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

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

Supplementary files