Содержание к диссертации
Введение
I.ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ХОДОВЫХ СИСТЕМ 12
I.I. Экспериментальные исследования влияния параметров гусеничных машин на сопротивление движению 12
1.2.Теоретические исследования процесса взаимодействия гусеничного движителя с грунтом 18
I.3. Ретроспективный обзор конструкций ходовых систем прицепных гусеничных торфяных машин 26
1.4. Формулировка задач исследования 29
2.АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГУСЕНИЧНЫХ СИСТЕМ 31
2.1. О6основание модели деформации торфа. 31
2.2.Частный случай решения системы уравнений для конечного числа траков 33
2.3.Решение системы уравнений для бесконечной гусеницы. 39
2.4.Принцип суперпозиции сил 42
2.5.Оценка точности расчётов 45
2.б.Рациональное размещение опорных катков на раме машины 48
2.6.1.Индивидуальная подвеска 52
2.6.2.Балансирная подвеска 52
2.7.Определение минимально допустимого числа опорных катков 58
З.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ В ГУСЕНИЧНЫХ ХОДАХ 60
3.1. Структура энергетических потерь 60
3.2.Вычисление работы мятия залежи траком 65
З.З. Влияние количества и диаметра опорных катков на угол наклона трака к горизонту и работу мятия залежи траком 59
3.4.Вычислительный эксперимент. 78'
3.5.Анализ результатов вычислительного эксперимента... 82
3.6.Аналитический метод выбора рациональных параметров гусеничного хода 89
4.НОМОГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД ВЫБОРА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ХОДОВОЙ СИСТЕМЫ ГУСЕНИЧНЫХ ТОРШШХ МАШИН 92
4.1. Применение номограмм для вычислительных целей и научно-исследовательских работ 92
4.2.Приведение уравнений к канонической форме 93
4.3*Методика построения и пользования номограммой 96
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГУСЕНИЧНОГО
ХОДА С ЗАЛЕЖЬЮ 104
5.1. Исследование процесса взаимодействия трака с торфяной залежью 104
5.2.Влияние расстояния между опорными катками и натяжения на процесс формирования нагрузок в ходовых системах гусеничных машин 108
5.3.Экспериментальная проверка методики выбора рациональных параметров гусеничного хода. 115
5.3.1.Оценка методики по литературным источникам. 115
5.3.2.Испытания гусеничного прицепа СГШ-ОП 118
5.3.3.Испытания уборочного кузова ГПС-7. 124
ВЫВОДЫ 127
ЛИТЕРАТУРА 129
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение I. Оценка точности расчётов в зависимости от числа траков 135
Приложение 2. Оценка точности расчётов в Зависимости от
Приложение 3. Таблицы значений 138
Приложение 4. Среднее значение реакции в шарнире 156
Приложение 5. Таблицы для построения номограмм 158
Приложение б. Расчёт экономической эффективности 162
Приложение 7. Справка о внедрении. Техническое задание на гусеничный уборочный кузов ГПС-7 165
- Экспериментальные исследования влияния параметров гусеничных машин на сопротивление движению
- О6основание модели деформации торфа.
- Структура энергетических потерь
- Применение номограмм для вычислительных целей и научно-исследовательских работ
- Исследование процесса взаимодействия трака с торфяной залежью
Введение к работе
Центральным Комитетом КПСС и Советом Министров СССР в последнее время были приняты ряд важных постановлений, направленных на повышение продуктивности сельского хозяйства в 1981 -85гг. Особая роль отведена торфу и сапропелю как наиболее важным источникам получения высокоэффективных органических удобрений, особенно в виде торфонавозных компостов. В соответствии с решениями ХХУ и ХХУІ съездов КПСС доля торфа, идущего на топливо, неуклонно сокращается [і]. Из 200 миллионов тонн добываемого торфа в настоящее время около двух третей идёт на удовлетворение потребностей сельского хозяйства [2J, а в перспективе,как предусмотрено майским Пленумом КПСС (1982г.), запланировано довести в двенадцатой пятилетке добычу торфа для приготовления компостов и на подстилку не менее чем до 170 млн. тонн в год[з].
Значительные объёмы производства торфа требуют непрерывной работы по совершенствованию процессов добычи торфа, снижению затрат на его добычу и повышению производительности труда.
Уборка добываемого торфа в подавляющем большинстве случаев производится прицепными гусеничными машинами. Их в торфяной промышленности насчитывается около 10 тысяч. Имеется также свыше трёх тысяч гусеничных прицепов-самосвалов различных конструкций. Повышение эксплуатационных качеств этих машин является актуальной задачей.
Одним из важнейших эксплуатационных качеств прицепных машин является коэффициент сопротивления движению. Его снижение приводит к повышению к.п.д. агрегата трактор-машина, экономии топлива, способствует увеличению производительности труда. Величина коэффициента сопротивления движению зависит от большого количества факторов, полный учёт которых весьма сложен. В дан- ной работе исследуется зависимость сопротивления движению от следующих основных параметров: нагрузка на каток; натяжение гусеничной цепи; расстояние между опорными катками; К) диаметр опорных катков; число опорных катков; диаметр направляющего и натяжного колёс; физико-механические свойства торфяной залежи.
Основное содержание работы соответствует одному из этапов задания 001.07.01.05 плана важнейших работ Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике (тема 145).
Целью работы является аналитическое исследование процесса взаимодействия гусеничного хода с торфяной залежью, разработка методики выбора рациональных параметров хода с последующей экспериментальной проверкой.
Методика исследований. При решении систем уравнений равновесия траков использовались элементы матричной алгебры. Исследование динамических нагрузок в ходовых системах гусеничных торфяных машин выполнялось с применением теории рядов Фурье. Разработка номографического метода выбора рациональных параметров гусеничного хода базируется на представлен;;; ниях проективной геометрии. Экспериментальные работы выполня -лись с использованием безусилительных тензометрических схем и другой контрольно-измерительной аппаратуры. На всех этапах работы широко использовались ЭВМ - решение систем уравнений, статистическая обработка экспериментальных данных, проведение вычислительного эксперимента.
Научная новизна работы заключается в следующем: получено аналитическое выражение для критерия оптими- зации параметров гусеничного хода; найдено общее решение системе уравнений равновесия для п траков; теоретически доказано наличие определённого расстояния между опорными катками, минимизирующего динамические нагрузки, передаваемые от опорных катков на раму машины; предложены аналитический и номографический методы выбора рациональных параметров гусеничного хода.
Практическая ценность. Использование результатов работы сокращает объём предварительных исследований, необходимых при разработке технического задания на проектирование перспективных гусеничных прицепов. Предложенные методики снижают затраты на проектирование и доводку конструкции, исключая возможность принятия ошибочных решений.
Реализация результатов работы. На основании выполненных исследований разработано техническое задание на проектирование гусеничного уборочного кузова ГПС-7, предназначенного для работы на верховой залежи. Прицеп спроектирован, изготовлен и испытан, подтвердив в эксплуатационных условиях правильность данных рекомендаций.
Экспериментальные исследования влияния параметров гусеничных машин на сопротивление движению
Проблема создания рационального гусеничного хода, обладающего наименьшим сопротивлением движению, в конечном счёте, как отмечают многие исследователи, заключается в выборе параметров обеспечивающих минимальную неравномерность распределения давления на опорном участке.
Е.А.Чудаков указывал, что необходимо в первую очередь добиться получения практических выводов в отношении оптимальной конструкции гусениц (размер траков и расположение катков) для того, чтобы пульсация давления по ходу гусениц была минимальной [4,с.357]. С.И.Яржемский утверждал, что подбором соответствующих размеров элементов гусеничной системы можно в значительной мере уменьшить отклонения напряжений в грунте от среднего значения, что и должно быть положено в основу проектирования машин повышенной проходимости [4,с.304J. А.Опейко показал, что сопротивление движению возрастает в 2,5 раза [5,с.185] ,если давление становится неравномерным.
По данным В.Н.Тюляева за счёт более равномерного распре -деления давления можно уменьшить сопротивление движению на мягкой почве на 28,6$ [б,с.25] .
Неравномерность давления на опорном участке очевидным образом связана с положением центра тяжести машины и характером распределения нагрузок по опорным каткам (формой эпюры давлений).
Все исследователи, занимавшиеся вопросами взаимодействия гусеничного движителя с почвой считают, что положение центра тяжести оказывает существенное влияние на тягово-сцепные качества трактора, однако их понятия оптимального положения центра тяжести различны.
Влияние координат центра тяжести гусеничной машины на величину и характер распределения давления наиболее полно разработано в теории трактора [7] на базе гипотезы о линейном характере распределения нормальных реакций почвы по длине опорной поверхности гусениц. Эта гипотеза о линейности имеет серьёзные принципиальные недостатки и не подтверждается экспериментальными данными.
На основании экспериментальных данных М.И.Медведев рекомендует [8,c.I53;9,c.I20J располагать центр тяжести посередине опорной поверхности с целью получения наименьшего сопротивления движению.
Д.К.Карельских и И.К.Кристи считают [Ю,с.7J , что для сельскохозяйственного трактора в целях лучшего сцепления и меньшего прессования почвы центр тяжести должен быть также на середине опорной поверхности гусеницы при полной рабочей нагрузке.
Н.И.Груздев отмечает [ll,c.402] , что для минимизации сопротивления движению необходимо равенство нагрузок на опорные катки. Й.И.Трепененков полагает [l2,c.29j , поскольку давления характеризуют деформацию почвы, можно считать, что чем больше $ , тем глубже становится колея и тем больше сопротивление движению трактора.
При работе на холостом ходу [l3,c,83J на большинстве почв
а наименьшее сопротивление движению регистрировалось пр"положении центра тяжести наюередине опорной поверхности. В работах [14 - 1б] крнкретных рекомендаций по размещению центра тяжести относительно середины опорной поверхности гусениц для проектируемых и выпускаемых серийно тракторов не приводится и его положение рекомендуется определять по результатам эксперимента.
Исследованиями [l7,c.I4] установлено, что сопротивление движению трактора Т-75от деформации грунта при образовании колеи определяется не только конечной глубиной колеи, но и характером нагрузки участков гусеничного обвода, участвующих в её образовании. М.И.Іяско [і8,с.4б] указывает, что величина показателей тягово-сцепных свойств гусеничных тракторов линейно связана с коэффициентом неравномерности распределения нагрузки по каткам. При этом, чем больше степень неравномерности распределения нагрузки, тем выше коэффициент сопротивления движению.
О6основание модели деформации торфа.
Торф представляет собой сложную многокомпонентную, полидисперсную, гетерогенную систему с признаками микромозаичной структуры [49]. Теоретические исследования деформирования торфа базируются на представлении торфа в виде тех или иных реологических моделей. В классических случаях упругий элемент представляется идеальной пружиной,деформирование которой подчиняется закону Гука(Н). Вязкий элемент моделируется цилиндром с вязкой жидкостью, в которой движется дренированный поршень. Деформирование такой системы описывается законом Ньютона (N). Аналогом пластических свойств материала служит элемент Сен-Венана (SW), представляющий собой элемент сухого трения. При построении моделей материалов со сложными свойствами, эти элементы соединяют последовательно или параллельно, набирая та -ким образом структуру модели. При последовательном соединении элементов общая деформация равна сумме деформаций отдельных элементов, и каждый элемент испытывает при этом полное напряжение. Параллельно соединённые элементы при нагружении имеют одинаковую деформацию, а сумма напряжений отдельных элементов равна приложенному напряжению.
В работе [50] предлагается реологическая модель вида Н-К-Ш &tV-}\l\\StV с существенно нелинейными свойствами. А.Л.Фелдманис [51] на основе многочисленных экспериментов установил,что наиболее точно описывает поведение торфа при деформировании реологическая модель структуры Н КЫ t которая содержит тело Ньютона с нелинейными свойствами. Не вдаваясь подробно в анализ различных реологических моделей торфа, остановимся только на допустимости гипотезы о линейной связи между деформацией и нагрузкой. Эта связь может иметь место и при наличии пластических деформаций [52,с.79]. Для целей данной работы важно оценить условия, при которых принцип линейной деформируемости торфа справедлив с достаточной для инженерной практики точностью.
В работе С.С.Корчунова [53,с.120] показано, что для кратковременного действия нагрузки (динамическая нагрузка, удар и т.п.) деформация прямо пропорциональна импульсу действующей силы.
В статье [54J приведены графики зависимости напряжений сжатия торфяника о от глубины деформации, показывающие, что до & = 0,4мПа прямо пропорциональная зависимость подтверждается во всём диапазоне скоростей осадки штампа (0,005 - 0,38м/с).
По данным О.Е.Добровинской [55] линейная зависимость осадки от нормальных напряжений хорошо подтверждается при относительных деформациях до 0,2 -0,3.
Исследованиями Л.С.Амаряна установлено, что при деформировании образца при трёхосных испытаниях под действием вертикальной нагрузки относительные деформации возрастают линейно до определённого предела (при всестороннем давлении в- =20кПа до т=П0кПа), после которого наступает стадия прогрессирующего разрушения [56,0.62].
Структура энергетических потерь
В работах [39,86,87] впервые сформулирован методический подход, отождествляющий сопротивление движению с потерями энергии на единицу пройденного пути, что позволило с единых позиций производить оценку влияния на сопротивление движению самых разнообразных по своей природе факторов.
Энергетические потери можно разбить на две группы: внешние и внутренние. Внешние определяются характером взимодействия гусеничного хода с залежью и включают в себя потери на колееобразование и мятие залежи каждым опорным катком. Внутренние определяются взаимодействием деталей и узлов гусеничных ходов и включают следующие составляющие:
- потери мощности в шарнирах гусеницы;
- суммарные потери на трение в опорных и поддерживающих катках и подшипниках натяжного и направляющего колёс;
- потери, возникающие в результате ударов между звеньями гусениц и деталями, оформляющими обвод.
Основная доля потерь приходится на трение в шарнирах. Остальные составляющие внутренних потерь по литературным данным весьма незначительны по сравнению с первой, не превышая по величине для торфяных машин нескольких процентов от общего сопротивления движению [б5,с.55].
Потери на колееобразование возникают из-за сопротивления мятию залежи в вертикальном и горизонтальном направлениях [бб, с. 19-22]. Величина этих потерь зависит от величины деформации залежи и угла атаки для конкретного гусеничного хода. Для прицепных торфяных машин с целью обеспечения минимального давления на залежь рекомендуется угол атаки, близкий к нулю.
Выполненное аналитическое исследование движения трака под опорным катком (гл.2) позволяет следующим образом представить процесс взаимодействия трака с залежью.
На первом этапе трак направляющим колесом и передним наклонным участком гусеницы вдавливается на определённую величину в торфяную залежь. При принятых гипотезах относительно торфяной залежи (п. 2.1) величина энергозатрат на вдавливание не зависит от траектории движения трака при этом, а определяется только начальным и конечным положением его (аналогично случаю определения работы в потенциальном поле).
Применение номограмм для вычислительных целей и научно-исследовательских работ
Номограмма - графическое изображение, эквивалентное данной формуле [_7б]. Точность получения ответов по номограммам имеет в среднем тот же порядок, что и точность получения ответов на логарифмической линейке [77]. Значение номограмм как наиболее простого, дешёвого и доступного средства рационализации различных расчётов увеличивается по мере внедрения ЭВМ в народное хозяйство, так как с расширением круга сложных задач, решаемых с по-, мощью ЭВМ соответственно расширяется и круг более простых задач, для решения которых самыми выгодными являются номографические методы. При номографировании громоздкость исходной формулы несущественна, если она только допускает приведение к канонической форме, так как расчёты координат, номограммы выполняются на ЗВМ, а.для использования номограммы дополнительных построений и расчётов не требуется.
Сказанное в полной мере относится к результатам.данной .работы, так как учёт звенчатости гусеницы привёл к сравнительно сложным аналитическим зависимостям, практическое использование которых целесообразно для.уточнённого расчёта сопротивления движению гусеничных машин-. На предварительном этапе разработки технического задания на гусеничную машину, поскольку номограмма позволяет в наглядной форме показать степень и характер влияния отдельных параметров на тяговое сопротивление, целесообразным является использование номографического метода.
Исследование процесса взаимодействия трака с торфяной залежью
При аналитическом исследовании системы из ґі траков было установлено, что трак в процессе перекатывания по нему опорного катка поворачивается вокруг неподвижной оси симметрии и угол наклона трака определяется по формуле (2.II). При этом предполагалось, что многократное нагружение трака не изменяет физико-механических свойств залежи и, следовательно, каждое последующее„нагружение трака опорным катком.в процессе движения машины на изменяет кинематики трака под опорным катком.
Проверка соответствия действительного движения трака теоретическому носит принципиальный характер, так как точность окон -чательных результатов работы в значительной мере определяется точностью описания кинематики трака под опорным катком.
С этой целью на ЭМЗ ВНИИТП было изготовлено нагрузочное устройство (рис. 5.1), состоящее из двух продольных брусьев, соединённых двумя поперечинами. Передняя часть приспособления снизу зашита листом. К поперечинам крепятся траки (II шт.), динамометр ДПУ-3 и натяжное устройство. На продольные брусья опирается подвижная этажерка со съёмной верхней крестовиной. 10 грузов, расположенных в этажерке, могут перемещаться в вертикальном направлении с помощью винта. Подъёмный механизм содержит разрывную муфту (на рис 5.1 не показана) для обеспечения динамического нагружения трака, что больше соответствует эксплуатационным режимам нагружения трака от опорного катка.
Испытания проводились в динамометрическом канале ЭМЗ ВНИИТП и на полях 2-го производственного участка торфопредприятия "На-зия" с характеристиками торфяной залежи: вид торфа - верховой, степень разложения - 13-18% и пнистость - 1-2%. Осушение карт удовлетворительное, уровень грунтовых вод от поверхности 0,5 -0,7 м. В процессе испытаний средняя влажность в полуметровом поверхностном слое залежи составила 84,2%. Среднее значение сопротивления срезу залежи, определенное с помощью прибора СКГ - I, составило 20,4 кПа.
