VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Опыт эксплуатации автотракторных поездов [1-3] показывает, что при прямолинейном движении тягача возникают поперечные колебания прицепа в горизонтальной плоскости (рис.1). Такие колебания увеличивают динамическую ширину поезда, способствуют его складыванию при торможении, увеличивают износ ходовой части тягача и прицепа, приводят к быстрому утомлению водителя и т.д. Для устранения поперечных колебаний (виляний) прицепа применяют различные стабилизирующие устройства.

Рис.1

Несмотря на имеющееся значительное число научно-исследовательских и конструкторских разработок, посвященных вышеизложенной тематике, на сегодняшний день нет универсальной методики расчета демпфирующих параметров гасителей колебаний, как и нет эффективной конструкции демпфера, устанавливаемого в место сцепа тягачей и прицепов, а так же других технических решений обеспечивающих продольную устойчивость движения многозвенных безрельсовых транспортных средств.

Учитывая указанные недостатки в ЕГУ имени И.А. Бунина на кафедре прикладной механики и инженерной графики, проводится бюджетная НИР на тему: «Динамика, прочность и надёжность транспортных, сельскохозяйственных и строительно-дорожных машин, а также промышленного стандартного и нестандартного оборудования применительно к Чернозёмному региону РФ», один из разделов которой направлен на совершенствование конструкции автотракторных поездов. Анализ многочисленных существующих конструкций демпфирующих устройств, устанавливаемых в место сцепа тягачей и прицепов, а также патентных и литературных источников позволил разработать перспективное техническое решение (RU2465166), обладающее в сравнении с известными простотой конструкции и повышенной эффективностью в условиях эксплуатации многозвенных автотракторных поездов.

На рис.2 показан общий вид прицепа сбоку, на рис.3 вид по стрелке А на его поворотный круг, на рис.4 и рис.5 части поворотного круга в разрезе в сечениях ВВ и СС рис.2 и на рис.6 укрупненный вид также части поворотного круга в разрезе.

Прицеп состоит из кузова 1 установленного на шасси 2, которое с помощью верхнего кольца поворотного круга 3 через шаровой погон 4 и нижнее кольцо поворотного круга 5 связанно с подкатной тележкой 6. Кверхнему кольцу поворотного круга 3 жестко присоединена криволинейной формы пустотелая оболочка 7 с телом сферической формы 8 снабженным каналами 9 и 10 переменного сечения. Тело сферической формы 8 жестко соединено с криволинейным стержнем 11, концы которого жестко присоединены с помощью болтов 12 и кронштейна 13 к нижнему кольцу поворотного круга 5. Криволинейной формы пустотелая оболочка 7 снабжена крышками 14 с уплотнительными кольцами 15 и заправлена рабочей жидкостью 16.

Рис.2

Рис.3 Рис.4 Рис.5 Рис.6

Работает прицеп следующим образом. При движении прицепа, например, в составе автотракторного поезда со скоростью V (рис.2) по ряду причин, как технических (износ ходовых частей прицепа, разница давления в шинах колес, неравномерное распределение груза в кузове и т.д.), так и эксплуатационных (неравномерность хода, резкое притормаживание, преодоление колесами микро и макро неровностей и т.д.) происходят его колебания виляния. При этом, подкатная тележка 6 получает, например, угловой поворот по стрелке Е. В этом случае нижнее кольцо поворотного круга 5 также получит угловой поворот относительно верхнего кольца поворотного круга 3 в этом же направлении, увлекая за собой криволинейный стержень 11 совместно с телом сферической формы 8 тоже по стрелке Е. Такое движение тела сферической формы 8, находящегося в объеме рабочей жидкости 16, способствует проникновению последней по стрелке F (рис.6) в канал 9 и она двигаясь по нему, за счет сужения его сечения, увеличивает свое давление и истекает по стрелкеК с большей скоростью, создавая тем самым реактивный вращающий момент Ткрна теле сферической формы 8 действующий по стрелке L. Но так как криволинейный стержень 11 выполнен из упругого материала, например, стали 65Г, то и он получит закрутку в этом же направлении. Следовательно, в гашении амплитуды виляния, в данный момент времени и создании силы сопротивления движению тела сферической формы 8 будет участвовать как рабочая жидкость 16, протекающая через канал 9 (по сути это дроссель), так и упругое сопротивление криволинейного стержня 11 работающего на чистое кручение. Следует отметить, что рабочая жидкость 16 может проникнуть и в канал 10 по стрелке М, но так как в этом случае (см. рис.6) диаметр отверстия очень мал, то последняя не окажет влияния на угловой поворот тела сферической формы 8 еще и по той причине, что она будет истекать по стрелке N, где канал 10 имеет горизонтальный участок, не создавая вращательного момента Ткр. Подобное явление будет происходить когда подкатная тележка 6 получит угловой поворот в направлении противоположном стрелке Е. Поэтому работа производимая устройством будет постоянно связана с гашением колебаний виляния прицепа и тем самым направленная на повышение устойчивости его движения.

Известно [3], что в дросселях, которые в нашем случае можно рассматривать как сопла, происходит непрерывное увеличение скорости v рабочей жидкости в направлении течения - от начального (обычно малого) значения v₀ во входном сечении сопла до наибольшей скорости v_c на выходе сопла. При движении по дросселю внутренняя энергия рабочей жидкости преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи, вектор силы реакции которой, направленная противоположно вектору скорости истечения и такая сила является окружной силой (тягой) вызывающей угловой поворот криволинейного стержня. В силу закона сохранения энергии одновременно с ростом скорости в дросселе происходит непрерывное падение давления и температуры их начальных значений р₀, Т ₀ во входном его сечении до наименьших значений р _c, Т _c в выходном. Для реализации течения в дросселе необходим некоторый перепад давления, т. е. выполнение условия .

Если считать движение рабочей жидкости по дросселю изоэнтропийным и стационарным и рассматривать средние по поперечному сечению S значения давления р, скорости v, плотности р и скорости звука с (одномерное приближение), то из уравнения Эйлера , где х координата направленная вдоль сопла, неразрывности уравнения и выражения скорости звука, можно получить уравнение вида , из которого видно, что при v с (сверхзвуковое течение рабочей жидкости по дросселю) знаки dv и dS одинаковы, т. е. для получения роста скорости (dvS вдоль дросселя (dSS. Если v = с, то dS= 0 и функция S(x) принимает экстремальное (минимальное) значение. В этом случае дозвуковой дроссель имеет сужающуюся форму (рис.6).

Определить величину окружного усилия, возникающего на криволинейном стержне гасителя при истечении рабочей жидкости из его дугообразных отверстий 9 (см. рис.5), вектор которого направлен в противоположную сторону вектора скорости рабочей жидкости истекающей из дросселя можно следующим образом, Для этого считаем, что шар с криволинейной формы стержнеми рабочая жидкость являються замкнутой системой, а поскольку до его глового поворота суммарный импульс шара с криволинейной формы стержнем равен нулю, то по закону сохранения энергии нулю должен быть равен суммарный импульс и выбрасываемого из негорабочей жидкости. Следовательно, импульс шара с криволинейной формы стержнем и импульс истекающей из дроселя рабочей жидкости равны по модулю и направлены в противоположные стороны.

Пусть маса рабочей жидкости m_г, скорость её истечения v_г, массашара с криволинейной формы стержнем m_р, и егоокружнаяскорость v_р. Тогда m₂v₂– m_рv_р = 0 или m_гv_г= m_рv_р, откудаv_р = v_г.

Полученное соотношение позволяет установить указанную окружную (реактивную) силу исходя из значения окружной скорости шара с криволинейной формы стержнем, если известны его масса и рабочей жидкости, а также скорость её истечения и тогда кинетическая энергия при угловом повороте шара совместно со стержнем криволинейной формы без учёта сил сопротивления возникающих между ним и стенками криволинейной формы пустотелой оболочки в уплотнительных элементах стержня может быть определена по формуле:

,

где, ω – угловая скорость шара, с^-1;

J – момент инерции шара, кг·с²·м;

G – собственный вес шара, кг;

r- радиус шара, м:

V- окружная скорость шара при его угловом повороте, м/с.

В тоже время известно [4], что окружную силу, приложенную к стенке криволинейной формы пустотелой оболочки 7 (рис.4), возникшую за счёт истекания рабочей жидкости из дросселя, в данном случае шара, можно также определить и другим путём, например, по известной зависимости (1) при этом, конструктивно принять наружный диаметр шара равным 40 мм, и окружную скорость подкатной тележки при вилянии прицепа = 1,8м/с:

= , (1)

где: - скорость струи рабочей жидкости при ее выходе из дросселям/с,

- скорость потока рабочей жидкости в дроссельном канале,

.

- площадь сечения шара.

- мгновенный расход жидкости, см³/с.

f_отв - площадь двух дроссельных каналовd_K в шаре :

.

γ– плотность рабочей жидкости 86,0 кг·с²/см⁴.

Тогда крутящий момент на шареТ, который жестко присоединен к криволинейному стержнюd_сопределится по зависимости:

где d₀ – диаметр, на котором выполнены дроссельные каналы, d_к равный 40мм.

Выбрав упругий материал криволинейной формы стержня, на котором закреплён шар Сталь 65Г с и считая, что он работает в области циклического нагружения по симметричному циклу, определим усталостные напряжения по зависимости . Тогда величина касательных напряжений составит . Теперь определим допускаемые касательные напряжения, возникающие в стержне с учётом, что запас прочности равен n=2,5, и тогда последние составят .

Теперь найдём численное значение диаметра стержня криволинейной формы по известной зависимости:

Окончательно, согласно ГОСТ 1769-60 на прокат проволоки круглого сечения примем диаметр стержня криволинейной формы d_кс = 7,0 мм.

Результаты исследования рекомендуются как отечественным, так и зарубежным НИИ, конструкторским и производственным структурам автомобильной промышленности для дальнейшего изучения и доработки предложенного устройства с целью возможного внедрения его в практику.

Библиография

1. Скотников В.А. Основы теории и расчёта трактора и автомобиля / В.А. Скотников, А.А. Мащенский, А.С. Солонский. Под ред. В.А. Скотникова. – М.: Агропромиздат, 1986.-383с.

2. Рашидов Н.Р. и др. Тракторные поезда и хлопок / Н.Р. Рашидов, П.М. Мирза-Ахмедов, Я.Б. Белага. – Т.: Узбекистан, 1980. -84с.

3. Щукин М.М Сцепные устройства автомобилей и тягачей. М-Л.: Машгиз, 1961. – 206с.

4. Сливинский Е.В., Савин Л.А., Радин С.Ю. Пути совершенствования ходовых частей транспортных средств: монография. – Елец:ЕГУ им. И.А. Бунина, 2009. – 240с.

Код для цитирования: Скопировать