Зниження динамічних навантажень в основних елементах колісних транспортних машин і вантажах шляхом їх пружного зчленування

Размещено на http://www.allbest.ru

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет “Львівська політехніка”

Черевко Юрій Миколайович

УДК 629.01

ЗНИЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ В ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТАХ КОЛІСНИХ ТРАНСПОРТНИХ МАШИН І ВАНТАЖАХ ШЛЯХОМ ЇХ ПРУЖНОГО ЗЧЛЕНУВАННЯ

Спеціальність 05.02.09 - динаміка та міцність машин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів-2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки, молоді і спорту України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Вікович Ігор Андрійович,

Національний університет “Львівська політехніка”, професор кафедри “Транспортні технології”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Сокіл Богдан Іванович,

Академія сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного, завідувач кафедри “Інженерна механіка” (м. Львів)

кандидат технічних наук, доцент

Цепенюк Михайло Іванович,

Тернопільський Національний технічний університет імені Івана Пулюя, доцент кафедри технічної механіки та сільськогосподарського машинобудування (м. Тернопіль)

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Ю.П. Шоловій

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток вантажності колісних транспортних машин (КТМ), збільшення робочих швидкостей транспортування вантажів дорогами складного профілю з пошкодженим покриттям та бездоріжжям пов'язані із зростанням динамічних навантажень на ходову частину, шасі, кузов (надалі - основні елементи) та вантажі під час їх транспортування. Це викликає необхідність подальшого вивчення динамічних явищ, які відбуваються під час функціонування КТМ.

Проведені глибокі дослідження динамічних процесів у КТМ під час їх функціонування переважно були пов'язані з вивченням динамічних явищ, які виникають при наявності вертикальних, кутових поздовжніх та поперечних коливань. Значно менше увага дослідників концентрувалася на вивченні динамічних явищ, які виникають в основних елементах КТМ та вантажах при неусталеному русі дорогами складного профілю з урахуванням силового агрегату. Необхідність таких досліджень динаміки руху КТМ набуває особливої актуальності у випадках транспортування вантажів, уразливих до динамічних навантажень. Отже, подальші дослідження динамічних процесів, що відбуваються у КТМ під час функціонування з врахуванням коливань їх основних елементів у поздовжній вертикальній площині, визначення динамічних навантажень, що діють на ці елементи, з метою їх зниження є актуальною проблемою.

У дисертаційній роботі запропонований ефективний спосіб зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ та вантажі, який полягає в заміні жорсткого поздовжнього кріплення між собою шасі, кузова, вантажів на пружно-демпфувальне з'єднання. У цьому випадку сумісна робота силового агрегату з механічною системою в динамічному відношенні покращується у порівнянні з випадком сумісної роботи силового агрегату з одним жорстким тілом спільної маси. Це проявляється в зниженні динамічних навантажень на силовий агрегат, елементи КТМ і вантажі у поздовжньому напрямку.

Зв'язок дисертації з науковими напрямками науково-дослідних робіт. Робота виконувалась відповідно до річного плану наукової і науково-технічної діяльності Львівського військового інституту ордена Червоної Зірки Національного університету “Львівська політехніка” на 2006 р. та угоди про творчу співпрацю Львівського військового інституту Національного університету “Львівська політехніка” з ВАТ “Львівагромашпроект” від 09.11.2009 р. на проведення науково-дослідної роботи “Дослідження робочих процесів машин автотехнічного забезпечення з накопичувально пружно-зчленованими елементами” (шифр “ДЕМПФЕР”), де здобувач був головним виконавцем. колісний транспортний машина вантаж

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - зниження динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі шляхом їх пружно-демпфувального з'єднання.

Для досягнення мети були поставлені такі задачі:

1. Систематизувати й обрати раціональні конструктивні рішення зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі.

2. Обґрунтувати за допомогою спрощених моделей доцільність поздовжнього пружно-демпфувального з'єднання основних елементів КТМ та вантажів і запропонувати практичну реалізацію для зниження їх поздовжніх динамічних навантажень.

3. Побудувати узагальнену математичну модель руху КТМ по дорогах складного профілю та бездоріжжю у поздовжньо-вертикальній площині із заданою механічною характеристикою силового агрегату.

4. Розробити математично-комп'ютерний інструментарій (МКІ) для дослідження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі при їх пружно-демпфувальному з'єднанні з урахуванням механічної характеристики силового агрегату та характеру профілю дороги.

5. Здійснити апробацію розробленого МКІ.

6. Провести математично-комп'ютерні дослідження впливу конструктивних параметрів КТМ, механічної характеристики силового агрегату, параметрів профілю дороги на динамічні навантаження основних елементів і вантажів, з метою їх зниження.

Об'єкт дослідження - динамічні процеси у КТМ під час транспортування вантажів.

Предмет дослідження - поздовжні динамічні навантаження, що діють на основні елементи КТМ і вантажі з метою зниження цих навантажень шляхом їх пружно-демпфувального з'єднання.

Методи дослідження. При виконанні роботи застосовувались такі методи досліджень: аналітичної механіки, теорії нелінійних коливань дискретних механічних систем, динаміки машин, теорії руху колісних машин для побудови математичних моделей руху КТМ з пружно-демпфувальним з'єднанням їх основних елементів і вантажів дорогами складного профілю та бездоріжжю з урахуванням механічної характеристики силового агрегату; методи обчислювальної математики при інтерполяції зовнішньої механічної характеристики силового агрегату та числовому інтегруванні систем звичайних нелінійних диференціальних рівнянь, що представляють собою математичні моделі; методи планування та обробки результатів досліджень, які виконувались на натурній експериментальній установці з використанням спеціального комплексу контрольно-вимірювальної апаратури; методи комп'ютерного імітування при дослідженні динамічних процесів, що відбуваються з основними елементами КТМ та вантажами.

Наукова новизна одержаних результатів:

- обґрунтована доцільність заміни поздовжнього жорсткого зчленування основних елементів КТМ і вантажів на пружно-демпфувальне з'єднання;

- узагальнена математична модель руху елементів КТМ і вантажів, яка на відміну від відомих одночасно враховує: інерційні характеристики основних елементів КТМ і вантажів; їх взаємне розташування і габарити; пружно-демпфувальні характеристики кріплень між собою; механічну характеристику силового агрегату; характеристики доріг складного профілю з пошкодженим покриттям та бездоріжжям;

- результати досліджень динамічних навантажень на основні елементи та вантажі модернізованого автомобіля ЗИЛ-131 під час руху дорогами складного профілю.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновано спосіб зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі, який реалізований у новій конструкції пристрою для кріплення кузова транспортного засобу (Патент на корисну модель [14]) та прийнятий до реалізації на ВАТ “Львівагромашпроект” (Акт впровадження від 16.02.2009).

Матеріали дисертаційної роботи увійшли двома самостійними розділами у посібник [15], який рекомендований для використання у навчальному процесі (Акт впровадження результатів дисертаційної роботи у навчальний процес Львівського ордена Червоної Зірки інституту Сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного Національного університету “Львівська політехніка” від 15.05.2009 р.).

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати, які викладені у дисертаційній роботі і винесені на захист, здобувач отримав особисто. В опублікованих працях, які надруковані у співавторстві, внесок здобувача дисертації є визначальним. Дисертантові належить: [1] - складання диференціальних рівнянь, які описують коливальні процеси у КТМ із пружно-зчленованими елементами; [2] - розроблення розрахункової схеми; [3] - числовий розрахунок методом Хемінга; [4] - розроблення розрахункової схеми транспортування незакріпленого вантажу; [5] - аналіз ударних навантажень, що виникають у пружно-зчленованих елементах КТМ; [6] - складання диференціальних рівнянь руху; [7] - аналіз результатів транспортування вантажів з використанням пружно-демпфувальних пристроїв, розташованих на бортах транспортної машини; [8] - розроблення алгоритму проведення експериментальних досліджень для КТМ із пружно-зчленованими елементами; [9] - аналіз результатів експериментальних досліджень КТМ із пружно-зчленованими елементами; [10] - побудова графів спрощених моделей КТМ; [11] - розроблення способу покращення характеристик динаміки КТМ із пружно-зчленованими елементами; [12] - порівняльний аналіз роботи пружного зчленування основних елементів КТМ для зниження пікових значень динамічних навантажень; [13] - побудова математичної моделі роботи КТМ із пружно-зчленованими елементами та вантажами; [14] - розроблення конструкції пристрою для кріплення кузова транспортного засобу; [15] - розроблені розділи “Методологія експеримент-тальних досліджень” і “Фізичний експеримент у дослідженнях роботи механічних систем теоретичними методами”.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи обговорювались і доповідались на: наукових семінарах кафедр “Транспортні технології” Національного університету “Львівська політехніка” та “Інженерна механіка” Академії сухопутних військ (2006-2010 рр.); 8-му і 9-му Міжнародних симпозіумах українських інженерів-механіків у Львові, (2007, 2009 рр.); І-й, ІІ-й, ІІІ-й Всеукраїнській науково-практичній конференції, МО України, Академія сухопутних військ, (2008-2010 р.); І-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні технології та перспективи розвитку автомобільного транспорту”, Житомирський державний технологічний університет (2008 р.).

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано 13 статей у наукових фахових виданнях України, 6 - у матеріалах тез доповідей науково-технічних конференцій та симпозіумів, 1 посібник, одержано 1 патент України на корисну модель.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел із 119 найменуваннями на 13 сторінках та додатків на 48 сторінках. Основний текст викладено на 125 сторінках. Загальний обсяг роботи становить 186 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано її зв'язок з планами науково-дослідних робіт, представлено мету й задачі дослідження, висвітлено наукове та практичне значення отриманих результатів, їх апробацію, особистий внесок здобувача.

У першому розділі проведено огляд та аналіз конструктивних рішень і теоретично-експериментальних досліджень, пов'язаних із зниженням динамічних навантажень, які виникають у КТМ при транспортуванні вантажів.

Огляд цих конструктивних рішень показав, що вони спрямовані переважно на зниження вертикальних динамічних навантажень на основні елементи КТМ та вантажі і лише деякі з цих робіт - на обмеження поздовжніх динамічних навантажень.

Дослідженню динаміки руху КТМ присвячені праці Д.А. Антонова, П.В. Аксенова, В.Б. Альгина, Е.Е. Александрова, І.А. Віковича, В.К. Вахламова, І.Ф. Дьякова, А.І. Гришкевича, В.А. Іларіонова, С.А. Смирнова, Е.А. Чудакова, Р.В. Ротенберга, Я.М. Певзнера, І.С. Цитовича, А.А. Силаєва, В.А. Дзюня, В.Я. Павловського, О.Л. Прянтковського у яких основну увагу зосереджено на дослідженні вертикальних та кутових коливань КТМ у поздовжньо-вертикальній і поперечно-горизонтальній площинах. У той же час проблема зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ та вантажі розглядається лише для окремих конструкцій машин без врахування механічної характеристики силового агрегату та характеру профілю дороги.

Отже, аналіз літературних джерел показав, що задачі щодо зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі залишаються не розв'язаними.

Підвищення вимог безпеки до перевезень вразливих до динамічних навантажень вантажів зумовлює необхідність вивчення динамічних явищ, які виникають не тільки при наявності вертикальних та кутових коливань у поздовжньо-вертикальній та поперечно-горизонтальній площинах, але і при наявності поздовжніх коливань основних елементів КТМ і вантажів з врахуванням механічної характеристики силового агрегату та характеру профілю дороги.

Усе це визначило мету і завдання дослідження.

У другому розділі основну увагу зосереджено на науковому обґрунтуванні запропонованого автором способу зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі, який полягає у заміні жорсткого кріплення між собою шасі, кузова, вантажів у поздовжньому напрямку на пружно-демпфувальне з'єднання. Для такого обґрунтування використані спрощені розрахункові схеми КТМ з їх послідовним жорстким, паралельним і каскадним пружно-демпфувальними з'єднаннями (рис. 1).

а)	б)	в)	г)

Рис.1. Спрощені розрахункові схеми КТМ і вантажів з різними способами і типами з'єднання (вид зверху): а - послідовне жорстке; б - послідовне пружно-демпфувальне, в і г - паралельне і каскадне пружно-демпфувальне; (1 - шасі КТМ, 2 - вантажі, 3 - кузов)

Для цих розрахункових схем побудовано математичні моделі неусталеного руху КТМ вздовж горизонтальної прямолінійної дороги під дією силового агрегату з механічною характеристикою, наближеною до характеристик типових силових агрегатів автомобілів підвищеної прохідності. Виконано порівняльний аналіз різних типів і способів зчленування основних елементів КТМ і вантажів за критерієм мінімальних екстремальних поздовжніх динамічних навантажень, що діють на них при русі на етапах “розгін-рух”, “рух-гальмування до повної зупинки”.

Порівняння виконувалося комп'ютерним імітуванням за допомогою розроблених Mathcad-програм для різних доріг: бруківка, вологий пісок, щільний сніг з коефіцієнтом опору коченню коліс = 0,03; коефіцієнтами опору переміщенню кузова вздовж шасі, вантажів вздовж кузова з опорами на підшипниках кочення чи ковзання, сухими та змащеними мастилом або вкритих брудом напрямних ( = 0,02…0,4); з вантажами різної маси (1250…5000 кг) і віднесених до одиниці маси демпфованого тіла з коефіцієнтами демпфування амортизаторів = 0,01…0,5 Нс/м, встановлених на автомобілях ГАЗ-66, ЗИЛ-131, Урал-375. Основні результати проведених досліджень екстремальних значень поздовжніх зусиль при розгоні КТМ наведені у табл. 1 (1 - жорстке кріплення; 2 - послідовне пружно-демпфувальне з'єднання; 3 - каскадне пружно-демпфувальне з'єднання) та на рис. 2.

Таблиця 1.

Значення поздовжніх екстремальних зусиль, що діють на шасі , кузов, вантаж при рушанні КТМ з першої передачі при масі вантажу

Маса вантажу, ,кг	Н	Н	Н
	1	2	3	1	2	3	1	2	3
1250	3,946	3,853	3,833	1,173	1,035	0,950	0,758	0,674	0,593
2500	4,547	4,263	4,04	1,892	1,775	1,452	1,525	1,418	1,276
3750	5,027	4,622	4,212	2,508	2,257	2,031	2,036	1,834	1,649
5000	5,375	4,877	4,322	3,08	2,722	2,495	2,431	2,188	1,969



Рис. 2. Поздовжні екстремальні динамічні зусилля, що діють на шасі, кузов і вантаж при рушанні КТМ з першої передачі:жорстке з'єднання; послідовне пружне з'єднання; каскадне пружне з'єднання

Аналіз результатів досліджень показав, що пружно-демпфувальне з'єднання основних елементів КТМ і вантажів, на відміну від їх жорсткого з'єднання, дає змогу знижувати динамічні навантаження на ці елементи під час рушання, гальмування та невстановленого руху КТМ.

Встановлено, що варіант каскадного пружно-демпфувального з'єднання основних елементів КТМ та вантажів є найефективнішим для схем, що знижують поздовжні динамічні навантаження.

З аналізу прийнятих для досліджень діапазонів значень основних параметрів КТМ, пружно-демпфувальних пристроїв, характеристики дороги, зниження екстремальних значень динамічних зусиль, що діють на шасі машини з боку ведучих мостів становить до 19%, на кузов з боку шасі та на вантажі з боку кузова або шасі при рушанні з першої передачі - на 10%, при рушанні з другої передачі - знижує динамічні зусилля додатково ще на 10%.

Отже, проведений порівняльний аналіз дозволяє стверджувати, що спосіб зниження поздовжніх динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі, який полягає у заміні жорсткого з'єднання шасі, кузова, вантажів в поздовжньому напрямку між собою на їх пружно-демпфувальне з'єднання є ефективним.

Розроблено і запатентовано конструкцію пристрою кріплення кузова транспортного засобу, який істотно знижує динамічні навантаження основних елементів КТМ (патент на корисну модель № 38922 від 26.01.2009р.).

У третьому розділі побудовано математичну модель руху КТМ з каскадним пружно-демпфувальним з'єднанням елементів та вантажів. Вона враховує одночасно: а) інерційно-жорсткосні та габаритні параметри КТМ і вантажів; б) механічну характеристику силового агрегату; в) складний профіль дороги; г) кількість ведучих мостів m і вантажів n. Узагальнена розрахункова схема КТМ подана на рис. 3.

Рис. 3. Узагальнена розрахункова схема КТМ із каскадним пружно-демпфувальним з'єднанням між собою шасі, кузова і вантажів

За узагальнені “” координат вибрано: ,, - горизонтальні, вертикальні та кутові переміщення координатної системи , що жорстко пов'язана з шасі; - поздовжнє переміщення координатної системи , що жорстко пов'язана з кузовом КТМ, в рухомій системі координат; - переміщення центра мас i-го вантажу в системі координат , ; - кут повороту валу колеса - го ведучого моста,

Диференціальні рівняння, які описують горизонтальне (1), вертикальне (2) та кутове переміщення шасі (3), переміщення кузова відносно шасі (4) та вантажів відносно кузова (5) мають вигляд:

(1)

(2)



(3)

(4)

(5)

Диференціальне рівняння (6) описує обертальну складову плоско-паралельного руху колеса j-го ведучого моста з урахуванням механічної характеристики силового агрегату:

(6)

Система диференціальних рівнянь (1-6) представляє собою математичну модель руху КТМ із каскадним пружно-демпфувальним з'єднанням її основних елементів і вантажів.

В рівняннях (1-6) заданими функціями є:

1) - координата профілю дороги. Для дороги, приклад якої наведений на рис. 6, ця функція має вигляд:

де - , - амплітудні значення хвиль профілю дороги та період їх зміни; - висота і-тої поодинокої перешкоди; - кут похилу косогору та горбу дороги; - асиметрична одинична функція Хевісайда.

2) - кут корекції узагальнених сил. Для дороги, приклад якої наведений на рис. 6, ця функція має вигляд:

Крім заданих 2(1+j) функцій, до неї входять: “” відомих параметрів: ,, , I_Cch, I_Ck, I_Ci - маси шасі, кузова, і-го вантажу та їх моменти інерції відносно осей, що проходять через власні центри мас перпендикулярно до площини розташування розрахункової схеми КТМ; - момент інерції коліс та півосей -го ведучого моста разом з частиною приведеного моменту інерції силового агрегату до їх геометричних осей; - коефіцієнти жорсткості пружних елементів, якими підпружинені кузов та вантажі; ,- коефіцієнти жорсткості шини колеса -го ведучого моста в тангенціальному та радіальному напрямках; - поперечна жорсткість ресори -го моста; ,,- коефіцієнти опору переміщенню -го вантажу вздовж кузова, кузова вздовж шасі, коліс вздовж дороги; ,- віднесені до одиниці маси коефіцієнти опору переміщенню кузова та вантажів, які демпфуються; та і та- відповідно горизонтальні та вертикальні координати центрів мас шасі і кузова; ,- координати кріплення пружного елемента до шасі в системі координат та до кузова в системі координат ; - радіус колеса; ,- довжини пружних елементів у недеформованому стані; - вільна довжина j-ої опори шасі.

Формування відповідних множин початкових значень узагальнених координат дозволило досліджувати не тільки складові руху КТМ (розгін та гальмування з різних передач), але і його неусталений рух з перемиканням силового агрегату з однієї передачі на іншу.

Врахування в математичній моделі можливості зміни значень “” основних параметрів КТМ дає змогу проводити широкий спектр досліджень щодо впливу динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі.

На базі узагальненій математичної моделі руху КТМ, використовуючи пакет прикладних програм Mathcad 11, був розроблений МКІ, який дозволяє автоматизувати дослідження динаміки КТМ з вантажами.

У четвертому розділі була проведена апробація МКІ, яка дозволила відмовитись від повнофакторного натурного експерименту з перевірки результатів теоретичних досліджень динамічних зусиль, які діють на елементи КТМ і вантажі. Головною метою апробації МКІ було встановлення його здатності адекватно моделювати динамічні процеси, що відбуваються з основними елементами КТМ і вантажами. Апробація МКІ складалася з трьох етапів:

- на першому - розглянуто тривіальні випадки статики і динаміки КТМ, які показали, що МКІ якісно передає суть розглянутих процесів, які при цьому відбуваються.

- на другому - виконані порівняння результатів відомих досліджень динаміки КТМ з результатами, що отримані за допомогою розробленого МКІ. Вони показали, що за допомогою МКІ можна моделювати процеси, які вивчались іншими дослідниками.

- на третьому - проведено порівняльний аналіз результатів математично-комп'ютерних і натурно-експериментальних досліджень динамічних процесів, які відбуваються з основними елементами експериментальної установки, створеної на базі автомобіля ЗИЛ-131 (рис. 4а) разом з комплексом тарованої вимірювальної апаратури, які схематично представлені на рис. 4б.

а) б)

Рис. 4. Експериментальна установка на базі автомобіля ЗИЛ-131 (а); схема розміщення комплексу вимірювальної апаратури (б): 1 - давач крутного моменту на карданному валу; 2 - давач кутової швидкості обертання колінчастого вала; 3 - витратомір палива; 4 - давач пройденого шляху “експериментальної установки” та її швидкості; 5 - давачі вібронавантажень шасі та кузова; 6 - давачі поздовжніх сил взаємодії

Експериментальна установка КТМ дозволила вимірювати: крутний момент силового агрегату; поздовжні сили взаємодії у пружно-демпфувальних з'єднаннях: шасі-кузов, кузов-вантажі. Додатково були досліджені: кутова швидкість обертання колінчастого валу двигуна; пройдені шляхи експериментальною установкою та її швидкості; розхід палива за експериментальний заїзд; відносні поздовжні переміщення кузова та вантажу.

Під час експериментів змінювали: радіальну, дотичну жорсткість коліс та коефіцієнти опору їх кочення; рушання КТМ з різних передач та рух дорогами з різним покриттям; вагу вантажу; характеристики пружно-демпфувальних пристроїв.

Все це дозволило всебічно оцінити значення динамічних параметрів і порівняти їх з отриманими за допомогою МКІ.

Для прикладу, на рис. 5 показано значення зусиль, що діють на елементи експериментальної установки КТМ при рушанні її з першої передачі силового агрегату та переході на другу під час її невстановленого руху, які отримані натурно-експериментальним та математично-комп'ютерним шляхом. Переключення з першої передачі силового агрегату на другу виконувалось на десятій секунді після початку руху.

а) б) в)

Рис. 5. Зусилля, що діють на пружно-демпфувально з'єднанні елементи експериментальної установки при рушанні її з першої передачі силового агрегату та переході на 10 секунді на другу під час її руху: а) - з боку коліс на шасі, б) - шасі на кузов, в) - кузова на вантаж.

Зіставлення результатів натурних та математично-комп'ютерних експериментів показало, що розбіжність між ними, як правило, не перевищує 15-20%.

Таким чином, незважаючи на неточності, похибки і розбіжності, триетапна апробація МКІ переконливо довела можливість подальшого дослідження динамічних процесів, що відбуваються в елементах КТМ та вантажах, лише комп'ютерним імітуванням.

У п'ятому розділі були розглянуті процеси, які відбуваються з КТМ та вантажами шляхом комп'ютерного імітування за допомогою МКІ на прикладі базового та модернізованого автомобілів ЗИЛ-131. За об'єкт до порівняння використовувалась його базова модель. Тому, значення інерційних, пружних, геометричних та інших параметрів приймались відповідними до цієї моделі. Для ускладнення умов функціонування КТМ був обраний семиділянковий відрізок дороги з характерними важкопрохідними ділянками (рис. 6): ділянка хвилястого профілю з амплітудою 0,05 м та періодом 0,8 м; ділянка з трьома поодинокими перешкодами висотою 0,15 м, шириною від 0,02 м до 0,2 м та віддалями між ними 10 м; ділянка з похилами і підйомами до 0,35 рад (20⁰) з вантажами від 35000 Н до 50000 Н.

Рис. 6. Семиділянковий відрізок дороги з характерними важко прохідними ділянками

Для базового і модернізованого автомобілів ЗИЛ-131 і вантажу розв'язувались задачі: рушання з різних передач; перемикання передач під час його руху по горизонтальній ділянці дороги; гальмування при русі на різних передачах; рух зі схилу та на підйом на першій - другий передачах. При цьому досліджувались поздовжні зусилля, що діють на шасі з боку силового агрегату, на кузов з боку шасі та на вантаж з боку кузова при зміні значень основних параметрів пружно-демпфувальних пристроїв або їх відсутності. Коефіцієнти жорсткості пружних елементів між шасі-кузовом змінювались в межах 20Ч10⁵-50Ч10⁵Н/м, кузовом-вантажем - в межах 20Ч10⁴-25Ч10⁵Н/м; коефіцієнти демпфування демпферів, віднесених до одиниці мас, що демпфуються, змінювались від 0 до 60 . Коефіцієнти опору переміщенню кузова в напрямних шасі, вантажу в напрямних кузова змінювались в межах 0,02-0,2.

Для прикладу, на рис. 7 показані зусилля, що діють на елементи базового та модернізованого автомобілів ЗИЛ-131 і вантаж при рушанні їх з першої передачі силового агрегату та переході на другу під час руху.

а) б) в)

пружно-демпфувальне з'єднання, жорстке з'єднання

Рис. 7. Зусилля, що діють на жорстко та пружно-демпфувально з'єднані елементи автомобіля ЗИЛ-131 і вантаж при рушанні з першої передачі силового агрегату та переході на другу під час її руху з боку: а) - коліс на шасі, б) - шасі на кузов, в) - кузова на вантаж.

Дослідження показали, що пружно-демпфувальне з'єднання основних елементів модернізованого автомобіля ЗИЛ-131 і вантажу, істотно знижують поздовжні навантаження з боку шасі на кузов та кузова на вантаж. Шляхом оптимізації значень параметрів пружно-демпфувальних пристроїв, можна досягнути зниження динамічних навантажень до 25% для кузова та до 15% для вантажу. Обмеженням зниження навантажень є лише габарити шасі, кузова та масо-габаритні характеристики вантажу.

З урахуванням величини мас вантажів одержано оптимальні значення коефіцієнтів жорсткості, демпфування пружно-демпфувальних пристроїв та опору напрямних модернізованого автомобіля ЗИЛ-131, які зведені у таблицю 2.

Таблиця 2

Оптимальні значення відповідних коефіцієнтів КТМ і вантажів

Маса пружно-демпфувально з'єднаного вантажу, кг	Значення відповідних коефіцієнтів для пружно-демпфувального з'єднання елементів КТМ і вантажів	Зниження діючих зусиль на кузов і вантаж (%) по відношенню до жорсткого кріплення
	,	,			,	,	кузов	вантаж
До 1600	25Ч104	12,5Ч103	0,2	0,2	3,4	3,4	25	20
1600-3300	50Ч104	25Ч103	0,2	0,2	6,8	20,4	23	18
3300-5000	12Ч104	6Ч103	0,2	0,2	6,8	20,4	24	19

ВИСНОВКИ

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень можна зробити такі висновки:

1. Обґрунтована доцільність пружно-демпфувального з'єднання основних елементів КТМ та вантажів, які вони транспортують, для зниження їх поздовжніх динамічних навантажень. Екстремальні значення динамічних зусиль при запропонованому пружно-демпфувальному з'єднанні у порівнянні з КТМ з жорстким кріпленням їх елементів та вантажів у прийнятих діапазонах значень їх параметрів, знижуються для кузова до 19%, для вантажу до 10%.

2. Розроблена узагальнена математична модель руху КТМ і вантажів, яка на відміну від відомих одночасно враховує: механічну характеристику силового агрегату, інерційні характеристики основних елементів КТМ і вантажів, характеристики пружно-демпфувальних пристроїв та профіль дороги. Розроблений на її базі МКІ дозволяє моделювати і досліджувати динамічні навантаження на основні елементи різноманітних типів КТМ при перевезенні різних вантажів. Це створює умови для надання практичних рекомендацій щодо підбору параметрів пружно-демпфувальних пристроїв.

3. Триетапну апробацію МКІ, в яку входять складовими частинами математично-комп'ютерне моделювання спільно з натурними експериментальними дослідженнями, можна рекомендувати як альтернативу до натурно-експериментальних повнофакторних перевірок результатів, отриманих за допомогою комп'ютерного імітування. Розбіжність результатів досліджень не перевищувала 10-15%.

4. Дослідження динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі під час їх транспортування на прикладі модернізованого автомобіля ЗИЛ-131 показало, що можна суттєво впливати на значення поздовжніх зусиль, які діють на основні елементи різноманітних типів КТМ та вантажів з різними масо-габаритними характеристиками.

5. Спосіб включення у математичну модель руху КТМ механічної характеристики силового агрегату та ділянок дороги різноманітного профілю, по яким рухається КТМ, істотно розширює можливості розробленої узагальненої математичної моделі, розвиває теорію динаміки мобільних механічних систем каскадного типу.

6. Оптимальні значення коефіцієнтів жорсткості, демпфування пружно-демпфувальних пристроїв модернізованого автомобіля ЗИЛ-131 дозволяють досягати зниження динамічних навантажень: до 25% - для кузова, до 15% - для вантажу.

7. Запатентована конструкція пристрою кріплення кузова транспортного засобу, яка забезпечує повне розчленування кузова і рами автомобіля у поздовжньому напрямі, може слугувати прикладом для подальшого пошуку конструктивних рішень пружно-демпфувальних пристроїв, про що свідчить впровадження її у виробництво на ВАТ “Львівагромашпроект”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Вікович І.А. Математична модель руху транспортної машини з пружно-зчленованими елементами/ І.А. Вікович, Ю.М. Черевко // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник. - Львів: Нац. ун-т “Львівська політехніка”. - 2005. - № 535. - С. 22-26.

2. Вікович І.А. Зниження динамічних навантажень в елементах ходової та несучої частин транспортної машини та на вантаж/ І.А. Вікович, Ю.М. Черевко // Динаміка, міцність та проектування машин і приладів. Вісник. - Львів: Нац. ун-т “Львівська політехніка”. - 2005. - № 539. - С. 19-22.

3. Черевко Ю.М. Методика числового моделювання функціонування транспортних машин із накопичувально пружно-демпфірувальними елементами/ Ю.М. Черевко, І.А. Вікович, Р.В. Зінько // Автошляховик України. - Київ. - 2007. - № 3 (197) - С. 22-23.

4. Черевко Ю.М. Пружний удар незакріпленого вантажу при його транспортуванні / Ю.М. Черевко, І.А. Вікович, І.С. Лозовий // Системи озброєння і військова техніка. Науковий журнал. - Харків: ХУПС. - 2007. - Вип.  4(12). - С. 48-53.

5. Вікович І.А. Аналіз віброзахисту вантажів під час транспортування/
І.А. Вікович, О.М. Дубневич, Ю.М. Черевко, Я.П. Яворський // Проектування, виробництво та експлуатація автотранспортних засобів і поїздів. Зб. наукових праць. - 2008. - Вип. 10. - С. 45-49.

6. Вікович І.А Віброзахист вантажів під час їх транспортування/ І.А. Вікович, О.М. Дубневич, Ю.М. Черевко // Оптимізація виробничих процесів і технічний контроль у машинобудуванні та приладобудуванні. Вісник. - Львів: Нац. ун-т “Львівська політехніка”. - 2008. - № 613. - С. 85-89.

7. Черевко Ю.М. Захист від динамічних перенавантажень незакріплених вантажів при їх транспортуванні/ Ю.М. Черевко, І.А. Вікович, І.С. Лозовий // Вісник ДІАТ. - 2008. - № 1. - С. 14-21.

8. Черевко Ю.М. Узагальнений алгоритм проведення досліджень при фізичному моделюванні / Ю.М. Черевко, І.А. Вікович, Р.В. Зінько // Вісник ЖДТУ “Технічні науки”. - 2008. - Вип. ІІІ (46), том ІІ. - С. 37-44.

9. Черевко Ю.М. Експериментальне дослідження характеристик автомобіля з пружно-демпфуючою системою / Ю.М. Черевко, Л.М. Королевич, Р.В. Зінько // Вісник ДІАТ. - 2008. - № 4. - С. 56-64.

10. Черевко Ю.М. Використання графів структури зв'язків для аналізу механічних систем з пружно-зчленованими елементами / Ю.М. Черевко, І.С. Лозовий, Р.В. Зінько // Автошляховик України. - Київ. - 2009. - № 4 (210). - С. 12-15.

11. Черевко Ю.М. Аналіз результатів досліджень механічних систем з пружно зчленованими елементами / Ю.М. Черевко, М.І. Черевко, Р.В. Зінько, І.С. Лозовий // Автошляховик України. - Київ. - 2009. - № 6. - С. 12-15.

12. Черевко Ю.М. Результати досліджень роботи самохідних транспортувальних машин з пружно зчленованими елементами / Ю.М. Черевко, І.С. Лозовий, М.І. Черевко // Автошляховик України. - Київ. - 2010. - № 2. - С. 22-23.

13. Черевко Ю.М. Математична модель та математично-комп'ютерний інструментарій дослідження динаміки руху СТМПЗЕ каскадного типу / Ю.М. Черевко, І.С. Лозовий, М.І. Черевко // Вісник ЛЛТУ. - Львів. - 2010. - № 20.6 - С. 22-23.

14. Пат. 38922 Україна. Пристрій для кріплення кузова транспортного засобу / Вікович І.А., Зінько Р.В., Лозовий І.С., Черевко М.І., Черевко Ю.М. / заявник і патентотримач Академія сухопутних військ імені гетьмана Петра Сагайдачного. - № u 2008 10267; заявл. 11.08.2008, опубл. 26.01.2009. Бюл. №2.

15. Зінько Р.В., Лозовий І.С., Черевко М.І., Черевко Ю.М. Методика експериментальних досліджень роботи механічних систем: Методичний посібник. - Львів: ЛІСВ, 2009.-160 с.

АНОТАЦІЇ

Черевко Ю.М. Зниження динамічних навантажень в основних елементах колісних транспортних машин і вантажах шляхом їх пружного зчленування. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.09 - динаміка та міцність машин. - Національний університет “Львівська політехніка.” - Львів, 2011.

У дисертаційній роботі досліджено і обґрунтовано доцільність пружно-демпфувального з'єднання основних елементів КТМ та вантажів; розроблена узагальнена математична модель руху КТМ і вантажів, яка на відміну від відомих одночасно враховує: інерційні характеристики основних елементів КТМ і вантажів, пружно-демпфувальних пристроїв, механічну характеристику силового агрегату, профілі дороги різної складності. Розроблений на її базі МКІ дозволяє моделювати і досліджувати динамічні навантаження на основні елементи різноманітних типів КТМ і вантажі, давати практичні рекомендації щодо підбору параметрів пружно-демпфувальних пристроїв при перевезенні різних вантажів з метою зниження поздовжніх динамічних навантажень.

Здійснена триетапна апробація математично-комп'ютерного інструментарію, у склад якої входив натурний експеримент зі спеціальною установкою, створеною на базі автомобіля ЗИЛ-131. Апробація підтвердила можливість дослідження динамічних процесів, що відбуваються в КТМ, комп'ютерним імітуванням за допомогою МКІ.

Дослідження динамічних навантажень на основні елементи КТМ і вантажі під час їх транспортування на прикладі модернізованого автомобіля ЗИЛ-131 показало, що можна істотно впливати на значення поздовжніх зусиль, які діють на основні елементи різноманітних типів КТМ та вантажів з різними масо-габаритними характеристиками.

Ключові слова: колісні транспортні машини, пружно-демпфувальне зчленування, поздовжні динамічні навантаження, узагальнена математична модель, комп'ютерний інструментарій, комп'ютерне імітування.

Черевко Ю.Н. Снижение динамических нагрузок в основных элементах колесных транспортных машин и грузах способом их упругого соединения. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.02.09 - Динамика и прочность машин. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2011.

В диссертационной работе решена важная научно-прикладная задача - снижение горизонтальных динамических нагрузок в элементах колесных транспортных машин (КТМ) и грузах путем их упруго-демпферного соединения. Проведена систематизация, обобщение классификаций способов и конструкций, которые снижают динамические нагрузки на основные элементы КТМ и грузы; определены задачи исследования и способы улучшения характеристик динамических процессов КТМ. Предложен эффективный способ снижения горизонтальных динамических нагрузок на основные элементы КТМ и грузы - замена жесткого горизонтального крепления между собою шасси, кузова, грузов на упруго-демпферные соединения.

Компьютерной имитацией выполненный сравнительный анализ разных способов и типов соединений по критерию минимальных пиковых динамических нагрузок. Анализ показал, что пиковые значения динамических усилий при предложенном упруго-демпферном соединении по сравнению с КТМ с жестким креплением их элементов и грузов, с выбранными значениями их параметров, снижаются на кузов машины до 19%, на грузы - до 10%, что подтверждает целесообразность упруго-демпферного соединения основных элементов КТМ и грузов при их транспортировании.

Усовершенствована обобщенная математическая модель движения КТМ и грузов. Она отличается от известных тем, что учитывает одновременно: механическую характеристику двигателя, инерционные характеристики основных элементов КТМ и грузов; характеристики упруго-демпферных устройств и реальный профиль дороги.

Разработанный на ее базе математический компьютерный инструментарий (МКИ), позволяет моделировать и исследовать динамические нагрузки на основные элементы КТМ различных моделей, давать практические рекомендации относительно подбора параметров упруго-демпферных устройств при перевозке различных грузов.

Проведена трёхэтапная апробация МКИ, задачей которой было установление способности его адекватно моделировать динамические процессы, которые происходят в основных элементах КТМ и грузах. Ее можно рекомендовать как альтернативу для натурных экспериментальных полнофакторных исследований проверок результатов полученных с помощью МКИ.

С целью снижения динамических нагрузок на основные элементы КТМ и грузы, проведены исследования путем компьютерной имитации на примере автомобиля ЗИЛ-131. Поэтому значения инерционных, упругих, геометрических параметров принимались соответственно для этой модели автомобиля. Для жесткого и упруго-демпферного соединения основных элементов автомобиля ЗИЛ-131 и груза решались задачи: начало движения с разных передач, переключение передач во время его движения по горизонтальной дороге; торможение при движении на разных передачах: движение на спусках и подъемах на первой-второй передачах. При этом исследовались горизонтальные усилия, которые действуют на шасси со стороны силового агрегата, на кузов со стороны шасси и на груз со стороны кузова при изменении значений основных параметров упруго-демпферных устройств.

Исследования показали, что упруго-демпферное соединение основных элементов автомобиля ЗИЛ-131 и груза, существенно снижают динамические нагрузки со стороны шасси на кузов и кузова на груз. Путем оптимизации значений параметров упруго-демпферных устройств, можно достичь снижения динамических нагрузок до 25% для кузова и до 15% для груза. Рекомендованы оптимальные значения коэффициентов жесткости, демпфирования упруго-демпферных устройств и сопротивления направляющих автомобиля ЗИЛ-131 с учетом величины масс грузов.

Ключевые слова: колесные транспортные машины, упруго-демпферное соединение, горизонтальные динамические нагрузки, обобщенная математическая модель, математический компьютерный инструментарий, компьютерная имитация.

Yu.M. Cherevko. Lowering of dynamic loading in the main elements of the wheel vehicles and cargoes by way of their resilient joining. - Manuscript.

The thesis for scientific degree of the candidate of technical sciences, specialty 05.02.09 - the dynamics and strength of machines. - Lviv Polytechnic National University.

Scientifically justified the advisability of the main elements of weel transport vehicles (WTV) general mathematical model of movement of WTV and cargoes is worked out, which unlike the known simultaneously considers: inertial characteristics of the main elements of WTV and cargoes; resilient damping device; mechanical characteristics of the power unit; the profiles of the road of different complexity. Worked out on its basis mathematically-computer instrumentation (MCI), allows to model and investigate the dynamic loading on the main elements of different types of WTV and cargoes, to give practical recommendations as to the selection of the parameters of resilient damping device while transporting different cargoes with the aim of lowering longitudinal dynamic effort of them.

The three stage approbation of MCI is exercised, the full scale experiment with the special installation was as its component. The installation was formed on the basic of the truck ZIL-131. The approbation confirmed the possibility of the investigation of the dynamic processes, which take place in WTVs by computer simulation with the help of MCI.

The research of the dynamic loading on the main element of WTV and cargoes while they are transported as the example of the modernized truck ZIL-131 showed that one can influence the meaning of longitudinal effort, which act the main element of different types of WTV and cargoes with different mass and dimensions characteristics.

Keywords: wheeled transport vehicle, resilient damping joining, longitudinal dynamic loading, general mathematical model, computer instrumentation, computer simulation.

Размещено на Allbest.ru

...