CC BY
22УДК 622.24:681.52
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРИВОДА*
М. Н. Хахалин, В. Г. Жубрин
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660014, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: v2551439@gmail.com
Приведены результаты исследования на математической модели динамических характеристик гидромеханического привода вращения рабочего оборудования мобильной бурильной машины. Установлены вероятные причины отказов карданных валов привода.
Ключевые слова: привод, карданный вал, фрикционная муфта, крутильные колебания.
DYNAMIC ANALYSIS OF THE HYDROMECHANICAL DRIVE M. N. Khakhalin, V. G. Zhubrin
Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660014, Russian Federation E-mail: v2551439@gmail.com
Results of research are given in mathematical model of dynamic characteristics of the hydromechanical drive of rotation of the working equipment of the boring car. Probable causes offailures of driveshafts are established.
Keywords: drive, driveshaft, frictional coupling, tortional fluctuations.
Крутильные колебания упруго-массовых систем относятся к тем опасным динамическим нагрузкам, которые могут приводить к аварийным повреждениям валов, редукторов, упругих муфт и других элементов механических и гидромеханических приводов машин. И не случайно требования по обязательному расчёт-но-экспериментальному мониторингу этого негативного явления содержатся в правилах всех классификационных обществ.
В данной работе в качестве объекта исследования выбран гидромеханический привод рабочего оборудования бурильной машины. Привод включает двигатель, раздаточную коробку, два карданных вала и фрикционную муфту. Замыкание муфты производит гидроцилиндр. Муфта выполняет роль передающего и предохранительного звена. Расчётная динамическая схема привода представлена на рис. 1.
Процесс бурения разделён на два периода: промежуток времени, на протяжении которого происходит буксование муфты и бурение при полной блокировке муфты.
Исходя из точности постановки задачи и возможности ее реализации, сделаны следующие допущения: в режиме буксования муфты, трансмиссия заменена двумя двухмассовыми системами, сосредоточенные массы в которых соединены упругими элементами; в режиме полной блокировки муфты трансмиссия заменена трехмассовой системой с упругими связями; нарастание крутящего момента в муфте происходит равномерно; коэффициент трения муфты в процессе разгона и торможения не изменяется. Момент сопротивления на буровой штанге формировался на основании исследований [1; 2], момент на валу двигателя определяется его скоростной характеристикой [3].
Рис. 1. Расчётная динамическая схема привода: MдВ - приведенный к первому кардану момент двигателя; ЫМ - момент на фрикционной муфте; ЫС - приведенный
ко второму кардану момент сопротивления на буровой штанге; J1 - приведенный момент инерции двигателя и первого кардана; J2 - приведенный момент инерции элементов привода от кардана до муфты; J3 - приведенный
момент инерции второго кардана и ведомой части муфты; J4 - приведенный момент инерции буровой штанги; фь ф2, ф3, ф4 - углы поворота начального и конечного сечений карданных валов; Сь ^ - жёсткости карданных валов
: Результаты получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки РФ № 9.447.2014/к.
Решетневскуе чтения. 2014
Ниже приведена математическая модель, соответствующая расчётной схеме:
•ЛФ1 = мдв -С1 (ф1 -Ф2)-Л(Ф-Ф2);
ПРИ Ф2 / 'м 3;
/2Ф 2 = С (Ф1 - Ф2)+/к (ф - Ф2) - м: - м?; /3ФФ3 = мм - С2 (Ф3 -Ф4 ); ПРИ С2 (Ф3 -Ф4 ) < мт max И Ф 2 / 'м = Ф 3;
(•/2 + ^ /'м)
Ф2 = С1 (Ф1 -Ф2 ) + /к (Ф1 -ФФ2 )-С2 (Ф3 -Ф4 )/'м - мнпр ;
/ 4Ф 4 =-С2 (Ф3 -Ф4)- мп; Мм = ^срРм, 0 ^ ' ^ 'о ,
где ц - коэффициент трения; Лср - средний радиус
трущихся поверхностей; ' - количество трущихся поверхностей; Рм - прижимная сила; 10 - время включения муфты.
Реализация модели позволила сделать несколько выводов, два из которых иллюстрируются графиками
(рис. 2, 3).
В процессе выполнения рабочих операций наблюдаются интенсивные крутильные колебания первого карданного вала (рис. 2), что является следствием его малой крутильной жёсткости и отсутствием эффективных демпфирующих элементов. Малое время включения муфты (0,01 с) приводит к значительным динамическим нагрузкам в трансмиссии машины (промежуток времени 1,1-1,3 с). Угловая деформация
достигает 0,018 рад, а крутящий момент 600 Нм, что в 1,5 раза превышает допустимые нормы.
п и а я s
Рис. 2. Крутильные колебания первого карданного вала
Изменение крутящего момента на втором кардане показано на графике (рис. 3). Здесь же приведён график внешних нагрузок, т. е. момента сопротивления бурению. Максимальный крутящий момент, реализуемый муфтой, составляет 820 Нм. Резкое возрастание внешнего сопротивления (например, при упоре в препятствие) вызывает пробуксовку муфты, т. е. проскальзывание её дисков относительно друг друга. В этом состоит её предохранительная функция. Однако инерционность системы допускает перегрузки в короткий период времени, что видно на графике.
Рис. 3. Временная зависимость момента сопротивления и крутящего момента на втором кардане
Таким образом, повышение надёжности привода требует введения дополнительных демпфирующих устройств и правильного подбора параметров фрикционной муфты.
Библиографические ссылки
1. Васильев С. И., Ереско С. П., Жубрин В. Г., Осипенко Б. В. Разработка сезонно-мерзлых грунтов Восточной Сибири траншейными экскаваторами : монография. Красноярск : ИПК СФУ, 2010. 140 с.
2. Васильев С. И., Ереско С. П. Исследование процесса резания грунтов с гравийно-галечниковыми
включениями роторными рабочими органами // Системы. Методы. Технологии : науч. периодич. журнал. 2010. № 4(8). С. 145-153.
3. Ереско С. П., Жубрин В. Г., Шустов В. Л. Разработка и исследование математической модели гидропривода бурильной машины // Строительные и дорожные машины. 2009. № 3. С. 37-41.
References
1. Vasilyev S. I., Eresko S. P., Zhubrin V. G., Osipenko B. V. Development of seasonal and frozen soil
of Eastern Siberia trench excavators : monograph. Krasnoyarsk: IPK SFU, 2010. 140 p.
2. Vasilyev S. I., Eresko S. P. Research of process of cutting of soil with gravel and pebble inclusions by rotor working bodies // Systems. Methods. Technologies: scientific periodic magazine, No. 4 (8). Bratsk: Public Educational Institution of Higher Professional Training BRGU, 2010, p. 145-153.
3. Eresko S. P., Zhubrin V. G., Shustov V. L. Development and research of mathematical model of a hydraulic actuator of the boring car // Construction and road cars. 2009, no. 3, p. 37-41.
© Xaxa^HH M. H., ®y6pHH B. r., 2014
УДК 336
ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ КАК СВОЙСТВО МАТЕРИАЛОВ ТРИБОСОПРЯЖЕНИЯ
И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
С. Г. Чулкин
Государственная полярная академия Российская Федерация, 192007, г. Санкт-Петербург, ул. Воронежская, 79, а/я 533 E-mail: sergej.chulkin@yandex.ru
Разработан подход, позволяющий заменить понятие «износостойкость материала» на «износостойкость трибосопряжения». Данный подход учитывает известные условия эксплуатации и случайные факторы. Кроме того, он препятствует распространению ложных качественных оценок, основанных на тенденциозно выбранных результатах единичных, а не систематизированных экспериментов.
Ключевые слова: износостойкость, коэффициент трения, материал, трибосопряжение.
WEAR RESISTANCE AS A PROPERTY OF TRIBOUNIT MATERIALS AND OPERATING CONDITIONS
S. G. Chulkin
State Polar Academy p.o.box 533, 79, Voronezskaya str., Saint-Petersburg, 192007, Russian Federation E-mail: sergej.chulkin@yandex.ru
The approach that allows to replace the concept of "wear resistance" to "tribomating durability" is developed. This approach takes into account the known operating conditions and random factors. In addition, it prevents the spread offalse qualitative assessments based on the results of single tendentiously selected, not systematic experiments.
Keywords: wear resistance, friction coefficient, material, tribounit.
Каждый материал обладает некоторым набором свойств. Обычно в качестве свойств твердых материалов упоминают плотность, электропроводность, теплопроводность, прозрачность для излучений различной природы, прочность, упругость, химическую активность, магнитные свойства и др. Каждое из известных свойств является предметом тщательного научного исследования. Все они описываются одной или несколькими константами (удельный вес, предел прочности, модуль упругости). Знание подобных констант имеет важнейшее значение для инженерной практики, без них невозможно выполнить ни один современный проект в области производства и эксплуатации технических средств. Однако стандартизованной номенклатуры свойств материалов и соответствующих ей показателей с корректно установленными численными значениями в настоящее время нет.
Область науки, получившая название «Трение и износ в машинах», занимается изучением, главным
образом, двух процессов, а именно: процесса взаимного перемещения твердых тел и процесса изнашивания поверхностей тел, участвующих в процессе взаимного перемещения.
Основным объектом исследования при изучении процесса взаимного перемещения твердых тел является сопротивление этому процессу, которое характеризуется силой трения. Существует несколько математических уравнений для расчета силы трения. Наиболее известным из них принято считать уравнение Амонтона - Леонардо-да-Винчи:
^ = IN , (1)
где ^ - сила трения; I - коэффициент пропорциональности; N - сила нормального давления.
В среде практических инженеров (конструкторов, технологов) широко укоренилось мнение о том, что уравнение (1) предназначено для расчетов сил трения. Оно является простым и удобным, для практических
