Актуальность темы
исследования. В вооруженных силах Союзного государства России и Белоруссии большая часть тяжелого ракетно-артиллерийского вооружения, в том числе грунтовые мобильные ракетные комплексы «Тополь», «Тополь-М», «Яре» и другие монтируются на специальных колесных шасси (СКШ) производства Минского и Курганского заводов колесных тягачей. Эти же СКШ широко применяются как транспортные средства и технологическое оборудование в нефтегазовом комплексе страны в экстремальных условиях эксплуатации Крайнего Севера и Западной Сибири. Кроме того, эти шасси эксплуатируются и требуют сервисного обслуживания во Вьетнаме, Таджикистане, Анголе, в Индии, Китае, Кипре и других странах. Указанные шасси оснащены по существу единой гидромеханической трансмиссией, надежность которой, во многом ограничена, в частности, долговечностью согласующих редукторов.
Долговечность трансмиссий колесных тягачей семейства МАЗ и КЗКТ во многом ограничивает надежность функционирования в процессе эксплуатации и конкурентоспособность машины. Самой низкой долговечностью обладают элементы повышающего редуктора из-за усталостного разрушения деталей, а также фрикционные элементы системы управления гидромеханической трансмиссии (ГМТ) и блокировки гидротрансформатора (ГТ) вследствие износа дисков, т. е. условия работы указанных элементов трансмиссии характеризуются нагруженностью высокого уровня.
В то же время ситуация в России характеризуется высокой применимостью машин оснащенных трансмиссиями модели МАЗ 535 (тягачи МАЗ-543, МАЗ-5Э7, КЗКТ-7428, КЗКТ-74 286). Кроме того, данные машины эксплуатируются во Вьетнаме, Таджикистане, Анголе, Индии и на Кипре. Значительная часть сервисных и ремонтных работ трансмиссий выполняется специализированными организациями, в частности предприятиями ОАО 487 Авторемонтный завод МО РФ, ООО «НаучноПроизводственная фирма «ТЕХНОТРАНС», ООО «Стратегия» и др.
Анализ применимости выполнен по открытому источнику — докладам Начальника ГАБТУ МО РФ и Начальника вооружения ВС РФ на совещании, организованном ОАО «КамАЗ». В настоящее время МО РФ и гражданскими организациями эксплуатируется тягачей использующих трансмиссии МАЗ 535:
• 7412 единиц специальных колесных шасси (СКШ);
• 2336 единиц многоосных колесных тягачей (MKT).
Машины семейств MA3−537 и MA3−543 образуют основу парка СКШ и MKT (61,7%). При этом собственно продукция ОАО «КЗКТ» занимает в структуре парка сегмент объемом 19,1%.
По срокам эксплуатации парк СКШ и MKT имеет следующую структуру:
• до 6 лет — 0,8%,.
• от 6 до 12 лет — 29%, свыше 12 лет — 70,2% (большая часть эксплуатируется 15. 18 лет и более).
Парк СКШ и MKT состоит из машин, из которых не менее 6500.6800 единиц требуют постоянного внимания с точки зрения необходимости выполнения ремонтных работ и прежде всего это касается трансмиссии. Необходимо отметить, что перспективы замены машин данного класса призрачны в виду отсутствия производственных мощностей на территории бывшего Советского союза. Программа «Платформа», реализуемая на ОАО «КАМАЗ» даст первые результаты не ранее чем через 8. 10 лет.
Фирма «Allison» предлагает проект модернизации тягачей путем монтажа своей моторно-трансмиссионной установки. Однако стоимость проекта составляет 14 млн. рублей, что почти в четыре раза превышает стоимость капитального ремонта всего тягача. Это обуславливает привлекательность предлагаемого нами варианта повышения долговечности гидромехаыических трансмиссий в процессе сервисного обслуживания и ремонта тягачей.
Фирма «Allison» предлагает проект модернизации СКШ путем монтажа своей моторно-трансмиссионной установки. Однако стоимость проекта составляет 14 млн. рублей, что почти в четыре раза превышает стоимость капитального ремонта всего СКШ. Повышение долговечности согласующих редукторов, разработка конструкций, их реализация, т. е. модернизация трансмиссии в процессе сервисного обслуживания и ремонта шасси является эффективным путем повышения надежности.
Особенностью рассматриваемой конструкции трансмиссии является введение согласующего редуктора с несколькими зубчатыми передачами, обеспечивающими не только кинематическое согласование характеристик двигателя и гидротрансформатора, но и привод агрегатов систем моторной установки. Экспериментально установлено, что в данной конструкции наблюдается субгармонический резонанс при частотах возмущения кратно превышающих частоту свободных колебаний нелинейной системы. Существенная нелинейность системы обусловлена раскрытием зазоров в зубчатых передачах и известные методы исключения резонансов в данном случае неэффективны. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященной анализу условий возникновения субгармонических резонансных режимов в существенно нелинейной системе и обоснованию метода их отстройки является актуальной.
Цель и задачи исследования
Целью данной работы является определение путей повышения надежности элементов гидромеханических трансмиссий СКШ, разработка и реализация конструктивных решений, обеспечивающих отстройку от параметрических субгармонических резонансных колебаний на основе синтеза гасителя крутильных колебаний нового типа.
Указанная цель достигается решением следующих задач:
1. Разработка расчетной схемы и математической модели трансмиссии СКШ как существенно нелинейной системы для анализа динамических процессов, их устойчивости.
2. Проведение экспериментальных исследований динамической нагруженности трансмиссии СКШ на установившихся резонансных режимах и на переходных процессах.
3. Обобщение результатов теоретических и экспериментальных исследований, разработка метода выбора параметров конструкции гасителей крутильных колебаний нового типа и оценка эффективности результатов исследований.
Решение этих задач позволит дополнить существующие методы расчета динамической нагруженности дотрансформаторной зоны трансмиссий транспортных машин, как нелинейной системы, создать предпосылки повышения надежности элементов гидромеханических трансмиссий.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач проводится спектральный анализ исследуемых процессов, компьютерное моделирование динамики механической системы «дизельный двигатель — гаситель — насосное колесо гидротрансформатора» как существенно нелинейной, анализ условий возникновения субгармонических колебаний, их устойчивости, экспериментальное исследование динамической нагруженности, а также решается обратная задача выбора параметров упруго-диссипативной характеристики гасителя крутильных колебаний нового типа, обеспечивающих повышение надежности трансмиссии СКШ. Обработка экспериментальных данных велась на основе методов теории вероятности, частотного анализа в программных пакетах, MatLab, Mathcad 2014 и Statistica 5.5.
Научная новизна работы заключается в изучении закономерностей возникновения и обосновании способа исключения резонансных субгармонических режимов в системе «дизельный двигатель гидромеханическая трансмиссия» на основе исследования динамики существенно нелинейной системы при полигармоническом возмущении от дизельного двигателя. В работе приводятся новые экспериментальные данные по динамической нагруженности в механической системе на установившихся резонансных режимах, при частотах возмущения кратно превышающих частоту собственных колебаний нелинейной системы, а также при переходных процессах пуска и останова двигателя, трогания СКШ с места, переключения передач и блокировке гидротрансформатора.
Новизна технического решения по отстройке субгармонических резонансных режимов за пределы рабочего диапазона частот работы двигателя подтверждена патентом Российской Федерации.
Практическая ценность.
Разработан метод синтеза гасителя крутильных колебаний, обеспечивающий отстройку субгармонических резонансных режимов в существенно нелинейной системе. Разработана конструкция согласующего редуктора с гасителем нового типа, которая позволила уменьшить амплитуду динамического момента в дотрансформаторной зоне в 5.6 раз и вывести резонансный режим за пределы рабочего диапазона частот вращения двигателя, тем самым создав предпосылки обеспечения требуемой долговечности элементов трансмиссии. Предложенная конструкция гасителя крутильных колебаний максимально унифицирована для семейства СКШ производства Минского и Курганского заводов колесных тягачей и реализуется в процессе выполнения сервисных и ремонтных работ.
На защиту выносятся закономерности возникновения и способ исключения резонансных параметрических субгармонических колебаний в системе «дизельный двигатель — гидромеханическая трансмиссия» на установившихся режимах работы при частотах возмущения кратно превышающих частоту собственных колебаний нелинейной системы, новые экспериментальные данные по динамической нагруженности в механической системе при переходных процессах пуска-останова двигателя, трогания СКШ с места, переключения передач и блокировке гидротрансформатора, а также конструкция согласующего редуктора с гасителем нового типа, позволяющая осуществить отстройку субгармонических резонансных режимов.
Реализация работы.
Теоретические и экспериментальные исследования отражены в 2 отчетах о НИР, подготовленных по результатам выполнения государственных контрактов № 7826р/11 397 от 15.04.2010, № 9874р/11 397 от 11.01.2012 с Федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере». Разработанная конструкция согласующего редуктора с гасителем нового типа внедрена и используется предприятием ООО «Технотранс», г. Курган при выполнении ремонтных и сервисных работ трансмиссий СКШ.
Результаты работы используются также в учебном процессе при подготовке студентов специальности 190 110 в Курганском государственном университете.
Степень достоверности результатов.
Достоверность научных результатов работы подтверждается корректностью постановки задач и применяемых методов нелинейной теории колебаний, базирующейся на фундаментальных трудах отечественных и зарубежных ученых. Результаты численного моделирования динамики системы с использованием разработанной математической модели, согласуются с экспериментальными данными в исследуемом частотном диапазоне. Расхождение, наблюдаемое по частоте и амплитуде момента, не превышает 7. 10%, что связано с отклонением начальных условий при моделировании. Достоверность подтверждена результатами измерений с использованием современной высокоточной измерительной аппаратуры. Апробация результатов работы.
Основные положения и материалы работы докладывались и обсуждались: на VII Межрегиональной научно-практической конференции.
Инновационные технологии, системы вооружений и военной техники, наука и образование" (Броня 2012). — Омск, 2012; на X Международной научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса», Екатеринбург, 2012; на 71-ой научно-методической и научно-исследовательской конференции Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ) — Москва, 2013; на XVI Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности», Санкт-Петербург, 3−6 апреля 2013; на первой международной научно-практической конференции «Инновации и исследования в транспортном комплексе», 23−24 мая 2013 г.- на научных семинарах кафедры гусеничных машин КГУ 2011 — 2013 гг.
В полном объеме диссертационная работа обсуждалась на объединенных семинарах Курганского и Южно-Уральского государственных университетах и на научном семинаре ИМАШ УрО РАН.
Публикации.
Все основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 6 статей, из них 3 в изданиях перечня ВАК РФ, 1 патент РФ на полезную модель, 1 отчет о НИР.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста, выводов, списка использованных источников и приложений. Содержание работы изложено на 125 страницах текста, включающих 54 рисунка, 8 таблиц, списка использованных источников из 75 наименований и шести приложений.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:
3. В диссертационной работе изложены научно обоснованные технические решения по снижению динамической нагруженности элементов гидромеханических трансмиссий специальных колесных шасси на основе отстройки субгармонических резонасов, внедрение которых обеспечивает требуемый ресурс элементов, что вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.
4. Предложенные математическая модель и пакет компьютерных программ дают возможность исследовать динамику существенно нелинейной системы, установить закономерности возникновения резонансных режимов, подтвержденные экспериментально.
5. Установлено, что одной из основных причин высокой динамической нагруженности и ограничения долговечности элементов ГМТ являются субгармонические параметрические резонансы, вызванные близким совпадением частот свободных колебаний нелинейной системы с возмущения дизельного двигателя в кратное число раз превосходящих их по частоте. На основе установленных закономерностей определена область устойчивости и направление вариации параметров для ее обеспечения.
6. Экспериментально установлено, что коэффициент динамичности нагрузки при переходных процессах трогания с места, переключения передач и блокировки ГТ составляет 1,7−3,2. В связи с этим конструкция серийного гасителя, используемая в ГМТ не выполняет свою роль. Резонансные явления являются высокочастотными (до 17 Гц) и за 100 часов работы трансмиссии число циклов нагружения превышает базовое число циклов кривой усталости (7,2 млн).
7. Проведенные экспериментальные исследования динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии трех моделей СКШ, статистическая обработка их результатов подтверждает достоверность разработанной математической модели, отражающей физические процессы при резонансных режимах и корректность основных допущений.
8. На основе полученных результатов предложены технические решения, позволяющие уменьшить динамическую нагруженность трансмиссии и разработанны конструкции гасителей нового типа для согласующих редукторов ГМТ СКШ различных моделей. Это позволило вывести резонансные режимы за пределы рабочего диапазона оборотов двигателя и уменьшить динамическую нагруженность трансмиссии в 5.6 раз, тем самым создать предпосылки повышения ресурса элементов гидромеханической трансмиссии.
