Динамика прицепных транспортных систем тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

РГ8 ОД

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Челябинский государственный технический университет

На правах рукописи

Сафронова Ирина Владимировна

ДИНАМИКА ПРИЦЕПНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ (применительно к большегрузным гусеничным поездам)

01.02.06 - Динамика и прочность машин, приборов и автоматов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск - 1994

Работа выполнена на кафедре "Сопротивление материалов, динамика и прочность материалов" .Челябинского государственного технического университета

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор И.Я. Березин. Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ю.С. Павлюк, кандидат технических наук В.В. Кавунов.

Ведущее учреждение:

Конструкторское бюро транспортного машиностроения (г.Омск).

Защита состоится "и-гоы \994 г., в г. на заседании специализированного Совета Д053.13.01 при Челябинском государственном техническом университете.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять ученому секретарю Совета по адресу: 454080, г.Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 76. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "МР^имял 1994 г.

Ученый секретарь специализированного .

Совета, доцент,кандидат технических наук В.М. Кононов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОГЫ. При создании новых поколений конкурентно-способных отечественных машин одной из наиболее важных.является проблема обеспечения их высокой надежности. Как показывает опыт, успешное решение вопросов надежности во многом зависит от научно-технического уровня конструкторско-технологического обеспечения проектов. В связи с этим являются актуальными работы, направленные на совершенствование методов прогнозирования надежности, в которых отображаются реальные условия эксплуатации и динамические свойства проектируемых изделий. В значительной мере отмеченное характерно для транспортного машиностроения, 'в частности, при разработке прицепных систем, на долю которых, по имеющимся данным, приходится до 40 % перевозимых грузов. Вопросы динамики прицепного транспорта связаны с задачами, возникающими в дорожно-строительном, сельскохозяйственном, нефтяном, оборонном и других видах машиностроения.

Применение колесных и гусеничных поездов при выполнении транспортных работ обусловлено, с одной стороны, их экономической целесообразностью, а с другой, единственно возможным способом транспортировки различных нестандартных объектов, в частности, большегрузных или длиномерных'грузов, навесных рабочих органов и т.п.

Особую задачу в исследовании динамики прицепного транспорта представляет собой изучение процессов при движении большегрузных гусеничшх поездов в.особо тяжелых дорожных условиях, когда использование колесных машин либо малоэффективно, либо вообще невозможно. Эксплуатация гусеничных поездов в услошях бездорожья порождает ряд практических проблем, связанных с исключением возможности возникновения аварийных ситуаций, обеспечением работоспособности и надежности тягово-сцепных устройств (ТСУ) и ходовых систем машин поезда, выполнением требований по условиям безопасности и работы операторов тягача и др. Как показывает анализ, использование моделей колесных прицепных систем для исследования процессов в гусеничных поездах в условиях их реальной .эксплуатации не предоставляется возможным, так как эти модели не позволяют полностью отразить случайный характер протекающих процессов и могут привести к значительным погрешностям.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Расширение круга задач по. исследованию динамики

прицепных транспортных систем применительно к большегрузным гусеничным поездам, предназначенным для эксплуатации в условиях бездорожья; создание инженерных методов и программных средств для прогнозирования эксплуатационной нагруженности и надежности элементов гусеничного поезда в условиях реальной эксплуатации. НАУЧНАЯ НОВИЗНА. 1. Получены результаты экспериментальных исследований динамики гусеничного поезда в широком интервале варьирования реальных режимов и условий эксплуатации; на основе полученных данных сформулированы и обоснованы исходные положения математической модели большегрузного гусеничного поезда при движении в особо тяжелых дорожных условиях.

2. Разработана математическая модель, учитывающая специфические особенности динамической системы "гусеничный тягач - тяго-во-сцепное устройство - гусеничный прицеп" при случайном внешнем воздействии и описывающая динамические процессы при движении поезда в условиях бездорожья.

3. Исследовано влияние различных конструктивных параметров, режимов и условий эксплуатации гусеничного поезда на зксплуатаци-оннную нагрукенность шасси машин и ТСУ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ- РАБОТЫ. 1. Создано программное обеспечение , позволяющее на ранних этапах проектирования прогнозиро-• вать эксплуатационную нагруженнасть и надежность тяжелонагру-женных.элементов поезда.

2. Разработана методика и измерительные устройства для проведе-, ния натурных испытаний большегрузного гусеничного поезда с целью определения кинематических и силовых характеристик движения. .

3. Разработана методика выбора геометрических и упругих'характеристик параметров ТСУ и даны практические рекомендации для проектирования перспективных большегрузных гусеничных поездов. РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Работы, на которых базируется данная диссертация, выполнялись в соответствии с программой "Технический университеты России" (тема 80УП53), планом'отраслевого министерства при "проектировании семейства инженерных машин многоцелевого назначения (тема "Отцепка"), планом научно-исследовательских работ Челябинского- государственного технического университета (тема 4393Д53).

Результата работы использованы конструкторским бюро, транспортного машиностроения (г. Омск), научно-техническим центром завода тракторных прицепов Сг-Орсь).

4

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные, положения диссертации доложены и обсуждены на Всероссийских (г. Екатеринбург, 1992; г. Вологда, 1993; г. Челябинск, 1993), республиканской ( г. Кутаиси, 1990), университетской ( г. Челябинск, 1988-1992) конференциях. ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание диссертации опубликовано в 8 работах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит, из введения, четырех глав, списка используемой литературы (131 наименование) и приложений. Диссертация изложена на страницах машинописного текста,

содержит 75 рисунков и 6 таблиц.

1. Состояние проблемы динамики прицепных транспортных систем

Выполнен анализ работ, охватывающих проблемы прицепного автомобильного я тракторного транспорта, исследованию динамики которого в технической литературе уделено достаточно много внимания. Значительный вклад в решение этих вопросов внесли работы О.Н._ Агапова, В.А. Аниловича, В.И. Барахтанова, М.Г. Беккера, H.A. Взятышева, М.С. Высоцкого, А.И. Гальперина, В.В. Гуськова, Я.Х. Закина, В.В.- Жесткова.С.Д. Келлера, Б.И. Морозова, Т.В. Нзрбута, Ю.С. Павлхзка, В.Ф. Платонова, H.R. Рашдова, Ю.А. Са-мойленко, A.A. Хачатурова, Я.Е Фаробина, М.М. Щукина и других. В результате проведенных аналитических и экспериментальных исследований выявлены закономерности движения прицепных систем, предложены математические модели, позволяющие выполнять оценки нагруженности и надежности различных элементов поезда. Большинство из перечисленных авторов исследовали процессы в системах, в состав которых входят колесные машины, эксплуатирующиеся, как правило, на обустроенных дорогах с твердым покрытием. Однако, вполне оправданные допущения, принятые при разработке моделей движения колесных прицепных систем не позволяют в полной мере исследовать специфические закономерности взаимодействия между звеньями большегрузных гусеничных поездов и отображать условия, типичные для их эксплуатации (большие массы прицепов, бездорожье, неустановившееся движение и др.).

2. Моделирование движения большегрузного гусеничного поезда

Для решения поставленных задач в данной работе предложена модель движения большегрузного гусеничного поезда, при разра-

5

ботке которой, наряду с общепринятыми исходными положениями, учитывается следующее:

- рассматривается прямолинейное движение гусеничного поезда в режиме буксировки;

- учитываются нелинейные характеристики подвесок и гусеничного движителя;

- ТСУ моделируется в виде параллельно соединенных упругого и демпфирующего элементов с нелинейными характеристиками;

- силовая установка представлена в-виде одномассовой системы с эквивалентным моментом инерции; систему автоматического регулирования считаем безынерционной; тяговая характеристика прямолинейного движения машины рассматривается во всем диапазоне эксплуатационных скоростей; в связи с необходимостью изучения переходных процессов моделируется переключение смежных передач;

- внешнее воздействие задается в виде случайной функции профилей типовых дорог и одиночных препятствий.

В качестве обобщенных координат приняты перемещения центров тяжести корпусов тягача и прицепа по направлении движения х1 и хг, вертикальные перемещения центров тяжести корпусов тягача и прицепа и гг, угловые перемещения корпусов тягача в плоскости движения ф, и <р2, угол вращения ведущего колеса тягача ф^. Схема динамической модели представлена на рис.1.

С учетом вышеизложенных положений получена система дифференциальных уравнений следующего вида:

. . 2п

¿,=ГРгсозФ. - %*-<&оу+&оу>1а/иг<г,Гт 1-1

. ■ 2п

1=1

2п 2п

1=1 1=1'

2п ■ ' ■ '

1=1

Рис. 1, Схема динамической модели гусеничного поезда

2r, 1 = 1

c 2n 2n

1 = 1 1 = 1 Iz(а2созф2+hbslщ2)/I)/J2;

%=(Md+2(Tc-Tp)r6K)/Jd&,

где mf и тг - массы корпусов тягача и прицепа; J1 vl Jг ~ моменты инерции корпусов тягача и прицепа относительно горизонтальной оси, перпендикулярной плоскости движения; Jqq - момент инерции вращающихся масс моторно - трансмиссионной установки; Ро1, Р t - упругая и демпфирующая составляющие сил, действующих на корпус со стороны i-ro опорного катка; Р{ - сила сопротивления движению под t-u катком; Тс,Тр - усилие, действующее в свободной и рабочей ветвях гусеничного обвода; I ,1 - длины

с р

участков свободной и рабочей ветвей гусеничного обвода; Ф,.Фб-углы наклона гусеничных ветвей к горизонтальной плоскости; Р? и ИТ- сила тяги и момент двигателя; rBk - радиус ведущего колеса тягача; ?сТсу . упругая и демпфирующая составляющие си-

лы в ТСУ; I, lx, Iz - длина ТСУ и ее проекции на оси Ox, Oz; а1, а2, \,НЬ - координаты крепления ТС!У к корпусам машин..

Решение системы дифференциальных уравнений производится-методом Рунге-Кутта-Фельдберга с автоматическим выбором шага. Разработан алгоритм определения необходимых для решения системы параметров, составлена и отлажена вычислительная программа, позволяющая при различных конструктивных особенностях машин и ТСУ и всевозможных эксплуатационных режимах движения поезда исследовать кинематическое и силовое взаимодействие звеньев поезда. Вычислительная программа написана на алгоритмическом языке Паскаль и реализована в среде MS DOS. С помощью разработанной модели выполнены расчеты амплитудно-частотных характеристик и выявлены превалируйте формы колебаний рассматриваемой системы.

3. Экспериментальные исследования двнкения большегрузного

гусеничного поезда Экспериментальные исследования выполнены с целью выявления закономерностей движения гусеничного поезда в реальных условиях

6 .

эксплуатации, проверки адекватности математической модели и идентификации ее параметров.

Экспериментальные исследования процессов,кинематического и силового взамодействия гусеничного поезда, состоящего из двух однотипных гусеничных машин класса 40 т и соединенных штатным ТСУ, были проведены в учебном центре Челябинского высшего командного танкового училища им. 50-летия Великого Октября ( дорожные условия соответствовали Уральскому региону в летний период времени, Бишкиль).

При проведении натурных испытаний регистрировались продольные и вертикальные ускорения на месте оператора буксирующей машины, перемещение штока ТСУ относительно штанги и продольные усилия, возникающие в штоке ТСУ.

Для регистрации перечисленных параметров был использован комплекс измерительной аппаратуры, содержащий датчики ускорений, перемещений, усилий, тензометрический усилитель 8АНЧ-26, виброизмерительную аппаратуру ВИ6-ТН, светолучевой осциллограф Н071, блок питания. Блок измерительной и регистрирующей аппаратуры располагался в специальном амортизированном контейнере, размещенном на корпусе тягача.

При исследованиях воспроизводились следующие вида испытаний:

1) Движение по трем характерным для условий эксплуатации гусеничных поездов типам трасс с флссйровавныш- скоростями и в ре-заме естественного вождения: трасса 1 - дорога с регулярными по длине и высоте неровностями, выбитыми, при многократных проездах однотилых машин (по классификации ВНММТрансмаш трасса соответствует 3 категории сложности); трасса 2 - разбитая грунтовая дорога с естественными и наезженными неровностями (4 категория сложности); трасса 3 - наезженная тяжелыми колесными и гусеничными машинами лесная дорога с крупными ухабами и впадинами (5 категория сложности).

2) Переезд единичных неровностей типа "выпуклость" длиной 12,0 м и высотой 0,95 м и "впадина" длиной 11,0 м и глубиной 1,1 м. Методом оптической нивелировки были определены случайные функции профилей упомянутых трасс, которые в последствии использовались для проверки адекватности математической модели.

3) Движение по ровному горизонтальному участку проселочной дороги с воспроизведением переходных режимов, обусловленных переключением передач.с первой'до четвертой и обратно.

4) Повороты поезда на площадкзх двух типов (грунтовой и луг! на

9

различных передачах.

5) Режимы разгона и торможения поезда.

6) Специальные испытания для идентификации упруго-вязких параметров ТСУ.

Анализ процессов изменения усилия в ТСУ показал, что они являются настационарными случайными функциями, формирующимися в результате наложения двух случайных процессов: низкочастотного узкополосного, обусловленного продольными и угловыми колебаниями корпусов машин при движении их по неровностям, и импульсного, обусловленного соударениями масс.динамической системы. Выявленный характер процессов ограничивает возможность использования для анализа хорошо разработанные методы спектральной теории стационарных случайных процессов, поэтому для анализа и сопоставления результатов применен параметр, характеризующий вероятность возникновения импульсов, превышающих заданный уровень нагрузки. Результаты анализа осциллограмм усилий в ТСУ при движении по выбранным трассам подтверждают закономерности, согласно которым с повышением сложности дорожных условий и скоростей движения транспортных средств возрастает вероятность выбросов случайных процессов за заданный уровень; сопоставление расчетных и экспериментальных данных указывает на удовлетворительную их согласованность, что подтверждает адекватность математической модели(рис.2).

Анализ экспериментальных осциллограмм изменения усилий в ТСУ при переезде одиночных препятствий и при переключении передач показал, что эти режимы движения представляют собой опасность с точки зрения возникновения значительных (до 10 раз превышающих номинальных значений) нагрузок в штангах тяг. В качестве иллюстрации на рис.3 приведены осциллограммы ■ изменения усилия в ТСУ, вертикальных и продольных ускорений на месте оператора. при переключении передач.

.. Анализируя осциллограммы нагрузок, возникающих в штангах ТСУ в процессе поворота поезда с фиксированным радиусом на различных передачах, отмечено, что максимальные значения в ТСУ возникают в момент входа поезда в поворот и в значительной, мере зависят от передачи, на которой осуществляется - поворот: чем больше номер передачи, тем меньше экстремальные значения усилий в ТСУ; получено, что для осуществления поворота гусеничный поезд описывает окружность, радиус которой нз 10.35% больше, чем одиночная.

Ю

0,4

0,3

0,2

0,1

1-трасса 1, передача 1

2-трасса 1, передача 2 ,3-трасса 2, передача 4-трасса 2, передача 2-

0,0

№ I \ \ \ \ \ \ \

\\ \\ \ А\ \ \ \ V \

\\ \\ \\

¥ V V \ \ V

4>\ч 2

-20 -15

-10

-5 5

10

15

20 р;т

Рис.2.Изменение вероятности превышения нагрузкой в ТСУ заданного уровня (--эксперимент, — - расчет )

Р.т 7,00

5,25 3,50

1,75 0,00 -1,75

¿г, м/с

1.5 1,0 0,5 0,0 -0,5

■

1

Ч / 1

V - V/-™

т

¿.м/с

3,5 4.9 г,с ~1'°3,5 4,9 л,с ~°'33,5 4,9 . г,с

Рис.3. Изменение усилия в штакге ТСУ, горизонтальных и вер-тпкалышх ускорений на месте оператора инженерной машины БГЛ5 переключении с 1 на 2 передачу ■• II

Экспериментальные исследования выявили влияние условий и оежимов эксплуатации на относительное время работы ТСУ на •'упоре", когда упругий элемент замыкается на корпус; установлено, что в реальных условиях эксплуатации этот параметр достигает весьма больших значений, так, при движении по разбитой лесной дороге с крупными ухабами и впадинами более 60% времени ТСУ работает как абсолютно жесткий элемент (рис.4).

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных указывают на удовлетворительное для инженерной практики качественное и количественное соответствие результатов.

4. Расчетные исследования эксплуатационной нагружеяности элементов большегрузного гусеничного поезда

Применение разработанной модели. позволило выполнить расчетные исследования в широком интервале варьирования условий эксплуатации и параметров поезда, выявить характерные закономерности динамических процессов.

Проведенный статистический анализ процессов изменения усилий в подвесках тягача и прицепа позволяет считать, что они от-, косятся к классу узкоголосных стационарных Гауссовых процессов, обладающих эргодическим свойством.

Расчетные исследования.нагрукенности ходовой части тягача проведенные при имитации буксировки прицепов различной массы по трассам различной степени сложности, позволили отметить ряд за-. кономерностей движения гусеничного поезда в различных дорожных и эксплуатационных условиях, так, например, при движении по разбитым грунтовым или лесным дорогам. на скоростях свыше Б км/час наблюдается существенное перераспределение нагруженности в ходовой части: среднеквадратическое отклонение нагрузок в задних подвесках уменьшается, а в передних подвесках увеличивается.

Выполнена оценка влияния массы прицепа и скорости буксировки на долговечность ходовой системы тягача. На рис.5 в качестве иллюстрации показано изменение' долговечности деталей кормовых подвесок в зависимости от коэффициента использования линейной машины в качестве.тягача.

Изучены импульсные процессы изменения усилий в штангах ТСУ при режимах движения поезда, связанных с резким приложением тяговых или тормозных сил(трогание и разгон поезда, резкое торможение, переключение передач, преодоление одиночных препятствий,

12

ы 40

трасса 3

трасса 2

трасса 1.

сжатие растяжение

Рис.4.Относительное время работы ТСУ в. " состоянии "пробоя" при движении поезда по различным трассам

(

— — 1,25 м/с - 2,55 М/с

Рис.5.Изменение относительной долговечности (.ЬУЬ) задних подвесок гусеничной машины в зависимости от относительного времени ее работы в качестве тягача (к)

движение в условиях бездорожья и другие). На рис.6 в качестве иллюстрации показаны процессы изменения усилия в ТСУ при различном времени разгона поезда, а на рис.7 - зависимость экстремальных значений усилий в ТСУ от времени переключения с 1 на 2 передачу^

Изучено влияние.конструктивных параметров ТСУ (длина штанги, жесткость и рабочий ход упругого элемента, величина зазоров. расположение крюков крепления) на нагруженность сцепного устройства; проведена серия расчетных исследований движения гусеничного поезда при различных дорожных и эксплуатационных условиях, в которых поочередно изменялся один из конструктивных параметров, йз анализа расчетных исследований следует, что при уменьшении длины штанги сцепного устройства (до 1,5 м) в нем существенно возрастают нагрузки и ускорения, что, очевидно, объясняется увеличением связанности движения машин относительно друг друга и, следовательно, повышением влияния колебаний корпуса одной машины на другую. Увеличение жесткости упругого элемента ТСУ приводит к росту его нагруженности при переезде одиночных неровностей и при движении по типичным трассам и мало влияет в процессе трогания и торможения. Наличие.зазоров в ТСУ значительно повышает его нагруженность, так с увеличением за- -зоров возрастает, вероятность появления нагрузок большой величины и значительных (до Зg) горизонтальных ускорений. .Это явление, очевидно, объясняется тем, что с увеличением зазоров уве-. личивается время разрыва силовой связи между тягачом и прицепом, и чем больше это время, тем больше ударные нагрузки в сцепном устройстве в момент восстановления этой связи. Увеличение рабочего хода упругого элемента значительно уменьшает нагруженность сцепного устройства, существенно снижая вероятность работы .сцепного устройства в состоянии "пробоя". Значительно снижает нагруженность ТСУ расположение .крюков на продольной оси _ симметрии машин, что объясняется снижением связанности колебаний при движении гусеничного поезда в различных дорожных условиях. В качестве примеров на рис.8 приведены зависимости максимальных значений усилий в ТСУ, продольных и вертикальных ускорений на месте оператора , возникающих при переезде неровности типа "Епадина", от длины штанги, на рис.9 - функции вероятности превышения нагрузки в ТСУ заданного уровня при движении поезда по двум типам траср с ТСУ различной длины.

Как показали расчеты, нагруженность ТСУ определяется не '

14

сл

■ Р,т

10,0

-2,5

з, м

Рис.6.' Усилия в штанге, тягово-сцепного устройства при различном времени разгона поезда

Р,т

10

\ раст яжение

сжатие

'0,0 1,0 ТП,С

Р,т 60 40

20

О ?

м/с 10 0 -10 -20 -30

V /7Ъ7/Г7

\ \ Рас гяжение

сжатие

,5 2 ,0 1,м

V X

N. 2

_ _ф ^ а.

X

1,5 . 2,0 I,м

Рис.7. Изменение максимальных усилий в штанге ТСУ при переключении с 1 на 2 передачу в зависимости от продолжительности переключения

Рис.8,Изменение максимальных усилий в,штанге ТСУ, вертикальных (г) и готазон-, тальных ускорений (¿) на месте оператора инженерной машины при варьировании длиной штанги ТСУ

р

0,6 0.4

0,2 0,0

2,5

1,5

0,0

5 =0,5

а =1.254 . 5 =1

а =1,5

4 6 , Р,Т а)

4 / / у

6— ^ Я ✓

"I"

6 6

6 Р,т.

0,5

1,0 0)

Рис.9.Изменение вероятности превышения нагрузки в штанге ТСУ заданного уровня яри варьровании длиной штанги

Рис.10. Йзменение вероятности превышения нагрузки в штанге ТСУ заданного уровня(а) и нагруженное-ти подвесок тягача(0) при варьировании жесткости 4,5 и 6 подвесок

(ч}:

только его конструктивными параметрами, но и параметрами под-рессоривания тягача. Анализ показывает, что тягач с-"мягкими" подвесками поровдает в сцепном устройстве большие нагрузки; при более "жестких" подвесках нагруженность ТСУ снижается, но значительно возрастают нагрузки в ходовой части тягача. На рис.10 представлена зависимость характеристик нагруженности ТСУ и величины математического ожидания (я) и среднеквадратического'отклонения (о) нагрузок в крайних (передней (1) и задней (6)) подвесках тягача при варьировании жесткости трех задних подвесок тягача.

Проведено исследование взаимного влияния основных параметров ТСУ на его нагруженность с помощью простых эмпирических уравнений. Среди факторов, оказывающих существенное влияние на изменение нагруженности сцепного устройства, выделены его основные конструктивные параметры: длина штанги (I), величина зазора (д), жесткость (с) и рабочий ход упругого элемента (з) тя-гово-сцепного устройства. Анализ характера влияния каждого из этих параметров на нагруженность сцепного устройства в отдельности показал, что он носит нелинейный характер, и поэтому для описания вероятности превышения нагрузок заданного уровня целесообразно использовать модель второго порядка с учетом парных взаимодействий параметров. В качестве примера приведено эмпирическое . уравнение , описывающее вероятность работы ТСУ в состоянии пробоя ( Р > 8,0 т ) при движении поезда по разбитой грун-. товой дороге с естественными и наезженными машинами неровностями (трасса 2):

' р[Р1>8,0)=0,1450-0,0362д2гЮ,0387дгс^0,06956^-0,005С&2в-0,02бГ6тб -О,/0003,6.-0,02766,5 +0,02128 6,-

¿С ¡г £ С "

0,00326 б -0,00043.6 -0,00676,6 5,6 , ' .се Д в I с Д в

где

Вг, ас, бд, бо - коэффициенты, отображающие долю каждого параметра по отношению к штатному варианту конструкции ТСУ.

Анализ полученных уравнений позволил определить оптимальные параметры ТСУ. Выполнено сопоставление эксплуатационной на-грузвкности сцепных устройств с различными конструктивными особенностями: первый вариант - штатная конструкция ( 6г= ос--

-1), второй вариант. - конструкция с "мягкой" упругой характеристикой, увеличенным рабочим ходом упругого элемента и

18

уменьшенным зазором ( бх=1, 5о=0,5, Зд=0,8, бз=4,5), третий вариант - конструкция с комбинированной упругой характеристикой, увеличенным рзбоч:м ходом упругого элемента и уменьшенным зазором ( ег=1, 8о/-=0,7, 5о2=0,2,бд=0,8, бд=5,5).Наряду с'изменением конструктивных особенностей сцепного устройства была выполнена' оценка изменения нагруженности ТСУ при увеличении массы буксируемого прицепа с 40 до 70 т(рис.11). Получено, что введение конструктивных изменений в штатном варианте сцепного устройства приводит к значительному изменению его нагруженности, в частности, к снижению вероятности работы ТСУ в состоянии "пробоя" (рис.12).

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему: -

1. Экспериментально выявлены особенности динамических и кинематических процессов в элементах большегрузного гусеничного поезда в условиях реальной эксплуатации, в частности, установлено, что процессы, протекающие в несущей системе поезда относятся к классу узкополосных стационарных Гауссовых процессов, а процессы в тягово-сцепном устройстве носят характер случайных импульсных потоков.

Экспериментально установлено, что в тяжелых дорожных условиях в тягово-сцепном-устройстве возникают значительные импульсные нагрузки, в 5...10 раз превышающие номинальное значение тягового усилия, относительное, время пребывания сцепного устройства в состоянии жесткого упора составляет 40...60 %,а ускорения на месте оператора достигают значений до Зg. '

2. На основании натурных исследований обоснованы исходные положения и допущения, на базе которых разработана математическая модель движения большегрузного-гусеничного поезда в тяжелых дорожных условиях и выполнена идентификация ее параметров; математическая модель, наряду с основными динамическими свойствами системы, учитывает нелинейные упруго-вязкие характеристики подвесок и сцепного устройства, наличие односторонних связей в гусеничном движителе, нелинейную тяговую характеристику тягача, описывает случайный характер внешнего воздействия и наличие переходных процессов в системе "тягач - тягово-сцепное устройство - прицеп";

на основе сопоставления результатов натурных и расчетных исследований доказана адекватность разработанной математической модели. 1

7,5 8,5

9,5

Р.Т

Рис. 11. Изменение вероятности превышения нагрузки в штанге ТСУ заданного уровня при буксировке прицепа массой 40 т (—) и 70 т (—)

Рис. 12.Изменение вероятности состояния "пробоя" ТСУ при использовании сцепных устройств с различными конструктивными особенностями

3. В результате исследований с помощью разработанной математической модели получены зависимости, описывающие влияние жесткости системы подрессоривания тягача, массы прицепа, скорости буксировки и дорожных условий на нзгруженность ходовой системы поезда; показано, что с усложнением эксплуатационных условий- наблюдается перераспределение нагруженности подЕвсок тягача, в частности происходит уменьшение средаеквадратичоского отклонения нагрузок в задних и увеличение в передних подвесках;

получены зависимости изменения долговечности тяжелонагру-женных элементов ходовой системы тягача при различных режимах и условиях его эксплуатации, в частности, показано, что при коэффициенте использования машины в качестве тягача, равном 0,3, долговечность его кормовых подвесок снижается в 1,5 раза;

изучен вопрос о целесообразности использования в конструкциях тягачей, предназначенных для буксировки прицепов повышенной массы, подвесок с регулируемыми жесткостявд; показано, что увеличение жесткости кормовых подеесок приводит, с одной стороны, к снижению нагруженности тягово-сцепного устройства, а с другой, к существенному увеличению нагруженности кормовых подвесок тягача, так, например, увеличение жесткости кормовых подвесок в 1,25 раза снижает вероятность возникновения пробоя сцепного устройства в 1,4 раза, при этом среднеквадратическое отклонение нагрузок кормовых рессор возрастают в 1.3 раза.

4. Изучены закономерности' изменения нагруженности тягово-сцепного устройства при изменении его конструктивных параметров (длина штанги, жесткость и рабочий ход упругого элемента, зазоры, расположение, крюков крепления); выработаны рекомендации по совершенствованию конструкции, в частности, предложены варианты изменений характеристик сцепного> устройства, позволяющие существенно снизить его нагруженность, так вариант конструкции с "мягкой" упругой характеристикой, увеличенным рабочим ходом упругого элемента и уменьшенным зазором позволяет в 2 раза снизить вероятность появления "пробоя", а вариант конструкции с комбинированной упругой характеристикой, увеличенным рабочиь-ходом упругого 'элемента и уменьшенным зазором позволяет снизать вероятность "пробоя" в 4 раза по отношению к штатному варианту.

На основе разработанной модели предложена методика, позво- . лякхцая на стадии проектирования новых прицепных систем оперативно оценивать нагруженность сцепного устройства и выбирать варианты конструкций с рациональным сочетанием параметров.

21

5. Разработанные методики и программное обеспечение были использованы при разработке новых, перспективных машин, в частности, при- проектировании модернизированного большегрузного сельскохозяйственного прицепа на заводе тракторных прицепов (г. Орск) и при создании семейства инженерных машин многоцелевого назначения 'в конструкторском бюро транспортного машиностроения (г. Омск).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сафронова И.В., Сергеев В.Г. Расчетные исследования" динамической нагруженности тягово-сцепного устройства гусеничных машин // Динамика и прочность мобильных машин: Республиканская научно-техническая конференция: Тезисы докадов: Кутаиси: 1990.-С. 76.

2. Сафронова И.В., Сергеев В.Г. Модель движения гусеничного поезда // Прочность машин и аппаратов при переменных нагружениях: Сборник научных трудов.- Челябинск: ЧГТУ, 1991.- С.115-119.

3. Сафронова И.В. Влияние условий эксплуатации на долговечность ходовой части тягача // Прочность- машин и аппаратов при переменных нагружениях: Сборник научных трудов.- Челябинск: ЧГТУ, 19Э1.- С. 140-143.

4. Сафронова И.В., Сергеев В.Г. Моделирование движения гусеничного поезда // Расчет и управление больших механических систем: Сборник научных трудов.- Екатеринбург: Наука, 198.- С.148.

5. Сафронова И.В. Динамика инадежность системы "тягач-прицеп" при случайном внешнем воздействии // Прочность машин и живучесть конструкций: Тезисы Всероссийской конференции,- Вологда, 1993.- С.113.

Сафронова И.В, Усольцев П-В. Экспериментальные исследования динамических процессов при буксировке машин // Прочность машин и аппаратов при переменных нагружениях: Сборник научных трудов .- Челябинск : ЧГТУ 1 993 .- С . 1 20- 1 24 .

7. Сафронова И.В. Исследования влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на динамику гусеничного поезда // Прочность машин и аппаратов при переменных паргрукениях: Сборник научных трудов.- Челябинск: ЧГТУ, 1993.- С.124-128.

8. Сафронова И.В. Динамика прицепных систем // Тезисы Всерос-. сийсксй конференции .- Челябинск, 1993.- С.60. ()о-1''>

22 ' 1