Разработка научных методов повышения проходимости по снегу особо легких гусенечных машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

18

РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПРОХОДИМОСТИ ПО СНЕГУ ОСОБО ЛЕГКИХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

АНИКИН АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

2010

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е.Алексеева на кафедре «Автомобили и тракторы»

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.Ф. Васильченков

доктор технических наук, профессор Н.С. Вольская

доктор технических наук, профессор В.Н. Наумов

Ведущая организация: ОАО «Научно-исследовательский тракторный институт НАТИ»

Защита диссертации состоится «21» декабря 2010года в «____» часов на заседании диссертационного совета Д212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина 24, Первый учебный корпус, ауд. 1307

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета

Автореферат разослан « » __________ 2010года

Отзыв на автореферат с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Дальнейшее развитие и освоение районов Севера, Сибири и Дальнего Востока во многом связано с удовлетворением разнообразных транспортных потребностей при геологоразведке, нефте- и газодобыче, промышленном и дорожном строительстве, обслуживании предприятий энергетики и связи, сельского и лесного хозяйства, устранении чрезвычайных ситуаций. Решение данной проблемы затрудняется рядом причин, одной из которых является чрезвычайно суровые климатические условия нашей страны. Около 90 процентов территории России на длительный срок устойчиво покрываются снегом, на Европейском и Сибирском Севере снежный покров лежит семь месяцев, а на Крайнем Севере - 8-9 месяцев. В ряде районов среднемноголетняя максимальная высота снежного покрова достигает 1,2 м. Такая длительность, устойчивость, и весьма большая глубина залегания снежного покрова является существенной особенностью климата нашей страны и оказывает большое влияние на её экономику и образ жизни населения. Следует отметить, что теория движения гусеничных машин по деформируемым грунтам на сегодняшний день разработана достаточно хорошо как зарубежными, так и отечественными исследователями. Однако вопросы передвижения гусеничных машин по снежным поверхностям освещены недостаточно.

Вместе с тем, следует отметить, что создание новых гусеничных машин, обоснование выбора рациональных параметров ходовой части на стадии проектирования требует новых теоретических разработок и методов расчета. Поэтому, работа, посвященная обоснованию технических решений, позволяющих существенным образом повысить проходимость гусеничных машин по снегу, является актуальной.

Основные научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки по теме диссертации выполнялись в рамках работ по созданию гусеничных машин в НИИ транспортных машин и транспортно-технологических комплексов НГТУ и ЗАО «Завод вездеходных машин».

Цель работы. Повышение проходимости гусеничных машин по снегу на основе комплекса экспериментально-теоретических исследований и опытно-конструкторских работ.

Научная новизна. Проведен анализ деформационных и фрикционных свойств снега для расчета проходимости машин; рассмотрена физическая картина процесса сдвига и зафиксировано образование «клина скольжения»; найдены конкретные значения коэффициента трения поверхности «снег-резина»; проведено обоснование выбора расчетных параметров снега; обоснована математическая модель взаимодействия гусеничного движителя со снегом; показана правомерность решения квазистатической задачи при движении гусеничной машины в условиях снежной целины; теоретически обосновано и экспериментально проверено выражение для определения упорной реакции снега; разработаны алгоритм, программа и метод расчета проходимости гусеничных машин по снегу; показано влияние наиболее существенных параметров ходовой части, определяющих проходимость машин по снегу - ширины гусеницы, базы, дорожного просвета, максимального пикового давления; проведено расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование применимости эластичных уширителей гусениц для повышения проходимости машин по снегу; теоретическими и экспериментальными исследованиями доказана целесообразность применения навесных гусеничных движителей для повышения проходимости колесных машин по снегу.

Объекты исследований. На разных этапах работы в качестве объектов исследований использовались гусеничные машины НГТУ-2901, ЗВМ-2410 «Ухтыш», ЗВМ12411 «Узола», ЗВМ-3401 «Унжа», гусеничные машины Заволжского завода гусеничных тягачей (ГАЗ-3403, ГАЗ-3402, ГАЗ-3409 «Бобр»).

Методы исследований. При проведении теоретических исследований использованы методы механики грунтов, численные методы решения систем нелинейных уравнений, метод конечных элементов, методы математической статистики. Экспериментальные исследования выполнялись на серийных машинах, опытных образцах, ходовых макетах и стендах.

Основные положения, выносимые на защиту:

Деформационные и фрикционные свойства снежного покрова математическая модель взаимодействия гусеничного движителя со снежным полотном пути;

особенности взаимодействия гусеничного движителя со снежным полотном пути при формировании силы тяги и сопротивления движению; алгоритм, программа и метод расчета проходимости гусеничных машин по снегу. гусенечный машина снег сопротивление

Расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование применимости эластичных уширителей и съемных гусениц для повышения проходимости машин по снегу; рациональный метод выбора конструктивных параметров ходовой части.

Практические рекомендации и конструктивные решения, направленные на повышение проходимости гусеничных машин по снегу; созданное по результатам исследований семейство легких гусеничных машин.

Достоверность результатов. Экспериментальными исследованиями, проведенными на серийных машинах, опытных образцах, стендах и установках, установлена справедливость физических представлений и теоретических положений, обоснованность допущений и адекватность математических моделей.

Практическая ценность. Разработанная математическая модель и метод расчета позволяют произвести оценку проходимости гусеничных машин по снегу, наметить пути ее повышения и обосновать технические решения существенным образом повышающих проходимость гусеничных машин по снегу.

Реализация работы. Теоретические разработки, методики расчетов, технические предложения, практические рекомендации внедрены при создании новых и модернизации существующих конструкций машин в НИИ транспортных машин и транспортно-технологических комплексов, ЗАО «Завод вездеходных машин», ОАО «ГАЗ», ОАО «Заволжский завод гусеничных тягачей» и используются в учебном процессе на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

Результаты работ вошли в монографии: “Проходимость гусеничных машин по снегу” (Н.Новгород.: Изд-во ОМЕГА, 2009. - 362с.), “Теория передвижения колесных машин по снегу” (М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 240 с.).

Апробация работы. Отдельные этапы и основное содержание работы докладывались на всесоюзном семинаре по колесным и гусеничным машинам, г. Москва, 1989 г.; международной научно-технической конференции «Развитие транспортно-технологических систем в современных условиях», г. Н.Новгород, 1997г.; Всероссийской научно-технической конференции «Транспортно-технологические машины» (Н.Новгород,2004 г); международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» (Н.Новгород, 2005г); на 4-ом Международном Автомобильном Научном Форуме (МАНФ) «Научные, конструкторские и технологические достижения отечественного автомобилестроения» (Москва, 2006г); научном семинаре кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана «Проектирование колесных машин» (Москва, 2006г); на научно-технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2008 г.).

Квалификационная формула работы. Диссертационная работа является самостоятельной научной работой, в которой на основании выполненных автором исследований изложены положения, которые можно квалифицировать, как совокупность научно обоснованных технических решений, заключающихся в обосновании и разработке научных методов повышения проходимости по снегу особо легких гусеничных машин. Внедрение технических решений при создании семейства легких гусеничных машин вносит значительный вклад в решение народно-хозяйственных и социальных задач в условиях Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также в повышение обороноспособности страны.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 монографии, 33 научные работы, 1 патент на промышленный образец, 6 патентов на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений. Изложена на 302 страницах компьютерного текста, содержит 113 рисунков, список использованных источников - 288 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе проведен анализ ранее выполненных работ по теме диссертации. Необходимо подчеркнуть, что приоритет разработки теории взаимодействия движителей с полотном пути и проходимости транспортно-технологических средств принадлежит в большинстве случаев отечественным ученым. Особенно следует отметить работы, которые выполнили: Я.С. Агейкин, П.В. Аксенов, А.С. Антонов, Д.А.Антонов, В.Я. Анилович, И.Б. Барский, Б.Н. Белоусов, И.Н. Бескин, А.К. Бируля, В.Ф. Бобков, Н.Ф. Бочаров, Г.В. Безбородова, В.Ф. Васильченков, Н.С. Вольская, Г.И. Гладов, В.П.Горячкин, Н.И. Груздев, В.В. Гуськов, А.В. Денисов, А.А. Дмитриев, Н.А. Забавников, В.В. Кацигин, Л.А. Кемурджиан, В.И. Красненьков, М.Н. Коденко, И.П. Ксеневич, Г.О. Котиев, Г.М. Кутьков, М.К. Кристи, Н.Ф. Кошарный, В.Н. Кравец, В.В. Ларин В.С. Лихачев, А.С. Литвинов, Львов, В.Н. Наумов, О.А. Никитин, Р.А. Опейко, Ю.В. Пирковский, В.Ф. Платонов, А.Ф. Полетаев, В.М Семенов, Л.В. Сергеев, Г.А. Смирнов, В.А. Скотников, А.П. Софиян, Н.А. Ульянов, Б.С.Фалькевич, Я.Е. Фаробин, М.П. Чистов, Е.А. Чудаков.

Из зарубежных ученых наибольший интерес представляют работы: М.Беккера, Д.Вонга, А.Рииса, З.Джанози, Б.Ханомото, Д.Эллиса, А.Янте.

К исследованиям в области взаимодействия гусеничного движителя со снегом и проходимости машин по снежной целине следует отнести работы, выполненные: И.П.Аболем, А.С.Антоновым, Л.В.Барахтановым, В.В.Беляковым, И.С.Ветчинкиным, В.Г.Гмошинским, И.В. Крагельским, А.А.Крживицким, А.П.Куляшовым, В.А.Малыгиным, А.П.Маевским, Г.С.Мигиренко, В.И.Пановым, Э.А. Поздеевым, С.В. Рукавишниковым, Л.С.Филатовым, А.С.Ширковым, В.М.Янкиным.

Первыми монографиями, в которых изложены вопросы передвижения автотранспорта по снегу, являются работы А.А.Крживицкого, опубликованные в 1926, 1930, 1949 годах. В них рассматриваются снег, как полотно пути; основные типы конструкций моторных саней и другие приспособления для механического передвижения по снегу; различные виды движителей.

Значительный вклад в развитие методов расчета и теории взаимодействия движителя с полотном пути внесло проведенное 24 - 28 мая 1948 г. АН СССР совещание по проходимости колесных и гусеничных машин по целине и грунтовым дорогам.

В 1959г. В.Ф. Бабковым, А.К. Бируля, В.М. Сиденко была опубликована монография, целиком посвященная проходимости колесных машин по грунту. В книге рассматривается проблема проходимости колесных транспортных, строительных и тяговых машин по грунту.

Важным этапом в развитии теории и расчета проходимости автомобилей является выход в 1972 и в 1981 г.г. монографий Я.С. Агейкина. Показаны аналитические и экспериментальные методы оценки проходимости автомобилей, проведен анализ конструктивных элементов автомобиля. В целом, данные монографии оказали существенное влияние на дальнейшие работы в области проходимости автомобилей.

Далее следует отметить значительный вклад в развитие теории снегоходных машин одного из основателей Нижегородской научной школы С.В.Рукавишникова. В 1946-1951 годах совместно с А.Ф.Николаевым начаты серьезные исследования в области снегоходных машин по заказу Горьковского автомобильного завода, были разработаны и построены опытные образцы снегоболотоходных машин.

Заметным вкладом в развитие теории взаимодействия гусеничного движителя со снегом стала монография «Снегоходные машины», опубликованная сотрудниками лаборатории вездеходных машин НГТУ в 1986г. [232] и докторская диссертация Л.В.Барахтанова [32]. В них рассмотрены вопросы формирования снежного покрова и физические процессы, протекающие в нем, теоретически обоснована зависимость деформации снега от величины нагрузки и высоты снежного покрова. Предложена модель для определения эпюры давления гусеничного движителя на снег и определение на этой основе сопротивление движению гусеничной снегоходной машины.

Важным вкладом в развитие теории взаимодействия движителей транспортно-технологических машин с полотном пути стала фундаментальная работа В.Н.Наумова, посвященная формализации моделей взаимодействия движителя различной конструкции с опорными основаниями различных типов. В ней разработаны методологические основы такой формализации, которая включает в себя: формализацию модели грунтового основания; формализацию модели выбранного типа движителя; определение сил и моментов, действующих на движитель при взаимодействии его с грунтом.

Крупной работой (1999г.), является докторская диссертация В.В.Белякова, которой рассмотрены эксплуатационные свойства транспортных средств, как функции параметров взаимодействия движителя с полотном пути, математические модели полотна пути, движителя и процесса их контактного взаимодействия эластичных движителей со снежным полотном пути и проходимости специальных машин на этих движителях по снегу.

В 2006г. опубликована монография Донато И.О. [88] «Проходимость колесных машин по снегу». В книге рассмотрены: физико-механические свойства снега, взаимодействие колесного движителя со снегом, представлена математическая модель движения колесной машины по снежной целине.

Из последних разработок следует отметить работы В.В.Ларина, Н.С. Вольской и В.И. Котляренко.

В работе В.В.Ларина рассмотрены методы анализа и прогнозирования параметров опорной проходимости многоосных колесных машин на местности с преобладающим количеством деформируемых опорных поверхностей. Предложены параметры взаимодействия эластичного колесного движителя и многоосного колесного транспортного средства с твердыми и деформируемыми опорными поверхностями при прямолинейном и криволинейном движении.

Работа Н.С. Вольской посвящена разработка методов расчета опорно-тяговых характеристик колесных машин по заданным дорожно-грунтовым условиям в районах эксплуатации. Предложена методика оценки показателей проходимости многоосных колесных машин с учетом динамического воздействия неровной грунтовой поверхности.

В монографии В.И. Котляренко изложены основные направления повышения проходимости колесных машин, приведены сведения о конструкциях конкретных устройств и механизмов, повышающих проходимость, дана их классификация. Показано влияние средств повышения проходимости на основные эксплутационные показатели колесных машин. К сожалению, с точки зрения рассматриваемого в диссертации вопроса, в указанных работах не рассмотрена проходимость машин по снегу.

Задачи исследования В соответствии с поставленной целью и проведенным обзором состояния вопроса были определены следующие основные задачи данной работы:

- на базе комплексного изучения системы « снежное полотно пути - машина» разработать математическую модель взаимодействия гусеничного движителя со снежным полотном пути;

- разработать алгоритм, программу и методику расчета сил сопротивления движению, включающих в себя силу сопротивления, обусловленную деформацией снежного полотна пути под катками гусеничной машины; силу сопротивления, обусловленную дополнительной деформацией снега, выдавливаемого в межкатковое пространство; силу сопротивления движению за счет деформации снега днищем машины; силу сопротивления движению за счет трения днища о снег;

- обосновать расчетные зависимости для определения сопротивление снега сдвигу и рассмотреть особенности взаимодействия гусеничного движителя со снежным полотном пути при формировании силы тяги;

- обосновать расчетные параметры снега необходимые для определения силы сопротивления движению, силы тяги и оценки проходимости гусеничных машин: зависимость нагрузка-осадка при вертикальной деформации снега, сопротивление снега сдвигу, его фрикционные свойства;

- произвести оценку влияния конструктивных параметров ходовой части и обосновать пути повышения проходимости гусеничных машин при движении по снегу;

- произвести расчетно-теоретическое и экспериментальное обоснование применимости гусениц с эластичными уширителями для повышения проходимости машин по снегу; разработать математическая модель деформированного состояния эластичного уширителя гусениц в геометрически и физически нелинейной постановке; создать алгоритм, вычислительную, программу и методику расчета;

- обосновать целесообразность применения съемных гусениц для повышения проходимости колесных машин по снегу;

- провести на серийных машинах, опытных образцах, ходовых макетах и стендах комплекс экспериментальных исследований для проверки теоретических разработок, методов и средств повышения проходимости гусеничных машин по снегу;

- внедрить результаты исследований при создании новых и модернизации существующих конструкций гусеничных машин.

Во второй главе рассмотрены основные физико-механическим свойствам снега как полотна пути, т. е. как среды, с которой взаимодействует движитель: плотность, твердость, коэффициент жесткости, фрикционные свойства, связность, влажность. В результате обработки экспериментальных данных по физико-механическим свойствам снега получены уравнения связи параметров состояния снежного покрова.

Если рассматривать снег в системе «местность - машина», то к наиболее важным характеристикам, определяющим сопротивление движению, тяговые свойства и проходимость машины, относятся зависимость деформации снега от нормальной нагрузки, сопротивление снега сдвигу и фрикционные свойства снега.

В качестве зависимости деформации снега от нормальной нагрузки была выбрана формула Малыгина В.А. Такой выбор объясняется тем, что она основана на обширных экспериментальных исследованиях, которые проводились на реальном снежном покрове несколько лет подряд и в течение всего зимнего периода, а это позволило получить богатый экспериментальный материал по вертикальной деформации снега. Кроме того, она неоднократно проверена на практике. Зависимость, характеризующая взаимосвязь между давлением q и деформацией h записывается в виде:

(1)

где г - коэффициент начальной жесткости снега, характеризующий удельное сопротивление снега сжатию, представляет собой коэффициент жесткости (Н/м³) в начальной стадии деформации;

h _max - коэффициент, характеризующий величину деформации снега при давлениях, соответствующих максимальному уплотнению (м).

Зная легко определяемые параметры (начальную плотность снега с₀ и его начальную жесткость г), определяется глубина погружения штампа на снежной целине заданной высоты Н в зависимости от нагрузки.

Процесс сдвига разделяют на три или два этапа в зависимости от типа снега. На первом этапе происходит частичное уплотнение снежной массы в области контакта со штампом, деформация связей и формирование поверхности скольжения. Сопротивление сдвигу на этом этапе, как правило, резко возрастает. Завершается этап полным формированием поверхности скольжения. Тот массив снега, который находится между указанной поверхностью и поверхностью штампа, называют «клином скольжения». На втором этапе происходит разрушение первичных связей в снежном массиве, нарушение структуры снега, возникает скольжение сформированного клина. Величина сопротивления сдвигу резко падает. На третьем этапе происходит постоянное возникновение и разрушение новых связей, формирование и разрушение нового клина скольжения. Данный процесс характерен для связных и фрикционно-связных снегов. Для фрикционных снегов характерен непосредственный переход от первого этапа сдвига к третьему.

Рассмотренная физическая картина неоднократно подвергалась сомнению, при этом указывалось, что не видно ни поверхности скольжения, ни образования клина. Поэтому автором настоящей работы были проведены экспериментальные исследования сопротивления сдвигу в условиях снежной целины. Проведенный эксперимент полностью подтвердил физическую картину образования клина скольжения при сдвиге снега.

Вместе с тем эксперимент показал количественное расхождение расчетных и опытных данных при определении силы тяги. Силу, реализуемую единичным траком движителя в контакте со снежным полотном F_т, можно представить в виде суммы составляющих, обусловленных следующими видами трения (рис.1.1):

1) поверхностей снег-снег по линии c₀b a - F_гор;

2) боковых поверхностей снег-снег по плоскости d c₀b a - F_бок;

3) снег-движитель по боковой поверхности cd-F_cd,

4) снег-движитель по боковой поверхности da-F_da,

5) снег-движитель по плоскости с (основание грунтозацепа) - F_c.

Рис. 1 Схема расчёта упорной реакции 1-трака с грунтозацепом; 2- уширителя гусеницы

Таким образом, суммарная реакция со стороны снега, реализуемая единичным грунтозацепом (траком), равна:

F_т=F_гор + F_бок + F_cd+ F_da + F_c

В работе «Снегоходные машины» (Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1986) получены выражения для определения этих сил. Вместе с тем, при определении силы тяги, авторы без каких-то обоснований говорят, что величинами F_cd, F_da, F_c можно пренебречь, т.к. их сумма не превышает 5%., т.е. оставляют две составляющие F_гор и F_бок.

Рассмотрено соотношение между принятыми для расчета составляющими F_п= F_гор+F_бок и исключенными F₀= F_cd+F_da+F_c. На рис.2 приведены результаты расчета данных составляющих. Из графиков отчетливо видно, что отброшенные составляющие F вносят заметный вклад в формирование примерной реакции со стороны снега, который составляет 1417%, в отличие от указанных в работе менее 5%.

Рис. 2 Зависимости F_п и F_о от ширины трака

1 - q = 10кПа; 2 - q = 20кПа; 13 - q = 30кПа.

Аналогичные результаты получены для различных значений ширины трака. Теперь становится понятным появление постоянной ошибки при сравнении опытных и расчетных данных, выявленной при проведении экспериментальных исследований.

Дополнительно, при расчете силы тяги, необходимо учитывать конструктивные особенности гусеничного движителя. Так, в случае установки уширителей, необходимо включить в расчет дополнительные составляющие, обусловленные взаимодействием уширителя с полотном пути. Эти реакции определяются по следующим зависимостям:



(2)

,

где с - связность материала уширителя со снегом,

с_б - связность снега,

tgц - коэффициент трения материала уширителя по снегу.

Таким образом, проведенный анализ показал, что при определении силы тяги, реализуемой при взаимодействии гусеничного движителя со снежным полотном пути, необходимо учитывать все пять составляющих суммарной реакции снега, и пользоваться выражением (2) в его полном, не усеченном виде.

Рис. 3 Зависимость удельной силы трения от давления

Для оценки фрикционных свойств снега вводится понятие удельной силы трения =c + q tg_, (c - связность трущихся поверхностей кПа; tg_,- коэффициент трения, не зависящий от нагрузки) и строится график зависимости от q.(рис.3).

Используя данные В.И. Панова, С.В. Рукавишникова, З.И. Талантовой и работы автора, были получены следующие соотношения:

Для сухого свежевыпавшего снега:

углеродистая сталь =0,110+0,167q;

нержавеющая сталь =0,059+0,139q ;

дюралюминий =0,091+0,095q.

Для влажного перекристализованного снега:

углеродистая сталь =0,221+0,167q;

нержавеющая сталь и дюралюминий =0,121+0,115q.

Для сверхнизких температур:

углеродистая сталь фторопласт

t=-30°С =0,98+0,162q; =0,405+0,092q ;

t=-40 °С =1,203+0,187q; =0,502+0,116q ;

t=-54 °С =1,330+0,316q; =0,843+0,152q.

Проведено обоснование выбора расчетных параметров снега, определяющих сопротивление движению, тяговые свойства и проходимость машины в целом. Приведены зависимости нагрузка - осадка (рис.4), нагрузка - сдвиг (рис.5), и предлагаются численные значения для четырех типов снега:

1. с = 0,15 г/см³ г = 20 кПа/м с = 0,5 кПа tgц = 0,25

2. с = 0,20 г/см³ г = 30 кПа/м с = 1,0 кПа tgц = 0,30

3. с = 0,25 г/см³ г = 50 кПа/м с = 2,5 кПа tgц = 0,33

4. с = 0,30 г/см³ г = 100 кПа/м с = 5,0 кПа tgц = 0,36

Рис. 4 Зависимость нагрузка - осадка

Рис. 5 Сопротивление снега сдвигу

В третьей главе рассматривается обоснование расчетной модели взаимодействия гусеничного движителя со снегом; распределение нагрузок по опорной поверхности гусеничного движителя; сопротивление движению гусеничной машины по снегу; образование колеи и составляющие сопротивления движению.

При движении по снежному полотну пути гусеничная машина как динамическая система испытывает возмущение, которым является снежный покров. Поскольку твердое основание, на которое ложится снег, является случайной поверхностью, то и поверхностью снежного полотна пути также является случайной поверхностью. Кроме того, снегоходная машина является динамической системой с обратной связью, т.к. в результате ее воздействия на возмущение оно изменяется (возникает колея). Решение такой сложной динамической системы выходит за рамки настоящей работы. Рациональный выбор математической модели зависит от постановки задачи. Поскольку в работе решалась конкретная научно-практическая проблема - повышение проходимости гусеничных машин по снегу, то было признано целесообразным, рассмотреть упрощенную модель. При этом были сделаны следующие основные допущения. Поверхность снежного покрова считается плоской, движение машины происходит по полотну пути с достаточной (но конечной) глубиной снежного покрова, т.е. влияние микропрофиля подстилающей поверхности не учитывается, и колебания корпуса отсутствуют, т.е. рассматривается квазистатическая задача. Для оценки данного допущения воспользуемся данными уникального эксперимента, проведенного в ОНИЛ ВМ. В силу ряда объективных и субъективных причин результаты эксперимента не были обработаны и опубликованы. Автору любезно предоставили мне возможность обработать и проанализировать данные испытаний. Суть эксперимента заключалась в следующем. Были выделены четыре трассы движения: ровные луга, малопересеченная местность, среднепересеченная местность и сильнопересеченная местность. В летних условиях на этих трассах были проведены экспериментальные исследования плавности хода ряда машин. Затем в течение зимних периодов по этим же трассам движения по мере выпадения снега проводились повторные заезды, в результате которых получены записи ускорений корпуса при различной глубине залегания снежного покрова. Автором настоящей работы были обработаны и проанализированы данные записи. На рис.6 представлена зависимость среднеквадратических значений ускорений корпуса от высоты снега. Графики наглядно показывают, что, начиная с некоторой глубины снежного покрова уровень ускорений корпуса, становится одинаковым для всех испытательных трасс, хотя среднеквадратическое значение высот неровностей на ровных лугах составляет 3,5см, а на сильнопересеченной местности 13,9см. Это показывает, что подстилающая поверхность (микропрофиль пересеченной местности) не влияет на движение машины по глубоким снегам и доказывает провомерность сделанного допущения.

Рис. 6 Зависимость ускорений корпуса гусеничной машины от высоты снега: 1, 2,3, 4- ровная, мало-, средне-, сильнопересечённая местность

Указанное допущение не приведет к существенным погрешностям при анализе взаимодействия движителя со снегом в системе «среда - машина», т.к. проблема проходимости возникает при эксплуатации гусеничных машин в условиях снежной целины с большой глубиной залегания снега.

Для исследования взаимодействия движителя со снегом и расчета проходимости гусеничных машин необходимо знать распределение давления по опорной поверхности гусеничного движителя, так как оно определяет погружение машины, сопротивление движению и силу тяги.

Полагалось, что сила натяжения в набегающей на первый каток ветви гусеничного обвода и угол наклона передней ветви гусеничного движителя (рис.7) считаются постоянными в данном режиме движения. Сила тяги принималась равной упорной реакции снега, т.е. силе, которая может быть реализована в контакте с полотном пути.

Рис. 7 Схема распределения нагрузок

Предложенная модель сводится к определению непрерывного распределения нагрузки по опорной поверхности гусеничного движителя (рис.7). Для этого опорная поверхность условно разделяется на участки, находящиеся под катком, и на участки находящиеся между катками.

Распределение вертикальных и горизонтальных реакций по опорной поверхности гусеничного движителя получается из системы уравнений:

(3)

где - сила, передаваемая на гусеничный движитель через j-тый каток; - сила натяжения в набегающей на каток ветви гусеничного движителя; - сила натяжения в сбегающей с катка ветви гусеничного движителя; - углы охвата катка набегающей и сбегающей ветвями гусеницы;

b - ширина гусеницы; R - радиус катка;

q и - вертикальное давление и горизонтальная реакция.

Решение системы уравнений (3) позволяет определить распределение вертикальных и горизонтальных нагрузок по опорной поверхности гусеничного движителя, необходимых для расчета силы тяги и сопротивления движению.

Сила тяги, реализуемая в контакте с опорной поверхностью, равна:

(4)

где L_оп - длина опорной поверхности гусеницы; l- текущая координата по длине опорной поверхности.

Внешняя сила сопротивления движению Р_f включает в себя следующие составляющие:

Р_f =Р_fc+Р_fднд+Р_fдн.тр.+Р_кр + Р_w (5)

где Р_fc - сопротивление движению за счет вертикальной деформации снега гусеницей; Р_fднд - сопротивление движению за счет деформации снега днищем машины; Р_fдн.тр - сопротивление движению за счет трения днища о снег; Р_кр. - cила тяги на крюке; Р_w - сила сопротивления воздуха.

Рис. 8 Снег в межкатковом пространстве

Сила сопротивления движению от вертикальной деформации снега гусеницами включает в себя две составляющие: Р_fc1 - сила сопротивления, обусловленная деформацией снежного полотна пути под катком с наибольшим пиковым давлением; Р_fc2 - сила сопротивления, обусловленная дополнительной деформацией снега, выдавливаемого в межкатковое пространство (рис.8).

Для определения составляющих Р_fднд и Р_fдн.тр необходимо знать величину давления днища на снег q_дн или величину погружения днища h_дн в снежный покров, т.к. они однозначно связаны зависимостью (1).

Рис. 9 Схема погружения днища машины в снег

Получено выражение для определения погружения гусеницы в снег:

,

Где

b = ( h²_max + h_maxk)( S_к + S_дн) + G(2h_max + k) ;

a = G + (h_max + k) (S_к + S_дн) ; c = G h_max (h_max + k) + h²_max k S_дн.

S_к, S_дн - опорные площади движителя и днища; k - дорожный просвет.

Соответственно: h_дн = h - k . Сила сопротивления за счет вертикальной деформации снега днищем подсчитывается по зависимости:

= (6)

где b_дн - ширина днища.

На рис.10 приведены результаты расчета составляющих сопротивления движению, связанных с деформацией снега под катками (P_fc1), в межкатковом пространстве (P_fc2) и силы сопротивления от днища корпуса (P_fдн).

Анализ формирования силы сопротивления от днища показал, что основной вклад в сопротивление приходится на трение днища о поверхность снега, в то время как сопротивление движению за счет вертикальной деформации снега днищем составляет не более 10%.

Рис. 11 Зависимости cоставляющих сопротивления движению от высоты снега

В целом, проведенные для целого ряда гусеничных машин с полной массой 1,5 до 14 т, расчеты показали, что составляющие сопротивления движению распределяются следующим образом: сила сопротивление от деформации снега катками - 55 … 90%; сила сопротивления, обусловленная дополнительной деформацией снега, выдавливаемого в межкатковое пространство от - 10 … 40%; сила сопротивления, обусловленная взаимодействием днища со снежным покровом днища корпуса- 0…60%.

В четвертой главе проведена оценка проходимости гусеничных машин по снегу. Расчет проходимости гусеничных машин по снегу сводится к следующему алгоритму. Вводятся исходные данные - параметры машины: вес, база, колея, дорожный просвет, ширина гусеницы, высота грунтозацепа, длина и ширина днища, углы наклона передней и задней ветвей гусеницы, число опорных катков, их радиус, расстояние между катками, сила статического натяжения; параметры снега: плотность, жесткость, коэффициенты связности и трения, фрикционные свойства. Задается начальное значение высоты снега . Вычисляются силы тяги и сопротивления движению. Определяется запас силы тяги . Производится сравнение: если , то задается новое значение высоты снега и цикл повторяется до тех пор, пока не станет меньше нуля, т.е. когда произойдет потеря проходимости. По результатам расчета строятся зависимости силы тяги, силы сопротивления и запаса силы тяги от высоты снежного покрова, по которым и производится оценка проходимости гусеничных машин по снегу.

Проанализировано влияние конструктивных параметров гусеничного движителя - ширины гусеницы, базы, дорожного просвета, эпюры давления. Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что к наиболее существенным параметрам, определяющим проходимость машин по снегу, относятся - дорожный просвет и максимальное пиковое давление. Дорожный просвет практически однозначно влияет на проходимость машины по снегу, чем больше дорожный просвет, тем больше при прочих равных условиях, проходимость машины. Следует иметь отметить, что дорожный просвет не может быть увеличен в значительных пределах из-за ряда требований, предъявляемых к машине в целом (например, габарит по высоте, полезный объем корпуса). Снижения максимальных пиковых давлений и увеличения активной длины опорной поверхности гусеничного значительно снижает сопротивление движению (рис.12) и, как следствие, существенным образом повышает проходимость машины по снегу (рис.13). Графики построены для значений q=15; 22,5; 30; 37,5 и 45кПа.

Рис. 12 Сила сопротивления для различных значений q

Рис. 13 Запас силы тяги для различных значений q

Проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности гусениц с эластичными уширителями.

Рис. 14 Схема работы уширителей гусениц

По целям своего использования уширители должны обладать определенной жесткостью, чтобы обеспечить снижение давления движителя на снег, увеличение силы тяги, реализуемой в контакте с опорной поверхностью и, как следствие, повышение проходимости гусеничных машин при движении по снежной целине. При этом уширители должны обладать и определенной эластичностью (рис.14), чтобы свободно деформироваться при наезде на единичные препятствия, исключая в этом случае нежелательные последствия в эксплуатации. Для исследования деформированного состояния уширителя была составлена расчетная модель. Задача об определении деформированного состояния резинового уширителя гусеницы представляет собой задачу теории упругости в геометрически и физически нелинейной постановке. Геометрическая нелинейность обусловлена большими перемещениями, а физическая нелинейность - зависимостью «напряжение-деформация» материала уширителя. Решать такую задачу целесооборазнее всего численными методами. Известная процедура метода конечных элементов (МКЭ) в варианте метода перемещений и была положена в основу разработанной методики расчета.

Напряженно-деформированное состояние каждого конечного элемента определяется шестью обобщенными координатами - линейными перемещениями узловых точек:

{q} = {UV, UV, UV}, (7)

где {q} - вектор узловых перемещений конечного элемента;

{U,V} - компоненты перемещений по осям X и Y.

Выражение общей потенциальной энергии всего уширителя имеет вид:

, (8)

где - вектор узловых перемещений;

- матрица жесткости; - вектор внешних узловых сил.

После минимизации полной потенциальной энергии системы задача определения деформированного состояния уширителя сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений относительно узловых перемещений, матричная форма которых имеет вид:

. (9)

В случае больших деформаций, которые характерны для работы уширителя гусеницы, изготовленного из такого высокоэластичного материала как резина, задача определения деформированного состояния должна решаться в геометрически нелинейной постановке. Учет геометрической нелинейности ведется методом поэтапного нагружения уширителя (реализуется так называемая шаговая процедура). Вся нагрузка разбивается на частей . Величина берется достаточно малой, чтобы всякий раз при догружении уширителя очередной порцией нагрузки дополнительные перемещения узлов можно было определять из решения линейной задачи. В тоже время на каждом шаге заново переформировывается разрешающая система уравнений с целью отразить те изменения, которые произошли в конструкции от всех предшествующих нагружений, т.е. отразить нелинейность задачи в целом. Учет «предыстории» нагружения осуществляется двояким образом. Во-первых, тем, что для каждого этапа нагружения заново пересчитывается матрица жесткости системы. Во-вторых, тем, что, начиная со второго шага, дополнительно учитывается работа внутренних усилий, накопившихся в системе от предыдущих перемещений на перемещения данного шага.

При шаговом способе нагружения конструкции, когда нагрузка возрастает порционно (скачками), внутренние силы системы на каждом отрезке ее деформации условно можно разделить на две категории. Одни силы, назовем их «новыми», появляются непосредственно на текущем этапе нагружения и изменяются по линейному закону в процессе деформации системы. Для r+1-го шага нагружения потенциальная энергия таких сил определяется по формуле

, (10)

где ;

=- матрица жесткости каждого элемента;

t_N- толщина элемента; A_N- площадь элемента;

[] - матрица физических констант, которая может быть разной для разных элементов, что и использовалось в дальнейшем при расчете резинового уширителя, армированного кордом.

Другие внутренние силы, их будем называть «старыми», накапливаются в системе от всех предшествующих этапов нагружения и на каждом новом шаге выступают как силы постоянные. Разделение внутренних сил на «новые» и «старые» условно в том смысле, что силы, которые на данном шаге классифицируются как «новые», на следующем шаге переходят в категорию «старых» и вливаются в систему «старых сил». Потенциальная энергия всех «старых» внутренних сил на перемещениях системы, вызванных r+1-ой порцией нагрузки, определяется по формуле:

= , (11)

где - вектор внутренних усилий, который формируется из векторов приведенных узловых сил каждого конечного элемента в отдельности.

Потенциальная энергия внешних сил на r+1-ом шаге представляется как

, (12)

где первое слагаемое учитывает предыдущую нагрузку, а второе - новую ее порцию. Матричные уравнения, которыми после учета граничных условий, приближенно описывается поставленная задача, имеют вид:

, r=0,... (-1). (13)

Каждое отдельно взятое уравнение представляет собой уравнение равновесия узловых сил. Когда система при нагружении переходит в равновесное состояние, эти силы оказываются взаимоуравновешенными. Иначе обстоит дело при скачкообразном “переключении“ геометрии системы в момент перехода на новый этап нагружения. В этом случае нарушается равновесие между “старыми” внешними и “старыми” внутренними силами в узлах , причем может иметь место как догрузка, так и разгрузка узлов. Поэтому каждой дополнительной порции нагрузки приходится не только преодолевать упругое противодействие системы в ее новой конфигурации, но и компенсировать образовавшийся дисбаланс узловых сил, что и отражается в правой части разрешающей системы уравнений. Окончательная конфигурация системы определяется как сумма узловых перемещений на всех этапах нагружения:

. (14)

В качестве исходных данных задаются геометрические размеры уширителя, характеристики материала (резины, вискозного или капронового корда, металлокорда и других армирующих материалов), сосредоточенные или распределенные нагрузки. Первые имитируют прохождение уширителем единичного препятствия (пень, валун, дерево и т.п.), вторые - погружение уширителя в снег. В результате решения задачи определяются прогибы уширителя. Жесткость резинового уширителя определяется его геометрическими размерами и армирующими материалами. На рисунке 15 в качестве примера показаны результаты расчетов по выбору рациональной жесткости.

В этом случае уширитель полностью выполнял свои основные функции: снижал давление движителя на снег и свободно деформировался под действием сосредоточенной нагрузки, имитирующей проезд единичного препятствия.

Рис. 15 Деформация уширителя под действием нагрузки: 1 - распределенной; 2 - сосредоточенной

Оценка влияния уширителей на проходимость гусеничных машин по снегу была проведена для ряда машин с общей массой от 2,2 до 12,5 т. Расчеты отчетливо показали эффективность применения уширителей для повышения проходимости гусеничных машин по снежной целине. В целом, в результате расчетно-теоретических, а в дальнейшем, и экспериментальных исследований установлено, что сохраняется устойчивая тенденция: чем меньше давление движителя на снег, тем больший эффект дает уширение гусениц. Это происходит потому, что на разных участках зависимости «нагрузка-осадка» (рис.4), одинаковым изменениям давления соответствуют разные изменения погружения гусеницы в снег. А это, в свою очередь, ведет к тому, что при уширении гусеницы у одних машин происходит существенное уменьшение погружения движителя в снег и, как следствие, повышается проходимость машины, у других данное конструктивное мероприятие не вызывает значительного повышения проходимости. В этом случае необходимо рассмотреть возможности повышения проходимости за счет изменения характера эпюры распределения давления гусеничного движителя на снежное полотно пути. Автором была реализована конструкция эластичного уширителя, которая на практике позволила осуществить данное направление повышения проходимости.

Опыт показывает, что даже при оптимальном сочетание конструкционных параметров колесного движителя (диаметра, ширины и высоты профиля шины, внутреннего давления воздуха в шинах), невозможно создать универсальную колесную машину, которая бы обеспечивала достаточную проходимость по снегу. Поэтому, были проведены расчетно-теоретические и экспериментальные исследования применимости съемных гусениц для повышения проходимости колесных машин по снегу. Установка съемных гусениц снижает давление движителя на снежное полотно пути и увеличивает дорожный просвет. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению погружения движителя в снег, снижает сопротивление движению, происходит значительное увеличение силы тяги и, как следствие, существенным образом повышается проходимость машины по снегу.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям и разработке конструкций гусеничных машин. Цикл экспериментальных исследований включал в себя следующие основные этапы: исследование сопротивления снега сдвигу, вертикальной деформации и фрикционных свойств снега; сравнение теоретических и экспериментальных данных; испытания конструкций гусеничных машин в условиях снежной целины.

При исследовании сопротивления снега сдвигу рассмотрена физическая картина процесса сдвига и зафиксировано образование «клина скольжения». Проведенный эксперимент практически подтвердил выражение для определения силы тяги, реализуемой при взаимодействии гусеничного движителя со снежным полотном пути, и показал удовлетворительную сходимость результатов расчетов. Расхождение теоретических и опытных данных не превышало 12%.

Широкое распространение резиновых гусениц, применение эластичных уширителей, выполненных за одно целое с подошвой трака, потребовало изучение фрикционных свойств поверхности «снег-резина». Были проведены экспериментальные исследования фрикционных свойств снега при взаимодействии его с резиновой поверхностью. В результате обработки и анализа опытных данных получена зависимость коэффициента трения от давления, найдены значения коэффициента трения и коэффициента связности для четырех типов снега.

Для проверки математической модели и программы расчета, а также результатов теоретических исследований прогибов эластичных уширителей была разработана конструкция уширителей, которые затем были изготовлены и подвергнуты лабораторным испытаниям. При проведении стендовых испытаний определялись характеристики резины и армирующих материалов, фиксировались нагрузка и прогибы уширителя. Сравнение результатов расчетно-теоретических исследований и стендовых испытаний показали адекватность математической модели и методики расчета, как в части физической картины деформации, так и ее количественной оценки. Максимальная погрешность не превышала 10% при любых способах армировки, для чисто резинового уширителя составляла не более 8%.

В целом результаты испытаний подтвердили, что при расчетно-теоретических исследованиях геометрические размеры и жесткость уширителей выбрана рационально. С одной стороны, в процессе эксплуатации уширители не выходят из строя при наездах на единичные препятствия, с другой стороны, воспринимают нагрузку от опорной поверхности, что ведет к увеличению несущей способности системы «гусеница-снег» и, как следствие, к повышению проходимости гусеничных машин по снежной целине. Во время экспериментальных исследований в условиях снежной целины измерялись давление гусеничного движителя на снег, глубина снежного покрова, глубина колеи, растягивающие усилия в гусенице, сила сопротивления движению и сила тяги. При непосредственном участии автора были разработаны и изготовлены необходимые средства измерений: тензометрические траки, специальные токосъемники. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало удовлетворительную сходимость результатов. Величины отклонений от теоретической кривой составляют 1526%.

Проведено исследование влияние скорости движения на величину деформации снежного покрова и сопротивление движению гусеничных машин.

Установлено, что при движении по глубоким увеличение скорости снегам изменение глубины колеи незначительно и практически лежит в пределах ошибки измерений. Исключение составляют легкие лыжно-гусеничные машины со средним давлением на грунт менее 6 кПа и удельной мощностью более 100 кВт/т.

Практическая реализация теоретических и экспериментальных исследований по повышению проходимости машин по снегу была проведена, как при создании машин по индивидуальным заказам потребителей, так и для серийно выпускаемых гусеничных машин. По заказу Заволжского завода гусеничных тягачей (ЗЗГТ) проведен цикл работ по созданию гусеничного транспортера особо легкой весовой категории. На основании проведенных расчетно-теоретических исследований была разработана конструкция и изготовлены опытные образцы машин, имеющих оригинальные ходовую часть и гусеничный движитель, которые были использованы при создании гусеничного транспортера ГАЗ-3409 «Бобр». В настоящее время эта машина серийно выпускается ЗЗГТ.

Для проверки расчетно-теоретических исследований были проведены экспериментальные исследования применимости навесных гусеничных движителей (НГД) для повышения проходимости колесных машин по снегу.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе на основании комплекса расчетно-теоретических и экспериментальных исследований системы «снежное полотно пути - гусеничная машина» получены научно обоснованные технические решения, позволяющие существенным образом повысить проходимость гусеничных машин по снегу.

2. Проведен анализ деформационных и фрикционных свойств снега для расчета проходимости машин; рассмотрены зависимости «нагрузка-осадка», «нагрузка-сдвиг» для различных типов снега; рассмотрена физическая картина процесса сдвига и зафиксировано образование «клина скольжения»; найдены конкретные значения коэффициента трения поверхности «снег-резина»; получены зависимости удельной силы трения от давления для низких и сверхнизких температур; проведено обоснование выбора расчетных параметров снега.

3. Обоснована математическая модель взаимодействия гусеничного движителя со снегом, показана правомерность решения квазистатической задачи при движении гусеничной машины в условиях снежной целины; разработаны алгоритм, программа и методика расчета сил сопротивления движению, включающих в себя силу сопротивления, обусловленную деформацией снежного полотна пути под катками гусеничной машины; силу сопротивления, обусловленную дополнительной деформацией снега, выдавливаемого в межкатковое пространство; силу сопротивления движению за счет деформации снега днищем машины; силу сопротивления движению за счет трения днища о снег; рассмотрены особенности взаимодействия гусеничного движителя со снежным полотном пути при формировании силы тяги.