Исследование нагрузок в ходовой системе гусеничной машины с использованием ППП «Зенит»

ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЗОК В ХОДОВОЙ СИСТЕМЕ ГУСЕНИЧНОЙ МАШИНЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ППП «ЗЕНИТ»

Скобцов И.Г.

This paper deals with the methodical way of definition loadings in skidder's suspension by using the modern software «Zenit».

Движение гусеничных машин по лесосеке сопровождается постоянным маневрированием. Изменение направления движения гусеничной машины происходит в результате поворота или увода. Поворот относится к самому нагруженному и энергоемкому режиму движения трелевочной машины, поскольку именно в этом режиме увеличивается нагрузка на двигатель, трансмиссию, элементы ходовой системы [1].

Доказано, что при повороте гусеничной трелевочной машины в ходе перемещения пакета деревьев (хлыстов) происходит перераспределение нагрузок между гусеницами. Это происходит за счет изменения направления действия крюковой силы от части пакета, волочащейся по грунту, а также появления силы инерции [2], т.е. забегающая гусеница разгружается, а отстающая наоборот догружается дополнительными вертикальными силами, что приводит к увеличению нагрузок (перегрузкам) на элементы ходовой системы отстающего борта. В этой связи представляет интерес исследование реакций в ходовой системе (опорные катки, балансиры и т.д.) гусеничной трелевочной машины в режиме поворота с использованием современных методов и программных средств, в частности - пакета прикладных программ «Зенит», предназначенного для выполнения проектных и научно-исследовательских расчетов конструкций, механизмов и приводов методом конечных элементов на персональных ЭВМ в операционной системе Windows.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) является одним из наиболее популярных инструментов исследования характеристик инженерных конструкций и механизмов. Традиционные методы, предполагающие строгое теоретическое обоснование, с успехом можно применять лишь для ограниченного класса задач и особых условий нагрузки. Неуверенность конструкторов в достоверности получаемых таким образом результатов заставляет их увеличивать запас прочности, что неизбежно приводит к перерасходу высококачественных материалов и увеличению общей стоимости изделия.

МКЭ позволяет конструктору успешно решать задачи расчета сложных деталей путем разбиения их на более мелкие части - конечные элементы. Эти элементы иногда называют дискретными, а процесс их выделения - дискретизацией формы детали. После разбивки дальнейшие расчеты на нагрузку проводятся уже для отдельных конечных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в характеристику прочности детали. Точки, ограничивающие элемент, называются узлами, и вместе с проходящими через них линиями образуют конечно-элементную сетку.

Основные принципы МКЭ были известны еще в 19-м веке, однако из-за сложности математических вычислений широкое распространение метод получил только в последние годы. Метод предусматривает многократное выполнение трудоемких матричных операций для того, чтобы можно было использовать известные средства вычисления с необходимой степенью достоверности результатов. Такая ситуация, когда нельзя эффективно применять МКЭ для решения инженерных проблем, сохранялась вплоть до появления компьютеров, микропроцессоров и систем автоматизированного проектирования, в которых МКЭ смог служить для удобства инженеров [4].

Реакции, действующие со стороны грунта на опорные катки машины, определим согласно методике, разработанной проф. С.Ф. Орловым [3]. Силы и моменты, приложенные к корпусу трактора при равномерном движении, подразделяются на две группы: 1) силы, возникающие в результате выполнения технологического процесса (крюковая нагрузка Ркр, вес части пакета, размещенной на тракторе ^, вес корпуса трактора ^); 2) силы и моменты, возникающие в точках связей корпуса с ходовой частью (касательные силы тяги гусениц Р , силы натяжения гусениц Р , реактивные моменты от передачи крутящих моментов на гусеницы М^, нормальные реакции на корпус в передней и задней опорах 2А и 2В). Реакции грунта под опорными катками (/ - индекс гусеницы, у - индекс опорного катка, у =1-4) определяем из условия равновесия каждой из кареток. Расчет проводим для трактора ТБ-1М-15 с пакетом V = 8 м в режиме поворота радиусом Я = 30 м в условиях летнего волока.

По данным расчета, самым нагруженным катком является последний каток отстающей гусеницы, реакция на который составляет = 30 кН. Проведем прочностной расчет для этого катка методом конечных элементов в программной среде «Зенит».

Конечно-элементная модель катка идеализируется ансамблем конечных элементов типа «гексаэдр», что соответствует переходу от системы с бесконечным числом степеней свободы к системе с их конечным числом.

На рис. 1 представлена картина распределения напряжений в материале катка. Очевидно, что наиболее напряженной является часть обода, находящаяся в контакте с гусеничной лентой. Максимальные напряжения составляют а = 2.26 МПа, что значительно ниже допускаемых напряжений. Таким образом, можно сделать вывод о том, что деталь имеет значительный запас прочности.

Вывод: применение метода конечных элементов для прочностных расчетов деталей машин может способствовать принятию обоснованных решений при проектировании, повышению экономичности при одновременной минимизации веса машины.

Рисунок 1 - Напряжения в материале катка

Литература

1. Куликов М.И. Исследование поворота гусеничных трелевочных тракторов. Дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук. - М., 1971.

2. Ворухайлов С.А. Определение давления гусениц на грунт при повороте трактора.// Известия ВУЗов. Лесной журнал. -1969. - №6. - С.51-56.

3. Орлов С.Ф. Теория и применение агрегатных машин на лесозаготовках. -М.: Гослес-бумиздат, 1963. -271с.

4. Курков С. В. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов. -СПб.: Политехника, 1991. - 224 с.