Experimental verification of the reliability of the method of designing driving wheels of pin gearing with rubber-reinforced caterpillars

Abstract


The obvious advantages of rubber-reinforced caterpillars over tracks of other types make them indispensable for traction and transport vehicles for various purposes. Among other things, such caterpillars are distinguished by the possibility of their installation on the machine in place of metal caterpillars without a significant alteration of the design of chassis. Nevertheless, together with the replacement of the metal caterpillar with rubber reinforced in practice, it is also necessary to replace the existing driving wheel with a specially designed for rubber-reinforced caterpillar. This happens due to the fundamental differences in caterpillar designs and the features of their work. Until recently, there was no unified engineering method for designing the engagement of the driving wheel with the rubber-reinforced caterpillar. In one of the previous works, the authors developed a technique that takes into account the features of rubber-reinforced caterpillars. This article describes the experimental testing of this technique on the example of a specific machine - self-propelled tracked sprayer for agricultural purposes. Designed in accordance with the developed technique, prototypes of driving wheels in the self-propelled caterpillar sprayer passed a complex of factory tests, including static and dynamic phases. At the static phase of the tests, the input and output of the teeth of the drive wheels were checked from engagement during the assembly of the drive system of the chassis. During the dynamic phase, the reliability of the engagement has been checked at various driving regimes and loads of the self-propelled caterpillar sprayer. In addition, a study was made of the engagement in dynamics with the hung side of the chassis. Experimental studies have confirmed the reliability of the driving wheel samples, the reliability and adequacy of the developed methodology. The recommendations for further investigation of the pin gearing and refinement of the design methodology are given in the paper, including the creation of specialized bench equipment.

Full Text

Введение Совершенствование конструкции гусеничных ходовых систем остается актуальной задачей, учитывая возможность машин, оснащенных такими ходовыми системами, работать в специфических условиях. Применение конструкций резиноармированных гусениц (РАГ) в составе ходовых систем тяговых и транспортных машин, а также транспортно-технологических комплексов отвечает современным тенденциям развития сельскохозяйственного машиностроения и производства благодаря известным преимуществам [1-9], одним из которых является возможность их установки на машину без коренной переделки конструкции ходовых систем. Тем не менее, как показывает практика, разработку ведущих колес (ВК) необходимо осуществлять индивидуально под РАГ [4, 5, 9]. Это обусловлено конструктивными различиями РАГ с металлической гусеницей и повышенной нагруженностью венцов и зубьев ВК в случае применения РАГ в виду наличия продольной податливости последней, т.е. шаг РАГ при движении по дуге охвата изменяется, что вызывает дополнительное скольжение цевок закладных элементов (ЗЭ) по зубьям РАГ. Разработанная ранее методика проектирования ВК с выпуклым профилем зубьев цевочного зацепления с РАГ [9] позволяет построить надежное и работоспособное гусеничное зацепление. Она может быть использована при разработке гусеничных ходовых систем тяговых и транспортных машин различного назначения, в том числе и малогабаритных самоходных гусеничных шасси. В данной методике учтены следующие основные особенности конструкции РАГ: · перегиб РАГ происходит по ломанной линии, а не по дуге в виду наличия в конструкции ЗЭ; · РАГ имеет условные шарниры, в которых происходит ее перегиб; · элементом зацепления РАГ с ВК является цевка ЗЭ с участком армирующего силового слоя длиной в шаг РАГ. Методикой также определены геометрические параметры ВК применительно к РАГ, а также граничные условия и ограничения для их определения. Цель исследования Целью исследования является экспериментальная проверка достоверности и обоснованности разработанной методики проектирования ВК, а также ее отработка на примере конкретной машины - самоходного гусеничного опрыскивателя сельскохозяйственного назначения. Материалы и методы исследования Исследование гусеничного зацепления проводилось на самоходном опрыскивателе (рис. 1), разработанным в рамках научно-исследовательской работы [10]. Самоходный гусеничный опрыскиватель (СГО) является модификацией колесного опрыскивателя [11-14] и предназначен для внесения средств химизации при обработке низкорастущих сельскохозяйственных культур. Технические характеристики машины приведены в табл. 1. На данном этапе разработки СГО находится в рабочем состоянии в части шасси. Подключение элементов электрической и гидравлической систем СГО планируется на следующем этапе. Рис. 1. Самоходный гусеничный опрыскиватель Таблица 1 Технические характеристики СГО Габаритные размеры Д×Ш×В, мм 1600×1600×950 Максимальная скорость движения, км/ч 8,0 Эксплуатационная масса (не более), кг 400 Полная масса (с заправленным баком), кг 900 Суммарная мощность мотор-редукторов, кВт 6,0 Типоразмер РАГ 200×72×47 Максимальное давление на почву, кПа 55,2 Частота вращения вала на выходе из редуктора, мин-1 186 Крутящий момент, Н·м 153 Проектирование профиля зубьев ВК производилось в соответствии с зависимостями, приведенными в работе [9]. Оценка контактной и изгибной прочности зубьев ВК производилась в соответствии с известной методикой, изложенной в работах [1, 3]. Оптимизация конструкции ВК по массе проводилась в программной среде SW Simulation с применением метода конечных элементов. Проверка достоверности и обоснованности разработанной методики проектирования ВК осуществлялась путем изготовления опытных образцов ВК, их установкой в узел привода СГО и проведением заводских испытаний последнего на гладком бетонном покрытии. Заводские испытания включали два основных этапа: статический и динамический. При статических испытаниях осуществлялась проверка входа зубьев ВК в зацепление с РАГ и выхода из него при сборке ходовой системы. При динамических испытаниях осуществлялась проверка плавной и безударной работы зацепления при различных режимах движения СГО: · прямолинейное движение (вперед/назад); · повороты с различными радиусами, в том числе и вокруг центра масс СГО. Также более глубокое исследование работы зацепления в динамике осуществлялось при вывешенных бортах СГО. Результаты исследования и их обсуждение Профиль зубьев ВК, полученный в результате проектирования, представлен на рис. 2. Рис. 2. Профиль зубьев ВК, полученный в результате проектирования: RВП - радиус окружности впадин; RВСП - радиус вспомогательной окружности; RГ - радиус головок зубьев; RК0 - радиус центровой дуги; RП - радиус профильной дуги окружности зуба; - радиус цевки ЗЭ, отложенный из центра условного шарнира до поверхности цевки ЗЭ, соприкасающейся с дугой профиля зуба ВК; - радиус цевки ЗЭ, отложенный из центра условного шарнира до поверхности цевки ЗЭ, соприкасающейся с окружностью впадин ВК Исходя из условий прочности, в качестве основного материала принята сталь 09Г2С. Была произведена оптимизация конструкции ВК по массе за счет формирования спиц. Каждый образец ВК выполнен сварным и состоит из двух листовых заготовок. Зубчатый венец получен с помощью одной технологической операции - лазерной резки на координатном станке с числовым программным управлением. Изготовленные образцы ВК были установлены в узлы привода СГО (рис. 3). Рис. 3. Узел привода СГО: 1 - электродвигатель; 2 - червячный редуктор; 3 - подрамник; 4 - переходная ступица; 5 - вал привода; 6 - ВК В процессе сборки ходовой системы СГО и установки ВК выявлено, что зубья ВК свободно входят в цевочный проем РАГ и выходят из него без заеданий и заклинивания даже при максимальном охвате ВК РАГ. При этом профильные поверхности зубьев, находящихся в цевочных проемах, соприкасаются с поверхностями цевок ЗЭ без зазоров. Динамическими испытаниями при различных режимах движения (прямолинейное движение и поворот с различными радиусами, в том числе вокруг центра масс, разгон и торможение) и загрузки СГО (с тяговой нагрузкой от 0 до 3 кН) установлено, что зацепление работает надежно. Явных отказов при работе зацепления не выявлено. Однако следует отметить характерный металлический стук при работе зацепления и относительную вибрацию на малых скоростях. Это объясняется отсутствием приработки зацепления ВК и вновь изготовленной РАГ. Цевки ЗЭ вновь изготовленных РАГ имеют разные значения толщины слоя резинового облоя на поверхностях, контактирующих с профильными поверхностями зубьев ВК. Дополнительно было проведено исследование работы зацепления ВК с РАГ в динамике при вывешенном борте СГО (рис. 4). При этом отмечено, что уровень вибрации и шума (от металлического стука) существенно ниже, чем в процессе движения СГО по неровностям пути. С целью более полной оценки достоверности и обоснованности разработанной методики проектирования ВК в дальнейшем необходимо провести расширенные испытания СГО в реальных условиях эксплуатации. На данном этапе уже можно сказать о необходимости уточнения определения величины угла контакта φ (угла между касательной к профильной кривой зуба и прямой, соединяющей центры элемента зацепления РАГ с осью вращения ВК) для звездочек с различным числом зубьев. Для этого целесообразно создать стендовое оборудование, на котором зацепление ВК с РАГ можно исследоваться в вывешенном состоянии с целью исключения влияния составляющих вибрации при движении СГО по неровностям опорной поверхности с замером и дальнейшим анализом основных показателей вибрации. Рис. 4. Работа вывешенного борта ходовой системы СГО Более того, данное стендовое оборудование позволит проводить испытания перспективных конструкций гребневого, зубового и комбинированного зацепления ВК с РАГ. Выводы 1. Проведена разработка и изготовление натурных образцов ВК цевочного зацепления с РАГ по ранее созданной методике. 2. Проведены экспериментальные исследования в виде заводских статических и динамических испытаний гусеничного зацепления СГО, подтверждающие надежность работы натурных образцов ВК и, следовательно, достоверность и обоснованность разработанной методики проектирования ВК цевочного зацепления с РАГ. 3. Даны рекомендации для дальнейшего исследования цевочного зацепления ВК с РАГ, а также для доработки методики их проектирования. 4. Обоснована необходимость создания специализированного стендового оборудования для исследования параметров гусеничного зацепления различных типов.

About the authors

V. M Sharipov

Moscow Polytechnic University

Email: trak@mami.ru

Dr.Eng.

R. S Fedotkin

Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”


Ph.D.

V. A Kryuchkov

Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”


Ph.D.

K. A Bogdanov

Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”


P. I Volkov

Federal State Budget Scientific Institution “Federal Scientific Agroengineering Center VIM”


References

  1. Шарипов В.М. Конструирование и расчет тракторов. М.: Машиностроение, 2009. 752 с.
  2. Шарипов В.М., Апелинский Д.В., Арустамов Л.Х. и др. Тракторы. Конструкция / Под общ. ред. В.М. Шарипова. М.: Машиностроение, 2012. 790 с.
  3. Шарипов В.М., Дмитриева Л.А., Сергеев А.И., Шевелев А.С., Щетинин Ю.С. Проектирование ходовых систем тракторов. М.: МГТУ «МАМИ», 2006. 82 с.
  4. Федоткин Р.С. Расчетно-экспериментальные методы оценки нагруженности и долговечности резиноармированных гусениц сельскохозяйственных тракторов: дис. … канд. тех. наук. М., 2015. 204 с.
  5. Купрюнин Д.Г., Щельцын Н.А, Бейненсон В.Д., Федоткин Р.С., Белый И.Ф., Ревенко В.Ю. Экспериментальное исследование сравнительных показателей гусеничных движителей сельскохозяйственных тракторов // Известия МГТУ «МАМИ». 2016. № 3(29). С. 16-24.
  6. Федоткин Р.С., Бейненсон В.Д., Крючков В.А., Шарипов В.М., Щетинин Ю.С. Резиноармированные гусеницы сельскохозяйственных тракторов. Жесткость при растяжении и изгибе // Известия МГТУ «МАМИ». 2016, № 2(28). С. 32-38.
  7. Бейненсон В.Д., Федоткин Р.С., Крючков В.А., Алендеев Е.М., Купрюнин Д.Г. Пути повышения срока службы резиноармированных гусениц // Каучук и резина. 2015. № 6. С. 28-31.
  8. Beininson V.D., Fedotkin R.S., Kryuchkov V.A., Alendeev E.M., Kupryunin D.G. Ways of improving the service life of rubber-reinforced tracks // International polymer science and technology. 2016. № 5. Р. 28-31.
  9. Федоткин Р.С., Крючков В.А., Бейненсон В.Д., Парфенов В.Л. Методика проектирования ведущих колес цевочного зацепления с резиноармированными гусеницами тяговых и транспортных машин // Тракторы и сельхозмашины. 2017. № 3. С. 24-32.
  10. Годжаев З.А., Федоткин Р.С., Крючков В.А., Русанов А.В., Кузьмин В.А., Ерилина Е.В. Разработать конструкторскую документацию и макетный образец ходовой системы роботизированного самоходного шасси мощностью до 10 кВт: отчет о НИР. ФГБНУ ФНАЦ ВИМ. М., 2016. 96 с.
  11. Измайлов А.Ю., Годжаев З.А., Афанасьев Р.А. Перспективы роботизации агрохимических работ // Плодородие. 2016. № 5. С. 9-13.
  12. Измайлов А.Ю., Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Робототехнические средства для современного садоводства // Вестник мичуринского государственного аграрного университета. 2016. № 2. С. 131-138.
  13. Лобачевский Я.П., Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р.А., Кутырев А.И. Инновационная техника для машинных технологий в садоводстве // ИНФОРМАГРО-2016. Сборник докладов VIII Международной научно-практической конференции. М., 2016. С. 199-203.
  14. Филиппов Р.А., Хорт Д.О., Кутырев А.И. Робот-опрыскиватель для обработки растений земляники садовой // Конструирование, использование и надежность машин сельскохозяйственного назначения. 2017. № 1. С. 278-284.

Statistics

Views

Abstract - 15

PDF (Russian) - 2

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2017 Sharipov V.M., Fedotkin R.S., Kryuchkov V.A., Bogdanov K.A., Volkov P.I.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies