ДЕМПФИРОВАНИЕ В СИЛОВЫХ ПЕРЕДАЧАХ И ХОДОВЫХ СИСТЕМАХ ГУСЕНИЧНЫХ ТРАКТОРОВ
- Авторы: Годжаев З.А.1, Шеховцов В.В.2, Потапов П.В.2, Ляшенко М.В.2, Искалиев А.И.2, Долотов А.А.3
-
Учреждения:
- Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
- Волгоградский государственный технический университет
- ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
- Раздел: Теория, конструирование, испытания
- Статья получена: 16.09.2024
- Статья одобрена: 14.06.2025
- Статья опубликована: 22.06.2025
- URL: https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/636113
- DOI: https://doi.org/10.17816/0321-4443-636113
- ID: 636113
Цитировать
Полный текст



Аннотация
В статье рассмотрены вопросы влияния демпфирования на динамическую нагруженность узлов силовой передачи и ходовой системы гусеничного трактора в эксплуатации. Проанализированы подходы зарубежных и отечественных ученых к возможности расчетной оценки демпфирующих свойств материалов, в том числе теория вязкого сопротивления Максвелла, теория вязкого трения Кельвина-Фойгта, теория наследственности Больцмана-Вольтерра и другие, а также теории отечественных ученых Давиденкова Н. Н., Пановко Я. Г. и Сорокина Е. С. об учете роли микропластических деформаций в механизме рассеивания энергии при колебаниях. Рассмотрено влияние на демпфирующие способности образцов материалов из конструкционных и специальных сталей их размеров, температуры и способов термообработки. Приведены результаты оценки демпфирующих способностей элементов конструкций, таких, как шлицевые и шпоночные соединения, шариковые и роликовые подшипники – при конструкционном демпфировании. Рассмотрены методики расчетной оценки параметров демпфирования в силовых передачах, предложенные зарубежными и отечественными авторами. Приведена классификация демпфирующих устройств, используемых в ходовых системах и силовых передачах колесных и гусеничных машин. Рассмотрены конструкции типовых представителей пассивных и активных демпферов, которые используются для снижения динамической нагруженности деталей в системах подрессоривания и в силовой цепи машины. Приведено описание предложенного и запатентованного авторами технического решения активного адаптивного демпфера, обладающего высокой эффективностью при динамических воздействиях с широким эксплуатационным спектром частот и диапазоном амплитуд.
Полный текст
Обоснование
Во время эксплуатации детали основных узлов и агрегатов тракторов испытывают нагрузки динамического характера. Особенно интенсивным динамическим нагрузкам подвержены детали силовой передачи и ходовой системы.
Детали силовой передачи испытывают динамические нагрузки со стороны двигателя – высокочастотные от гармонических составляющих крутящего момента, низкочастотные от колебаний двигателя на подвеске и от изменения режимов его работы при управляющих воздействиях оператора. Со стороны ведущих колес на силовую передачу во время эксплуатации воздействует целая совокупность переменных нагрузок, причинами возникновения которых являются изменения направления, скорости и тягового сопротивления движению, вертикальные, продольные и поперечные колебания машины на подвеске, а также воздействия от перемотки звенчатой гусеницы [1-9]. К этому добавляются периодические управляющие воздействия оператора при переключениях передач, торможениях, разгонах и поворотах. Вследствие этого в валопроводе силовой передачи трактора формируется сложная картина крутильных и изгибных колебаний. При этом в материале деталей возникают дополнительные напряжения, величина которых бывает сравнима с напряжениями от передаваемого крутящего момента, поэтому появляются и накапливаются усталостные повреждения, которые в итоге могут привести к потере прочности, отказам и поломкам. Плюс к тому динамическая нагруженность деталей является причиной повышенной шумо-виброактивности передачи, что отрицательно влияет на здоровье оператора и работоспособность других узлов и агрегатов трактора [10-16].
В ходовых системах гусеничных тракторов динамическое нагружение деталей интенсивно проявляется из-за особенностей управления направлением их движения, когда одна гусеница замедляется или останавливается и при повороте сгребает грунтозацепами слой находящейся под ней почвы. При этом динамическим нагрузкам подвергаются и детали гусеницы, и опорные катки, и направляющее и ведущее колеса.
При перемотке звенчатой гусеничной цепи динамические нагрузки ударного характера имеют место во время первичного контакта очередного звена с зубом ведущего колеса и в процессе укладки этого звена на ведущее колесо, а также при укладке звеньев на направляющее колесо.
Нижняя ветвь гусеницы не представляет собой идеально ровной поверхности – опорные катки перемещаются по сравнительно гладкой поверхности беговых дорожек звеньев, но между звеньями имеются некоторые зазоры, переход через которые вызывает импульсные динамические нагрузки. При движении по пересеченной местности гусеничная цепь огибает неровности поверхности, опорные катки вместе с участками гусеничной цепи перемещаются по вертикали и горизонтали при срабатывании подвески, что также вызывает дополнительную динамическую нагруженность деталей и ходовой системы, и подвески.
Шарниры звеньев верхнего участка гусеничной цепи подвергаются динамическим нагрузкам при поперечных колебаниях звеньев во время их перемещения от ведущего колеса к направляющему. Динамические нагрузки испытывают также направляющее колесо и поддерживающие ролики во время контактов со звеньями во время перемотки.
Особенно интенсивным динамическим нагрузкам подвергаются детали ведущего участка гусеницы в ходовых системах с задним приводом. При выходе очередного звена нижней ветви гусеницы из-под заднего опорного катка это звено включается в состав ведущего участка, нагруженного усилием от ведущего колеса. При этом длина ведущего участка практически мгновенно увеличивается на длину этого звена, что вызывает поперечные колебания этого участка с динамическим нагружением звеньев и их шарниров. Рядом исследователей показано, что значение коэффициента динамичности нагрузок на этом участке обычно составляет 3 и более, при этом дополнительные напряжения в звеньях и их сопряжениях увеличиваются в соответствующее число раз.
Совокупность динамических нагрузок деталей ходовой системы и подвески трактора включает в себя нагрузки с не менее широким спектром частот, чем нагрузки в силовой передаче, но с более широким диапазоном их амплитуд. Для обеспечения расчетной надежности машины, в том числе долговечности, конструкторы вынуждены закладывать соответствующие запасы прочности деталей, что вызывает увеличение металлоемкости машины и влияет на ее потребительские качества, показатели эффективности, экономичности и экологичности.
Снижение уровня динамической нагруженности деталей силовой передачи и ходовой системы обеспечивается за счет использования в конструкциях машин упругих и демпфирующих элементов. При этом важным является знание о том, как влияют разные виды демпфирования на снижение нагруженности деталей при циклических нагрузках, какие способы определения демпфирующих параметров материалов и элементов конструкций предложены разными авторами. Актуальной технической задачей является разработка активных демпфирующих устройств, упруго-диссипативные свойства которых адаптивно изменяются в зависимости от характера динамических воздействий, в соответствии с этим в статье приведено описание предложенного авторами технического решения такого адаптивного демпфера.
Цель работы: анализ демпфирующих свойств конструкционных материалов, используемых конструкций пассивных и активных демпферов, разработка технического решения активного адаптивного демпфера.
Материалы и методы
1. Демпфирование колебаний в силовой передаче
1.1. Гипотезы о механизмах демпфирования
Демпфирующая способность материала играет большую роль в динамическом поведении конструкции. Она определяет степень поглощения (рассеивания) энергии как собственных, так и вынужденных колебаний ее элементов, а вследствие этого степень снижения их динамической нагруженности.
Всем без исключения реальным материалам при нагружении присуще рассеяние энергии. Потери энергии вызываются силами неупругого сопротивления – диссипативными силами, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется подводимая энергия. Для теоретического описания этих процессов созданы теории, объясняющие суть протекающих в материале физических процессов.
Одно из направлений изучения внутреннего трения связано с учетом временнόго фактора и созданием теории сплошной среды наследственного вида. Здесь зарубежными учеными предложен ряд теорий – теория вязкого сопротивления Максвелла, теория вязкого трения Кельвина-Фойгта, теория наследственности Больцмана-Вольтерра и другие [17].
Другое направление учитывает роль микропластических деформаций в механизме рассеивания энергии при колебаниях [18]. Такова гипотеза упругого гистерезиса отечественного ученого Давиденкова Н. Н. [19], по которой зависимость напряжения от деформации при повторном нагружении является степенной функцией, определяемой амплитудой деформации, а не скоростью. Гипотеза подтверждена опытными данными для ряда конструкционных материалов и явилась основой для создания более простых прикладных теорий внутреннего трения, из которых наибольшее распространение имеет теория Я. Г. Пановко [20].
Сорокиным Е. С. дано комплексное представление для связи между напряжением и деформацией при циклическом нагружении, когда неупругая циклическая деформация отстает по фазе от упругой на 90о [21]. Для петли гистерезиса гипотеза Е. С. Сорокина дает эллиптическую зависимость, что удобно в расчетах.
1.2. Факторы, влияющие на демпфирующую способность материала
Оценке демпфирующей способности материалов посвящено множество работ отечественных и зарубежных исследователей. Тем не менее, механизм поглощения энергии до сих пор остается в центре внимания исследователей, так как появляются новые материалы с неизученными свойствами.
Детали силовой передачи и ходовой системы трактора изготавливают из конструкционных и специальных сталей. Практические исследования показывают, что демпфирующие способности материалов этих деталей не являются постоянными и зависят от ряда факторов.
Демпфирующую способность материала возможно оценивать при помощи логарифмического декремента δ – показателя скорости затухания колебаний. При установившихся вынужденных колебаниях его величина может быть определена через коэффициент поглощения ψ
, (1)
где Епогл – поглощенная энергия, Епот – потенциальная энергия.
Практические исследования, выполненные на образцах из конструкционной стали, показали [18], что в области высоких циклических напряжений при кручении рассеяние энергии существенно зависит от диаметра цилиндрического образца, например, цилиндрических образцов из стали 50 (рис. 1), особенно в области напряжений свыше 6 кгс/мм2.
Рис. 1. Зависимости логарифмического декремента от касательного напряжения: 1 – диаметр образца 10 мм; 2 – 20 мм; 3 – 30 мм; 4 – 40 мм; 5 – 50 мм
Fig. 1. Dependence of logarithmic decrement on shear stress: 1 – sample diameter 10 mm; 2 – 20 mm; 3 – 30 mm; 4 – 40 mm; 5 – 5- mm
Рис. 2. Зависимость логарифмического декремента от касательного напряжения: 1 – после нормализации; 2 – после закалки
Fig. 2. Dependence of logarithmic decrement on shear stress: 1 – after normalization; 2 – after hardening
Рис. 3. Зависимости логарифмического декремента от температуры: 1 – из стали У10А после закалки; 2 – после отпуска; 3 – из стали У7А после закалки; 4 –после отпуска
Fig. 3. Dependence of the logarithmic decrement on temperature: 1 – from U10A steel after hardening; 2 – after tempering; 3 – from U7A steel after hardening; 4 – after tempering
Установлено также [18], что при крутильных колебаниях демпфирующие способности образцов, выполненных из одного и того же материала, например, трубчатых образцов из стали 45, зависят от способа его термообработки (рис. 2). В диапазонах напряжений от 6 кгс/мм2 и выше различие достигает 20 %.
Демпфирующие способности материалов зависят также от температуры. Так, на рис. 3 приведены зависимости [18] изменения логарифмического декремента при крутильных колебаниях сплошных круглых образцов (напряжения τ = 17 кг/мм2) из специальных сталей в диапазоне температур от 0 до 400 оС. Как можно заметить, демпфирующая способность, например, образца из стали У7А после закалки (зависимость 3 на графике) в этом диапазоне температур изменяется практически в полтора раза.
Как известно, значение логарифмического декремента определяется по формуле
, (2)
где А1 – предыдущая, А2 – последующая амплитуда затухающих колебаний.
Рассмотрение приведенных экспериментальных данных свидетельствует о том, что значения логарифмического декремента δ в пределах изменения касательных напряжений от 0 до 6 кгс/мм2 составляют от 0,002 до 0,012, соответственно значения коэффициента поглощения ψ изменяются от 0,004 до 0,024, то есть поглощается от 0,4 % до 2,4 % подводимой колебательной энергии, и даже в самых экстремальных из рассмотренных случаев нагружения (см. рис. 1) значение логарифмического декремента δ достигает 0,06 при τ = 10 кг/мм2, а ψ будет равен 0,12.
Таким образом, в подавляющем числе случаев нагружения внутреннее демпфирование колебаний в материале деталей оказывает малое, а часто совсем незначительное влияние на процесс поглощения колебательной энергии.
1.3. Поглощение энергии колебаний при конструкционном демпфировании
При колебаниях деталей силовых передач и ходовых систем тракторов энергетические потери происходят не только в результате внутреннего трения в материале нагружаемых деталей, но также и в результате так называемого конструкционного демпфирования. Эти потери происходят из-за трения в кинематических парах, а также в соединениях типа прессовых, шлицевых, резьбовых, заклепочных и т. п. Хотя такие соединения принято называть неподвижными, в действительности при их нагружении неизбежно возникают малые проскальзывания по контактным поверхностям и на соответствующих относительных перемещениях силы трения совершают работу.
Чаще всего надежные оценки рассеяния энергии при конструкционном демпфировании могут быть получены только экспериментальным путем. В работах [20, 22, 23] постулируется экспериментально установленный фундаментальный факт: энергия, рассеиваемая за один период колебаний в единице объема материала, зависит только от амплитудного значения деформации и не зависит от частоты нагружения.
В работе [23] приведены значения коэффициентов поглощения в шлицевых и шпоночных соединениях при крутильных колебаниях. Исследования выполнены на примере соединений со следующими параметрами: шпоночное соединение Ø50 мм на длине 50 мм, шпонка 12х8х40 мм, шестишлицевое неподвижное соединение Ø46хØ53х12 мм. Получены коэффициенты поглощения: в шпоночном соединении 0,004-0,008; в шлицевом соединении 0,010-0,012. То есть поглощение энергии при этих взаимных относительных микроперемещениях в соединениях еще меньше (максимум – 1,2 %), чем при внутреннем демпфировании в материале деталей.
Приведены также результаты определения коэффициентов поглощения в подшипниках качения при изгибных колебаниях валов с диаметрами от 45 до 70 мм (см. табл. 1).
Таблица 1. Коэффициенты поглощения в подшипниках
Table 1. Absorption coefficients in bearings
Тип подшипника | ψ |
Радиальный: однорядный, по одному в опоре однорядный, по два в опоре двухрядный сферический |
0,17-0,24 0,29-0,42 0,21-0,30 |
Роликовый: цилиндрический конический двухрядный цилиндрический |
0,24-0,45 0,31-0,43 0,29-0,37 |
Шариковый радиальный и упорный | 0,47-0,60 |
Следовательно, как следует из данных таблицы 1, коэффициент поглощения радиального подшипника может иметь значения от 0,17 до 0,30, то есть при 0,17 отношение амплитуд (2) должно быть равно 1,09 – невысокая скорость затухания, а при 0,30 должно быть 1,16 – более высокая скорость затухания. Для шарикового радиального упорного подшипника при невысокой скорости затухания отношение амплитуд 1,28, при более высокой – 1,35, и его демпфирующие способности выше, чем у предыдущих.
Таким образом, демпфирующие способности подшипниковых узлов существенно более высокие по сравнению с внутренним демпфированием в материале деталей и демпфированием в шлицевых и шпоночных соединениях.
2. Расчетные методики оценки параметров демпфирования в силовой передаче
Силовая передача трактора включает в себя совокупность узлов, передающих и трансформирующих крутящий момент двигателя. Типовыми деталями механических силовых передач являются валы, оси, подшипники, зубчатые передачи, различные муфты, а также фрикционные, гидравлические и иные механизмы. В эксплуатации в их деталях имеют место и внутреннее, и конструкционное демпфирование, а также потери энергии во время всех видов сухого и вязкостного трения при силовых взаимодействиях. Математически точно описать процессы поглощения или рассеяния энергии в каждой детали передачи не представляется возможным, поэтому предложено несколько упрощающих и обобщающих эти процессы методик расчетного определения демпфирующих параметров на ее участках.
В работе [23] показано, что при вязком демпфировании коэффициент поглощения ψ является функцией частоты, при сухом трении – амплитуды колебаний, а в общем случае зависит и от частоты, и от амплитуды. Для описания диссипативных сил используют характеристики, представляющие зависимость диссипативной силы от скорости движения масс колебательной системы или от скорости деформации упругого элемента. При малых виброскоростях диссипативные силы пропорциональны скорости, при больших имеет место квадратичная зависимость.
В соответствии с методикой, предложенной в работе [24], посвященной синтезу разветвленных силовых передач, коэффициент демпфирования колебаний на участках силовой цепи может быть определен из следующих допущений:
- демпфирование пропорционально крутильной жесткости, тогда
ki, (3)
где ki – значение коэффициента демпфирования; Ci – значение крутильной жесткости; λ – коэффициент пропорциональности, выбирается из диапазона 0 < λ < , где – максимальное значение частоты;
- демпфирование пропорционально моменту инерции массы, и тогда
, (4)
где h – коэффициент пропорциональности, выбирается из диапазона 0 < h < , где – минимальное значение частоты, Ii – значение момента инерции i-той массы.
В работе [25], посвященной анализу динамики силовых передач металлообрабатывающих станков, показано, что демпфирование в каждом материале зависит от временных характеристик происходящего в материале колебательного процесса, и, подобно (3), утверждается, что при этом коэффициенты демпфирования на каждом участке можно определять на основе значений их крутильной жесткости по зависимости, в которой вместо коэффициента λ предложен коэффициент Т:
, (5)
где (Н·с/м) – коэффициент демпфирования колебаний на i –том участке; Т (с) – так называемая «временная постоянная» – эмпирически определяемый для разных материалов коэффициент пропорциональности; (Н·м/рад) – крутильная жесткость участка.
В таблице 2 приведены определенные автором значения коэффициента Т для разных конструкционных материалов.
Таблица 2. Значения коэффициента Т для материалов
Table 2. Values of coefficient T for various materials
Материал | Значение Т |
Сталь 3 | 10·10–6 |
Сталь 45 | 25,3·10–6 |
Сталь 37ХН3А | 11,2·10–6 |
Серый чугун | 324·10–6 |
Самый подробный анализ процессов демпфирования в силовой передаче именно трактора выполнен Свитачевым А.И., результаты которого представлены в работе [26]. По утверждению автора, «…в динамической модели трактора силы неупругого сопротивления полагают пропорциональными скоростям относительного перемещения масс, поэтому при случайных воздействиях на агрегат коэффициенты демпфирования должны изменяться по всему спектру частот колебаний. Для этого демпфирующие параметры целесообразно оценивать по логарифмическому декременту δ, который связан с коэффициентом демпфирования для k-го участка силовой передачи выражением
; (6)
где – эффективная частота колебательного процесса; – декремент затухания на k-том участке силовой передачи».
Автором экспериментально (по затухающим колебаниям) определены значения обобщенного декремента затухания δ в силовой передаче трактора-бульдозера ТТ-4М с двумя уровнями удельной энергонасыщенности – 7,1 кВт/т и 10,0 кВт/т – на разных передачах (табл. 3). Также в работе приведены экспериментальные данные по анализу демпфирования в ходовой системе, в соответствии с которыми логарифмический декремент изменяется в ней в диапазоне значений от 0,35 до 1,35 в зависимости от режима работы тракторного агрегата.
Таблица 3. Значения обобщенного логарифмического декремента δ
Table 3. The values of the generalized logarithmic decrement δ
Удельная энергонасыщенность, кВт/т | Значения обобщенного логарифмического декремента δ | |||
Номер передачи | ||||
I | II | III | IV | |
7,1 | 0,59-0,88 | 0,56-1,02 | 0,55-1,09 | 0,74-1,2 |
10,0 | 0,63-1,11 | 0,69-1,38 | 0,78-1,49 | 1,01-1,60 |
Как видно, с ростом удельной энергонасыщенности трактора и номера включенной передачи демпфирование увеличивается. Таким образом, экспериментально подтверждена зависимость (6) демпфирующих параметров в силовой цепи от частоты колебательных процессов.
- Использование демпферов в силовой передаче и подвеске
В связи с тем, что при внутреннем и конструкционном демпфировании поглощается только незначительная часть вредной колебательной энергии, для снижения динамической нагруженности как в силовых передачах, так и в подвесках тракторов используются демпферы, то есть специальные устройства, предназначенные для поглощения и рассеяния колебательной энергии. Отечественными и зарубежными авторами предложено множество технических решений демпферов, в которых использованы различные механизмы демпфирования. В общем случае демпфер представляет собой упругодемпфирующее устройство, в состав которого входят (рис. 4) и упругие (металлические или неметаллические, гидравлические или пневматические, электромагнитные или пластические) элементы в разных сочетаниях, и демпфирующие элементы, использующие разные механизмы поглощения энергии.
3.1. Демпфирующие устройства в силовых передачах и системах подрессоривания
В системах подрессоривания корпусов агрегатов силовой передачи трактора – двигателя с муфтой сцепления, радиатора, коробки передач с раздаточной коробкой – используются пассивные демпферы с нерегулируемыми упругодемпфирующими характеристиками. По конструкции это резинометаллические устройства. Они снижают амплитуды передаваемых на раму во время работы динамических нагрузок, а также компенсируют возможные перекосы рамы.
Резинометаллические демпферы обладают следующими достоинствами:
– невысокая стоимость;
– простота конструкции и технологии изготовления;
– отсутствие необходимости обслуживания;
– достаточно высокая эффективность при высоко- и среднечастотных нагрузках.
Но им присущи и следующие недостатки:
– зависимость упруго-диссипативных характеристик от температуры и времени эксплуатации («старение» резины);
– недостаточная эффективность гашения низкочастотных нагрузок.
Чтобы такие демпферы могли гасить колебательные нагрузки с более широким спектром частот, применяются конструкции, в разных объемах которых использованы эластомеры с разной жесткостью, примером может служить верхняя опора амортизаторной стойки из подвески типа МакФерсон.
Рис. 4. Классификация демпферов
Fig. 4. Classification of vibration dampers
Для снижения динамической нагруженности силовой передачи тракторов от крутильных колебаний используется множество устройств – упругих муфт с металлическими и неметаллическими упругодемпфирующими элементами: втулочно-пальцевые, с торообразным упругим элементом, со звездообразным упругим элементом, с упругими металлическими пластинами, со змеевидной пружиной; фрикционных, жидкостных и комбинированных демпферов, , а также динамических демпферов, обеспечивающих отстройку от резонанса.
В подвеске остова тракторов используются традиционные упругодемпфирующие устройства на основе пружин, рессор и торсионов, на современных машинах – пневматические, гидравлические и гидропневматические упругодемпфирующие устройства. В рессорных устройствах поглощение колебательной энергии осуществляется за счет межлистового трения; в пружинных и торсионных оно осуществляется только за счет внутреннего и конструкционного трения, поэтому обычно параллельно с этими устройствами в подвеску устанавливают гидравлические, газовые или газомасляные амортизаторы. Так, в работе [27] приведены результаты определения величины коэффициента демпфирования гидравлического амортизатора в подвеске гусеничного трактора, его величина составила 13,77 кН·с/м, что свидетельствует о высокой эффективности поглощения колебательной энергии.
Конструкции пружинных, рессорных, торсионных подвесок общеизвестны, известны также конструкции пневматических, гидравлических и гидропневматических амортизаторов, поэтому они здесь рассматриваться не будут.
Результаты
В конструкциях современных грузовых автомобилей широко используются пневматические и гидропневматические подвески. Их достоинствами являются нелинейная упругодемпфирующая характеристика и возможность вручную или автоматически изменять эту характеристику в соответствии с режимом движения. Такие подвески используются в конструкциях тракторов ведущих европейских, азиатских и американских производителей. На отечественных тракторах такие системы подрессоривания пока не нашли распространения, хотя в них существует настоятельная потребность, так как тракторы практически постоянно работают в условиях передвижения по пересеченной местности со сложным рельефом поверхности. Ниже приводится описание предложенного и запатентованного авторами технического решения [28] демпфирующего устройства, которое при соответствующей конструктивной проработке возможно использовать в подвеске тракторов. Его достоинством является автоматическое адаптивное изменение упругодемпфирующей характеристики в соответствии с характером воздействий со стороны ходовой системы.
Анализ современных практических технических решений демпферов, используемых в подвесках для снижения динамической нагруженности деталей ходовых систем тракторов, свидетельствует о том, что наилучшими являются решения, обеспечивающие автоматическое (без участия оператора) изменение характеристик демпфирования с адаптивным приспособлением к характеру воздействующих нагрузок, то есть их автоподстройку. Анализ показал, что используемые в подвесках технические решения с механическими и гидравлическими гасящими устройствами не обеспечивают защиту подрессориваемого объекта при динамических воздействиях во всем спектре частот и диапазоне амплитуд. Для того, чтобы демпфирующее устройство, помимо реагирования на низкочастотные, успевало реагировать и на воздействия со средними и высокими частотами, необходима по возможности малая инерционность его исполнительных механизмов. Подобную возможность обеспечивают устройства, в упругодемпфирующем механизме которых используются и жидкость, и газ.
Адаптивный демпфер (рис. 5) содержит корпус 1 с цилиндрической полостью 2, в которой установлен поршень 3 со штоком 4 с образованием двух рабочих камер переменного объема 5 и 6. Рабочие камеры 5 и 6 заполнены жидкостью и посредством патрубков 7 и 8 соединены с двумя компенсационными камерами 9 и 10. В этих камерах расположены поршни 11 и 12, разделяющие полости с жидкостью 13 и 14 и с газом 15 и 16. Полости с газом 15 и 16 сообщены между собой с помощью пневмомагистралей 17 и 18 через соединенные параллельно управляемый дроссель переменного сечения 19, пневмодвигатели 20 и 21, соединенные с электрическими генераторами 22 и 23 посредством муфт свободного хода 24 и 25 (рис. 6), и обратные клапаны 26 и 27 (рис. 6). Управляемый дроссель переменного сечения 19 связан с системой управления (на схеме не показана). Обратные клапаны 26 и 27 установлены на входах пневмодвигателей 20 и 21 таким образом, чтобы обеспечивать разнонаправленный поток газа на ходах сжатия и отбоя.
Рис. 5. Схема устройства адаптивного демпфера
Fig. 5. Scheme of the adaptive vibration damper device
Адаптивный демпфер работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршня 3 (рис. 5) усилие неупругого сопротивления устройства складывается из сил сухого трения поршня 3 в корпусе 1 и поршней 11 и 12 в компенсационных камерах 9 и 10, сил трения жидкости в гидравлических патрубках 7 и 8, усилий местных сопротивлений перетеканию газа в пневмомагистралях 17 и 18, в дросселе 19 и обратных клапанах 26 и 27 при их открытии, а также из усилий в приводе пневмодвигателей 20, 21 и сопротивлений, создаваемых генераторами 22 и 23 (рис. 6). Кроме того, на ходах сжатия и отбоя дополнительно к этому добавляются силы тяжести поршней 11 и 12 (рис. 5).
|
|
Рис. 6. Схема соединения пневмодвигателей с электрическими генераторами посредством муфт свободного хода Fig.6. Connection diagram of pneumatic motors with electric generators via overrunning clutch
| Рис. 7. Область регулирования характеристики демпфера Fig. 7. Regulatory area damper characteristics
|
На ходе сжатия при движении вниз поршня 3 (рис. 5) жидкость под его давлением поступает из рабочей камеры 6 через патрубок 8 в полость 14 компенсационной камеры 10. Создается перепад давления между полостями с жидкостью 14 и с газом 16, что вызывает перемещение поршня 12 вверх и сжатие газа в полости 16. Одновременно жидкость поступает из полости 13 через патрубок 7 в рабочую камеру 5. Создается перепад давления между полостями 13 и 15, что вызывает перемещение поршня 11. Это приводит к расширению газа в полости 15. Под действием возникающего перепада давления газа создаются условия по его перетеканию из полости 16 в полость 15 через пневмомагистрали 17 и 18 и соединенные параллельно дроссель 19 и обратный клапан 27, установленный на входе пневмодвигателя 20. Регулирование расхода газа через дроссель 19 и пневмодвигатель 20 может осуществляться независимо, т.е. одновременно или разновременно в зависимости от внешних возмущений.
На ходе отбоя при движении вверх поршня 3 (рис. 5) жидкость под его давлением поступает из рабочей камеры 5 через патрубок 7 в полость 13. Создается перепад давления между полостями с жидкостью 13 и с газом 15, что вызывает перемещение поршня 11 вверх и сжатие газа в полости 15. Одновременно жидкость поступает из полости 14 через патрубок 8 в рабочую камеру 6. Создается перепад давления между полостями 14 и 16, что вызывает перемещение поршня 12 вниз. Это приводит к расширению газа в полости 16. Под действием возникшего перепада давления газа создаются условия по его перетеканию из полости 15 в полость 16 через пневмомагистрали 17 и 18 и соединенные параллельно дроссель 19 и обратный клапан 26, установленный на входе пневмодвигателя 21.
Муфты свободного хода 24 и 25 (рис. 8), посредством которых пневмодвигатели 20 и 21 соединяются с электрическими генераторами 22 и 23, при изменении направления газовых потоков, проходящих через пневмодвигатели 20 и 21, отключают передачу нагрузки от генераторов 22 и 23.
За счет сжимаемости и упругости газа, а также малой инерционности механизма изменения упруго-диссипативной характеристики обеспечивается высокая эффективность демпфера при динамических воздействиях с широким эксплуатационным спектром частот и диапазоном амплитуд (рис. 7).
Заключение
- За счет внутреннего трения в материале деталей силовых передач и ходовых систем гусеничных тракторов во время эксплуатации осуществляется поглощение крайне незначительной части вредной колебательной энергии (до 2,4 %), что не оказывает заметного влияния на снижение динамической нагруженности деталей.
- При конструкционном демпфировании поглощение энергии при взаимных относительных микроперемещениях в соединениях деталей еще меньше, чем при внутреннем демпфировании в материале (максимум – 1,2 %), что также не обеспечивает эффективного снижения динамической нагруженности деталей.
- Наиболее эффективно снижение динамической нагруженности деталей обеспечивается применением специальных устройств для поглощения, гашения или рассеяния колебательной энергии – фрикционных, жидкостных, динамических и комбинированных демпферов, обладающих способностью поглощать большую часть (до 70-80 %) колебательной энергии.
- Наилучшими являются технические решения демпфирующих устройств, обеспечивающие автоматическое (без участия оператора) изменение характеристик демпфирования с адаптивным приспособлением к характеру действующих нагрузок.
- Предложено техническое решение активного демпфера для использования в подвеске остова трактора, обеспечивающего автоматическое адаптивное изменение упругодемпфирующей характеристики подвески в соответствии с характером воздействий со стороны ходовой системы в широком эксплуатационном спектре частот и диапазоне амплитуд.
Об авторах
Захид Адыгезалович Годжаев
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ
Email: fic51@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1665-3730
SPIN-код: 1892-8405
д-р техн. наук, чл.-корр. РАН, заместитель директора по инновационной и внедренческой деятельности
Россия, МоскваВиктор Викторович Шеховцов
Волгоградский государственный технический университет
Email: shehovtsov@vstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5207-8972
SPIN-код: 1173-2370
профессор, д-р тeхн. наук, профессор кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей»
Россия, ВолгоградПавел Викторович Потапов
Волгоградский государственный технический университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: paulflinx@gmail.com
ORCID iD: 0000-0001-6645-6033
SPIN-код: 7042-2560
Scopus Author ID: 56202170900
канд. техн. наук, доцент кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей»
Россия, ВолгоградМихаил Вольфредович Ляшенко
Волгоградский государственный технический университет
Email: tslmv@vstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4502-2900
SPIN-код: 4291-3348
профессор, д-p тeхн. наук, профессор кафедры «Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей»
Россия, ВолгоградАзамат Ибрагимович Искалиев
Волгоградский государственный технический университет
Email: ts@vstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-4054-5481
SPIN-код: 2709-6602
канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Теплотехника и гидравлика»
Россия, ВолгоградАлександр Александрович Долотов
ФГБОУ ВО «Волгоградский государственный технический университет» (ВолгГТУ)
Email: dolotov_aleks@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6011-4064
SPIN-код: 9497-0686
к.т.н., доцент кафедры "Техническая эксплуатация и ремонт автомобилей"
Волгоград, РоссияСписок литературы
- 1. Исследование динамической нагруженности участков силовой передачи тракто-ра Четра 6С-315 / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, И.А. Иванов, А.В. Калмыков // Изв. ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2012. – № 2. – C. 47-50.
- 2. Research of dynamic characteristics of Chetra-6С315 tractor’s power transmission / А.В. Калмыков, П.В. Потапов, В.В. Шеховцов, Е.В. Клементьев, Н.С. Соколов-Добрев // 31st Seminar of the Students’ Association for Mechanical Engineering, Warsaw, Poland, May 22nd – 25th, 2012: book of Abstracts / Military University of Technology, Faculty of Mechanical Engineering. – Warsaw, 2012. – P. 21–22.
- 3. Снижение динамической нагруженности трансмиссии трактора за счет ввода упругого реактивного звена / А.В. Калмыков, В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, М.В. Ляшенко // Известия ВолгГТУ. Серия "Наземные транспортные системы". Вып. 7: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. – Волгоград, 2013. – № 21 (124). – C. 24-28.
- 4. Крутильные колебания от основных эксплуатационных нагрузок в валопроводе силовой передачи трактора ВТ-100 / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2013. – № 7 (ч. 2). – C. 125-128.
- 5. Исследование динамических характеристик трансмиссии сельскохозяйственно-го трактора 6-ого тягового класса / Вл.П. Шевчук, В.В. Шеховцов, Е.В. Клементьев, Н.С. Соколов-Добрев, А.В. Калмыков // Современные наукоёмкие технологии. – 2013. – № 2. – C. 44-49.
- 6. Исследование динамических процессов в силовой передаче гусеничного трак-тора тягового класса 6 при повороте / А.В. Калмыков, В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, К.О. Долгов // Прогресс транспортных средств и систем – 2013: матер. междунар. науч.-практ. конф., Волгоград, 24-26 сент. 2013 г. / ВолгГТУ [и др.]. – Волгоград, 2013. – C. 161-162.
- 7. Динамическая нагруженность силовых элементов трансмиссии гусеничного трактора при эксплуатации в режиме "разгон – остановка" / Е.И. Тескер, В.В. Шеховцов, В.Ю. Тараненко, К.П. Подшивалин // Тракторы и сельхозмашины. – 2013. – № 8. – C. 21-23.
- 8. Влияние динамической связанности звеньев силовой цепи на характер распро-странения крутильных колебаний в валопроводе / В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Вл.П. Шевчук, Н.С. Соколов-Добрев, К.В. Шеховцов // Международный научно-исследовательский журнал. – 2013. – № 7 (ч. 2). – C. 128-131.
- 9. The Computational Research of the Dynamic Load of the Power Train Sites of the Caterpillar Tractor = Расчётные исследования динамической нагруженности участков си-ловой передачи гусеничного трактора / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, Вл.П. Шевчук, М.В. Ляшенко, А.В. Калмыков // The Archives of Automotive Engineering / Archiwum Motoryzacji. – 2013. – Vol. 60, No. 2. – C. парал.: 79-91 (англ.); 195-208 (рус.).
- 10. Перспективы использования упругого реактивного звена в силовой передаче трактора / А.В. Калмыков, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, Н.С. Соколов-Добрев, З.А. Годжаев // Тракторы и сельхозмашины. – 2014. – № 12. – C. 20-24.
- 11. Динамическая нагруженность силовой передачи трактора при изменении кру-тильной жёсткости реактивного звена / А.В. Калмыков, Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Ше-ховцов, М.В. Ляшенко // Технология колёсных и гусеничных машин. – 2014. – № 5. – C. 17-23.
- 12. Метод снижения динамической нагруженности силовой передачи гусеничного трактора / Н.С. Соколов-Добрев, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, А.В. Калмыков // Вест-ник машиностроения. – 2015. – № 6. – C. 6-10.
- 13. Исследование динамических характеристик сельскохозяйственных мобильных энергосредств с адаптивной ходовой системой / З. А. Годжаев, С. Е. Сенькевич, И. С. Ма-лахов [и др.] // XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023): материалы мультиконференции. В 4 т., Волгоград, 11–15 сентября 2023 го-да. Том 4. – Волгоград: Волгоградский государственный технический университет, 2023. – С. 48-50. – EDN KQRVIT.
- 14. Шеховцов, В.В. Анализ и синтез динамических параметров элементов силовых передач тягово-транспортных средств: учеб. пособ. (гриф). Доп. УМО вузов РФ по обра-зованию в области транспортных машин и транспортно-технологических комплексов / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, М.В. Ляшенко; ВолгГТУ. – Волгоград, 2016. – 140 с.
- 15. Шеховцов, В.В. Decreasing of the Dynamic Loading of Tractor Transmission by Means of Change of the Reactive Element Torsional Stiffness / В.В. Шеховцов, Н.С. Соколов-Добрев, П.В. Потапов // Procedia Engineering. Vol. 150: 2nd International Conference on In-dustrial Engineering (ICIE-2016) / ed. by A.A. Radionov. – [Elsevier publishing], 2016. – P. 1239-1244.
- 16. Снижение динамической нагруженности трансмиссии тягово-транспортного средства за счет элемента с управляемыми упруго-диссипативными свойствами / З.А. Годжаев, В.В. Шеховцов, М.В. Ляшенко, А.И. Искалиев, Шиян Я.Э. Энрикес // Фунда-ментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2021. – № 5 (349). – C. 157-164. – doi: 10.33979/2073-7408-2021-349-5-157-164.
- 17. Нашиф А., Джоунс Д., Хендерсон Дж. Демпфирование колебаний: Пер с англ. – М.: Мир, 1988. – 448 с.
- 18. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. Т. 6. Защита от вибрации и ударов / Под ред. К. Ф. Фролова. – М.: Машиностроение, 1981. – 456 с.
- 19. Давиденков Н.Н. О рассеянии энергии при вибрациях // Журн. техн. физики. – 1938 – Т. 8, № 6 – С. 15–21.
- 20. Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. – М.: Физма-тгиз, 1960 – 193 с.
- 21. Сорокин Е.С. К теории внутреннего трения при колебаниях упругих систем. М.: Акад. строит. и архит. СССР, 1960 – 132 с.
- 22. Коловский М.З. Нелинейная теория виброзащитных систем. – М.: Наука, 1966. – 317 с.
- 23. Вибрации в технике: справочник. В 6 т. / Ред. совет: В. Н. Челомей (пред.). – М.: Машиностроение, 1979 – Т. 2. Колебания нелинейных механических систем / Под ред. И. И. Блехмана. – 351 с.
- 24. Synteza rozgałęzionych układów napędowych z uwzglęnieniem tłumienia/ Tomasz Dzitkowski. – Modelowanie inżynierskie, num. 38, Gliwice, 2009. – S. 27-39. – Пер.загл.: [Синтез разветвленных силовых передач с учетом демпфирования]. – На пол. яз.
- 25. Dynamika obrabiarek / Krzysztof Marchelek. – Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1974. – 405 s.: rys. – Пер.загл.: [Динамика станков]. – На пол. яз.
- 26. Свитачев А.И. Совершенствование методов анализа и синтеза динамических свойств силовой передачи трактора: Дис. ... канд. техн. наук. – Красноярск, 1989.
- 27. Плищ, В. Н. Определение коэффициента демпфирования амортизатора подвес-ки гусеничною трактора / В. Н. Плищ // Наука - образованию, производству, экономике : материалы Девятой международной научно-технической конференции : в 4 т. / Белорус-ский национальный технический университет ; редкол.: Б. М. Хрусталев, Ф. А. Романюк, А. С. Калиниченко. – Минск : БНТУ, 2011. – Т. 2. – С. 32.
- 28. П. м. 217828 Российская Федерация, МПК B60G 13/14. Рекуперативный амор-тизатор / М.В. Ляшенко, В.В. Шеховцов, П.В. Потапов, А.И. Искалиев, П.О. Юровский, М.С. Яркина, М.В. Морсков; ФГБОУ ВО ВолгГТУ. – 2023.
Дополнительные файлы
