CC BY
73
УДК 629.114.2:629.11.013 А.А. Климов, А.В. Стручков
К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОДАТЛИВОСТИ ГРУНТОВ ПРИ ПОСТРОЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ТРАКТОРОВ, АГРЕГАТИРОВАННЫХ БУЛЬДОЗЕРАМИ
В статье рассмотрен вопрос построения динамических схем бульдозерных агрегатов с учетом влияния податливости грунтов, а также определенные ограничения, которые позволяют упростить теоретические построения. Установлено, что при составлении динамических моделей тракторных трансмиссий важно определить предел касательного усилия, при котором еще сохраняются упругие свойства грунта (до срыва грунта).
Предлагаются экспериментально полученные эмпирические зависимости, которые могут быть использованы при расчетах динамической нагруженно-сти трансмиссионных систем промышленных тракторов на стадии проектирования.
Для исследования вопросов динамики трансмиссионных систем мобильных агрегатов проводится построение их идеализированных моделей, которые позволяют провести теоретический анализ работы.
Динамическую схему бульдозерного агрегата можно представить в виде двухмассовой системы: трактор - призма грунта совместно с массой бульдозера (рис.1).
Рис. 1. Динамическая схема трактора-бульдозера: тпр - масса призмы грунта; Нпр - сила сопротивления грунта по грунту; ^ - горизонтальная сила сопротивления призмы грунта; Рк - движущая сила;
Рf - сила сопротивления перекатыванию; гк - радиус ведущего колеса
Как видно из представленной схемы, динамическая нагруженность бульдозерного агрегата разделяется на два направления: внутреннюю динамику, которая определяется крутильными колебаниями двигателя и трансмиссионной части, и внешнюю динамику, которая представляет собой динамику навесного оборудования, системы «грунт - гусеница», системы «призма грунта - навесное оборудование». Внешняя и внутренняя динамические подсистемы связаны между собой через ведущее колесо, гусеницу, грунт и оказывают друг на друга динамическое воздействие.
При исследовании внутренней динамики тракторного агрегата он представляется в виде модели, состоящей из масс, соединенных между собой упругими и фрикционными связями, с действующими на данную модель возмущающими силами. Внешняя динамика тракторного агрегата во многом зависит от упругих свойств грунта, ведущих участков гусениц, деталей навесного оборудования, подрессоривания тележек.
Достоверность исследования динамических нагрузок в трансмиссии трактора, особенно на стадии проектирования, в основном зависит от точности определения параметров динамической системы. Если для определения моментов инерции, податливостей, демпфирующих свойств конструктивных элементов тракторной трансмиссии существует ряд методик, которые позволяют это сделать с достаточной точностью, то податливости грунтов можно оценить только приближенно.
Целью нашей работы является разработка методики оценки податливости грунтов в зависимости от их прочности в ударах ударником ДорНИИ.
Анализируя внутреннюю динамику трансмиссии, важной с точки зрения конструирования деталей и узлов равнопрочными следует учитывать влияние внешней динамической подсистемы, как задающей силовые параметры и их колебания. При этом следует внести определенные ограничения, которые позволяют упростить теоретические построения:
- бульдозерный агрегат с гусеничным движителем рассматривается как двухмассовая система, состоящая из массы базового трактора и массы призмы грунта с массой бульдозера; массы постоянны и сосредоточены в условных центрах масс;
- связи между отдельными узлами трактора и рабочего органа бульдозера жесткие и неизменяемые;
- силы, действующие на движитель и рабочий орган, сосредоточенные и число их ограничено;
- рассматривается установившееся прямолинейное движение бульдозера с максимальной призмой грунта;
- двигатель работает в режиме номинальной мощности, с максимальной подачей топлива;
- кинематические разветвления трансмиссии имеют одинаковые динамические параметры;
- связи, наложенные на систему, голономны и стационарны;
- кинетическая энергия системы не зависит от обобщенных координат.
Применяя к внешней динамической системе принцип суперпозиции действующих усилий, реакции ее на отдельные воздействия можно считать взаимно независимыми, т.е. совместное воздействие на систему движущего момента от сил сопротивления вызывает постоянные статические деформации упругих элементов. Выбирая за начало отсчета положение равновесия, при котором начальное смещение под действием уравновешивающих моментов и сил уже произошло, расчет динамики можно вести, учитывая только переменную горизонтальную составляющую сопротивлению движению, которая прикладывается к брусьям бульдозера.
Работа бульдозерного агрегата характеризуется относительно резким колебанием сил сопротивления, что влечет за собой повышение суммарной степени неравномерности и буксования. Рост скорости
бульдозирования вызывает пропорциональный рост буксования и амплитудной составляющей нагрузки трансмиссии, особенно от возбуждающего фактора - гусеничных зацеплений. Буксование трактора и изменение динамических нагрузок в трансмиссии носят случайный характер, и связь между амплитудами динамических нагрузок и буксованием также является стохастической, т.е. она обнаруживается при массовом изучении признаков. Изучение корреляционных признаков при обработке материалов экспериментальных исследований бульдозерного агрегата на базе трактора Алтайского тракторного завода класса 40 кН [1] показало, что корреляционная зависимость между буксованием и амплитудной интенсивностью динамических нагрузок, возбуждаемых гусеничным зацеплением, описывается выражением [2]:
8 = 0,927Агус + 5,26, (1)
где Агус - амплитуда крутильных колебаний, возбуждаемых гусеничными зацеплениями, кг' м;
5 - буксование трактора, %.
Указанная взаимосвязь дает возможность приближенно оценить уровень динамических нагрузок в трансмиссии в зависимости от эксплуатационных параметров и одной из важнейшей из них - буксования.
Как указывалось выше, качество и точность расчета динамических нагрузок в значительной степени зависит от точности определения параметров динамических систем - податливостей упругих участков -коэффициентов демпфирования и моментов инерции движущихся частей. При этом теоретическое определение величины податливости грунта в динамической модели бульдозерного агрегата является наиболее трудной задачей из-за большого разброса физических параметров грунтов.
При больших величинах податливости грунт является фильтрующим элементом в динамической модели. Чем меньше податливость грунта, тем выше пропускная способность колебаний средней и высокой частоты от «трансмиссионной» системы. Главным обобщающим показателем для величины податливости грунта являются его свойства - сопротивление грунта сдвигу и сила трения, возникающая между частицами грунта при их относительном сдвиге.
Основываясь на известной формуле Кулона-Мора
Ттах = То +&' 49 (2)
где ттах - максимальное напряжение почвы, Н/мм2; то - сопротивление грунта сдвигу, Н/мм2; tgф - коэффициент внутреннего трения; ст - нормальное давление, Н/мм2, и геометрических размерах гусеничного движителя, записываем формулу для определения максимальной касательной силы, действующей в нижней ветви гусеницы (3):
Р,: тах = Т ■ 8 + 5.) + С ■ (1 - ф • 19+ Р, ■ 19 +^ I ■ С ■ Ь (3)
где So - площадь сдвига грунта, проходящая по вершинам грунтозацепов, определяемая по формуле
50 = 2Ь(Ь -1 ■ I); (4)
S1 - боковая площадь сдвига, определяемая по формуле
5, = 4 ■ (Ь ■ к -18); (5)
Р1 - сила нормального давления, действующая на боковую поверхность грунтовых кирпичиков и определяемая по формуле
• 8
к
P = 4 • Ny (L - i •-), (6)
где Иу - распределенная сила по высоте почвенного кирпича на единицу длины, определяемая по формуле Беккера
С к . (7)
=-------------к ■ агше —; (7)
у 2пЬ ■ В Ь
G - сцепной вес трактора, кН;
L - длина опорной поверхности гусеницы, мм;
I - ширина вершины грунтозацепов, мм;
Ь - ширина гусеницы, мм;
i - число грунтозацепов, находящихся в зацеплении с грунтом;
1п - высота грунтозацепов, мм;
S - боковая площадь грунтозацепов, мм2;
р - коэффициент трения стали о грунт.
Как видно из формулы (3), величина максимальной касательной силы на гусенице зависит, как от физических свойств грунта (То, tgф), так и от конструктивных параметров трактора - сцепного веса и геометрических размеров гусеницы. В работе [3] на основании выведенных корреляционных зависимостей между базой и шириной гусеницы от конструктивного веса трактора и других преобразований получена зависимость:
ФК max - 1Д
3
1 -(1 - C )- 2
(8)
где _ ркmax - коэффициент сцепления трактора.
тК max ^
При составлении динамических моделей важно определить предел касательного усилия, при котором еще сохраняются упругие свойства грунта (до срыва грунта). Попытка определения этого предела была нами проведена при экспериментальных исследованиях бульдозерного агрегата на базе трактора класса 40 кН производства Алтайского тракторного завода. Такие исследования стали возможны при установке в трансмиссию трактора гидротрансформатора [1].
В процессе исследований бульдозер упирался в жесткое препятствие и нагрузка задавалась при помощи акселератора газа двигателя ступенчато, сначала в сторону увеличения, затем в сторону уменьшения. Нагрузка на кардане записывалась на осциллограмму. Гидротрансформатор позволял осуществлять нагружение без срыва грунта, поскольку устранялась жесткая кинематическая связь между двигателем и трансмиссией.
В соответствии с приведенной схемой на рис. 2 измерение податливости грунта проводилось стрелкой, закрепленной на нижнем башмаке гусеницы относительно специальной линейки, уложенной сбоку от гусеницы. При этом одновременно измерялся поворот ведущей звездочки для исключения влияния податливости ведущего звена гусеницы на величину податливости грунта. Для исключения влияния податливости брусьев бульдозера на податливость грунта измерялось одновременно и горизонтальное перемещение тележки трактора. Испытание на каждом грунте проводилось с пятикратной повторностью.
Рис. 2. Схема экспериментальных исследований податливости грунта
На рис. 3 приведены зависимости перемещения нижней ветви гусеницы от горизонтальной нагрузки на ней на грунтах различной плотности - от 5 до 17 ударов ударником ДорНИИ. Как видно из представленных графиков, упругая деформация грунтов мало зависит от ее плотности до нагрузок, обеспечивающих срыв грунта. Срыв грунта находится в прямой зависимости от плотности грунта. При плотности С = 5 ударов
ударником ДорНИИ рКред= 24 кН; при плотности С = 12 ударов ударником ДорНИИ ркред = 28 кН; при плотности С = 15 ударов ударником ДорНИИ р ПРед = 32 кН; при плотности С = 17 ударов ударником Дор-НИИ рпРед = 34 кН. Нпред соответственно составила 3,75, 4,1, 4,5, 4,7 мм,
К
где нпред - деформация грунта, соответствующая РКред;
РКред - предельное касательное усилие, при котором еще не происходит срыв грунта.
Рис. 3. Экспериментальные зависимости перемещения нижней ветви гусеницы от горизонтальной нагрузки на ней на грунтах плотностью 5 ударов ударником ДорНИИ-1; 12 ударов ударником ДорНИИ -2; 15 ударов ударником ДорНИИ -3; 17 ударов ударником ДорНИИ -4
На рис. 4 приведены графики зависимости нпред и ркред от плотности грунта С.
Рис. 4. Экспериментальные графики зависимости Нпред и Ргпред от величины плотности
грунта в ударах ударником ДорНИИ
Аппроксимация указанных зависимостей
Нпред = 2,7 + 0,13 • С,
д (9) р»ред = 1900 + 88,9 • С
может быть полезной при расчетах динамической нагруженности трансмиссионных систем промышленных тракторов.
Для того чтобы формулу (8) можно было использовать применительно к определению рКред гусеничных тракторов любого веса, не задаваясь конкретными размерами их гусениц, проводим расчеты рКред
К
и рКтах для одних и тех же грунтов, определяем коэффициент пересчета рктах в р’пред. В результате
проведенных расчетов получен коэффициент пересчета, равный (0,24+0,0065С). Таким образом, формулу
пр к
(8) можно записать для условий определения р"ред следующим образом:
рК^ =(0,24 + 0,0065 • С )•
3
1 -(1 - С )“ 2
(10)
Экспериментальная проверка данной формулы при исследовании податливостей грунтов на тракторе класса 40 кН, оборудованном гидротрансформатором, показала хорошую сходимость при ошибке определения ркред не более 5%.
Выводы
1. При составлении динамических моделей тракторных трансмиссий важно определить предел касательного усилия, при котором еще сохраняются упругие свойства грунта (до срыва грунта).
2. Предлагаются экспериментально полученные эмпирические зависимости, которые могут быть использованы при расчетах динамической нагруженности трансмиссионных систем тракторов, агрегатиро-ванных бульдозерами, на стадии проектирования.
Литература
1. Климов, А.А. Экспериментальный промышленный трактор для исследования вопросов оптимизации энергонасыщенности / А.А. Климов // Совершенствование конструкций и повышение надежности тракторов и погрузчиков. - Красноярск, 2003. - С. 12-18.
2. Елизенцев, П.А. К вопросу исследования буксования макетного трактора-бульдозера ТП-4Э / П.А. Ели-зенцев // Улучшение тягово-динамических качеств высокоэнергонасыщенных тракторов. - Красноярск, 1973. - С.12-18.
3. К вопросу вывода формулы буксования гусеничного трактора общего назначения / В.А. Золотухин, А.П. Богатырев, А.А. Климов [и др.] // Совершенствование конструкций и повышение производительности тракторов и сельхозмашин. - Красноярск, 1973. - С. 74-80.
УДК 631.3.072 И.Е. Донцов
ПОВЫШЕНИЕ КУРСОВОЙ УСТОЙЧИВОСТИ МАШИННО-ТРАКТОРНОГО АГРЕГАТА С ФРОНТАЛЬНЫМ ОРУДИЕМ (ФМТА)
В статье теоретически обоснованы параметры четырехзвенного фронтального механизма навески и орудия, выбор тягового средства для обеспечения устойчивого движения агрегата. Для этого составлены и проанализированы дифференциальные уравнения колебаний ФМТА в горизонтальной плоскости. Описаны новые схемы соединения орудий и трактора.
Современные ресурсо- и энергосберегающие технологии возделывания пропашных культур для сокращения числа проходов предполагают широкое применение тракторов, оснащенных фронтальной и задней навесными системами. При этом для фронтальной навески по сравнению с жесткой схемой более работоспособной является шарнирная схема соединения орудия и трактора. В этом случае орудие при встрече с препятствиями может отклониться в сторону и избежать поломок, а на ходовую часть трактора действуют меньшие дестабилизирующие нагрузки. Однако в настоящее время отсутствуют механизмы фронтальной навески, которые обеспечили бы устойчивое движение трактора и возвращение орудия к заданной траектории после снятия возмущающих воздействий - курсовую устойчивость.
