Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Горбачев, Александр Владимирович

• Горбачев, Александр Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Горбачев, Александр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .Ц

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

2.1 Предварительные замечания.31.

2.2 Классификация гусеничных обводов ходовой части.

2.2.1 Беспальцевые гусеничные обводы.33.

2.2.2 Ленточные гусеничные обводы. .34.

2.2.3 Гусеничные обводы с цилиндрическими резинометаллическими шарнирами.34.

2.3 Условия нагружения резиновых элементов шарнирных соединений.4.9.

2.4 Свойства резин как конструкционного материала.53.

2.5 Результаты испытании гусениц с резинометаллическими шарнирами

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность и оптимальное проектирование резинометаллических шарнирных соединений гусеничных цепей»

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

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

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

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

Возрастание скоростного режима приводит к тому, что в гусеничном движителе реализуются виброударные режимы нагружения. Последние возникают как в силу принципиального устройства (звенча-тость гусеничного обвода), так и вследствие наличия конструктивных и технологических зазоров, а также обусловливаются взаимодействием с сельскохозяйственными агрегатами. Виброударные режимы в гусеничном движителе приводят к возрастанию динамических напряжений и снижению усталостной прочности отдельных узлов. Кроме того, ударные нагрузки и вибрация механизмов движителя, имеющих зазоры в кинематических парах, приводят к возрастанию энергетических потерь и снижению к.п.д. всего движителя. Источниками диссипации энергии являются механизмы с большим количеством зазоров (гусеничный обвод), при этом доля рассеиваемой им энергии оказывается весьма значительной. Наконец, возрастание уровня вибраций в гусеничном обводе приводит к разрушению грунта, что существенно увеличивает коэффициент буксования трактора.

Быстрый абразивный износ открытых шарниров, вибраций гусеничного обвода, повышенные потери в ходовой части настолько существенны для энергонасыщенных тракторов, что уже первые эксплуатационные испытания современных гусеничных тракторов (ДТ-175С, Т-150, Т-250) показали полную несостоятельность применения традиционных серийных конструктивных схем гусеничного движителя.

Одним из реальных путей преодоления отмеченных негативных факторов является использование в конструкциях узлов и механизмов движителя силовых резинометаллических элементов. Опыт транспортного машиностроения и эксплуатационные испытания сельскохозяйственных гусеничных тракторов показывают, что резинометаллические блоки натяжного устройства, амортизаторы балансирных кареток, обрезиненные опорные катки и звенья обеспечивают существенное снижение нагруженности элементов ходовой части и способствуют улучшению тягово-динамических качеств гусеничной машины. Являясь высокоэластичным и вязкоупругим материалом, резина позволяет реализовать большие относительные смещения отдельных деталей узлов, гашение динамических нагрузок и ударных воздействий, причем внешнее трение металлических пар в условиях абразива заменяется внутренним трением резины. В то же время, за счет резкого увеличения долговечности элементов движителя, происходит снижение объема запчастей, необходимого для обеспечения заданного срока службы машины. Эти выводы в равной степени приемлемы и сельскохозяйственным тракторам, однако, они недостаточно серьезно рассматривались вплоть до недавнего времени, пока не были предложены конструктивные решения, имеющие низкую стоимость, и стали более доступными технологические процессы изготовления РТИ. Проведенные к настоящему времени ведомственные и государственные испытания сельскохозяйственных тракторов класса 3 с резинометаллическими шарнирными соединениями гусеничной цепи показали ряд преимуществ, способных устранить недостатки гусеничного движителя с металлической цепью. Несомненно, дальнейший прогресс в совершенствовании гусеничных движителей неразрывно связан с внедрением в их конструкции силовых резиноме-таллических элементов.

Проектирование перспективных конструкций гусеничных движителей с силовыми резинометаллическими элементами требует отчетливых представлений о характеристиках используемых в нем эластомер-ных элементов и их влиянии на всю ходовую систему. Разработка методов теоретической оценки динамической нагруженности, определения параметров напряженно-деформированного состояния и изучения процесса разрушения дает возможность составления научно обоснованных норм проектирования силовых резинометаллических элементов гусеничного движителя. Без цифровых данных трудно обоснованно подходить к решению задач оптимизации гусеничного движителя с резиноме-таллическими элементами с точки зрения как качества, так и затрат на изготовление. Несомненно, заключение о долговечности конкретного изделия в конкретных условиях эксплуатации может быть дано и на материале стендовых испытаний. Однако, эти данные сразу оказываются бесполезными при изменении конструктивных параметров или эксплуатационных условий. Кроме того, до настоящего времени не имеется достаточно надежных критериев эквивалентности эксплуатационных и стендовых испытаний. Что же касается задачи оптимального проектирования, то здесь эмпирический путь вовсе непригоден в силу высокой стоимости эксперимента при многовариантном переборе параметров. Таким образом, наибольший удельный вес в процессе конструкторской работы приобретает математическое моделирование поведения эласто-мерных деталей вплоть до разрушения.

Проведение расчетов силовых резинометаллических элементов при статических, динамических, ударных, тепловых воздействиях является сложным, даже если каждая из частных задач, с точки зрения узкоспециальной, может считаться разрешимой с относительно малыми трудностями. Это является следствием большого разнообразия и взаимосвязанности факторов, обусловливающих механическое поведение резиновых элементов в гусеничном движителе, и требует систематического и комплексного изучения свойств резинометаллических элементов шарнирных соединений с учетом конструкторско-технологических и эксплуатационных факторов.

Необходимо отметить, что теория механического поведения резинометаллических элементов гусеничного движителя находится лишь на стадии становления. Имеющиеся результаты теоретических и экспериментальных исследований весьма разрозненны, а вследствие различия в методиках и в степени их корректности не всегда сопоставимы. Несмотря на тридцатилетний срок исследований в области расчета резинотехнических изделий, до настоящего времени нет еще единого мнения по ряду вопросов, имеющих научное и прикладное значение: например, о влиянии начальных деформаций резиновых элементов на характеристики изделия при вторичных деформациях, о характере разрушения резиновых элементов, работающих в условиях больших деформаций, о влиянии резиновых элементов на нагруженность металлических деталей гусеничного движителя.

Методы расчета изделий из резиноподобных материалов обладают рядом весьма специфических особенностей, как правило, неизвестных инженерам-конструкторам. Несколько монографий, обобщающих методы получения решений в задачах статических расчетов резинометалли-ческих изделий, содержат массу примеров расчета конкретных изделий, которые невозможно применить к гусеничному движителю. Кроме того, эти книги не включают результатов многих исследований, опубликованных в научной периодике. Разбросанность этих материалов и форма представления делают их неприемлемыми в конструкторской практике. Кроме того, имеющиеся публикации не учитывают особенностей эксплуатации резинометаллических элементов в гусеничных движителях. В периодической печати имеются лишь разрозненные статьи по расчету силовых резинометаллических элементов применительно к гусеничным движителям.

Введение в гусеничный движитель резинометаллических элементов приводит к необходимости существенно изменять конструкции сопрягаемых металлических элементов. Так, установка в гусеничном обводе резинометаллических шарнирных соединений привела к значительному конструктивному изменению звеньев и пальца соединяющего их, т.е. изменилось число и диаметр проушин, длина шага, были введены металлические ограничители радиальной деформации и т.д. Подобные конструктивные изменения и требование снижение металлоемкости гусеничного обвода вызывают необходимость в использовании методов оптимального проектирования, которые в настоящее время для металлических элементов гусеничного обвода, а также для резиновых элементов практически отсутствуют.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

13

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

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

В восьмой главе приведены выводы по работе.