Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследований 10
1.1 Агротехнические требования к ходовым системам машин 10
1.2 Понятие «проходимость машин» 13
1.3 Техногенное воздействие гусеничных движителей на почву и пути его снижения 21
1.4 Влияние эластичности и упругости материала опорных устройств на характер неравномерности давления на почву 29
1.5 Краткий анализ существующих эластичных опорных устройств гусеничных движителей 1.6 Моделирование конструкций с помощью компьютерных программ 44
1.7 Выводы. Цель и задачи исследований 50
2. Теоретические исследования воздействия эластичных опорных устройств на почву 53
2.1 Теоретическое исследование неравномерности давления резинокордного трака на почву 53
2.1.1 Расчетная схема деформирования трака и почвы 53
2.1.2 Определение изгибной жесткости элементов трака 55
2.1.3 Определение неравномерности давления резинокордного трака на почву 57
2.2 Исследование неравномерности распределения давления
по ширине резинокордных траков методом конечных элементов 63
2.2.1 Основные положения метода конечных элементов и особенности его применения для расчета резинокордного трака 63
2.2.2 Разработка расчетной схемы и формирование конечно-элементного представления расчетной схемы 70
2.2.3 Построение локальных матриц жесткости 74
2.2.4 Решение системы уравнений 78
2.2.5 Определение деформаций и напряжений в элементах и узлах расчетной схемы 79
2.3 Выводы 80
3. Методика проведения экспериментальных исследований 81
3.1 Общая методика экспериментальных исследований 81
3.2 Объект исследований, оборудование и условия проведения эксперимента 82
3.3 Измерение неравномерности давления металлических и резинокордных траков на почву 86
3.4 Определение упругих свойств резинокордного трака и жесткости почвы 91
3.5 Исследование методом конечных элементов неравномерности распределения давления по ширине резинокордных траков 94
3.5.1 Программный комплекс DSMFem 94
3.6 Выводы 100
4. Результаты теоретических и экспериментальных исследований 102
4.1 Оценка неравномерности распределения давления по ширине трака на почву 102
4.2 Определение упругих свойств резинокордного трака 105
4.3 Исследования неравномерности распределения давления по ширине резинокордного трака на почву методом конечных элементов
4.3.1 Верификация компьютерной модели и исследования конструкций траков 111
4.3.2 Распределение давлений при вдавливании трака в грунт 118
4.4 Выводы 121
5. Внедрение результатов исследований. технико экономическая оценка 123
5.1 Внедрение результатов исследований в производство 123
5.2 Технико-экономическая оценка результатов исследований
5.2.1 Расчет эксплуатационных затрат 125
5.2.2 Расчет стоимости дополнительного объема заготавливаемого корма 128
5.3 Выводы 131
Заключение 133
Список литературы
- Техногенное воздействие гусеничных движителей на почву и пути его снижения
- Определение изгибной жесткости элементов трака
- Измерение неравномерности давления металлических и резинокордных траков на почву
- Исследования неравномерности распределения давления по ширине резинокордного трака на почву методом конечных элементов
Введение к работе
Актуальность работы. Государственная программа развития сельского хозяйства России на 2013-2020 годы ставит главной целью обеспечение продовольственной безопасности России, где основной задачей является ускоренное развитие растениеводства, животноводства и других приоритетных направлений. Развитие животноводства обусловлено в первую очередь заготовкой качественных кормов.
В современных условиях высокая урожайность кормовых культур достигается в основном, за счет совершенствования технологий возделывания, применения дорогостоящих удобрений и увеличения их количества.
В настоящее время практически не ведется заготовка ценных по питательным качествам и экологически чистых кормов для животноводства на пойменных лугах, которым отведено около 40% от естественных кормовых угодий по Нечерноземному центру России, занимающим в среднем 15-20% территории.
Однако почвы пойменных лугов значительно переувлажнены, что затрудняет уборку кормов, а на площади около 30% поймы и вовсе нет возможности заготовки.
Разработка высокоэффективных гусеничных движителей самоходных кормоуборочных комбайнов позволит повысить их проходимость и расширить кормовую базу.
Цель исследования заключается в повышении проходимости кормо-уборочных машин с гусеничными движителями на переувлажненных почвах и снижении техногенного воздействия на почву и растительность за счет оптимизации конструктивных элементов резинокордных траков.
Объект исследования - гусеничный движитель самоходного кормо-уборочного комбайна КСГ-3,2А (Амур 680) с металлическими и резинокорд-ными траками и процесс их взаимодействия с переувлажненными почвами.
Предмет исследования - резинокордные траки гусеничных движителей, позволяющие повысить проходимость кормоуборочных машин.
Научная новизна - теоретически обоснована и экспериментально доказана возможность эффективного использования гусеничного движителя с резинокордными траками на переувлажненных пойменных лугах при заготовке кормов для сельскохозяйственного производства.
1. Получены аналитические зависимости для определения изгибной жесткости элементов резинокордного трака, влияющей на изменения давления на опорное основание движителя.
-
Разработана методика для определения неравномерности распределения давления по ширине траков.
-
Разработаны компьютерные модели резинокордных траков, соответствующие реальным и обладающие теми же свойствами.
Обоснована конструкция резинокордных траков, повышающих проходимость и снижающих техногенное воздействие на пойменную переувлажненную почву и растительность.
Теоретическая и практическая значимость результатов исследований:
-
Теоретически обоснована и подтверждена патентом на изобретение конструкция резинокордных траков для работы на переувлажненных пойменных почвах, снижающая динамические нагрузки на почву и неравномерность давления по ширине трака.
-
Применение предлагаемой конструкции резинокордных траков в гусеничном движителе снижает неравномерность давления по ширине трака в 1,22 раза, что позволяет уменьшить глубину колеи в 1,3 раза и динамические нагрузки на почву в 2,5 раза, а также максимально сохранить растительный покров.
Методы исследований. Основаны на теоретических положениях математического моделирования, системного анализа, законов теоретической механики, аппарата механики грунтов, теории дифференциальных уравнений и компьютерного моделирования. Составлены и проанализированы математические модели взаимодействия гусеничного движителя с переувлажненной почвой.
Проведены лабораторные и полевые испытания на натурных образцах в условиях эксплуатации с использованием тензометрического и компьютерного оборудования.
Положения, выносимые на защиту:
методики взаимодействия гусеничных движителей с резинокордными траками с переувлажненной почвой, которые устанавливают снижение показателей динамичности нагрузок на почву;
теоретические зависимости, которые при взаимодействии гусеничных движителей с резинокордными траками с переувлажненной почвой, определяют снижение неравномерности распределения давления по ширине траков;
- конструкция резинокордного трака, снижающая динамические
нагрузки на почву и неравномерность давления по ширине трака.
Реализация результатов исследований: Результаты исследований приняты к внедрению департаментом сельского хозяйства Брянской области,
ЗАО СП «Брянсксельмаш», ООО «Агромашсервис» и используются в учебном процессе Брянского ГАУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Брянской ГСХА (Брянский ГАУ) (2011-2015 гг.) и Саратовского ГАУ.
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 11 печатных работах, из них 7 в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Получен патент на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 150 страницах компьютерного текста, включая 71 рисунок, 8 таблиц, библиографию из 157 наименований и 9 приложений.
Техногенное воздействие гусеничных движителей на почву и пути его снижения
В научно-технической литературе в вопросах понятия термина "проходимость" существуют различные точки зрения. Большинство определений проходимости определяют это понятие, как возможность движения машины в трудных условиях, для которых ограничительным фактором является показатель «пройдет-застрянет» [9, 10, 11] и выполнением при этом полезной работы с достаточно высоким к. п. д. [12, 13].
Другое содержание понятия проходимости представляет собой точку зрения, согласно которой проходимость является качеством машины. Впервые такое содержание понятия проходимости было сформулировано академиком Чудаковым Е.А. [14], затем получило свое дальнейшее развитие в работах [15, 4, 16].
Обе эти точки зрения являются достаточно правомочными в раскрытии содержания понятия проходимости. Так, рассмотрение понятия проходимости как процесса, отражает характер взаимодействия машины со средой, результатом которого является выполнение определенной полезной работы, для совершения которой и предназначена данная машина.
Следует отметить, что большинство машин в сельском хозяйстве работают в условиях, далеких от идеальных. В данном контексте приходится выбирать между большей урожайностью (применительно к пойменным лугам урожайность значительно отличается от урожайности на обычных пахотных полях) и большей затратностью, связанной с нерациональным использованием техники (простои техники, использование одних машин для «извлечения» других и т.д.).
В разных почвенных условиях должны эксплуатироваться машины с другими типами движителей: при влажности почвы до нижнего предела пластичности - на колесном ходу, на более увлажненных почвах-гусеничные движители, при уборке тростника и трав в плавнях и на болотах – роторно-винтовые движители [17, 18].
Колесные сельскохозяйственные агрегаты обладают меньшей проходимостью по сравнению с гусеничными. Это определяется тем, что площадь контакта колесного движителя в разы меньше, чем у гусеничного. Увеличение диаметра и ширины профиля шины в сочетании со снижением внутреннего давления воздуха приводит к увеличению коэффициента сцепления. Это так же усложняет, удорожает конструкцию, негативно влияет на такие показатели машины, как радиус разворота.
Сравнивая гусеничный движитель с колесным, можно отметить ряд преимуществ гусеницы перед колесом. У колесного движителя в контакте с грунтом находится около 10% площади наружной поверхности колеса (у шин сверхнизкого давления - до 16%), а у гусеничного движителя в контакте с грунтом находится 40% площади гусеницы. Следовательно, сцепные свойства гусеничного движителя в несколько раз выше, а потери мощности от буксования в 3-4 раза меньше, чем у колесного [19].
В ряде исследований [20, 21] в качестве основного показателя оценки тягово-сцепных свойств тракторов принят тяговый коэффициент полезного действия трактора hтяг.
Один из зарубежных исследователей в области проходимости, Беккер М.Г., в своих работах [22, 23] считает, что способность машин двигаться по слабым грунтам зависит от разности между касательной силой тяги Рк и сопротивлением качению Р, что соответствует исследованиям [24, 25].
Повышение проходимости является одной из важных задач развития сельскохозяйственной техники, которая увеличивает эффективность работы. При этом следует понимать, что конкретная машина имеет свое предназначение, т.е. часть указанных показателей для каждой конкретной машины может и вовсе не иметь существенного значения (рисунок 1.1).
Одним из факторов эффективности работы гусеничных машин является ее опорная проходимость, которая обусловлена необходимостью обеспечить допустимую усадку, чтобы предотвратить остановку ее с одной стороны и не вызвать переуплотнения и разрушения почвы с другой. Последнее имеет ключевое значение, так как переуплотнение почвы значительно влияет на ее способность давать урожай (рисунок 1.2).
Определение изгибной жесткости элементов трака
Теоретический расчет наиболее сложен с позиции умственной трудоемкости, требует определенного уровня знаний. Теоретический способ наименее затратный в денежном плане. Самый «дорогой» - это опытный способ, для его реализации требуется изготавливать натуральные модели исследуемых деталей, тем самым каждая новая конструкция требует дополнительных материальных вложений. На данном уровне развития компьютерных технологий, самым приемлемым, достаточно точным и наглядным является третий способ – компьютерное моделирование.
В настоящее время при разработке новых изделий широко используются различные системы автоматизированного проектирования – САПР [131, 132] (в английской нотации CAE – Computer-Aided Engineering). Они представляют собой программные комплексы, которые позволяют конструктору создавать модель изделия (3-D модель) на компьютере и способны показать на экране сечения любыми плоскостями, а также взаимодействие конструкций в процессе работы и сборки. Значительное ускорение работы достигается за счет того, что подобные системы связаны с огромными базами данных о стандартных изделиях и типовых конструктивных решениях, которые можно в готовом виде вставлять в модель. Использование таких систем позволяет избежать ошибок, связанных с неправильным назначением размеров деталей, определить целый ряд их важных свойств - массу, положение центра масс и пр. По готовой 3-D модели с высокой степенью автоматизации создаются привычные нам двумерные чертежи или программы для станков с ЧПУ.
Важным этапом проектирования является оценка прочностных и динамических характеристик будущего изделия. Типовые и не очень сложные расчеты этих характеристик, как правило, включаются в состав систем САПР, однако для сложных объектов приходится использовать специальные программные комплексы, использующие для расчетов различные математические методы.
Математические модели многих прочностных, динамических и тепло-физических задач описываются системами дифференциальных уравнений. Для задач динамики это, как правило, нелинейные дифференциальные уравнения второго порядка, для теплофизических задач и задач теории упругости это системы уравнений в частных производных с краевыми условиями первого, второго и третьего рода. Точное решение краевых задач удается получить лишь для некоторых частных случаев, значение которые на сегодняш 46 ний день заключается в возможности их использования в качестве тестов при разработке практических численных методов решения. Применяемые численные методы зависят от класса решаемых задач. При решении задач теории упругости и строительной механики используют различные методы.
Одним из таких методов является метод конечных разностей [133]. Суть метода состоит в аппроксимации искомой непрерывной функции совокупностью приближенных значений, рассчитанных в некоторых точках области – узлах. Совокупность узлов, соединенных определенным образом, образует сетку. Сетка, в свою очередь, является дискретной моделью области определения искомой функции.
Дифференциальные уравнения в частных производных, заменяются конечными разностями, при этом вместо аналитического задания функции получают значения этой функции в узлах сетки. В результате вместо дифференциального уравнения и набора краевых условий, получается система линейных алгебраических уравнений. Часть уравнений системы представляют собой конечно-разностную форму основного дифференциального уравнения, вторая часть реализует краевые условия. Точность решения определяется количеством узлов, поэтому для решений с большой точностью необходимо решать системы линейных уравнений высокого порядка. Системы не обладают симметрией, не гарантируется их положительная определенность, но являются мало заполненными - независимо от числа узлов каждое уравнение содержит только несколько ненулевых коэффициентов. Это позволяет решать большие системы при небольших размерах памяти компьютера. Недостатком метода является сложность задания краевых условий для тел неправильной формы.
Методы интегральных уравнений базируются на переходе от исходного дифференциального уравнения в частных производных к эквивалентному интегральному уравнению, подлежащему дальнейшим преобразованиям. Решение эквивалентного интегрального уравнения производится каким-либо численным методом. Один из вариантов метода построен на использовании набора фундаментальных решений, точно удовлетворяющих исходному уравнению (оно подбирается отдельно для каждого класса задач) и набор граничных элементов, корректирующих краевые условия - метод граничных элементов [134]. Достоинством метода является понижения размерности задачи на порядок. Для двумерной задачи нужно построить решение для одномерной границы, для трехмерной задачи - приходится рассматривать двумерную поверхность-границу. Это уменьшает размеры систем уравнений, однако формирование самих уравнений чрезвычайно трудоемко.
Третий подход к решению задач теории упругости это вариационный. Искомую функцию представляют в виде суммы произведений базовых функций, определенных на области исследования, на варьируемые множители U(x,y,z) = Hf=1/(x,y, z) Сі. После этого подбирают значения варьируемых множителей, чтобы минимизировать какой-либо критерий. В зависимости от критерия различают метод Ритца [135], метод Бубнова-Галеркина [136], методы коллокаций [137] и т.д. Разные методы предъявляют разные требования к базовым функциям. Для задач теории упругости наиболее надежным считается метод Ритца, в котором в качестве критерия принят минимум полной энергии системы
В современном моделировании одним из самых распространенных и универсальных методов решения задач теории упругости и строительной механики стал метод конечных элементов (МКЭ), который по сути является методом Ритца. От последнего он отличается только своеобразным выбором кусочных базовых функций, определенных не на всей области, а только на небольшой ее части, называемой конечным элементом (рисунок 1.19). Конечно-элементный анализ (КЭ анализ, FEA) применяется при решении задач механики деформируемого твердого тела, статики, колебаний, устойчивости, динамики и прочности. Он стал единственным расчетным методом для сложных систем, преимуществами которого являются универсальность, применимость для тел произвольной геометрии, удобная связь с системами САПР
Измерение неравномерности давления металлических и резинокордных траков на почву
Применяемые в конструкции гусеничного движителя резинокордные траки являются особенностью резиновых упругих элементов и обладают высокоэластичной деформацией, т.е. процессы ориентации звеньев молекул протекают во времени, вследствие чего равновесие между силой и вызывающей его деформацией не устанавливаются мгновенно. Способность резины к большим обратимым деформациям получила название высокоэластичности.
Поэтому основной особенностью применения эластичных резиновых элементов в гусеничных движителях при взаимодействии их с почвой является распределение контактного давления, что выражается в снижении неравномерности статического давления на почву, как по ширине, так и по длине гусеничного полотна, а также в снижении динамических нагрузок со стороны колеблющихся подрессоренных и неподрессоренных частей машины.
Метод конечных элементов (МКЭ) это численный вариационный метод решения дифференциальных уравнений в частных производных. Он является особой формой метода Ритца, т.е. базируется на принципе поиска минимума полной потенциальной энергии (2.24). Полная энергия деформации тела равна 1 T (2.24) L= 2 {e}{s}dV V , где {s},{e}- векторы, составленные из компонентов напряжений и деформаций соответственно.
Доказано, что если используемый набор базисных функций позволяет получить точные значения аппроксимируемых функций (в задачах строи 64
тельной механики это чаще всего перемещения), то это решение и будет найдено. Поэтому для получения решения с высокой точностью важно не только использовать большое количество конечных элементов, но использовать для моделирования типы конечных элементов, в наибольшей степени соответствующие решаемой задаче.
Все конечные элементы можно классифицировать по различным параметрам. Наиболее важными являются форма элементов, количество узлов, и степени свободы узлов. Кроме того на применимость элементов для решения конкретной задачи влияют свойства материала, используемые при построении основных матриц.
Исследуемые резинокордные траки (рисунок 2.6) можно отнести к сложной форме элементов, рассматриваемых в МКЭ, поэтому для дальнейших исследований примем объемные конечные элементы, которые используются для моделирования упругих тел.
Форма элемента также определяется числом узлов на стороне. Были использованы квадратичные (3 узла на стороне) и кубичные (4 узла на стороне) элементы. Криволинейная форма может быть задана и при меньшем числе узлов на стороне, если кроме координат узла задавать и направление касательных к стороне. Степенями свободы элемента являются перемещения узлов и (для некоторых типов элементов) углы поворота или производные от перемещений по направлениям глобальных осей координат.
Свойства материала могут определять закон линейного деформирования (упругое изотропное тело), анизотропию, нелинейную зависимость между напряжениями и деформациями, в том числе упруго-пластическое состояние. Основным уравнением МКЭ в линейной постановке является Х1{/}={.р}, (2.25) где [К] - матрица жесткости, определяемая выражением: [k] = [[В]т [)] [B]dV, где [к] - матрица жесткости /-го конечного элемента; V {U} - вектор перемещений узлов; {Р} - вектор узловых сил (в случае распределения узловых сил по объему элемента его компоненты вычисляются как Pi = \pNtdV, где р - интенсив у\е) ность нагрузки).
Основным ограничением линейной задачи является строго линейная зависимость напряжений от деформаций и малая величина перемещений по сравнению с размерами исследуемого объекта. При невыполнении этих условий задачу решаем как нелинейную. Задача с большими прогибами решается как геометрически нелинейная, задача в которой для материала не выполняется закон Гука - как физически нелинейная. Для определения деформации упругого тела примем соотношение (общий вид закона Гука): {сг}= [ ]{е}, (2.26) где [D] - матрица, описывающая упругие характеристики материала; {о-},{є}-векторы, составленные из компонентов напряжений и деформаций соответственно.
Исследования неравномерности распределения давления по ширине резинокордного трака на почву методом конечных элементов
Для обработки полученного датчиком сигнала применялись портативный крейт LTR-U-1-4 и модуль LTR-212 [151]. В сборе данный портативный крейт и многоканальный тензометрический 24-битный АЦП представляют собой гальваноизолированное функционально завершенное устройство, что в свою очередь обеспечивает высокую точность получаемых данных.
На персональном компьютере установлена программа для замера уровня воздействия гусеничного движителя машинно-тракторных агрегатов на почву. Данная программа была написана на графическом языке программирования «G» в среде разработки LabView 8.5 [152]. Эта среда разработки так же использовалась в качестве платформы для выполнения написанной программы.
Компьютерная программа была написана специально для проведения данных экспериментов. Оператор персонального компьютера во время экспериментальных исследований работает непосредственно с графической оболочкой программы – окном, в котором выводятся данные по всем 4-ем датчикам. В программе предусмотрена возможность корректировки нуля. Корректировка нуля необходима для первоначальной программной настройки перед проведением эксперимента. При этом в программе можно выбрать режим точности и количество каналов данных. В нашем случае был выбран 4-х канальный режим средней точности.
Резины часто называют несжимаемыми материалами. Для таких материалов коэффициент Пуассона равен 0,5, изменение объема всегда равно нулю, при этом перемещения элемента не позволяют однозначно определить напряжения в элементе, что требует использования специальных уравнений теории упругости с учетом давления как самостоятельного компонента напряженного состояния. Это существенно усложняет расчет деталей. Однако на самом деле сжимаемость резины хорошо заметна и справочники определяют для нее коэффициент Пуассона в диапазоне от 0,45 до 0,48. В этом диапазоне значений расчет резиновых деталей принципиальных проблем не имеет
Значение модуля упругости может изменяться в широких пределах (от 1 МПа до 10 МПа и более) и связано с твердостью резины. Для указанной твердости резины трака (14...30 единиц по Шору) значение модуля упругости может быть около 1...1.5 МПа. Однако использовать эти значения нельзя, поскольку армирование кордом может во много раз повысить значение модуля упругости. Поэтому необходимо было получить его на основе экспериментальных лабораторных исследований.
Первый эксперимент заключался в статическом нагружении трака с последующим замером его деформации. Трак устанавливался на две опоры, расположенные на расстоянии 360 мм. В центральной части на расстоянии 20 мм от середины на подошве трака уложены 2 стержня перпендикулярно продольной оси трака. На стержнях размещается груз. В центре трака, под грузом располагается индикатор для замера прогиба (рисунок 3.10). Рисунок 3.10 – Определение жесткости трака
Лабораторные испытания трака, для уточнения его параметров, проводились на специально созданном для этого стенде, представленном на рисунке 3.11.
Как ранее отмечалось, систем автоматизированного проектирования (САПР) в настоящее время распространено достаточное количество пакетов, для проведения расчетов был выбран программный комплекс DSMFem [139].
Программный комплекс DSMFem [139, 132] определяет расчетным путем метод конечных элементов для прочностных расчетов. Комплекс разрабатывается с начала 1980 годов и в настоящее время является развитым инструментом анализа, что подтверждается положительным опытом его применения в промышленности, научных исследованиях и в учебном процессе. Подробная информация о возможностях комплекса и примерах его использования размещена на официальном сайте DSMSoft.
В качестве несомненных достоинств DSMFem стоит отметить весьма развитую библиотеку конечных элементов, позволяющую проводить полный цикл расчетов, импортируя описание модели из других пакетов МКЭ.
Соответствующая первому эксперименту расчетная схема для определения жесткости трака представлена на рисунке 2.9. По линии введены связи, препятствующие вертикальному и продольному перемещению. К подошве прикреплен стержень, к которому приложена распределенная сила.
Во время второго эксперимента прогибы фиксировались в двух точках - в середине подошвы, что являлось мерой общего изгиба трака, и над открытой упругой стойкой, что позволяло оценить деформацию "арки" трака. Схема второго эксперимента представлена на рисунке 3.13.