«Абызов Алексей Александрович ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ХОДОВЫХ СИСТЕМ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ФОРМИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ Специальности: ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

(национальный исследовательский университет)

На правах рукописи

Абызов Алексей Александрович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОТКАЗНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ХОДОВЫХ СИСТЕМ

БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭКСПЛУАТАЦИИ И

ФОРМИРОВАНИЯ ОТКАЗОВ

Специальности:

05.05.03 – Колесные и гусеничные машины 01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант – доктор технических наук, профессор Игорь Яковлевич Березин.

Челябинск –

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ....................................................... 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ..... 1.1. Описание условий эксплуатации быстроходной гусеничной машины. 1.2. Моделирование динамической системы шасси гусеничной машины.. 1.3. Теории поворота гусеничной машины............................ 1.4. Моделирование взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом......................................................... 1.5 Модели накопления усталостных, износовых и термомеханических повреждений..................................................... 1.6. Цель и задачи исследования.....................................

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

КОНЦЕПЦИЯ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

ИСПЫТАНИЙ БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН........

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ОПИСАНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЖЕННОСТИ И ОБЕСПЕЧЕНИЯ

НАДЕЖНОСТИ ХОДОВЫХ СИСТЕМ БЫСТРОХОДНЫХ

ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН.......................................... 3.1. Требования, предъявляемые к математической модели шасси гусеничной машины............................................... 3.2. Корпус и система подрессоривания............................. 3.2.1. Нагрузки в рабочей и свободной ветвях обвода................. 3.2.2.Нагрузки в опорной ветви обвода. Взаимодействие гусеницы с грунтом........................................................ 3.3. Трансмиссия и двигатель....................................... 3.4.Дифференциальные уравнения движения. Реализация модели........

4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГУСЕНИЦЫ С ГРУНТОМ ПРИ

КРИВОЛИНЕЙНОМ ДВИЖЕНИИ................................... 4.1. Моделирование грунта в пакете программ LS–DYNA............... 4.2. Определение параметров модели грунта. Тестовые расчеты......... 4.3. Расчетные исследования взаимодействия трака с грунтом...........

5. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФУНКЦИИ ИЗМЕНЕНИЯ

СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ БЫСТРОХОДНОЙ ГУСЕНИЧНОЙ

МАШИНЫ ПО ТРУДНОПРОХОДИМОЙ МЕСТНОСТИ............. 5.1. Алгоритм определения функции изменения скорости движения..... 5.2. Результаты расчетных исследований. Проверка адекватности методики.......................................................

6. РАСЧЕТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ ТРАНСПОРТНОЙ

МАШИНЫ. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

МОДЕЛИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРАКТИЧЕСКИХ

ЗАДАЧ.......................................................... 6.1. Исследования переходных процессов при прямолинейном движении машины.............................................. 6.2. Исследования криволинейного движения машины.

Проверка адекватности математической модели..................... 6.3. Использование математической модели для выбора параметров системы подрессоривания перспективных машин....................

7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

И ПРОЦЕССОВ ИЗМЕНЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ НАПРЯЖЕННОГО

СОСТОЯНИЯ В ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ ЗОНАХ ДЕТАЛЕЙ

ХОДОВОЙ СИСТЕМЫ........................................... 7.1. Однопараметрическое случайное нагружение................... 7.2. Многопараметрическое случайное нагружение................... 7.3. Напряжения в деталях, непосредственно взаимодействующих 7.3.2. Методика расчета напряжений в опасной зоне трака...........

8. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ

СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩИХ В УСЛОВИЯХ СЛУЧАЙНОГО

8.1. Методика оценки усталостной долговечности при простом однопараметрическом нагружении.................................. 8.3 Исследование влияния характеристик трассы на результаты 8.4. Методика оценки усталостной долговечности в частном случае многопараметрического нагружения............................... 8.3.1. Расчетная оценка усталостной долговечности траков гусениц...

9. МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ УСТАЛОСТНОЙ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПРИ СЛУЧАЙНОМ

МНОГОПАРАМЕТРИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ................... 9.1. Модель накопления повреждений и ее идентификация............ 9.3. Проверка эффективности мероприятий по усилению балансиров подвески снегоболотоходной машины..............................

10. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ, ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИНАМИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

ГУСЕНИЧНОЙ ЛЕНТЫ С ПОДАТЛИВЫМИ УШИРИТЕЛЯМИ.... 10.1. Экспериментальные исследования динамики гусеничной ленты с 10.1.1. Комплекс аппаратуры для исследований в ходовых условиях.. 10.1.2. Методика тензометрических исследований деформированного 10.1.3. Результаты экспериментальных исследований 10.1.4. Результаты экспериментальных исследований при стендовых 10.2. Математическая модель гусеничной ленты с податливыми уширителями. Результаты расчетных исследований.................. 10.2.1. Моделирование динамики гусеничной ленты с податливыми 10.2.2.Расчетная оценка усталостной долговечности. Методика 10.3. Практические рекомендации по изменению

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в отечественном машиностроении остро стоит вопрос повышения качества и конкурентоспособности, снижения себестоимости выпускаемой продукции, сокращения затрат на проектирование и доводку новых поколений машин.

Гусеничные машины, обеспечивающие высокую проходимость в условиях труднодоступной местности, находят широкое применение в качестве дорожно-строительных, сельскохозяйственных, транспортных машин, а также быстроходных машин специального назначения. Проблема обеспечения прочностной надежности ходовых систем быстроходных гусеничных машин связана с рядом определяющих эксплуатационных, конструкторских и технологических факторов. Такие машины предназначены для эксплуатации в условиях пересеченной местности, при этом трасса движения характеризуется разнообразием микропрофиля пути, наличием криволинейных участков и одиночных препятствий. В таких условиях интенсивному стохастическому нагружению подвергаются балансиры и торсионы подвески, опорные катки, а также траки гусениц машины. На трассах с жестким грунтом возрастает нагруженность траков гусениц в опорной ветви обвода. В связи с большим числом факторов, влияющих на скорость движения по местности, процессы изменения нагрузок, действующих на элементы ходовой системы, необходимо рассматривать как нестационарные случайные процессы. Следует отметить разнообразие видов повреждений элементов ходовых систем быстроходных гусеничных машин, в частности, металлические элементы, работающие в условиях интенсивных циклических нагрузок (балансиры, торсионы подвески, траки гусениц), подвержены усталостному разрушению; ведущие колеса и траки гусениц подвергаются абразивному износу. Для условий жаркого климата характерны термомеханические и усталостные разрушения элементов, выполненных из эластомерных материалов (резинометаллические шарниры, шины опорных катков). Следует отметить непрерывный характер накопления отмеченных повреждений. В условиях массового производства естественным является большой разброс прочностных характеристик материалов деталей ходовой системы, значительно влияющий на их долговечность.

Отмеченные особенности приводят к тому, что в процессе эксплуатации быстроходных машин на ходовую часть приходится значительная доля отказов (от 20 до 40 %). Для других классов гусеничных машин ситуация аналогична.

Так, при освоении нового семейства быстроходных снегоболотоходных машин на Курганском машиностроительном заводе (2001–2009 г.) на элементы ходовой части в гарантийный период приходилось более 50% случаев отказов.

При создании современных быстроходных гусеничных машин одной из важных задач является снижение металлоемкости ходовой системы с целью снижения инерционных нагрузок, а также уменьшения массы плавающих машины. Необходимо отметить, что выход из строя ходовой системы лишает машину подвижности, а устранение неисправностей в процессе эксплуатации весьма трудоемко. В связи с этим проблема обеспечения прочностной надежности ходовых систем быстроходных гусеничных машин также приобретает особое значение.

Как показывает опыт, при использовании традиционных методов расчетов фактические показатели прочностной надежности ходовых систем вновь создаваемых машин часто оказывается недостаточно высокими. На рис. в качестве примера приведены характеристики надежности гусениц с РМШ первых партий быстроходной машины класса 14 тонн, полученные по результатам обработки данных массовой эксплуатации (данные отчетов ЮУрГУ). Из анализа функции изменения параметра интенсивности отказов следует, что после незначительной зоны приработки практически сразу, минуя участок установившейся надежности, наступает прогрессирующее увеличение интенсивности отказов, обусловленное усталостными повреждениями. Как показывает опыт, недостатки конструкции, заложенные на этапе проектирования, достаточно сложно ликвидировать в дальнейшем. При этом возрастают затраты, увеличиваются сроки подготовки серийного производства, Рис.1. Изменение параметров интенсивности отказов при эксплуатации машин ранних временные затраты на доработку выпусков (данные отчетов ЮУрГУ) представленных данных показывает, что доработка траков первой машины с целью обеспечения требуемого ресурса потребовала 4 года, а совершенствование ходовой части второй машины- 5 лет.

Рис.2. Функции надежности гусениц по критерию образования усталостных трещин в траках (а) и относительный параметр потока отказов (б):

1 – выпуск 1968 – 70 г., 2 – 1972 – 74 г.;

хч, м – параметр потока отказов по ходовой части и по машине в целом Решение проблемы прочностной надежности ходовой части во многом определяется научно – техническим уровнем исследований, проводимых на стадиях проектирования, доводки и постановки на серийное производство новых изделий. Как показывает анализ, при выполнении рабочего проекта в настоящее время чаще всего ограничиваются простейшими расчетами, предусмотренными в используемых нормативных документах. При этом приближенно задаются предельные нагрузки, воспринимаемые элементами ходовой системы, а в качестве критериев надежности принимаются коэффициенты запаса по пределу текучести. Выполняемые таким образом расчеты не отображают интенсивное случайное нагружение элементов конструкции в условиях реальной эксплуатации, не позволяют получить случайные процессы изменения напряжений в опасных зонах деталей. В связи с тем, что не рассматриваются процессы накопления повреждений, при использовании подобных расчетов не решается задача оценки ресурса тяжелонагруженных элементов. Для экспериментальной проверки долговечности отдельных элементов используются ускоренные стендовые испытания, которые, из- за приближенного задания режимов нагружения также дают весьма приближенные результаты.

В настоящее время конструкторские бюро предприятий отрасли оснащены современной вычислительной техникой и программным обеспечением; в состав КБ входят специалисты высокой квалификации. В связи с этим актуальной становится проблема внедрения в практику комплексного подхода, позволяющего на ранних стадиях проектирования осуществлять расчетные исследования, учитывающие реальные условия эксплуатации, предусматривающие моделирование динамики гусеничной машины, определение процессов изменения нагрузок, действующих на элементы ходовой системы, расчет напряженно- деформированного состояния ответственных деталей и моделирование процесса накопления повреждений с учетом рассеяния свойств материалов. В результате могут быть получены оценки характеристик прочностной надежности элементов ходовой системы проектируемой машины. Это позволит на ранних стадиях проектирования предсказать потенциально опасные элементы и разработать мероприятия по повышению надежности машины.

В настоящее время успешную разработку фундаментальных вопросов создания современных быстроходных гусеничных машин осуществляют научные коллективы МГТУ им. Н.Э.Баумана, Академии БТВ, ВНИИТрансмаш, научных организаций министерства обороны РФ, конструкторских бюро головных предприятий транспортного машиностроения.

Широкую известность среди специалистов в области транспортных машин высокой проходимости получили труды Б.А. Абрамова, А.А. Благонравова, Н.Ф. Бочарова, С.Е. Бурцева, А.А. Дмитриева, Н.А. Забавникова, П.П. Исакова, Г.О. Котиева, В.И. Красненькова, М.К. Кристи, В.Н. Наумова, А.О.Никитина, В.Ф.Платонова, А.А. Полунгяна, В.Б. Проскурякова, В.А. Савочкина, В.А. Светлицкого, Л.В. Сергеева, А.П. Софияна, В.С. Старовойтова, В.М. Шарипова и других ученых.

В области исследования динамики движения гусеничных машин и работы С.А. Бекетова, Г.С. Белоутова, И.Я. Березина, Р.К. Вафина, В.Б. Держанского, О.А. Наказного, Б.М. Позина, С.В. Рождественского, Е.Б. Сарача, И.П. Трояновской, И.А. Тараторкина и других исследователей.

Разработке методов расчетной оценки усталостной прочности и надежности Н.И. Гриненко, А.С. Гусева, Ю.Н. Дроздова, А.П. Гусенкова, В.С. Ивановой, В.П. Когаева, В.И. Крагельского, Н.А. Махутова, Г.С. Писаренко, А.С. Проникова, А.С. Развалова, В.Л. Райхера, Д.Н. Решетова, О.С. Садакова, С.В. Серенсена, В.Т. Трощенко, К.В. Фролова, Л.А. Шефера и других ученых.

народнохозяйственной проблемы повышения надежности и сокращения сроков освоения новых поколений быстроходных гусеничных машин в части, связанной с обеспечением надежности тяжелонагруженных элементов движителя на ранних этапах проектирования и доводки. Поставленная цель достигается путем использования информации о нагруженности элементов ходовой части машин в условиях реальной эксплуатации, создания математических моделей, достаточно полно отображающих динамические свойства проектируемых изделий, разработки моделей накопления повреждений.

В представляемой диссертации разработаны прикладная теория, инженерные методы исследований и основанный на них комплексный подход, позволяющий на ранних этапах проектирования осуществлять моделирование условий реальной эксплуатации, исследовать динамические процессы изменения усилий и напряжений, прогнозировать и обеспечивать надежность тяжелонагруженных элементов ходовых систем быстроходных гусеничных машин.

диссертационного исследования, составляющие его научную новизну :

1. Новая концепция задания многопараметрического нестационарного случайного воздействия внешней среды, основанная на формализации картографического описания типовых испытательных полигонов, применяемых для ресурсных испытаний опытных образцов техники. Описание включает сочетание параметров микро– и макропрофиля участков трассы, характеристик ее криволинейных фрагментов, параметров отдельных препятствий, требующих существенного снижения скорости, свойств грунта и др. Предложенный подход позволяет на ранних стадиях проектирования прогнозировать характеристики надежности при эксплуатации машин в различных природно-климатических условиях.

2. Специализированная применительно к задачам прочностной надежности математическая модель, отличающаяся тем, что она описывает динамику связанной нелинейной системы «внешняя среда – гусеничный движитель – многопараметрическом нестационарном случайном воздействии.

Модель отображает существенные нелинейности элементов системы подрессоривания и гусеничного движителя; при моделировании силовой установки учитываются характеристика двигателя, характеристики фрикционных элементов и гидравлических передач в трансмиссии и механизме прямолинейном и криволинейном движении с учетом изменения структуры силовой установки и переходных процессов, вызванных управляющими воздействиями со стороны водителя. Одновременное, достаточно подробное описание гусеничного движителя, подрессоренного корпуса и силовой установки позволяет моделировать движение машины по трассе под действием комплекса внешних воздействий, соответствующего условиям реальной эксплуатации.

3. Модель взаимодействия опорной поверхности гусеницы с поверхностью трассы, отличающаяся тем, что грунт представлен в виде континуальной нелинейной среды. Для расчета усилий, возникающих в контакте, применен метод конечных элементов, использующий трехмерные модели траков и грунтового объема. Это позволяет учесть влияние формы опорной поверхности напряженном состоянии и его разрушения при больших перемещениях, вызванных погружением трака и нагребанием грунта. В отличие от известных моделей, такой подход не требует применения упрощающих схематизаций при описании формы опорной поверхности трака.

Модель используется как подсистема в математической модели машины для прямолинейном и криволинейном движении.

4. Подсистема математической модели гусеничной машины, используемая для определения функции изменения скорости и дальнейшего формирования программы управляющих воздействий на двигатель и трансмиссию при моделировании движения машины по трассе. Предлагаемый подход отличается тем, что функция изменения скорости по пути строится в соответствии с заданной дорожной ситуацией.

Учет изменения скорости при моделировании движения машины позволяет повысить точность определения силовых и кинематических параметров, выявить характер и уровень эксплуатационных нагрузок.

5. Методика преобразования силового и кинематического воздействия на элементы конструкции в случайные процессы изменения компонентов тензора напряжений в опасных точках тяжелонагруженных деталей, отличающаяся тем, что она базируется на методе конечных элементов и моделях взаимодействия с нелинейной средой. Для деталей гусеничного движителя, непосредственно контактирующих с грунтом, использование данной методики позволяет получить процессы изменения напряжений с учетом случайного характера опирания.

6. Модель накопления усталостного повреждения и метод прогнозирования усталостной долговечности для случая, когда компоненты тензора напряжений описываются независимыми случайными процессами. Подобное характерно для элементов ходовой системы при многопараметрическом случайном нагружении. Предложенный подход отличается применением структурной модели среды и использованием микропластических деформаций при расчете накопленного многоциклового усталостного повреждения. Метод учитывает рассеяние усталостных свойств материала, что позволяет представлять тяжелонагруженных элементов.

Практическая значимость работы 1. Создан комплекс измерительных устройств и аппаратуры, позволяющий исследовать нагруженность элементов подвески и гусеничного движителя в лабораторных условиях, а также в условиях реальной эксплуатации.

С применением разработанного комплекса исследована нагруженность снегоболотоходной машины.

2. Разработана универсальная математическая модель, описывающая динамику связанной нелинейной системы «гусеничный движитель – подресоренный корпус – трансмиссия – двигатель» при многопараметрическом случайном воздействии внешней среды. Модель отображает существенные нелинейности элементов системы подрессоривания и гусеничного движителя, характеристики двигателя, изменение структуры силовой установки в переходных режимах, вызванных процессами управления при движении машины по труднопроходимой местности. Получаемые с помощью модели процессы изменения нагрузок используются в дальнейшем для расчета напряжений в опасных точках ответственных деталей ходовой системы.

3. Разработана модель взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом, представленным в виде континуальной нелинейной среды.

Использование метода конечных элементов позволяет определить процессы силового взаимодействия в контакте с учетом нелинейных свойств грунта и формы опорной поверхности траков. Модель используется как подсистема в математической модели машины; ее применение позволяет адекватно оценить нагрузки, действующие на элементы движителя, а также достоверно прогнозировать траекторию криволинейного движения при заданных управляющих воздействиях со стороны водителя.

4. Предложена математическая модель, описывающая управляющие воздействия со стороны водителя. Модель является подсистемой, используемой для формирования управляющих воздействий на двигатель и силовую установку при интегрировании уравнений движения с целью приведения функции изменения скорости и траектории движения машины к заданной дорожной ситуации. Использование такой модели существенно повышает достоверность определения нагрузок, действующих на элементы ходовой системы машины.

5. Разработан комплекс вычислительных программ, реализующий разработанные математические модели. Адекватность математической модели подтверждена сопоставлением расчетных и экспериментальных данных.

6. Создана методика преобразования многопараметрического случайного воздействия в процессы изменения компонентов тензора напряжений в опасных точках тяжелонагруженных деталей, базирующаяся на методе конечных элементов и моделях взаимодействия с нелинейной средой.

7. Разработан метод прогнозирования усталостной долговечности для частного случая, когда компоненты тензора напряжений описываются независимыми случайными процессами. Метод основан на структурной модели материала и учитывает рассеяние его усталостных свойств, что позволяет представлять результаты в виде функций вероятностей безотказной работы тяжелонагруженных элементов.

Разработаны компьютерные программы, реализующие предложенный метод.

Достоверность расчетных оценок усталостной долговечности подтверждена сопоставлением с экспериментальными данными. Предложенный метод и программные средства использованы для прогнозирования долговечности траков гусениц и балансиров подвески.

8. Разработана математическая модель гусеничной ленты с эластомерными уширителями. На основе анализа результатов расчетных и экспериментальных исследований выявлен механизм усталостного разрушения уширителей, вызванного действием циклических инерционных нагрузок при прохождении зон ведущего и направляющего колес машины.

9. Результаты работы внедрены при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в следующих предприятиях и конструкторских бюро: Челябинском тракторном заводе, Конструкторском бюро транспортного машиностроения (г. Омск), Курганском машиностроительном заводе, Специальном конструкторском бюро машиностроения (г. Курган).

Разработанные методы и программные средства использованы при решении ряда практических задач:

– расчетной оценки долговечности торсионов и бортовых редукторов инженерной гусеничной машины;

– оценки эффективности мероприятий по усилению балансиров подвески снегоболотоходной машины ТМ–120;

– разработке мероприятий по предотвращению разрушения эластомерных уширителей гусеницы снегоболотоходгой машины;

– оценке эффективности системы подрессоривания с управляемыми амортизаторами.

Объект исследования – процессы нагружения и накопления усталостных повреждений элементов движителя быстроходной гусеничной машины.

Методологической основой работы являются: системный подход;

математическое моделирование, методы вычислительной математики, законы аналитической механики; теория трактора; теория прочности грунтов, теории усталостной прочности.

Достоверность результатов расчетных исследований обеспечена использованием верифицированных методов численного решения дифференциальных уравнений, тщательным тестированием разработанных программ для ПЭВМ; адекватность разработанных математических моделей подтверждена сопоставлением расчетных и экспериментальных результатов.

РЕАЛИЗАЦИЯ И ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Результаты работы использованы Конструкторским бюро транспортного машиностроения (КБТМ, г. Омск) при проектировании семейства инженерных машин многоцелевого назначения (тема «Отцепка» 89183, договор о совместной деятельности ЧГТУ и КБТМ тема 55–86–83).

Результаты работ по расчетному и экспериментальному исследованию гусеницы с эластомерными уширителями, а также оценка эффективности мероприятий по усилению балансиров использованы при доводке ходовой системы снегоболотоходной машины ТМ–1 (договор 4498/98160 между ЮУрГУ и Специальным конструкторским бюро машиностроения (СКБМ, г.

Курган), договор между СКБМ и кафедрой Гусеничных машин Курганского государственного университета № 100 от 13.01.2000 г., № 2/2000– от11.09.2000 г.) Разработанная в диссертации математическая модель гусеничной машины использована для оценки эффективности управляемой системы подрессоривания перспективного изделия (договор между ЮУрГУ и СКБМ №405 (2005395) от 14.01.2005 г.) Созданный в ходе выполнения диссертационной работы измерительный комплекс использован при проведении натурных исследований рамы и корпуса бортовых фрикционов промышленного трактора производства Челябинского тракторного завода (Договоры между ЮУрГУ и ЧТЗ №8552/93310 от 1993 г., №9814 от 26.05.98, № 308–Н от 01.02.2008, договор № 923/06 от 6.03.2006 г.

между НП СЦ АТТ и ЧТЗ-Уралтрак, договор № 1492/08 от 9.01.2008 г. между НИИ АТТ и ООО «ПСМ–ЗМС»).

Ряд приведенных в диссертационной работе исследований выполнялись в рамках госбюджетных НИР по следующим программам:

– по плану НИР Научно-инженерного центра «Надежность и ресурс больших систем машин» УрО РАН 1996–2000 г., научное направление 2.3. «Фундаментальные проблемы и аппаратные средства управления сложными объектами и структурами;

– по программе «Технические университеты России» (80УП53);

– по плану НИР ЧГТУ (тема 4393П53);

– по программе «УралВУЗ-конверсия»;

–по гранту Р2001УРЧЕЛ01–16 проект 01–03–96421 «Моделирование стохастических процессов в связанных нелинейных системах при нестационарном многопараметрическом случайном воздействии».

Разработанное в диссертации алгоритмическое и программное обеспечение используется также в учебных курсах «Вычислительная механика»

и «Статистическая механика и надежность машин» при подготовке инженеров, бакалавров и магистров на физическом факультете ЮУрГУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Всероссийской научно- технической конференции «Механика и процессы управления моторно- трансмиссионных систем транспортных машин (Курган, 2003г.); на международных технологических конгрессах «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения» (Омск, 2004, 2005 и 2008 г.);

на конференции кафедры «Тягачи и амфибийные машины» МАДИ (2007г.), на Всероссийских научно– практических конференциях «Актуальные проблемы защиты и безопасности», секция «Бронетанковая техника и вооружение»

(Санкт– Петербург, НПО Спецматериалов, ВНИИТРАНСМАШ, 2010–2013гг.);

на ежегодных научно – технических конференциях кафедры ПМДПМ ЮУрГУ (1989–2012 г.) По материалам диссертации сделан доклад на заседании головного совета «Машиностроение» Министерства образования РФ под председательством академика РАН К.С.Колесникова (Снежинск, 2001). Материалы диссертации доложены на научных семинарах Научно– инженерного центра «Надежность и ресурс больших систем машин» УрО РАН, кафедры «Гусеничные машины»

Курганского государственного университета (2012г.), кафедры «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э.Баумана (2013 г.), кафедры «Автомобили и тракторы»

Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ, 2014 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в печатных работах, в том числе в 12 статьях в ведущих рецензируемых научных журналах из перечня ВАК. Зарегистрирована программа моделирования динамики гусеничной машины.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения, списка используемой литературы (239 наименования, в том числе 20 – зарубежных). Диссертация изложена на 263 страницах машинописного текста, содержит 104 рисунка и 13таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В настоящее время расчетные методы прогнозирования и обеспечения надежности, используемые на ранних этапах проектирования, находят все большее применение в различных отраслях техники ([53, 127] и др.).

Фундаментальным и прикладным разработкам проблем прочности, ресурса и безопасности в различных отраслях техники посвящена монография, быстроходным гусеничным машинам разработка методов прогнозирования и обеспечения долговечности элементов ходовой системы проводится в МГТУ им. Н.Э. Баумана [101, 102, 85], ВНИИТрансмаш, ЮУрГУ [36, 37] и других организациях.

Разрабатываемый в диссертации новый подход базируется на общей теории имитационного моделирования [148, 175, 176, 206, 212]. Применительно к задаче прогнозирования и обеспечения надежности элементов гусеничного движителя реализация такого подхода предполагает компьютерное моделирование движения машины по трассе, при этом используемые в расчете внешние воздействия должны максимально соответствовать реальным условиям эксплуатации. Полученные в результате расчетов процессы изменения нагрузок, действующих на элементы системы подрессоривания и гусеничного движителя в дальнейшем используются для расчета процессов изменения напряжений в опасных зонах ответственных деталей и оценки их ресурса по различным критериям.

В приведенном ниже обзоре рассмотрены различные подходы к описанию условий эксплуатации гусеничных машин, моделированию динамических процессов при движении по трассе, а также методики моделирования процессов накопления повреждений и формирования отказов;

сформулированы основные задачи диссертационного исследования.

1.1. Описание условий эксплуатации быстроходных гусеничных машин Создание методов имитационных испытаний наряду с достаточно полным описанием динамических свойств транспортной машины требует адекватного описания условий эксплуатации. Факторы внешнего воздействия разнообразны по своей физической природе из числа наиболее важных, учет которых представляется необходимым при рассмотрении тяжелых дорожных условий, следует назвать случайный продольный и поперечный микропрофиль пути, случайные одиночные препятствия, дорожную кривизну, спуски и подъемы, обусловленные макропрофилем трассы, физические свойства грунта, определяющие сопротивление прямолинейному движению и повороту, а также тягово-сцепные характеристики. В реальных условиях эксплуатации транспортной машины разнообразие случайных факторов приводит к тому, что скорость движения транспортной машины по трассе оказывается переменной.

Таким образом, в модели движения должен быть учтен случайный характер внешнего воздействия и его влияние на скорость движения.

Первоначально при вероятностной постановке задачи движения ограничивались учетом только продольного микропрофиля трассы. При этом было обосновано допущение о замене нестационарного внешнего воздействия стационарным случайным процессом [119, 140, 185], что позволило использовать для расчетов спектральную теорию. Учет поперечного профиля появился в задачах оценки прочности автомобильных рам и кузовов, на нагруженность и долговечность которых большое влияние оказывают деформации кручения [52, 140, 158]. К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал о статистических характеристиках микропрофилей трасс различных природно- климатических регионов и различного назначения. Так, характеристики микропрофилей автомобильных дорог описаны в работах [77, 141, 140, 158]. Данные о полях и дорогах, на которых эксплуатируются сельскохозяйственные машины, приведены в работах [30, 119]. Результаты исследований микропрофилей лесовозных дорог и волоков представлены в [47, 92, 95, 107, 177, 211]. Характеристики микропрофилей бездорожья, а также местности, покрытой снегом, исследованы в работах Л.В. Барахтанова [29, 168]. Микропрофили поверхности трасс, на которых эксплуатируются быстроходные гусеничные машины, рассмотрены в работах А.А. Силаева [185], В.А. Савочкина, А.А. Дмитриева [170], в работах, ВНИИТРАНСМАШа (А.П. Софиян, Ф.П. Шпак, С.В. Дорогин, А.С. Развалов и др.). В перечисленных работах обычно приводятся значения дисперсий, а также параметры выражений, аппроксимирующих эмпирические корреляционные функции и функции спектральной плотности процессов изменения высот микропрофилей различных трасс. Анализ литературных данных свидетельствует о существенном разбросе характеристик микропрофиля различных трасс. Кроме того, реальные трассы, на которых эксплуатируются машины высокой проходимости, обычно включают одиночные неровности выпуклости и впадины, для преодоления которых водитель вынужден существенно снижать скорость.

Сопротивление движению гусеничной машины, обусловленное свойствами грунта, обычно характеризуют коэффициентом сопротивления прямолинейному движению. Экспериментально полученные значения этого параметра приводятся в [75, 80, 113], а также в работах Е.В. КалининойИвановой, А.Н. Корнилова, А.А. Останина и других исследователей. Сцепление гусеничного движителя с грунтом характеризует коэффициент сцепления.

Экспериментальные значения этого параметра для грунтов и дорог с различным типом покрытия представлены в работах [30, 80].

Как показывает опыт, эксплуатация гусеничных машин сопровождается большим числом поворотов. Так, по данным [170, 201], от 30 до 70% пути машина находится в состоянии поворота. Дополнительное сопротивление, возникающее при повороте гусеничной машины, обычно характеризуют коэффициентом сопротивления повороту. Значения этого параметра приведены в работах, посвященных теории поворота [80, 130, 201].

ВНИИТрансмаш составлены подробные описания трасс отечественных полигонов, используемых для государственных испытаний быстроходных гусеничных машин. Описания включают характеристики микропрофиля различных участков трассы, свойства грунта, данные о криволинейных участках, случайных неровностях, а также о спусках и подьемах Исследованию характеристик трасс зарубежных полигонов, используемых для испытаний военной техники и проведения учений, посвящены работы [221, 225].

эксплуатации, оказывающие наиболее существенное влияние на нагруженность элементов шасси, отличаются большими разбросами. В литературе обычно приводятся разрозненные данные об отдельных характеристиках трассы. В то же время в условиях реального движения машина подвергается непрерывно изменяющемуся комплексному внешнему воздействию. Это приводит к необходимости постоянной корректировки скорости движения, из- за чего, в частности, внешнее воздействие становится нестационарным.

Приведенные в рассмотренных литературных источниках данные о характеристиках трасс, на которых осуществляется испытания и эксплуатация гусеничных машин, в дальнейшем могут быть использованы для задания комплексного внешнего воздействия на ходовую систему при моделировании движения машины по трассе.

1.2. Моделирование динамической системы шасси гусеничной машины Первоначально модели движения гусеничных транспортных машин разрабатывались применительно к задачам плавности хода, в которых исследуются колебания подрессоренного корпуса, обусловленные кинематическим воздействием со стороны микропрофиля трассы. Такие задачи решаются в связи с необходимостью обеспечения требуемых условий работы экипажа и сохранности перевозимых грузов, для чего должны выполняться установленные нормативы на предельные значения ускорений и перемещений корпуса. В подобных исследованиях расчетная схема включает только упругую подвеску и корпус машины [80, 131, 179]. В первых работах, посвященных задаче плавности хода, упругие и демпфирующие характеристики системы подрессоривания принимались линейными; действие ограничителей, односторонний характер связи опорных катков с грунтом и наличие гусеничного движителя не учитывались. Такой подход использован, например, в работах А.О. Никитина [131], В.Л. Сергеева [179] и других авторов. Линейная постановка задачи позволяет получить аналитические решения дифференциальных уравнений движения, выполнить расчет собственных частот и приближенный анализ амплитуд колебаний при гармоническом внешнем воздействии.

Принципиально новое развитие теория подрессоривания транспортных машин получила в работе А.А. Дмитриева [78], в основу которой положено представление о нелинейных характеристиках системы подрессоривания и существенных нелинейностях, обусловленных односторонней связью опорных катков с грунтом. Разработанный им применительно к системам подрессоривания транспортных машин метод гармонической линеаризации позволил выполнить комплексный анализ задачи динамики транспортной машины, предназначенной для эксплуатации в особо тяжелых условиях и на его основе сформулировать принцип построения систем подрессоривания таких машин, получивший название принцип мощного демпфирования. Нелинейные модели позволили существенно уточнить получаемые результаты, объяснить ряд динамических эффектов.

Упомянутые подходы позволяют выполнить предварительный анализ и оценку качества системы подрессоривания проектируемой машины в случае детерминированного гармонического воздействия при постоянной скорости движения. Одной из первых работ, в которой реализована вероятностная постановка задачи движения транспортной машины, является монография А.А. Силаева [185]. Разработанная в ней спектральная теория подрессоривания позволяет исследовать динамику многоопорных транспортных машин при стационарном случайном внешнем воздействии. Применительно к транспортным системам различного назначения статистический подход реализован в работах А.Б. Лурье [119], В.П. Макеева, Н.И. Гриненко, Ю.С. Павлюка [123, 139], А.А. Хачатурова [77], Р.В. Ротенберга [167] и других авторов. Однако используемый при этом аналитический метод решения задачи статистической динамики предполагает стационарное внешнее воздействие на линейную динамическую систему. Принципиально новый подход к задаче статистической динамики транспортных гусеничных машин, отображающий влияние широкого круга факторов внешней среды предложен в работе А.А. Дмитриева и П.А. Савочкина [170].

В настоящее время в связи с широким внедрением вычислительной интегрирования уравнений движения при произвольном внешнем воздействии.

Такой подход позволяет исследовать динамику машины при нестационарном случайном внешнем воздействии с учетом существенных нелинейностей упругих и демпфирующих характеристик элементов гусеничного движителя и системы подрессоривания.

При исследовании плавности хода гусеничных машин чаще всего ограничиваются исследованием вертикальных и продольно- угловых колебаний. Однако, при движении по необустроенной местности определенное влияние на плавность хода машины и на нагруженность элементов системы подрессоривания могут оказывать поперечно-угловые колебания, возникающие из-за разности профиля правой и левой колеи, а также при движении по криволинейным участкам. Математические модели, учитывающие поперечноугловые колебания машины, предложены в работах [3, 81, 200,].

При расчетных исследованиях динамики подрессоренного корпуса транспортных и технологических машин других типов используются аналогичные подходы. Моделирование колебаний корпуса трактора, в связи с низкими скоростями движения, обычно осуществляется в линейной постановке [76]. При моделировании динамики колесных машин высокой проходимости принципиальным отличием является дополнительный учет в составе системы подрессоривания шин, обладающих упруго- вязкими свойствами [60, 77, 93, 167] и др.

Предыдущая часть обзора охватывает работы, в которых рассмотрена проблема колебаний корпуса машины. Традиционно в транспортном машиностроении вопросы динамики силовой установки рассматриваются отдельно, что объясняется существенным различием частотных диапазонов:

0,5–5 Гц для колебаний подрессоренного корпуса и более 40 Гц для крутильных колебаний системы двигатель – трансмиссия.

Конструкции силовых установок современных транспортных средств в зависимости от назначения отличаются большим разнообразием. В качестве двигателей используются карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания, газовые турбины в трансмиссиях кроме механических могут использоваться гидродинамические, гидрообъемные и электрические передачи.

К фундаментальным работам, посвященным созданию прикладной теории и методов расчета стационарных режимов работы различных типов силовых установок относятся труды М.К. Кристи и В.И. Красненькова [108], А.С. Антонова [26], В.Л. Сергеева [179], Е.Д. Львова [122], Ю.Н. Лаптева [116, 117]. Исследованию силовых потоков в трансмиссиях транспортных машин различного назначения посвящены также работы [25, 84] и др. К числу работ, охватывающих проблему расчетного и экспериментального исследования динамики силовых установок транспортных машин, следует отнести труды В.Л. Вейца и А.Е. Кочуры [20, 62, 63, 64], В.И. Крутова [109], И.Б. Барского [30], А.М. Лысова [121], Г.М. Анисимова [24], а также работы В.А. Зайцева, Г.С. Белоутова [34], М.Г. Жучкова, Р.Н. Королькова, Б.С. Медова и других авторов. В зависимости от решаемых задач и степени схематизации силовой установки эти работы можно разделить на несколько групп.

При изучении низкочастотной динамики, обусловленной разгоном и торможением машины, переключением передач, а также при исследовании систем автоматического регулирования и расчетной оценке износа фрикционных элементов обычно используют достаточно простые расчетные схемы. В этом случае модель включает несколько сосредоточенных элементов с моментами инерции, равными приведенным моментам инерции отдельных агрегатов силовой установки двигателя, коробки передач, ведущего колеса и т.п. и соединяющие их фрикционы или немеханические передачи. Упругие элементы вводят только при наличии в исследуемой трансмиссии податливых валов или специальных упругих элементов. Такие схемы использованы в работах [24, 26, 109].

обусловленных неравномерностью момента двигателя, импульсным характером работы систем автоматического регулирования, неравномерностью работы карданных передач, переменной жесткостью зубчатых зацеплений и т.п.

используются значительно более сложные модели, учитывающие инерционные характеристики отдельных шестерен, податливости валов, упругодемпфирующие характеристики зубчатых зацеплений. Такие модели подробно рассмотрены в работах [62–64, 193] и др. Корпус машины, упругий гусеничный обвод или ведущие колеса, а также многоопорная подвеска при исследовании крутильных колебаний иногда включаются в расчетную схему в виде соответствующих крутильных элементов с приведенными характеристиками. В некоторых работах, например в [24], предлагается к ведущим колесам прикладывать переменный момент сопротивления, определенный экспериментально при испытаниях машины- прототипа. Подобные упрощения высокочастотных вынужденных колебаний, однако оно не позволяет адекватно описать динамические процессы, вызванные дорожным воздействием на единую систему транспортной машины.

Как показывает опыт эксплуатации и результаты экспериментальных исследований, динамические процессы, протекающие в силовой установке и системе корпус- подвеска транспортной гусеничной машины, из- за наличия гусеничных лент в значительной степени взаимосвязаны. Необходимость учета этого обстоятельства отмечена в [54, 111, 112, 136] и других работах. В ряде работ предложены математические модели, описывающие трансмиссию и подрессоренный корпус машины как единую динамическую систему.

Рассмотрим их основные особенности.

Единая динамическая модель гусеничного трактора предложена в работе Г.М. Кутькова [113]. Особенностью этой модели является достаточно подробное описание трансмиссии, позволяющее исследовать процесс поворота машины. Однако эта модель ориентирована на исследование тяговой динамики подрессоривания, а также не описывает подвеску многоопорной машины.

Модель гусеничной машины, отображающая наиболее важные особенности системы подрессоривания и подробно описывающая силовую установку, предложена в работах В.П. Тарасика [191, 192]. Одним из недостатков этой модели является отсутствие в расчетной схеме свободных ветвей гусеничных обводов, работающих при торможении машины и в режиме поворота. Следует также отметить, что в перечисленных работах, посвященных гусеничным машинам, предложены модели, описывающие динамику тихоходных машин сельскохозяйственных и промышленных тракторов, трелевщиков и др. Эти модели дают хорошие результаты при исследовании динамики таких машин в характерных условиях эксплуатации.

Математические модели, ориентированные на исследование динамики быстроходных гусеничных машин и рассматривающие единую систему «подрессоренный корпус –гусеничные ленты- силовая установка», позволяют не только более точно описывать колебания корпуса и нагруженность деталей подвески, но и оценивать нагруженность гусеничных лент. В таких моделях обычно учитываются нелинейности упругих и демпфирующих элементов системы подрессоривания, а также существенные нелинейности, вызванные пробоями подвесок и отрывами опорных катков от грунта. Одна из первых подобных моделей предложен И.Я. Березиным и В.А. Колодкиным [35, 39, 95];

в дальнейшем такой подход развивался в работах научной школы МГТУ им.

Баумана [99, 100, 102, 171], В.П. Аврамова [17] и ряда других авторов. При этом силовая установка моделируется приведенной к ведущему колесу одномассовой вращательной системой, к которой приложен крутящий момент, изменяющийся в соответствии с тяговой характеристикой двигателя.

Гусеничные ленты моделируются нелинейными упругими элементами одностороннего действия. В связи с наличием существенных нелинейностей интегрирование дифференциальных уравнений движения осуществляется численно. Экспериментальные исследования [39, 95] подтверждают, что такая модель достаточно хорошо описывает динамические нагрузки в гусеничном движителе. Однако подобные модели описывают силовую установку весьма упрощенно, что не позволяет исследовать динамические процессы в переходных режимах работы (при переключении передач, изменении подачи топлива, включении механизма поворота).

При оценке нагруженности некоторых типов гусеничных лент, а также поддерживающих катков машины могут представлять интерес динамические Фундаментальным вопросам динамики гибких стержней и нитей посвящена работа В.А. Светлицкого [173]. Динамика гусеничных лент быстроходных машин исследована в монографии В.Ф. Платонова [147].

В отдельную группу входят математические модели, специально предназначенные для исследования криволинейного движения гусеничной машины (тягового баланса, управляемости и т. п.). Как правило, в таких моделях рассматривается плоское движение машины без учета колебаний корпуса [ 50, 105, 106, 136, 198, 201, 218, 237] и др.

Математическое моделирование динамики быстроходных гусеничных машин широко применяется зарубежными исследователями [222, 226, 230, 231, 235, 238] и др. При этом часто используется универсальный пакет программ Adams, и, в частности, приложение Adams Tracked Vehicle Toolkit, специально предназначенное для создания моделей ходовой системы гусеничной машины [220, 236].

При движении по трассе водитель вынужден непрерывно изменять скорость машины, приводя ее в соответствие с текущими дорожными условиями, при этом скорость движения оказывает определяющее влияние на нагруженность элементов ходовой системы. В связи с отмеченными особенностями в состав математической модели быстроходной машины должна быть включена подсистема, описывающая действия водителя по приведению скорости движения по трассе в соответствие с дорожными условиями.

Исследованию работы водителя как составной части системы человекмашина посвящены работы В.И. Красненькова, В.В. Егоркина, Ю.А. Конева, а также [18, 31, 39, 44, 50, 65, 96, 166, 189, 193, 207, 213] и др. Так, Ю.А. Конев предложил рассматривать водителя как трехконтурную систему автоматического управления, выполняющую следующие функции - комплексное слежение, направленное на устранение отклонений параметров движения от заданных величин - поправки типа преследование, с помощью которых компенсируются периодически возникающие отклонения - упреждающее воздействие.

Однако в известных работах человек- оператор обычно рассматривается как звено первого порядка, входящее в состав системы автоматического управления. Такие модели разработаны лишь применительно к задаче управления курсовым движением. При этом в них фактически реализуется только первая из трех указанных ранее функций.

На основе анализа информации о разработанных к настоящему времени математических моделях шасси гусеничной машины, в дальнейшем будут сформулированы требования, предъявляемые к математической модели, предназначенной для определения нагрузок, действующих на элементы ходовой системы гусеничной машины при движении по трассе.

1.3. Теории поворота гусеничной машины При движении по необустроенной местности гусеничная машина большую часть времени находится в состоянии поворота. Такой режим характеризуется повышенным сопротивлением движению, периодически возникающими переходными процессами, связанными с работой механизма поворота и, как следствие, повышенными нагрузками на элементы системы подрессоривания и гусеничного движителя. В связи с этим большое значение имеет адекватное описание нагрузок, действующих на гусеничную машину при преодолении криволинейных участков трассы.

Теория поворота гусеничных машин начала развиваться в 30-е годы и к настоящему времени выделилась в самостоятельный раздел теории гусеничных машин, что объясняется специфическим характером явлений, сопровождающих взаимодействие гусеничного движителя с грунтом в процессе поворота.

Обзор истории развития теории поворота гусеничных машин приведен в работе И.П. Трояновской [196]. Первые попытки решения силовой задачи при повороте гусеничной машины были сделаны в трудах В.И. Заславского и М.К. Кристи [82, 107]. При этом было введено понятие коэффициента сопротивления повороту и получена зависимость для вычисления момента сопротивления. Продольное и поперечное проскальзывание рассматривались независимо; распределение давления по опорной поверхности гусеницы предполагалось равномерным. В работах А.О. Никитина [130] на основе экспериментальных данных предложена зависимость, связывающая коэффициент сопротивления повороту с радиусом кривизны траектории движения. В настоящее время широкое применение находит уточненный вариант этих соотношений, учитывающий смещение центра поворота машины и позволяющий вычислить величину момента сопротивления повороту и боковой силы, препятствующей заносу машины. Следует отметить, что предложенное А.О. Никитиным соотношение получено по результатам статических экспериментов и не позволяет получить точные результаты при поворотах на высоких скоростях движения. В [86, 219], а также в ряде других работ предложены уточненные варианты соотношений для расчета момента сопротивления повороту.

В работах М.И. Медведева [126] предложена деформационная теория поворота, учитывающая деформационные физико- механические свойства грунта путем введения линейной зависимости боковой силы от поперечного смещения точек гусеницы. Результаты расчетов, выполненных с применением этой теории, согласуются с экспериментальными данными только для больших и средних радиусов поворота.

Подходы, предполагающие вычисление момента сопротивления повороту по эмпирическим формулам, обладают рядом серьезных недостатков. В частности, они не учитывают перераспределения нагрузок по длине опорной поверхности при движении машины и рассматривают проскальзывание гусеницы относительно грунта в продольном и поперечном направлениях независимо, что приводит к принципиальным ошибкам при определении сил сопротивления повороту. Получение сил сопротивления в виде интегральных величин (момента сопротивления и боковой силы) не позволяет получить нагрузки, действующие на каждый опорный каток машины.

Другое направление развития теории поворота связано с использованием математической теории трения (работы Ф.А. Опейко, В.В. Гуськова [75, 135] и ряда других авторов). Дальнейшее развитие этого направления выполнено в работах Б.М. Позина и И.П. Трояновской [151, 152, 196, 197, 198, 199], которыми предложена единая теория поворота гусеничных и колесных тракторных агрегатов. Согласно этой теории, перемещение опорной поверхности движителя относительно грунта рассматривается как мгновенновращательное. Распределенные по опорной поверхности касательные силы вычисляются в соответствии с законом трения и в дальнейшем путем интегрирования приводятся к сосредоточенным силам и моменту, приложенным в центре вращения. Координаты центров вращения опорных поверхностей и координаты центра поворота всей машины являются неизвестными, которые определяются из условий равновесия и уравнений геометрических и кинематических связей. Использование такого подхода позволяет учесть распределение давления по опорной поверхности, однако применение закона трения накладывает определенные ограничения, в частности, затрудняет учет формы опорной поверхности траков, а также деформации грунта и его нагребания боковыми поверхностями гусеницы.

Чтобы в определенной мере учесть эти эффекты, в данном подходе используется модель анизотропного трения с переменными коэффициентами.

Принципиально иной метод описания взаимодействия гусеницы с грунтом при криволинейном движении предложен в работах В.И. Красненькова [105, 106]. В его основу положено экспериментально обоснованное допущение о том, что взаимодействие с грунтом происходит на так называемых «активных» участках, находящихся в окрестности опорных катков машины.

Использование такого подхода позволяет учесть реальное распределение вертикальных нагрузок по длине опорной ветви, совместно рассматривать продольное и поперечное проскальзывание, а также определять поперечные нагрузки, действующие на каждый опорный каток машины. В настоящее время такое описание взаимодействия гусеницы с грунтом используется в математической модели гусеничной машины, разрабатываемой в МГТУ им.

взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом является наиболее предпочтительной для использования в математической модели гусеничной машины, ориентированной на решение задачи о нагруженности элементов ходовой системы. При реализации этого подхода наиболее сложным является получение зависимостей, связывающих нагрузки, действующие на активных участках, с их перемещениями относительно грунта. В качестве таких зависимостей может использоваться закон трения, соотношения, полученные на основе обработки экспериментальных данных и др. Очевидно, что для адекватного определения нагрузок, действующих на активные участки, необходимо использовать соотношения, учитывающие всю совокупность процессов, протекающих в контакте траков с грунтом: трение опорной поверхности о грунт, деформирование грунта, его нагребание боковой поверхностью и др. При этом предпочтительно использовать расчетные зависимости, так как проведение экспериментальных исследований взаимодействия траков с грунтом весьма трудоемко.

1.4. Моделирование взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом При реализации модели взаимодействия опорной поверхности гусеницы с грунтом, основанной на представлении об «активных участках», важным является вопрос получения зависимостей, связывающих относительное перемещение в контакте с возникающими при этом нагрузками. Для решения этой задачи необходимо использовать модель, описывающую сложное напряженно- деформированное состояние верхнего слоя грунтовой поверхности, взаимодействующей с опорной поверхностью траков. Рассмотрим математические модели, применяемые в настоящее время для исследования процесса деформирования грунта.

При исследовании взаимодействия движителей машин, а также рабочих органов дорожно-строительной техники с грунтом широко применяются эмпирические зависимости, связывающие напряжения и деформации в грунтовом массиве.

Исследования процесса сжатия грунтов с ограниченной возможностью бокового расширения показали, что в начальной фазе сжатия деформация растет пропорционально напряжению. В связи с этим при расчетах движителей с грунтом иногда рассматривают грунты как линейно деформируемые среды [75]. Зависимость между нормальным напряжением и осадкой штампа h имеет вид где k – коэффициент объемного смятия грунта.

Однако представление о линейной зависимости между напряжением и деформацией является весьма приближенным и приводит к беспредельному росту сопротивления сжатию, какой бы величины не достигла деформация.

Данная модель справедлива только при малых величинах деформации и поэтому на практике используется редко.

Более точное отображение процесса сжатия грунта получается при использовании модели Винклера–Герстнера–Бернштейна [125]:

c – константа грунта;

где µ – показатель степени деформируемости грунта.

Основным недостатком этой модели грунта является ее плохая согласованность с экспериментальными данными для пластичных грунтов.

В работе [97] показано, что для пластичных грунтов более подходит следующая зависимость:

где K0 – константа деформируемости грунта, м ;

0 – предел несущей способности грунта.

В работах зарубежных исследователей широкое применение находит зависимость, предложенная М.Г. Беккером [33]:

K C – коэффициент сцепления грунта;

где K – коэффициент трения грунта;

b – наименьший размер штампа;

– коэффициент, характеризующий деформируемость грунта.

В приведенной зависимости коэффициенты K C и K для всех реальных грунтов не зависят от размера и формы штампа и других факторов. Описанной модели присуще те же недостатки, что и модели Винклера-ГернстнераБернштейна, кроме того, ее использование приводит к маловероятному выводу о бесконечно большой интенсивности нарастания напряжения в начале процесса сжатия.

Одной из наиболее удачных является функциональная зависимость, предложенная профессором В.В. Кацыгиным в работе [89]:

где 0 – предельная несущая способность грунта, МПа, соответствующая давлению, при котором деформация грунта начинает расти без дальнейшего увеличения действующей на опорную площадку вертикальной нагрузки;

k – коэффициент объемного смятия грунта, численно равный тангенсу угла наклона касательной к зависимости (h) в начале координат.

В.В. Кацыгиным показано, что предложенное выражение является наиболее общей функциональной зависимостью между напряжениями сжатия и деформацией, а рассмотренные ранее соотношения — ее частными случаями.

Они могут быть получены при разложении гиперболического тангенса в степенной ряд и удержании в полученном выражении различного числа членов.

Описанные выше зависимости, особенно зависимости М.Г. Беккера и В.В. Кацыгина находят широкое применение для описания взаимодействия движителей гусеничных машин с грунтом ([75, 110, 128, 144] и др.). При исследовании нагрузок, действующих на рабочие органы дорожностроительной техники, также применяются эмпирические зависимости, связывающие нагрузки с деформациями обрабатываемого грунтового массива [27, 228]. Однако применение такого подхода имеет ряд существенных недостатков. Рассматриваемые зависимости предполагают одноосное нагружение грунтового массива, в связи с чем при их использовании приходится применять весьма грубую схематизацию поверхности объекта, контактирующего с грунтом, чаще всего в виде совокупности отдельных площадок, и рассматривать задачу как плоскую. При этом деформация грунта каждой из площадок рассматривается независимо. Очевидно, что такое описание опорной поверхности трака быстроходной машины, имеющего грунтозацепы сложной формы, является весьма приближенным. При движении машины происходит одновременное погружение трака в грунт и перемещение в поперечном направлении, сопровождающееся большими деформациями, нагребанием грунта боковой поверхностью и т.п. Для адекватного описания деформированное состояние грунтового объема с учетом его нелинейных свойств и разрушения.

Строгое описание напряженно- деформированного состояния грунтового массива как в плоской, так и в объемной постановке используется в практике проектирования зданий, при расчете фундаментов и оснований [1]. Грунт при этом характеризуется набором упругих констант (модуль объемной деформации, модуль сдвига, коэффициент Пуассона и т.п.), а для оценки осадок грунта, вызванного нагрузкой от здания, используют аналитические решения, основанные на соотношениях теории упругости и механики грунтов. Очевидно, что такой подход, хотя и позволяет рассматривать задачу о деформировании грунтового массива в объемной постановке, на может быть использован для случая больших деформаций.

В настоящее время, в связи с развитием вычислительной техники и математических методов, для исследования напряженно- деформированного Разработанные к настоящему времени подходы позволяют проводить исследования как в линейной, так и в нелинейной постановке, в том числе рассматривать разрушение контактирующих тел. Метод конечных элементов движителей машин с грунтом. Например, в работах [224, 239] для исследования взаимодействия трака с грунтом использована DEM – модель, описывающая грунт как совокупность взаимодействующих частиц. В [229] рассматривается взаимодействие колеса с грунтом; конечноэлементный расчет выполнен с помощью пакета программ Abaqus.

Для расчетных исследований напряженно- деформированного состояния в нелинейной постановке в настоящее время широко используется пакет программ LS-DYNA [234]. В этом пакете предусмотрена обширная библиотека моделей материалов, содержащая, в частности, модели, специально предназначенные для описания грунта. Расчеты проводятся в динамической постановке, что позволяет описывать процессы, сопровождающиеся большими деформациями и разрушением объектов.

реологические свойства [133, 208]. Это позволяет описать динамические процессы при движении машины по трассе с покрытием, обладающим особыми свойствами, например, движение асфальтоукладчика по свежему асфальту.

Таким образом, в настоящее время наиболее перспективным является использование метода конечных элементов для моделирования взаимодействия опорной поверхности траков с грунтом. Этот подход применен и в данной работе. Его использование позволяет отобразить влияние таких факторов, как размеры и форма грунтозацепов, нагребание грунта боковой поверхностью трака и др.

1.5 Модели накопления усталостных, износовых и термомеханических повреждений Опыт массовой эксплуатации гусеничных машин высокой проходимости показывает, что до 40% отказов приходится на их ходовую систему, причем значительную их часть составляют отказы, связанные с усталостными и износовыми и термомеханическими повреждениями. В связи с отмеченными особенностями в данной работе рассматриваются только вопросы прочностной надежности, обусловленные этими видами повреждений.

Разработка инженерных методов прогнозирования долговечности деталей по критерию износа наталкивается на необходимость изучения разнообразных по физической природе механо- физико- химических явлений, протекающих в зоне контакта. Широкие теоретические и прикладные исследования в области трения и износа выполнены в работах школы ИМАШа под руководством И.В. Крагельского [103], а также в работах Ю.Н. Дроздова, С.В. Пинегина, А.С. Проникова, К.В. Фролова, А.В. Чичинадзе и других авторов [21, 79, 99, 104, 143, 153, 157, 202, 203]. В триботехнике обычно рассматривают целый ряд различных механизмов изнашивания. В узлах и агрегатах гусеничных машин чаще всего встречается абразивное, адгезионное и усталостное изнашивание, а также заедание. Абразивное изнашивание возникает в результате режущего или царапающего действия твердых частиц. Этот вид повреждения наиболее характерен для открытых зубчатых передач, деталей гусениц и других узлов, работающих в условиях поступления абразивных частиц из внешней среды. По данным [94, 153], интенсивность абразивного износа зависит от давления в точке контакта, параметра островершинности абразивных частиц и давления начала текучести материала. Адгезионное изнашивание возникает вследствие молекулярного сцепления на поверхности контактирующих тел и последующего разрушения возникших связей. В соответствии с [94, 153] интенсивность такого изнашивания пропорциональна давлению в точке контакта и зависит от свойств материала соприкасающихся поверхностей. Этот вид износового повреждения характерен для дисков фрикционных муфт, широко используемых в механизмах поворота и коробках передач современных гусеничных машин. Усталостное изнашивание возникает в результате повторного деформирования поверхностных слоев материала, что приводит к возникновению трещин и ямок выкрашивания- питтинг. Изнашивание при заедании возникает в результате схватывания и глубинного вырывания материала, его переноса с одной поверхности на другую. Заедание обычно возникает в тяжелонагруженных передачах при недостаточной смазке и повышенной температуре. Из других видов обычно выделяют коррозионномеханическое, эрозионное, кавитационное изнашивание и фреттинг- коррозию.

Как показывает опыт эксплуатации, из агрегатов гусеничной машины наиболее подвержены износу элементы ходовой части, испытывающие действие высоких нагрузок в условиях абразивной среды, и, в частности, зацепление гусеница- ведушее колесо. В этом зацеплении 80- 85% износа обусловлено абразивным, 12- 15%- адгезионным и 3- 5%- усталостным повреждением. Большая работа по изучению процессов износа и обеспечению О.А. Днепровским, В.В. Шаповаловым.

износостойкости различных конструкций используют методики, приводимые в технической литературе и нормативных документах.

Характерной особенностью современных машин является широкое применение эластомерных деталей в элементах гусеничного движителя. При интенсивном циклическом нагружении такие детали подвергаются усталостному и термомеханическому разрушению.

В элементах гусеничного движителя современных быстроходных машин широкое применение находят эластомерные материалы. Они применяются для изготовления шин опорных катков, резинометаллических шарниров и т.п.

Использование эластомерных элементов позволяет существенно увеличить долговечность и повысить эксплуатационные характеристики гусеничного движителя. В частности, внедрение резинометаллических шарниров кардинально увеличило ресурс гусениц за счет исключения абразивного износа.

Однако резинометаллическим шарнирам присущ недостаток- повышенное рассеяние энергии при перематывании гусениц. Это, в свою очередь, может приводить к перегреву шарнира и его преждевременному выходу из строя вследствие усталостного или термомеханического разрушения. Особенно часто такие отказы возникают при эксплуатации машины в условиях жаркого климата.

Экспериментальные и теоретические исследования нагруженности резинометаллических шарниров гусениц быстроходных машин проводились во ВНИИТРАНСМАШе (А.С. Развалов, Б.А. Абрамов, Н.А. Емцев, В.П. Шичков и др.); в КБТМ (г. Омск; Г.В. Мазепа, Л.Л. Зигельамн, О.А. Днепровский, В.В. Шаповалов и др.). В ЮУрГУ работы в этом направлении проводили И.Я. Березин и Е.Е. Рихтер. Во время натурных ходовых испытаний ими исследована нагруженность и тепловое состояние шарниров; с использованием специально разработанного стенда изучены процессы теплозарождения и накопления повреждений. На основе полученных данных разработаны методики расчетной оценки долговечности шарниров по критериям усталостного и термомеханического разрушения [45, 46, 165].

тяжелонагруженные элементы ходовой системы машины, работающие в условиях многоциклового стохастического нагружения. Рассмотрим разработанные к настоящему времени методики прогнозироавния долговечности таких деталей.

Расчет усталостной долговечности конструкций при действии случайных процессов первоначально базировался на методе Майлса-Болотина [56, 57].

Здесь на базе линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений при детерминированных усталостных свойствах материала использовались вероятностные характеристики узкополосного процесса изменения напряжений.

Дальнейшее развитие методы расчета усталостной долговечности получили в работах С.В. Серенсена и В.П. Когаева [90, 91, 92, 182, 183], а также [217] и др. В этом подходе возникает необходимость схематизации случайного процесса нагружения, сводящаяся к замене реального процесса на совокупность гармоник, эквивалентных по своему повреждающему действию. Разработанная С.В. Серенсеном и В.П. Когаевым теория подобия усталостного разрушения позволила получить методику расчета, отображающую влияние на усталостную долговечность важных конструкторско- технологических факторов концентрацию напряжений, масштабный эффект и другие, а также рассеяние усталостных свойств материалов и конструкций. Значительное повышение точности прогнозирования усталостной долговечности позволила получить обоснованная и разработанная этими авторами корректированная линейная гипотеза суммирования повреждений, в основу которой положен учет формы закона распределения амплитуд напряжений.

В работах В.Л. Райхера [162] обоснован и предложен подход, основанный на замене случайного процесса изменения напряжений набором гармонических функций соответствующих частот и использовании линейной гипотезы суммирования повреждений. Доля дисперсии, вносимой каждой гармоникой в общий процесс, определяется по графику спектральной плотности процесса.

Авторами выполнен большой объем экспериментальных исследований, подтвердивших достоверность данного подхода в случае широкополосных высокочастотных случайных процессов, характерных для работы авиационной техники.

Среди других подходов существенными преимуществами обладает метод, разработанный Н.И. Гриненко и Л.А. Шефером [70], в основу которого положено представление о накоплении усталостных повреждений от действия случайных процессов, характеризуемых коэффициентом сложности структуры, матожиданием и дисперсией процесса изменения напряжений. Дальнейшее усовершенствование и развитие этот подход получил в трудах Л.А. Шефера и сотрудников [214 - 216], где путем введения коэффициента структуры отображаются важнейшие свойства случайного процесса, такие как частота и уровень повреждающих максимумов, пикфактор, дисперсия и др. Авторами экспериментально обоснована обобщенная диаграмма усталости, на основе использования которой в расчетах усталостной долговечности удается отобразить такие факторы, как асимметрия нагружения, влияние концентрации напряжений, рассеяние усталостных свойств и др.

Принципиально иной подход к проблеме усталостной долговечности предложен в работах Г.С. Писаренко, В.Т. Трощенко, В.С. Ивановой [195], в основу которого положено представление о том, что мерой усталостного повреждения является часть энергии неупругого деформирования, накопленной в процессе усталостных испытаний. Принципиальную трудность при реализации этого подхода представляет определение размеров локальной зоны разрушения и проблема достоверного определения значений неупругих деформаций низкого уровня.

Энергетическое уравнение многоцикловых усталостных повреждений рассмотрено в работе П.А. Павлова [137, 138]. Для расчета микропластических деформаций при одноосном нагружении использована структурная модель материала. Предложенный автором подход позволяет рассматривать произвольные режимы одноосного нагружения, в том числе стохастического, и для некоторых видов нагружения при плоском напряженном состоянии. В отмеченных работах также содержатся результаты экспериментальных исследований усталостной долговечности при плоском напряженном состоянии, которые могут быть использованы для проверки адекватности других моделей накопления повреждений.

В работах Г.О. Котиева и Д.В. Зорина [85, 101] предложен новый метод определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях, основанный на предположениях, что усталость материала определяется работой предварительной схематизации процессов нагружения, что делает его удобным для использования в составе программного обеспечения бортовых информационно- управляющих систем, а также для обработки протяженных процессов изменения напряжений, получаемых при моделировании движения машины.

Оригинальная модель накопления повреждений, основанная на теории марковских процессов, предложена в работе Д. Богданоффа и Ф. Козина [51].

Модель может быть использована для моделирования накопления различных видов повреждений (усталостного, износового и др.) в статистической постановке. При этом рассматривается серия состояний с различной долей накопленного повреждения, в которых может находиться рассматриваемая деталь, и вероятности перехода из одного состояния в другое. Такой подход позволяет получить функцию распределения долговечности детали, работающей в условиях случайного нагружения и с учетом разброса характеристик материала, однако требует достаточно сложной процедуры подготовки исходных данных.

Кинетическая теория механической усталости предложена в работе Е.К. Почтенного [155]. Метод прогнозирования усталостной долговечности, основанный на феноменологической модели исчерпания прочностных характеристик, в частности, предела выносливости, предложен в работах А.О. Подвойского и В.Е. Боровских [59, 149, 150]. Предложенный авторами подход оперирует непосредственно с реализацией стохастического процесса нагружения без его предварительной схематизации.

В настоящее время в общем машиностроении в виде нормативных документов [164] получила развитие методика расчета, основанная на использовании корректированной линейной гипотезы. Это объясняется тем, что она оказалась наиболее приспособленной к имеющимся в справочной литературе экспериментальным данным по усталостным свойствам разнообразных конструкционных материалов, а также приемлемой достоверностью и простотой ее использования в инженерных расчетах.

Рассмотренные методы прогнозирования усталостной долговечности используются в случаях, когда исследуемая деталь работает в условиях одноосного напряженного состояния. Более сложным является случай, когда тяжелонагруженные детали испытывают действие плоского или объемного напряженных состояний. Известны методы расчета усталостной прочности для однопараметрического нагружения, когда компоненты тензора напряжений представляют собой случайные стационарные процессы с пропорциональным изменением значений. В этих случаях положение главных площадок остается неизменным во времени, что позволяет, используя общепринятые гипотезы, приводить амплитуды главных напряжений к эквивалентной амплитуде линейного напряженного состояния [145, 181, 184, 217].

В инженерной практике часто имеют место случаи, когда действующие на деталь нагрузки представляют собой циклически изменяющиеся усилия со случайными амплитудами и точками приложения. Такое сочетание параметров соответствует случаю многопараметрического нагружения. При этом, очевидно, компоненты тензора напряжений изменяются синфазно, но с разным для каждого цикла нагружения коэффициентом пропорциональности, а главные площадки остаются неподвижными только в пределах одного цикла нагружения, случайно изменяя свое положение от цикла к циклу. В работах [42, 43] предложена методика расчета, в соответствии с которой в окрестности опасной точки задается совокупность фиксированных площадок, в каждом цикле определяются эквивалентные амплитуды напряжений и затем по какой– либо гипотезе суммирования вычисляются накопленные повреждения в текущем цикле нагружения. Предполагается, что повреждение в каждой из фиксированных площадок накапливается независимо и разрушение произойдет по площадке, накопившей наибольшее удельное повреждение.

Значительный вклад в разработку теории и методов прогнозирования усталостной долговечности при случайном нагружении внес А.С. Гусев. В работах [71- 74, 132] подход, основанный на анализе накопления повреждений в различных площадках в окрестности опасной точки, применен к случаю, когда компоненты тензора напряжений представляют собой произвольные случайные процессы. При этом на каждой из площадок изменение нормальных и касательных напряжений происходит независимо, по случайным законам. В связи с этим возникает необходимость дополнительно принимать допущение при введении эквивалентного (расчетного) напряжения. Аналогичный подход использован в работах зарубежных авторов [232, 233]. Для реализации такой методики, в частности, для нахождения площадки с наибольшим накопленным повреждением, необходимо использовать большой набор статистических характеристик случайных процессов, в частности, взаимные корреляционные функции, что может быть затруднительно в реальных расчетах.

Таким образом, анализ литературных данных показывает, что в настоящее время отсутствует общепринятая универсальная методика расчетной оценки усталостной долговечности при многопараметрическом случайном нагружении, удобная для применения в практических расчетах.

1.6. Цель и задачи исследования сформулированы задачи данного исследования, а также требования, предъявляемые к математической модели эксплуатации и описанию внешних условий.

Так, математическая модель для имитационных ресурсных испытаний должна описывать связанную динамическую систему гусеничной машины высокой проходимости, включающую ходовую часть, корпус и силовую установку.

Другим весьма важным обстоятельством, учет которого необходим в модели эксплуатации, является глубокая вариация скорости движения машины по трассе. Так, в результате экспериментальных исследований машины класса 12 тонн, выполненных на кафедре СМиДПМ ЧГТУ, выявлено значительное отличие нагруженности ходовой системы при движении по мерному участку трассы с фиксированной скоростью и в режиме естественного вождения. В последнем случае средняя скорость движения машины возрасла, максимальное усилие в передней подвеске снизилось с 76,2 до 42,8 кН, среднеквадратическое отклонение катковой нагрузки изменилось с 8,6 до 7,9 кН, а тяговой – с 5,3 до 4,6 кН.

Не менее важным обстоятельством является учет в математической модели движения нелинейности характеристик элементов гусеничной машины.

Известно, что нелинейные характеристики системы подрессоривания, односторонние связи в подвеске и гусенице, а также наличие пробоев приводят к принципиальному изменению динамики подрессоренного корпуса [78].

эксплуатируемых в тяжелых дорожных условиях. В соответствии с данными исследований кафедры СМиДПМ ЮУрГУ, при движении машины класса тонн по грунтовой дороге плохого качества крайние опорные катки 40–65% времени находятся в состоянии отрыва, а число пробоев достигает 7 на километр пробега. Наряду с этим важное значение имеют нелинейности в трансмиссии и двигателе. Так, при смене передач и движении в повороте происходит изменение структуры кинематической схемы трансмиссии, сопровождающееся пробуксовками фрикционных элементов. Скоростная характеристика двигателя внутреннего сгорания, устанавливающая связь между частотой вращения и крутящим моментом, также имеет принципиально нелинейный характер.

Целью настоящей работы является создание и внедрение в практику конструкторских бюро отрасли нового подхода, позволяющего на ранних стадиях проектирования и опережающей отработки конструкций решать комплекс взаимосвязанных задач по обоснованному выбору проектных решений, обеспечивающих требуемые характеристики надежности с учетом эксплуатационных, конструкторских и технологических факторов.

диссертационной работы 1. Разработка математической модели транспортной гусеничной машины, отображающей динамику нелинейной связанной системы «внешняя среда– гусеничный движитель – подрессоренный корпус – силовая установка – водитель» при нестационарном случайном воздействии.

2. Проведение с помощью разработанной модели расчетных исследований в широком диапазоне варьирования параметров внешней среды и динамических характеристик транспортной машины с целью установления закономерностей изменения вероятностных характеристик эксплуатационной нагруженности.

Выполнение экспериментальной проверки адекватности разработанной модели.

3. Разработка в составе математической модели эксплуатации гусеничной машины технико–эргономической подсистемы, предназначенной для формирования управляющих воздействий с целью задания функции изменения скорости движения по местности в соответствии с дорожными условиями.

4. Разработка модели взаимодействия гусеницы с грунтом на основе конечноэлементного моделирования.

5. Разработка методики расчетной оценки усталостной долговечности при многопараметрическом стохастическом нагружении.

6. Разработка методики и создание программных средств для имитационных ресурсных испытаний транспортных машин на основе комплексного моделирования процессов эксплуатации и формирования усталостных и износовых отказов.

7. Применение разработанной модели, методик и программных средств для решения ряда практических задач.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РЕАЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

КОНЦЕПЦИЯ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИСПЫТАНИЙ

БЫСТРОХОДНЫХ ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН

В соответствии с современными требованиями количественные показатели надежности включаются в технические задания, поскольку они во многом определяют технический уровень и конкурентоспособность проектируемых изделий. До последнего времени для определения сертификационных характеристик надежности транспортных машин применяется статистический подход, основанный на сборе и анализе информации об отказах в условиях массовой эксплуатации. Однако, получение таким способом достоверных характеристик надежности сопряжено со значительными материальными и временными затратами. В связи с этим наметилась тенденция к внедрению расчетных методов, обеспечивающих прогнозирование и управление надежностью изделий на ранних стадиях проектирования [233]. Расчетные и экспериментальные исследования, направленные на обеспечение прочности проектируемых тяжелонагруженных элементов ходовой системы быстроходных гусеничных машин, проводятся на головных предприятиях отрасли с использованием методик и нормативных документов, разработанных научными организациями отрасли:

министерства обороны.

В настоящее время благодаря широкому применению ведущими КБ транспортного машиностроения современных компьютерных технологий стало возможным выполнять комплексное моделирование процессов реальной эксплуатации быстроходных гусеничных машин и на их базе решать важные инженерные задачи на этапе проектирования и опережающей отработки конструкций, в частности:

–обоснованный выбор конструкторских решений, касающихся отдельных систем и элементов проектируемой машины с точки зрения их влияния на нагруженность гусеничного движителя;

– определение вероятностных характеристик силового и кинематического воздействия на высоконагруженные элементы ходовой части;

– прогнозирование безотказности ответственных элементов машин в разнообразных условиях их эксплуатации, оценка эффективности конструкторско– технологических мероприятий по обеспечению требуемых показателей прочностной надежности;

– обоснование принципиальных схем и режимов программных стендовых испытаний при опережающей отработке элементов конструкций.

Возможность постановки таких задач появилась в связи с развитием прикладной теории и методов исследования динамики машин, методов и средств моделирования процессов изменения нагрузок, действующих на ответственные элементы конструкции, полей напряжений в опасных зонах деталей, формирования усталостных, износовых, термомеханических и других видов отказов высоконагруженных элементов.

применительно к транспортным машинам различного назначения предусматривает последовательное выполнение следующих этапов:

– описание многофакторного случайного воздействия внешней среды на ходовую систему машины;

– компьютерное моделирование процесса движения быстроходной гусеничной машины в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации;

кинематического взаимодействия элементов конструкции;

– исследование процессов изменения компонентов напряженно– деформированного состояния в потенциально опасных зонах ответственных деталей;

– моделирование процессов формирования усталостных, износовых, термомеханических и других видов отказов с учетом случайного характера нагружения и рассеяния прочностных свойств;

– определение количественных характеристик прочностной надежности, таких как функция вероятностей безотказной работы, средняя наработка до отказа, гамма– процентный ресурс тяжелонагруженных элементов машин и т.п.;

– корректировка исходных данных проекта по динамическим и прочностным свойствам изделия с целью обеспечения требуемых показателей надежности.

К числу наиболее значимых преимуществ метода следует отнести возможность проведения параметрического прогноза и количественной оценки влияния характеристик проектируемой машины на эксплуатационную нагруженность и долговечность ответственных элементов.

Комплекс названных исследований представляет собой инженерную методику имитационного моделирования испытаний транспортных машин на стадиях проектирования и доводки перспективных изделий [5, 10, 12, 14, 16, 40, 156].

Большую актуальность такой подход приобретает при проектировании мобильной техники, предназначенной для использования вне обустроенных дорог. Эксплуатация таких машин происходит в условиях взаимодействия с многопараметрической случайной средой, к числу основных факторов которой можно отнести: интенсивно изменяющиеся микропрофиль местности и кривизну траектории движения, действие переменных сил сопротивления прямолинейному движению и повороту, наличие одиночных препятствий, спусков–подъемов и другое. Под влиянием отмеченных факторов происходит непрерывное изменение скорости движения, в связи с чем случайное внешнее воздействие становится нестационарным. Необходимость адекватного описания внешнего воздействия выдвигает соответствующие требования к математическим моделям, предназначенным для исследований динамических процессов. В связи с тем, что силовая установка и корпус машины связаны гусеничными лентами, колебания корпуса оказывают существенное влияние на динамические процессы в силовой установке машины. Переходные режимы работы силовой установки, возникающие при переключениях передач, работе механизма поворота, вызывают колебания корпуса машины. Отмеченные особенности вынуждают рассматривать модель транспортной машины как единую динамическую систему, включающую гусеничный движитель, подрессоренный корпус и силовую установку. Существование односторонних связей в гусеничном движителе и системе подрессоривания, изменение структуры и характеристик силовой установки в переходных режимах движения вынуждают рассматривать транспортную машину как существенно нелинейную динамическую систему. Отмеченные особенности принципиально осложняют решение задачи статистической динамики, в связи с чем разрабатываемые методы концепции имитационных ресурсных испытаний ориентированы на компьютерное моделирование процессов эксплуатации и формирования отказов.

Поскольку транспортная машина представляет собой сложную динамическую систему, интенсивно взаимодействующую с многофакторной случайной средой при участии человека – оператора, то целесообразно на первом этапе исследований при решении задачи статистической динамики ограничиться определением вероятностных характеристик воздействий на тяжелонагруженные элементы системы. Это позволяет устанавливать спектральный состав и особенности процессов нагружения, получать законы распределения максимумов, выявлять качественное и количественное влияние динамических характеристик проектируемой машины на нагруженность ответственных деталей в условиях реальной эксплуатации. Результаты анализа в последующем используются для коррекции динамических свойств исходного варианта проекта, а также для обоснованного выбора режимов программных стендовых испытаний узлов и деталей на стадии опережающей отработки элементов конструкций.

На втором этапе полученные ранее процессы силового и кинематического перемещений, которые в последующем используются в моделях формирования усталостных, износовых, термомеханических и других видов отказов.

Отображение в моделях накопления повреждений рассеяния прочностных моделирования в виде функций вероятностей безотказной работы, параметров интенсивности отказов, средней наработки на отказ, гамма-процентного ресурса и др. По результатам прогнозирования характеристик надежности может быть выполнена вторая коррекция исходного варианта проекта по конструкторско-технологическим и прочностным свойствам узлов и деталей.

Блок-схема комплексного моделирования процесса эксплуатации представлена на рис. 2.1.

В качестве исходной информации в модель эксплуатации гусеничных машин задается комплекс характеристик внешней среды. Применительно к машинам, предназначенным для эксплуатации на местности вне обустроенных дорог, возникает необходимость задания комплекса факторов внешнего воздействия [170], в частности:

– двумерного поля микропрофиля местности, описывающего воздействие со стороны левой и правой колеи на ходовую часть. Кинематическое динамических процессов в системе «гусеничный движитель – подресоренный корпус – трансмиссия – двигатель», а также накладывает ограничение на воздействием на экипаж;

– дорожной кривизны (радиус поворота R ), которая значительно перераспределению усилий в ходовой системе и трансмиссии;

Рис.2.1. Блок– схема комплексного моделирования – макропрофиля трассы (угол подъема – спуска п), описывающего длинные подъемы, спуски и накладывающего ограничения по тяговой и тормозной характеристикам;

– одиночных препятствий (выступы или впадины длиной L и высотой или глубиной H), наличие которых на местности существенно изменяет скорость движения и вызывает возникновение пиковых нагрузок в связанной динамической системе;

– характеристик жесткости дорожного полотна (жесткость грунта Cg), определяющих условия взаимодействия движителя транспортной машины с грунтом и характер нагруженности элементов ходовой системы;

– распределения переменных сил сопротивления грунта прямолинейному движению и повороту;

– параметров, описывающих условия наблюдения и оценивания факторов внешней среды человеком– оператором (расстояние видимости трассы Lv ).

разнообразных условиях (в северных районах, на территориях с умеренным климатом, в пустынной, горной местности и др.). Очевидно, что условия эксплуатации, а также и воздействие на ходовую часть машины в таких условиях будет существенно различным. В связи с этим при компьютерной реализации метода имитационных ресурсных испытаний целесообразно задавать многопараметрическое воздействие среды в виде формализованного представления типовых условий эксплуатации, характерных для определенного природно-климатического региона. Для этого удобно использовать картографические описания известных испытательных станций и полигонов, сельскохозяйственной, автомобильной, дорожно-строительной и другой инженерной техники. К настоящему времени накоплены достаточно подробные картографические описания типовых испытательных полигонов и местности, в которых задаются условия круглогодичной эксплуатации соответствующих транспортных средств в различных природно- климатических регионах.