Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы, направление и задачи исследования 17
1.1. Классификационные признаки нагружения опорного основания элементами ходовых систем колесных, гусеничных и дорожных машин... 17
1.2. Анализ и обобщение результатов проведенных исследований по развитию колесных, гусеничных и дорожных машин и их взаимодействию с деформируемым опорным основанием 22
1.2.1. Анализ особенностей взаимодействия колесных и гусеничных машин с почвогрунтом 22
1.2.2. Анализ особенностей взаимодействия дорожных катков с уплотняемыми материалами 40
1.3. Анализ существующих подходов к оценке реологических свойств опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин 52
1.3.1. Принципы построения расчетных моделей опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин 52
1.3.2. Применение методов теории ползучести при исследовании свойств опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин 62
1.4. Цель и задачи исследования 80
Глава 2. Принципы выбора параметров и режимов работы колесных, гусеничных и дорожных машин 83
2.1. Концептуальная модель выбора параметров и режимов работы колесных, гусеничных и дорожных машин 83
2.2. Методологический подход к оценке характеристик деформируемого опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин 95
2.3. Система критериев эффективности функционирования колесных, гусеничных и дорожных машин при выборе их параметров и режимов работы 118
2.4. Концепция выбора параметров и режимов работы колесных, гусеничных и дорожных машин 130
Выводы и предложения 138
Глава 3. Теоретические исследования взаимодействия ходовых систем колесных, гусеничных и дорожных машин с опорным основанием 141
3.1. Теоретические исследования взаимодействия жесткого вальца со слоем опорного основания 141
3.2. Теоретические исследования взаимодействия пневматического колеса со слоем опорного основания 155
3.2.1. Взаимодействие пневмоколеса трактора со слоем почвогрунта .155
3.2.2. Упрощенная математическая модель взаимодействия пневматического колеса с опорным основанием 164
3.3. Теоретические исследования взаимодействия гусеничного движителя с опорным основанием 170
3.3.1. Влияние положения центра давления гусеничного движителя относительно середины опорной поверхности гусеницы на уплотнение почвогрунта 170
3.3.2. Влияние параметров и режимов работы гусеничного движителя на тягово-сцепные свойства и степень уплотнения слоя опорного основания 176
Выводы и предложения 187
Глава 4. Исследование физико-механических свойств деформируемого опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин 191
4.1. Реологические свойства горячей асфальтобетонной смеси верхних слоев дорожных одежд 191
4.2. Определение прочностных характеристик слоев горячих асфальтобетонных смесей 213
4.3. Реологические свойства почвогрунтов и устройства для их определения 218
4.4. Особенности реологических свойств снежного покрова 228
Выводы и предложения 235
Глава 5. Оценка эксплуатационных свойств колесных,гусеничных и дорожных машин при учете реологических характеристик опорного основания 239
5.1. Оценка тяговой динамики колесных машин 239
5.1.1. Анализ тяговой динамики колесного трактора при работе на мягких почвах 239
5.1.2. Повышение тяговой динамики колесных тракторов путем перераспределения моментов на ведущих мостах 243
5.2. Оценка плавности хода колесных, гусеничных и дорожных машин 247
5.2.1. Обобщенные математические модели 247
5.2.2. Моделирование рабочего процесса вибрационного дорожного катка с вакуумным устройством 252
5.2.3. Моделирование системы "дорога - трактор - водитель" при оценке плавности хода 266
5.2.4. Моделирование плавности хода пропашного трактора 274
5.2.5. Моделирование плавности хода гусеничного трактора 281
5.3. Оценка динамики колесных тракторов при расчете трансмиссии на крутильные колебания 298
Выводы и предложения 309
Глава 6. Экспериментальные исследования колесных, гусеничных и дорожных машин 314
6.1. Исследование рабочих процессов дорожных катков 314
6.1.1. Определение рациональных значений контактных давлений под вальцом катка 314
6.1.2. Полевые испытания дорожных гладковальцовых катков с оценкой качества производства работ 320
6.1.3. Исследование технических характеристик бесконтактной вакуумной камеры к дорожному катку 334
6.2. Исследование параметров и режимов работы колесных тракторов 343
6.2.1. Полевые испытания колесного трактора по оценке уплотняющего воздействия на почву 343
6.2.2. Полевые испытания колесного трактора по оценке его плавности хода 347
6.2.3. Полевые испытания колесного трактора по оценке динамической нагруженности трансмиссии 351
6.3. Исследования параметров и режимов работы гусеничного трактора 355
Выводы и предложения 364
Глава 7. Определение режимов работы и параметров колесных, гусеничных и дорожных машин 368
7.1. Метод и результаты расчета режимов работы и параметров дорожных катков 368
7.2. Метод и результаты расчета режимов работы и параметров колесных тракторов 385
7.3. Метод и результаты расчета режимов работы и параметров гусеничных тракторов 404
Выводы и предложения 407
Основные результаты и выводы 410
Библиографический список 414
Приложения 444
- Анализ и обобщение результатов проведенных исследований по развитию колесных, гусеничных и дорожных машин и их взаимодействию с деформируемым опорным основанием
- Методологический подход к оценке характеристик деформируемого опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин
- Теоретические исследования взаимодействия пневматического колеса со слоем опорного основания
- Определение прочностных характеристик слоев горячих асфальтобетонных смесей
Введение к работе
Большинство колесных, гусеничных и дорожных машин (КГДМ) перемещаются по деформируемому опорному основанию с помощью соответствующих движителей. Опорное основание КГДМ представляет собой материал, сформированный различными образованиями, как природными, так и искусственными (такими как грунты, почвы, снег, асфальтобетонные смеси и т.д.), в виде слоя определенной толщины с ровной или неровной опорной поверхностью, по которому перемещаются КГДМ, деформируя его и выполняя, как правило, определенные технологические операции.
В зависимости от назначения к КГДМ предъявляются различные эксплуатационные требования, которые сводятся в основном к обеспечению: проходимости машин на ровной и неровной местности, в том числе в междурядьях между растениями; необходимых тягово-сцепных свойств, маневренности, плавности хода, диапазона скоростей движения; снижения динамических нагрузок в трансмиссии и других системах машин; возможно меньшего вредного воздействия движителей на почву (уплотнение почвы, разрушение структуры, нарушение капиллярности и т.п.) и окружающую среду в целом; высококачественного выполнения технологического процесса.
Эксплуатационные свойства КГДМ при их непосредственном взаимодействии с деформируемым опорным основанием, определяемые режимами работы и параметрами машин, в определенной степени зависят от характеристик опорного основания и наоборот, характеристики деформируемого опорного основания зависят от режимов работы и параметров применяемых КГДМ. Рассматривая такую взаимоувязанную систему, решения поставленных исследователями задач производятся с применением математических моделей и методов, позволяющих представить результаты этих решений в качественной или количественной форме.
Очевидно, что чем проще схематизируется оговоренная система, тем менее точным оказывается результат расчета. Чтобы учесть многообразие характеристик опорного основания (включая несущую способность, характеризующую его прочность, жесткость и устойчивость к сдвигу), с одной стороны, и полнее отразить влияние КГДМ на опорное основание - с другой, приходится существенно усложнять методы расчета.
Усложнение методов расчета приводит к некоторым разногласиям между учеными и специалистами в области транспортного, дорожного, сельскохозяйственного, коммунального и других видов машиностроения.
Такое положение нельзя признать нормальным, прежде всего потому, что цель деятельности и тех и других в конечном итоге состоит в установлении оптимальных параметров и режимов работы машин; при этом математическому описанию подвергается один и тот же объект - опорное основание.
Анализируя специфику работы опорного основания КГДМ, обладающего реологическими свойствами, необходимо создавать предпосылки для построения расчетных моделей с учетом фактора времени, особенностей материала опорного основания и характера действующих на него нагрузок со стороны движителей машин.
Реология, как известно, - наука, которая рассматривает образование и изменение во времени напряженно-деформированного состояния материала. Существует реология грунтов, реология асфальтобетона и т.п. В совокупности же рассматриваемых в диссертации процессов можно говорить и о реологии опорного основания КГДМ в том случае, если рассматривать изменение напряженно-деформированного состояния материала опорного основания во времени под действием нагрузок, действующих со стороны ходовых систем КГДМ.
Традиционный подход к проектированию КГДМ, базирующийся на стремлении к реализации максимальных эксплуатационных качеств, но не учитывающий должным образом особенности взаимодействия машин с внешней средой, привел к развитию энергонасыщенной техники, параметры и режимы работы которой не всегда в состоянии обеспечить экологическую безопасность, нормальное взаимодействие с опорным основанием. Это приводит, например, к переуплотнению, недоуплотнению или разрушению сплошности опорного основания в зависимости от вида выполняемых работ, к повышенному буксованию и снижению, в конечном счете, эффективности работы.
Главные показатели эффективности работы КГДМ зависят от протекания процессов взаимодействия их движителей с деформируемым опорным основанием. Научно обоснованные рекомендации, направленные на улучшение этих показателей, могут быть получены лишь на основе углубленного изучения процессов деформирования опорного основания при движении машин. Именно связь между процессами взаимодействия движителей КГДМ с опорным основанием и такими эксплуатационными свойствами машин, которые влияют на их производительность, топливную экономичность, надежность и качество выполнения работ, определяет актуальность темы диссертации.
Рассматриваемая проблема может быть решена путем применения новых прогрессивных методов изучения физико-механических свойств опорного основания, например, с использованием одного из традиционных подходов к исследованию реологических свойств деформируемых сред с применением теории наследственной ползучести упруго-вязко-пластичных материалов. Без этого невозможно объективно оценить как характер динамических связей в работе исследуемого объекта, в частности связей между механизмами и системами КГДМ, так и характеристики общей взаимоувязанной динамической системы "человек - машина - рабочий орган - объект воздействия - окружающая среда".
Основное внимание в диссертации уделено исследованию динамики процессов взаимодействия ходовых систем КГДМ со слоем опорного основания, что позволит вывести развитие и применение прогрессивных моделей техники на более высокий уровень, поскольку реологические характеристики деформируемого опорного основания имеют прямую связь с характером сило вого воздействия на него. В свою очередь, характер силового воздействия на опорное основание определяется техническими и эксплуатационными характеристиками КГДМ. При этом необходимо учитывать нелинейность реологических свойств деформируемого опорного основания, а также наличие фактора времени, определяющего собой продолжительность действия и интенсивность изменения нагрузки на опорное основание со стороны движителей КГДМ.
Вышеотмеченное подтверждает, что тема диссертационного исследования является актуальной и направлена на решение важной научной проблемы определения оптимальных параметров машин с учетом их взаимодействия с деформируемым опорным основанием.
Целью работы является разработка методологических основ выбора режимов работы и параметров колесных, гусеничных и дорожных машин, позволяющих повысить эффективность функционирования существующих и прогнозировать показатели работы новых высокоэффективных машин на основе учета реологии и несущей способности опорного основания, времени и характера действующих на него нагрузок.
Указанная цель определила перечень основных задач исследований:
1. Определить критерии эффективности взаимодействия ходовых систем КГДМ с деформируемым опорным основанием.
2. Разработать теоретические положения взаимодействия КГДМ с деформируемым опорным основанием.
3. Разработать модели процессов взаимодействия КГДМ с деформируемым опорным основанием, позволяющие произвести качественную и количественную оценку изменения напряженно-деформированного состояния, оценить кинетику развития деформаций опорного основания при различных законах его нагружения.
4. Разработать способы и методики оценки основных характеристик опорного основания как функционалов от временного фактора, определяющих его деформационную способность, тяговую динамику КГДМ и динамическую нагруженность их отдельных систем.
5. Произвести эксплуатационную оценку физико-механических характеристик опорного основания различного типа - почвы, грунтов, снега, дорож-но-строительных материалов и т.п.
6. Разработать технические средства, позволяющие оперативно производить оценку физико-механических характеристик опорного основания или повышать эффективность функционирования КГДМ.
7. Теоретически и экспериментально обосновать оптимальные режимы работы КГДМ, а также их основные параметры.
8. Разработать методы и рекомендации по выбору режимов работы и параметров КГДМ при учете реологических свойств опорного основания, времени и характера действующих на него нагрузок.
Объектом исследований являются колесные, гусеничные и дорожные машины, динамика процессов взаимодействия их ходовых систем с деформируемым опорным основанием, методы выбора режимов работы и параметров КГДМ.
На защиту выносятся наиболее существенные результаты диссертационного исследования, составляющие научную новизну работы:
1. Концепция выбора параметров и режимов работы КГДМ, позволяющая на основе развития реологии опорного основания, анализа полученных представлений об изменяющихся свойствах опорного основания, интенсивности изменения и времени действия на него нагрузок со стороны движителей машин, а также с учетом конструктивных особенностей машин проводить корректировку процесса выбора режимов работы и параметров КГДМ;
2. Методологический подход к оценке реологических характеристик деформируемого опорного основания КГДМ и методы их определения на основе четырехмерных пространственно-временных представлений, позволившие выйти на определение коэффициента поперечной дефор мации и модулей сдвиговых и линейных деформаций слоя опорного основания;
3. Развитие общей теории взаимодействия с деформируемым опорным основанием движителей КГДМ, позволяющее определять деформации слоя опорного основания и значения плотности его материала с учетом интенсивности изменения и продолжительности действия со стороны ходовых систем КГДМ нагрузок, а также распределения напряжений в слое опорного основания в соответствии с релаксационными процессами. Математические модели частных случаев взаимодействия жесткого вальца, пневматического колеса и гусеничного движителя получаются из общего решения путем подстановки соответствующих значений параметров моделей, что служит методической основой для достоверной оценки показателей взаимодействия.
4. Развитие теории, математические модели и методы оценки тяговой динамики, виброколебаний и плавности хода КГДМ, динамической на-груженности их трансмиссий с учетом реологических характеристик опорного основания, позволяющие количественно оценить эксплуатационные свойства КГДМ, их режимы работы и параметры;
5. Методы выбора режимов работы и параметров КГДМ, основную роль в формировании которых играет взаимозависимость реологических характеристик опорного основания и параметров и режимов работы КГДМ, определяемые на основе концепции и математических моделей, позволяющих производить решения поставленных задач на базе предложенных критериев оптимальности.
Методы исследований. В теоретических исследованиях решение поставленных задач базируется на основных положениях аналитической механики, механики сплошных сред, теории упругости и вязкопластичности, теории наследственной вязкоупругости, тензорного исчисления, математической статистики, численных методах решения систем дифференциальных и интег-ро-дифференциальных уравнений, методах математического моделирования и оптимизации параметров, теории уплотнения грунтов и дорожностроительных материалов и широком использовании ЭВМ. Экспериментальные исследования проводились с применением теории математического планирования эксперимента, методов физического моделирования, с использованием ЭВМ, на серийно выпускаемых машинах, макетных и экспериментальных образцах, установках, устройствах и стендах.
Достоверность научных положений, результатов, выводов и рекомендаций обоснована использованием апробированных методов механики сплошных сред, теорий упругости и вязкоупругости, математической статистики, оптимизации, анализа размерностей и планирования эксперимента; правильным выбором методов измерений и составлением измерительных схем; правильным выбором методов и техники тарировки измерительных систем в целом и отдельных их элементов, класса точности аппаратуры и своевременной ее поверкой; правильным учетом погрешностей элементов измерительных схем, методов измерений и обеспечением технически правильных условий работы измерительных устройств; результатами сопоставления теоретических исследований с данными экспериментов в лабораторных и производственных условиях и их удовлетворительным совпадением.
Научная значимость работы заключается:
- в разработке целенаправленного подхода к созданию новых высокоэффективных КГДМ или к применению существующих КГДМ с уточненными режимами работы в соответствии с основными критериями, определяющими эксплуатационные свойства КГДМ и качество выполнения работ на основе методологии и теории описания процессов взаимодействия движителей КГДМ с опорным основанием с учетом реологических свойств его материала;
- в развитии теории и создании ряда новых моделей и методов по оценке эффективности взаимодействия КГДМ с деформируемым опорным основанием, включая оценку эффективности функционирования отдельных систем КГДМ;
- в разработке методов выбора параметров и режимов работы КГДМ на деформируемом опорном основании.
Практическая ценность работы. Результаты исследований позволяют лучше понять сущность процессов, происходящих при взаимодействии КГДМ с деформируемым опорным основанием, а также определять пути повышения эффективности работы машин.
Обоснован системный подход к решению проблем взаимодействия КГДМ с деформируемым опорным основанием в рамках пространственно-временных представлений, что дает возможность выявлять эффективные направления исследований и рассматривать на практике различные задачи с единых методологических позиций.
Предложенные рекомендации, математические модели и методы, реализованные в виде пакета программ для ЭВМ, позволяют как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации выбирать рациональные параметры и режимы работы КГДМ, подбирать наиболее пригодную технику для выполнения работ в конкретных условиях эксплуатации.
Предложены способы и созданы устройства для оценки реологических характеристик почвогрунтов и для повышения эффективности работы дорожных катков.
Реализация результатов работы. Основные результаты научной работы:
- внедрены при укатке верхнего и нижнего слоев асфальтобетонного покрытия в объеме 41 км с использованием виброкатка ДУ-47А с вакуумным устройством на объектах объединения "Ленавтодор" в 1984-1985 годах;
- переданы в виде сборочных и рабочих чертежей виброкатка с вакуумным устройством на базе серийно выпускаемого катка ДУ-54А в объединение "Ленавтодор" для изготовления опытной партии катков;
- переданы в виде сборочных и рабочих чертежей бесконтактной вакуумной камеры к дорожным каткам в ЗАО "РАСКАТ";
- внедрены ОАО "Липецкий трактор" в виде рекомендаций по проектированию липецких тракторов, программ расчета на ЭВМ и номограмм по оценке эффективности их взаимодействия со слоем почвы;
- внедрены в ЗАО "Агродело" в виде использования установки динамического нагружения по оценке реологических свойств почвогрунтов (Патент РФ № 2192006), в виде рекомендаций по выбору подходящей сельскохозяйственной техники с использованием программ на ЭВМ и построенных номограмм по оценке эффективности ее взаимодействия со слоем почвы;
- используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности 1902.00 "Автомобиле- и тракторостроение" в Липецком государственном техническом университете;
- представлены научно-учебной монографией "Мобильные энергетические средства: выбор параметров и режимов работы через реологические свойства опорного основания", изданной в 2006 году, и учебным пособием "Современные методы исследований", изданным в 2000 году в издательстве ЛГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах, основные из которых: Всесоюзная конференция "Итоги и задачи научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ" (г. Норильск, 1990г.), Республиканская научно-техническая конференция "Актуальные проблемы дорожного строительства" СПбГТУ (г. Санкт-Петербург, 1992г.), Международная научно-техническая конференция "100 лет российскому автомобилю. Промышленность и высшая школа" МАМИ (г. Москва, 1996г.), Всероссийская научно-техническая конференция, посвященная 40-летию ЛГТУ (г. Липецк, 1996г.), Первая Международная научно-техническая конференция "Бесступенчатые передачи, приводы машин и промысловое оборудование" Калининградского гос. технич. университета (г. Калининград, 1997г.), Международная научно-методическая конференция "Новые информационные технологии в экологии" ЛЭГИ (г. Липецк, 1997г.), Международная научная конференция "Про блемы безопасности транспортного пространства" ЛГТУ и ЛЭГИ (г. Липецк, 1998г.), Международные научно-практические конференции "Прогресс транспортных машин и систем" ВолгГТУ (г. Волгоград, 1999г., 2002г., 2005г.), IV Международная научно-техническая конференция "Вибрационные машины и технологии" Курского ГТУ (г. Курск, 1999г.), Международная научно-техническая конференция "Проблемы адаптации техники к суровым условиям" ТюмГНГУ (г. Тюмень, 1999г.), Всероссийская научно-методическая конференция "Опыт разработки и внедрения в учебный процесс вуза новых образовательных технологий" ЛГТУ (г. Липецк, 2000г.), Международная научно-техническая конференция "Проблемы проектирования, испытаний, эксплуатации и маркетинга автотракторной техники, двигателей внутреннего сгорания, строительно-дорожных машин, транспортно-технологи-ческих комплексов и вездеходов" НГТУ (г. Н.Новгород, 2000г.), Международный научный симпозиум, посвященный 135-летию МГТУ "МАМИ" "Приоритеты развития отечественного автотракторного машиностроения и подготовки кадров" (г. Москва, 2000г.), Всероссийская XXXI научно-техническая конференция "Актуальные проблемы современного строительства" (г. Пенза, 2001г.), 49-я Международная научно-техническая конференция ААИ "Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров" МАМИ (г. Москва, 2005г.), Международная научно-техническая конференция "Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем" СПбГПУ (г. Санкт-Петербург, 2006г.), Всероссийские научно-технические конференции "Проблемы и достижения автотранспортного комплекса" УГТУ-УПИ (г. Екатеринбург, 2007 г., 2008 г.), научно-техническая конференция "Проектирование колесных машин" МГТУ им. Н.Э.Баумана (г. Москва, 2008 г.).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 16 научных статей в научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований докторских диссертаций; монография; учебно-методическое пособие; 8 депонированных рукописей работ, аннотированных в научных журналах; 29 работ в сборниках материалов всесоюз ных, всероссийских и международных конференций и симпозиумов. Всего опубликовано 84 печатные работы. Получено 6 авторских свидетельств и патентов на изобретения и зарегистрировано 23 программы для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов, библиографического списка из 314 наименований, восьми приложений. Общий объем работы 480 страниц, из них основной текст изложен на 322 страницах, 117 рисунков и 16 таблиц на 86 страницах, библиографический список на 30 страницах, 8 приложений на 37 страницах.
Материал диссертации можно условно разделить на три части. В первой части (гл. 1, 2) проведен библиографический обзор, рассматриваются принципы определения параметров и режимов работы КГДМ на основе анализа существующих и вновь предложенного подходов к оценке реологических свойств опорного основания. Во второй части (гл. 3, 5) рассматриваются математические модели взаимодействия различных элементов ходовой части КГДМ с опорным основанием с оценкой основных эксплуатационных характеристик. В третьей части (гл. 4, 6, 7) приведены экспериментальные исследования физико-механических свойств деформируемого опорного основания различной физической природы, экспериментальные исследования КГДМ при работе на деформируемом опорном основании, а также проведена их оценка в сравнении с расчетными значениями параметров и режимов работы по выбранным критериям.
Анализ и обобщение результатов проведенных исследований по развитию колесных, гусеничных и дорожных машин и их взаимодействию с деформируемым опорным основанием
Развивающиеся рыночные отношения заставляют предприятия различных отраслей осваивать производство новых машин. Улучшение их конструкций идет по пути повышения энергонасыщенности, снижения удельной энергоемкости и материалоемкости, улучшения тягово-сцепных свойств ходовых систем, расширения видов работ, улучшения условий труда машинистов при одновременном повышении надежности функционирования.
Возрастающая единичная мощность колесных и гусеничных машин позволяет интенсифицировать технологические операции, значительно повысить производительность труда. Новейшие образцы техники оборудуются бортовыми компьютерами и исполнительными механизмами для облегчения управления отдельными системами машин, в том числе выводя их функционирование на оптимальные режимы. Однако данные мероприятия сопровождаются усложнением машин, что приводит к увеличению числа узлов и росту массы машины.
Так, например, резкое увеличение массы колесных и гусеничных машин сельскохозяйственного назначения приводит к более интенсивному влиянию их ходовых систем на почву, к ее переуплотнению и, в итоге, к снижению плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур [200, 201, 289, 294, 300 и др.]. Причем, многие современные технологии возделывания сельскохозяйственных культур требуют многократного прохождения по полю тракторов, комбайнов, автомобилей и другой мобильной сельскохозяйственной техники [176]. На рис. 1.3 представлены данные исследований по влиянию плотности почвы на снижение урожайности некоторых сельскохозяйственных культур [268].
Ряд исследователей, изучавших влияние механического воздействия движителей тракторов на урожайность сельскохозяйственных культур в различных зонах страны, получили данные по снижению урожайности в зависимости от плотности почвы [121] (рис. 1.4).
Кушнаревым А.С. предложено оценивать урожайность сельскохозяйственных культур в зависимости от плотности почвы зависимостью [124] где О — урожай в долях от максимального урожая, полученного при оптимальной плотности почвы; ропт и р - соответственно оптимальное и текущее значения плотности почвы, г/см ; а и в - эмпирические коэффициенты.
С увеличением плотности почвы возрастает ее сопротивление обработке и ухудшается качество обработки. Так, например, сопротивление вспашке по следу трактора ДТ-75М по сравнению с неуплотненной почвой возрастает на 16...25%, по следу тракторов Т-150К и К-701 - на 44...65% [257]. Это приводит к повышению расхода топлива и других эксплуатационных материалов, снижению производительности и ресурса энергонагруженной техники, ухудшению условий труда.
Многочисленные накопленные данные о негативном влиянии воздействия движителей машин, особенно колесных, на физические свойства и плодородие почв на первый план выдвигают актуальную проблему улучшения показателей взаимодействия с опорным основанием. Решением этой проблемы занимаются различные институты: ВИМ, НПО НАТИ, ЦНИИМЭСХ, НИИАФИ, ТСХА, УСХА, МГАУ, РАСХН, ВИСХОМ, СПбГАУ и другие. Большой вклад в областях исследования изменения под воздействием движителей почвенных характеристик и урожая, определения допустимых давлений на почву, разработки методов оценки взаимодействия движителей с деформируемым опорным основанием, опытно-конструкторских разработок в разные времена внесли Агейкин Я.С., Аникин А.С, Афанасьев Н.И., Бондарев А.Г., Бахтин П.У., Белковский В.Н., Бойков В.П., Важнов А.В., Васильев А.В., Веселов Н.Б., Водяник И.И., Ганькин Ю.А., Гапоненко B.C., Докучаева Е.Н., Евтенко В.Г., Ешеев СБ., Забродский В.М., Золотаревская Д.И., Кацы-гин В.В., Качинский Н.А., Кононов A.M., Королев А.В., Кравченко В.Н., Кряжков В.М., Ксеневич И.П., Кутин Л.Н., Листопад Г.Е., Ляско М.И., Матюк Н.С., Медведев В.В., Небогин И.С., Нугис Э.Ю., Пигулевский М.Х., Полетаев А.Ф., Пупонин А.И., Рославцев А.В., Русанов В.А., Садовников А.Н., Сапожников П.М., Скотников В.А., Софиян А.П., Уткин-Любовцов О.Л., Файнлейб A.M., Хабатов Р.Ш., Цыбулько В.Г., Чистов М.П., Шептунов В.Н., Яблонский О.В. и многие другие.
Среди зарубежных ученых следует выделить таких как Adams Е.Р., Fgrawal R.P., Bekker M.G., Brill G.D., Bodholf О., Campbell T.C., Elonen P., Gill W.R., Glinski J., Hakansson I., Harrison W.L., Horn R., Kosek J., Lipiec J., Low-ery В., Petelkau H., Ragnavan G.S.V., Rasmussen K., Riley H., Soane B.D., Soltynski A., Taylor H.M., Voorhees W.B., Van Wilk, Wong J.Y. и другие.
Основная масса работ посвящена решению проблемы улучшения показателей взаимодействия ходовых систем тракторов по двум направлениям: повышения тягово-сцепных качеств тракторов и снижения их уплотняющего воздействия до агротехнически допустимых значений путем совершенствования конструкций тракторов и их движителей, рационального комплектования машинно-тракторых агрегатов при выполнении работ в различных условиях, выбора рациональных рабочих скоростей, применения блочно-модульного принципа проектирования и т.д.
Основой развития теории качения колеса по деформируемому опорному основанию являются работы Агейкина Я.С. [1, 2], Бабкова В.Ф. [12], Беккера М.Г. [20], Бойкова В.П. [25], Горячкина В.П. [57], Гуськова В.В. [60, 61], Ка-цыгина В.В. [103], Полетаева А.Ф. [193], Хархуты Н.Я. [261] и других. Продолжение развития теории качения колеса нашло в работах Водяника И.И. [41], Золотаревской Д.И. [81], Кленина Н.И. [107], Кононова A.M. [114], Куш-нарева А.С.[124], Маслова В.А.[142], Русанова В.А.[219], Сиротюка В.Н. [226], Ходыкина В.Т. [269], Чистова М.П. [278] и других.
Обзор литературных источников показал, что в различные периоды развития теории разрабатывались и усовершенствовались различные методы оценки взаимодействия колесных и гусеничных машин с опорным основанием.
Методологический подход к оценке характеристик деформируемого опорного основания колесных, гусеничных и дорожных машин
Опорные основания сравнивают друг с другом или оценивают состояние конкретного опорного основания с помощью численных величин, которые обычно называют параметрами, характеристиками или показателями свойств. Эти характеристики не являются физическими константами, так как их значения меняются в зависимости от условий, в которых находится то или иное опорное основание. Как правило, все характеристики подразделяют на два класса [145]: к первому относятся те, которые непосредственно используются в расчетных формулах (физико-механические характеристики, параметры или показатели), ко второму - те, которые характеризуют материал опорного основания по его составу и строению (физические характеристики, показатели или свойства).
Очевидно, что при оценке воздействия КГДМ на опорное основание необходимо знать как начальные характеристики соответствующих свойств опорного основания, так и характер их изменения под действием внешних силовых воздействий со стороны движителей КГ ДМ.
В подобных изменениях большую роль играют особенности взаимодействия конкретных по типу и форме движителей со средой опорного основания, а также характерное перераспределение напряжений в ходе его деформирования. Основным эффектом, проявляющимся под действием нагрузки на опорное основание, является относительное перемещение частиц его материала, при этом величины и характер протекающих деформаций существенно зависят от таких физических характеристик, как пористость, плотность, температура, влажность и т.п. Если под действием нагрузки со стороны КГДМ происходит только уплотнение материала опорного основания, то соответствующие деформации всегда носят только затухающий характер и сопротивление материала этим деформациям быстро растет с увеличением последних. Если же деформации связаны с формоизменением массива опорного основания, то они могут носить как затухающий, так и незатухающий характер, и в последнем случае говорят о нарушении сплошности и потере прочности материала опорного основания КГДМ.
В дальнейшем мы будем рассматривать в основном только такое состояние материала опорного основания, при котором его деформации будут носить затухающий характер, уплотняя тем самым опорное основание КГДМ, не нарушая его сплошности. Такое весьма значительное допущение широко применяется при исследовании напряженно-деформированного состояния деформируемых сред, в частности в грунтоведении.
Основными характеристиками деформационных свойств опорного основания КГДМ являются модуль линейной деформации Е, модуль сдвиговой деформации G и коэффициент поперечной деформации ju. В отличие от модуля упругости, модуля сдвига и коэффициента Пуассона, применяемых в теории деформирования упругих материалов, модули деформации Е и G, а также коэффициент поперечной деформации /л учитывают не только упругие, но и вязкопластические части деформации, развивающиеся во времени нагружения. Именно поэтому при взаимодействии КГДМ с деформируемым опорным основанием параметры Е, G и /л могут быть представлены как реологические характеристики последнего.
Для оценки показателей взаимодействия ходовых систем КГДМ с опорным основанием используют, как правило, закономерности его сжатия и сдвига, имея в виду, что в зависимости от выбранной модели, первая характеризует процессы образования следа (колеи), а вторая — формирование движущей силы (сцепления). Для реализации моделей более высокого уровня представляется несомненным совместное использование этих закономерностей, имея в виду, что может быть реализован любой характер взаимодействия КГДМ с опорным основанием.
Численные значения характеристик опорного основания должны быть инвариантны к методам их определения. На основе сложившегося почти векового опыта закономерности сжатия и сдвига определяют соответствующими перемещениями деформаторов (штампов) [41, 123, 168, 261, 274 и др.]. При этом существуют различные мнения по поводу применения штампов для исследования закономерностей деформирования опорного основания. По мнению одних ученых, получаемые закономерности характеризуют не только свойства опорного основания, но и систему «опорное основание - штамп», а также режимы их взаимодействия, и по этой причине не могут привести к получению достоверных данных при оценке процессов взаимодействия ходовых систем КГДМ с опорным основанием.
По мнению другой группы ученых, штамповые испытания по оценке деформационных характеристик опорного основания дают вполне удовлетворительные результаты, причем как в качественном, так и в количественном отношениях.
Автор представленной диссертации склонен принимать мнение второй группы ученых, не прибегая к глубоким дискуссиям по этому вопросу. Следует, однако, заметить, что при исследовании реологических характеристик опорного основания должны рассматриваться отдельные простейшие стороны его взаимодействия с ходовыми системами КГДМ, физическая суть этого взаимодействия должна основываться на общих законах физики и лежать в основе больших групп сложных задач, решаемых современной прикладной механикой. Именно моделируя процесс нагружения опорного основания посредством плоского штампа, имеется реальная возможность перехода к описанию процесса деформирования при взаимодействии его с различными ходовыми системами КГДМ, как это будет показано в дальнейшем.
Основной трудностью при моделировании свойств деформируемого опорного основания КГДМ является многочисленность его видов, что не позволяет механически применять математическое описание одного конкретного вида деформируемого опорного основания КГДМ к описанию других, а порой и для описания данного вида опорного основания при различных состояниях. Поэтому возможны два пути. Первый путь требует описания свойств всех существующих видов деформируемого опорного основания КГДМ. Такое описание может быть реализовано с помощью исследования каждого вида опорного основания с учетом особенностей его свойств. Однако полученные таким способом модели опорных оснований для достижения приемлемой точности потребуют процесса адаптации (корректировки) к конкретному виду деформируемого опорного основания КГДМ и режимам его нагружения и не обеспечат точность при описании других.
Теоретические исследования взаимодействия пневматического колеса со слоем опорного основания
При условии постоянства параметров вибрации и одинаковых конструктивных (геометрических) параметрах статического и вибрационного катков, а также при выражение (3.11) примет вид где ак - максимальные контактные давления, развивающиеся под вальцом статического катка, МПа; а - максимальные контактные давления, развивающиеся под вальцом виброкатка с выключенным вибратором, МПа. Выражения (3.21а), (3.22а) (3.23) и (3.24) относятся и к каткам с ВУ. Итак, все вышеизложенное можно представить в виде следующего алгоритма расчета основных параметров виброкатков: - определив предел прочности слоя опорного основания, по выражению (3.7) находим рациональное значение максимальных контактных давлений под вальцом статического катка; - зная радиус, ширину вальца, а также скорость катка, определяем время воздействия вальца на слой по выражению (3.8); задавшись постоянными параметрами вибрации виброкатка при выполнении условия (3.23), с помощью выражений (3.21а), (3.22а), (3.24), (3.13) и (3.14) определяем коэффициент эффективности виброкатка, его линейное давление и массу. Таким образом, зная изменение физико-механических характеристик уплотняемого слоя во времени, можно определить параметры и режимы работы статического катка и виброкатка, при которых обеспечивается их наибольшая эффективность.
Для наиболее общего случая, когда при взаимодействии пневматического колеса с опорным основанием, материал которого работает в условиях сложного напряженного состояния, компоненты Sjj(t) девиатора тензора деформаций ejj(t), согласно (2.6) определяются каждая в отдельности в соответствии с особенностями развития деформаций в каждом направлении. При этом должны учитываться и закономерности изменения соответствующей составляющей нагрузки со стороны движителей колесных машин. Рассмотрим математическую модель на примере воздействия движителей колесного трактора на почву. Если в качестве основного критерия при разработке математической модели взаимодействия пневматического колеса с опорным основанием, как было выявлено ранее, выбрать приращение плотности материала опорного основания после однократного прохода пневмоколеса, то можно записать где р - плотность почвы после прохода колеса трактора, г/см ; ро - начальная плотность почвы, г/см ; е — относительное изменение объёма. При составлении математической модели взаимодействия колесного движителя с почвой приняты следующие допущения: - почва представляет собой изотропную среду с упруго-вязко-пластичными свойствами; - в процессе деформации разрушения почвы не происходит, т.е. почва рассматривается как сплошная среда; - зависимость сдвига почвы, как функции от глубины, носит линейный характер; - трактор движется по горизонтальной поверхности прямолинейно и равномерно; - пятно контакта колеса с почвой имеет форму эллипса; - инерционными свойствами почвы можно пренебречь; - влияние крутильных колебаний в трансмиссии трактора не оказывают влияния на процесс развития деформации и плотности почвы. Для лучшего восприятия компонентов напряженно-деформированного состояния слоя почвы выражения (2.20) - (2.22) преобразуем к виду (см. рис. 3.3) в Здесь переменными ех, sy, Ez, обозначены относительные деформации в направлении соответствующих осей, а уху, yyz, yzx - угловые деформации в соответствующих плоскостях (рис. 3.3).
Определение прочностных характеристик слоев горячих асфальтобетонных смесей
Теоретические и экспериментальные исследования [69, 71, 89] показывают, что асфальтобетон одного и того же гранулометрического состава и температуры, но различными методами доведенный до одного и того же значения плотности, оказывает разное сопротивление деформированию. В связи с тем, что вакуумирование оказывает положительное влияние на структуру асфальтобетона [90, 128, 170], представляется необходимым исследование пределов прочности слоев асфальтобетонной смеси при различных значениях температуры, плотности и толщины слоя с целью выбора наиболее пригодных для различных этапов уплотнения параметров катков.
Исследования проводились на песчаной смеси, марки I типа Г, и мелкозернистой смеси, марки I типа Б. Состав смесей и их физико-механические характеристики приведены в табл.1 и 2 приложения 4. Для деформирования смеси использовался жесткий круглый штамп диаметром 40 мм. Усилие на штамп передавалось с постоянной скоростью нагружения, равной 0,1 МПа/с. Такая скорость нагружения соответствует диапазону ее значений, в пределах которого прочностные свойства дорожностроительного материала инвариантны относительно скорости нагружения [261, 263] и соответствует режиму работы самоходных катков.
В процессе увеличения нагрузки на штампе деформация слоя асфальтобетонной смеси сначала развивалась с убывающей скоростью, после чего в определенный момент времени фиксировался скачок деформации, что соответствовало разрушению структуры слоя. Контактное давление на штампе, соответствующее данному моменту времени, и характеризовало предел прочности уплотняемого слоя. Пределы прочности определялись как у ва-куумированных, так и у невакуумированных смесей. В табл. 4.8 приведены значения пределов варьирования температуры, плотности и толщины слоя асфальтобетонной смеси, а также кодированные значения соответствующих им факторов, используемых в эксперименте с применением теории математического планирования эксперимента.
Планы экспериментов, записанных в виде матрицы планирования для трех факторов, приведены в табл. 5, 6, 6, 8 (приложение 3). Статистическая обработка экспериментальных данных, а также определение коэффициентов регрессии в уравнении (4.4) для вакуумированных и невакуумированных песчаной и мелкозернистой смесей производились по специальной методике [146]. Значения полученных коэффициентов регрессии представлены в табл. 4.9. В качестве наглядной иллюстрации на рис. 4.10 представлены графики изменения пределов прочности уплотняемых слоев асфальтобетонных смесей в зависимости от температуры (рис. 4.10,а), коэффициента уплотнения (рис. 4.10,6), толщины уплотняемого слоя (рис. 4.10,в).
Увеличение прочности вакуумироварных слоев асфальтобетонной смеси по отношению к прочности невакуумированных слоев свидетельствует о положительном влиянии вакуумирования. Это позволяет производить уплотнение без разрушения сплошности слоя при повышенных нагрузках или при более высоких температурах асфальтобетонной смеси.
Так, значение коэффициента превышения у песчаной смеси составляет 1...1,12, а у мелкозернистой - 1...1,15, при этом наибольшие значения как в первом, так и во втором случае находятся при следующих условиях: Ку= 0,88...0,92; Т=130С; псл = 9 см. Повышение предела прочности вакуумированного слоя асфальтобетонной смеси требует изменения либо конструктивных параметров катков, оборудованных вакуумным устройством, либо технологических режимов уплотнения с целью повышения их производительности.
Таким образом, варьируя различными параметрами уплотняющей нагрузки и параметрами состояния уплотняемых слоев, зная деформационные свойства уплотняемых слоев асфальтобетонной смеси, имеется возможность выхода на оптимизацию параметров и режимов работы катков при их использовании в строительстве дорожных покрытий.
В качестве материала опорного основания колесных и гусеничных машин исследовался выщелощенныи чернозем, широко распространенный в Липецкой области Центральной Черноземной зоны России (до 60% обрабатываемых площадей) и характеризующийся высоким уровнем плодородия: 5 - 9% гумуса, 80 - 150 мг/кг обычного калия и 20 - 150 мг/кг подвижного фосфора.
Для определения численных значений реологических характеристик, которыми являются параметры функций скоростей ползучести, входящих в подинтегральные выражения (3.34) и (3.35), а также выражений для функций подобия, входящих в выражение (3.38), проводилось несколько серий экспериментов с применением теории математического планирования эксперимента на специально разработанном устройстве [183] в соответствии с разработанным способом [182].
Схема устройства представлена на рис. 4.11, общий вид устройства представлен на рис. 4.12. Планы экспериментов представлены в табл. 1-8 приложения 5.
Применение теории подобия кривых ползучести деформируемого материала, а также теории математического планирования эксперимента позволило получить уравнения регрессии, характеризующие изменение деформаций слоя почвогрунта в зависимости от следующих факторов: вертикальной FB (от ИЗ до 667 кгс) и горизонтальной Fr ( от 60 до 460 кгс) нагрузок на штампе с размерами 300x300 мм, влажности W (от 18 до 38%) и плотности р (от 0,95 до 1,25 г/см3) слоя почвы, параметров грунтозацепов - угла установки аг (от 45 до 90), шага tr (от 155 до 205 мм) и высоты hr (от 20 до 60 мм) грунтозацепов.
