Тягачей путем выбора геометрических параметров
 Скачать 0.65 Mb.
|
|
Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» УДК 629.115.8: 629.4.033 КУЛАБУХОВ Артем Владимирович УЛУЧШЕНИЕ ТЯГОВО-СЦЕПНЫХ КАЧЕСТВ ГУСЕНИЧНЫХ ТЯГАЧЕЙ ПУТЕМ ВЫБОРА ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГРУНТОЗАЦЕПОВ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 – «Колесные и гусеничные машины» Могилев, 2008 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета Работа выполнена в Государственном учреждении высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет» Научный руководитель – Берестов Евгений Иванович, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной работе, Государственное учреждение высшего профессионального образования «Белорусско-Российский университет». Официальные оппоненты: Гуськов Валерий Владимирович, доктор технических наук, профессор, Учреждение образования «Белорусский национальный технический университет», профессор кафедры «Тракторы»; Мащенский Александр Александрович, кандидат технических наук, профессор, Учреждение образования «Белорусский государственный аграрно-технический университет», профессор кафедры «Тракторы и автомобили». Оппонирующая организация – РУП «Научно-практический центр НАН Беларуси по механизации сельского хозяйства». Защита состоится « 6 » июня 2008 г. в 13 00 часов на заседании совета по защите диссертаций К 02.18.02 при ГУВПО «Белорусско-Российский уни- верситет» по адресу: 212005, г. Могилев, пр. Мира, 43, корп. 1, а.323, bru@bru.mogilev.by, телефон ученого секретаря совета: +37529 687 51 21. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусско- Российского университета. Автореферат разослан «___» мая 2008 г. Ученый секретарь совета по защите диссертаций, кандидат технических наук, доцент _____________М.Е. Лустенков 2 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета ВВЕДЕНИЕ Развиваемая гусеничным тягачом сила тяги ограничивается сцеплением движителя с грунтом, которое во многом определяется параметрами грунтоза- цепов. Предлагается метод анализа взаимодействия траков гусеничного движи- теля с грунтом, позволяющий выбирать геометрические параметры грунтозаце- пов, обеспечивающие улучшение тягово-сцепных качеств тягачей на стадии проектирования без проведения дорогостоящих экспериментальных исследова- ний. Такое направление исследований является актуальным, поскольку обеспе- чивает выбор параметров грунтозацепов аналитическим методом при мини- мальных затратах. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Связь работы с крупными научными программами (проектами) и те- мами. Работа выполнялась по госбюджетной теме ГБ-0602 (номер госрегистра- ции 2006563) “Методы проектирования, модернизации и эксплуатации строи- тельных, дорожных, подъемно-транспортных машин с целью улучшения их ха- рактеристик”, утвержденной ГУ “Белорусский институт системного анализа и информации обеспечения научно-технической сферы”. Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы является разра- ботка аналитического метода анализа взаимодействия траков гусеничного дви- жителя с грунтом, обеспечивающего выбор геометрических параметров грунто- зацепов, улучшающих тягово-сцепные качества движителей гусеничных тяга- чей. Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены сле- дующие задачи: – выявить и исследовать особенности физической природы разрушения грунта траком гусеничных движителей; – разработать аналитический метод анализа взаимодействия траков гусе- ничных движителей с грунтом на любой стадии их нагружения; – исследовать взаимодействие грунтозацепов гусеничного движителя с грунтом и определить направления совершенствования их геометрических па- раметров. Объектом исследования являются тягово-сцепные качества гусеничного движителя, от которых во многом зависит эффективность использования ма- шины. Предметом исследования являются закономерности влияния геометри- ческих параметров грунтозацепов на тягово-сцепные качества движителя. Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся научные ре- зультаты, полученные впервые: 3 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета – новый аналитический метод анализа взаимодействия грунта с траком гусеничного движителя, учитывающий многофазность и альтернативные вари- анты разрушения грунта на любой стадии нагружения, позволяющий оптими- зировать геометрические параметры грунтозацепов с целью увеличения силы тяги по сцеплению; – новые результаты экспериментальных исследований и разработанные на их основе рекомендации по расчету пассивного давления грунта на подпор- ные стенки с большим и промежуточным углом наклона, позволяющие повы- сить точность расчетов; – результаты исследований влияния геометрических параметров грунто- зацепов на процесс разрушения грунта, позволившие установить взаимосвязь между величиной силы, действующей на трак, геометрическими параметрами грунтозацепов и физическими процессами, протекающими в грунте; – рекомендации по выбору геометрических параметров грунтозацепов движителей гусеничных тягачей. Личный вклад соискателя. Автор самостоятельно получил основные ре- зультаты диссертационной работы. Опубликовал 21 научную работу, из кото- рых 7 без соавторства. Участвовал в совместных работах: составление планов статей и докладов и написание их с соавторами, подача идей для заявок на изо- бретения. Оценка сходимости экспериментальных результатов с аналитически- ми проведена совместно с канд. техн. наук., доцентом Лесковцом И.В. Общая концепция исследований разработана совместно с научным руководителем д-ром. техн. наук, проф. Берестовым Е.И. Результаты, отраженные в диссерта- ционной работе, получены соискателем самостоятельно: проведены экспери- ментальные исследования разрушения грунта подпорной стенкой при промежу- точных и больших углах ее наклона и экспериментальные исследования взаи- модействия гусеничных траков с грунтом; разработан метод анализа взаимо- действия траков гусеничного движителя с грунтом, в котором учтены много- фазность разрушения грунта грунтозацепом, особенности расчета угла сдвига грунта под траком, альтернативные варианты разрушения грунта. Апробация результатов диссертации. Основные положения и результа- ты диссертационной работы докладывались на научно-технических конферен- циях (НТК): республиканских НТК «Новые материалы, оборудование и техно- логии в промышленности» (Могилев, 2004–2006); «IX Республиканская науч- ная конференция студентов и аспирантов Республики Беларусь “НИРС-2004”» (Гродно, 2004); международных НТК «Материалы, оборудование и ресурсосбе- регающие технологии» (Могилев, 2004–2006, 2008); «Современные научно- технические проблемы транспорта» (Ульяновск, 2005); «Интерстроймех» (Мо- сква, 2006; Самара, 2007). Результаты исследований обсуждались на заседани- ях кафедр «СДПТМиО» Белорусско-Российского университета (протокол №13 4 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета от 26.06.07) и «Тракторы» Белорусского национального технического универ- ситета (протокол № 15 от 08.04.08). Опубликованность результатов диссертации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа: 5 статей в журналах из перечня изданий ВАК Беларуси общим объемом 1,57 авторских листа (из них 2 статьи в журналах Российской Федерации), 12 тезисов докладов в материалах конференций. По- лучено 4 патента Республики Беларусь. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, 4-х глав, заключения, библиографиче- ского списка и приложений. Общий объем диссертации – 180 листов машино- писного текста. Работа содержит 71 рисунок (31 л.), 6 таблиц (4 л.), 5 приложе- ний (34 л.). Библиографический список включает 128 наименований. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ Во введении обоснована актуальность темы исследования, дана краткая характеристика исследуемых вопросов и предлагаемых подходов к их реше- нию, показана практическая ценность работы. В первой главе представлен обзор и анализ работ, посвященных влиянию геометрических параметров грунтозацепов гусеничных движителей на реали- зуемую ими силу тяги по сцеплению. Из них следует отметить труды Ксеневи- ча И.П., Гуськова В.В., Скотникова В.А., Васильева А.В., Докучаевой Е.Н., Ут- кина-Любовцова О.Л. и многих других. Большинство этих работ носит экспе- риментальный характер. Авторы утверждают, что правильный выбор шага и высоты грунтозацепов может значительно повысить силу тяги по сцеплению. Проведен анализ известных методов расчета силы тяги, развиваемой дви- жителями гусеничных машин. Эти методы предложены отечественными и за- рубежными исследователями, большинство из которых определяют силу тяги по сцеплению как сумму сил трения и сцепления, действующих между «кирпи- чиками» грунта, зажатого между грунтозацепами, и опорным грунтом. Это ра- боты Платонова В.Ф., Леиашвилли Г.Р., Беккера М.Г., Леонтьева Г.В., Рии- са А.Р., Гуськова В.В., Кацыгина В.В., Львова Е.Д. и других авторов. Количество выполненных работ, касающихся темы физического обосно- вания процесса сдвига гусеничного трака в грунте, не так уж и велико. Из них следует отметить труды Беккера М.Г., Денисова А.Б., Зеленина А.Н., Цытови- ча Н.А., в которых акцентируется внимание на образовании уплотненных ядер грунта перед грунтозацепами. Ксеневич И.П. и Ляско М.И. для определения формы тела и положения поверхности скольжения при взаимодействии «кру- тых» подпорных стенок с грунтом используют теорию Соколовского В.В. В ра- ботах же Скотникова В.А., Пономарева А.В., Климанова А.В. отмечается, что 5 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета между грунтозацепами происходит резание грунта в специфических условиях. Исходя из анализа работ вышеперечисленных авторов, можно сделать вывод, что большинство исследователей подчеркивают немаловажную роль грунтозацепов в создании тягового усилия. Однако большая часть существую- щих методов расчета силы тяги по сцеплению базируется на той или иной оп- ределенной расчетной схеме, которая недостаточно полно учитывает парамет- ры грунтозацепов и физико-механические свойства грунта, а также не рассмат- ривает последовательность и альтернативные возможности разрушения грунта при увеличении нагрузки. Следовательно, эти методы не в полной степени опи- сывают такое взаимодействие, что ограничивает их использование. Это заключение позволяет поставить вопрос о необходимости разработки такого метода расчета, который мог бы на любой стадии нагружения грунтоза- цепов дать численные значения силовых и геометрических параметров взаимо- действия грунтозацепов с грунтом и обеспечивать выбор их рациональных па- раметров при проектировании. Во второй главе изложен разработанный автором метод анализа взаимо- действия трака гусеничного движителя с грунтом. Теоретическое обоснование взаимодействия грунтозацепа гусеничного движителя с грунтом базируется на современных представлениях о многофаз- ности разрушения грунта. Такой подход впервые был использован и хорошо за- рекомендовал себя при расче- те сил сопротивления грунта в процессе его резания, кото- рый во многом аналогичен исследуемому процессу в данной работе. Общая схема взаимо- действия полностью погру- женного грунтозацепа с грун- том изображена на рисунке 1. Смещение трака относитель- но опорной поверхности грунта начнется тогда, когда приложенная к нему внешняя касательная сила превысит величину силы трения трака о грунт. При этом дополнительное сопротивление на грунтозацеп начнет оказывать сила, возникающая вследствие деформации грунта. При определен- ной величине деформации наступит первая фаза разрушения грунта, при кото- рой образуется площадка скольжения. A T O E K B' p 2AB p 2OE B G КР КР I II (K) (O) q R p 2BK p 1AK p 1OE T h Рисунок 1 – Общая схема разрушения грунта направление смещения трака При расчете первой фазы разрушения рассматриваются два возможных варианта образования площадки скольжения (рисунок 1): 6 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета – образование площадки скольжения ОТ на плоскости вершин грунтоза- цепов, по которой происходит срез всего “кирпича” грунта; – образование первичной площадки скольжения ОВ', выходящей к опор- ной поверхности трака. Величина касательной силы, действующей на переднюю грань грунтоза- цепа при разрушении по первому варианту, определяется по формуле ( ) ( ) ρ ξ ρ tg 2 tg ) ( 1 1 0 AK TAKO AK OE p c S p c l T B R + + + − = , где В – ширина трака; Т – шаг грунтозацепов; – длина вершины грунтоза- цепа; с – удельное сцепление грунта; – нормальное давление, действующее со стороны опорной поверхности трака АК на грунт (рисунок 1); OE l AK p 1 ρ – угол внут- реннего трения грунта; – площадь бокового торца “кирпича” грунта; ξ – коэффициент бокового давления. TAKO S В этой формуле учитываются силы трения и сцепления, действующие по основанию и двум боковым торцам грунтового “кирпича”. С учетом трения вершины грунтозацепа о грунт можно получить силу, действующую на трак, ω tg 1 0 0 B l p R R OE OE + = Σ , где – нормальное давление, действующее на грунт со стороны вершины грунтозацепа; OE p 1 ω – угол внешнего трения грунта. Аналогичный подход используется и в других работах. При образовании первичной площадки скольжения, выходящей к опор- ной поверхности трака, величина предельного давления , действующего на переднюю грань грунтозацепа, и положение первичной площадки скольжения определяются согласно теории пассивного давления грунта на подпорную стен- ку, разработанной Соколовским В.В. д q Особенностью тракторных грунтозацепов является большой угол наклона их передней грани. Пассивное давление грунта на подпорные стенки с такими углами наклона исследовалось недостаточно полно. Для выяснения особенно- стей взаимодействия этих подпорных стенок с грунтом была проведена серия экспериментов. Исходя из анализа экспериментальных результатов, разработа- ны следующие рекомендации по учету направления сил трения на поверхно- стях подпорных стенок. При больших углах их наклона ω π α + > 2 силы трения будут направлены к основаниям подпорных стенок. Для подпорных стенок с промежуточными углами наклона ω π α ω π + < < − 2 2 угол отклонения давления, действующего на их поверхности, следует определять по формуле 7 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета ω π α δ ≤ − = 2 д В частном случае, при 2 π α = давление будет нормальным (δ д =0). При 2 2 π α ω π < < − касательные напряжения на поверхностях подпорных стенок бу- дут направлены к их вершинам, а в диапазоне ω π α π + < < 2 2 – к их основаниям. При расчете касательной силы, действующей на переднюю грань грунто- зацепа, кроме давления дополнительно учитываются сопротивления, дейст- вующие по боковым торцам отделенной призмы грунта: д q ) tg ( 2 ' ρ ξ д K OB OK д I q c S S q R + + = , где – площадь передней грани грунтозацепа; – площадь боковой по- верхности отделенной призмы ОВ'К грунта (рисунок 1). OK S K OB S ' Величина касательной силы, действующей на трак гусеничной цепи с учетом трения вершины грунтозацепа и опорной части трака о неподвижный грунт, будет равна ω ω tg tg ) ( 1 1 B l p B l T p R R OE OE OE AK I I + − + = Σ При увеличении внешней касательной силы после образования первичной площадки скольжения наступит последующая фаза разрушения грунта. Во вре- мя этой фазы происходит переформирование первичной площадки скольжения до ее нового положения ОВ, при котором обеспечивается устойчивость грунта к дальнейшему разрушению от действующей на него нагрузки (рисунок 1). Методика расчета второй фазы разрушения заключается в следующем [4, 5]. Для определения угла ψ наклона площадки скольжения ОВ используется аналитический метод расчета угла сдвига по граничным условиям. Применительно к рассматриваемому случаю, угол ψ можно определить по уравнению ) ln( 2 ctg ) ( 2 1 2 4 1 1 A ρ δ ρ π ψ − − ∆ − − = (1) при ρ δ cos ) sin( sin 1 1 1 − ∆ ∆ ≥ p q В противном случае р ∆ + − ∆ − − = ) ( 2 1 2 4 3 1 1 δ ρ π ψ , (2) где ρ δ cos sin ) sin( 1 1 1 ∆ − ∆ = p q A ; ) sin sin ( arcsin ∆ р ρ δ р = ; ) sin sin arcsin( 1 1 ρ δ = ∆ ; ) ) 1 ( 2 cos arccos( A A р + = ρ δ ∓ ; p δ – угол отклонения приведенного давления на поверхности разрыва; p и q – приведенные давления, действующие на площадку АВ со стороны тра- ка и на площадку ОВ со стороны вытесняемой призмы ОВК грунта соответст- 8 Элек тронная библиотек а Белорусск о-Рос cийск ого университета венно (рисунок 1); 1 δ – угол отклонения давления p |