Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей

Горбачев, Александр Владимирович

Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Горбачев, Александр Владимирович АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей»

Автореферат диссертации на тему "Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей"

На правах рукописи

РГо 01

2 2 ДЕК Ш

Горбачев Александр Владимирович

ПРОЧНОСТЬ И ОПТИМАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ГУСЕНИЧНОЙ ЦЕПИ

Специальность 01.02.06 -"Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Барнаул - 2000

Работа выполнена в Алтайском Государственном техническом университете им. И.И. Ползунова на кафедре "Автомобили и тракторы".

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Дружинин В. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Хоменко В. А.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Мальцев В. А.

Ведущая организация - ОАО " Алттрак" (г. Рубцовск)

Защита состоится "26 '' ^е к<и£~ря 2000 г. в / / часов на заседании диссертационного совета К064.29.10 Алтайского Государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу: 656099, г. Барнаул, пр. Ленина, 46.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке АлтГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью Вашего учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан "22 " норс^рЯ' 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета. .

кандидат технических наук '¿р^^ ^ Перфильева Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. В последнее десятилетие наше тракторостроение столкнулось с неизвестными для него ранее трудностями: во-первых, с резким сокращением платежеспособного спроса на его продукцию, во-вторых, с конкуренцией между предприятиями как внутри страны, так и с зарубежными производителями. Это вынуждает отечественных производителей к более активной разработке новых более совершенных конструкции тракторов и совершенствованию отдельных узлов и агрегатов. Также наиболее важным моментом для современного тракторостроения становится сокращение сроков проектирования новых конструкций.

Совершенствование тракторов, в частности сельскохозяйственных, в настоящее время идет в направлении повышения энергонасыщенности и роста рабочих скоростей. Это обстоятельство обусловливает повышение требований к прочности и надежности шарнирных соединений гусеничного обвода.

При характерном для современного тракторостроения возрастании рабочих скоростей увеличивается напряженность отдельных элементов гусеничного обвода, ускоряются процессы износа их трущихся частей, и в первую очередь, шарнирных соединений.

Одним из путей решения задач снижения нагруженности и увеличения срока службы элементов гусеничного движителя является использование в конструкциях узлов и механизмов движителя силовых резинометаллических элементов. Учитывая особенности резины как конструкционного материала, требуется четкое представление о механическом поведении, о влиянии геометрических параметров резиновых элементов на работоспособность резинометаллического шарнира при всех видах нагрркения. Форма, геометрические параметры существенно влияют на величину деформации при нагружении, на жесткостные характеристики, на теплообразование. Выбор геометрии резинового элемента может обеспечить заданный моторесурс шарнирных соединений и их надежность при эксплуатации. Именно этой проблеме, то есть созданию методов, алгоритмов и программных комплексов по оптимальному проектированию конструктивных параметров резинометаллических шарнирных соединений посвящена настоящая работа.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Создание методов и алгоритмов расчета для оптимального проекпгрования конструктивных параметров резинометаллических шарнирных соединений гусеничной цепи.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленных задач используются методы механики твердого деформируемого тела, в

частности нелинейной теории упругости, методы оптимизации упругих тел, численные методах математического анализа.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В качестве объекта исследования выбраны рсзинометаллические шарнирные соединения звеньев гусеничного движителя сельскохозяйственного трактора.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Научную новизну работы составляют:

- математическая модель механического поведения резиновых элеиентов при больших начальных деформациях, связанных со сборкой, и наложения вторичных деформаций от радиальной силы и крутящего момента;

- математическая модель оптимального проектирования геометрических параметров резиновых элементов и арматуры РМШ;

- алгоритм численного расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов любой геометрической формы при всех видах нагружения;

- алгоритм численного расчета напряженно-деформированного состояния арматуры РМШ любого конструктивного исполнения;

- алгоритм определения оптимальных, конструктивных параметров резинометаллических шарнирных соединений.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Представленные в работе алгоритмы, определения оптимальных конструктивных параметров рези-нометаллического шарнирного соединения, расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов и арматуры, направлены на создание конструкций шарнирных соединений позволяющих повысить ресурс гусеничного движителя.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. На основании выполненных исследований, создана методика определения оптимальных конструктивных параметров резинометаллического шарнирного соединения, а также методики расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов и арматуры, являющиеся основой для создания программного комплекса направленного на нахождение оптимальных конструктивных параметров резинометаллических шарнирных соединений.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Положения работы докладывались на международных конференциях (II Международная конференция "Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов" г. Барнаул 2000).

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положения опубликованы в восьми печатных работах.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, семи глав основного текста и выводов, изложенных на 127 страницах текста, содержит 51 рисунок, 7 таблиц, список использованных источников из 88 на!шенований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Дана краткая характеристика состояния проблемы, поставлены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов, приведены основные положения которые выносятся на защиту.

Первая глава посвящена краткому обзору и анализу методов исследований, расчета и проектирования элементов гусеничного обвода. Особое внимание уделено гусеничным движителям с резннометалли-ческими шарнирами гусеничного обвода.

На основе анализа проведенного обзора можно сделать следующие выводы:

1. Полностью отсутствуют методики и алгоритмы оптимального проектирования резиновых элементов шарниров гусеничного соединения. Известные в литературе методы оптимального проектирования конструкций позволяют решать простейшие задачи: оптимизация балок, пластин, оболочек, цилиндров и т.д.

2. Отсутствуют методики расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов гусеничного движителя.

3. Имеющиеся методы расчета напряженно-деформированного состояния элементов гусеничного движителя базируются на ряде допущений, гипотез и ограничений, которые не позволяют проводить анализ других конструкций при переходе от одной машины к другой.

В связи с этим в диссертационной работе была сформулирована цель:

Разработать методику параметрической оптимизации резиноме-таллического шарнирного соединения гусеничной цепи.

Для этого необходимо решить следующие сопутствующие задачи: ]. На основе анализа существующих конструкций резинометалличе-ских соединен™ гусеничной цепи определить основные типы резино-металличсских соединений гусеничной цепи, определить основные

типы резинометаллических шарниров приемлемые для гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов

2. Используя известные методы расчета напряженно-деформированного состояния резины при больших деформациях адаптировать их для создания методики расчета резинометаллических шарнирных соединений,

3. Разработать методику оценки, напряженно-деформированного состояния арматуры шарнирного соединения любого конструктивного исполнения.

4. Определить параметры, оказывающие наибольшее влияние на напряженное состояние резинометаллического соединения и его работоспособность.

5. Определить возможные постановки задач оптимизации.

6. Разработать программный комплекс по оптимальному проектированию.

7. Провести расчеты оптимальных параметров для конкретных конструкт»! резинометаллических шарнирных соединений. Выяснить возможности снижения металлоемкости, разработать рекомендации по оптимальному проектированию резинометаллических шарнирных соединений.

Во второй главе данной работы на основе патентного анализа сделан обзор существующих конструкций резинометаллических шарниров. Также в ней сделана попытка классификации существующих гусеничных обводов. Несмотря на все многообразие существующих конструктивных решений можно выделить несколько основных схем РМШ*

РМШ без ограничителей радиальной деформации, РМШ с ограничителями радиальной деформации, Втулочный вариант РМШ без ограничителей радиальной деформации

Втулочный вариант РМШ с ограничителями радиальной деформации._

В главе также описаны условия нагружения резиновых элементов шарнирных соединений и свойства резины как конструкционного материала.

Третья глава работы посвящена постановке задачи оптимизации конструктивных параметров РМШ. На основе проведенного анализа конструкций резинометаллических шарнирных соединений можно предположить, что оптимальное проектирование конструктивных параметров РМШ следует разбить на несколько шагов. На каждом шаге будет поставлена многокритериальная оптимизационная задача. Это сделано для того, чтобы не перегружать общую задачу большим коли-

чесгвом варыфуемых параметров, а также, в виду того, что в процессе оптимизации шарнира используются две целевые функции.

Задача оптимизации арматуры включает два этапа, анализу будут подвергаться только ограничители радиальной деформации, а именно их оптимальное положение и ширина.

На первом этапе мы определяем оптимальное положение ограничителей радиальной деформации. При этом рассматривается случай полного выхода из строя резиновых элементов. В этом случае шарнир можно прсдставтгть гак неразрезную балку нагруженной сосредоточенной силой рис. 1. Причем точки приложения силы и опоры совпадают с местом положения ограничителей радиальной деформации на шарнире.

. | - , Г ... г

Расчетная схема Рис 1.

В качестве функции цели было решено взять величину максимального прогиба балки Y(x). а варьируемыми параметрами будут координаты приложения сосредоточенных сил хь х3. х5 и координаты опор хз, Х4. Геометрические ограничения вытекают из необходимости обеспечить герметичность пары трения ограничитель-проушина. Для удобства записи представим варьируемые переменные в виде компонент вектора X = [х,. х2, х3. х4, х5 jT

Задача оптимизации может быть сформулирована следующим образом: найти вектор X минимизирующий целевую функцию

max[Y(x)] min При геометрических ограничениях

х^х^хГ, (i=l,2,...,n),

где . xf - пределы изменения компонент вектора х; п - число ограничений. Зная оптимальное положение ограничителей радиальной деформации, на втором этапе мы можем перейти к поиску их оптимальной ширины, а также жесткости упругого основания.

Также как и предыдущая задача, это задача минимизации. В качестве целевой функции здесь мы также берем значение максимального

прогиба арматуры шарнира У(х). Варьируемыми параметрами в данной задаче будут являться ширина ограничителей и жесткость упругого основания рис. 2. На систему также накладываются жесткие геометрические и функциональные ограничения.

! V* ! if 1 j '4

N У/УШШ: <У//ШЖЬ хяятт та

x4 i X;'

Расчетная схема Рис 2.

Задача оптимизации в данном случае будет выглядеть следующим образом: найти вектор X минимизирующий целевую функцию У(х)

тах[у(х)] —> min

при ограничениях

геометрических

x^x.Sxf. (1=1,2,...,и),

функциональных.

по контактным давлениям между ограничителем и проушиной по контактным давлениям между резиновым элементом и проушиной звена

^-[фО;

по радиальной жесткости резинового элемента С . £С <С ,

-ру> г_ г.. г тзх . J_

где х|' , xf - пределы изменения компонент вектора х; п - число ограничителей радиальной деформации. оа - осредненное значение радиальных напряжений на поверхности контакта резины с металлом; С,„¡л; Crm„ -нижний и верхний пределы радиальной жесткости.

Указанные функциональные ограничения обеспечивают отсутствие проскальзывания резинового элемента по поверхности проушины при вторичном нагруженш крутящим моментом, обеспечивают герме-

газацию при нагруженш радиальной силой и обеспечивают заданные жесткостные характеристики.

Третьим этапом оптимального проектирования является оптимизация резинового элемента. Постановка оптимизационной задачи сформулирована следующим образом: учитывая жесткие геометрические и функциональные ограничения, накладываемые на резиновый элемент, вопрос о минимизации объема резины не возникает. В качестве целевой функции берегся величина максимального значения удельной потенциальной энергии формоизменения. Варьируемыми параметрами х ; являются геометрические размеры резинового элемента до, и

после сборки, в качестве функциональных ограничений взяты: контактное давление между резиной и металлом, позволяющее исключить проскальзывание наружного бандажа относительно резинового элемента; величины радиальной и угловой жесткости резинового элемента. Математическая формулировка задачи оптимизации имеет вид.

Ъ = тт[ тах(\¥) ],

где £1 - область поперечного сечения элемента с варьируемой границей Г.

при ограничениях: геометрических

х:<х^х:, 0=1, 2,...,т).

функциональных, по контактным давлениям между резиновым элементом к проушиной

^-[(фО:

по радиальной жесткости резинового элемента

с <с <с

по угловой жесткости резинового элемента

С <с <с

фшп ф <рта\"

где х~ , х, - пределы изменения компонент вектора х; т - число независимых параметров;

о^ - осредненное значение радиальных напряжений на го> верхнсстк контакта резины с металлом;

с,™, сгив, СфпА, СФИК -нижний и верхний пределы радиальной

и угловой жесткосгей соответственно.

Величина удельной потенциальной энергии V/, как функция инвариантов 1Дили компонент) тензора меры конечных деформаций зависит от координат и достигает максимального значения в некоторой точке исследуемой области. Оценка ее наибольшего значения связана с определением конечных деформаций, являющихся решением краевой задачи с системой нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных.

Оптимальное проектирование конструктивных параметров рсзи-нометаллического шарнирного (РМШ) соединения невозможно без определения напряженно-деформированного состояния (НДС) резинового элемента шарнира и его арматуры. В связи с этим в следующих разделах работы представлены методики расчета кольцевого резинового элемента при всех видах нагружения и арматуры резинометадличе-ского шарнира любого конструктивного исполнения.

Четвертая глава посвящена расчету резиновых элементов.

Учитывая особенности нагружения резиновых элементов, поставленная задача может быть решена методами нелинейной теории упругости. В настоящее время разработаны достаточно эффективные методы расчета НДС при больших деформациях. В представленной работе используется алгоритм пошагового нагружения. Для численной реализации алгоритма использу ется метод конечных элементов (МКЭ).

В процессе эксплуатации резиновые элементы испытывают следующие виды деформации: большие начальные деформации, связанные с установкой и сборкой резиновых элементов, при этом резиновые элементы испытывают запрессовку по внешнему радиусу. При движении гусеничной машины шарнирные соединения испытывает ударные и динамические воздействия в радиальном направлении, связанные со звончатостью цепи и с вертикальными колебаниями корпуса гусеничной машины, а также циклическое-нагружешге -крутящим моментом. Обеспечение надежной работы требует расчета характеристик напряженно-деформированного состояния при всех видах нагружения. Конструкция резинового элемента, должна обеспечивать при радиальном нагружении шарнира, малую величину эксцентрисотета, т.е. резина при данном вцде нагружения должна испытывать только малые деформации. В противном случае (большая величина эксцентриситета), резко возрастают потери на внутреннее трение, что приводит к саморазогреву и быстрому выходу резиновых элементов из строя и к низкому моторесурсу.

Таким образом, задача расчета напряженно-деформированного состояния включает два этапа:

- расчет резиновых элементов при больших деформациях связанных со сборкой;

- расчет малых деформаций при вторичном нагружении крутящим моментом и радиатьной силой с учетом больших начальных деформаций.

Представленный в главе алгоритм базируется на основных соотношениях теории наложения малых деформаций на конечные. Он позволяет, используя пошаговую процедуру и линеаризированные соотношения теории наложения малых деформаций на конечные, оценивать напряженное состояние, как при конечных деформациях, так и при вторичном нагружении. Для численной реализации алгоритма взят метод конечных элементов. Механическое поведение резины описывается упругим потенциалом Трелоара.

Цель настоящей главы дать представление о средствах, которые может применить конструктор для определения параметров нагруже-ния резиновых элементов от деформации арматуры, а также для оценки и последующего уменьшения вероятности се хрупкого разрушения.

Палец резиномегаллического шарнирного соединения может иметь различные варианты конструктивного исполнения: гладкий сплошной; гладкий сплошной с насадными ограничителями радиальной деформации; монопалец с ограничителями радиальной деформации; втулочный гладкий; втулочный с ограничителями радиальной деформации; составной и т.д.

В связи с этим в данной главе рассматривается универсальная методика расчета пальцев шарнирных соединений любых конструкций. В соответствии с выбранным вариантом шарнирного соединения принимается та или иная расчетная схема арматуры. Тем не менее, для любого варианта допускается, что арматура шарнирного соединения представляет собой неразрезную изогнутую или сжато - изогнутую балку, имеющую круглое или кольцевое сечение и лежащую на упругом основании. При составлении расчетной схемы конструкция шарнирного соединения разбивается на отдельные участки, каждый из которых характеризуется постоянством поперечного сечения, жесткостью упругого основания и характером распределения нагрузки.

В качестве упругого основания принимаются резиновые элементы, реакция которых пропорциональна прогибу У(х) и коэффициенту постели К. Отличительной особенностью расчетной схемы втулочного варианта является наличие осевой силы N от затяжки комплекта втулок. Также в расчете принимаем, что звено является абсолютно жест-

гам и величиной торцевых зазоров между проушинами можно пренебречь.

В шестой главе представлены структурные схемы и описание программного комплекса.

Для оптимального проектирования конструктивных параметров резинометаллического шарнирного соединения создан пакет прикладных программ (ППП), состоящий из трех основных частей, соотвст-свующих этапам методики.

Архитектура ППП основана на модульном принципе, т.е. для выполнения определенных вычислительных процедур на различных этапах общего расчетного процесса используются одни и те же модули-подпрограммы, универсальные в рамках всего пакета или в более широком понятии, т.е. пригодные для создания ППП решения других задач. Этот принцип дает возможность построить гибкую и легко модифицируемую лро1рам.му. Однако данный ППП считаем в настоящий момент окончательно разработанным, но в более общем случае это не исключает его дальнейшее развитие или модификацию.

Весь пакет состоит из пяти основных частей: управляющей программы; программы ввода, вывода и проверки исходных данных; программы расчета резинового элемента; программы расчета арматуры шарнирного соединения; программы реализующей метод оптимального проектирования.

Для вывода результатов расчета создана специальная подпрограмма, стандартная в пределах данного пакета, позволяющая выводить любую цифровую информацию в удобной табличной форме.

Программа, осуществляющая оптимальный поиск по методу Бокса базируется на алгоритме, разработанном Б. Банди. Основные изменения касались более мелкого структурирования всей программы, создание сервисных процедур и самое главное разработке подпрограмм, связывающих оптимальный алгоритм с программами численного прочностного расчета элементов шарнирного соединения.

В седьмой главе данной работы представлены численные результаты расчетов напряженно-деформированного состояния резинового элемента и арматуры резинометаллического шарнирного соединения. В работе рассмотрен расчет резиновых элементов имеющих различную геометрию. Нагружение на первом этапе определяется запрессовкой в проушину звена, диаметр которой меньше диаметра резинового элемента в исходном состоянии на величину Д.

Поперечное сечение резинового элемента разбивалось на 200 треугольных конечных элементов рис. 3. Процесс деформирования резинового элемента при запрессовке разбивался на 11 шагов. Программный комплекс позволяет автоматически учитывать изменения гранич-

ных условий в процессе деформирования, т.е. наллывание резины на палец и на ограничители радиальной деформации. '

После решения задачи запрессовки получены картины перемещения узлов выбранной сетки, распределение компонентов напряжений Коти по сечению элементов, распределение величины удельной потенциальной энергии формоизменения рис. 4, и распределение радиальных напряжений на поверхности контакта резины с металлом рис.5. В качестве параметра характеризующего напряженно-деформированное состояние в резине используется удельная потенци-алъная энергия формоизменения.

Аналогичные картины напряженно-деформированного состояния получены для вторичного нагружения радиальной силой.

Рис.3

Рот* С 1

-1.3 83Е-»0а -1.133Е+00 -Ч. 4441^-01 -9.5556-01 -5.b6i.F-GI

О.ООаЕ+ОО I.689Е-И1 3."?78Г-01 5 .£Б6Е—01 ?.555Е-01

1.133Е4-00 1.32ЭЕ+00 1.511Е+00

Рис.4

ТГ'

Х^ШХУХУЯЬ^

<5,Ш 20 10 ( о -==сн -10 " -20 -30

4 -40

кН

4 М

| 3000 | 2000 - 1000

-Ш.

о т-т -1000 -2000 -3000 -4000

-зооо -6000

I 1

Эпюра перерезывающих сил

Эпюра распределенной нагрузки

С\МПА

Зой:

-100 \

-200 -300

-400 -500 •600 + -700

\ | V

\ : \

\ \у

Эаюра напряжений

Для иллюстрации алгоритма расчета арматуры шарнирного соединения в работе рассмотрен расчет монопалецевого варианта рези-нометаллического шарнирного соединения гусеничной цепи трактора Т - 250. В качестве исходных данных необходима следующая информация: количество участков, длины участков, геометрические параметры пальца, жесткость упругого основания выбранных участков. Жесткость упругого основания определяется из расчета резинового элемента на радиальную жесткость. Результаты расчета представлены в виде эпюр распределенной нагрузки, перерезывающих сил и напряжений рис. б.

Численные результаты оптимизационных расчетов резинового элемента резинометаллического шарнирного соединения гусеничной цепи иллюстрируются на примере определения оптимальных параметров, резиновых элементов шарнирного соединения, гусеницы с РМШ трактора Т-250.

Первоначальный вариант резиновых элементов показан на рис. 7 (штриховая линия), здесь же приведена геометрия, полученная оптимизационным расчетом (сплошная линия). Результаты оптимизационных расчетов приведены в таблице 1.

Также были получены картины распределения потенциальной энергии формоизменения по сечению элемента представленные на рис.8,9.

Результаты оптимизации резинового элемента

(-----)-исходная конфигурация

(-)-оптиматьная конфигурация

Варьируемые геометрические параметры:

Х1=г2 - наружный ради}гс элемента до запрессовки х2-а - длина поверхности приклея к пальцу х3=т4 - радиус скругления углов трапеции

Таблица 1

Результаты оптимизационных расчетов шарнира с радиусом пальца 1*1=1,6 и радиусом проушины 113=2,2

Значения параметров

Параметры Исходные Оптимальные

Типоразмер

1 2 1 Г 2

Е-2 2.50 2,50 2.40 2.45

А 1.50 0.80 1.625 0.925

В 0,85 0,55 1.00 0.47

1*4 0 0 0.784 0,330

Ера« I 3

-¡-г.О!4Е»00

___->-х.го9Е+оа

_1-в,О80Е-О1

-1-4, ОЗЭЕ-С1

__! О.СООЕ»ОО

в,С5вЕ-ОХ ¿¿Ц 1.209Е*0С 1.612Е»00 Й.014Е*СЙ

2.вЗОЕ*ОП Э.22ЭЕЮО

Исходный

Еро» С ) ,гдэЕ*оо

-1.ОбЭЕЧОО -е.е?5Е-од.

100Е-01 -3.Э25Е-ОА -3.550С-01 -X. 775Е-01 0.000000 1.775Е-01

5.32 5Ь-01 7.100Е-01 8.875Е-01 Об ЯР»00 212Ь»О0 420£*00

Оптимальный

Рис. 9 Распределение потенциальной энергии формоизменения

Типоразмер I

Исходный

Ево* С I м-I.803Е+00 -1.379К+09 4-1.Э84Г+ПО - -х.1 г«е*оо

«ВгЗЕ-«1

0.000е»оо

Я .

з I

1. ВО5Е»0с1

С 3

^-Т.ИЗЕ-О!

-С.097Г-01 • -5.ОЭ1Е-0А

-2.СЗЙЕ-01

0.00се>ОО

1. С1С001

3.04ЯЕ-01 4.0&ЗЕ-01 5.СЗ1Г-01

7.113С-01 8.139&-Ш

Оптимальный

Рис. 10 Распределение потенциальной энергии формоизменения \У

Типоразмер 2

ПО РАБОТЕ МОЖНО СДЕЛАТЬ СЛЕДУЮЩИЕ ВЫВОДЫ:

1. На основе обзора литературы и известных патентов представлена упрощенная классификация существующих конструкций гусеничных обводов, а также определены основные типы резшометаллическях шарниров приемлемые для гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов.

2. Сформулирована общая постановха задачи оптимального проектирования, конструкций резииометаллическнх шарнирных соединештй звеньев гусеничной цепи сельскохозяйственных тракторов.

3. Адаптированы известные методы расчета напряженно-деформированного состояния резиновых элементов при всех видах нагруження и арматуры резинометаллического шарнира для использования их в алгоритме оптимального проектирования. Также получены матршы жесткости для четырехугольного конечного элемента при нагружеяиях резинового элемента вызванных запрессовкой, радиальной силой, крутящим .моментом,

4. На основе обзора методов оптимизации выбраны наиболее приемлемые алгоритмы для оптимального проектирования упругих конструкций.

5. Разработан комплекс программ для оптимального проектирования конструктивных параметров резинометаллического шарнирного соединения, состоящий из трех основных частей соответственно этапам методики.

6. Проведенный расчет напряженно-деформированного состояния резиновых элементов шарнирного соединения сельскохозяйственного трактора Т-250 показал влияние основных геометрических параметров на напряженно-деформированное состояние. На основе этого выбраны основные функции цели, варьируемые параметры, геометрические и функциональные ограничения.

7. Проведены расчеты конкретных конструкций резинометалличе-ских шарнирных соединений. При этом рассматривалась задача оптимизации формы резинового элемента с целью снижения концентрации удельной потенциальной энерпщ формоизменения Определялось оптимальное расположение центров ограничителей радиальной деформация, с целью уменьшения максимально!! величены прогиба арматуры, при этом рассматривался наихудший вариант работы шарнирного соединения при полном выходе из строя резиновых элементов. Эту же цель преследовало и определение оптимальной ширины и жесткости упругого основания.

8. Проведенный оптимальный расчет показал, что в оптимальном резиновом элементе, максимальное значение удельной потенциальной энергии формоизменения в два раза меньше, чем в исходном. Ниже приведены значения исходных и оптимальных геометрических параметров релинового элемента, оптимальные значения указанны в скобках Наружный радиус резинового элемента Я; = 2,50 (2,40 ), ширина низшего основания резинового элемента А = 1,50 (1,625), ширина верхнего основания резинового элемента В = 0,85 (1,00), радиус закругления 1Ъ: = 0 (0,784), максимальное значение удельной потенциальной энергии \У = 7,327 (3,424). Также представленные в работе результаты оптимизационного расчета показывают, что предложенная конфигурация расположения ограничителей радиальной деформации достаточио близка к оптимальному варианту.--~ ~

9. На основе предложенных методов и алгоритмов разработана общая методика оптимального проектирования конструктивных параметров резинометаллического шарнирного соединения и созданы программные комплексы, являющиеся одной из составляющих программного обеспечения САПР гусеничного движителя.

Основные положения работы изложены в следующих публикациях:

1. Дружинин В.А., Гулак А.И., Горбачев А.В., Волженин Д. Расчет напряженно-деформированного состояния арматуры шарнирных соединений. // Повышение экологической безопасности автотракторной

техники: сб. статей / под ред. д.т.н.. профессора, академика А.Л. Новоселова / Академия автотранспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова Барнаул, 1998.-е. 34-43.

2. Дружинин В.А., Горбачев A.B. Оценка напряженно-деформированного состояния резинового элемента РМШ при радиальном нагружении. // 57-я научно-техническая конференция студентов и профессорско-преподавательского состава технического университета. / Алг. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: из-во АлтГТУ, 1999.С. 35-36.

3. Дружинин В. А., Горбачев A.B. Расчет напряженно-деформированного состояния резинометалличееких шарниров гусениц с учетом осевой затяжки. // 57-я научно-техническая конференция студентов и профессорско-преподавательского состава технического университета. / Алт. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. - Барнаул: из-во Ал-тГТУ.1999.с. 35-36.

4. Горбачев A.B., Гулак А.И. Оптимальное проектирование геометрических параметров резиновых элементов шарнирного соединения. // Совершенствование систем автомобилей, тракторов и агрегатов: Материалы II Международной конференции. / Под ред. д.т.н., проф., академика А.Л. Новоселова / Академия транспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова - Барнаул: Издательство АлтГТУ, 2000.-е 31-35.

5. Коросгелев С.А., Горбачев A.B. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния кольцевых резиновых элементов при сборке. // Межвуз сб. науч. трудов / под ред. д.т.н.. профессора, академика A.JI. Новоселова / Академия автотранспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова Барнаул, 2000.

6. Горбачев A.B., Коросгелев СЛ. Алгоритм расчета напряженно-деформированного состояния кольцевых резиновых элементов при нагружении крутящим моментом. /У Межвуз сб, науч. трудов / под ред. д.т.н.. профессора, академика A.JI. Новоселова / Академия автотранспорта РФ, АлтГТУ им. НИ. Ползунова Барнаул, 2000.

7. Горбачев A.B. Расчел оптимального расположения, ограничителей радиальной деформации арматуры шарнирного соединения. // Межвуз сб. нарт, трудов / под ред. д.т.н„ профессора, академика A.JT. Новоселова / Академия автотранспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова Барнаул, 2000.

8. Дружинин В. А., Горбачев A.B. Оценка влияния диаметра проушины звена на напряженно-деформированное состояние резиновых элементов резинометалличееких шарнирных соединений. // Межвуз сб, науч. трудов / под ред. д.т.н., профессора, академика А.Л. Новоселова / Академия автотранспорта РФ, АлтГТУ им. И.И. Ползунова Барнаул. 2000.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Горбачев, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .Ц

2 ОБЗОР КОНСТРУКЦИЙ, УСЛОВИЯ НАГРУЖЕНИЯ РЕЗИНОМЕТАЛ-ЛИЧЕСКИХ ШАРНИРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ.31.

2.1 Предварительные замечания.31.

2.2 Классификация гусеничных обводов ходовой части.

2.2.1 Беспальцевые гусеничные обводы.33.

2.2.2 Ленточные гусеничные обводы. .34.

2.2.3 Гусеничные обводы с цилиндрическими резинометаллическими шарнирами.34.

2.3 Условия нагружения резиновых элементов шарнирных соединений.4.9.

2.4 Свойства резин как конструкционного материала.53.

2.5 Результаты испытании гусениц с резинометаллическими шарнирами

Введение диссертация по механике, на тему "Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей"

В последнее десятилетие наше тракторостроение столкнулось с неизвестными для него ранее трудностями: во-первых, с резким сокращением платежеспособного спроса на его продукцию, во-вторых, с конкуренцией между предприятиями как внутри страны, так и с зарубежными производителями. Это вынуждает научные коллективы и конструкторские бюро к более активной разработке новых, более совершенных конструкций тракторов и совершенствованию отдельных узлов и агрегатов. Также наиболее важным моментом для современного тракторостроения становится сокращение сроков проектирования, что в свою очередь, требует оптимизации расчетов конструктивных параметров различных элементов конструкции.

Гусеничные тракторы отличаются от колесных машин сложностью конструкции ходовой части и более высоким отношением массы трактора к его мощности. Около 1/5 массы трактора приходится на гусеничный движитель и подвеску.

Гусеничный движитель - сложная многомассовая механическая система, работающая в условиях абразивного износа, элементы которой испытывают стохастические динамические нагрузки. Эти обстоятельства обусловливают высокие требования к прочности гусеничного обвода и его рабочему ресурсу с одновременным снижением массы. Совершенствование тракторов, в частности сельскохозяйственных, в настоящее время идет в направлении повышения энергонасыщенности и роста рабочих скоростей. Это обстоятельство обусловливает повышение требований к прочности и надежности гусеничного обвода, как наиболее нагруженного механизма ходовой части работающего в условиях абразивного износа, и, в первую очередь, шарнирных соединений звеньев гусеничной цепи.

В связи с этим, представленная работа, посвященная проектированию шарнирных соединений, является, несомненно, актуальной.

Возрастание скоростного режима приводит к тому, что в гусеничном движителе реализуются виброударные режимы нагружения. Последние возникают как в силу принципиального устройства (звенча-тость гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а также обусловливаются взаимодействием с сельскохозяйственными агрегатами. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной прочности отдельных узлов. Кроме того, ударные нагрузки и вибрация механизмов движителя, имеющих зазоры в кинематических парах, приводят к возрастанию энергетических потерь и снижению к.п.д. всего движителя. Источниками диссипации 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.

Одним из реальных путей преодоления отмеченных негативных факторов является использование в конструкциях узлов и механизмов движителя силовых резинометаллических элементов. Опыт транспортного машиностроения и эксплуатационные испытания сельскохозяйственных гусеничных тракторов показывают, что резинометаллические блоки натяжного устройства, амортизаторы балансирных кареток, обрезиненные опорные катки и звенья обеспечивают существенное снижение нагруженности элементов ходовой части и способствуют улучшению тягово-динамических качеств гусеничной машины. 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 РТИ. Проведенные к настоящему времени ведомственные и государственные 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 резиноме-таллических элементов.

Проектирование перспективных конструкций гусеничных движителей с силовыми резинометаллическими элементами требует отчетливых представлений о характеристиках используемых в нем эластомер-ных элементов и их влиянии на всю ходовую систему. 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. Без цифровых данных трудно обоснованно подходить к решению задач оптимизации гусеничного движителя с резиноме-таллическими 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 испытаний. 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 эласто-мерных деталей вплоть до разрушения.

Проведение расчетов силовых резинометаллических элементов при статических, динамических, ударных, тепловых воздействиях 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, обусловливающих механическое поведение резиновых элементов в гусеничном движителе, и требует систематического и комплексного изучения свойств резинометаллических элементов шарнирных соединений с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов.

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 тридцатилетний срок 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 инженерам-конструкторам. Несколько монографий, обобщающих методы получения решений в задачах статических расчетов резинометалли-ческих изделий, содержат 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, установка в гусеничном обводе резинометаллических шарнирных соединений привела к значительному конструктивному изменению звеньев и пальца соединяющего их, т.е. изменилось число и диаметр проушин, длина шага, были введены металлические ограничители радиальной деформации и т.д. Подобные конструктивные изменения и требование снижение металлоемкости гусеничного обвода вызывают необходимость в использовании методов оптимального проектирования, которые в настоящее время для металлических элементов гусеничного обвода, а также для резиновых элементов практически отсутствуют.

Настоящая работа посвящена: созданию программных комплексов по оптимальному проектированию, разработке общей инженерной методики проектирования резинометаллического шарнирного соединения звеньев гусеничного цепи; разработке алгоритмов оценки напряженно-деформированного состояния, предварительно запресованных резиновых элементов шарнирного соединения звеньев гусеничной цепи при различных видах последующего нагружения; адаптации известных методов определения напряженно-дсформированного состояния арматуры шарнирного соединения звеньев гусеничной цепи для использования их при оптимальном проектировании;.

Основные теоретические положения диссертационной работы: применение теории прикладного оптимального проектирования упругих тел; применение теории наложения малых деформаций на конечные в расчетах напряженно-деформированного состояния резиновых элементов после запрессовки и в расчетах их при вторичном нагружении; применение метода конечных элементов в расчетах пальцев и резиновых элементов; применение теории термовязкоупругости при определении влияния резинового элемента на напряженно-деформированное состояние арматуры резинометаллического шарнира (РМШ). Материал настоящей работы изложен в пяти главах.

Первая глава посвящена краткому обзору и анализу методов исследований, расчета и проектирования гусеничных обводов. Особое внимание уделено гусеничным движителям с резинометаллическими шарнирами гусеничного обвода. Глава заканчивается постановкой задач диссертационной работы.

Во второй главе рассматриваются особенности конструктивных форм резинометаллических шарнирных соединений гусеничных обводов. Приведены конструкции втулочного и моноблочного вариантов с ограничителями радиальной деформации резиновых элементов и без них. Рассмотрены особенности других конструктивных решений. Сделана попытка классификации существующих гусеничных обводов. В главе также описаны условия нагружения резиновых элементов шарнирных соединений и свойства резины как конструкционного материала.

Третья глава работы посвящена постановке задачи оптимизации конструктивных параметров РМШ. На основе проведенного патентного анализа конструкций резинометаллических шарнирных соединений предлагается процесс оптимального проектирования конструктивных параметров резинометаллических шарнирных соединений разбить на несколько этапов. На каждом шаге будет поставлена многокритериальная оптимизационная задача.

Оптимальное проектирование конструктивных параметров РМШ невозможно без определения НДС резинового элемента шарнира и его арматуры. В связи с этим в следующих разделах работы представлены методики расчета кольцевого резинового элемента при всех видах нагружения и арматуры резинометаллического шарнира любого конструктивного исполнения.

Четвертая глава посвящена оценке напряженно-деформированного состояния резиновых элементов шарнирного соединения гусеничной цепи.

Учитывая особенности нагружения резиновых элементов, поставленная задача может быть решена методами нелинейной теории упругости. В настоящее время разработаны достаточно эфективные методы расчета НДС при больших деформациях. В представленной работе используется алгоритм пошагового нагружения. Для численной реализации алгоритма используется МКЭ.

Для получения матрицы жесткости конечного элемента в соответствии с теорией наложения малых деформаций на конечные, сформулирован функционал приращения потенциальной энергии на каждом шаге.

В пятой главе рассматривается расчет напряженно-деформированного состояния арматуры шарнирных соединений. Требования по надежности и заданному сроку службы резиновых элементов шарнирных соединений невозможно обеспечить без рассмотрения деформации металлических элементов, сопрягаемых с резиной. Кроме того, для оценки возможности хрупкого разрушения арматуры необходимо знать распределения в ней напряжений и деформаций и сопоставить это распределение с предельными свойствами материала в данных условиях.

Цель настоящей главы - дать представление о средствах, которые может применить конструктор для определения параметров нагружения резиновых элементов от деформации арматуры, а также для оценки и последующего уменьшения вероятности ее хрупкого разрушения.

В шестой главе дано описание программного комплекса, а также представлена его структурная схема и блок схемы, входящих в него прочностных расчетов резинового элемента и арматуры шарнирного соединения.

В седьмой главе приводятся численные результаты прочностных и оптимальных расчетов резиновых элементов и арматуры резинометал-лического шарнирного соединения.

В восьмой главе приведены выводы по работе.