7, наиболее ярко влияние соотношения фаз зацепления правой и левой звездочек с гусеницей выражается при меньших скоростях. При Vmp - 0,5 м/с максимальные вертикальные колебания при одновременном зацеплении звездочек превышает колебания при их противофазе на 37 %, а при Vmp - 1,3 м/с - на 22 %. Уменьшение же горизонтальных продольных колебаний при смещении фаз зацепления звездочек, когда Vmp =1,3 м/с, сводится к нулю (рис. 3.7). Кроме того, как показывают рис. 3.8 и 3.9, в случае, когда фазы перезацепления звездочек смещены приблизительно на 180, происходит выравнивание уровня колебаний на правом и левом борту. Рис. 3.11 иллюстрирует повышение в этом случае максимальных угловых колебаний в поперечной вертикальной плоскости.
На рис. 3.12 показана зависимость неравномерности крюковой силы тяги, которая оценивается отношением максимального разброса значений к среднему значению нагрузки на крюке к, от скорости движения при синхронном и асинхронном вращении ведущих колес.
Напряжение, возникающее в зубе ведущей звездочки при взаимодействии с траками гусеницы, не изменяется при смещении фаз работы левой и правой звездочек (по крайней мере, в пределах точности измерений).
Определение оптимальных геометрических параметров ведущего участка трактора ВТ-100
По заказу Волгоградского тракторного завода был проведен предварительный анализ и оптимизация параметров ведущего участка гусеничного обвода трактора ВТ-100 графическим методом. В ходе исследования рассматривалось несколько вариантов изменения ведущего участка: - изменение диаметра заднего опорного катка (d = 300; 250 мм); - уменьшение высоты оси звездочки относительно опорной поверхности (Ah = 35; 20 мм).
Эти варианты были рассмотрены для положения трактора без орудия и с крюковой нагрузкой 30 кН, которая учитывалась опусканием оси звездочки на 20 мм.
Проведенный анализ дал следующие результаты:
1. Уменьшение d30K до 250 мм позволяет при крюковой нагрузке приблизиться к оптимальному положению заднего опорного катка на звене гусеницы в момент укладки звена гусеницы на ведущее колесо. Но при этом звездочка оказывается приподнятой над опорной поверхностью на 30-35 мм.
2. Уменьшение высоты оси звездочки на 35 мм приводит примерно к тому же результату при крюковой нагрузке 30 кН. При этом зазор между звездочкой и опорной поверхностью составляет « 45 мм.
Для оптимизации параметров подвески трактора семейства ВТ ОАО ВгТЗ и в соответствии с целью работы проведено исследование ходовой системы и системы подрессоривания с помощью разработанного программного комплекса на ЭВМ.
Создание подпрограммы, моделирующей кинематические возмущения на ведущих участках гусеничного обвода, позволило провести более подробное исследование влияния на уровень возмущения различных параметров. В частности, это влияние перемещений остова в различных плоскостях, смещение фаз поворота правой и левой звездочек, а также геометрические параметры ведущего участка.
На рис. 4.2 приведены результаты моделирования изменения угла поворота звездочек трактора ВТ-100 при отсутствии колебаний остова и смещении фаз поворота по бортам на 180
Как видно из рис. 4.3, уменьшение вертикальной координаты оси звездочки на 35 мм приводит к снижению максимального возмущения при У-ц = 2 м/с приблизительно на 30 %, что совпадает с ранее полученными данными и подтверждает адекватность модели формирования кинематических возмущений на ведущих участках гусеничного обвода. В этом случае и максимальные ускорения ц.м. остова, возникающие при рассматриваемой скорости движения и случайном профиле дороги, а также номинальной крюковой нагрузке, снижаются примерно в таком же соотношении.
На рис. 4.4 приведена зависимость максимальных вертикальных виброускорений ц.м. остова трактора от вертикальной координаты оси звездочки для стандартной гусеницы (\зв= 0,17 м). Наиболее оптимальной с точки зрения снижения уровня вибрации является высота оси звездочки h3B = 0,46 м, которая обеспечивает достаточный зазор между звездочкой и опорной поверхностью даже при большой крюковой нагрузке.
Уменьшение длины звена гусеницы также позволяет приблизиться к оптимальным параметрам ведущего участка (рис. 4.5). Но при меньшей длине звена (особенно до 0,15 м) увеличение трака за счет его износа приводит к значительному повышению уровня вибрации, тогда как при стандартной гусенице износ практически не влияет на процесс формирования вибровозмущений.
При исследовании влияния горизонтального расстояния на уровень вибрации (рис. 4.6) выяснилось, что наиболее оптимальным является 1х = 0,48 м. Увеличение 1х больше 0,53 м приводит также к снижению максимальных виброускорений остова трактора.
Аналогичное исследование для гусениц с длиной трака 0,156 м показало, что критерию минимального уровня вибрации остова трактора соответствует следующее соотношение геометрических параметров ведущего участка гусеничного обвода: Язок= 0 22 м; h = 0,44 м; 1Х= 0,55 м.
4.4. Оценка влияния соотношения фаз зацепления звездочек с траками гусениц на колебания остова трактора
При смещении фазы перезацепления одного борта относительно другого при VTp=2 м/с и отсутствии крюковой нагрузки ускорения остова в поперечной плоскости достигают 0,5 рад/с . При этом вибрации ц.м. остова в вертикальном направлении существенно снижаются (рис. 4.7).
Аналогичная картина складывается и при номинальной крюковой нагрузке, но при этом различие между виброускорениями остова в вертикальном направлении при синхронном перезацеплении звездочек с гусеницами и работе их в противофазе несколько снижается.
