Оптимизация резиновых элементов опорных катков гусеничного движителя при статическом и динамическом нагружении

Современное тракторостроение характеризуется ростом рабочих скоростей и энергонасыщенности сельскохозяйственных гусеничных тракторов, В связи с этим становятся все более актуальными вопросы проектирования и обеспечения надежности, эксплуатации, их ходовых систем.

Гусеничные тракторы отличаются от колесных машин сложностью конструкций ходовой части и более высоким отношением массы трактора к его мощности. Масса конструкций гусеничного движителя и. его подвески может достигать 20% и более от общей массы трактора, что объясняется целым рядом причин, и в первую очередь наличием открытых кинематических пар, работающих в условиях абразивного износа. К ним можно отнести, шарнирные соединения, звеньев гусеничной цепи, контакт опорного катка с беговой дорожкой звена, контакт ведущей звездочки и звена. Учет абразивного износа в процессе эксплуатации заставляет конструкторов закладывать в конструкции элементов ходовой части избыток металла, увеличивая тем самым массу трактора. С другой стороны, высокая материалоемкость объясняется применением в гусеничном движителе низкосортных материалов и отсутствием современных методов проектирования. Задача снижения массы стимулирует развитие технологии тракторостроения в направлении применения новых конструкционных материалов, изыскания новых конструктивных концепций, уточнение методов анализа работы ходовой части.

Другой немаловажный момент, занимающий особое место при исследованиях и проектировании ходовых систем, связан с повышением энергонасыщенности и ростом рабочих скоростей тракторов. Возрастание скоростного режима приводит к значительному увеличению динамических и ударных нагрузок в гусеничном движителе, вибрациям. Увеличение нагрузок возникает как в силу принципиального устройства (звенчатостъ гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а также обуславливается взаимодействием с сельскохозяйственными агрегатами и почвой. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной долговечности отдельных узлов. Кроме тот, ударные взаимодействия и вибрации механизмов движителя, имеющих зазоры в кинематических парах, приводят к возрастанию энергетических потерь и снижению коэффициента полезного действия всего движителя. Источниками диссипация энергии являются механизмы с большим количеством зазоров (гусеничный обвод), при этом доля рассеиваемой им энергии оказывается весьма значительной. Наконец, возрастание уровня вибраций в гусеничном обводе приводит к разрушению грунта, что существенно увеличивает коэффициент буксования трактора.

Быстрый абразивный износ открытых шарниров, вибраций гусеничного обвода, повышенные потери в ходовой части настолько существенны для энергонасыщенных тракторов, что уже первые эксплуатационные испытания современных гусеничных тракторов (ДТ-175С, Т-150, Т-250) показали полную несостоятельность применения традиционных серийных конструктивных схем гусеничного движителя. Поэтому тракторостроением поставлен перед научными коллективами страны ряд вопросов, связанных с коренным, принципиальным совершенствованием ходовых систем гусеничных сельскохозяйственных тракторов.

Одним из реальных путей решения поставленной задачи является использование в конструкциях узлов и механизмов движителя силовых рези-нометаллических элементов. Опыт транспортного машиностроения и эксплуатационные испытания сельскохозяйственных гусеничных тракторов показывают, что резинометаплические блоки, натяжного устройства, амортизаторы балансирных кареток, опорные катки с внутренними резиновыми элементами и наружным резиновым' бандажом, обрезиненные звенья обеспечивают существенное снижение массы и способствуют улучшению тя-гово-динамических качеств гусеничного движителя. Являясь высокоэластичным и вязкоупругим материалом, резина позволяет реализовать большие относительные смещения, отдельных деталей узлов, гашение динамических нагрузок и ударных воздействий, причем внешнее трение металлических пар в условиях абразива заменяется внутренним трением резины. В то же время за счет резкого увеличения долговечности элементов движителя происходит снижение объема запчастей необходимого для обеспечения заданного срока службы машины. Эти выводы в равной степени приемлемы и сельскохозяйственным тракторам, однако, они недостаточно серьезно рассматривались вплоть до недавнего времени, пока не были предложены конструктивные решения, имеющие низкую стоимость, и стали более доступными технологические процессы изготовления резинотехнических изделий'. Проведенные к настоящему времени' испытания ¦сельскохозяйственных тракторов класса 3 с резинометаллическими шарнирными соединениями гусеничной цепи показали ряд преимуществ, способных устранить недостатки гусеничного движителя с металлической цепью. Несомненно, дальнейший прогресс в совершенствовании гусеничных движителей неразрывно связан с внедрением в их конструкции силовых резинометаллических элементов.

Проектирование перспективных конструкций гусеничных движителей с силовыми резиновыми и резинометаллическими элементами вызывает необходимость проведения большого объема научно исследовательских работ. Очевидно, что решение задач обеспечения работоспособности подобного движителя требует отчетливых представлений о характеристиках используемых в нем резиновых элементов и об их влиянии на всю ходовую систему. При этом особое внимание должно быть уделено теоретическим исследованиям, позволяющим на стадии проектирования дать оценку прочности и надежности резинометаллических конструкций, разработать для. них рекомендации по выбору оптимальных конструктивных параметров, прогнозировать их ресурс. Разработка методов теоретической оценки динамической нагруженности, определения параметров напряженно-деформированного состояния и изучения процесса разрушения дает возможность составления научно обоснованных норм проектирования силовых резинометаллических элементов гусеничного движителя. Необходимы количественные характеристики прочности и надежности в зависимости от различных вариантов изготовления, отличающихся конструктивным исполнением, технологией изготовления. Без цифровых данных трудно обоснованно подходить к решению задач оптимизации гусеничного движителя с резинометаллическими элементами с точки зрения как качества, так и затрат на изготовление.

Несомненно, заключение о долговечности конкретного изделия в конкретных условиях эксплуатации может быть дано и на материале стендовых испытаний. Однако эти данные сразу оказываются бесполезными при изменении конструктивных параметров или эксплуатационных условий. Кроме того, до настоящего времени не имеется достаточно надежных критериев эквивалентности эксплуатационных и стендовых режимов. Что же касается задачи оптимального проектирования, то здесь эмпирический путь вовсе непригоден в силу высокой стоимости эксперимента при многовариантном переборе параметров. Таким образом, наибольший удельный вес в процессе конструкторской работы приобретает математическое моделирование поведения резиновых деталей вплоть до разрушения.

Проведение расчетов силовых резинометаллических элементов при статических, динамических, ударных, тепловых воздействиях требует обширных знаний в различных областях механики и вычислительной математики и является сложным, даже если каждая из частных задач, с точки зрения узкоспециальной, может считаться разрешимой с относительно малыми трудностями. Это является следствием большого разнообразия и взаимосвязанности факторов, обуславливающих механическое поведение резиновых элементов в гусеничном движителе, и требует систематического и комплексного изучения свойств резинометаллических элементов соединений с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов.

Не останавливаясь на различных аспектах этой проблемы и обзоре многочисленных исследований, т. е. на вопросах, обстоятельное изложение которых дано во многих работах, необходимо отметить, что теория механического поведения резинометаллических элементов гусеничного движителя находится лишь на стадии становления. Имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных исследований весьма разрозненны, а вследствие различия в методиках и в степени их корректности не всегда сопоставимы.

Несмотря, на огромное число исследований, в области расчета резинотехнических изделий, до настоящего времени нет еще единого мнения по ряду вопросов, имеющих научное и прикладное значение. Например, о влиянии начальных деформаций резиновых элементов на характеристики изделия при вторичных деформациях, о характере разрушения резиновых элементов, работающих в условиях больших деформаций, о влиянии резиновых элементов на нагруженность металлических деталей гусеничного движителя.

Методы расчета изделий из резиноподобных материалов обладают рядом весьма специфических особенностей, как правило, неизвестных инженеру-конструктору. Несколько монографий, обобщающих методы получения решений в задачах статических расчетов резинометаллических изделий, содержит массу примеров расчета конкретных изделий, которые невозможно применить к гусеничному движителю. Кроме того, эти книги не включают результатов многих исследований, опубликованных в научной периодике. Разбросанность этих материалов и форма представления делают их неприемлемыми в конструкторской практике. Кроме того, имеющиеся публикации не учитывают особенностей эксплуатации резинометаллических элементов в гусеничных движителях. В периодической печати имеются лишь разрозненные статьи по расчету силовых резинометаллических элементов применительно к гусеничным движителям.

Введение

в гусеничный движитель резинометаллических элементов приводит к необходимости существенно изменять конструкции сопрягаемых металлических элементов. Так, например, установка в опорном катке внутренних резиновых элементов приводит к значительным конструктивным изменениям, или точнее, к новой конструкции. Подобные конструктивные изменения и требование снижения металлоемкости гусеничного движителя вызывают необходимость в использовании методов оптимального. проектирования, которые в настоящее время для металлических элементов гусеничного обвода, а также и для резиновых элементов практически отсутствуют.

Исследование динамического поведения элементов гусеничного движителя ограничивалось до настоящего времени лишь частным случаем.

Рассматривались или отдельные участки гусеничного движителя (ведущий участок гусеничной цепи) или упрощенные постановки (разделение колебаний гусеничной цепи на продольные и поперечные). При этом полностью отсутствуют методы оптимального проектирования с точки зрения снижения динамической нагруженности элементов гусеничного движителя.

Настоящая работа посвящена разработке: метода оценки напряженно-деформированного состояния резиновых элементов опорного катка гусеничного движителяметодике определения динамических нагрузок возникающих при качении опорного катка по полотну гусеничной цепиметодов оптимального проектирования резиновых элементов опорного катка гусеничного движителя.

Основные теоретические положения диссертационной работы:

— применение теории наложения малых деформаций на конечные в расчетах напряженно-деформированного состояния резиновых элементов после сборки, и при вторичном нагружении радиальной силой;

— применение теории прикладного оптимального проектирования упругих тел;

— применение метода конечных элементов в расчетах напряженно-деформированного состояния резиновых элементов;

— .применение метода временных конечных элементов в расчетах определения. динамических нагрузок при. качении опорного катка по полотну гусеничной цепи;

Материал настоящей работы изложен в шести главах.

Первая глава посвящена краткому обзору и анализу методов исследований, расчета и проектирования гусеничных движителей. Особое внимание уделено гусеничным движителям с силовыми' резиновыми и резиномеи талличеекими элементами. Глава заканчивается постановкой задач диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются особенности конструктивных форм резиновых элементов опорных катков гусеничных движителей. Приведены конкретные конструкции опорных катков с внутренними резиновыми элементами, рассмотрены особенности конструктивных решений. В главе также описаны условия нагружения резиновых элементов и свойства резины как конструкционного материала. Глава заканчивается постановкой оптимизационной задачи.

В третьей главе рассматривается статический расчет резиновых элементов опорного катка, работающих при больших деформациях. Для построения методики расчета используются соотношения нелинейной теории упругости. Предложен алгоритм расчета резиновых элементов на основе теории наложения малых деформаций на конечные.

В четвертой главе представлены математическая модель и алгоритм расчета динамических нагрузок возникающих при качении опорного катка по гусеничному полотну на основе метода временных конечных элементов.

Пятая глава посвящена численному и экспериментальному определению жесткостных характеристик резиновых элементов при различной степени обжатия. Приводится сравнение экспериментальных и численных результатов. В главе приводятся численные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния основных типов конструкций резиновых элементов опорных катков гусеничного движителя.

Экспериментальному определению эффекта гашения радиалъно-направленного удара резиновыми элементами опорного катка.

Шестая глава посвящена решению задачи оптимизации геометрии резиновых элементов опорного катка комплексным методом Бокса. в.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. На основе анализа существующих конструкций опорных катков с внутренними резиновыми элементами определены основные типы приемлемые для гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов,.

2. Предложена математическая, модель механического поведения, резиновых элементов опорного катка гусеничного движителя с учетом больших начальных деформаций наложения вторичных деформаций.

3. Разработан алгоритм численного расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов любой геометрической формы: при всех видах нагружения.

4. Разработаны, алгоритм и. метод оптимального проектирования геометрии резинового элемента и параметров опорного катка.

5. Проведены расчеты резиновых элементов конкретных конструкций опорных катков. Разработаны рекомендации по оптимальному проектированию опорных катков с резиновыми элементами.

6. Проведенная экспериментальная проверка результатов расчета и проверка на тестовых примерах показали работоспособность предложенных методов.

7. По разработанным методикам и алгоритмам созданы программные комплексы, которые могут быть использованы как программное обеспечение САПР гусеничного движителя.