авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование методов обеспечения прочностной надежности несущих систем промышленных тракторов на основе моделирования динамических процессов эксплуатации и накопления усталостных повреждений

На правах рукописи

Халтурин Виктор Константинович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТНОЙ

НАДЕЖНОСТИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРАКТОРОВ

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

ЭКСПЛУАТАЦИИ И НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Специальности:

05.05.03 – Колесные и гусеничные машины;

01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2009

Работа выполнена в Южно-Уральском государственном университете и ОАО «Научно-исследовательский институт автотракторной техники».

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Березин Игорь Яковлевич;

кандидат технических наук, доцент, заслуженный машиностроитель Российской Федерации Бондарь Владимир Николаевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Шефер Леопольд Анатольевич;

кандидат технических наук Трояновская Ирина Павловна.

Ведущее предприятие: ООО «ГСКБ ЧТЗ».

Защита диссертации состоится «23» декабря 2009 г., в 15 часов, на заседа нии диссертационного совета Д 212.298.09 в Южно-Уральском государственном университете: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76, ауд. 103/АТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского го сударственного университета.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В. И. Ленина, 76, ЮУрГУ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Телефон для справок (351) 267-91-23.

Автореферат разослан «20» ноября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Лазарев Е. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Характерным для условий работы дорожно строительных машин является наличие интенсивного силового и кинематиче ского воздействия со стороны внешней среды. В связи с этим при решении во просов производительности, экономичности, прочностной надежности и других возникает необходимость отображения на ранних стадиях проектирования ус ловий реальной эксплуатации и динамического поведения машин путем моде лирования процессов эксплуатации при проектировании новых изделий.

В настоящее время прочностные расчеты в большинстве случаев базиру ются на учете максимальных статических нагрузок и кратковременных характе ристик прочности материалов. Очевидно, такой подход не отражает динамиче ский характер нагружения элементов конструкций, а также процессы накопления усталостных и износовых разрушений деталей, преимущественно возникающих в реальных условиях эксплуатации дорожно-строительных машин. Поэтому обычно в случаях проявления прочностных дефектов при испытаниях опытных образцов или при массовой эксплуатации серийной продукции возникает необ ходимость проведения экспериментальных работ с помощью тензометрирования в зонах образования усталостных повреждений с последующей оценкой ресурса деталей и их «усилением» путем опробования различных конструктивных вари антов. Масштабные исследования применительно к промышленным тракторам проводились в Челябинском филиале НАТИ с целью разработки методик прове дения натурных испытаний и расчетов долговечности конструкций.

В ряде передовых отраслей наметилась тенденция к внедрению расчет ных методов, обеспечивающих прогнозирование и управление надежностью изделий на ранних стадиях проектирования. В частности, начиная с 80-х годов на кафедре Прикладная механика, динамика и прочность машин ЮУрГУ про водятся работы по созданию прикладной теории и инженерных методов обес печения надежности ходовых систем быстроходных гусеничных машин. В предлагаемой диссертационной работе упомянутый подход получает развитие в более сложную область, связанную с обеспечением прочностной надежности несущих систем дорожно-строительных машин на базе гусеничных промыш ленных тракторов.

Целью диссертационной работы является разработка комплексного под хода к задаче обеспечения прочностной надежности дорожно-строительной тех ники, отображающего процессы случайного внешнего воздействия со стороны ра бочих органов и ходовой части на корпус промышленного трактора, его конструк тивные особенности, характер технологических процессов землеройных работ и оценку усталостной долговечности при многопараметрическом нагружении.

Для достижения указанной цели возникает необходимость решения сле дующих задач:

1. Проведение циклов полигонных и полевых исследований процессов силового и кинематического воздействия со стороны рабочих органов и ходо вой части;

выявление определяющих факторов и формулировка требований к математической модели, описывающей процессы реальной эксплуатации буль дозерно-рыхлительного агрегата.

2. Создание математической модели нагружения и разработка программ ного обеспечения для ее реализации, проведение расчетных исследований и проверка адекватности модели.

3. Разработка методических вопросов, связанных с исследованием полей напряжений в элементах конструкции при многопараметрическом случайном нагружении и обоснованием методик расчета ресурса.

4. Разработка практических рекомендаций, направленных на повышение ресурса корпуса бортовых фрикционов промышленного трактора ЧТЗ.

Объект исследования – процессы нагружения и накопления усталостных повреждений несущей системы промышленного трактора в бульдозерно рыхлительном агрегате.

Методы исследования. При построении математической модели, описы вающей динамику промышленного трактора с полужесткой подвеской в составе бульдозерно-рыхлительного агрегата, применены методы теоретической механи ки, дифференциального и интегрального исчисления, реализованные с использо ванием прикладных методов вычислительной математики. Расчет напряженного состояния тяжело нагруженных элементов выполнен с помощью метода конечных элементов. Обработка экспериментальных данных выполнена на основе примене ния методов математической статистики и спектрального анализа.

Обоснованность принятия основных допущений основана на выявленных в результате экспериментальных исследований и анализа работы бульдозерно рыхлительного агрегата важных эффектов, причины возникновения которых обусловлены особенностями технологии проведения землеройных работ и схе мой промышленного трактора.

Научную новизну диссертации составляют:

1. Результаты выполненных экспериментальных исследований в условиях реальной эксплуатации трактора, которые позволили выявить и оценить значи мость определяющих факторов, обусловленных воздействием внешней среды на рабочие органы и ходовую систему, а также конструкцией промышленного трактора и особенностями технологических процессов землеройных работ.

2. Математическая модель, которая в отличие от известных содержит и комплексно учитывает влияние выявленных определяющих факторов на работу несущей системы промышленного трактора в составе бульдозерно рыхлительного агрегата при выполнении им рабочего процесса, в частности:

– наличие двух случайных входных воздействий: силового со стороны ра бочих органов и кинематического со стороны ходовой системы;

– наличие существенных нелинейностей системы подрессоривания, связанных с изменчивостью структуры полужесткой подвески промышленного трактора;

– цикличность действия рабочих нагрузок, обусловленная изменениями ха рактеристик рабочего процесса бульдозера и наличием явления экстремального буксования при выполнении операции бульдозирования.

Достоверность результатов обеспечена строгим математическим обос нованием разработанных методов расчета, подтверждена сопоставлением рас четных и экспериментальных результатов, а также данными о наработке на от каз в условиях массовой эксплуатации бульдозерно-рыхлительных агрегатов.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации методика и соот ветствующее программное обеспечение внедрены в практику работы ГСКБ ЧТЗ, что позволяет осуществлять моделирование процессов нагружения бульдозерно рыхлительного агрегата и прогнозирование ресурса элементов несущей системы трактора на ранних этапах проектирования (акт внедрения прилагается). В на стоящее время результаты, полученные в диссертации, используются при выпол нении опытно-конструкторских работ, проводимых ГСКБ ЧТЗ по совершенство ванию конструкции несущей системы семейства промышленных тракторов ЧТЗ.

Реализация работы. В соответствии с рекомендациями, сформулирован ными в диссертации, созданы опытные образцы тракторов Т10М, которые в на стоящее время проходят испытания.

Работа по внедрению предложенного подхода на головных предприятиях дорожно-строительной отрасли включена в план НИР научно-исследовательского института автотракторной техники (г. Челябинск).

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуж дены на научно-технической конференции Челябинского государственного агро инженерного университета «Повышение эффективности работы сельскохозяйст венных тракторов и их двигателей», ЧГАУ, г. Челябинск, 2007 г.;

Всероссийской научно-технической конференции «Современное состояние и инновации транс портного комплекса», ПГТУ, г. Пермь, 2005 и 2008 гг.;

Всероссийской научно технической конференции «Проблемы безопасности», УрО РАН, г. Екатеринбург, 2007 г.;

на семинаре отдела института Машиноведения УрО РАН, СКБМ и кафед ры гусеничных машин КГУ, г. Курган, 2009 г.;

на технических советах Челябин ского тракторного завода в 2008 г.;

на научно-технических конференциях Южно Уральского государственного университета в период 2007–2009 гг.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 пе чатных научных работах, в том числе 2 работы в ведущих рецензируемых на учных журналах Перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержание работы изложено на 149 страницах машинописного текста, включая 89 рисунков и 1 таблицу, список использованных источников из 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы. Дана краткая характери стика состояния проблемы обеспечения возрастающих требований по надежно сти и ресурсу изделий транспортного машиностроения, определены цель и за дачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность результатов.

В первой главе рассмотрены особенности условий работы и эксплуата ционной нагруженности бульдозерно-рыхлительных агрегатов. Известные ме тоды расчетов основываются на использовании статических уравнений равно весия усилий со стороны силовой установки и реакций, приложенных к рабо чим органам и ходовой части, со стороны внешней среды. Аналитические мо дели силовых и энергетических характеристик рабочих процессов землеройных агрегатов представлены в фундаментальных работах И.А. Артемьева, В.И. Баловнева, Ю.А. Ветрова, Н.Г. Домбровского, А.Н. Зеленина, Б.М. Позина, Д.И. Федорова и других авторов.

Вопросы моделирования динамики тракторов и быстроходных гусенич ных машин исследованы в работах В.Я. Аниловича, И.Б. Барского, Г.С. Белоутова, А.А. Благонравова, В.В. Гуськова, А.А. Дмитриева, Н.А. Забавникова, Г.О. Котиева, В.И. Красненькова, Г.М. Кутькова, А.О. Никитина, А.А. Полунгяна, В.А. Савочкина, Л.В. Сергеева, В.М. Шарипова и других авторов.

Решение задачи динамики трактора с полужесткой подвеской приведено в работах И.Б. Барского, В.Я. Аниловича, Г.М. Кутькова, Д.Б. Чернина и других авторов, однако, эти подходы имеют ряд ограничений, которые не позволяют учесть в полной мере особенности работы промышленного трактора с полужест кой подвеской. Наиболее близко к теме диссертации предшествуют исследова ния Г.М. Кутькова, где излагаются математические и экспериментальные методы описания динамических процессов в сельскохозяйственных тракторах. В связи с принципиальными отличиями условий работы и, соответственно, конструкций несущих систем и подвесок промышленного и сельскохозяйственного тракторов, применение упомянутой методики для анализа динамики промышленного трак тора нуждается в соответствующем развитии.

Применительно к промышленным тракторам большая часть научно исследоваельских и опытно-конструкторских работ, базирующихся на экспе риментальных исследованиях эксплуатационной нагруженности промышлен ных тракторов проведена службами Челябинского тракторного завода, Чебок сарского завода промышленных тракторов, Научно-исследовательского инсти тута автотракторной техники (ЧФ НАТИ), НАТИ, УралНИИС. Значительные по объему и научному уровню экспериментальные исследования рабочих на грузок проведены В.И. Костюченко;

вопросам обеспечения надежности несу щих систем промышленных тракторов посвящены многочисленные работы, выполненные в Челябинском политехническом институте Н.И. Гриненко и под руководством Б.Г. Поликаренкова в ЧФ НАТИ (ОАО «НИИАТТ»).

Фундаментальные исследования полей напряженно-деформированного состояния тяжело нагруженных элементов несущих систем промышленных тракторов и прогнозирования их ресурса посвящены широко известные работы, совмещающие в себе экспериментальные и расчетные исследования С.С. Дмитриченко и О.А. Русанова. Начиная с 70-х годов ими в отделе надеж ности НАТИ было развернуто перспективное направление, принципиально от личающееся от «чисто экспериментального» тем, что в нем расчетные исследо вания напряженности и прогнозирование прочности несущих систем тракторов осуществляется на ранних стадиях проектирования.

Поскольку большинство отказов элементов несущих систем тракторов определяется процессами зарождения и докритического развития усталостных повреждений, то важное значение приобретает вопрос о прогнозировании ре сурса тяжело нагруженных узлов. Для его решения в диссертационной работе применен получивший широкое распространение метод С.В. Серенсена и В.П. Когаева, который в настоящее время приобрел статус нормативных доку ментов. Известны другие подходы к решению задачи усталостной долговечно сти, обладающие рядом преимуществ к их числу относятся работы В.Б. Бойцо ва, А.С. Гусева, С.С. Дмитириченко и др. Одно из эффективных направлений разработано профессором ЮУрГУ Л.А. Шефером, в котором предельное по ус талости состояние материалов представляется обобщенной диаграммой, осно ванной на вероятностных параметрах случайных процессов нагружения и ста тистических закономерностях усталостной прочности.

Во второй главе описана методика экспериментальных исследований на груженности промышленного трактора при выполнении им рабочих операций, приведены результаты анализа экспериментальных исследований и сформули рованы требования к математической модели.

Исследования выполнены на базе полигона Испытательного центра ООО «ГСКБ ЧТЗ» (пос. Мисяш) при разработке бульдозерным и рыхлительным аг регатами на базе трактора Т10М суглинка и разборного каменистого грунта в карьере. Все рабочие операции выполнялись на первой передаче при прямоли нейном движении в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию.

Специально созданный комплекс измерительных устройств и аппарату ры, позволил при выполнении рабочих операций бульдозерно-рыхлительным агрегатом осуществлять непрерывную регистрацию случайных процессов из менения усилий, действующих на корпус трактора со стороны рабочих орудий.

В качестве датчиков усилий использованы штатные элементы крепления буль дозерного и рыхлительного оборудования к несущей системе трактора (цапфы крепления толкающих брусьев и пальцы гидроцилиндров).

На осциллограмме процессов изменения внешних сил на корпус трактора при бульдозировании отчетливо видна цикличность нагрузок (рис. 1, а), вы званная выглублениями отвала с целью предотвращения остановки трактора при повышении уровня буксования гусеничного движителя. Помимо нагрузок со стороны рабочих органов, рама трактора испытывает кинематическое на гружение со стороны ходовой системы. Так во время движения трактора по не ровностям элементы несущей системы подвержены нагружению вследствие возникновения явления пробоя полужесткой подвески (рис. 1, б).

Для случайных процессов изменения измеренных нагрузок определены ос новные характеристики – математическое ожидание, дисперсия, эмпирическая корреляционная функция, коэффициент сложности структуры. Вид спектральных а) P, кН - 20 30 40 50 60 t, c вертикальное усилие;

горизонтальное усилие б) Пробои подвески, МПа Откат Прямой ход - 10 30 50 70 t, c Рис. 1. Фрагменты осциллограмм процессов изменения нагрузок со стороны отвала на корпус трактора (а) и напряжений в опасной зоне рамы (б) при бульдозировании суглинка плотностей (рис. 2) и значения коэффициента сложности структуры указывают на то, что исследуемые случайные функции относятся к широкополосным процес сам, при этом их основная мощность сосредоточена в низкочастотной области в интервалах = 0…10 рад/с. По-видимому, отмеченное объясняется наличием в процессах постоянных составляющих, обусловленных резанием грунта и переме щением призмы, а также низкочастотным (1…4 рад/с) управляющим воздействи ем со стороны водителя по выглубле S P, кН2с нию и заглублению отвала. Анализ результатов экспери- разборный ментальных исследований выявил 750 каменистый грунт необходимость включения в модель динамики промышленного трактора суглинок учет дополнительных факторов, оп- ределивших научную новизну дис сертационной работы, а именно: 20рад/c, 0 10 1. Необходимость одновременного Рис. 2. Спектральные плотности отображения двух связанных вход процессов изменения суммарного ных воздействий – силового со сто горизонтального усилия со стороны роны рабочих органов и кинематиче бульдозерного оборудования ского со стороны ходовой системы.

2. Необходимость учета наличия существенной нелинейности системы подрес соривания, связанной с изменчивостью ее структуры.

3. Необходимость отображения цикличности рабочих нагрузок, связанной с наличием явления экстремального буксования при бульдозировании.

4. При сравнительных расчетах, обычно выполняемых на этапах модерниза ции базовых моделей трактора, является целесообразным применение более компактного способа задания нагрузок от рабочих органов в виде случайного вектора, который является равнодействующей внешних сил со стороны разра батываемого грунта на рабочий орган.

В третьей главе рассматривается математическая модель процесса экс плуатации промышленного трактора. Бульдозерно-рыхлительный агрегат сле дует рассматривать как связанную, существенно нелинейную систему, испыты вающую случайное нестационарное внешнее воздействие. Основные исходные положения и допущения сводятся к следующему: Применительно к конструк ции трактора: 1) учитываются существенные нелинейности, связанные с пе ременностью структуры элементов системы;

2) корпус трактора и элементы не сущей системы (кроме подвески) на этапе определения процессов изменения обобщенных координат рассматриваются как абсолютно жесткие тела;

3) тягово-скоростные характеристики двигателя внутреннего сгорания описы ваются его статической характеристикой;

4) гусеничный обвод считается неде формируемым;

5) рассматривается промышленный трактор с механической трансмиссией как вариант, отличающийся наиболее высокой интенсивностью нагружения;

Применительно к воздействиям внешней среды: 6) в качестве Pгц,пр г Pгц,пр в А MK g M дв iтр с, µ пр, Pцп,пр в лев Pцп,пр г PT MT g А Y lгр) (i h(X) Pгрi ) ( О г Pрых сгр, µ гр в Pрых X Рис. 3. Схема к математической модели процесса эксплуатации промышленного трактора в составе бульдозерно-рыхлительного агрегата входных воздействий рассматриваются: профиль пути со стороны ходовой сис темы и нагрузки со стороны рабочих органов;

7) дорожное полотно рассматри вается как податливая среда;

Применительно к технологическому процессу, вы полняемому бульдозерно-рыхлительным агрегатом: 8) учитывается экстре мальное буксование, как неотъемлемая часть технологического процесса;

9) рассматривается только прямолинейное движение бульдозерно рыхлительного агрегата.

С учетом сформулированных выше требований и допущений выбрана расчетная схема бульдозерно-рыхлительного агрегата (рис. 3). В качестве обобщенных координат, определяющих положение трактора с рабочим органом на грунте, приняты семь следующих физических величин: горизонтальная ( X ) и вертикальная (Y ) координаты оси ведущего колеса, углы поворота корпуса трактора ( ) и гусеничных тележек ( лев, пр ) в продольной вертикальной плоскости, угол поворота корпуса трактора в поперечной вертикальной плоско сти ( ), угол поворота осей ведущих колес ( ). С применением процедуры Ла гранжа II рода составлена система дифференциальных уравнений, определяю щих движение бульдозерно-рыхлительного агрегата в процессе работы:

( 2M + M ) X = P г,пр ( t ) + P г, лев ( t ) Р г,пр ( t ) Р г, лев ( t ) + Р M i r ;

(1) гц гц цп цп дв тр в. к.

T K T M T 2 (Y + g ) + 0,5 LT ( лев + пр ) + M K Y + g + 0,5 LK = = Pцп,пр ( t ) + Pцп, лев ( t ) Ргц,пр ( t ) Pгц, лев ( t ) + Pгрi,)пр ( h ) + Pгрi,)лев ( h ) ;

в в в в ( ( (2) i i 0,5M K LK Y + g + 0,5 LK + J K Z cL2 a L + 0,5 ( лев + пр ) µ L2 0,5 ( лев + пр ) = = ( Pгц,пр ( t ) + Pгц, лев ( t ) ) xK ( Pгц,пр ( t ) + Pгц, лев ( t ) ) yK ;

в в г г (3) 0,5M T LT Y + g + 0,5b + 0,5 LT лев + J TZ лев + +0,5cL2 a L + 0,5 ( лев + пр ) + 0,5µ L2 0,5 ( лев + пр ) = = Pцп, лев ( t ) xT Pцп, лев ( t ) yT + Pгрi,)лев ( h ) lгр) ;

в г ( (i (4) i 0,5M T LT Y + g 0,5b + 0,5 LT пр + J TZ пр + +0,5cL2 a L + 0,5 ( лев + пр ) + 0,5µ L2 0,5 ( лев + пр ) = = Pцп,пр ( t ) xT Pцп,пр ( t ) yT + Pгрi,)пр ( h ) lгр) ;

в г ( (i (5) i M T b 0,25LT ( лев пр ) + 0,5b + J K X + 2 J TX = в в = 0,5b Pгц,пр + Pцп, лев + Pгрi,)лев ( h ) 0,5b Pгц, лев + Pцп,пр + Pгрi,)пр ( h ) ;

в в ( ( (6) i i J пр = M дв iтр PT rв.к..

(7) Помимо дифференциальных уравнений, определяющих движение буль дозерно-рыхлительного агрегата, возникает необходимость включения в мате матическую модель уравнения связи, которое по известным силам сопротивле ния установит соотношение между теоретической и действительной скоростя ми движения. Учет буксования гусеничного движителя выполнен с помощью известного эмпирического выражения для определения коэффициента буксова ния при непостоянном сцепном весе. В выбранных обобщенных координатах уравнение буксования запишется следующим образом:

0, ( ) (r X ) r = 1 1 v v (8).

в.к. в.к. кр кр max где vкр – удельное тяговое усилие на крюке;

vкр max – максимальный коэффици ент сцепления по тяговому усилию на крюке.

В системе уравнений (1)–(7) не отображена нелинейность характеристики системы подрессоривания, обусловленная конструкцией промышленного трак тора. Во время движения трактора по неровностям возможны замыкания ба лансирного устройства на один из лонжеронов, при этом происходит скачкооб разное изменение жесткости поперечной балки почти в два раза (определено расчетом). В итоге система дифференциальных уравнений дополняется услови ем возникновения замыкания балансирного устройства:

c1, если лев и пр ;

c= (9) с2, если лев или пр, где – угол поворота корпуса трактора относительно гусеничных тележек, при котором происходит замыкание балки на лонжерон.

Поскольку в конструкции полужесткой подвески оси опорных катков жестко закреплены по длине гусеничной тележки, то постоянная связь каж дого опорного катка с поверхностью случайного профиля отсутствует, что также делает рассматриваемую систему нелинейной. Этим предлагаемая ма тематическая модель отличается от известных, описывающих динамику трактора с индивидуальным и кареточным подрессориванием. Явление отры ва опорных катков отражено в разработанной математической модели в не явной форме – в виде моментов от реакций Pгрi ) со стороны грунта относи ( тельно оси ведущего колеса в уравнениях (4), (5). Вопрос распределения уси лий между опорными катками со стороны податливого грунта решается ком плексно с системой уравнений (1)–(9).

Таким образом, в рамках принятых исходных положений и допущений систему из семи дифференциальных уравнений (1)–(7), уравнение связи (8) и условие, отображающее изменчивость структуры полужесткой подвески про мышленного трактора (9) можно рассматривать в качестве математической мо дели, описывающей динамику бульдозерно-рыхлительного агрегата.

Реализация математической модели может быть выполнена различными способами, отличающимися применяемым математическим аппаратом, спосо бом задания случайного внешнего воздействия, информативностью и достовер ностью получаемых результатов. Математическая модель реализована путем численного интегрирования дифференциальных уравнений с помощью специ ально созданного комплекса вычислительных программ. При этом входные процессы на корпус и ходовую систему трактора синхронно задаются в виде ансамблей случайных реализаций, каждый из которых соответствует различ ным видам землеройных работ.

В диссертации приводятся результаты исследований нагруженности эле ментов несущих систем трактора, а также других силовых и кинематических параметров. На рис. 4 в качестве примера иллюстрируются результаты после довательного перехода от экспериментально полученных процессов внешнего воздействия со стороны рабочих органов к моделируемым процессам измене ния обобщенных координат и затем к динамическим нагрузкам на различные исследуемые элементы несущей системы трактора.

200 0, Y,м P, кН 0, 0, 20 25 30 35 t, c 20 25 30 35 t, c б) а) -0,02, рад F, кН, рад - -0, -0, 20 25 30 35 t, c 20 25 30 35 t, c г) в) а) суммарное горизонтальное усилие со стороны отвала бульдозера на корпус трактора, измеренное в условиях реальной эксплуатации при бульдозировании суглинка;

б) вертикальная координата оси ведущего колеса;

в) углы поворота гусеничной тележки и корпуса трактора ;

г) нагрузка на поперечную балку со стороны корпуса трактора Рис. 4. Фрагменты осциллограмм, иллюстрирующие порядок последователь ного перехода от экспериментально измеренных нагрузок на рабочих орга нах к нагрузкам, воспринимаемым элементами несущей системы трактора Применение комплекса разработанных программ позволило выполнить ряд расчетных исследований в широком диапазоне изменения параметров и условий работы, в частности: влияние жесткости поперечной балки и величины зазора в зоне контакта с лонжероном на уровень максимальных ускорений на месте креп ления кресла водителя, определяющих уровень комфортности работы, в транс портном режиме. Было установлено, что наибольшие ускорения возникают в мо менты пробоев подвески;

при этом снижение жесткости балансирного устройства благоприятно сказывается на уровне максимальных ускорений, но приводит к возрастанию числа пробоев в единицу времени. Увеличение зазора в зоне контак та ведет к одновременному снижению максимальных ускорений и числа пробоев (рис. 5). В диссертации также приводятся результаты исследования эксплуатаци онной нагруженности других элементов несущей системы трактора.

Таким образом, предложенная математическая модель процесса эксплуа тации бульдозерно-рыхлительного агрегата позволяет достаточно полно ото бразить динамические процессы, протекающие в различных элементах несущей системы трактора.

Математическое Количество пробоев, Дисперсия, (м/с2) ожидание, м/с2 1/час 2, 9, 8,5 1, 8,0 1, 7,5 1,5 7,0 0 – жесткий балансир ( = 25 мм) – листовая рессора ( = 25 мм) – жесткий балансир ( = 50 мм) – листовая рессора ( = 50 мм) Рис. 5. Статистические характеристики максимальных ускорений в моменты пробоев подвески на месте крепления кресла водителя при движении тракторов по наезженной грунтовой дороге с различной конструкцией балансирного устройства В четвертой главе рассмотрены методические вопросы решения специфи ческих для дорожно-строительной техники задач, в частности: 1) переход от слу чайных функций изменения во времени обобщенных координат к процессам из менения нагрузок, действующих на различные узлы и детали;

2) расчет полей на пряжений в конструкциях при многопараметрическом случайном нагружении;

3) определение потенциально опасных зон с точки зрения зарождения и развития усталостных повреждений;

4) расчетная оценка и разработка предложений по обеспечению требуемой усталостной долговечности.

В качестве примера в диссертации рассмотрена задача о прогнозировании долговечности поперечной балки трактора. Определены процессы изменения нагрузки, действующей на нее со стороны корпуса трактора при работе тракто ра в составе бульдозерного и рыхлительного агрегатов при разработке суглинка II категории плотности (рис. 4, г) и разборного каменистого грунта в карьере.

Применение метода конечных элементов позволило выявить несколько наибо лее напряженных зон балансира и определить соответствующие коэффициенты влияния. Для наиболее напряженной зоны построен блок нагружения и на ос нове корректированной гипотезы линейного суммирования повреждений вы полнена оценка долговечности балансира по критерию усталостного разруше ния с учетом рассеяния усталостных свойств материала.

В пятой главе рассматривается реализация предложенного подхода к ре шению одной из актуальных задач, связанной с обеспечением требуемого ресур са корпуса бортовых фрикционов (КБФ) базового трактора ЧТЗ (рис. 6). Анализ данных массовой эксплуатации показывает, что наиболее существенными в по следнее время стали отказы в виде разгерметизации КБФ, снижения его жестко сти и повышенного износа элементов трансмиссии по причине интенсивного за рождения и развития усталостных трещин в верхнем листе корпуса бортовых фрикционов (рис. 7). Предпринимаемые меры в виде конструкторских решений по усилению КБФ не дали ощутимого эффекта. В связи с этим возникла необхо димость установления наиболее критичных условий эксплуатации и выявления скрытого механизма возникновения усталостных повреждений КБФ.

Рис. 6. Геометрическая модель корпуса бортовых фрикционов с лонжеронами и балансирного устройства Эквивалентные по Мизесу напряжения, МПа 113, 99, Зона I Зона II 86, 73, 60, 48, 35, 22, 10, 3, Рис. 7. Картина напряженно-деформированного состояния верхнего листа корпуса бортовых фрикционов и траектории развития усталостных трещин Компьютерное моделирование работы промышленного трактора позволило установить, что нагрузки со стороны рабочих органов даже в тяжелых условиях ра боты не объясняют причину возникновения отказов. Однако выявлена следующая закономерность: при прохождении одной из гусениц через короткие одиночные препятствия в виде выступов происходит замыкание балансира на один из лонже ронов. Возникающие в таких случаях динамические нагрузки передаются практи чески через один лонжерон на КБФ, что вызывает его кручение относительно попе речной оси. При этом наличие окон в верхнем листе создает условия для проявле ния нежелательного эффекта стесненного кручения КБФ, что приводит к сущест венному увеличению напряжений в зонах зарождения усталостных трещин.

С целью экспериментального обоснования механизма усталостного по вреждения и выполнения количественной оценки нагруженности КБФ при вы полнении различных операций про веден цикл полигонных и полевых - испытаний бульдозерно-рыхлитель-, ного агрегата. На фоне среднего - МПа уровня напряженности при выпол- - нении большинства рабочих опера ций значительно выделяется вид - нагружения, возникающий в случа ях пробоев подвески при переезде -100 0 2 4 6 t, c одной гусеницей одиночного пре- переезд неровности одной гусеницей пятствия. Возникающие при этом с пробоем подвески;

импульсы напряжений в 3…4 раза переезд неровности двумя гусеницами превышают средний уровень на Рис. 8. Процессы изменения пряженности (рис. 8) и имеют цик напряжений в опасной зоне корпуса лический характер изменения во бортовых фрикционов при наезде времени, что соответствует услови на одиночную неровность ям образования усталостного по вреждения конструкций.

Таким образом, результаты полигонных и полевых исследований под твердили основную версию о механизме усталостного разрушения корпуса бортовых фрикционов, выявленную путем моделирования работы бульдозерно го агрегата.

Оценка усталостной долговечности верхнего листа КБФ по наиболее опас ным зонам I и II (рис. 7), выполнена для трех режимов работы – бульдозирование суглинистого грунта II категории плотности;

рыхление разборного каменистого грунта в карьере;

бульдозирование разрыхленного каменистого грунта в карьере.

Расчетом получены следующие результаты: 4400, 3800 и 2800 моточасов соответ ственно до зарождения усталостных трещин. Сопоставление приведенных расчет ных результатов с данными о наработке на отказ в условиях массовой эксплуата ции позволяет отметить их удовлетворительное совпадение.

На основе анализа полученных результатов был обоснован ряд конструк торско-технологических решений, направленных на повышение ресурса КБФ, а именно:

1) путем увеличения зазора в зоне контакта балансирной балки за счет:

– уменьшения высоты упоров;

– смещения оси балансирной балки и изменения конструкции коробки;

– изменения формы балансирной балки;

2) путем усиления конструкции элементов несущей системы трактора за счет:

– повышения жесткости лонжеронов и коробки балансирной балки;

– повышения жесткости крышек окон для доступа к бортовым фрикционам;

– введения дополнительных связей между лонжеронами;

– повышения толщины листов корпуса бортовых фрикционов;

3) путем повышения усталостной прочности верхнего листа за счет:

– снижения концентрации напряжений вследствие рационального выбора места размещения резьбовых отверстий для крепления крышек;

– исключения резьбовых отверстий с заменой способа крепления крышек;

4) путем совершенствования технологическо го процесса сварки рамы трактора с целью сни- max, МПа жения уровня сварочных напряжений. С целью проверки эффективности одного из 200 25 мм предложений, приемлемого для оперативного вне дрения на серийно выпускаемом тракторе Б10М были проведены сравнительные испытания. Конст 50 мм рукторское решение связано с увеличением зазора в зоне контакта балансирной балки за счет уменьше- 60 80 100 120 140 мм h, ния высоты упоров;

на рис. 9 приведены зависимо – без пробоя подвески;

сти максимальных напряжений от высоты одиноч – с пробоем подвески ных неровностей для исходного (зазор 25 мм) и опытного (зазор 50 мм) вариантов. Из анализа ре- Рис. 9. Зависимости уровня зультатов следует, что не требующее серьезных из- максимальных напряжений менений мероприятие существенно уменьшает ве- в опасных зонах верхнего роятность пробоев подвески и, как следствие, сни- листа от высоты одиночных жает уровень максимальных напряжений в зонах неровностей зарождения усталостных повреждений.

В заключение отметим, что полученные в данной главе результаты позволя ют комплексно выполнить проверку адекватности предложенного подхода. На рис.

10 приведены осциллограммы изменения напряжений в одной из опасных зон верхнего листа КБФ, полученные путем непосредственного тензометрирования (а) и расчетом (б), включающего последовательное моделирование динамики трактора и конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния верхнего листа. Сопоставление приведенных осциллограмм указывает на их хоро шее качественное и количественное совпадение.

а) -200 б) - расч max эксп max,, - МПа МПа - - 2 aрасч эксп 2 a - - расч min эксп min - - t, c, с 15 17 19 t, c 57 59 61 Рис. 10. Фрагменты экспериментальной (а) и расчетной (б) осциллограмм процессов изменения напряжений в опасной зоне верхнего листа в момент пробоя подвески

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. На основании результатов экспериментальных исследований выявлены характеристики случайных процессов изменения нагрузок, передаваемых на корпус трактора со стороны рабочих орудий и ходовой системы трактора. По казано, что основная мощность спектральной плотности процессов при бульдо зировании и рыхлении сосредоточена в низкочастотной области в интервале 0…10 рад/с с пиком в интервале 1…4 рад/с, отмеченное объясняется высоким уровнем статической составляющей нагрузок с одной стороны и цикличностью процессов выполнения землеройных работ.

2. Экспериментальные исследования выявили принципиальные особенности работы бульдозерно-рыхлительного агрегата, определяющих высокий уровень и циклический характер напряженности деталей несущей системы. К их числу от носятся:

– эффект выглубления отвала, связанный с необходимостью снижения уровня экстремального буксования при достижении предельных нагрузок во время бульдозирования;

– эффект пробоя подвески периодически возникающий при движении трактора в условиях переезда одиночных неровностей (например, движение в каменном карьере и при откатах с повышенными скоростями). Показано, что явление пробоя обусловлено особенностью полужесткой подвески, характерной для конструкции промышленных тракторов.

Установлено, что эффекты выглубления отвала и пробоя подвески по уров ню возникающих напряжений и частоте их действия являются основной причи ной усталостных повреждений тяжело нагруженных элементов несущей системы промышленного трактора. Так в большинстве случаев уровень максимальных амплитуд напряжений в тяжелых условиях эксплуатации в 1,3…2 раза превыша ет предел выносливости материалов, а число циклов нагружения составляет 1… млн. циклов за время наработки гарантийного срока.

В связи с этим при моделировании процессов эксплуатации трактора необ ходимо учесть особенности технологических процессов землеройных работ, существенную нелинейность системы подрессоривания промышленного трак тора и наличие двух случайных входных воздействий – силового со стороны рабочего органа и кинематического со стороны ходовой части.

3. Предложена математическая модель, описывающая процесс эксплуата ции промышленного трактора в виде связанной существенно нелинейной сис темы при многопараметрическом случайном нагружении.

4. Предложены методические рекомендации по реализации подхода, а именно:

– преобразование функций изменения обобщенных координат, получен ных в результате моделирования динамики процесса эксплуатации, в функции изменения во времени нагрузок на исследуемые элементы несущей системы;

– на основе конечно-элементного моделирования выполнен расчет полей напря женно-деформированного состояния и получены реализации процессов изменения во времени напряжений в потенциально опасных зонах исследуемых конструкций.

– расчетная оценка ресурса деталей, отображающая случайный характер нагружения и рассеяние усталостных свойств материалов.

Сопоставление результатов расчетных и экспериментальных исследований подтвердило адекватность и эффективность применения предложенного подхода.

5. Разработанная математическая модель позволила выявить и обосновать основную версию о механизме усталостного разрушения верхнего листа корпу са бортовых фрикционов базового трактора Т10М, а последующее проведение полигонных и полевых испытаний подтвердило эту версию, связанную с нали чием силовых контактов балансирной балки с лонжеронами в полужесткой подвеске трактора.

6. Предложен ряд конструкторско-технологических решений, направлен ных на повышение ресурса корпуса бортовых фрикционов, в частности, меро приятия по изменению кинематических параметров системы подрессоривания и конструкции ряда элементов несущей системы, а также по повышению харак теристик выносливости верхнего листа корпуса бортовых фрикционов. Одно из мероприятий, приемлемое для оперативного внедрения на серийно выпускае мом тракторе, заключается в увеличении зазора в зоне контакта балансирной балки с 25 до 50 мм за счет уменьшения высоты упоров. Сравнительная оценка усталостной долговечности показала, что внедрение названого мероприятия по зволит повысить ресурс корпуса бортовых фрикционов серийного трактора в 2…3 раза. В настоящее время предложение принято к внедрению.

7. Дальнейшее развитие работ по созданию отраслевых нормативных ма териалов, рекомендуемых головным организациям дорожно-строительного ма шиностроения для применения на этапах проектирования и испытаний опыт ных образцов, целесообразно вести в следующих направлениях:

– разработка математической модели, достаточно полно охватывающих разнообразие агрегатов, создаваемых на базе промышленных тракторов;

– сбор и обобщение информации с целью создания банка данных о типич ных условиях эксплуатации промышленных тракторов.

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ 1. Березин, И.Я. Обеспечение прочностной надежности дорожно строительной техники на основе моделирования процессов эксплуатации / И.Я.

Березин, В.И. Костюченко, В.К. Халтурин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Маши ностроение». – 2008. – Вып. 12. – № 23(123). – С. 32–40.

2. Комплексные расчетно-экспериментальные исследования, направлен ные на повышение надежности несущих систем промышленных тракторов / И.Я. Березин, В.Н. Бондарь, С.А. Гусев, В.И. Костюченко, В.К. Халтурин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». – 2009. – Вып. 13. – № 11(144). – С. 4–11.

3. Направления прикладных исследований в области совершенствования конструкций дорожно-строительной техники / В.Н. Бондарь, Л.А. Ашихмина, И.Я. Березин, В.К. Халтурин // Актуальные проблемы автомобильного, желез нодорожного и трубопроводного транспорта в уральском регионе: cб. тр. Меж дународ. н.-т. конф. – Пермь: ПГТУ, 2005. – С. 243–249.

4. Моделирование динамических процессов и прогнозирование надежно сти дорожно-строительной техники / В.Н. Бондарь, И.Я. Березин, А.А. Абызов, В.К. Халтурин // Проблемы безопасности: материалы Всероссийской н.-т. конф.

– Екатеринбург: УрО РАН, 2007. – С. 65–67.

5. Метод оценки прочностной надежности бульдозерного агрегата / В.Н.

Бондарь, Л.А. Ашихмина, И.Я. Березин, В.К. Халтурин // Современное состоя ние и инновации транспортного комплекса: материалы Международ. н.-т. конф.

– Пермь: ПГТУ, 2008. – С. 212–217.

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета Подписано в печать 16.11.2009. Формат 6084 1/16. Печать цифровая.

Усл. печ. л. 0,93. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 478/517.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ.

454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.



 




 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.