TORSIONAL VIBRATIONS FROM THE BASIC OPERATING LOADS IN THE POWER TRANSMISSION SHAFTING OF VT-100 TRACTOR

Шеховцов В.В.¹, Ляшенко М.В.², Шевчук В.П.³, Соколов-Добрев Н.С.⁴, Шеховцов К.В.⁵

¹Доктор технических наук, доцент; ² доктор технических наук, профессор, ³кандидат технических наук, профессор, ⁴кандидат технических наук, доцент, ⁵аспирант; Волгоградский государственный технический университет

КРУТИЛЬНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ОТ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК В ВАЛОПРОВОДЕ СИЛОВОЙ ПЕРЕДАЧИ ТРАКТОРА ВТ-100

Аннотация

В статье описан метод расчетного исследования характера распространения по валопроводу силовой передачи крутильных колебаний от переменности действия основных эксплуатационных нагрузок.

Ключевые слова: силовая передача, распространение колебаний, динамическая нагруженность участков.

Shekhovtsov V.V.¹, Lyashenko M.V.², Shevchuk V.P.³, Sokolov-Dobrev N.S.⁴, Shekhovtsov K.V.⁵

¹Doctor of Engineering Science, docent; ²Doctor of Engineering Science, professor; ³Candidate of engineering science, professor; ⁴Candidate of engineering science, docent; ⁵Post-graduate student; Volgograd State Technical University

TORSIONAL VIBRATIONS FROM THE BASIC OPERATING LOADS IN THE POWER TRANSMISSION SHAFTING OF VT-100 TRACTOR

Abstract

The article describes the method of calculational research of character of torsional vibrations spread on power transmission shafting caused by the variability of basic operational loads.

Keywords: power train, oscillations propagation, dynamic loading of areas.

Эксплуатационная нагруженность силовой передачи гусеничного трактора носит явно выраженный динамический характер [1]. Такие факторы, как неравномерность крутящего момента двигателя, тягового сопротивления, возмущения от раскачивания машины на подвеске, для гусеничных машин – неравномерность перемотки звенчатой гусеницы, а также внутренние кинематические и силовые возмущения от перезацепления шестерен, несоосности валов, неравномерности вращения кардана, деформаций и смещений корпусных деталей, воздействия оператора через системы управления – в сумме приводят к тому, что закон нагружения силовой передачи в эксплуатации имеет случайный полигармонический характер [1, 2, 4, 7].

Неравномерность действия нагрузок на элементы передачи приводит к возникновению в ее валопроводе крутильных колебаний, роль которых в процессе накопления усталостных повреждений значительна [1, 2]. По данным отечественных и зарубежных исследователей, до 80 % отказов в силовой передаче обязаны своим происхождением именно колебаниям [2].

Известно, что у одних машин колебания определенной частоты от источника возбуждения проходят через весь валопровод, дополнительно нагружая каждый его элемент, а у других машин они гасятся на соседних с источником участках [2]. В связи с тем, что представление о дополнительной нагруженности элементов передачи от этих колебаний имеет важное значение для конструктора, выполнено исследование характера распространения по валопроводу силовой передачи трактора ВТ-100 крутильных колебаний от переменности действия основных эксплуатационных нагрузок.

При помощи разработанных на кафедре «Автомобиле- и тракторостроение» ВолгГТУ компьютерных программ [3] выполнено исследование изменения дополнительной нагруженности от крутильных колебаний силовой передачи трактора ВТ-100 производства ВгТЗ при действии основных эксплуатационных нагрузок. Исследование выполнено на основе динамической модели силовой передачи трактора [8, 9], полная и редуцированная схемы которой представлены на рис. 1. При этом динамические параметры элементов передачи левого и правого бортов при разветвлении силового потока после главной передачи приняты одинаковыми, что дает основание для представления передачи в виде цепной модели. В табл. 1 показано соответствие масс и связей модели узлам и участкам передачи.

К массам модели приложены нагрузки, определяющие в основном ее эксплуатационную нагруженность [1, 2]. Так, к массе I₁₀ модели (поступательно движущиеся массы трактора и орудия) приложены возмущающие воздействия от неравномерности тягового сопротивления с частотой 0,1 Гц и 1 Гц. Обычно в этом частотном диапазоне помещаются нагрузки от неравномерности тягового сопротивления при выполнении трактором основной сельскохозяйственной работы – пахоты [1].

Рис. 1. Полная а и редуцированная б динамические модели силовой передачи

К массе I₉ модели (ведущее колесо, ходовая система и подвеска) приложена нагрузка с частотой 2 Гц, имитирующая воздействие от раскачивания остова на подвеске, а также нагрузки с частотами 12 Гц и 24 Гц – это средние величины диапазона, в котором для данного трактора помещаются воздействия от неравномерности перемотки гусеницы при движении трактора с разными скоростями и при несинфазной работе гусеничных движителей левого и правого борта. И, наконец, приложением моментов к массе I₁ имитируется воздействие на силовую передачу гармоник двигателя. На трактор ВТ-100 устанавливается двигатель Д 444-24 (25), возможна также установка двигателей Мартин Z 8604, Д 260.3 и Сat 3116. Максимальная частота вращения валов этих двигателей 2000-2100 об/мин, то есть 33-34,5 Гц, номинальная частота вращения – 1800-1900 об/мин, то есть приблизительно 30 Гц. Принято учитывать повреждающее воздействие от гармоник не выше 4 порядка [1]. Таким образом, в модели момент с частотой 30 Гц имитирует воздействие первой гармоники, с частотой 45 Гц – полуторной, с частотой 60 Гц – второй, с частотой 75 Гц – двухсполовинной, с частотой 90 Гц – третьей, с частотой 105 Гц – трехсполовинной, с частотой 120 Гц – четвертой. Все моменты, приложенные ко всем массам, единичные. Это позволяет при анализе результатов легко определять получаемое соотношение дополнительной динамической нагруженности участка с величиной приложенного момента в процентах.

Таблица 1Соответствие масс и связей модели узлам и участкам передачи

Обозначение масс	Узлы
I1	Двигатель и ведущие элементы муфты сцепления
I2	Ведомые элементы муфты сцепления
I3	Карданный вал
I4	Ведущие элементы коробки передач
I5	Ведомые элементы коробки передач
I6	Главная передача
I7	Водило планетарного механизма поворота и шкив фрикциона
I8	Конечная передача и шкив остановочного тормоза
I9	Гусеничный обвод и вращающиеся детали ходовой системы
I10	Поступательно движущиеся массы трактора и плуга
Обозначение участков		Участки
С1		Двигатель – ведомые элементы муфты сцепления
С2		Ведомые элементы муфты – карданный вал
С3		Карданный вал – ведущие элементы коробки
С4		Ведущие – ведомые элементы коробки
С5		Ведомые элементы коробки – главная передача
С6		Главная передача – механизм поворота
С7		Механизм поворота – конечная передача
С8		Конечная передача – ходовая система
С9		Ходовая система – массы трактора и плуга

На рис. 2 показан характер распространения по валопроводу колебаний с вышеописанными частотами. На рис. 2 а первая сверху зависимость показывает величину дополнительного момента на каждом участке (номера участков показаны на оси абсцисс) при возбуждении колебаний с частотами 0,1 Гц, 1 Гц и 2 Гц. Результаты расчета [4, 5, 6, 7, 10] свидетельствуют о том, что при возбуждении колебаний с этими частотами момент на каждом участке имеет практически одинаковую величину. На рис. 2 а показаны также аналогичные зависимости для момента с частотами 12 и 24 Гц.

Рис. 2. Характер прохождения по валопроводу колебаний разных частот

Как видно из представленных графиков, колебания с частотами 0,1 Гц, 1 Гц и 2 Гц со стороны девятого участка (ходовая часть и подвеска) проходят через весь валопровод практически без уменьшения амплитуд вплоть до муфты сцепления и лишь на участке между муфтой и двигателем их амплитуда уменьшается примерно на 30 %. Колебания с частотой 12 Гц проходят также через весь валопровод от девятого участка до первого, причем амплитуда дополнительного момента на участках от этих колебаний на девятом-шестом участках составляет 50 % от момента возбуждения, на пятом участке возрастает до 85 % и на участках от пятого до первого линейно снижается до 70 % от возбуждающего момента. Таким образом, участки от пятого до первого (коробка передач – двигатель) нагружены большим на 20 % дополнительным динамическим моментом с частотой 12 Гц от перемотки гусеничной цепи, нежели валопровод от коробки передач до ведущего колеса.

Колебания с частотой 24 Гц также проходят через весь валопровод. На девятом участке дополнительный динамический момент от этих колебаний составляет 50 % от возбуждаемого, далее на седьмом и восьмом участках увеличивается до 70 %, на шестом – третьем участках снова снижается до 50 % от возбуждающего, на втором участке составляет 40 % и на первом снижается до 9 % от возбуждающего момента.

Таким образом, от колебаний с частотой 24 Гц, источником возбуждения которых является гусеничный обвод при высоких скоростях движения, дополнительным динамическим моментом существенной величины нагружен весь валопровод вплоть до муфты сцепления, и только на участке между муфтой и двигателем амплитуда этого момента уменьшается примерно в пять раз.

На рис. 2 б показаны зависимости, характеризующие изменение момента, нагружающего участки при колебаниях от гармонических составляющих момента двигателя с частотами 30, 45, 60 и 75 Гц. При этом момент от колебаний с частотой 30 Гц на первом участке (двигатель – муфта) составляет 4 % от возбуждающего, на втором участке уменьшается до 0,7 %, на участках два-шесть линейно растет до величины 12 % от возбуждающего и на остальных участках остается таким же. Таким образом, наиболее нагруженными участками при колебаниях с частотой 30 Гц (первая гармоника двигателя) оказываются участки с шестого по девятый (от главной передачи до ходовой системы).

Момент от колебаний с частотой 45 Гц на первом участке равен 0,7 % от возбуждающего, на втором-третьем участках составляет 4 % от возбуждающего, на четвертом – пятом – 2 %, на шестом-девятом – снова 4 % от возбуждающего. Колебания с этой частотой проходят сквозь весь валопровод, но дополнительный момент на участках создают незначительный.

Момент от колебаний с частотой 60 Гц на первом участке равен 40 % от возбуждающего, на остальных – от 0,4 до 2 %. Таким образом, нагруженным оказывается практически только первый участок.

Момент от колебаний с частотой 75 Гц на первом участке составляет 8 % от возбуждающего, на остальных составляет от 0,5 до 4 %. Колебания с этой частотой также гасятся почти полностью на участках от двигателя до главной передачи, далее их амплитуда немного увеличивается, оставаясь небольшой.

На рис. 2 в показаны зависимости, характеризующие изменение момента на участках при возбуждении колебаний от двигателя с частотами 90, 105 и 120 Гц. Момент от колебаний с частотой 90 Гц на первом участке составляет 35 % от возбуждающего, на остальных участках составляет от 0,7 до 8 %. Моментом от колебаний с этой частотой нагружены в основном участки с первого по четвертый, из них существенно нагружены (до 35 % от возбуждающего момента) первый и второй участки, то есть двигатель – муфта сцепления.

Момент от колебаний с частотой 105 Гц на первом участке составляет 8 % от возбуждающего, на остальных участках – от 2 до 0,02 %, то есть моментом от колебаний с этой частотой нагружен в основном первый участок (двигатель – муфта), далее эти колебания интенсивно гасятся.

Момент от колебаний с частотой 120 Гц на первом участке составляет 35 % от возбуждающего, на остальных – от 0,01 % до 0,5 %, то есть моментом от этих колебаний нагружен только участок двигатель – муфта сцепления.

Выводы

1. Анализ характера распространения крутильных колебаний вследствие переменности действия основных эксплуатационных нагрузок свидетельствует о том, что со стороны ведущего колеса нагрузки с частотами 0 – 12 Гц проходят сквозь весь валопровод почти без уменьшения амплитуд. Дополнительная динамическая нагруженность участков силовой передачи при этом составляет 50 – 120 % от момента возбуждения. Нагрузки со стороны ведущего колеса с частотой 24 Гц и амплитудой 90 – 120 % от возбуждающего момента доходят до коробки передач, далее по направлению к двигателю уменьшаются до 30 – 50 % от момента возбуждения. От воздействия гармоник двигателя дополнительная нагруженность участков трансмиссии составляет 2 – 12 %, за исключением третьей гармоники (90 Гц), динамическая составляющая момента от которой на участке от двигателя до муфты доходит до 35 % от возбуждающего. Амплитуды высокочастотных нагрузок от гармоник двигателя существенны на участках, близких к двигателю, а за коробкой передач и далее близки к нулю.

2. Валопровод является практически прозрачным для прохождения сквозь него низкочастотных колебаний. Необходимы конструктивные мероприятия, ограничивающие (за счет установки упругих элементов или гасителей колебаний) их действие на участки за конечной передачей.