close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование моделей и методов прогнозирования проходимости гусеничных лесных машин

код для вставкиСкачать
на правах рукописи
ЛУХМИНСКИЙ Владислав Алексеевич
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРОХОДИМОСТИ
ГУСЕНИЧНЫХ ЛЕСНЫХ МАШИН
05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства»
автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск
2018
Работа
выполнена
в
Федеральном
государственном
бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Санкт-Петербургский
государственный лесотехнический университет имени С.М. Кирова»
Научный руководитель
Официальные
оппоненты
Ведущая организация
Хитров Егор Германович,
кандидат технических наук
Макуев Валентин Анатольевич
доктор технических наук, профессор, Мытищинский
филиал ФГБОУ ВО «Московский государственный
технический университет имени Н.Э. Баумана
(национальный исследовательский университет»,
секция колесных машин (СМ-10), заведующий
кафедрой
Кузнецов Алексей Владимирович
доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО
«Петрозаводский государственный университет»,
кафедра технологии и организации лесного
комплекса, профессор
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Якутская государственная сельскохозяйственная
академия»
Защита диссертации состоится 27 июня 2018 г. в __ часов на заседании
диссертационного совета Д 212.008.01, созданного на базе ФГАОУ ВО «Северный
(Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова», по адресу:
163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ауд. 1220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте университета
www.narfu.ru.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н.
Т.В. Тюрикова
2
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Лесозаготовительная техника работает
в широком спектре почвенно-грунтовых условий: связные и несвязные
минеральные грунты, органоминеральные грунты, торфяники, лесные
почвогрунты. С точки зрения проходимости лесных машин принято выделять
четыре категории почвенно-грунтовых условий, ориентировочные значения
допустимого давления движителя на грунт составляют для 1 категории 70-200
кПа, для 2 категории – 40-70 кПа, для 3 категории – 20-40 кПа, для 4 категории –
до 20 кПа. На Северо-Западе России приблизительно 5 % запаса древесины
приходится на местность с грунтами 1 категории, 30 % - с грунтами 2 категории,
25 % - с грунтами 3 категории и 40 % - с грунтами 4 категории. В целом по нашей
стране отмеченное распределение запасов леса по категориям почвогрунтов
сохраняется.
Сегодня на рынке лесозаготовительной техники преобладают импортные
машины с колесными движителями. Зачастую это тяжелые машины высокой
энергонасыщенности, отличающиеся высокой ценой и эксплуатационными
расходами. Тяжелые колесные машины со средним давлением движителя на грунт
до 200 кПа раскрывают свой потенциал на грунтах 1 категории, не характерных
для нашей страны. В условиях РФ проходимость такой техники снижена.
Покупатели техники, ориентируясь на рекламу производителей, зачастую
принимают невыгодные для себя решения.
Лесные машины с гусеничным движителем выпускаются как
отечественными, так и зарубежными производителями (Caterpillar, США,
Kootenay, Канада) и представлены на российском рынке, среднее давление на
грунт варьируется в пределах от 30 до 65 кПа, что более приемлемо с точки зрения
проходимости в условиях России.
Многие отечественные ученые посвятили свои труды вопросам
проходимости гусеничных лесных машин, среди них, в первую очередь, В. А.
Азаренок, Г. М. Анисимов, С.М. Базаров, Ю. А. Бит, О. Н. Бурмистрова, Г. К.
Виногоров, И. В. Григорьев, А. В. Жуков, А. П. Калашников, В. М. Котиков, А. Н.
Кочанов, В. Г. Кочегаров, А.М. Кочнев, В. К. Курьянов, В. А. Макуев, А. П.
Матвейко, В. И. Патякин, В. С. Сюнев, А. Ф. Федоренчик, И. Р. Шегельман, Ю. В.
Шелгунов и другие. Тем не менее, ряд задач до настоящего времени не получил
законченного решения. Полагаем, что дальнейшие исследования, направленные на
уточнение научного описания взаимодействия гусеничных машин с опорными
поверхностями, будут актуальны как для теории, так и для практики
лесозаготовительного производства, поскольку дадут возможность обоснованно
подходить к выбору лесных машин с учетом их проходимости исходя из
природно-производственных условий.
3
Степень разработанности темы исследования: в отечественной научной
школе известно два основных подхода к теоретическим исследованиям
воздействия движителя на опорную поверхность. Моделью движителя является
штамп. Первая группа моделей строится на взаимосвязи давления и осадки
штампа в виде формулы Бернштейна-Летошнева. Во второй группе моделей
определение
осадки
штампа
производится
на
основании
решения
дифференциального уравнения вдавливании индентора в деформируемое
полупространство. В большинстве отечественных исследований, относящихся к
практике лесосечных работ, давление на грунт и несущая способность грунта
признаются основными факторами, определяющими глубину колеи и тяговосцепные свойства движителя, от которых зависит проходимость машины и
экологичность процесса трелевки. У зарубежных ученых в большей степени
распространен эмпирический подход, характеристикой грунта является конусный
индекс, определяемый зондированием грунта непосредственно на лесосеке.
Экспериментально установлено, что в первом приближении характер
распределения давления по длине пятна контакта описывается периодической
функцией, параметры которой зависят от свойств грунта, скорости машины и
внешних сил, приложенных к системе. При увеличении разности среднего и
максимального давления увеличивается сопротивление движению машины и
глубина колеи, что невозможно учесть в рамках получивших распространение
вязкоупругих моделей грунта. Несущая способность в практике лесосечных работ
принимается чаще как справочная величина, сведения о её числовых значениях не
полные, а единая методика определения несущей способности, пригодная для
практического использования, не разработана.
Цель работы – повышение эффективности трелевки древесины машинами с
гусеничным движителем на базе дальнейших исследований колееобразования и
проходимости гусеничных машин.
Объект исследования – гусеничные движители трелевочных машин,
взаимодействующие с деформируемыми опорными поверхностями.
Предмет исследования – процессы деформирования опорных поверхностей
под воздействием нормальных и касательных напряжений, вызванных
воздействием гусеничных движителей лесных машин.
Для достижения обозначенной цели сформулированы следующие задачи
исследования:
1. Разработать
уточненную
реологическую
модель
грунта
как
вязкоупругопластического тела, учитывающую влияние переменного характера
напряжения на развитие деформаций во времени.
2. Разработать методику и провести экспериментальные исследования по
определению параметров предлагаемой реологической модели.
4
3. Уточнить зависимости для расчета давления гусеничного движителя на
грунт с учетом свойств грунта, параметров движителя и неравномерности
давления.
4. Разработать и исследовать математическую модель взаимодействия
гусеничного движителя с грунтом, прогнозирующую глубину колеи и тяговосцепные свойства движителя, базирующуюся на уточненной модели грунта и
зависимости давления в пятне контакта.
5. Провести верификацию результатов реализации предлагаемой модели.
6. Разработать методику полевого определения параметров грунта,
определяющих проходимость гусеничной машины.
7. Сформулировать рекомендации по практическому применению результатов
исследования.
Научная новизна работы – разработанная и исследованная математическая
модель взаимодействия гусеничного движителя лесных машин с почвогрунтом,
отличающиеся уточненным учетом неравномерности распределения напряжений
по площади контакта движителя с грунтом и влияния реологических параметров
грунта на развитие его деформаций, развивающая теорию движения трелевочных
машин и позволяющая на практике прогнозировать показатели проходимости,
подбирать рациональные параметры движителей в зависимости от почвенногрунтовых условий лесосеки.
Теоретическая значимость работы:
Предлагаемая математическая модель взаимодействия гусеничного
движителя с грунтом, строящаяся с использованием уточненной реологической
модели грунта и аналитического подхода к учету неравномерности давления со
стороны движителя на развитие деформации грунта, развивают теоретическое
описание процесса взаимодействия лесных машин с опорными поверхностями.
Практическая значимость работы:
1. Предлагаемая методика полевой оценки механических свойств грунта,
определяющих взаимодействия гусеничного движителя с грунтом, упрощает сбор
сведений о почвенно-грунтовых условиях лесосеки.
2. Результаты
реализации
разработанной
математической
модели
взаимодействия гусеничного движителя с грунтом позволяют на практике
спрогнозировать глубину колеи и тягово-сцепные свойства движителя, обосновать
рациональные решения на стадии планирования лесосечных работ.
3. Программа для автоматизированного расчета показателей, определяющих
проходимость гусеничной техники, совершенствует процесс принятия решений по
комплектованию парка лесосечных машин.
Положения, выносимые на защиту:
1. Почвогрунт под нагрузкой со стороны гусеничного движителя
представляется
комбинированной
реологической
моделью
5
вязкоупругопластического тела на основе элементов Кельвина-Фойгта, ШведоваБингама и Бингама.
2. Неравномерность нагрузки по пятну контакта учитывается поправочными
коэффициентами, значения которых получены по результатам реализации
предлагаемой модели взаимодействия движителя с почвогрунтом при
гармонической функции изменения давления по времени.
3. Механические свойства почвогрунта, определяющие параметры его
взаимодействия с движителем гусеничной машины, определяются в полевых
условиях при помощи зондирования по предлагаемой методике.
Методология и методы исследования: на стадии разработки состояния
вопроса и формулирования задач исследования использованы методы сбора и
анализа информации, при теоретических исследованиях использованы положения
механики деформируемых сред, методы математического анализа, методы
имитационного моделирования, численные методы прикладной математики, при
планировании и проведении эксперимента использованы методы планирования и
организации экспериментальных исследований, статистической обработки
опытных данных.
Степень достоверности результатов исследования обеспечивается
применением современных методов научного проникновения, лицензионного
программного
обеспечения
на
всех
стадиях
выполнения
работы,
удовлетворительной сходимостью полученных теоретических результатов с
экспериментом и сведениями независимых источников.
Апробация результатов исследования проводилась на ежегодных НТК
СПбГЛТУ 2016 – 2017 гг., Второй международной научно-технической
конференции «Леса России: политика, промышленность, наука, образование».
Основное содержание работы опубликовано в 5 статьях из перечня журналов,
рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных
исследований, общее число публикаций по теме работы составляет 9.
Сведения о структуре работы: диссертация состоит из введения, 4 глав
основного текста, общих выводов и рекомендаций, библиографического списка
(120 наименований), 2 приложений. Общий объем основного текста работы
составляет 150 с., текст содержит 45 рисунков и 28 таблиц.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В главе проанализированы основные подходы к теоретическим
исследованиям взаимодействия движителя и опорной поверхности, известные в
отечественной научной школе, отличающиеся способом определения взаимосвязи
давления и осадки штампа-движителя. Показана целесообразность разработки
математической модели на базе решения уравнения вдавливании индентора в
деформируемое полупространство:
6
H h
qS C , ,  , H , B, L, h 
 q, z, H , B, L 
h
 
dz, (1)
qS C , ,  , H , B, L, h   qV , t p ,W , B, L  h E   q, z, H , B, L 
где qS C, ,  , H , B, L, h - несущая способность грунта, qV , t p ,W , B, L  - давление
на грунт, qV , t p ,W , B, L  - нормальное напряжение в массиве грунта, E – модуль
деформации, C - удельное сцепление, φ - угол внутреннего трения, γ - удельный
вес, H - толщина деформируемого слоя, B – ширина штампа, L – длина штампа, W
– нормальная нагрузка на штамп (вес машины), V – скорость машины, tp –
реологический параметр грунта, h – осадка штампа (глубина колеи).
Рассмотрен WES-метод, распространенный за рубежом, в котором
эмпирические модели глубины колеи представляются функциями:
(2)
h  f CI , B, L,W 
где CI – конусный индекс, определяемый зондированием на лесосеке.
Показано, что WES-модели могут являться источником сведений для
точечной проверки результатов теоретических исследований, поскольку конусный
индекс рассчитывается по механическим параметрам грунта:
24G m tan   tan  1  sin   tg 
(3)
CI  C ctg    2 2
d  m  2m  33  sin   tg 3 
3 m
2 m
  C  Z  l    tg  C  Z   tg  C  Z  3l  lm   tg
4 sin 
m 
31  sin  
где G – модуль сдвига, α – угол заточки конуса, d – диаметр основания конуса, L –
длина конической части зонда, Z – глубина вдавливания пенетрометра.
Также в главе приводятся зависимости, позволяющие рассчитать
механические свойства связных и несвязных минеральных грунтов по их
физическим свойствам, оценить взаимосвязи механических свойств заболоченных
грунтов и торфяников, лесных почвогрунтов, которые были использованы при
проведении вычислительного эксперимента в теоретической главе работы.
Проанализированы особенности взаимодействия гусеничного движителя с
грунтом. В частности, неравномерность распределения давления гусеничного по
площади контакта, характер распределения давления зависит от параметров
грунта и движителя, скорости машины и внешних сил, приложенных к системе.
Наличие локальных максимумов давления под катками гусеничного движителя
увеличивает глубину колеи и сопротивление грунта движению машины. Фактор
времени воздействия оказывает дополнительное влияние на развитие деформаций
грунта. Отмечен недостаток экспериментальных данных, позволяющих проводить
расчеты с учетом реологических свойств грунта.
7
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
ГУСЕНИЧНОГО ДВИЖИТЕЛЯ С ОПОРНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ
Основные зависимости для расчета показателей взаимодействия
гусеничного движителя с грунтом. При исследовании взаимодействия
гусеничного движителя с грунтом использованы положения теории проф. Я.С.
Агейкина, в рамках которой моделью движителя является штамп-деформатор, а
моделью грунта – деформируемое полупространство. При построении расчетных
зависимостей на первом этапе рассмотрено и проанализировано взаимодействие
движителя с грунтом при равномерной нагрузке в статике, когда общая осадка
штампа определяется по формуле (1), в нашем случае:
qS
JqaB
E H  h 
h
arctg
(4)
qS  q E 2  JEq
aB E 2  JEq
Распределение напряжения
нелинейному закону:
по
толщине

J
деформируемого
слоя
по
q
(5)
2
 z 
1  
 aB 
где J – коэффициент учета формы штампа, a – коэффициент учета толщины
деформируемого слоя:
L
0,03 
B
(6)
J
L
0,6  0,43
B
H B
a  0,64
(7)
H
Несущая способность определена как параметр, зависящий как от свойств
грунта, так и от геометрии штампа-движителя. Общая формула для расчета
несущей способности слоя грунта принята по методике проф. В.В. Ларина:
(8)
qS  qS 0 H
где αH – повышающий коэффициент учета толщины деформируемого слоя, qS0 –
несущая способность слоя грунта неограниченной толщины:
0,5H p h
2
3
   3 

B tg  cos  exp    tg   (9)
H 1
, Hp 
2
4
H H  h  0,25H p 
 4 4 

Несущая способность слоя грунта неограниченной толщины:
1
qS 0  K1 J 1 N1 B  N 2 H  K 3 J 3 N 3C
(10)
2
8
где K1, K3 – коэффициенты учета угла приложения нагрузки, J1, J3 –
коэффициенты учета формы штампа, N1, N2, N3 – коэффициенты учета сдвиговых
свойств грунта:
  4 tg 
3  2
K1 
, K3 
(11)
  4 tg 
3  2
LB
L
J1 
, J3 
(12)
L  0,4 B
L  0,5B
 
1
1 S4
1 S2
S


N

,
,
,
(13)
N

2
N1 
2
3
S3
S2
S5
4 2
где β – угол отклонения вектора результирующей нагрузки от нормали к
поверхности грунта.
Силу сопротивления грунта поступательному движению гусеничной
машины определим по формуле:
h
FR  2 B  qdh
(14)
0
Силу сцепления движителя с грунтом FT можем определить как интеграл
напряжений сдвига σсдв, возникающих по площади контакта движителя с грунтом:
L
FT  2 B    сдвdx
(15)
0
Напряжение сдвига:
jG сдв max
(16)
jG  t Г сдвmax
- максимальное сопротивление сдвигу, j –
 сдв 
где tГ – шаг грунтозацепов,  сдвmax
деформация сдвига:
j  Sx
(17)
где S – коэффициент буксования, x изменяется в пределах от 0 до L.
Выражение для  сдвmax получим, воспользовавшись законом Кулона:

j

(18)
 tГ 
Реализация математической модели. Математическая модель включает в
себя 12 параметров: E, G, C, φ, γ, H, B, L, S, tГ, β, q. Для анализа их влияния на
показатели взаимодействия движителя с грунтом проведен вычислительный
эксперимент, диапазоны изменения параметров: E = 0,4…3МПа, G = 0,4…30 МПа,
C = 5…65 кПа, φ = 10…30о, γ = 10…30 кН/м3, H = 0,3…0,8 м, B = 0,3…0,8 м, L =
1,5…5 м, S = 0…0,5, tГ = 0,2…0,4 м, β = 0…45о, q = 20…120 кПа.
Исходные данные, относящиеся к движителю, генерируются как случайные
числа, распределенные равномерно в указанных в таблице диапазонах. При
 сдвmax  q tg   C 1 
9
генерации данных, относящихся к грунту, использованы формулы,
индивидуальные для каждого из 9 типов грунта, собранные в главе 1. Определим h
из численного решения уравнения (4) с учетом (5) – (13), FR по формуле (14), в
которой q выражено из уравнения (4); FT определяется как интеграл по формуле
(15) с учетом (16) – (18). После получения расчетных данных проводим их
обработку, теперь, располагая значением h, qS по формулам (5) – (13) также
относим к параметрам модели.
По полученным данным подбираем приближенные функции h, FR, FT, за
критерий близости принят коэффициент детерминации. В результате получены
формулы для расчета h [м], FR [кН], FT [кН]:
h  a0 B a La q a qSa
(19)
FR  b0 B b Lb qSb q b
(20)
FT  c0 B c Lc qSc q c S c t Гc
(21)
Коэффициенты моделей (19) – (21) представлены в таблице 1.
1
3
2
4
1
2
3
4
1
2
3
4
5
6
Таблица 1 – Коэффициенты для расчета по формулам (19) – (21)
Фактор
B
L
qS
q
S
Глубина колеи:
Коэффициент
a0
a1
a2
a3
a4
Песок К
0,1744
1,7992
-0,8554
-4,6745
5,1779
Песок С
0,0016
1,1604
0,8847
-5,1584
6,0681
Песок М
0,0673
0,6150
0,5435
-5,2039
5,1521
Песок П
0,0417
0,9027
0,3655
-3,1140
3,2919
Супесь
0,0694
0,7372
0,0722
-3,8994
3,9954
Суглинок
0,0146
0,4482
0,2185
-2,4128
2,7288
Глина
0,0055
0,3181
0,2199
-1,6291
2,0882
Лесной ПГ
0,7986
0,5207
0,0218
-2,4802
2,2624
Заб. грунт
0,2788
0,2054
0,0938
-1,3751
1,4599
Сила сопротивления:
Коэффициент
b0
b1
b2
b3
b4
Песок К
5,6973
3,1993
-0,7322
-5,1504
6,5661
Песок С
0,0006
2,1457
1,5812
-4,6863
7,1462
Песок М
0,6023
1,2854
0,7262
-5,8749
6,8943
Песок П
0,6099
2,0719
0,5303
-3,1119
4,2794
Супесь
0,6306
1,6840
-0,0689
-4,7514
6,0514
Суглинок
0,4327
1,5888
0,1039
-3,0904
4,3675
Глина
0,0530
1,1916
0,0233
-1,6386
3,1578
Лесной ПГ
11,1379 1,4017
-0,0369
-3,2518
4,0854
Заб. грунт
2,0923
0,9984
0,1231
-1,2603
2,3742
Сила сцепления:
Коэффициент
c0
c1
c2
c3
c4
c5
Песок К
1,0018
0,8461
0,9443
0,0890
1,0053
0,0137
10
tГ
c6
0,0625
Фактор
Песок С
Песок М
Песок П
Супесь
Суглинок
Глина
Лесной ПГ
Заб. грунт
-
B
0,3891
0,5355
0,4322
0,3833
0,3168
0,0673
0,2837
0,1726
0,7464
0,8112
0,8561
0,9127
0,9559
1,7967
1,0289
0,9572
L
qS
Глубина колеи:
1,0747
0,2220
0,8949
0,2437
0,9433
0,2242
0,9667
0,2836
0,9742
0,2797
1,3263
0,4392
0,7072
0,5350
0,9853
0,4453
q
S
tГ
0,9752
0,9350
1,0076
0,9183
0,9000
1,0000
0,5864
0,8214
-0,0204
0,0006
-0,0336
-0,0133
-0,0471
0,0478
-0,1426
0,0362
-0,0361
0,0258
0,0321
0,0499
0,0605
-0,1673
0,0697
0,0870
Влияние
неравномерности
распределения
напряжения
на
деформируемость грунта. Для учета неравномерности давления по длине пятна
контакта рассмотрено действие переменного давления на область контакта
гусеницы с грунтом, реологическая модель которого описана ниже.
Выбор и обоснование реологической модели грунта. В разделе
проанализировано поведение вязкоупругих (модель Максвелла, Кельвина-Фойгта,
Максвелла-Томпсона (Гогенмезера-Прагера), Пойнтинга-Томпсона, Летерзиха,
Бюргерса) и пластических (модель Бингама-Шведова, Бингама, Шведова)
реологических моделей грунта. По результатам выполненного анализа
предложена комбинированная модель грунта, в которой вязкий элемент в модели
Кельвина-Фойгта заменен вязкоупругой моделью Шведова-Бингама, два
полученных элемента последовательно соединены с моделью Бингама. Схема
модели представлена на рисунке 1. Дифференциальное уравнение напряжениядеформации модели:
 E 
d 1 d 1
(22)

 exp  2 t    T 2 He    T 2  
dt E1 dt  2



2
 E 
1
exp  3 t    T 3 He    T 3      T 4 He    T 4 
3
4
 3 
С начальными условиями:

1
t  0,  
где He(…) – единичная функция Хевисайда.
11
0
E1
(23)
E1 - модуль мгновенной упругой
деформации; модуль E2 - модуль
необратимой
деформации
при
кратковременном действии нагрузки, E3 –
модуль необратимой деформации при
длительном воздействии; η2 и η3 характеристики
скоростей
течения
необратимых
деформаций
при
кратковременной и длительной нагрузках;
σT2 предельное напряжение, начало
развития необратимых деформаций при
кратковременной
нагрузке,
σT3
–
предельное
напряжение
длительном
воздействии; σT4 - предельное напряжение,
начало
необратимых
деформаций,
Рисунок 1 – Схема комбинированной
взякоупругопластической модели грунта на вызванных потерей несущей способности
грунта, η4 – характеристика скорости
основе моделей Кельвина-Фойгта,
развития деформаций при потере несущей
Шведова-Бингама и Бингама
способности
На рисунке 2 представлен график решения уравнения (22) при функции
напряжения:
(24)
   0 He   t    1 He t 2  t He t  t1 
где σ0 > σT2, σ0 > σT3, σ0 < σT4, σ1 > σT4, t1 ≤ t ≤ t2, t2 < τ.
На рисунке 3 представлен график решения уравнения (22) при воздействии
напряжения, изменяющегося по времени в соответствии с гармоническим
законом:
(25)
 t    0 1  A cost Heaviside   t 
Решения получены численно в программе Maple 2017 при параметрах: E1 = 5
МПа, E2 = 1,25 МПа, E3 = 5 МПа, η2 = 0,27 МПа∙с, η3 = 21,7 МПа∙с, η4 = 21,7 МПа∙с,
σT2 = 0, σT3 = 0, σT4 = 50 кПа, σ0 = 60 кПа, ω = 4,2 рад/с, A = 0,5, τ = 4,5 с (черный
цвет – решение, красный цвет – нормальное напряжение).
Рисунок 2 – Деформация модели при
действии нагрузки по формуле (30)
Рисунок 3 – Деформация модели при
действии нагрузки по формуле (31)
12
Исследование численного решения показало, что при одинаковом времени
воздействия, увеличение необратимой составляющей относительной деформации
пропорционально амплитуде и частоте напряжения σ. По результатам
аппроксимации численных данных установлено, что эффективное постоянное
давление, вызывающее за время t ту же необратимую деформацию модели, что и
переменное давление по формуле (25), можно с достаточной для практических
расчетов точностью определить по формуле:
(26)
   0 н д
где коэффициент относительного увеличения необратимой деформации:
(27)
 н  kн  1 0,053  0,775  1
коэффициент неравномерности нагрузки:
kн 
 max
A
0
(28)
коэффициент кратковременности нагрузки:

 E 
 E 
(29)
 д  1   E2 exp  t 2   E3 exp  t 3  
 2 
 3  

где σmax – максимальное давление движителя на грунт.
Исследование несущей способности грунта. Для разработки методики
полевого определения параметров грунта, определяющих проходимость лесной
машины, установлены взаимосвязи геометрических параметров движителя,
модуля деформации, конусного индекса и несущей способности грунта. У всех
рассмотренных типов грунта общие зависимости pS [МПа], соотношения RBL = B/L
и конусного индекса CI [МПа] c высокой точностью (R2 > 0,9) можно представить
формулой:
qS  B0CI B RBLB
(30)
где B0, B1, B2, –коэффициенты, значения которых представлены в таблице 2.
1
2
Таблица 2 – Коэффициенты для расчета несущей способности
Коэффициент
Тип грунта
B0
B1
Песок крупнозернистый
0,18
0,72
Песок среднезернистый
0,14
0,96
Песок мелкозернистый
0,12
0,76
Песок пылеватый
0,17
0,89
Супесь
0,11
0,79
Суглинок
0,15
0,84
Глина
0,2
0,78
Лесной почвогрунт
0,23
0,9
Заболоченный грунт
0,43
1,1
13
B2
0,34
0,41
0,27
0,32
0,16
0,13
0,09
0,11
0,09
3. МЕТОДИКА И АППАРАТУРА
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследование свойств грунта. Опыты проведены в лабораторных условиях
кафедры промышленного транспорта СПбГЛТУ им. Кирова летом 2017 года и в
полевых условиях на территории арендной базы ООО «Купеческий дом»
(Псковская обл.).
Исследование реологических свойств грунта. В экспериментах по
исследованию реологических свойств грунта под действием нормальной нагрузки
задача сводилась к поиску коэффициентов E1, E2, E3, η2, η3 дифференциального
уравнения развития деформации грунта:
 E 
 E 
1
1
1
1
1
(31)
        exp  2 t     exp  3 t   
E1
E2
E3
E2

E



2
3

3 
Цилиндрический образец грунта диаметром 70 мм и высотой
приблизительно 100 мм размещали в специально подготовленной прессформе,
прикладывали нормальную нагрузку. По абсолютным значениям перемещений
штампа определяли относительную деформацию грунта к зафиксированным
моментам времени. Пример диаграммы поведения грунта под нагрузкой
представлен на рисунке 4.
Исследование сопротивления грунта вдавливанию зонда. Для
исследования
конусного
индекса
грунта
использован
стандартный
экспериментальный конусный пенетрометр с особо прочным наконечником из
легированной стали 9ХС. Усилие вдавливания регистрировалось при помощи
поверенного датчика ДОС-3-2И. В непосредственной близости от места замера CI
отбирали образцы грунта для лабораторных исследований C, φ, E.
-2.6
0
2
4
6
8
lnε
-3.6
-4.6
-5.6
-6.6
-7.6
ln(εупр)
lnt
ln(εпл,мгн)
ln(εпл,длит)
ln(εобщ)
Рисунок 4 –Вид кривой относительной деформации (логарифмический масштаб)
14
Определение глубины колеи при экспериментальном проходе
гусеничной машины. Исследования по определению глубины колеи проводились
условиях арендной базы ООО «АрскоЛес» (Псковская обл.). В эксперименте
использовался гусеничный трактор ТЛТ-100А. В качестве экспериментальной
трассы выбран прямолинейный участок длиной 100 метров. Трасса движения была
разбита на пикеты через каждые 25 метров, в которых проводились замеры
глубины колеи, зондирование грунта и отбор образцов для лабораторного
исследования механических свойств.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ
И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Результаты исследования реологических и физико-механических
свойств грунта. Реологические параметры, характеризующие скорости развития
быстрых и длительных пластических деформаций грунта, тесно связаны с углом
внутреннего трения и практически не зависят от модулей деформации:
(32)
E1  3,1273E2
(33)
E3  6,3975E2
(34)
2  0,2442  1,6828
(35)
3  0,6387 exp0,407 
Результаты
верификации
предлагаемых
моделей.
Результаты
исследования qS суглинистого и лесного почвогрунта в зависимости от CI
показали, что отклонения расчетных значений от экспериментальных не
превышают 10 – 15 %. Проверка формул для расчета h выполнена на
экспериментальном волоке, отклонение результатов расчета от опытных значений
находится в пределах 7 – 10 %. Для оценки сходимости расчетных значений FR, FT
с практическими наблюдениями результаты расчетов по формулам (20), (21)
сопоставлены со значениями, прогнозируемыми при помощи WES-модели (B = 0,4
м, L = 3,5 м, S = 0,05, tГ = 0,25, лесной почвогрунт). Отклонение результатов
расчета находится в пределах 10 – 12 %.
Практическое применение результатов исследования. Как было показано
по результатам теоретических исследований, эффективное давление со стороны
движителя определяется с помощью поправочных коэффициентов:
(36)
q   0 н д
Среднее напряжение σ0 соответствует среднему давлению движителя:
W
 0  q0 
(37)
2 BL
Максимальное напряжение определим по формуле Роланда:
1,26W
 max  qmax 
(38)
2nFB t Г D
15
где n – число опорных катков, приходящихся на одну гусеницу, D – диаметр
опорного катка, F – площадь части трака как часть tГ, умноженная на B.
Частота колебаний напряжения определяется в зависимости от V и n:
V
  2 n  1
(39)
L
С учетом формул (27)-(29), (36)-(39) получим уравнение:
W 
2 BL 
V
 
q
  qmax
 1  0,33 n  1  0,775   1 
2 BL 
W
L

 
 
 E  
 E 
 1   E2 exp  t 2   E3 exp  t 3  
(40)
 
 2 
  3  
При определении реологических параметров следует пользоваться
формулами (32)-(35), в которых E2 и φ выражаются через конусный индекс
(формулы получены ранее).
Проходимость гусеничных трелевочных машин проанализирована по
комплексному критерию:
F  FR FRЭV
P T
(41)
FTЭ  FRЭ FRVЭ
где индекс Э соответствует эталонному волоку (грунт I категории).
Пример результатов расчета при B = 0,4 м, L = 3,5 м, S = 0,05, tГ = 0,25
представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Результаты расчета комплексного показателя проходимости (а)
глинистый грунт, б) лесной почвогрунт, 1 – q = 60 кПа, 2 – q = 50 кПа, 3 – q = 40
кПа)
Обработка результатов расчета показала, что на всех типах грунта
соотношение q и CI, при котором обеспечивается заданное значение показателя
проходимости, остается приблизительно одинаковым. В таблице 3 представлены
рассчитанные диапазоны изменения соотношения q и CI, при котором
обеспечивается требуемое значение комплексного параметра проходимости
16
гусеничной машины в зависимости от типа грунта (B = 0,4 м, L = 3,5 м, S = 0,05, tГ
= 0,25).
Таблица 3 – Показатель проходимости в зависимости от соотношении
эффективного давления и конусного индекса
Показатель проходимости
Тип грунта
0,75-1 0,5-0,75 0,25-0,5 0-0,25
Песок крупнозернистый < 12
12…13 13…15 15…21
Песок среднезернистый < 7
7…8
8…9
9…11
Песок мелкозернистый < 7
7…7
7…8
8…9
Песок пылеватый
<9
9…10
10…11 11…14
Супесь
<8
8
8…9
9…12
Суглинок
< 10
10…11 11…13 13…18
Глина
< 12
12…13 13…17 17…24
Лесной почвогрунт
<8
8…9
9…11
11…15
Заболоченный грунт
<4
4…6
6…8
8…15
При помощи таблицы 3 на практике можно оценить проходимость
гусеничной машины. Например, при соотношении эффективного давления и
конусного индекса 15 % лесные и заболоченные почвогрунты практически
непроходимы для гусеничных машин, при соотношении 8 – 9 % для лесного и 4 –
6 % для заболоченного грунта проходимость машины удовлетворительна.
Наилучшие показатели проходимости на лесных почвогрунтах обеспечиваются
при соотношении эффективного давления и конусного индекса менее 8 %.
Аналогичным образом формулируются рекомендации по подбору допустимого
давления на остальных типах грунта. При необходимости оценки проходимости
при других конструктивных параметрах движителя расчет производится с
использованием составленной нами программы в среде Maple 2017.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. По результатам анализа известных реологических моделей вязкоупругих и
пластичных тел, а также физической картины деформирования грунта, предлагаем
комбинированную модель грунта, составляющуюся последовательно из элемента
Бингама и двух элементов со структурой модели Кельвина-Фойгта, в которой
вязкий элемент заменен вязкопластическим элементом Шведова-Бингама.
Дифференциальное уравнение, связывающее напряжение и деформацию
комбинированной модели, представлено формулой (22). Модель учитывает
мгновенную упругую деформацию, сопротивление грунта необратимой
деформации при кратковременном и при длительном действии нагрузки, скорости
течения необратимых деформаций при кратковременной и длительной нагрузках,
возможную потерю несущей способности.
2. Анализ поведения разработанной реологической модели показал, что при
воздействии гармонической нагрузки суммарная остаточная деформация
увеличивается относительно случая приложения равномерной нагрузки, причем
17
увеличение определяется как амплитудой, так и частотой колебаний напряжения.
По результатам вычислительного эксперимента над предлагаемой реологической
моделью получено уравнение, связывающее относительное увеличение
остаточной деформации с амплитудой и частотой нагрузки, формула (27).
3. Реологические параметры, характеризующие скорости развития быстрых и
длительных пластических деформаций грунта, тесно связаны с углом внутреннего
трения и практически не зависят от модулей деформации. Модули упругой,
быстрой и длительной пластической деформации, в свою очередь, тесно связаны
друг с другом. Уравнения регрессии, связывающие реологические параметры
лесного почвогрунта, представлены формулами (32) – (35).
4. Для учета неравномерности распределения давления со стороны движителя
и времени воздействия на грунт в расчетах следует пользоваться
скорректированным значением давления на грунт, которое определяется по
среднему давлению на грунт, умноженному на повышающий коэффициент
неравномерности нагрузки по формуле (27) и понижающий коэффициент
кратковременности нагрузки по формуле (29). Уравнение эффективного давления
на грунт с учетом неравномерности распределения давления движителя по пятну
контакта гусеницы с грунтом и скорости движения машины на практике
представлено формулой (40).
5. По результатам обработки расчетных данных установлено, что несущая
способность грунта под воздействием гусеничного движителя связана с
сопротивлением грунта зондированию. Зависимость, позволяющая в полевых
условиях определить несущую способность по конусному индексу и
геометрическим параметрам движителя, выражена формулой (30), коэффициенты
которой представлены в таблице 2.
6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований
получены уравнения, образующие математическую модель, предназначенную для
расчета основных параметров, определяющих проходимость гусеничной машины
с учетом реологии грунта и предложены формулы для полевого исследования
механических свойств грунта, значения которых необходимы для расчетов.
Модель состоит из формул (19)-(21) для расчета показателей взаимодействия
движителя с грунтом, (30) для определения несущей способности грунта по
конусному индексу и (40) для расчета эффективного давления движителя на грунт.
7. Эксперименты подтвердили связь модуля деформации, несущей
способности и конусного индекса. Отклонения расчетных данных от
экспериментальных не превышают 10 – 15 %. Проверка формул для расчета
глубины колеи показала, что отклонение результатов расчета от
экспериментальных значений находится в пределах 7 – 10 %. Результаты
сравнения расчетных значений тягово-сцепных свойств гусеничной машины с
практическими наблюдениями показали, что отклонение результатов расчета по
18
предлагаемой модели от данных WES-модели, полученной экспериментальным
путем, находится в пределах 10 – 12 %. Полагаем, что предлагаемые результаты
исследования прошли верификацию.
8. По результатам расчета обобщенного показателя проходимости по формуле
(41) установлены диапазоны изменения эффективного давления на грунт, при
котором обеспечивается требуемое значение комплексного параметра
проходимости гусеничной машины в зависимости от несущей способности и типа
грунта. Обработка результатов расчета показала, что на всех типах грунта
соотношение эффективного давления на грунт и конусного индекса грунта, при
котором обеспечивается заданное значение показателя проходимости, остается
приблизительно одинаковым. Рассчитанные диапазоны изменения соотношения
давления на грунт и конусного индекса, при котором обеспечивается требуемое
значение комплексного параметра проходимости гусеничной машины
представлены в таблице 3 в зависимости от типа грунта.
9. При помощи таблицы 3 на практике можно оценить проходимость
гусеничной машины в зависимости от типа грунта и эффективного давления
движителя на грунт. Например, при соотношении эффективного давления и
конусного индекса 15 % лесные и заболоченные почвогрунты практически
непроходимы для гусеничных машин, при соотношении 8 – 9 % для лесного и 4 –
6 % для заболоченного грунта проходимость машины удовлетворительна.
Наилучшие показатели проходимости на лесных почвогрунтах обеспечиваются
при соотношении эффективного давления и конусного индекса менее 8 %.
Аналогичным образом формулируются рекомендации по подбору допустимого
давления на остальных типах грунта. При необходимости оценки проходимости
при других конструктивных параметрах движителя расчет производится с
использованием составленной нами программы в среде Maple 2017.
Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в следующих
печатных работах:
В изданиях из перечня ВАК:
1. Дмитриева М.Н., Лухминский В.А., Хахина А.М. Математическая модель для
расчета глубины колеи при работе малогабаритного трелевочного трактора. Известия
Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2017. № 219. С. 144-155.
2. Хитров Е.Г., Дмитриева М.Н., Лухминский В.А., Хахина А.М., Григорьев И.В.,
Иванов В.А. Теоретический расчет конусного индекса заболоченного грунта. Системы.
Методы. Технологии. 2017. № 4 (36). С. 152-156.
3. Дмитриева М.Н., Григорьев И.В., Лухминский В.А., Казаков Д.П., Хахина А.М.
Экспериментальные исследования конусного индекса и физико-механических свойств
заболоченного грунта. Лесотехнический журнал. 2017. Т. 7. № 4 (28). С. 167-174.
4. Иванов В.А., Коротков Р.К., Хахина А.М., Лухминский В.А., Дмитриева М.Н.
Взаимосвязи сдвиговых напряжений и деформаций лесного почвогрунта. Системы.
Методы. Технологии. 2016. № 4 (32). С. 142-147.
19
5. Хитров Е. Г., Хахина А. М., Лухминский В. А., Казаков Д. П. Исследование связи
конусного индекса и модуля деформации различных типов грунтов. Resources and
Technology, том 14 (2017), номер 4, 1 - 16 C.
В прочих изданиях:
6. Дмитриева М.Н., Лухминский В.А., Казаков Д.П., Кутузов Д.А. Оценка
радиальной деформации пневмоколеса при качении по слабонесущему грунту. В
сборнике: Леса России: политика, промышленность, наука, образование Материалы
Второй международной научно-технической конференции. 2017. С. 33-35.
7. Дмитриева М.Н., Лухминский В.А., Казаков Д.П., Кутузов Д.А. Физикомеханические свойства слабонесущих грунтовых поверхностей. В сборнике: Леса
России: политика, промышленность, наука, образование Материалы Второй
международной научно-технической конференции. 2017. С. 35-38.
8. Дмитриева М.Н., Лухминский В.А., Казаков Д.П., Кутузов Д.А. Расчёт осадки
штампа при вдавливании в слабонесущий грунт. В сборнике: Леса России: политика,
промышленность, наука, образование Материалы Второй международной научнотехнической конференции. 2017. С. 38-40.
9. Лухминский В.А., Божбов В.Е., Казаков Д.П. Определение несущей способности
грунта по конусному индексу. Материалы МНПК "Роль науки в развитии социума:
теоретические и практические аспекты", г. Санкт-Петербург, 9-10 февраля 2018. C. 173177.
Просим принять участие в работе диссертационного Совета или прислать
Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по
адресу 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, Ученому секретарю
диссертационного совета Д212.008.01.
20
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
507 Кб
Теги
гусеничных, методов, лесные, прогнозирование, моделей, совершенствование, проходимости, машина
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа