автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка методики расчета рациональных параметров специального каткового движителя ледорезной установки

МЫЛЬНИКОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПЕЦИАЛЬНОГО КАТКОВОГО ДВИЖИТЕЛЯ ЛЕДОРЕЗНОЙ УСТАНОВКИ

Специальность 05.05.04 «Дорожные строительные и подъемно-транспортные машины»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2004г.

Работа выполнена на кафедре «Строительные и дорожные машины» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Куляшов А.П.

Социальные оппоненты

доктор технических наук

Кулепов В.Ф.

кандидат технических наук, доцент

Могутнов В.П.

Ведущая организация -

ОАО Судоходная компания «Волжское речное пароходство» г.Нижний Новгород

Защита состоится 30 июня 2004 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д.24, ауд. №1258. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «28» мая 2004г.

Отзывы на автореферат просим направлять с подписями, заверенными печатью, на имя секретаря диссертационного совета. Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.165.04

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В зимний период времени большинство рек, озер, а также прибрежных морских акваторий РФ в течение длительного периода покрывается льдом, что существенно влияет на условия хозяйственной деятельности населения и экономики страны в целом. Уменьшение влияния фактора сезонности и снижение затрат использования несущей способности ледяного покрова и его разработки является важной народнохозяйственной задачей. Прогресс в ее решении в значительной степени зависит от создания качественно новых орудий труда, новых материалов и более совершенной технологии.

Существует серьезная проблема, связанная с эксплуатацией самоходных установок на ледовых основаниях. Для разработки льда необходимо развивать значительное тяговое усилие, которое у большинства установок зависит от веса машины. Увеличение веса ограничивает спектр льдов на котором установка может функционировать. Неплохим вариантом является класс распорных шипоба-рабанных движителей у которых тяговое усилие не зависит от веса установки, а создается искусственно, но такие движители при возникновении повышенного сопротивления могут разрушить опорную поверхность. Таким образом наиболее приемлемым вариантом вместо ппшобарабанов являются обрезиненные катки. Сложность задачи состоит в выборе основных конструктивных размеров катков, и такого усилия их прижатия к торцам прорези усилия их прижатия, которое позволит создать необходимое и достаточное тяговое усилие. Решив эту проблему мы получим достаточно универсальную машину, которая в отличии от шипобарабанного движителя исключает возможность разрушения опорной поверхности, самонастраивается против проворачивания катков в ледовой прорези сохраняя при этом положительные свойства, присущие машинам с ошипованными барабанами. Исходя из вышесказанного, можно сделать однозначный вывод о том, что научная работа, направленная на выполнение задач, связанных с определением рациональных конструктивных парамеров специального катково-го движителя, является актуальной.

Цель работы. Разработка методики выбора рациональных конструктивных параметров специального каткового движителя, предназначенного для перемещения самоходной ледорезной установки по рабочей ледовой прорези.

Объекты исследований. В качестве объектов исследований выступали непосредственно самоходная ледорезная установка СЛУ-80, модели для определения тягового усилия и сил сопротивления движению, комплект обрезиненных катков различных типоразмеров. Выбор в качестве объектов исследования элементов движителя, чьи геометрические параметры сильно отличаются друг от друга (более чем на 50% каждый), позволил уточнить масштабный фактор и экстраполировать полученные данные на движение полноразмерной ледорезной установки. Кроме того в работе использовались данные, полученные в НИЛ

РАЛСНЕМГ и на кафедре СДМ НГТУ, при испытании машины СЛУ-80 с шипо-барабанным движителем.

Методы исследований. В работе использованы элементы системного подхода известные аналитико-экспериментальные методы. Основой аналитических методов являются закономерности и приемы классической теоретической механики, физики деформируемого тела, элементы математического аппарата моделирования на ЭВМ. Основой экспериментальных исследований является теория физического моделирования. Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с использованием персонального компьютера оснащенного аналого-цифровым преобразователем и электронным осциллографом фирмы L-card. Теоретические исследования проводились с помощью стандартных пакетов программ для ПК, таких как Mathcad 2000, MATLAB, EXCEL.

Научная новизна,

1. Разработана математическая модель взаимодействия специального кат-кового движителя с ледовым опорным основанием торцов прорези.

2. Получены зависимости для определения рациональных конструктивных параметров движителя в зависимости от толщины разрабатываемого льда и скорости резания.

Практическая ценность заключается в реализации разработанной методики и программ при проектировании, создании и использовании машин, оснащенных специальным Катковым движителем, предназначенным для перемещения ледорезной установки по рабочей ледовой прорези.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в НИЛ ССДМ НГТУ, где они использовались при создании новых образцов машин при разработке перспективных проектно-конструкторских решений для самоходных установок, предназначенных для фрезерования льда. Методики, алгоритмы и комплекс программ для ЭВМ используется в учебном процессе на кафедре «Строительные и дорожные машины» НГТУ г. Н.Новгород, а также в научно-исследовательской лаборатории специальных строительных и дорожных машин (НИЛ ССДМ НГТУ, Г.Н.Новгород,)

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на V Российской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в транспортных системах», проходившей в 2001 году в г. Оренбурге, на научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», проходившей в 2002 году в г. Н. Новгороде, на международной конференции «Проблемы транспортных и технологических комплексов», проходившей в 2002 году в Г.Н.Новгороде, на региональной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки Нижегородского региона», проходившей в 2003 году в Г.Н.Новгороде, на всероссийской научно-технической конференции «Будущее

технической науки Нижегородского региона», проходившей в 2004 году в Г.Н.Новгороде, на научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса», проходившей в 2004 году в Екатеринбурге.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Содержит 150 страниц основного компьютерного текста, 65 рисунков, 21 таблицу, библиографии из 81 наименования и приложений на 30 страницах.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 7 печатных работах.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель взаимодействия специального каткового движителя с вертикальным ледовым основанием прорези.

2. Методика расчета конструктивных параметров специального каткового движителя, обеспечивающего снижение энергозатрат на перемещение машины и сохранение ее подвижности при возникновении повышенных сопротивлений на рабочем органе.

3. Результаты экспериментальных исследований, направленных на обоснование выбора параметров специального каткового движителя.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ научных трудов, посвященных каждой из составных частей данной работы. В области исследования вопросов взаимодействия движителей с опорными средами фундаментальными работами являются труды Я.С. Агейкина, П. В. Аксенова, А. С. Антонова, В. Я. Аниловича, В. Ф. Бабкова, И. Б. Барского, Г. Б. Безбородовой, М. Г. Беккера, Н. Ф. Бочарова, Ю. А. Брянского, Дж. Вонга, С. Г. Гуськова, Н.А. Забавникова, М. Н. Коденко, В. Н. Наумова, В. Ф. Платонова, В. А Скотникова, А. П. Софияна, В. В. Тарасова, Н. А, Ульянова, Я. Е. Фаробина, А. А. Хачатурова, Н. Н. Яценко. и многих других. В Нижегородской научной школе вопросами взаимодействия классических типов движителей с опорным основанием занимались С.В. Рукавишников, Л.В. Барахтанов, В.В. Беляков. К исследованиям нестандартных типов движителей (таких как РВД, распорные движители), а также процесса фрезерования льда и влияние его на движение установки относят работы: А. П. Куляшова, А.Ф. Николаева, А.В. Янковича, В.А Шапкина, С.Д. Алатина, А.А. Назаровского, В.Ф. Кулепова, В.Н. Худякова. Изучением физико-механических свойств ледяного покрова посвящены работы П.АШумского, В.В.Лаврова, П.С.Вадило, И.С.Песчанского, К.Ф.Войтковского и многих других. В результате проведенных исследований выяснено, что одним из основных требований, предъявляемым к движителям машин данного класса, является безусловное обеспечение их проходимости на льду с учетом возможных сопротивлений движению, в том

числе максимального сопротивления от рабочего. Этим требованиям удовлетворяет пшпобарабанный тип движителя характерной особенностью которого является отсутствие жесткой зависимости между массой ледофрезерной машины и развиваемого ею тягового усилия. Однако величина тягового усилия, создаваемого движителем с ошипованными барабанами зависит от свойств ледяного покрова (в том числе от температуры и толщины льда). Поэтому в случае превышения тяговых возможностей происходит разрушение опорного основания, а следовательно и прекращение движения установки. Таких недостатков лишен специальный катковый тип движителя, который, базируясь на основной принцип действия шипобарабанного, развивает тяговое усилие за счет деформации пластичного материала катка не разрушая торцов прорези и является неизученным. Однако процессы взаимодействия такого типа движителей со льдом до настоящего времени являются до конца не исследованными. Все вышеперечисленное позволило сформулировать цель и задачи настоящих исследований.

Целью работы является исследование основ движения самоходной ледофре-зерной установки с движителем в виде распорных катков, предназначенного для перемещения в ледовой прорези и разработка методики выбора его основных конструктивных параметров при обеспечении необходимого тягового усилия с минимальными потерями на перемещение.

В соответствии с поставленной целью в настоящей работе решались следующие задачи:

1. Разработка математической модели взаимодействия специального кат-кового движителя с ледовым опорным основанием.

2. Определение влияния конструкционных параметров движителя и режимов движения на процесс передвижения ледорезной установки в ледяной прорези.

3. Экспериментальная проверка теоретических разработок, методик расчетов, методов и способов снижения отрицательных последствий движения машины со специальным Катковым движителем в ледяной прорези.

4. Разработка методики и рекомендаций по выбору основных конструктивных параметров, режимов движения ледорезной установки с специальным Катковым движителем.

Во второй главе ледорезная установка со специальным Катковым движителем описана как механическая система и отмечено, что в работе рассматривается только часть этой системы - специальный катковый движитель.

На основе применяемых в настоящее время моделей взаимодействия распорного движителя А.В. Янковича и колесных движителей В.В. Белякова, Я.С. Агейкина была разработана математическая модель распорного каткового движителя для самоходной ледорезной установки, схема сил к которой показана на рис.1.

Отличительной особенностью полученной математической модели является регулируемое из вне усилие прижатия ходовых барабанов к опорной поверхно-6

сти и несплошность контакта распорного катка с вертикальной поверхностью прорези из за неровностей, оставляемых зубьями рабочего органа. Эта непостоянность контакта характеризуется коэффициентом сплошности (рис.2.), зависящей от таких параметров как усилие прижатия 0„р, величина деформации резиновой оболочки распорного колеса Ьр, высота распорного колеса Н«, плотность резины коэффициента резания Кр и величины подачи Б*:

Рис.1. Силы, действующие на распорный катковый движитель, взаимодействующий с торцами рабочей прорези самоходной ледорезной установки

На этапе разработки математической модели были сформулированы допущения, позволившие учесть все существенные точки зрения исследования взаимодействия специального каткового движителя с опорным основанием, предназначенного для перемещения ледорезной установки в рабочей прорези:

1. Поверхность движения распорных катков - ровный, твердый вертикальный ледовый покров;

2. Влиянием деформации опорной поверхности пренебрегаем ввиду ее незначительности;

3. Считаем, что центр масс установки совершает движение, копируя продольный профиль поверхности движения, без колебаний, вызываемых ее неровностями;

4. Считаем, что все внешние силы, действующие на элементы движителя, лежат в плоскости движения.

Сила сопротивления движению установки определяется из выражения:

где Оск - сила сопротивлению перекатыванию распорного обрезиненного катка, С2ост - сопротивление от выноса из зоны контакта остаточных элементов разработки льда, Оод - сопротивление от перемещения по снежно-ледовой поверхности водоема ледорезной установки, <3фр - сопротивление от рабочего органа при разработке льда, - сопротивление от ветровой нагрузки.

Рис.2. Изменение коэффициента сплошности в зависимости от усилия прижатия распорных катков катков.

Условные обозначения в выражениях этого раздела: Опр - усилие прижатия распорных катков к торцам ледовой прорези, - конструктивные пара-

метры движителя отмеченные на рис.2, Ьр - деформация резиновой оболочки

катка, Н - толщина разрабатываемого ледяного покрова, - подача на один оборот.

Оценка работы специального каткового движителя по силе сопротивления движению от основных конструктивных параметров и силы прижатия распорных катков производилась по графическим зависимостям, пример которых представлен на рис. 3.

а) б)

Рис.3. Зависимость силы сопротивления передвижению катков в ледовой прорези от а - силы прижатия катков; б - высоты распорного катка

Сила тяги и расчет тягового баланса производился по следующим зависимостям:

Оценка работы специального каткового движителя по развиваемой силе тяги от основных конструктивных параметров и силы прижатия распорных катков производилась по графическим зависимостям, пример которых представлен на рис. 4.

Полученные зависимости позволили внести изменения в методику расчета основных конструктивных параметров специального каткового движителя, предназначенного для передвижения ледорезной установки по рабочей прорези, путем введения в нее проверки нормальной совместной работы движителя и рабочего органа

Третья глава посвящена выбору таких конструктивных параметров и усилий прижатия катков, которые обеспечивали бы минимальное потребление энергии при безусловном выполнении условий проходимости. Для чего уравнение сопротивления движению, полученное во второй главе дифференцировалось по искомому параметру. Все параметры определялись для двух типов траншей: сухой - проводится при выморозочных работах и мокрой - проводится при работах, связанных с околкой судов и подледным рыболовным промыслом. Фрезерование способом сухой траншеи ведется не на полную толщину ледяного покрова, например при производстве работ, связанных с ремонтом судов. Фрезерование способом мокрой траншеи ведется на всю толщину льда, например для предохранения судов от раздавливания льдом в весенний период Величина диаметра катка определялась в этом случае из выражения (9).

а) б)

Рис.4. Зависимость силы сопротивления передвижению катков в ледовой прорези от а - силы прижатия катков; б - высоты распорного катка

(9)

О^А^Н,-^ +6Я> -4ЯХ)'

где ^ и gp - плотности льда и резины Пример графической зависимости рациональных параметров распорного каткового движителя для сухой и мокрой траншей представлен на рис 5.

Так при дифференцировании полученных выражений по высоте распорного катка Нг и приравнивании полученного выражения к нулю была получена следующая функциональная зависимость между конструктивными параметрами специального каткового движителя:

нк<ю>

где Ер и фр - модуль упругости и коэффициент трения резины по льду.

При дифференцировании исходных уравнений по толщине резиновой оболочки распорного катка было получено следующее выражение для определения рациональной толщины резиновой оболочки распорных катков самоходной ледо-резной установки:

сухая траншея под водой

Зр=20мм 8р=20мм

б) а)

Рис.5. Зависимость рациональной высоты распорного катка от усилия прижатия для а - сухая траншея; б - мокрая траншея

Следующим шагом стало определение рационального усилия прижатия катков в зависимости от толщины разрабатываемого льда.

Графические зависимости, рациональных конструктивных параметров специального каткового движителя от усилия прижатия катков, а так же толщины разрабатываемого льда от усилия прижатия катков, приводим к одному масштабу и накладываем друг на друга. Получается график, позволяющий определять конструктивные параметры движителя самоходной ледорезной установки в зависимости от толщины разрабатываемого льда. Эти зависимости для двух типов траншей представлены на рис.6.

На основании полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований была разработана методика выбора основных конструктивных параметров движителя самоходной ледорезной установки, предназначенного для перемещения ее по рабочей прорези. Отличительной особенностью данной методики является проверка полученных конструктивных параметров движителя по режимам буксования. Структурная схема методики расчета основных рациональных параметров движителя представлена на рис.7.

сухая траншея под водой

- • - изменение диаметра катка

— изменение высоты катка

--изменение толщины резины катка

---изменение деформации резины катка

-----изменение тапцщны льда

Рис.6. Графическая зависимость для определения основных конструктивных параметров элементов движителя в зависимости от толщины разрабатываемого

льда для

а - сухая траншея; б - мокрая траншея

В четвертой главе изложена методика и программа экспериментальных исследований. Анализ априорной информации и проведенные постановочные эксперименты выявили пять факторов, формирующих тяговое усилие и силу сопротивления движению. Такое количество факторов заставляет отказаться от клас-

сичсской схемы эксперимента для определения численных значений базовой математической модели взаимодействия специального каткового движителя с торцами ледовой прорези. Поэтому для решения данной задачи пришлось применить приемы и методы теории планирования эксперимента.

С целью определения адекватности разработанной математической модели реальному процессу былопроведено цифровое моделирование движения физических моделей на ЭВМ при условии соблюдения подобия ледовых условий движения.

ВХОДНЫЕ ДАННЫЕ Параметры установки:

• Диаметр фрезы

• Длина фрезы

• Скорость движения

• Параметры резания

• Мощность двигателя Параметры окружающей

среды:

• Толщина ледяного

покрова

• Толщина снежного

покрова

• Температура окружающего __воздуха _

ВЫБОР ОСНВНЫХ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖИТЕЛЯ

Выбираются основные рациональные конструктивные

параметры специального каткового движителя по формулам (9)-(12) Проверка нормальной

совместной ■ работы движителя и рабочего органа:

г А3510

Проверка на запас по тяговому усилию Проверка осуществляется по _зависимости (8)_

ИЗМЕНЕНИЕ ВХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ

• Величина подачи

• Скорость вращения фрезы

• Конструктивные параметры фрезы_

РАСЧЕТ Определение энергетических затратна движение установки

Рис.7.Структурная схема методики расчета основных конструктивных параметров специального каткового движителя

В результате сравнения итоговых значений математического и физического моделирования сделан вывод, что для всех случаев характерна эквидистантность

протекания теоретических и эмпирических кривых, а величина имеющихся отклонений находится в пределах вероятной погрешности.

Для оценок параметров и определения значимости факторов, входящих в модель и проверки ее адекватности экспериментальным данным, были использованы методы планирования многофакторного эксперимента по плану Хартли. В качестве отклика были приняты величина крутящего момента, создаваемого на валу распорного катка и линейная скорость движения установки. Данные параметры удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к функциям отклика, то есть имеют физический смысл, количественную оценку и является совокупной и исчерпывающей характеристикой объекта исследования. Проведена проверка адекватности экспериментальных исследований математическому моделированию по критерию Кохрена и Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составляет 15...20%.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель взаимодействия специального кат-кового движителя с ледовым опорным основанием отличительной особенностью которой является регулируемое из вне усилие прижатия катков к торцам прорези, несплошность контакта движителя с поверхностью льда из за неровностей, оставляемых резцами рабочего органа и возможность учета нормальной совместной работы движителя и рабочего органа при изменении толщины разрабатываемого льда от 0,4 до 1 м.

2. В результате проведенных исследований выяснено, что наибольшее влияние на процесс перемещения ледорезной установки в ледовой прорези оказывают такие конструктивные параметры движителя как усилие прижатия катков к торцам рабочей прорези, высота катка и его диаметр, а также толщина и прочность льда, влияющие на величину необходимого тягового усилия. Толщина и плотность резины оказывают минимальное влияние на процесс перемещения.

3. Разработана методика выбора основных конструктивных параметров специального каткового движителя самоходной ледорезной установки, отличительной особенностью которой является проверка совместной работы движителя и рабочего органа в пределах подач от 10 мм/об до 20 мм/об. Параметры движителя, выбранные по данной методике, позволяют обеспечить работоспособность ледорезной установки со специальным Катковым движителем во всем диапазоне изменения физико-механических и геометрических параметров льда.

4. На основании проведенных расчетно-теорстических и экспериментальных исследований определены рациональные, с точки зрения уменьше-

ния сил сопротивления движению, основные конструктивные параметры движителя ледорезной установки, численные значения которых приведены в разделе рекомендации. Полученные данные позволили снизить энергоемкость перемещения ледорезной установки на 10... 15%.

5. Проведена проверка адекватности экспериментальных исследований математическому моделированию по критерию Кохрена и Фишера. В ходе проверки установлена достоверность результатов по обоим критериям. Относительная погрешность, в зависимости от исследуемых параметров составляет 15... 20%.

РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Для разработки льда толщиной до 300мм рекомендуемые рациональные параметры движителя для сухой траншеи: Н*=280мм, 0к=90мм,

для мокрой:

2. Для разработки льда толщиной от 300мм до 600мм рекомендуемые рациональные параметры движителя для сухой траншеи: Н*=500мм, Ц^Омм, Спр=450кг; для мокрой: Нк=550мм, Вк=85мм, Спр=500кг.

3. Для разработки льда толщиной от 600мм до 1000мм рекомендуемые рациональные параметры движителя для сухой траншеи: Нк=850мм, 0г=70мм, Спр=900кг; для мокрой: Н,=950мм, Ок=75мм, 0^=1000кг.

4. Толщину резиновой оболочки и плотность резины распорного катка рекомендуется принять постоянными для любых толщин льда и всех типов траншей: 8р=20мм, ^О^вг/см3.

ПУБЛИКАЦИИ С ИЗЛОЖЕНИЕМ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИИ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мыльников Н.А., Ерасов И.А Оценка курсовой устойчивости ледофрезерной машины с концевой фрезой при работе на трассах с различной толщиной льда. /Сб. статей «Прогрессивные технологии в транспортных системах» Оренбург 2001г. с. 167-168

2. Мыльников Н.А., Молев Ю.И. Физические и механические свойства льда, как рабочей среды ледофрезерных машин. /Сб. статей «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве» Н.Новгород 2002г. с. 99-100

3. Мыльников Н.А., Куляшов А.П. К вопросу об эффективности использования прорезиненных барабанов на самоходной ледорезной установке

04-1*575

СЛУ-80. /Сб. статей «Проблемы транспортных и технологических комплексов» Н.Новгород 2002г. с. 120-121

4. Мыльников Н.А., Шапкин В.А. Факторы, влияющие на работу распорного каткового движителя. /Сб. статей «Будущее технической науки нижегородского региона» НГТУ 2003г. с. 138,139

5. Мыльников НА, Ганин А.В. Эффективность использования распорного

каткового движителя. /Сб. статей «Будущее технической науки нижегородского региона» НГТУ 2003г. с. 113-114

6. Мыльников Н.А., Молев Ю.И. Взаимодействие распорного движителя

следовым основанием. /Сб. статей «Будущее технической науки нижегородского региона» НГТУ 2004г. с. 142

7. Мыльников Н.А., Коробов И.Б. Влияние усилия прижатия распорных

катков сопротивление движению. /Сб. статей «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса» Екатеринбург 2004г. с. 78

Подписано печать 20.05.2004г. Заказ №375. Тираж 100 экз. Печ.л. 1 0. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Типография «НТК» г. Н. Новгород ул. Б. Покровская 18-а