автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Совершенствование расчетных моделей нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин в зависимости от внешних условий движения

На правах рукописи

005009774

КЛУБНИЧКИ Н ВЛАДИСЛАВ ЕВГЕНЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ НАГРУЖЕННОСТИ ТРАНСМИССИЙ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ

05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 0;

МОСКВА-2012

005009774

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет леса».

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Макуев Валентин Анатольевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шимкович Дмитрий Григорьевич

кандидат технических наук Андрюшин Михаил Иванович

Ведущая организация: ФГУП «Государственный научный центр

лесопромышленного комплекса» (ГНЦЛПК)

Защита диссертации состоится «2» марта 2012 года в Ю00 на чягдттятт диссертационного совета Д.212.146.03 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» по адресу: 141005, Мытищи-5, Московская область, 1-я Институтская, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета леса.

Автореферат разослан «_/_» ореь^ал.g2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор Рыбин Борис Матвеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Трансмиссия гусеничных лесозаготовительных машин (ГЛЗМ) должна удовлетворять требованиям обеспечения необходимой скорости транспортного движения при заданной надежности функционирования.

Скорость транспортного движения ГЛЗМ определяется параметрами системы «двигатель - трансмиссия - ходовая часть - внешние условия». При заданных характеристиках двигателя скорость движения ГЛЗМ определяется, прежде всего, параметрами трансмиссии, которая предназначена для согласования характеристик двигателя с внешними условиями. Именно трансмиссия является тем звеном, которое обеспечивает эффективное использование мощности двигателя. Поэтому задача оценки и выбора параметров элементов трансмиссии, с целью обеспечения надежной работы ГЛЗМ, является важной практической задачей.

Существующие методы оценки и расчета нагруженности трансмиссий ГЛЗМ обеспечивают выбор параметров элементов трансмиссии только исходя из необходимости преодоления ограничений по тяговым свойствам, не учитывая в полной мере транспортные перемещения машин. Конструкторы, не имея теоретических рекомендаций по созданию элементов трансмиссии ГЛЗМ, ищут выход в усложнении конструкции трансмиссии. Однако оценить целесообразность усложнения технических решений не представляется возможным, поскольку нет аппарата оценки эффективности этих решений хотя ясно, что при этом снижается надежность, ухудшается обслуживаемость и ремонтопригодность трансмиссий.

Постоянного совершенствования расчетных методов исследования нагруженности узлов и деталей современных ГЛЗМ требует так же и высокий уровень сложности их конструкции. Решение задач, связанных с расчетом возникающих в трансмиссии ГЛЗМ нагрузок, вызвано необходимостью сократить время на доводочные испытания опытных вариантов конструкции. Длительность этого этапа определяется достоверностью данных, полученных на этапе проектировочных расчетов. Чем большая информация по нагрузочным параметрам может быть получена на этом этапе, тем меньшее время затрачивается на доводку конструкции. Таким образом, задача методик расчета и оценки нагруженности трансмиссии ГЛЗМ состоит в получении достоверных данных на этапе проектирования машин нового типа.

Учитывая изложенное, следует констатировать, что актуальными являются научные исследования, направленные на более глубокое изучение факторов, влияющих на нагруженность трансмиссий ГЛЗМ, и разработки на этой базе научно-обоснованных методов и технических решений, позволяющих не только более достоверно учесть нагрузки при расчетах, но и разработать рекомендации, обеспечивающие снижение нагруженности и повышение эксплуатационных показателей трансмиссий ГЛЗМ.

Пель работы. Цель работы заключалась в совершенствовании расчетных моделей нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин и уточнении методов расчета нагруженности элементов трансмиссии от внешних условий движения, обеспечивающих обоснование выбора и оценку параметров элементов трансмиссии на стадиях проектирования и испытания ГЛЗМ.

Исходя из выше изложенного были сформулированы следующие задачи:

1. Обосновать необходимость совершенствования расчетных моделей нагруженное™ трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин в зависимости от внешних условий движения;

2. Провести анализ внешних воздействий на ГЛЗМ и существующих методов расчета и оценки нагруженности элементов трансмиссии с позиций их возможности решения практической задачи обоснования выбора и оценки параметров элементов трансмиссии;

3. Провести усовершенствование методики расчета нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ по внешним условиям движения;

4. Определить зависимости между показателем нагруженности элементов трансмиссии и характеристиками внешних условий движения, а также влияние на них режимов движения и конструкционных особенностей машины;

5. Разработать рекомендации по применению методики расчета нагруженности элементов трансмиссии на стадиях разработки машины и проведения испытаний.

Объектом исследований являются гусеничные лесозаготовительные машины.

Предметом исследований является нагруженность трансмиссии ГЛЗМ от внешних условий движения.

Научная новизна заключается в следующем:

Усовершенствована модель расчета нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин при управляемом криволинейном движении, позволяющая более достоверно оценивать нагруженность элементов трансмиссии.

Усовершенствована методика оценки влияния внешних условий движения на расчет нагруженности трансмиссии ГЛЗМ, состоящая из трех основных этапов.

Первый этап состоит в анализе нагрузочного режима трансмиссии при движении ГЛЗМ на различных скоростях с заданными внешними условиями, с возможностью изменения знака кривизны движения и варьирования параметров трансмиссии.

Второй этап состоит в реализации расчетной схемы ГЛЗМ в виде локальных математических моделей, позволяющих производить оценку нагруженности элементов трансмиссии. Отличительной особенностью методики является применение прикладных пакетов компьютерных программ (SolidWorks, Universal Mechanism, Adams View, Adams Tracked Vehicles Toolkit), позволяющих на стадии проектирования сократить общее время на разработку конструкторской и технической документации, проведение виртуальных испытаний, создание опытного образца машины.

Третий этап содержит методику стендовых и натурных испытаний динамической инерционности опытных образцов ГЛЗМ.

Данная методика включает возможность моделирования движения ГЛЗМ по криволинейной траектории и траектории с изменяемым знаком кривизны, с максимальной нагрузкой на трансмиссию.

Новизна предложенной методики при проведении стендовых испытаниях подтверждена патентами РФ на полезную модель №85443, №88393, №97169, №97170 «Двигатель внутреннего сгорания».

Практическая значимость. Разработаны рекомендации по применению моделей расчета нагруженности трансмиссии на стадиях разработки машины и

проведения испытаний, что в совокупности повышает эксплуатационные свойства, технический уровень и конкурентоспособность машин лесопромышленного и лесохозяйственного назначения.

Результаты исследований рекомендованы для использования при расчетах и проектировании трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин.

Практические рекомендации используются на ОАО «Онежский тракторный завод» и на ОАО «Алтайское тракторостроительное объединение» при выполнении работ по проектированию и повышению надежности трансмиссий ГЛЗМ.

Реализация результатов исследований. В результате теоретических и экспериментальных исследований найдены новые технические решения, позволяющие ускорить процесс создания ГЛЗМ от идеи до конструкции. Результаты испытаний, методы и разработанные расчетные модели нагруженности трансмиссий ГЛЗМ переданы в ОАО «Онежский тракторный завод», ОАО «Алтайское тракторостроительное объединение» (Алттрак), ФГУП «ПЩ ЛПК» с целью использования при совершенствовании конструкций трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин и проектировании новых моделей ГЛЗМ. По результатам исследования разработана методика, которая используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса» при подготовке инженеров специальности 150405, а также применяется в научно-исследовательской работе студентов и аспирантов.

Методы исследования. Применяются современные методы, основанные на анализе нагруженности трансмиссии и создании локальных моделей для расчета нагрузок с учетом условий эксплуатации машин в лесу. Применяется сочетание математического и физического моделирования с использованием методов аналитической механики, дифференциального и интегрального исчисления, теории дифференциальных уравнений для анализа и оценки результатов моделирования. Методы экспериментальных исследований и теории вероятности используются при подготовке и проведении натурных испытаний гусеничных лесозаготовительных машин и при обработке полученных экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту.

- усовершенствованная методика оценки влияния внешних условий движения на нагруженность трансмиссии ГЛЗМ на стадии проектирования;

- методика синтезирования внешних условий, представленная в виде отдельно взятой реализации и математической модели управляемого криволинейного движения ГЛЗМ, как по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с изменяемым знаком кривизны.

- методика разработки рациональных локальных компьютерных математических моделей;

- усовершенствованная модель расчета нагруженности трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ.

- метод анализа оценки влияния внешних условий движения на нагруженностъ трансмиссии ГЛЗМ, состоящий из метода многопоточных режимов расчета динамики ГЛЗМ и реализации уравнений кинематических связей взаимодействия со стороны ДВС и движителя, при движении по различным профилям пути, как по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с изменяемым знаком кривюны.

- комплекс математических моделей, позволяющих синтезировать движение ГЛЗМ с учетом неголономных связей движителя и двигателя с трансмиссией, включая кинематику и динамику движения машины как по прямолинейному или криволинейному профилю пути, так и при переезде через единичные препятствия с различными вариантами трансмиссий.

Достоверность научных результатов. Достоверность обеспечена применением современных методов математического моделирования изучаемых объектов, математической обработки результатов экспериментов, а так же 90% сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Московского государственного университета леса (МГУЛ) 2009-2011г.г.; на международных научно-технических конференциях Вологодского государственного технического университета (ВоГТУ) 2008-2010г.г.; на Российско-Финском саммите 2009г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и обьем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения четырех глав, выводов, списка использованной литературы (173 наименования) и приложений, общий объём диссертационной работы 197 страниц, включая 116 рисунков и 5 таблиц.

Основное содержание работы

В введении обоснована актуальность работы, формулируется научная проблема, цель и задачи исследования, приведена общая характеристика работы.

В первой главе проведен анализ внешних воздействий и методов расчета нагруженности базовых элементов трансмиссии гусеничных лесозаготовительных машин. Даны общие сведения о внешних воздействиях на ГЛЗМ.

Проведен обзор работ, которые посвящены разработке различных подходов к оценке и прогнозированию нагруженности трансмиссии гусеничных машин. В решение этих задач внесли существенный вклад многие научные коллективы, среди которых: МГУЛ (Котиков В.М.); СПбГЛТА (Анисимов Г.М., Кочнев А.М.); ВНИИТМ (Староверов В.П., Жучков М.Г., Корольков Р.Н.); МГТУ им. Баумана Н.Э. (Красненьков В.И., Вафин Р.К., Ловцов Ю.И., Брекалов В.Г.); ВА БТВ (Ротенберг Р.В., Силаев А.А., Дмшриев А.А.) и научные коллективы других организаций.

В работах этих организаций, в связи с тем, что в них решаются разные конечные задачи, используются различные методы, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Эти методы были рассмотрены с позиции общего подхода к решению задач расчета и оценки нагруженности элементов трансмиссии на стадии проектирования ГЛЗМ.

Проведенный анализ работ показал следующее:

1. В существующих методиках расчета и оценки нагруженности показатель нагруженности элементов трансмиссии от внешних условий определяется без учета закономерностей, определяемых действительными силовыми и кинематическими параметрами управляемого криволинейного тгатнм и управляемыми параметрами движения.

2. Не рассматривается влияние внешних условий, режимов движения и

конструкционных особенностей самой машины на показатель нагруженности по внешним условиям.

3. В систему уравнений управляемого криволинейного движения ГЛЗМ входит уравнение:

Jz • [к(з) ■ а+^ + р ) = (Мп -мя-мс), (1)

где ^ - момент инерции ГЛЗМ;

Яи __

----изменение кривизны траектории по пути;

дз

М„ - момент поворота;

Мд - момент сил сопротивления движению;

Мс - момент сопротивления повороту.

¿-кривизна пути

Величина инерционного момента ГЛЗМ зависит от изменения кривизны бк

траектории по пути —. Существующие методики расчета и оценки

нагруженности ГЛЗМ не учитывают этого.

Причина этого, как в постановке задачи расчета и оценки нагруженности элементов трансмиссии от внешних условий - задается управляющее воздействие и определяется траектория, по которой будет двигаться ГЛЗМ, так и в принятых допущениях.

Для решения задач расчета и оценки нагруженности по внешним условиям необходимо анализировать ГЛЗМ при заданных внешних условиях. При этом важнейшим показателем внешних условий является кривизна пути движения ГЛЗМ. Поэтому при исследовании нагруженности элементов трансмиссии по внешними условиям необходимо задавать траекторию движения центра масс машины и определять действительные кинематические и силовые параметры, обеспечивающие управляемое движение по этой траектории и нагружающие элементы трансмиссии.

Во второй главе рассмотрена методика расчета нагруженности трансмиссии ГЛЗМ. Проведен выбор показателя оценки влияния внешних условий движения на расчет нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ. Составлена уточненная методика расчета нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ. Обоснованы исходные данные. Установлено, что при расчете нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ необходимо решать задачи определения их нагруженности и обоснования потребных параметров этих элементов. Нагруженность элементов трансмиссии определялась взаимодействием гусениц с грунтом и эти условия взаимодействия являлись исходными данными для анализа нагруженности. Установлено, что условия взаимодействия опорных поверхностей гусениц с грунтом определялись характеристиками внешней среды, конструкционными параметрами самой машины и режимом ее движения. Для построения математической модели расчета нагруженности элементов трансмиссии была составлена модель взаимодействия элементов опорной поверхности гусениц с грунтом. Аналитическое описание процесса взаимодействия гусениц с грунтом представляло значительные трудности, несмотря на то, что к настоящему времени

физико-механические свойства грунтов достаточно хорошо изучены. Для описания процесса взаимодействия гусениц с грунтом использовались экспериментальные данные, которые позволили выявить общие закономерности.

При криволинейном движении ГЛЗМ каждый элемент опорной поверхности гусениц совершает сложное движение, смещаясь по грунту в продольном И поперечном направлении относительно продольной ОСИ мятттан^ в связи с этим была рассмотрена кинематика элементов опорных поверхностей ГЛЗМ при криволинейном движении.

Разработана модель расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ:

где: Р2, Яг и Рь ¿ь - силы взаимодействия трака с грунтом забегающей и отстающей гусеницы.

Определив все силы, входящие в уравнения системы (2). Воспользовавшись выражениями для этих сил была представлена система уравнений управляемого движения ГЛЗМ в окончательном виде:

V2

т-— = -[(Р, +?2)-(^ + +52)-соз/?.

Рс

(2)

К,

М,г-М,г

Т•®,Сг-4) -ап#

\2

/*г2 *

г т-(х-1,) -сов/);

где {¡>2:, (2н - нормальная нагрузка на опорную поверхность от ¡-го катка забегающей и отстающей гусениц, Н;

п - количество опорных катков с одной стороны машины;

г - номер хатка, отсчитываемый от носа ГЛЗМ к корме;

/¡-расстояние от центра масс ГЛЗМ до осей опорных катков, м;

X - проекция мгновенного центра поворота на ось х\

Ух2 Ух{- скорость буксования забегающей и отстающей гусеницы относительно грунта;

Ц,цу- значения коэффициентов взаимодействия трака с грунтом при перемещениях

(раздельно) трака на величину <7 в продельном и поперечном направлениях;

В - ширина колеи, м;

(7 - вес машины, Н;

вес пачки сортиментов (хлыстов), Н;

СО - угловая скорость вращения ГЛЗМ

Полученная система уравнений определяет возможность движения ГЛЗМ в заданном режиме и по заданной траектории. Данные уравнения были положены в основу расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ. Анализ данной системы уравнений показал, что при заданных законах взаимодействия элементов гусеницы с грунтом л(сг->и силы, действующие в плоскости опорных поверхностей ГЛЗМ, определяются управляемыми параметрами поворота: скоростью движения и кривизной траектории. Добавление к данной математической модели управляемого криволинейного движения ГЛЗМ расчетной модели трансмиссии дает математическую модель расчета нагруженности элементов трансмиссии.

Проведено уточнение методики расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ по траектории с постоянной кривизной. Выявлены зависимости момента на ведущих звездочках А1вк от скорости движения V дтя определенного значения коэффициента взаимодействия гусениц с грунтом в продольном направлении ¡* ~ и зависимости момента на ведущих звездочках Мек от скорости движения V для различных значений кривизны к. Также проведено уточнение методики расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ по траектории с изменением знака кривизны. Исследование нагруженности при данной методике проводилось в три этапа.

На первом этапе задавали траекторию с различными значениями амплитуды при фиксированном значении периода и показателя степени функции.

На втором этапе при определении траектории движения изменяли значения периода при постоянных значениях других параметров. Причем соотношение значений амплитуды и периода должно быть А=0,25 Т.

На третьем этапе траекторию движения ГЛЗМ задавали изменением значений показателя степени. Значения показателя степени р изменяли от 0,43 до 1.

Полученные зависимости позволили определить траекторию движения при которой нагруженность трансмиссии будет максимальной, что дало возможность обосновать программу испытаний разрабатываемой ГЛЗМ.

Третьи глава посвящена разработке методики построения рациональных,

локальных математических моделей ГЛЗМ, устанавливающих связь между основными конструктивными параметрами и характеристиками ГЛЗМ, и обеспечивающие возможность эффективной оценки нагруженносга элементов трансмиссии на стадии проектирования ГЛЗМ. Ниже приведены рекомендации по методике оценки влияния внешних условий движения на нагруженность трансмиссии при криволинейном движении, положения которой можно рассматривать на конструкциях ГЛЗМ, имеющих аналогичные элементы трансмиссии и нагрузочные режимы.

Из анализа сложных структур и в том числе ГЛЗМ по классической схеме видно, что одним из основных этапов оценки нагруженности элементов трансмиссии является проверка адекватности математической модели по результатам экспериментального исследования реального объекта (трансмиссии и элементов трансмиссии), что на стадии проектирования связано с большими экономическими и временными затратами.

Предлагаемая методика разработки рациональных локальных компьютерных математических моделей дает возможность обойтись без дорогостоящих натурных экспериментов и включает в себя следующие основные этапы:

- моделирование всех физических и геометрических параметров ГЛЗМ с помощью прикладных пакетов компьютерных программ с учетом обоснованных (путем численных экспериментов) допущений, которые впервые применены при разработке локальных математических моделей ГЛЗМ;

- отладка локальных компьютерных математических моделей ГЛЗМ проводилась с помощью численных экспериментов. В качестве объекта исследований была выбрана

" завода модели ЛЗ-5 (рис.1)

По разработанной схеме реализованы две объектно-ориентированные программы. Одна

предназначена для анализа взаимодействия траков гусениц с ходовой системой и ведущими звездочками ГЛЗМ (рис.2). Ввод исходной информации осуществляется во внешнем представлении с

использованием повторителей, что позволяет Рис Л. Компьютерная модель ГЛЗМ ЛЗ-5 (АТЗ) в значительной степени

ускорить количество

вводимых данных. Вторая программа предназначена для анализа динамически;«; характеристик совместной работы силовой установки и движителя ГЛЗМ при управляемом криволинейном движении как по постоянной траектории, так и по траектории с изменяемым знаком кривизны.

Рис.З, Фрагмент результатов компьютерного моделирования процесса взаимодействия

траков левой и правой гусениц с опорной поверхностью пути при криволинейном движении ГДЗМ с учетом моментов на ведущих звездочках, ^=2,6 км/ч; объем сортиментов ()п=12м3 где: И- суммарная сила взаимодействия траков левой гусеницы с опорной поверхностью пути по оси У; Я- суммарная сила взаимодействия траков правой гусеницы с опорной поверхностью пути по оси У; В- суммарная сила взаимодействия траков левой гусеницы с опорной поверхностью пути по оси X; 18- суммарная сила взаимодействия траков правой гусеницы о опорной поверхностью пути по оси X; В- суммарный момент взаимодействия траков левой гусеницы с опорной поверхностью пути; И- суммарный момент взаимодействия траков правой гусеницы с опорной поверхностью пути; И- момент на левой ведущей звездочке; Я- момент на правой ведущей звездочке.

Предлагаемый программный комплекс обладает развитым сервисным обеспечением и может быть включен в состав базового программного обеспечения. Вывод результатов осуществляется в удобном для анализа постранично-табличном виде и графиков. На рис.З приведен фрагмент результатов исследования процесса взаимодействия траков гусениц с опорной поверхностью пути при криволинейном движении ГЛЗМ с учетом моментов на ведупдах звездочках, по оси абсцисс

обозначено время в секундах, по оси ординат относительные значения изменения момента Мвк левой и правой ведущей звездочки и суммарные силы взаимодействия траков левой и правой гусениц с опорной поверхностью пути.

Разработанная методика построения рациональных локальных математических моделей ГЛЗМ реализуется при помощи двух объектноориентированных программ, позволяющих сократить объем дорогостоящих натурных испытаний ГЛЗМ для проверки адекватности её модели, что особенно важно на стадии проектирования.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям нагруженное™ трансмиссии гусеничной лесозаготовительной машины Дан анализ результатов экспериментальных исследований нагруженности трансмиссии ГЛЗМ при криволинейном движении, как по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с периодическим профилем с учетом трогання и разгона. На рисунке 4 (а, б, в) представлено измерительное оборудование используемое в

процессе экспериментальных исследований.

Рис.4 Места установки измерительного оборудования на ГЛЗМ ЯЗ-5, а) индуктивный и

тензодатчнки на карданном валу, б) ЭВМ с декодером з кабине оператора, в) телеметрические датчики на ведущих звездочках.

Было установлено, что существенное влияние на величину динамических моментов в трансмиссии при криволинейном движении по траектории с постоянной кривизной и по траектории с периодическим профилем оказывает номер передачи КП. В ходе экспериментальных исследований были получены осциллограммы нагрузок действующих на элементы трансмиссии при криволинейном движении ГЛЗМ представленные на рис, 5-8. На осциллограммах по оси абсцисс обозначено время в секундах, по оси ординат значения изменения момента по участкам трансмиссии. Обработка осциллограмм криволинейного движения ГЛЗМ при плавном изменении | траектории с учетом плавных нарастаний момента 1М =0,4-0,9 сек. показала, что динамические нагрузки в 1,5-2,5 раза меньше, чем при резком изменении I траектории с временем нарастания 1М =0,08-0,2 сек.

Из осциллограмм видно, что на восьмой передаче, при криволинейном движении по траектории с постоянной кривизной и по траектории с периодическим профилем при различных темпах изменения знака кривизны и плавным включении муфты сцепления, когда момент на карданном валу нарастает' от 0 до максимального значения за 0,45-0,55 сек, динамические моменты на валах трансмиссии не превышают статического момента трения сцепления.

Рис.5 Фрагмент осциллограммы изменения оборотов двигателя и момента по участкам трансмиссии

Рис.6 Фрагмент осциллограммы изменения оборотов двигателя и момента по участкам

эезком изменении знака кривизны криволинейного движения ГЛЗМ на В передаче

Рис.7 Фрагмент осциллограммы изменения оборотов двигателя и момента по участкам трансмиссии при плавном изменении знака кривизны криволинейного движения ГЛЗМ с пачкой сортиментов (2п=12м3 на 4 передаче

1.КГМ ¡Ми.р.рг — Мь.р.1еу — Мк.У, — дП — — nгv.or.— Пгу.1еу, — )

,об/мин *■ ... - -- - ■ -- - "---------1

Рис. 8 Фрагмент осциллограммы изменения оборотов двигателя и момента по участкам трансмиссии при резком изменении знака кривизны криволинейного движения ГЛЗМ с пачкой сортиментов (¿п=12м3 на 4 передаче

Из осцилограмм следует, что при криволинейном движении по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с периодическим профилем при различных темпах изменения знака кривизны и плавном увеличении числа оборотов двигателя, обороты двигателя снижаются не более чем на 300 об/мин и изменение знака кривизны траектории движения ГЛЗМ на восьмой и четвертой передачах происходит за 2,4 сек. При резком изменении знака кривизны движения ГЛЗМ, число оборотов двигателя падает на 700-800 об/мин и несмотря на быстрое возрастание крутящего момента, криволинейное движение по траектории с постоянной кривизной и по траектории с периодическим профилем совершается за 1,7 - 2 сек. Следовательно, при резком изменении знака кривизны лйижрния ГЛЗМ и включении муфты сцепления броском педали, изменение знака кривизны движения ГЛЗМ совершается на 0,4 - 0,7 сек. быстрее, чем при плавном изменении знака кривизны.

Коэффициенты динамичности для валов трансмиссии при плавном изменении знака кривизны криволинейного движения ГЛЗМ на рассматриваемых режимах находятся в пределах Кдин. = 1,5 - 3 , а при резком изменении знака кривизны криволинейного движения ГЛЗМ Кдш. =3,15 - 4,72.

Исходя из проведенных экспериментов и обработки полученных результатов был сделан вывод, что резкое изменение знака кривизны траектории движения ГЛЗМ приводит к увеличению динамических нагрузок на элементы трансмиссии. Рекомендуется снизить резкое изменение знака кривизны траектории движения ГЛЗМ до значений не более чем 0,4 - 0,6 сек. Это при незначительной потере производительности даст снижение динамических нагрузок на элементы трансмиссии в 2 - 2,5 раза, тем самым увеличив срок ее службы.

Характеристики динамического нагружения позволяют сделать количественный анализ крутящих моментов в трансмиссии на переходных режимах. Экспериментальные исследования показали, что процессы нагружения трансмиссии при различных эксплуатационных условиях имеют качественное различие. Колебания момента при управлении трансмиссии носят различный характер в зависимости от номера передачи и темпа изменения знака кривизны.

На осциллограммах получены зависимости колебания динамического момента от времени изменения знака кривизны траектории движения ГЛЗМ. В колебательную систему вводится ограничитель момента. Дальнейшие колебания происходят относительно динамического момента, который не остается постоянным в процессе изменения знака кривизны траектории движения ГЛЗМ. Было установлено, что наиболее важные факторы, одновременно влияющие на процесс изменения момента при изменении знака кривизны движения ГЛЗМ и включении муфты сцепления является изменение коэффициентов трения зависящих от скорости движения ГЛЗМ, коэффициента буксования и параметров колеблющихся систем ГЛЗМ, а также изменение величины нажимного усилия на педаль.

Так же были получены динамические нагрузки в трансмиссии ГЛЗМ при преодолении единичных препятствий высотой 200, 300 и 400 мм. Анализ кривых изменения замеряемых параметров при преодолении препятствий на первой и второй передачах, независимо от высоты препятствия показал, что нагрузки действующие на элементы трансмиссии не превышают расчетных значений, соответствующих максимальному моменту двигателя. Коэффициент

динамичности не превышает Кдин= 0,85 , а при переезде на высших передачах рабочего диапазона (6 - 8), в трансмиссии возникают динамические моменты по уровню значительно выше, чем расчетные моменты. Источником возникновения динамических моментов при переездах препятствий является маховик двигателя.

В силу того, что при взаимодействии ГЛЗМ с препятствием на динамические моменты, возникающие в трансмиссии влияет большое количество неподдающихся учёту факторов (натяжение гусеничной цепи, ориентация гусениц относительно препятствия и т.д.), амплитуды и частоты моментов имеют при этом случайный характер. Для анализа влияния эксплуатационных факторов на величины динамических нагрузок были построены гистограммы распределения крутящих моментов на валах трансмиссии при различных режимах преодоления препятствий.

Гистограммы на рис. 9 показали, что при преодолении препятствий, существенное влияние на уровень динамических нагрузок оказывает скорость движения ГЛЗМ.

Рис.9. Гистограмма распределения моментов на карданном валу при переезде препятствия й=400мм на 1-ой---------= 2,3 км/ч) и 4-оЙ--------(У-,р = 4,6 км/ч) передачах (Qn=12M3)

160 320 480 640 800 960 1120 1280 1440 1600 1760 1920 Мп.б.в

Рис. 10. Гистограмма распределения моментов на правой полуоси при переезде препятствий

на 1 передаче

Как показали исследования, меньше всего на уровень динамических нагрузок в трансмиссии оказывает высота препятствия. Это видно из кривых распределения на рис. 10.

Исследованием установлено, что при взаимодействии с препятствием на скорости Ктр = 2,3 км/ч, динамические нагрузки очень редко достигают значений, соответствующих расчетным по максимальному моменту двигателя. Если же преодоление препятствия происходит при скорости движения = 4,6 км/ч и более, то динамические нагрузки существенно возрастают, увеличивается также частость их действия.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено усовершенствование моделей расчета нагруженности трансмиссий от внешних условий движения, обеспечивающих обоснование выбора и оценку параметров элементов трансмиссии на стадии проектирования и испытаний ГЛЗМ. Данные модели позволяют проводить расчет нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ как по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с периодическим профилем, что дает возможность оценивать нагруженность трансмиссии при эксплуатации ее в любых возможных условиях.

2. Выявлены зависимости между показателем нагруженности элементов трансмиссии и характеристиками внешних условий, а также влияние на них режимов движения и конструкционных особенностей машины.

3. На основании усовершенствованной модели управляемого криволинейного движения разработана модель определения нагруженности элементов трансмиссии при движении по всей совокупности внешних условий. Данная модель позволит исследовать влияние всего спектра внешних условий воздействующих на ГЛЗМ, при управляемом криволинейном движении, на нагруженность элементов трансмиссии.

4. Проведен анализ внешних воздействий на ГЛЗМ и существующих методов расчета и оценки нагруженности элементов трансмиссии с позиций их возможности решения практической задачи обоснования выбора и оценки параметров элементов трансмиссии.

5.Реализация метода расчета нагруженности элементов трансмиссии от внешних условий предлагается в виде группы процедур, позволяющих при разработке в расчетной системе программ с объемными конечными элементами организовать эффективное решение задачи расчета только в оперативной памяти ЭВМ.

6. Установлено, что наибольшие динамические моменты действуют на элементы трансмиссии на высших передачах при резком изменении знака кривизны движения ГЛЗМ. Превышение динамических моментов над расчетными на седьмой и восьмой передачах для входного вала трансмиссии составляет Дэ™.= 4,72.

7. Установлено, что динамические нагрузки на валах трансмиссии при резком изменении знака кривизны движения порожней ГЛЗМ на диапазоне высших передач (6-8), всегда превосходят расчетные значения, соответствующие максимальному моменту двигателя и возрастают с увеличением номера передачи. Коэффициент динамичности для входного вала трансмиссии на этих режимах Кдии емс = 2,6-4,72.

8. Установлено, что при резком изменении знака кривизны движения ГЛЗМ с нагрузкой 12м3 на диапазоне низших передач Кдт.вжс. = 0,9-2,9, т.е. не превышает значения коэффициента запаса прочности элементов трансмиссии.

9. В результате обработки осциллограмм установлено, что наиболее существенное влияние на величины пиковых нагрузок оказывает величина изменения знака кривизны движения ГЛЗМ. При плавном изменении знака кривизны движения ГЛЗМ, когда время нарастания момента лежит в пределах 0,4-

0,9 сек, превышение нагрузки в трансмиссии, сравнительно с расчетными даже на самых тяжелых режимах (резкое изменении знака кривизны движения ГЛЗМ на высших передачах) не более Кдин,ем с, =1,7.

10. Установлено, что при преодолении препятствий в трансмиссии гусеничной лесозаготовительной машины возникают динамические нагрузки, значения которых на ряде режимов выше расчётного по максимальному моменту двигателя. Максимальные значения нагрузок соответствуют переезду препятствий высотой 350-400 мм на 4 передаче с предельной нагрузкой в виде пачки сортиментов объемом 12м3. На этих режимах Кдин вмх, = 3,1 - 3,3.

11. Установлено, что максимальные динамические моменты на ведомых валах бортовых передач возникают при резком изменении знака кривизны движения ГЛЗМ на четвертой передаче. В случае, когда на один борт приходится вся тяговая нагрузка Кдин сл ~ 1 сравнительно с расчетным по сцеплению с грунтом (при ф =1,1).

12. Снизить динамические нагрузки в трансмиссии можно установкой в приводе сцепления и ведомых валах конечных передач устройств, одно из которых будет предотвращать обратный удар со стороны гусеничной ленты, а другое предотвращать резкое включение муфты сцепления. При темпе включения, обеспечивающим нарастание крутящего момента за /м ~ (0,4 - 0,9) сек. динамические моменты в 2 - 2,5 раза ниже чем при 1М - 0,08 - 0,2сек.

13. Разработаны рекомендации по применению метода расчета нагруженности элементов трансмиссии на стадиях разработки машины и проведения испытаний.

14. Результаты работы переданы Алтайскому и Онежскому тракторным заводам с целью использования при совершенствовании конструкций трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин и проектировании новых моделей ГЛЗМ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Клубни чкин, В.Е. К вопросу о методике исследования нагруженности гусеничных цепей колесных машин с тандемными тележками / В.Е. Клубничкин, |В.М. Котиков!, Е.Е. Клубничкин // Естественные и технические науки - 2010. - № 3 - С. 321-326. М. «Спутник+». (в списке изданий, рекомендованных ВАК).

2. Клубничкин, В.Е. Общая методика исследования проходимости колёсных машин с тандемными тележками, оснащёнными гусеничными цепями / В.Е. Клубничкин, |В.М. Котиков], Е.Е. Клубничкин II Естественные и технические науки - 2010. - № 3 - С. 327-334. М. «Спутник+». (в списке изданий, рекомендованных ВАК).

3. Клубничкин, В.Е. Оценка влияния внешних условий на

лесозаготовительные машины / В.Е. Клубничкин // Вестник Московского государственного университета леса - Лесной вестник. - 2010. - № 6 - С.119-124. (в списке изданий, рекомендованных ВАК).

4. Клубничкин, В.Е. О дифференциальных уравнениях колебаний несущей системы гусеничной лесозаготовительной машины с блокированной системой подрессоривания / Е.Е. Клубничкин, В.Е. Клубничкин // науч. тр. - Вып. 356. - М.: ФГБОУ ВПО МГУЛ, 2011. - С. 112-124.

5. Клубничкин, В.Е. Обучение человека-оператора как основная задача управления зарубежной лесозаготовительной техники / В.А. Макуев, Ф.А. Дац, В.Е. Клубничкин // Сборник трудов, Пенза - 2010.

6. Пат. на пол. мод. 85443 Российская Федерация, МПК В 64 С 1/16, F 02 В 1/00. Двигатель внутреннего сгорания / Клубничкин В.Е., Макуев ВЛ., Клубничкин Е.Е., Найман B.C.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. унив. леса. - № 2009105277/22, заявл. 17.02.09; опубл. 10.08.09, Бюл. № 22 (П ч.). - 2 с.: ил.

7. Пат. на пол. мод. 88393 Российская Федерация, МПК F 02 В 1/00. Двигатель внутреннего сгорания / Клубничкин В.Е., Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман B.C., Галкин Ю.С.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. унив. леса. -№2009111616/22; заявл. 01.04.09 ; опубл. 10.11.09, Бюл. №31 (Пч.).-2 с.: ил.

8. Пат. на пол. мод. 97169 Российская Федерация, МПК F 02 В 47/00, F 02 М 25/00, F 02 М 35/16. Двигатель внутреннего сгорания / Клубничкин В.Е., Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман B.C., Овсянников И.А.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. унив. леса. - №2010107344/06 ; заявл. 01.03.10; опубл. 27.08.10, Бюл. № 24 (П ч.). -2 с.: ил.

9. Пат. на пол. мод. 97170 Российская Федерация, МПК F 02 В 47/00, F 02 М 25/00, F 02 М 35/16, F 02 В 51/00. Двигатель внутреннего сгорания / Клубничкин В.Е., Макуев В.А., Клубничкин Е.Е., Найман B.C., Овсянников ИЛ.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. унив. леса. - №2010107350/06 ; заявл. 01.03.10; опубл. 27.08.10, Бюл. № 24 (Пч.).-2 с.: ил.

10. Пат. на пол. мод. 106688 Российская Федерация, МПК F 04 D 25/04. Верный пневматический двигатель / Клубничкин В.Е., Макуев ВА., Клубничкин Е.Е., Найман B.C., Васильева К.В.; заявитель и патентообладатель Моск. гос. унив. леса. -№2010125853/06; заявл. 24.06.10; опубл. 20.07.11, Бюл. № 20 (Пч.). -2 с.: ил.

Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах с заверенными подписями просим направлять по адресу: 141005, Московская область, Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, 1, ФГБОУ ВПО МГУ Л, ученому секретарю. Тел.:8(498)687-38-81 E-mail: uchsovet@mgul.ac.ru

Отпечатано в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать 27.01 2012. Формат 60x90 1/16 Бумага 80 г/мг Гарнитура «Таймс». Ризография. Уел. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 33.

Издательство Московского государственного университета леса 141005, Мытищи-5, Московская обл., 1-ая Институтская, 1, МГУЛ E-mail: izdat@mgul.ac.ru

61 12-5/1721

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования "МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛЕСА"

На правах рукописи

Клубничкин Владислав Евгеньевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ НАГРУЖЕННОСТИ ТРАНСМИССИЙ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ ДВИЖЕНИЯ

Специальность 05.21.01 "Технология и машины лесозаготовок и лесного

хозяйства"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Макуев В. А.

Москва 2012г.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И МЕТОДОВ РАСЧЕТА НАГРУЖЕННОСТИ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСМИССИИ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН................................13

1.1 Общие сведения о внешних воздействиях на ГЛЗМ....................................13

1.2 Анализ методов расчета и оценки нагруженности базовых элементов трансмиссии.............................................................................................................21

1.2.1 Методы расчета, оценки и прогнозирования нагрузок на основе экспериментальных исследований.................................................................22

1.2.2 Методы статистической динамики........................................................23

1.2.3 Методы разыгрывания дорожной ситуации..........................................24

1.2.4 Методы имитационного моделирования...............................................28

1.2.5 Стандартизованные методы оценки нагруженности трансмиссии.....30

1.3 Выводы и постановка задач исследования....................................................31

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАГРУЖЕННОСТИ ТРАНСМИССИИ

ГЛЗМ.......................................................................................................................34

2.1 Выбор показателя оценки влияния внешних условий движения на расчет нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ...................................................34

2.2 Методика расчета нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ.............34

2.2.1 Обоснование исходных данных.............................................................34

2.2.2 Математическая модель расчета нагруженности элементов трансмиссии......................................................................................................36

2.2.2.1 Модель взаимодействия элементов опорной поверхности гусениц с грунтом..............................................................................................................36

2.2.2.2 Кинематика элементов опорных поверхностей гусениц при криволинейном движении гусеничной лесозаготовительной машины.......38

2.2.2.3 Модель расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении гусеничной лесозаготовительной машины..............................................................................................................44

2.2.3 Методика расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении ГЛЗМ по траектории с постоянной кривизной..........................................................................................................53

2.2.4 Методика расчета нагруженности элементов трансмиссии при управляемом криволинейном движении гусеничной лесозаготовительной машины по траектории с изменением знака кривизны.................................58

2.3 Выводы...............................................................................................................61

ГЛАВА 3 РЕАЛИЗАЦИЯ МОДЕЛИ КРИВОЛИНЕЙНОГО ДВИЖЕНИЯ ГУСЕНИЧНОЙ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ_В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСЕКИ............................................................................................................63

3.1. Динамическое моделирование движения гусеничной лесозаготовительной машины с использованием пакетов прикладных компьютерных программ.....................................................................................63

3.1.1. Программные комплексы динамического моделирования.................64

3.2. Решение задачи динамического анализа движителя ГЛЗМ........................69

3.3 Выводы...............................................................................................................86

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ

ТРАНСМИССИИ ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН.. .87

4.1. Задачи исследования.......................................................................................87

4.2. Выбор количества и мест расположения датчиков......................................89

4.3. Методы замера искомых параметров............................................................91

4.4. Анализ результатов экспериментальных исследований нагруженности трансмиссии ГЛЗМ при криволинейном движении как по траектории с постоянной кривизной, так и по траектории с периодическим профилем с учетом трогания и разгона.....................................................................................98

4.5. Динамические нагрузки в трансмиссии ГЛЗМ при преодолении препятствий...........................................................................................................117

4.6 Сопоставление расчетных и экспериментальных величин........................127

4.7 Выводы.............................................................................................................130

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ...................................................132

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...................................136

Приложение 1........................................................................................................151

Приложение 2........................................................................................................162

Приложение 3........................................................................................................170

Приложение 4........................................................................................................191

ВВЕДЕНИЕ

Трансмиссия гусеничных лесозаготовительных машин должна удовлетворять требованиям обеспечения необходимой скорости транспортного движения при заданной надежности функционирования.

Скорость транспортного движения гусеничных лесозаготовительных машин определяется параметрами системы «двигатель - трансмиссия - ходовая часть -внешние условия». При заданных характеристиках двигателя скорость движения гусеничной лесозаготовительной машины определяется, прежде всего, параметрами трансмиссии, которая предназначена для согласования характеристик двигателя с внешними условиями. Именно трансмиссия является тем звеном, которое обеспечивает эффективное использование мощности двигателя. Поэтому задача оценки и выбора параметров элементов трансмиссии, с целью обеспечения надежной работы гусеничной лесозаготовительной машины, является важной практической задачей.

Повышение технического уровня и разработка новых высокоэффективных лесных машин требуют проведения фундаментальных исследований на базе математического моделирования и применения современных численных методов. Это позволит на стадии проектирования машин и их элементов достичь мирового уровня по главным показателям качества (техническим, экологическим, эргономическим, безопасности эксплуатации и обслуживания и др.); обеспечит их конкурентоспособность и эффективную эксплуатацию. В современных условиях проведение таких исследований требует разработки комплекса математических моделей, позволяющих на базе вычислительной техники моделировать функционирование систем "машина-среда" устанавливать характер и степень влияния всей совокупности факторов, отражающих воздействие как внешней среды на машину, так и конструктивных особенностей машины.

Улучшение эксплуатационных качеств трелевочных тракторов должно базироваться на всесторонних теоретических и экспериментальных исследованиях максимально приближённых к реальным условиям

эксплуатации. В основе теории и расчёта тяговых машин лежат фундаментальные исследования отечественных и зарубежных учёных в области автомобильного и тракторного машиностроения, проведенные академиком Е.А. Чудаковым, профессорами Е.А. Львовым, М.К. Кристи, Б.Н. Болтинским, М. Беккером и многими другими [60,61,62].

Одним из основных эксплуатационно-технических свойств гусеничной машины является надежность, оцениваемая по критерию усталостной долговечности.

Как отмечает В. П. Когаев, "... проблема предотвращения усталостных разрушений весьма актуальна для машиностроения, особенно в связи с быстрым ростом мощностей в одном агрегате (без существенного изменения габаритов машины), увеличения скоростных и силовых параметров рабочих процессов машины" [71].

По данным Д.Н. Решетова, повреждения и отказы усталостного характера для транспортных машин составляют порядка 50% всех причин выхода изделий из строя [72,73]. Опыт, накопленный при эксплуатации тракторов на лесозаготовках, позволил создать базу для теоретических основ проектирования. Теоретические основы проектирования и расчёта колесных и гусеничных лесозаготовительных машин заложены в трудах С.Ф. Орлова, A.M. Гольдберга, М.И. Зайчика, Г.М. Анисимова, В. Мельникова, Н.И. Библюка, В.М. Котикова. [43,44,45,46,47,29,48]. В работах Г.М. Анисимова, и В.М. Котикова показано, что нагрузки деталей трансмиссии лесосечных машин существенно отличаются от нагружения машины работающей в сельскохозяйственном производстве. Это различие определяет динамический характер нагружения действующий на детали машины.

Особенности эксплуатации трелевочных тракторов на лесозаготовках диктуют соответствующие требования к их узлам и, в частности, трансмиссиям.

Существующие методы оценки и расчета нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин обеспечивают выбор параметров элементов трансмиссии только исходя из необходимости преодоления ограничений по тяговым свойствам, не учитывая транспортные перемещения машин.

Конструкторы, не имея теоретических рекомендаций по созданию элементов трансмиссии гусеничных машин, ищут выход в усложнении конструкции трансмиссии. Однако оценить целесообразность усложнения технических решений не представляется возможным, поскольку нет аппарата оценки эффективности этих решений, хотя при этом бесспорным является снижение надежности и ухудшение обслуживаемости и ремонтопригодности трансмиссий.

Постоянного совершенствования расчетных методов исследования нагруженности узлов и деталей современных гусеничных машин требует так же и высокий уровень сложности их конструкции. Решение задач, связанных с расчетом возникающих в трансмиссии гусеничных машин нагрузок, вызвано необходимостью сократить время на доводочные испытания опытных вариантов конструкции. Длительность этого этапа определяется достоверностью данных, полученных на этапе проектировочных расчетов.

Чем большая информация по нагрузочным параметрам может быть получена на этом этапе, тем меньшее время затрачивается на доводку конструкции. Таким образом, задача методик расчета и оценки нагруженности трансмиссии гусеничных машин состоит в получении достоверных данных на этапе проектирования.

Требования к расчетным методикам, способным решить эту задачу, вытекают из особенностей проектировочного расчета гусеничных машин. Ясно, что на этом этапе исследователь имеет в своем распоряжении только самые общие данные о проектируемой конструкции. Поэтому более правомерным является оценочный подход, при котором обоснованно устанавливаются ограничения для нагрузок в проектируемой конструкции, что позволяет провести "гарантированный" расчет трансмиссии гусеничных лесозаготовительных машин. Следовательно, методики расчета нагруженности на этапе проектирования должны давать информацию о верхних и нижних границах нагрузок в проектируемой конструкции, возникающих в процессе эксплуатации.

В реальных условиях эксплуатации из-за изменения внешних условий в широком диапазоне работа трансмиссии происходит в различных нагрузочно-

скоростных режимах, с частой переменой структурного состояния трансмиссии. При этом изменяется не только степень загрузки того или иного элемента, но и уровень параметров колебательных и переходных процессов и соответственно величины крутящих моментов на элементах трансмиссии.

При анализе нагруженности трансмиссии режимы работы обычно подразделяют на установившийся (стационарный) и переходной.

Нагрузки при установившихся режимах в основном складываются из момента обусловленного внешними условиями движения и момента сил упругости, обусловленного крутильными колебаниями. Основными возбудителями крутильных колебаний в трансмиссии являются поршневой двигатель внутреннего сгорания и гусеничный движитель. В некоторых случаях в роли возбудителя выступают зубчатые зацепления и соединения (муфты). Момент сил упругости наиболее часто характеризуется суммарной амплитудой Тда и основной частотой V его изменения. Для современных трансмиссий с поршневыми двигателями специальными приемами удается снизить уровень момента сил упругости или вывести резонансные зоны из рабочего диапазона частоты вращения вала двигателя. Роль гусеничного движителя как возбудителя крутильных колебаний повышается с ростом удельной мощности гусеничных лесозаготовительных машин из-за увеличения продолжительности ее работы в диапазоне повышенных скоростей.

В большинстве случаев амплитуда момента сил упругости на входных элементах трансмиссии (входном редукторе и коробке передач) соизмерима или превышает средний (полезный) крутящий момент. Это приводит к раскрытию или даже перекладке зазоров в зубчатых соединениях и зацеплениях выходного редуктора и коробки передач. Известно, что продолжительное время трансмиссия работает в переменном скоростном и силовом режимах. Это несколько снижает роль вынужденных крутильных колебаний в формировании нагрузок, оказывающих разрушающее воздействие на основные элементы трансмиссии.

Динамические нагрузки, возникающие при переходных режимах работы, часто имеют явно выраженный пиковый характер изменения. Эти нагрузки

обусловливаются воздействием на отдельные массы системы возмущающих крутящих моментов со стороны фрикционных узлов и достигают значительного уровня при переключении передач для всех основных сборочных единиц трансмиссии. Из-за большого количества включений механизма поворота нагруженность элементов при повороте для гусеничных лесозаготовительных машин имеет наибольшее значение в общем спектре нагрузок. Путем подбора закона изменения давления, сжимающего диски, или введения податливых связей двигателя с трансмиссией можно уменьшить динамические нагрузки при переходных режимах. Этими приемами удается снизить максимальный уровень динамических нагрузок на 15-30 %.

На выходных элементах трансмиссии при переходных режимах работы действуют также значительные нагрузки от внешних условий, которые могут иногда превышать уровень, определяемый коэффициентом сцепления гусениц с грунтом. Следует отметить, что практически для всех трансмиссий характерен более высокий уровень динамической нагруженности элементов трансмиссии при выходе из поворота и при смене знака кривизны при движении по синусоидальной траектории.

Таким образом, крутящий момент М, нагружающий элементы трансмиссии, можно представить в виде суммы:

м=мт+м8,

где Мт - средняя (полезная) составляющая крутящего момента, обусловленная внешними условиями движения гусеничной лесозаготовительной машины;

- динамическая составляющая крутящего момента, обусловленная воздействиями периодического (возбуждается работой поршневого двигателя внутреннего сгорания, зацеплением ведущего колеса с гусеницей и др.) и апериодического (вызывается, например, переходными процессами в моторно-трансмиссионной установке) характера.

Учитывая изложенное, следует констатировать, что актуальными являются научные исследования, направленные на более глубокое изучение

факторов, влияющих на нагруженность трансмиссий ГЛЗМ, и разработки на этой базе научно-обоснованных методов и технических решений, позволяющих не только более достоверно учесть нагрузки при расчетах, но и разработать рекомендации, обеспечивающие снижение нагруженности и повышение эксплуатационных показателей трансмиссий ГЛЗМ.

Цель работы заключалась в совершенствовании расчетных моделей нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин и уточнении методов расчета нагруженности элементов трансмиссии от внешних условий движения, обеспечивающих обоснование выбора и оценку параметров элементов трансмиссии на стадиях проектирования и испытания ГЛЗМ.

Исходя из выше изложенного были сформулированы следующие задачи:

1. Обосновать необходимость совершенствования расчетных моделей нагруженности трансмиссий гусеничных лесозаготовительных машин в зависимости от внешних условий движения;

2. Провести анализ внешних воздействий на ГЛЗМ и существующих методов расчета и оценки нагруженности элементов трансмиссии с позиций их возможности решения практической задачи обоснования выбора и оценки параметров элементов трансмиссии;

3. Провести усовершенствование методики расчета нагруженности элементов трансмиссии ГЛЗМ по внешним условиям движения;

4. Определить зависимости между показателем нагруженности элементов трансмиссии и характеристиками внешних условий движения, а также влияние на них режимов движения и конструкционных особенностей машины;

5. Разработать рекомендации по применению методики расчета нагруженности элементов трансмиссии на стадиях разработки машины и