Оценка влияния отказов подвесок индивидуальной системы подрессоривания на среднюю скорость движения быстроходной гусеничной машины Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.365

Д.А. Дубин1, О.А. Наказной1, В.А. Неверов2

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ОТКАЗОВ ПОДВЕСОК ИНДИВИДУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПОДРЕССОРИВАНИЯ НА СРЕДНЮЮ СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ

Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)1 Московский политехнический университет2

Представлены результаты расчетно-теоретического исследования по оценке влияния выхода из строя упругих элементов подвесок на среднюю скорость движения гусеничной машины полной массой 45 тонн. Получены скоростные характеристики машины, определены функции быстроходности, а также средние технические скорости по системе подрессоривания при отказе каждой подвески. Определена степень влияния отказа каждой подвески на среднюю скорость движения гусеничной машины.

Ключевые слова: гусеничная машина, система подрессоривания, отказ подвески, средняя скорость.

Современные быстроходные гусеничные машины (БГМ), обладая высокими показателями проходимости и автономности, используются для решения широкого спектра транспортных задач в регионах с труднодоступными участками местности и в условиях бездорожья. Скорость движения гусеничной машины (ГМ) по неровностям местности в основном ограничивается системой подрессориания [1-3] и зависит от ее технических характеристик, а также от исправного состояния деталей и узлов подвесок. Наиболее характерным видом отказа торсионной системы подрессоривания, не приводящего при этом к полной потере подвижности, является разрушение упругого элемента подвески - торсионного вала. Для ГМ тяжелой весовой категории подобный вид отказа, как правило, не устраняется на месте поломки. Машина продолжит выполнение поставленной задачи с неисправной подвеской, что, в свою очередь, приведет к ухудшению показателей плавности хода, а, следовательно, к вынужденному снижению механиком-водителем скорости движения. Целью данного исследования является количественная оценка влияния отказа каждой подвески на среднюю скорость движения ГМ, что может быть использовано при оценке показателя подвижности машины с учетом подобного вида неисправности.

Исследование проводилось для БГМ полной массой 45 тонн (рис. 1) с задним расположением моторно-трансмиссионного отделения. Система подрессоривания корпуса БГМ - индивидуальная торсионная. Амортизаторы рычажно-лопастного типа расположены на первых, вторых и шестых подвесках. Упругая и демпфирующая характеристики подвесок приведены на рис. 2.

© Дубин Д.А., Наказной О.А., Неверов В.А., 2019.

Рис. 2. Упругая и демпфирующая характеристики подвесок исследуемой БГМ

Методика проведения исследования

Анализ влияния отказов узлов подвесок на подвижность БГМ проводился на основе сравнительной оценки средних скоростей движения машины, которые могут быть реализованы по системе подрессоривания при отказе упругого элемента одной из подвесок. Исследование проводилось с использованием методов и средств численного моделирования движения ГМ по неровностям местности [1, 4] и состояло из трех этапов.

I этап. Построение скоростных характеристик. Этап заключается в моделировании процесса движения ГМ с заданной скоростью по периодическому профилю. Результатом моделирования является реализация ускорений в функции времени, действующих на месте механика-водителя в процессе движения ГМ. На основании полученных результатов проводится построение скоростных характеристик для каждого случая отказа, отражающих зависимость высот проходных неровностей по предельно допускаемым ускорениям от скорости движения ГМ.

II этап. Построение функций быстроходности. По имеющимся скоростным характеристикам проводится построение функций быстроходности [4], которые позволяют оценить среднюю техническую скорость по системе подрессоривания при отказе /-ой подвески.

III этап. Определение коэффициентов влияния отказа подвесок на среднюю скорость движения. На основании полученных данных о средней технической скорости для каждого расчетного случая формируются выводы о степени влияния отказа на эксплуатационные характеристики БГМ.

Имитационная модель движения ГМ по неровностям местности реализована в программном комплексе Matlab/Simulink, который широко применяется в задачах моделирования динамики движения и рабочих процессов гусеничных и колесных машин [5-7]. Расчетная схема представлена на рис. 3. В расчетах принималось, что профиль трассы недеформи-руемый, система симметрична относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести корпуса машины, корпус ГМ абсолютно жесткий, а трение в шарнирах и подшипниках пренебрежимо мало. Величина проекции скорости центра масс машины на горизонтальную ось постоянна. Гусеничный движитель представлен упругой невесомой нитью, натяжение которой на всех участках одинаково.

Рис. 3. Расчетная схема ГМ

Согласно расчетной схеме уравнения динамики корпуса ГМ как колебательной системы могут быть записаны в следующем виде:

тГМ^корп + тГМ^ — 2 Людв( + ^шВК + ^шНК — -fr(sinaBK + ^«НК^ ; (1)

фГМпрсд — 2 I/ Рпсдв('к( + (^швк - ^г sin(«BK - «яШвк + (ршнк - ^г sin^K - «яШнк) ; (2)

\

Ф^ГМпспер — ^ I/ ЛюдвШ + ^шВКП - ^гП sin(aBKn - + РщНКП - ^гП sin(aHKn - -

" \ (3)

lA РподвЛ( + ^шВКЛ - sin(«BM - <Р) + ЛпНКЛ - ^гЛ sin(«HM - <РЛ ;

где шГМ - масса гусеничной машины; ¿ксфп - вертикальные ускорения центра масс корпуса; Рпсдш - усилие в подвеске i-го катка; п - число катков по борту; РшВК, РшВК - реакции в шинах ведущего и направляющего колес (ВК и НК), соответственно; Рг - сила натяжения гусеницы; авк, авк - углы наклона задней и передней ветвей гусеницы, соответственно; ZK¿ -расстояние по горизонтали от центра масс до оси i -го опорного катка; /вк, /НК - расстояние по горизонтали от центра масс до оси ведущего и направляющего колес соответственно; ф, ф - угол поворота корпуса относительно оси, проходящей через центр масс, и его вторая производная (угловое ускорение) соответственно; ф - угловое ускорение корпуса ГМ в поперечной плоскости; /ГМпрСД, /ГМпспер - момент инерции корпуса относительно продольной и поперечной осей соответственно, проходящих через центр масс.

Равновесие узла подвески (рис. 4) записывается в следующем виде: ¿k¿ + — Рпсдв1 + Pint +

P^sin a1¿ + sin «2i), (4)

где mK¿ - масса i-го катка; zK¿ - вертикальное ускорение i-го катка; Pn¿ - реакция в шине катка; a1¿, a2¿ - углы наклона ветвей гусеницы справа и слева от катка.

п

Рис. 4. Расчетная схема узла подвески

Усилие в подвесках определяется как реакция упругого и демпфирующего элементов на возмущающее воздействие со стороны профиля дороги:

Р ■ = Р ■ + Р ••

' ПОДВ1 ' ум ' Д1;

(5)

р* = /у(/кО;

Ход катка и его скорость зависят не только от перемещения оси катка, но и от вертикального и углового перемещения (и их производных) корпуса ГМ:

(6) (7)

/к1 = 2 /"ы =

корп

^корп

ф1ш + ¿кt,

где И.к1 — расстояние от центра масс до оси катка при нулевом ходе подвески.

После получения каждой характеристики проводится построение функции быстроходности [5] по системе подрессоривания п(г) (рис. 5).

И

Рис. 5. Определение функции быстроходности по системе подрессоривания

При построении функции быстроходности использовалась функция распределения по пути случайных высот неровностей (рис. 6):

Ф3(К) = 1 — ехр(—^т), (8)

где Л, м - высота неровности профиля пути, ст^ = 0,115 , м - среднеквадратическое отклонение случайных высот неровностей.

Фб(Ь)

Рис. 6. Расчетная функция распределения по пути случайных высот неровностей

Используя данные о максимальной мощности силовой установки ГМ и ее массе, функция быстроходности ^п(г) перестраивается в функцию распределения вероятности случайной скорости движения гусеничной машины по пути Ф5Т(_/уС) (рис. 7).

FsnlV)

Рис. 7. Распределение вероятности случайной скорости движения гусеничной машины по пути Ф5т(/ус)

Вычисляя площадь под построенной кривой, определяется средняя техническая скорость ГМ по системе подрессоривания.

К

^ср =

УД.гр.

rvmax ^УД.гр.

Jn___...

V

(9)

где ^уд.гр. - удельная мощность двигателя, реализуемая на грунте, ^5о(у) — плотность распределения функции быстроходности.

Зависимость Муд^/г определяет условную силу тяги _/ус идеальной гусеничной машины, в силовой цепи которой отсутствуют потери мощности. Тогда зависимость (9) представляется в следующем виде:

№

^ср =

Уд.гр.

™5(/ус)'

(10)

где — площадь, заключенная между кривой Ф5т(/ус) и осью 0-Ф5 (на рис. 7 показана

как заштрихованная область).

Коэффициент влияния отказа /-ой подвески на среднюю скорость движения ГМ, как условный показатель эффективности будет определяться следующим образом:

— ^ср0 — ^ср1

= Усро ■ (11)

где Ж0 — эффективность системы (изделия) до отказа, ^ — эффективность системы (изделия) после отказа.

Результаты исследования

С использованием разработанной имитационной модели движения ГМ проведено моделирование ситуации отказа упругого элемента последовательно для каждой подвески вдоль одного борта. В результате были получены скоростные характеристики исправной машины (рис. 8) и с учетом отказа каждой из подвесок (рис. 9) для трех длин волн гармонического профиля пути.

Рис. 8. Частные скоростные характеристики машины с исправными подвесками, где L-база машины

Анализ полученных данных показал, что отказ упругих элементов в независимых подвесках существенно влияет на скорость движения, которую может реализовать механик-водитель при движении ГМ по неровностям местности без достижения предельно допустимых ускорений или «пробоев» - ударов балансиров в ограничители хода (табл. 2). При отказе первой подвески средняя скорость движения, реализованная по системе подрессоривания, снизится на 26,4 % (удар направляющего колеса о грунт), тогда как снижение скорости из-за отказа задней подвески составляет 38,4 % (удар ведущим колесом). Разрушение упругого элемента одной из средних подвесок увеличивает вероятность «пробоя», при этом отказ второй подвески оказывает наименьшее влияние (3,2 %) на среднюю скорость движения. Одинаковое влияние на среднюю скорость оказывают выходы из строя четвертой и пятой подвесок. Снижение скорости в таком случае составляет 19,4 % и 19,8 % соответственно. В случае отказа третьей подвески средняя скорость уменьшится на 11,4 %.

Ь, ММ

60 ио 20

1 3 5 7 9 11 13 75 м/с

Рис. 9. Скоростные характеристики машины с учетом отказа упругого элемента /-ой подвески

Таблица 2

Критичность отказа

Номер отказанной подвески Значение площади т5(/У) Значение средней скорости гср, м/с С1

Исправное состояние 0,195 8,38 -

1 0,245 6,17 0,264

2 0,201 8,12 0,031

3 0,220 7,42 0,114

4 0,242 6,75 0,194

5 0,243 6,72 0,198

6 0,364 5,15 0,384

Заключение

В результате проведенного исследования установлено, что наиболее критичными с точки зрения влияния на среднюю скорость движения гусеничных машин являются отказы крайних подвесок. Разрушение упругого элемента первой подвески приведет к снижению скорости по системе подрессоривания на 26,4 %, а при отказе шестой подвески потеря в скорости составит 38,4 %. Отказ средних подвесок приводит к снижению средней скорости на 3,2-19,8 %.

Библиографический список

1. Дмитриев, А.А. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин / А.А. Дмитриев, В.А. Чобиток, А.В. Тельминов. - М.: Машиностроение, 1976. - 207 с.

2. Котиев, Г.О. Комплексное подрессоривание высокоподвижных двухзвенных гусеничных машин / Г.О. Котиев, Е.Б. Сарач. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - 184 с.

3. Котиев, Г.О. Пути повышения быстроходности гусеничных машин транспортного назначения / Г.О. Котиев, Е.Б. Сарач, И.А. Смирнов, С.А. Бекетов // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. - 2014. № 2. - С. 114-119.

4. Дядченко, М.Г. Основы расчета систем подрессоривания гусеничных машин на ЭВМ / М.Г. Дядченко, Г.О. Котиев, В.Н. Наумов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 30 с.

5. Савочкин, А.В. Статистическая динамика транспортных и тяговых гусеничных машин / А.В. Савочкин, А.А. Дмитриев. - М.: Машиностроение, 1993. - 320 с.

6. Горелов, В.А. Математическая модель прямолинейного движения по деформируемой опорной поверхности двухзвенного седельного автопоезда с активным полуприцепным звеном / В.А. Горелов, Б.В. Падалкин, О.И. Чудаков // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Машиностроение». - 2017. - № 2. - С. 121-138.

7. Горелов, В.А. Математическая модель прямолинейной динамики по недеформируемому опорному основанию седельного автопоезда с активным полуприцепом / В.А. Горелов, Г.Г. Анкино-вич, О.И. Чудаков // Вестник Машиностроения. - 2017. - № 3. - С. 37-42.

8. Сарач, Е.Б. Исследование тепловой нагруженности пневмогидравлической рессоры гусеничной машины легкой весовой категории / Е.Б. Сарач, О.А. Наказной, А.А. Ципилев // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2016. - № 11.

Дата поступления

в редакцию:06.02.2019

D.A. Dubin1, O.A. Nakaznoi1, V.A. Neverov2

ANALYSIS OF THE SUSPENSION FAILURE IMPACT ON THE TRACKED VEHICLE SPEED

Bauman Moscow state technical university1 Moscow polytechnic university 2

Purpose: Demonstration of the suspension failure impact on the speed of a tracked vehicle weighing 45 tons.

Design/methodology/approach: The research was carried out by the method of simulation of the vehicle movement.

Results: The speed characteristics of the machine are constructed, speed functions are determined, as well as the average technical speeds for the suspension system in case of failure of one of the suspensions. As a result, the price of failure is determined by the effect on the average speed of the tracked vehicle for each failed suspension along one side.

Key words: tracked vehicles, suspension system, suspension failure, average speed, failure price.