Ходовая часть гусеничной машины, оснащенной гусеницей с параллельным шарниром, обеспечивающая снижение динамической и тепловой нагруженности элементов конструкции Российский патент 2024 года по МПК B62D55/20 

Изобретение относится к области транспортного машиностроения и может быть использовано при разработке и модернизации ходовой части гусеничных машин.

В конструкции ходовой части большинства гусеничных машин (ГМ) используются опорные катки с массивными резиновыми шинами, уменьшающими динамическую нагрузку на гусеницу, подшипниковые узлы опорных катков, балансиров и деталей системы подрессоривания. Опорные катки взаимодействуют с гусеницей с параллельным резинометаллическим шарниром (РМШ), а беговая дорожка гусениц обрезинена, что повышает ресурс гусениц при ограничении массы и виброакустического излучения. При движении гусеничных машин с такой гусеницей по дорогам с малодеформируемым основанием (скалистый и мерзлый грунт, обледенелая зимняя дорога, бетон, разбитый асфальт и др.) наблюдается усталостное разрушение балансиров и массивных шин опорных катков. Выполненными исследованиями установлено, что разрушение балансиров и шин вызвано параметрическими резонансами, формируемыми переменной жесткостью в контакте шина – беговая дорожка гусеницы. Параметрический резонанс отличается от обычного тем, что происходит не на определенных частотах, а в области частот.

Известен способ исключения (аналог) резонансных режимов в контакте опорных катков с беговой дорожкой применением гусениц с металлическим последовательным шарниром. Однако при таком решении конструкция траков является более сложной, а их долговечность ограничена по сравнению с гусеницами с параллельным РМШ в четыре раза.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является способ (прототип) по авторскому свидетельству (патент на полезную модель RU 122 353 U1 от 27.11.2012 г.), где предлагается конструкция гусеницы транспортной машины с параллельным РМШ, содержащая двухзвенчатые соединяемые трубчатой перемычкой траки, к верхней горизонтальной плоскости звеньев привулканизированы резиновые подушки, образующие беговую дорожку для опорных катков, запрессованные в отверстия проушин звеньев траков обрезиненные пальцы, которые с обоих концов соединены с пальцами смежных траков разъемными серьгами, а в средней части - гребнями, отличающаяся тем, что звенья траков в продольном направлении выполнены асимметричными с целью снижения глубины модуляции жесткости упругого взаимодействия опорного катка с траком гусеницы, при этом характер и величина асимметрии определялись интуитивно и реализована путем дополнительно введенных выступов, например, у правого полутрака - сзади, а у левого - впереди, т.е. полутраки одного трака смещены в горизонтальной плоскости на некоторую величину А, при этом обеспечивая требуемый зазор между полутраками смежных траков. Значительная высота расположения плицы трака над проушиной трака (Фиг. 1а) не позволяет обеспечить необходимое перекрытие смежных траков в зазоре типа «зигзаг» и исключение их натыкания друг на друга при движении вокруг ведущего колеса (на Фиг.1б). Кроме того, по той же причине (из-за большой высоты плицы трака над проушиной), а так же из-за инутитивно выбранного варианта смещения полутраков, не обоснованного расчетами эффект уменьшения параметра глубины модуляции нивелируется. На (Фиг. 2) иллюстрируется неэффективность решения, предложенного в прототипе, когда уменьшение параметра глубины модуляции не достигается из-за большой высоты плицы трака беговой дорожки гусеницы с асимметричным расположением полутраков (смещением на величину А=10 мм), а также из-за примененного конструктивного решения обеспечения требуемого смещения А=10 мм за счет резиновой подушки. Таким образом, техническое решение, предложенное в прототипе, основанное на интуитивном представлении и регулировании динамического процесса не позволяет достичь удовлетворительного результата по снижению динамической и тепловой нагруженности элементов ходовой части. В связи с этим, ниже излагается последовательность действий, направленных на снижение динамической и тепловой нагруженности элементов ходовой части гусеничных машин, оснащенных гусеницей с параллельным шарниром на основе целенаправленного варьирования глубины модуляции жесткости упругого взаимодействия опорного катка и беговой дорожки гусеницы и исключающий возникновение параметрических резонансных высокочастотных колебаний опорного катка.

Предлагаемая последовательность действий состоит из следующих операций:

1) Составление расчетной динамической схемы взаимодействия шина опорного катка - беговая дорожка гусеницы (Фиг. 3);

2) Конечно-элементное моделирование перекатывания опорного катка вдоль беговой дорожки гусеницы, определяющее нелинейность функции жесткости в контакте (Фиг. 4);

3) Идентификация параметров расчетной динамической схемы – определение неподрессоренной массы , включающей массу катка и связанных с ним деталей ходовой части, глубину модуляции жесткости , где – среднее значение жесткости, а - амплитуда переменной составляющей упругого взаимодействия «шина опорного катка - беговая дорожка гусеницы», - среднее значение частоты свободных колебаний неподрессоренной массы;

4) Построение уравнения Матье и представление его в параметрах диаграммы Айнса-Стретта:

,

где ; ; – шаг гусеницы; - скорость движения машины; – «траковая» частота. Такое представление позволяет анализировать устойчивость параметрических колебаний по диаграмме Айнса-Стретта (Фиг. 5) по расположению на диаграмме точек с известными координатами a и h (область устойчивости заштрихована). Для системы с параметрами глубины модуляции
на диаграмме приведена зависимость h(a). По его расположению на диаграмме устанавливается, что параметрические резонансы возможны в широком диапазоне параметра a, определяемого соотношением частот собственных и возмущения.

5) Устанавливаются требуемые значение параметра глубины модуляции, обеспечивающего расширение области устойчивости или полное исключение возможности возникновения параметрических резонансных колебаний.

Как следует из рисунка, зонами параметрических резонансных колебаний могут являться клиновые области на диаграмме Айнса-Стретта, соответствующая параметру (см. Фиг. 5) и, соответственно, коэффициенту расстройки . Для точного установления возможности возбуждения параметрических резонансов в данных областях необходимо учесть влияние диссипативных сил в рассматриваемой системе, возникающих вследствие гистерезисных потерь в резиновых массивах шины и беговой дорожки гусеницы, в случае если она является обрезиненной. Критическое значение коэффициента глубины модуляции определяется выражением , где - номер области параметрического резонанса; – логарифмический декремент затухания колебаний, определяющий диссипативные свойства системы. В качестве примера на Фиг. 6
(таблица) приведены результаты оценки возможности возбуждения параметрического резонанса для перечисленных выше областей неустойчивости
() при следующих параметрах динамической системы:
.

Как следует из таблицы резонанс возможен только в зоне неустойчивости при параметре . При этом, для исходных данных, соответствующих исследованному варианту конструкции опорного катка и обрезиненной беговой дорожки зона параметрического резонанса будет находиться в диапазоне скоростей движения гусеничной машины от 21,27 до 26,7 км/ч. Для полного исключения параметрического резонанса в данной зоне для объекта исследования, максимальное значение параметра глубины модуляции жесткости не должно превышать значения .

6) Разработка конструкции трака гусеницы с параллельным шарниром, обеспечивающего требуемое значение параметра глубины модуляции жесткости упругого взаимодействия опорного катка с беговой дорожкой.

Для реализации результатов в конструкцию траков дополнительно вводятся выступы или скосы различной формы, например, у правого полутрака – сзади, а у левого полутрака – впереди для одного трака, зигзагообразный или волнистый скос для каждого полутрака смежных траков или другие возможные варианты, т.е. обеспечивая разными конструктивными решениями обоснованную требуемую величину глубины модуляции жесткости упругого взаимодействия трака и опорного катка.

Для оценки эффективности предлагаемой последовательности действий приводится сравнение исходного варианта конструкции для динамической системы с параметрами , , =0,104 и . (Фиг. 7) и разработанного варианта конструкции трака (Фиг. 8), обеспечивающего следующие значения параметров динамической системы: , =0,01 при неизменном значении . Этот вариант конструкции обеспечивает минимальное расстояние между плицей и проушиной трака, дополнительно снабжен выступами у правого полутрака от передней проушины, у левого полутрака от задней проушины, что позволило обеспечить необходимое перекрытие смежных траков в зазоре типа «зигзаг» и исключить их натыкания друг на друга при движении вокруг ведущего колеса. Как следует из Фиг. 6 при значении глубины модуляции менее 0,036 обеспечивается полное исключение параметрических резонансных колебаний, что создает предпосылки снижения динамической и тепловой нагруженности элементов ходовой части гусеничной машины.

Изобретение относится к модернизации ходовой части гусеничных машин. Ходовая часть гусеничной машины, оснащенной гусеницей с параллельным шарниром, отличается от известных в теоретической проработке метода исключения высокочастотных резонансных колебаний в элементах ходовой части гусеничных машин на основе реализации теории параметрических колебаний. Сущность состоит в том, что дополнительно составляется расчетная динамическая схема взаимодействия шина опорного катка - беговая дорожка гусеницы, выполняется конечно-элементное моделирование перекатывания опорного катка вдоль беговой дорожки гусеницы, определяется нелинейная функция жесткости в контакте и глубина модуляции жесткости упругого взаимодействия, идентифицируются параметры расчетной динамической схемы, выполняется построение уравнения Матье и представление его в параметрах диаграммы Айнса-Стретта, анализируются области устойчивости колебаний, определяется требуемое значение параметра глубины модуляции жесткости, обеспечивающего расширение областей устойчивости или полное исключение возможности возникновения параметрических резонансных колебаний с учетом влияния диссипативных сил. Далее для реализации результатов в конструкцию траков дополнительно вводятся выступы или скосы различной формы. Вариант конструкции трака, обеспечивающий минимальное расстояние между плицей и проушиной трака, дополнительно снабженный выступами у правого полутрака от передней проушины, у левого полутрака от задней проушины, что позволило обеспечить необходимое перекрытие смежных траков в зазоре типа «зигзаг» и исключить их натыкания друг на друга при движении вокруг ведущего колеса. При этом достигнуто значение параметров глубины модуляции =0,01 при прочих равных условиях. Данный вариант конструкции ходовой части обеспечивает полное исключение возбуждения параметрических резонансных колебаний, что создает предпосылки снижения динамической и тепловой нагруженности элементов ходовой части гусеничной машины. 8 ил.

Ходовая часть гусеничной машины, оснащенной гусеницей с параллельным шарниром, в которой звенья траков в продольном направлении выполнены асимметричными путем дополнительно введенных выступов, при этом звенья одного трака смещены в горизонтальной плоскости на некоторую величину, обеспечивая зазор между звеньями смежных траков в форме «зигзаг», отличающаяся тем, что выступы траков имеют требуемую величину глубины модуляции жесткости упругого взаимодействия трака и опорного катка, которая определяется следующим образом: составляется расчетная динамическая схема взаимодействия шина опорного катка - беговая дорожка гусеницы, выполняется конечно-элементное моделирование перекатывания опорного катка вдоль беговой дорожки гусеницы, определяется нелинейная функция жесткости в контакте, идентифицируются параметры расчетной динамической схемы - определяется масса неподрессоренной части, включающей массу катка и связанных с ним деталей ходовой части, глубина модуляции жесткости упругого взаимодействия, выполняется построение уравнения Матье и представление его в параметрах диаграммы Айнса-Стретта, анализируются области устойчивости колебаний.