Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

К ВОПРОСУ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАКОВ СЪЕМНЫХ ГУСЕНИЦ ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ С ГРУНТОМ

Адамов Д.В. 1 Любавский Н.А. 1 Галактионов О.Н. 1 Кузнецов А.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет»
В статье рассмотрены вопросы взаимодействия колесного движителя, оснащенного съемной гусеницей, и грунта. Построена модель, учитывающая варианты взаимного расположения колеса и траков гусеницы. За основу расчета взята плоская задача в сечении, проходящем перпендикулярно оси колеса. Для расчетов принято, что трак имеет форму параллелепипеда. Цель расчетов – определить удельное давление траков на грунт. Рассмотрено взаимодействие элементарной модели трака с колесом и опорной поверхностью – грунтом. В процессе расчета рассматривались два типоразмера гусениц с расстоянием между траками 225 мм и 103 мм. Рассмотрены несколько случаев нагружения трака колесом: симметричное нагружение, со смещением трака относительно вертикальной оси колеса на четверть и половину его ширины. Для расчета выбран участок шины, деформированный до состояния плоской поверхности. Установлено, что при расстоянии между траками 225 мм каждый трак работает практически индивидуально и его удельное давление составляет 8 %, 30 %, 44,5 % от давления невооруженного колеса. При расчете второй схемы расположения траков отмечена их совместная работа, а удельные давления составили 8 %; 22 %; 38 %. Проведенные расчеты позволяют утверждать: увеличение числа траков в области контакта с грунтом снижает давление на почву; предлагаемая методика позволяет оценить давление на грунт, и на этой основе принимать конструкторские решения по изменению геометрии траков; центральная часть трака создает существенно меньшее давление на почву, чем его периферийная часть. В дальнейшем следует исследовать условия передачи давления в центральной части трака и предложить варианты изменения его геометрии.
напряженно-деформированное состояние
грунт
трак
съемные гусеницы противоскольжения
компьютерное моделирование
1. Патякин В.И. Технология и машины лесосечных работ / В.И. Патякин, И.В. Григорьев, В.А. Иванов, А.К. Редькин, Ф.В. Пошарников, И.Р. Шегельман, Ю.А. Ширнин и др. – СПб.: СПбГЛTУ, 2012. – 362 с.
2. Шегельман И.Р. Анализ показателей работы и оценка эффективности лесозаготовительных машин в различных природно-производственных условиях / И.Р. Шегельман, В.И. Скрыпник, А.В. Кузнецов // Уч. зап. Петрозав. гос. ун-та. Сер.: Естеств. и техн. науки. – 2010. – № 4. – С. 66–75.
3. Шегельман И.Р. Работа лесных машин в трудных природно-производственных условиях / И.Р. Шегельман, В.И. Скрыпник, А.В. Кузнецов // Изв. С.-Петерб. лесотехн. акад. – 2010. – № 190. – С. 87–97.
4. Галактионов О.Н., Кузнецов А.В. Исследование взаимосвязи технологической проходимости лесозаготовительных машин с параметрами лесной среды [Электронный ресурс] // Инженерный вестн. Дона: Электрон. журнал. – 2012. – Т. 22, № 4–1. URL: http://ivdon.ru/magazine/archive/n4t1y2012/1145.
5. Галактионов О.Н. Формирование структуры лесотранспортных путей лесосеки на лесотипологической основе / О.Н. Галактионов, А.В. Кузнецов // Ученые записки ПетрГУ. – 2011. – № 8(121). – C. 81–84.
6. Щеголева Л.В., Пискунов М.А., Воропаев А.Н. К вопросу о размещении трелевочных волоков на лесосеке // Лесной вестник. Forestrybulletin . – 2008. – № 6. – С. 121–124.
7. Обоснование направлений совершенствования лесозаготовительных машин / В.И. Скрыпник, А.В. Кузнецов, А.С. Васильев, Д.В. Сапожков, В.Г. Зайцев. – Петрозаводск: ПетрГУ, 2016. – 93 с.
8. Мохов С.П., Кононович Д.А., Арико С.Е., Голякевич С.А. Конструктивные способы повышения проходимости форвардеров // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. – 2015. – № 2–1(13–1). – С. 266–269.
9. Щербаков С.С., Грибовский Г.В. Трибофатическая модель трехмерного напряженно-деформированного состояния и оценка повреждаемости системы «диск – многослойная шина – асфальтобетон» // Актуальные вопросы машиноведения. – 2015. – № 5. – С. 203–206.
10. Чернышев В.В., Арыканцев В.В. Моделирование взаимодействия стопы шагающего движителя с водонасыщенными грунтами // Научный журнал российского НИИ проблем мелиорации. – 2015. – № 4(20). – С. 21–38.
11. Покрышка NokianForestKingFSF 750/55-26.5 (20 сл.) // Техноком URL: http://www.tehnocom.net/catalog/shiny-kamery/pokryshka-nokian-forest-king-f-sf-750-55-26-5-20sl (дата обращения: 10.11.2017).
12. Коэффициенты трения скольжения // DPVA.info справочные таблицы для инжеров [электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.dpva.ru/Guide/GuidePhysics/Frication/FrictionofSlicing (дата обращения: 11.11.2017).

В условиях современных лесозаготовок на трелевке древесины широко используются форвардеры с колесным или гусеничным движителем, предназначенные для сбора и транспортировки сортиментов в пределах лесосеки [1–3]. Форвардер, загруженный древесиной, имеет значительную массу, что вызывает уплотнение и разрушение лесной подстилки, а также является причиной потери несущей способности почвогрунтов. Для обеспечения долгосрочного сохранения несущей способности грунта в работах [4–6] предлагаются технические решения, направленные на увеличение проходимости лесозаготовительных машин, в частности путем укрепления проезжей части транспортных путей лесосечными отходами и определение предельного количества проходов лесозаготовительной техники по волоку. При этом следует учитывать, что удельное давление на грунт трелевочных машин с гусеничным движителем меньше в 3,5–6 раз, чем с колесным [2, 3]. В тяжелых условиях эксплуатации колесные форвардеры сталкиваются с проблемой недостаточной проходимости при движении по почвогрунтам 3–4 категории. В этих условиях их оснащают съемными гусеницами и цепями для повышения проходимости и предотвращения буксования и застревания, которые ведут к интенсивному колееобразованию, эрозии почвенного покрова и разрушению лесной подстилки.

Один из частных способов уменьшения разрушения лесной подстилки – снижение давления от движителя лесозаготовительной техники. В связи с этим в качестве движителей используют шины широких профилей или гусеницы [7]. В данное время наибольшее распространение получила колесная техника, которая используется в сочетании с гусеницами и цепями противоскольжения [8]. Последние позволяют увеличить только сцепление с грунтом, в то время как гусеницы противоскольжения за счет грунтозацепов обеспечивают высокий коэффициент сцепления и снижение удельного давления на грунт.

В статье рассматривается конструкция цепей противоскольжения, используемая на форвардерах. Расчетная модель (рис. 1, а), включает в себя: 1 – шина 750/55–26,5; 2 – диск; 3 – трак; 4 – грунт.

adam1a.tif adam1b.tif

а б

Рис. 1. 3Д-модели: а – расчетная сборка; б – трак гусеницы

Так как на исследуемой гусенице период расположения траков составил 225 мм, в контакте между шиной и почвой участвует только один элемент трака. В контактной зоне трак имеет форму параллелепипеда (рис. 1, б). В данной расчетной модели, шина не имеет протектора, поэтому считаем, что трак контактирует с поверхностью шины равномерно.

Материалы контактирующих элементов (шина, трак, почва) характеризуются в расчете как упругие, линейные и изотропные. Их механические свойства представлены в таблице.

Механические свойства контактирующих элементов

Наименование элемента

Механические свойства

Модуль упругости, Е, Н/м2

Коэффициент Пуассона

Предел текучести, МПа

Шина [9]

4·108

0,49

Трак

2,1·1011

0,28

620

Почва [10]

4·107

0,35

Внутренние поверхности шины и часть диска, находящаяся внутри нее, нагружены давлением 550 кПа [11]. Коэффициент трения скольжения между шиной и траком и между траком и почвой принят равным усредненному значению – 0,5 [12]. Нижняя часть элемента грунта закреплена от перемещений во всех направлениях.

Дальнейшие расчеты рассматриваются в статической постановке, с учетом того, что колесо воспринимает нагрузку от веса, приходящегося на одно колесо тележки форвардера. Нагрузка от силы тяжести, приходящейся на колесо, распределена неравномерно и имеет синусоидальное распределение нагрузки на поверхности диска:

F(a) = mн•g•sin(a),

где mн = 6000 кг – масса, приходящаяся на каждое колесо форвардера, g = 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения, a = 0 °…180 ° – угол изменения охвата диска (рис. 2).

adam2.tif

Рис. 2. Распределенная нагрузка на диск колеса

Исследованы три случая нагружения: 1 – продольные плоскости симметрии трака и колеса совпадают (рис. 3, а), 2 – продольная плоскость симметрии трака смещена на четверть его ширины от продольной плоскости симметрии колеса (рис. 3, б); 3 – продольная плоскость симметрии трака смещена на половину его ширины от продольной плоскости симметрии колеса (рис. 3, в).

adam3a.tif adam3b.tif adam3c.tif

а б в

Рис. 3. Расчетные случаи нагружения: а – без смещения, б – смещение на четверть ширины трака; в – смещение на половину ширины трака

adam4.tif

Рис. 4. Конечно-элементная модель

Конечно-элементная модель (рис. 4) содержит 36714 элемента и 60265 узлов. В местах контакта шины, трака и почвы, для улучшения точности расчета, элементы сетки измельчены.

Получены расчетные эпюры контактного давления на поверхность грунта (рис. 5).

Во время движения форвардера часть траков гусеницы, находящихся в области контакта, расположены как под поверхностью колеса, так и на поверхности грунта. Можем принять условие, что расстояние между траками по окружности (трак на колесе) равно расстоянию между ними по горизонтали. Для уменьшения контактного давления уменьшено расстояние между траками с 225 мм до 103 мм, что позволило перераспределить нагрузку между траками. Расстояние 103 мм обеспечивает движение гусеницы на всех участках, таким образом, чтобы обеспечивалось минимальное расстояние между траками с исключением их пересечения в динамике. Соединения между траками моделируется созданием жестких звеньев между торцевыми поверхностями, с помощью встроенной функции.

adam5a.tif adam5b.tif adam5c.tif

а б в

Рис. 5. Распределения контактного давления на поверхности грунта: а – для первого случая нагружения; б – второго; в – третьего

adam6a.tif adam6b.tif adam6c.tif

а б в

Рис. 6. Расчетные случаи нагружения: а – без смещения, б – смещение на четверть ширины трака; в – смещение на половину ширины трака

adam7a.tif adam7b.tif adam7c.tif

а б в

Рис. 7. Распределения контактного давления на поверхности грунта: а – для первого случая нагружения; б – второго; в – третьего

Второй случай нагружения (рис. 6) аналогичен первому, за исключением того, что траки расположены с периодом 103 мм, обеспечивающим распределение контактного давления на поверхности грунта между тремя (рис. 7, а–б) и двумя траками (рис. 7, в).

В обоих расчетных случаях нагружения, контактное давление передается на почву крайними контурами траков, в центральной же части оно стремится к наименьшему значению. За счет уменьшения расстояния между траками достигается снижение максимального контактного давления: для первой схемы нагружения – на 8 %; для второй схемы нагружения – на 30 %; и для третьей – на 44,5 %. Если же не учитывать точечное возникновение максимального давления (вызванное геометрическими параметрами модели трака), а судить по среднему напряжению контура траков, образующих некий периметр прямоугольной формы, то получатся следующие значения процентного снижения контактного давления. Для первой схемы нагружения – на 8 %; для второй схемы нагружения – на 22 %; и для третьей – на 38 %.

По результатам расчета можно сделать ряд выводов. Во-первых, увеличение числа траков в области контакта с грунтом снижает давление на почву, за счет увеличения общей площади контактируемых элементов. С другой стороны – такое решение приводит к увеличению массы гусениц (из-за большего количества траков), а также – к увеличению крутящего момента, который необходимо подвести к колесам (за счет увеличения площади трения). Во-вторых, по предлагаемой методике возможно оценить давление на грунт, в зависимости от его упругих свойств, и на основании расчетов принимать конструкторские решения по увеличению (уменьшению) количества траков и (или) изменению их геометрии. В-третьих, по полученным эпюрам распределения контактного давления можно заключить, что центральная часть трака гусеницы передает давление на почву в разы меньше, чем часть, расположенная в зоне периметра контакта. Поэтому из соображений уменьшения массы трака в дальнейшем следует рассмотреть исключение передачи давления центральной частью трака, за счет изменения его геометрии.


Библиографическая ссылка

Адамов Д.В., Любавский Н.А., Галактионов О.Н., Кузнецов А.В. К ВОПРОСУ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТРАКОВ СЪЕМНЫХ ГУСЕНИЦ ПРОТИВОСКОЛЬЖЕНИЯ С ГРУНТОМ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2018. – № 1. – С. 11-15;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=12056 (дата обращения: 29.03.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674