Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,969

Исследование динамических характеристик трансмиссии сельскохозяйственного трактора 6-ого тягового класса

Шевчук В.П. Шеховцов В.В. Клементьев Е.В. Dobrev N.S. Калмыков А.В.
В статье рассмотрены результаты исследования нагруженности силовой передачи гусеничного сельскохозяйственного трактора на базе ЧЕТРА-6С315 с помощью программного пакета твердотельного моделирования динамических систем «Универсальный механизм». Для этого была построена 3-х мерная динамическая модель силовой передачи, в которой наиболее полно отражены процессы взаимодействия зубчатых передач, учтены упругие и диссипативные характеристики валов, шлицевых соединений и зубчатых зацеплений. Особое внимание уделено планетарным передачам, и дифференциальному механизму поворота, с помощью которых появилась возможность моделировать динамические процессы в силовой передаче при переходных режимах (разгон, торможение) и поворотах трактора. Кроме того, для задания внешних сил и моментов в систему введена трехмерная модель подвески и остова трактора, включающая в себя опорные и поддерживающие катки, ведущее и направляющее колеса, упругие элементы подвески и демпферы, звенчатую гусеничную цепь, соединенную шарнирными элементами, деформируемый грунт. С помощью 3-х мерной модели подвески трактора моделируются динамические воздействия, возникающие при перезацеплении ведущего колеса с гусеничной цепью, возмущения, передаваемые на ведущее колесо при раскачивании остова на подвеске. Модель предусматривает возможность исследования колебаний остова, элементов подвески и колебательных процессов в трансмиссии при движении трактора по неровной дороге, с различными скоростями и крюковой нагрузкой. С помощью разработанной модели трактора были определены собственные частоты крутильных колебаний трансмиссии, их формы и узловые точки, определены наиболее нагруженные участки. Проведено исследование динамической нагруженности силовой цепи от действия неравномерных моментов, возникающих при перезацеплении ведущего колеса с гусеничной цепью на различных скоростях движения. По полученным осциллограммам моментов определены коэффициенты динамичности, которые можно использовать для уточнения параметров зубчатых передач при проектных и проверочных расчетах на прочность. Разработанная модель трактора также позволяет провести исследование распространения крутильных колебаний по валопроводу от неравномерности крутящего момента двигателя, вызванного неуравновешенными массами кривошипно-шатунного механизма и силами давления газов, при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндрах.
динамическая нагруженность
гусеничный трактор
трансмиссия
крутильные колебания
динамическая модель
1. Шеховцов В.В. Влияние демпфирования на нагруженность участков силовой передачи трактора Т-5 «Дончак» на резонансных режимах // Техника машиностроения. – 2002. – № 4. – C. 107–113.
2. Шеховцов В.В. Влияние динамической связанности и параметров звеньев трансмиссии на передачу энергии крутильных колебаний // Известия вузов. Машиностроение. – 2002. – № 9. – C. 9–18.
3. Шеховцов В.В. Влияние крутильной жесткости валопровода трансмиссии на динамическую связанность колебаний ее звеньев // Техника машиностроения. – 2002. – № 6. – C. 32–36.
4. Исследование резонансных режимов силовой передачи трактора ВТ-100 / В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, С.В. Зленко, И.А. Долгов, В.В. Косенко, А.О. Куликов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2002. – № 7. – C. 11–13.
5. Распространение крутильных колебаний в валопроводе силовой передачи трактора ВТ-100 / В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, С.В. Зленко, И.А. Долгов, В.В. Косенко, А.О. Куликов // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2002. – № 8. – C. 10–12.
6. Шеховцов В.В. Влияние демпфирования на нагруженность участков силовой передачи трактора Т-5 «Дончак» на резонансных режимах // Справочник. Инженерный журнал. – 2003. – № 7. – C. 26–31.
7. Снижение нагруженности трансмиссии трактора ВТ-100 от воздействия гусеничного движителя / В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, С.В. Зленко, И.А. Долгов, В.В. Косенко, А.О. Куликов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. – 2004. – № 2. – C. 27–29.
8. Динамическая модель силовой передачи гусеничного трактора с реактивными звеньями / З.А. Годжаев, Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2006. – № 11. – C. 23–28.
9. Влияние жёсткости связи корпусных деталей трансмиссии с рамой на нагруженность силовой передачи / З.А. Годжаев, Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук // Тракторы и сельскохозяйственные машины. – 2007. – № 10. – C. 31–35.
10. Влияние колебаний корпусных деталей на нагруженность участков силовой цепи / З.А. Годжаев, Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко // Техника машиностроения. – 2009. – № 1. – C. 23–35.
11. Влияние колебаний корпусных деталей на опорах на нагруженность участков силовой передачи трактора / З.А. Годжаев, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Н.С. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук // Тракторы и сельхозмашины. – 2009. – № 1. – C. 19–27.
12. Динамическая модель силовой передачи гусеничного сельскохозяйственного трактора тягового класса 6 / Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, И.А. Иванов, М.В. Ляшенко // Изв. ВолгГТУ. Серия «Наземные транспортные системы». Вып. 3: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2010. – № 10. – С. 92–96.
13. Свитачев А.И., Золотухин В.А. Оценка демпфирующих параметров силовой передачи трактора // Известия вузов. Машиностроение, 1987. – № 3. – С. 90–94.
14. Шнайдман М.А. Динамика силовых факторов и показателей скоростного режима сельскохозяйственных агрегатов в условиях эксплуатации и методика их исследования (на примере агрегатов с гусеничным трактором ДТ-75М): дис. ... канд. техн. наук. – Волгоград, 1978.
15. Бабков В.Ф., Безрук В.М. Основы грунтоведения и механики грунтов. – М.: Высшая школа, 1976. – 328 с.
16. http://www.umlab.ru/ – Универсальный механизм.
17. Оценка воздействия неравномерности крутящего момента ведущего колеса на нагруженность элементов трансмиссии ТТС / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Ал.Ал. Козлов, А.В. Калмыков // Молодой учёный. – 2011. – № 6, ч. 1. – C. 66–69.

По данным предприятия-изготовителя, в ряде случаев при ресурсных испытаниях и последующей эксплуатации гусеничного сельскохозяйственного трактора ЧЕТРА-6С315 отмечены преждевременный износ и поломка деталей коробки переключения передач (КПП), происхождение которых в значительной степени объясняется интенсивными динамическими процессами в трансмиссии. Как известно, дополнительная динамическая нагруженность зависит как от характера внешних возмущающих воздействий, так и от упруго-инерционных и диссипативных параметров деталей и узлов валопровода трансмиссии [1, 2, 3, 4 и др.].

С целью повышения достоверности результатов исследований процессов динамического нагружения деталей трансмиссии усовершенствована ранее созданная [12] динамическая модели силовой передачи трактора ЧЕТРА 6С-315 (рис. 1) – создана как элемент общей модели трехмерная модель коробки передач и трансмиссии (рис. 2), разработанная с использованием программного пакета «Универсальный механизм» [16].

pic_8.tif

Рис. 1. Динамическая модель силовой передачи трактора ЧЕТРА – 6С315: 1 – двигатель, 2 – насос трансмиссии, 3 – карданный вал, 4 – КПП, 5 – главная передача, 6 – планетарный ряд дифференциального механизма поворота, 7 – привод дифференциального механизма поворота, конечная передача

pic_9.tif

Рис. 2. Трехмерная модель трансмиссии трактора ЧЕТРА – 6С315 в программном пакете UM6.0

Полученная трехмерная твердотельная модель позволяет подробно исследовать взаимодействие элементов КПП, выполнять анализ динамической нагруженности каждой детали на разных режимах работы. Особое внимание при построении модели уделено математическому описанию взаимодействия элементов планетарных рядов трансмиссии и бесступенчатого механизма поворота трактора. Такое описание позволяет исследовать динамические процессы в силовой передаче не только на установившихся режимах работы трактора и при прямолинейном движении, но и на переходных режимах и поворотах.

С помощью полученной модели получен спектр собственных частот крутильных колебаний инерционных масс КПП в диапазоне 0–10000 Гц, получены формы колебаний, определены узловые точки и наиболее нагруженные участки. Диапазон выявленных частот достаточно широк, поэтому с помощью разработанной модели возможно также исследование звуковых колебаний, шума и вибраций, распространяющихся по валопроводу силовой передачи и транспортному средству в целом. Собственные частоты спектра приведены в табл. 1.

Таблица 1

Собственные частоты силовой передачи

№ п/п

Частота, Гц

№ п/п

Частота, Гц

№ п/п

Частота, Гц

1

9,77

20

424,98

39

1792,47

2

29,57

21

483,98

40

2009,09

3

33,22

22

500,71

41

2108,30

4

33,31

23

527,53

42

2263,26

5

43,58

24

537,21

43

2339,93

6

43,69

25

599,38

44

2369,25

7

101,09

26

681,28

45

2577,81

8

166,04

27

773,79

46

2622,60

9

190,67

28

774,40

47

3430,83

10

221,13

29

791,15

48

3988,06

11

234,44

30

874,09

49

4208,46

12

243,77

31

933,76

50

4268,69

13

280,16

32

940,57

51

4526,78

14

283,64

33

973,92

52

4985,61

15

339,21

34

1043,56

53

4985,76

16

341,69

35

1222,08

54

7241,73

17

352,26

36

1275,38

55

7244,04

18

398,86

37

1394,80

56

10316,60

19

424,91

38

1412,84

57

10615,10

Анализ собственных частот крутильных колебаний масс трансмиссии показал, что 2-я и 3-я частоты – 29,57 и 33,22 Гц – могут быть близки к гармонике 1 порядка двигателя Д3061-01 при номинальной частоте 1700 об/мин вращения его вала, 5-я и 6-я частоты – 43,58 и 43,69 Гц – совпадать с полуторной гармоникой двигателя, а частота 166,04 Гц – с гармоникой 6-го порядка, вследствие чего возможны резонансные явления в трансмиссии. Кроме того, частота перезацепления ведущего колеса с гусеничной цепью при скорости движения трактора 5,3 км/ч может совпадать с 1-й собственной частотой трансмиссии – 9,77 Гц, при скорости движения 16 км/ч – со 2-й частотой (29,57 Гц), при скорости 18 км/ч – с 3-й и 4-й частотами (33,22–33,31 Гц) и при скорости 23,6 км/ч – с 5-й собственной частотой (43,58 Гц), что также может вызывать резонансы.

Наиболее нагруженными оказываются участки трансмиссии, соседние массы которых при данных частотах возбуждения имеют наибольшие амплитуды противофазных колебаний. Результаты определения наиболее нагруженных участков силовой цепи в диапазоне частот от 0 до 300 Гц приведены в табл. 2.

Таблица 2

Частота, Гц

Участки между массами

Частота, Гц

Участки между массами

9,77

34–35

166,04

4–7, 7–10, 36–41

29,57

2–3

190,67

2–3,4–7,29–30

33,22

42–43, 42–44

221,13

2–3, 4–7, 21–24, 21–20, 29–30

33,31

45–49, 46–50

234,44

42–43, 42–44, 51–55, 52–56

43,58

51–55

243,77

49–51, 50–52,47–45, 48–46

43,69

52–56

280,16

49–51, 50–52,47–45, 48–46, 51–53, 52–54

101,09

2–3, 7–10

283,64

2–3,4–7, 7–10, 17–37, 29–30,

Разработанная модель позволяет исследовать характер распространения крутильных колебаний по валопроводу при их возбуждении разными источниками. Так, для исследования влияния перезацепления ведущего колеса с гусеничной цепью, а также влияния вертикальных и угловых колебаний остова на подвеске как элемент общей модели разработана модель остова трактора на подвеске [4]. Гусеничный движитель в ней представлен в виде многомассовой твердотельной модели, включающей в себя опорные и поддерживающие катки, ведущее колесо, гусеничные звенья с шарнирными элементами, упругие и диссипативные элементы подвески, модель грунта, учитывающая деформацию (Бреккера) [15], связанные между собой соответствующими шарнирными элементами и связями (рис. 3). С помощью разработанной модели выполнен ряд расчетных исследований, позволивших проанализировать характер изменения крутящего момента на ведущем колесе трактора, вызываемого мгновенным ослаблением натяжения ведущего участка гусеничной цепи при выходе очередного звена из-под заднего опорного катка, а также изучены низкочастотные колебания остова трактора, передающиеся через гусеничную цепь на ведущее колесо при переходных режимах движения и движении по неровностям [17]. Примеры осциллограмм изменения крутящего момента на ведущем колесе при различных скоростях движения представлены на рис. 4.

pic_10.tif

Рис. 3. Модель ходовой системы трактора ЧЕТРА – 6С315

pic_11.wmf

Рис. 4. Характер изменения крутящего момента на ведущем колесе при скоростях движения: а – 1 м/с; б – 2,5 м/с; в – 9,5 м/с

В результате спектрального анализа полученных осциллограмм определены основные гармонические составляющие крутящих моментов, их амплитуды, частоты и фазы.

Выполнено исследование характера распространения по силовой передаче трактора крутильных колебаний, вызванных процессами перезацепления ведущего колеса с гусеничной цепью. При этом определены силы и моменты на участках и в зубчатых зацеплениях, получены их статические и динамические составляющие. Для примера одна из осциллограмм изменения момента на участке 30–31 приведена на рис. 5.

pic_12.tif

Рис. 5. Осциллограмма изменения момента на участке (30–31) при скорости 3 м/с и тяговом усилии 79 кН

Исследования выполнены для всего диапазона расчетных крюковых нагрузок (0–80 кН) с шагом 4 кН и всего диапазона расчетных скоростей (1,0–9,5 м/с) с шагом 0,5 м/с. В результате получен комплект осциллограмм упругих моментов на участках силовой цепи, передающих крутящий момент. Пример полученного из анализа осциллограмм распределения значений коэффициента динамичности по участкам на номинальном режиме показан на рис. 6.

pic_13.wmf

Рис. 6. Значения коэффициентов динамичности нагрузок на участках при скорости движения V = 3,5 м/с с крюковой нагрузкой Fкр = 48,05 кН

Самые высокие значения коэффициентов динамичности имеют место на режимах с минимальной крюковой нагрузкой. Это объясняется тем, что на данных участках максимальные значения динамических моментов, возникающих при крутильных колебаниях, во много раз превышают средний передаваемый момент. Высокие значения коэффициентов динамичности в таких случаях не говорят об опасности преждевременной поломки, т. к. максимальный динамический момент во много раз меньше расчетного момента на номинальном режиме с максимальной крюковой нагрузкой.

На диаграммах локальные максимумы коэффициентов динамичности имеют место также и на режимах со значительной крюковой нагрузкой. Рост моментов на этих участках происходит из-за сближения значения собственной частоты системы (табл. 1) со значением частоты одной из гармонических составляющих возбуждающих воздействий. При этом максимальные амплитуды колебаний имеют массы, парциальные частоты колебаний которых наиболее близки к частотам возбуждающих воздействий. Динамическая нагруженность таких участков высокая. Материал деталей этих участков подвержен накоплению усталостных повреждений, приводящих к отказам или выходу из строя.


Библиографическая ссылка

Шевчук В.П., Шеховцов В.В., Клементьев Е.В., Dobrev N.S., Калмыков А.В. Исследование динамических характеристик трансмиссии сельскохозяйственного трактора 6-ого тягового класса // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 2. – С. 44-49;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=31328 (дата обращения: 21.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252