Крутильные колебания от основных эксплуатационных нагрузок в валопроводе силовой передачи трактора ВТ-100

инж. по автомобильной специальности в МГТУ им. Н.Э. Баумана (25-26 дек. 2009 г.) / ГОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". - М., 2010. - C. 181-184.

8. Победин, А.В. Анализ схем и конструкций, расчётные исследования упруго-демпфирующих устройств подвески кабины трактора / А.В. Победин, В.В. Шеховцов, К.В. Шеховцов // Инновационные технологии в обучении и производстве: матер. VI всерос. науч.-практ. конф., г. Камышин, 15-16 дек. 2009 г. В 6 т. Т. 1 / ГОУ ВПО ВолгГТУ, КТИ (филиал) ВолгГТУ. - Волгоград, 2010. - C. 127-130.

9. Шеховцов, К.В. Анализ технических решений, разработка и исследование математической модели подвески кабины трактора / К.В. Шеховцов, А.В. Победин // XIV региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 10-13 нояб. 2009 г.): тез. докл. / ВолгГТУ [и др.]. - Волгоград, 2010. - C. 94-96.

10. Победин, А.В. Испытания виброизоляторов на стенде / А.В. Победин, К.В. Шеховцов // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 4: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 12. - C. 41-43.

Шеховцов В.В.1, Ляшенко М.В.2, Шевчук В.П.3, Соколов-Добрев НС.4, Шеховцов К.В.5

'Доктор технических наук, доцент; 2 доктор технических наук, профессор, 3кандидат технических наук, профессор, 4кандидат технических наук, доцент, 5аспирант; Волгоградский государственный технический университет КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК В ВАЛОПРОВОДЕ СИЛОВОЙ

ПЕРЕДАЧИ ТРАКТОРА ВТ-100

Аннотация

В статье описан метод расчетного исследования характера распространения по валопроводу силовой передачи крутильных колебаний от переменности действия основных эксплуатационных нагрузок.

Ключевые слова: силовая передача, распространение колебаний, динамическая нагруженность участков.

Shekhovtsov V.V.1, Lyashenko M.V.2, Shevchuk V.P.3, Sokolov-Dobrev N.S.4, Shekhovtsov K.V.5 'Doctor of Engineering Science, docent; 2Doctor of Engineering Science, professor; 3Candidate of engineering science, professor; 4Candidate of engineering science, docent; 5Post-graduate student; Volgograd State Technical University TORSIONAL VIBRATIONS FROM THE BASIC OPERATING LOADS IN THE POWER TRANSMISSION SHAFTING OF

VT-100 TRACTOR

Abstract

The article describes the method of calculational research of character of torsional vibrations spread on power transmission shafting caused by the variability of basic operational loads.

Keywords: power train, oscillations propagation, dynamic loading of areas.

Эксплуатационная нагруженность силовой передачи гусеничного трактора носит явно выраженный динамический характер [1]. Такие факторы, как неравномерность крутящего момента двигателя, тягового сопротивления, возмущения от раскачивания машины на подвеске, для гусеничных машин - неравномерность перемотки звенчатой гусеницы, а также внутренние кинематические и силовые возмущения от перезацепления шестерен, несоосности валов, неравномерности вращения кардана, деформаций и смещений корпусных деталей, воздействия оператора через системы управления - в сумме приводят к тому, что закон нагружения силовой передачи в эксплуатации имеет случайный полигармонический характер [1, 2, 4, 7].

Неравномерность действия нагрузок на элементы передачи приводит к возникновению в ее валопроводе крутильных колебаний, роль которых в процессе накопления усталостных повреждений значительна [1, 2]. По данным отечественных и зарубежных исследователей, до 80 % отказов в силовой передаче обязаны своим происхождением именно колебаниям [2].

Известно, что у одних машин колебания определенной частоты от источника возбуждения проходят через весь валопровод, дополнительно нагружая каждый его элемент, а у других машин они гасятся на соседних с источником участках [2]. В связи с тем, что представление о дополнительной нагруженности элементов передачи от этих колебаний имеет важное значение для конструктора, выполнено исследование характера распространения по валопроводу силовой передачи трактора ВТ-100 крутильных колебаний от переменности действия основных эксплуатационных нагрузок.

При помощи разработанных на кафедре «Автомобиле- и тракторостроение» ВолгГТУ компьютерных программ [3] выполнено исследование изменения дополнительной нагруженности от крутильных колебаний силовой передачи трактора ВТ-100 производства ВгТЗ при действии основных эксплуатационных нагрузок. Исследование выполнено на основе динамической модели силовой передачи трактора [8, 9], полная и редуцированная схемы которой представлены на рис. 1. При этом динамические параметры элементов передачи левого и правого бортов при разветвлении силового потока после главной передачи приняты одинаковыми, что дает основание для представления передачи в виде цепной модели. В табл. 1 показано соответствие масс и связей модели узлам и участкам передачи.

К массам модели приложены нагрузки, определяющие в основном ее эксплуатационную нагруженность [1, 2]. Так, к массе /10 модели (поступательно движущиеся массы трактора и орудия) приложены возмущающие воздействия от неравномерности тягового сопротивления с частотой 0,1 Гц и 1 Гц. Обычно в этом частотном диапазоне помещаются нагрузки от неравномерности тягового сопротивления при выполнении трактором основной сельскохозяйственной работы - пахоты [1].

125

Cl С2 С3 С4 С5 Сб С7 Cg С9

Рис. 1. Полная а и редуцированная б динамические модели силовой передачи К массе I9 модели (ведущее колесо, ходовая система и подвеска) приложена нагрузка с частотой 2 Гц, имитирующая воздействие от раскачивания остова на подвеске, а также нагрузки с частотами 12 Гц и 24 Гц - это средние величины диапазона, в котором для данного трактора помещаются воздействия от неравномерности перемотки гусеницы при движении трактора с разными скоростями и при несинфазной работе гусеничных движителей левого и правого борта. И, наконец, приложением моментов к массе I имитируется воздействие на силовую передачу гармоник двигателя. На трактор ВТ-100 устанавливается двигатель Д 444-24 (25), возможна также установка двигателей Мартин Z 8604, Д 260.3 и Cat 3116. Максимальная частота вращения валов этих двигателей 2000-2100 об/мин, то есть 33-34,5 Гц, номинальная частота вращения - 1800-1900 об/мин, то есть приблизительно 30 Гц. Принято учитывать повреждающее воздействие от гармоник не выше 4 порядка [1]. Таким образом, в модели момент с частотой 30 Гц имитирует воздействие первой гармоники, с частотой 45 Гц - полуторной, с частотой 60 Гц -второй, с частотой 75 Гц - двухсполовинной, с частотой 90 Гц - третьей, с частотой 105 Гц - трехсполовинной, с частотой 120 Гц -четвертой. Все моменты, приложенные ко всем массам, единичные. Это позволяет при анализе результатов легко определять получаемое соотношение дополнительной динамической нагруженности участка с величиной приложенного момента в процентах.

Таблица 1Соответствие масс и связей модели узлам и участкам передачи

Обозначение масс Узлы

I1 Двигатель и ведущие элементы муфты сцепления

I2 Ведомые элементы муфты сцепления

I3 Карданный вал

I4 Ведущие элементы коробки передач

I5 Ведомые элементы коробки передач

Ie Главная передача

I7 Водило планетарного механизма поворота и шкив фрикциона

I8 Конечная передача и шкив остановочного тормоза

I9 Гусеничный обвод и вращающиеся детали ходовой системы

^0 Поступательно движущиеся массы трактора и плуга

Обозначение участков Участки

С1 Двигатель - ведомые элементы муфты сцепления

С2 Ведомые элементы муфты - карданный вал

С3 Карданный вал - ведущие элементы коробки

С4 Ведущие - ведомые элементы коробки

С5 Ведомые элементы коробки - главная передача

С6 Главная передача - механизм поворота

С7 Механизм поворота - конечная передача

С8 Конечная передача - ходовая система

С9 Ходовая система - массы трактора и плуга

На рис. 2 показан характер распространения по валопроводу колебаний с вышеописанными частотами. На рис. 2 а первая сверху зависимость показывает величину дополнительного момента на каждом участке (номера участков показаны на оси абсцисс) при возбуждении колебаний с частотами 0,1 Гц, 1 Гц и 2 Гц. Результаты расчета [4, 5, 6, 7, 10] свидетельствуют о том, что при возбуждении колебаний с этими частотами момент на каждом участке имеет практически одинаковую величину. На рис. 2 а показаны также аналогичные зависимости для момента с частотами 12 и 24 Гц.

126

а

б

в

Рис. 2. Характер прохождения по валопроводу колебаний разных частот

Как видно из представленных графиков, колебания с частотами 0,1 Гц, 1 Гц и 2 Гц со стороны девятого участка (ходовая часть и подвеска) проходят через весь валопровод практически без уменьшения амплитуд вплоть до муфты сцепления и лишь на участке между муфтой и двигателем их амплитуда уменьшается примерно на 30 %. Колебания с частотой 12 Гц проходят также через весь валопровод от девятого участка до первого, причем амплитуда дополнительного момента на участках от этих колебаний на девятом-шестом участках составляет 50 % от момента возбуждения, на пятом участке возрастает до 85 % и на участках от пятого до первого линейно снижается до 70 % от возбуждающего момента. Таким образом, участки от пятого до первого (коробка передач - двигатель) нагружены большим на 20 % дополнительным динамическим моментом с частотой 12 Гц от перемотки гусеничной цепи, нежели валопровод от коробки передач до ведущего колеса.

Колебания с частотой 24 Гц также проходят через весь валопровод. На девятом участке дополнительный динамический момент от этих колебаний составляет 50 % от возбуждаемого, далее на седьмом и восьмом участках увеличивается до 70 %, на шестом - третьем участках снова снижается до 50 % от возбуждающего, на втором участке составляет 40 % и на первом снижается до 9 % от возбуждающего момента.

Таким образом, от колебаний с частотой 24 Гц, источником возбуждения которых является гусеничный обвод при высоких скоростях движения, дополнительным динамическим моментом существенной величины нагружен весь валопровод вплоть до муфты сцепления, и только на участке между муфтой и двигателем амплитуда этого момента уменьшается примерно в пять раз.

На рис. 2 б показаны зависимости, характеризующие изменение момента, нагружающего участки при колебаниях от гармонических составляющих момента двигателя с частотами 30, 45, 60 и 75 Гц. При этом момент от колебаний с частотой 30 Гц на первом участке (двигатель - муфта) составляет 4 % от возбуждающего, на втором участке уменьшается до 0,7 %, на участках два-шесть линейно растет до величины 12 % от возбуждающего и на остальных участках остается таким же. Таким образом, наиболее нагруженными участками при колебаниях с частотой 30 Гц (первая гармоника двигателя) оказываются участки с шестого по девятый (от главной передачи до ходовой системы).

Момент от колебаний с частотой 45 Гц на первом участке равен 0,7 % от возбуждающего, на втором-третьем участках составляет 4 % от возбуждающего, на четвертом - пятом - 2 %, на шестом-девятом - снова 4 % от возбуждающего. Колебания с этой частотой проходят сквозь весь валопровод, но дополнительный момент на участках создают незначительный.

Момент от колебаний с частотой 60 Гц на первом участке равен 40 % от возбуждающего, на остальных - от 0,4 до 2 %. Таким образом, нагруженным оказывается практически только первый участок.

Момент от колебаний с частотой 75 Гц на первом участке составляет 8 % от возбуждающего, на остальных составляет от 0,5 до 4 %. Колебания с этой частотой также гасятся почти полностью на участках от двигателя до главной передачи, далее их амплитуда немного увеличивается, оставаясь небольшой.

На рис. 2 в показаны зависимости, характеризующие изменение момента на участках при возбуждении колебаний от двигателя с частотами 90, 105 и 120 Гц. Момент от колебаний с частотой 90 Гц на первом участке составляет 35 % от возбуждающего, на остальных участках составляет от 0,7 до 8 %. Моментом от колебаний с этой частотой нагружены в основном участки с первого по четвертый, из них существенно нагружены (до 35 % от возбуждающего момента) первый и второй участки, то есть двигатель -муфта сцепления.

127

Момент от колебаний с частотой 105 Гц на первом участке составляет 8 % от возбуждающего, на остальных участках - от 2 до 0,02 %, то есть моментом от колебаний с этой частотой нагружен в основном первый участок (двигатель - муфта), далее эти колебания интенсивно гасятся.

Момент от колебаний с частотой 120 Гц на первом участке составляет 35 % от возбуждающего, на остальных - от 0,01 % до 0,5 %, то есть моментом от этих колебаний нагружен только участок двигатель - муфта сцепления.

Выводы

1. Анализ характера распространения крутильных колебаний вследствие переменности действия основных эксплуатационных нагрузок свидетельствует о том, что со стороны ведущего колеса нагрузки с частотами 0 - 12 Гц проходят сквозь весь валопровод почти без уменьшения амплитуд. Дополнительная динамическая нагруженность участков силовой передачи при этом составляет 50 -120 % от момента возбуждения. Нагрузки со стороны ведущего колеса с частотой 24 Гц и амплитудой 90 - 120 % от возбуждающего момента доходят до коробки передач, далее по направлению к двигателю уменьшаются до 30 - 50 % от момента возбуждения. От воздействия гармоник двигателя дополнительная нагруженность участков трансмиссии составляет 2 - 12 %, за исключением третьей гармоники (90 Гц), динамическая составляющая момента от которой на участке от двигателя до муфты доходит до 35 % от возбуждающего. Амплитуды высокочастотных нагрузок от гармоник двигателя существенны на участках, близких к двигателю, а за коробкой передач и далее близки к нулю.

2. Валопровод является практически прозрачным для прохождения сквозь него низкочастотных колебаний. Необходимы конструктивные мероприятия, ограничивающие (за счет установки упругих элементов или гасителей колебаний) их действие на участки за конечной передачей.

Литература

1. Барский И.Б., Анилович В.Я., Кутьков Г.М. Динамика трактора. - М.: Машиностроение, 1973. - 281 с.

2. Шеховцов, В.В. Analiza i synteza systemow dynamicznych ukladow nap^dowych pojazdow na etapie ich projektowania = Анализ и синтез динамических систем силовых передач транспортных средств на этапе их проектирования: монография / В.В. Шеховцов; // Zeszyty Instytutu Pojazdow. № 4 (30) / 98 = Труды Ин-та транспортных средств. - Warszawa: Politechnika Warszawska, 1998. - 156 с.

3. Шеховцов, В.В. Programy do badanja dynamiki pojazdu samochodowego na podstawie modelu ze zmiennymi wartosciami mas i sztywnosci / В.В. Шеховцов // Autoprogres' 95. Sekcja 1: Teoria, konstrukcja i badania samochodow: mater. V mi^dzynar. nauk.-techn. konf., maj 1995. - Jachranka, 1995. - S. 337-339.

4. Исследование динамических процессов в силовой передаче гусеничной машины / Е.И. Тескер, В.В. Шеховцов, С.В. Зленко, Д.И. Кумсков // Dynamika strojovych agregatov = Dynamics of Machine Aggregates: proc. of 4th Int. Conf. (September 21-23, 1998) / Slovak Univ. of Technology. - Gabcikovo (Slovak Republic), 1998. - S. 151-154.

5. Динамическая нагруженность силовой передачи гусеничной машины на переходных режимах / Е.И. Тескер, В.В. Шеховцов, С.В. Зленко, А.Е. Стульников // Dynamics of machine aggregates: Proceedings of the International konference, june 27-29,2000 / Slovak university of technology. - Gabcikovo, Slovak Republ., 2000. - C. 217-221.

6. Соколов-Добрев, Н.С. Исследование нагруженности участков трансмиссии трактора ВТ-100 от несинфазной работы ведущих колес при возникновении резонансных колебаний / Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, А.В. Победин // Doskonalenie konstrukcji oraz metod eksploatacji pojazdow mechanicznych = Совершенств. констр. и методов эксплуатации мех. трансп. средств: сб. ст. УШ междунар. симпоз., (11-13 дек. 2002) / Воен.-техн. акад. [и др.]. - Warszawa-Rynia (Польша), 2002. - Cz. I. - C. 343-349.

7. Шеховцов, В.В. Dynamic load optimisation of caterpillar tractor powertrain / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко // Archiwum Motoryzacji = The Archives of Automotive Engineering. - 2004. - № 4. - C. 553-564. - Пол.

8. Model dynamiczny z ogniwami reakcyjnymi ukladu nap^dowego ciqgnika gqsienicowego / В.В. Шеховцов, З.А. Годжаев, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, Б. Михаловски // KONES. Powertrain and transport. - 2007. - № 4. - C. 101-112.

9. Dynamic Model with Reaction Nodes of Tracked Agricultural Tractor / 3.A. Годжаев, М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, Б. Михаловски // Journal of KONES. Powertrain and Transport. - 2007. - Vol. 14, № 4. - C. 101-112. -Пол.

10. The influence of jet links' parameters on the stress loading of tractor's power train sites / З.А. Годжаев, В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко // Journal of KONES. Powertrain and Transport (Poland). - 2009. - Vol. 16, № 1. - C. 145-156. - Англ.

Шеховцов В.В.1, Ляшенко М.В.2, Шевчук В.П.3, Соколов-Добрев НС.4, Шеховцов К.В.5

'Доктор технических наук, доцент; 2 доктор технических наук, профессор, 3кандидат технических наук, профессор, 4кандидат технических наук, доцент, 5аспирант; Волгоградский государственный технический университет ВЛИЯНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ СВЯЗАННОСТИ ЗВЕНЬЕВ СИЛОВОЙ ЦЕПИ НА ХАРАКТЕР РАСПРОСТРАНЕНИЯ

КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ В ВАЛОПРОВОДЕ

Аннотация

Описаны результаты исследований с помощью созданной компьютерной программы влияния коэффициента динамической связанности колебаний звеньев на характер распространения колебаний по валопроводу силовой передачи.

Ключевые слова: силовая передача, крутильные колебания, динамическая связанность колебаний.

Shekhovtsov V.V.1, Lyashenko M.V.2, Shevchuk V.P.3, Sokolov-Dobrev N.S.4, Shekhovtsov K.V.5 'Doctor of Engineering Science, docent; 2Doctor of Engineering Science, professor; 3Candidate of engineering science, professor; 4Candidate of engineering science, docent; 5Post-graduate student; Volgograd State Technical University INFLUENCE OF POWER CIRCUIT LINKS OSCILLATIONS DYNAMIC CONNECTEDNESS ON TORSIONAL VIBRATIONS PROPAGATION CHARACTER IN THE SHAFTING

Abstract

The article describes the results of research (using the computer program) of the influence of the vibration units dynamic coupling coefficient on the nature of oscillation propagation on the power transmission shafting.

Keywords: power train, torsional vibration, oscillations dynamic connectivity.

1. Введение

Известно [2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], что в одних силовых передачах крутильные колебания определенной частоты проходят через весь валопровод практически без гашения, а в других они гасятся на соседних с источником участках.

Изучением процесса распространения колебаний в связанных динамических системах занимался профессор Мандельштам Л. И. В его работах показано, что на процесс распространения колебаний оказывает влияние степень динамической связанности колебаний звеньев системы. Процесс распространения колебаний изучался на примере движения двух маятников [1], соединенных упругой связью. При этом установлено, что если парциальная частота колебаний одного звена этой системы (одного маятника) равна парциальной частоте другого звена (другого маятника), то колебания быстро и практически без гашения передаются от одного звена к другому.

128