Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, обоснование задач исследования и предлагаемые подходы их решения 11
1.1 Пути снижения динамической нагруженности системы подрессоривания 11
1.2 Описание объекта исследования 16
1.3 Постановка целей и задач исследования 19
1.4 Выводы по главе 1 20
Глава 2 Анализ конструкций и характеристик систем подрессоривания колесных тракторов 22
2.1 Системы подрессоривания современных тракторов 27
2.1.1 Пассивная система подрессоривания 27
2.1.2 Активная система подрессоривания 29
2.1.3 Адаптивные системы подрессоривания 30
2.1.4 Полностью активные системы подрессоривания 32
2.1.5 Полуактивные системы подрессоривания 35
2.2 Анализ способов управления упруго-демпфирующими характеристиками виброизоляторов 41
2.2.1 Система «Skyhook» 41
2.2.2 Система «Groundhook» 44
2.2.3 Гибридная система управления 46
2.2.4 Системы управления с нечеткой логикой 47
2.2.5 Система управления с предварительным просмотром 48
2.2.6 Включение/выключение демпферов 50
2.3 Вторичные системы подрессоривания трактора 52
2.3.1 Характеристики шин 53
2.3.2 Система подрессоривания сиденья оператора 55
2.3.3 Система подрессоривания кабины трактора 57
2.3.4 Система подрессоривания навесных орудий трактора -3 58
2.4 Выводы по главе 2 59
Глава 3 Расчетная оценка динамической нагруженности трактора класса 4 61
3.1 Схемы динамической нагруженности трактора К-708.4 61
3.2 Математическая модель динамической нагруженности от вертикальных колебаний системы подрессоривания трактора К-708.4 69
3.3 Выбор критериев вибронагруженности узлов трактора и рабочего места оператора 71
3.4 Расчет параметров вибрации кабины и сиденья оператора при различных схемах систем подрессоривания 74
3.4.1 Имитационная модель системы подрессоривания трактора 74
3.4.2 Результаты имитационного моделирования для схемы трактора без первичного подрессоривания 78
3.4.3 Результаты имитационного моделирования для схемы трактора с первичным подрессориванием 87
3.4.4 Сводные результаты имитационного моделирования 89
3.5 Выводы по главе 3 94
Глава 4 Экспериментальные исследования влияния конструктивных параметров систем подрессоривания на динамическую нагруженность трактора 95
4.1 Стендовые испытания виброизоляторов 95
4.1.1 Оборудование для проведения эксперимента 95
4.1.2 Подготовка к испытаниям 96
4.1.3 Данные из каталогов упругих элементов 98
4.2 Экспериментальные исследования колебаний подрессоренных масс трактора 102
4.3 Анализ результатов совместных комплексных испытаний трактора на вибронагруженность 105
4.4 Выводы по главе 4 109
Глава 5 Технико-экономическое обоснование 110
5.1 Затраты на модернизацию системы подрессоривания кабины трактора 110
5.2 Экономическая оценка эффективности внедрения модернизированной системы подрессоривания кабины колесного сельскохозяйственного трактора класса 4 112
5.3 Расчет на сопротивление усталости передней полурамы трактора 114
5.4 Выводы по главе 5 121
Заключение 122
Перечень сокращений и условных обозначений 124
Список литературы 125
Приложения 133
Приложение 1 Акт внедрения результатов исследования в АО «Петербуржский тракторный завод» 134
Приложение 2 Акт внедрения результатов исследования в ООО «МИКОНТ» 135
Приложение 3 Акт внедрения результатов исследования в ВолгГТУ 136
Приложение 4 Акт внедрения результатов исследования в ЗАО «Брянсксельмаш» 137
Приложение 5 Протокол заводских испытаний параметров вибрации на сиденье оператора трактора К-708.4 зав.№D1452 138
Приложение 6 Протокол испытаний параметров вибрации на сиденье оператора трактора К-708.4 зав.№D1452 на Северо-Кавказской МИС 143
Приложение 7 Протокол испытаний параметров вибрации на сиденье оператора трактора К-708.4 зав.№D1524 на Северо-Кавказской МИС 154
Приложение 8 Протокол испытаний параметров вибрации на сиденье оператора трактора «Агромаш-180ТК» на МИС 164
- Пути снижения динамической нагруженности системы подрессоривания
- Схемы динамической нагруженности трактора К-708.4
- Анализ результатов совместных комплексных испытаний трактора на вибронагруженность
- Расчет на сопротивление усталости передней полурамы трактора
Пути снижения динамической нагруженности системы подрессоривания
В процессе проектирования машины всегда встает вопрос обеспечения необходимой плавности хода и виброзащищенности рабочего места оператора в соответствии с требованиями. Вибрации негативно сказываются на здоровье оператора, повышают утомляемость и способствуют развитию профессиональных болезней [2–6].
Существующий дискомфорт на рабочем месте из-за повышенной шумности, вибрации, загазованности и других факторов наблюдается обычно является следствием того, что средства безопасности разрабатываются после начала производства и поставок техники в сельское хозяйство [7].
Причиной повышенной вибрации кабины трактора зачастую являются неправильно подобранные виброизоляторы, которые не справляются (или справляются крайне неэффективно) с колебаниями, генерируемыми в ходовой системе при перемещении по неровностям почвенного фона и колебаниями от других источников [8; 9].
Эту проблему производители стараются решить путем простого перебора различных вариантов конструкцией подвески кабины, что далеко не всегда является эффективным. Ее можно и нужно решать путем математического моделирования совместной работы первичной и вторичных систем подрессоривания трактора, и, как следствие, получать конструкцию с лучшими упруго-динамическими характеристиками [10].
Ввиду дороговизны, отсутствия простого и эффективного метода оценки эффективности виброзащиты подвески кабины, отсутствия идеализированного критерия - условного варианта конструкции подвески кабины конкретного трактора, оптимального с точи зрения вибронагруженности, производители техники не всегда проводят математические исследования модели трактора, в том числе по уровню виброускорений. Поэтому на выходе часто получается продукт, который мог бы быть гораздо лучше с точки зрения виброускорений и не дороже машины, полученной без проведения исследований [11].
Для снижения уровня колебаний и динамических нагрузок используются: маховые массы, упругие элементы, упругодемпфирующие элементы, демпферы, ограничители динамического хода [12; 13].
В подвеску кабин отечественных тягово-транспортных средств (ТТС) устанавливаются пружинные виброизолирующие элементы, элементы из эластомеров или комбинации из тех и других.
В конструкциях подвесок кабин внедорожных машин, тракторов и современных зарубежных грузовиков все в большей степени и повсеместно используются пневматические упругие элементы (пневмоподушки или пневморессоры) [14; 15].
На сегодняшний момент началось активное внедрение пневматических подвесок кабин и в отечественном автотракторостроении. Сами упругие элементы обладают нелинейной упругой характеристикой. К тому же в настоящее время в подобной подвеске зачастую присутствует система регулирования, управляемая компьютером и включающая в свой состав систему клапанов, воздушные магистрали, воздушные ресиверы и компрессоры, реагирующая изменением давления в пневматических упругих элементах на изменение нагрузки.
Упругая характеристика пневматической подвески кабины при кренах кабины при повороте, разгоне и торможении ТТС компенсирует дифференты, тем самым обеспечивая комфортные условия работы оператора трактора. Низкая и не изменяющаяся при любой загрузке собственная частота колебаний подвески обеспечивает высокий уровень плавности хода.
Поглощение ударных нагрузок со стороны рамы обеспечивается высокой энергоемкостью пневматических элементов. Снижению веса ТТС и упрощению конструкции способствуют небольшой вес и компактные габариты пневморессор [16].
Примеры технических решений виброизоляторов представлены на рисунке 1.1 [8].
Виброизоляторы с металлическими упругими элементами. В качестве упругих элементов в их конструкциях зачастую применяются винтовые конические и цилиндрические пружины растяжения – сжатия, гибкие упругие стержни, пластинчатые пружины, пружины кручения, рессоры и торсионы [8; 17].
Виброизоляторы с коническими пружинами, некоторыми пластинчатыми и тарельчатыми пружинами обладают нелинейной упругой характеристикой.
В ряде устройств за счет последовательного включения в работу упругих элементов с различной жесткостью формируется нелинейная упругая характеристика. В некоторых устройствах она может формироваться в ходе работы из-за изменений плеч рычагов направляющих элементов подвески. Характеристика у отдельных устройств может включать в себя участок предварительного нагружения упругого элемента [8].
Конструкция упругих элементов в ряде рассмотренных схем может быть выполнена таким образом, что воспринимаются угловые перемещения, а также усилия, которые имеют место при вертикальных перемещениях и перемещениях в иных плоскостях [8].
Отдельные устройства предусматривают гашение колебаний при действии на них вертикальных, боковых нагрузок и нагрузок, действующих под углом к оси виброизолятора за счет установки под углом к оси специальных фрикционных элементов [8].
В зависимости от амплитуды и частоты воздействий на виброизолятор со стороны подрессориваемого объекта их конструкция в ряде случаев обеспечивает автоматическое формирование их демпфирующих и упругих характеристик. С этой целью в их состав входит ряд демпфирующих и упругих элементов, которые автоматически начинают работу в различных диапазонах частот и амплитуд колебаний [8]. В то же время подобные виброизоляторы обеспечивают гашение и восприятие вибронагрузок в нескольких плоскостях. Их технические решения представляются наиболее современными, совершенными и перспективными.
Виброизоляторы с упругими элементами из эластомеров. Подобные виброизоляторы обладают нелинейной характеристикой по причине того, что сам эластомер имеет нелинейную упругую характеристику, а в ряде случаев дополнительно осуществляется последовательное подключение элементов из эластомера с разной жесткостью (либо включении на прямом и обратном ходах разного количества упругих элементов), либо элементов, заполняющих при деформации разные объемы, вследствие чего изменяется их жесткость. В некоторых устройствах упругие элементы из эластомера заполняют полости, которые расположены под углом к оси действия основной нагрузки [8]. Данное техническое решение обеспечивает возможность гашения колебаний и восприятия нагрузок в нескольких плоскостях. Имеют место конструкции, которые за счет предварительного нагружения элемента из эластомера позволяют управлять упругой характеристикой [18].
На данном этапе наиболее совершенными представляются технические решения виброизоляторов, позволяющие автоматически влиять на упругие и демпфирующие характеристики в соответствии с амплитудами и частотами действующих на них нагрузок. К ним относятся комбинированные виброизоляторы, которые состоят из механических, гидравлических и фрикционных демпферов разных конструкций, резинокордных оболочек, металлических упругих элементов, ряда последовательно установленных в разных объемах и под разными углами элементов из эластомера [8].
Виброизоляторы с пневматическим упругим элементом. Данные виброизоляторы применяют воздух или иной газ в качестве упругого элемента. В настоящее время они нашли широкое применение в подвесках транспортных средств с достаточно большой собственной массой – магистральных грузовиков, автобусов и ряда зарубежных тракторов.
При правильном конструировании виброизоляторы с пневматическим упругим элементом обеспечивают гашение колебаний и весьма хорошую нелинейную упругую характеристику подвески во всем рабочем диапазоне частот. По сравнению с жидкостью газ обладает меньшей инертностью. По этой причине подвеска с данным виброизолятором быстрее реагирует на воздействия со стороны подрессориваемого объекта [19].
Схемы динамической нагруженности трактора К-708.4
Принятые допущения и ограничения
На поведение сложной колебательной системы, помимо возмущающего воздействия, влияет большое количество, как внешних не учитываемых, так и внутренних факторов, требующих трудоемкого описания и дополнительного вычислительного времени. При оценке поведения системы в настоящей работе были приняты такие допущения и ограничения, которые удовлетворяют требованиям оценки величины «галопирования» [5], т.е. угловым колебаниям всех точек системы в продольной плоскости относительно некоего общего мгновенного центра скоростей.
Ограничения и допущения:
поведение системы оценивается только в продольной плоскости;
дорожные условия одинаковы под обоими бортами машины, профиль опорной поверхности недеформируемый, кусочно-линейный;
система симметрична относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести корпуса машины;
вне зависимости от величины и интенсивности возмущающего воздействия, колеса находятся в постоянном контакте с опорной поверхностью, копируют профиль источника возмущающего воздействия и физического отрыва их от опорной поверхности не происходит;
все действующие в системе силы (внешние и внутренние) направлены строго вертикально или приводятся к данному направлению;
угловых перемещений системы вокруг продольной и вертикальной оси не происходит вне зависимости от количества и расположения упругих, демпфирующих и массовых элементов;
комбинация из упругого и демпфирующего элемента динамической модели сохраняет ориентацию в пространстве при движении системы и способна совершать только вертикальный (свечной) ход;
все элементы системы закоординированы друг относительно друга посредством рамных конструкций, обладающих, по сравнению с элементами системы, абсолютной жесткостью (корпус машины не деформируем);
трение в шарнирах, подшипниках пренебрежимо мало;
симметричные относительно продольной плоскости, элементы имеют идентичные свойства и характеристики;
наличие подвижного шарнира соединения полурам не учитывается в динамической модели, т.к. не работает в вертикальной плоскости;
величины жесткостей и затухания элементов динамической модели постоянны и не изменяются в процессе работы;
при учете возмущающего воздействия принято, что система движется с постоянной скоростью, равномерно не ускоренно;
соединения элементов не деформируемы и не оказывают сопротивления;
гидросистема навески не реагирует на возмущающее воздействие и удерживает массу под постоянным углом относительно рамы или заблокирована;
ДВС, трансмиссия и полурамы трактора объединены в единую массу - моторно-трансмиссионную установку (МТУ);
продольно-угловые колебания корпуса машины вызываются за счет вывешенного в транспортном положении или расположенного на раме трактора навесного оборудования - его значительной инерционной массы (заявленная грузоподъемность задней навесной системы - до 6 500 кг), которая смещает ЦТ машины и колебательной системы в целом; предполагается три варианта подрессоривания мостов: подрессорены оба моста, подрессорен только передний мост, оба моста не подрессорены.
Принятые допущения позволяют рассматривать движение машины в вертикальной плоскости, проходящей через центр тяжести корпуса машины.
Ограничения и допущения для построения схем динамической нагруженности сформулированы с учетом сведений, изложенных в пособии [73; 74].
Расчетные схемы динамической нагруженности трактора К-708.4 для нескольких расчетных случаев приведены в рисунках 3.1 - 3.6
Анализ результатов совместных комплексных испытаний трактора на вибронагруженность
По результатам имитационного моделирования была предложена компоновка системы подрессоривания трактора. Данная компоновка была установлена на трактор К-708.4 и проведены расширенные испытания на вибронагруженность в зависимости от скорости движения трактора. На рисунке 4.14 показана зависимость вибронагруженности на сиденье оператора до и после доработки системы подрессоривания, с различными вариантами массово-габаритной компоновки трактора.
Сведены результаты в сравнительную гистограмму зависимости вибронагруженности на сиденье оператора и на руле в зависимости от компоновки системы подрессоривания и частоты вращения коленвала, результаты представлены на рисунке 4.16
Были проанализированы значения виброускорений на сиденье оператора при движении по стерне зерновых культур без нагрузки, при разной скорости движения в трех плоскостях. Накопительная гистограмма, показывающая эту зависимость представлена на рисунке 4.17 и на рисунке 4.18
Как видно из гистограммы, основной компонентой, добавляющая большую величину виброускорения является вибрация в среднеоктавной частоте в 31.5Гц.
Накопительная гистограмма вибронагруженности рабочего места оператора, после внесенных изменений представлена на рисунке 4.19
Как видно из сравнительной диаграммы пик виброактивности сместился в высокочастотную зону, существенно уменьшив колебания в наиболее опасной низкочастотной зоне.
Расчет на сопротивление усталости передней полурамы трактора
Основным экономическим фактором, способствующий внедрению результатов данной исследовательской работы является повышение долговечности элементов конструкции трактора вследствие снижения их вибронагруженности [105]. В качестве узла, позволяющего оценить величину снижения вибронагруженности был выбран передняя полурама (рисунок 5.2)
В программном комплексе ANSYS Code Design была рассчитана модель передней полурамы трактора семейства «Кировец» с различными системами подрессоривания. Рассматривалось три компоновки первичной системы по дрессоривания:
- система подрессоривания в конфигурации: листовая рессора 701М-2902012-02, работающая совместно с масляным амортизатором А1-160/330.001 и системой подрессоривания посредством демпфирования шин без первичного подрессоривания кабины (гашение колебаний происходит только за счет демпфирования шин)
Расчет поступающей на переднюю полураму величины вибрации был произведен в главе 4, поэтому в модели, в качестве функции вибронагруженности использовалась временная реализация виброперемещения точки контакта первичной системы подрессоривания (или точки контакта полурамы с передним мостом трактора, в случае, когда первичное подрессоривание отсутствует).
Для оценки долговечности в программном комплексе ANSYS были введены данные модели передней полурамы трактора со следующими геометрическими параметрами:
Для варианта без первичного подрессоривания (а) и с первичным подрессориванием (б) был произведен расчет передней полурамы трактора, результаты приведены ниже.
Произведен статический анализ передней полурамы результаты приведены на рисунке 5.3-5.4
Выявлено что наименьшую нагрузку испытывает площадка крепления переднего моста, а полурама имеет большой запас прочности. Было проведено исследование деформации полумоста
Выявлено что наибольшей пластической деформации подвержены крепление полурамы трактора к переднему мосту.
Произведен расчет по величине накопления усталостных повреждений, как видно из рисунка 5.5 циклическому разрушению подвержена зона крепления полурамы к мосту трактора.
Как видно из анализа на сопротивление усталости полурамы трактора, рама с первичным подрессориванием более чем на 15% показывает лучший результат.
В случае расчета на разрушение детали, выявлено что полурама трактора с первичным подрессориванием более чем на 18% увеличивает ресурс детали до разрушения.