Диссертация (Разработка метода расчета сопротивления качению и теплообразования в массивных шинах при стационарных режимах движения)

Московский государственный технический университетимени Н. Э. БауманаНа правах рукописиСеменов Владимир КонстантиновичРазработка метода расчета сопротивления качению итеплообразования в массивных шинах при стационарныхрежимах движенияСпециальность 01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов иаппаратурыДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:доктор технических наук,профессорБелкин Александр ЕфимовичМосква, 2016 г.2ОглавлениеВведение . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1. Обзор литературы по решению контактной задачикачения с учетом рассеяния энергии в материале . . . . .1.1 Упругость резин при умеренных деформациях . . . . . . . .1.2 Модели вязкоупругого поведения резин . . . . . . . . . . . .1.3 Обзор решений контактной задачи качения .

. . . . . . . . .1.4 Выводы по первой главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 2. Исследование упруго-гистерезисных свойств резины массивной шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.1 Экспериментальное изучение упруго-гистерезисных свойств резины . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2.2 Определение параметров вязкоупругой модели материала изэксперимента на одноосное циклическое сжатие . . . . . . .2.3 Выводы по второй главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 3. Экспериментальное исследование контакта, сопротивления качению и саморазогрева массивной шины приобкатке на барабанном стенде . . . . . . . .

. . . . . . . . . .3.1 Определение нагрузочной характеристики шины при обжатиина плоскую опорную поверхность . . . . . . . . . . . . . . . .3.2 Исследование контакта неподвижной массивной шины с плоской опорной поверхностью . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.3 Измерение сопротивления качению и температуры саморазогрева шины . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.4 Выводы по третьей главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 4. Решение контактной задачи качения массивнойшины по беговому барабану . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.1 Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4.2 Принцип виртуальных работ Лагранжа . . . . . . .

. . . . .4.3 Приближенное вычисление работы внутренних сил . . . . .4.4 Выполнение условий нормального контакта шины с барабаномметодом штрафа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Стр.411113253697171869395969710111111311312112512634.5 Выполнение условий сцепления в области контакта шины с барабаном . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .4.6 Применение метода конечных элементов для решения задачиобкатки массивной шины по барабану . . . . . . . . . . . . .4.7 Исследование поля температур при стационарном качении массивной шины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .4.8 Выводы по четвертой главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 5. Верификация метода расчета сопротивления качению и теплообразования на массивной шине типоразмера630 × 170 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.1 Нормальный контакт неподвижной шины с плоской опорнойповерхностью . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5.2 Свободное качение шины по беговому барабану . . . . . . . .5.3 Температуры саморазогрева шины . . . . . . . . . . . . . . .5.4 Влияние конструктивных параметров шины на основные эксплуатационные характеристики . . . . . . . .

. . . . . . . . .5.5 Выводы по пятой главе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Общие выводы по работе . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Приложение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .П.1. Программа расчета . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1271281351391401401441491511531541561721724ВВЕДЕНИЕМассивные шины широко используются в транспортных средствах гражданского и военного назначения. Они являются основным типом шин для напольного колесного безрельсового авто- и электротранспорта, предназначенного для загрузки и разгрузки железнодорожных вагонов, контейнеров, грузовыхавтомобилей и прицепов, трюмов морских и речных судов, при штабелированиитарно-штучных грузов в условиях крытых складов, для внутри- и межцеховойтранспортировки различных грузов. Массивные шины используются в качественаправляющих роликов шахтных скипов, эскалаторов метрополитена, транспортных лент, фрикционных передач различных типов и т.д.

[20]. Наконец,без массивных шин невозможно создание гусеничных движителей, обеспечивающих повышенную проходимость и позволяющих длительно передвигаться свысокими скоростями по всем видам дорог (Рисунок 1).(а) Гражданский гусеничный (б) Гражданский гусеничныйтранспорттранспорт(в)Внутрипортовый и(г) Двухрядный гусеничныйдвижитель военноговнутризаводской транспорттранспортаРисунок 1. Применение массивных шинС момента создания первых массивных шин в сороковых годах XIX столетия их конструкция претерпела множество изменений. Большие нагрузки,5действующие на эти шины, и неблагоприятные условия эксплуатации определили их принципиальное строение.

Современные массивные шины состоят изсплошного резинового или полиуретанового массива, прикрепленного к колесу. Различают бандажные, дисковые и безбандажные шины. В первом случаерезиновый массив крепится к металлическому кольцу – бандажу, во втором –непосредственно к колесу. Безбандажные шины (съемные) укрепляют на колесах механическим способом – запрессовкой с натягом или зажимом междуразъемными ободами. По способу крепления резинового массива к бандажуили к ободу колеса различают шины эбонитового и клеевого крепления.В диссертационной работе рассматриваются дисковые шины клеевого крепления.

В качестве примера на Рисунке 2 представлен сборочный чертеж однойиз таких шин, которая устанавливается на танки Т-80, Т-90 и на машины, производимые ОАО «Мытищинским машиностроительным заводом».148,3R10557545,5630R108o10 o10162,6Рисунок 2. Массивная шина 630×170Металлические диски этих шин изготавливаются из алюминиевого сплава. Резиновый массив привулканизовывается к диску при помощи технологиилитьевого прессования с использованием гранул, что позволяет избежать каландрового эффекта [8].6Выход из строя массивных шин происходит в результате механических повреждений и развития дефектов усталостного и термоусталостного характера,а также отслоения резинового массива от обода колеса под действием напряжений сдвига.

Избежать преждевременного разрушения этих шин можно лишьпри успешном сочетании физико-механических характеристик резины и геометрии профиля резинового массива. Критериями успешного подбора резиныи геометрии при разработке новой конструкции шины являются:• равномерность распределения по ширине беговой поверхности давления исил трения;• снижение сопротивления качению шины;• уменьшение значений максимальных температур в резиновом массиве;• снижение напряжений в зонах их концентрации.В настоящее время оценка того, насколько новая конструкция лучше удовлетворяет перечисленным критериям по сравнению с существующими аналогами, проводится на основе анализа результатов стендовых испытаний пробнойпартии шин.

Такой подход требует больших затрат времени и материальныхресурсов. Поэтому разработка метода расчета сопротивления качению и теплообразования в массивных шинах является актуальной задачей. При этом возникает потребность в создании программного обеспечения, позволяющего эффективно (с минимальными затратами времени счета и ресурсов ЭВМ) проводитьанализ напряженного и теплового состояния шины.Целью диссертационной работы является разработка метода прогнозирования потерь при качении и теплообразования в массивных шинах на стадии проектирования на основе простых лабораторных испытаний образцов резины.Для реализации поставленной цели проведены следующие исследования.1.

Изучены упруго-гистерезисные свойства резины 4Э-1386, используемой припроизводстве массивных шин.2. Определены значения параметров математической модели Бергстрема-Бойсдля шинной резины при вязкоупругом циклическом деформировании.73. Экспериментально изучены распределения контактных давлений, характеристики сопротивления качению и температуры саморазогрева шины приразличных нагрузках.4.

Численно решена вязкоупругая контактная задача свободного стационарного качения массивной шины по поверхности бегового барабана. Проведенанализ напряженно-деформированного и теплового состояний шины. Выполнена верификация с экспериментом.5. Исследовано влияние геометрических параметров шины на основные характеристики – силу сопротивления качению, максимальную температурусаморазогрева, максимальное касательное напряжение у поверхности обода.Методы исследования. Работа по экспериментальному исследованиюупруго-гистерезисных свойств резины при сжатии коротких цилиндрическихобразцов проведена на электродинамическом стенде ElectroPuls E1000 фирмыInstron.Экспериментальное исследование контакта неподвижной массивной шиныс плоской опорной поверхностью проведено в ООО «Шинный испытательныйцентр «Вершина» (г.

Ярославль) при помощи сенсора IX500:256.256.16 фирмыXSENSOR Technology Corporation и в лаборатории кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) на стенде Zwick/Roell Z100.Экспериментальное определение сопротивления качению и температурывнутри резинового массива шины в режиме свободного стационарного каченияпо беговому барабану выполнено в ООО «НТЦ «НИИШП» (г.