Опыт оценки ресурса несущих систем транспортных машин

УДК 621.001.63; 621.00.66

В.Е. Боровских, У.В. Боровских, В.А. Буцынский ОПЫТ ОЦЕНКИ РЕСУРСА НЕСУЩИХ СИСТЕМ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН

Рассмотрена проблема оценки ресурса элементов несущих систем машины на базе большого экспериментального материала.

V.E. Borovskih, U.V. Borovskih, V.A. Butsinsky

RESUARCE EXPERIENCE ESTIMATION OF TRANSPORT MACHINE CARRYING SYSTEMS

The resource experience estimation of transport machine carrying systems is considered in this work on the base of the vast experimental material.

На современном этапе одной из основных задач разработчиков автомобильной техники является корректная оценка долговечности элементов конструкции на стадии проектирования и доводки опытного образца. Опыт подобной работы, полученный при проектировании несущих систем троллейбусов, показал, что исследования в этом направлении далеко не закончены [1, 2].

В течение многих лет в СГТУ был выполнен комплекс работ с целью разработки методики оценки долговечности наиболее нагруженных элементов конструкции на стадии проектирования и её доводки.

Отработка методики оценки долговечности выполнялась для конструкции серийно производимого (до 1000 шт. в год) троллейбуса, длительное время находящегося в эксплуатации. С целью выявления мест разрушения и эксплуатационного ресурса в течение пяти лет фиксировались поломки конструкции троллейбусов, находящихся в эксплуатации от одного до семи лет. В результате исследований [3] получены выборки для различных мест разрушения с числом: по ЗиУ-5 (#=143); по ЗиУ-9 (#=173).

По результатам обработки распределений пробегов до поломки получены статистически значимые параметры средних эксплуатационных пробегов до поломки и коэффициентов вариации и=0.2...0.4. Отмечено, что картина разрушения носит усталостный характер и разрушения наступают при значительном числе циклов нагружения Nli=101 и более. Таким образом, были получены базовые значения ресурсов рам троллейбусов в эксплуатации, которые в дальнейшем являлись ориентиром при теоретической оценке ресурса этих рам.

При дальнейших исследованиях прочности несущих систем троллейбусов и оценки их ресурса выполнен следующий комплекс научно-исследовательских работ.

Выполнено экспериментальное исследование [4] напряжённо-деформированного состояния (НДС) элементов конструкции троллейбуса от действия статической нагрузки при изгибе и кручении. С этой целью на элементы конструкции было наклеено 645 тензорезисторов. Все тензорезисторы фиксировали только нормальные напряжения, возникающие в элементе. Места наклейки тензорезисторов тщательным образом отбирались по результатам предыдущих экспериментов: по результатам расчётов напряжений в конструкции методом конечных элементов (МКЭ); по результатам наблюдений за поломками элементов конструкции в эксплуатации. В силу того, что

элементы конструкции представляют собой прямоугольную трубу сечением 40x40x4, тензорезисторы наклеивались на все четыре стороны трубы на расстоянии 40-50 мм от оси узла. Таким образом, на наиболее нагруженных элементах использовалось В тензорезисторов. К сожалению, ни в одном сечении не использовались розетки для измерения касательных напряжений.

Фиксация и статистическая обработка результатов экспериментов проводилась с использованием отечественного тензометрического комплекса СИИТ-2. Комплекс рассчитан на 1000 тензорезисторов, обладает стабильностью показаний и высокой точностью (кп=0,367 МПа/дел). Особенность тензометрического комплекса заключается в том, что в процессе опроса одного тензорезистора можно фиксировать десять измерений и в дальнейшем на печать выводится среднее значение и среднеквадратическая величина показаний данного тензодатчика. Коэффициент вариации среднего значения величины напряжений находится в диапазоне (и=0.1.. .0.2), большие значения для малых значений напряжения и наоборот.

Программа испытаний включала в себя испытание конструкции как на изгиб с номинальной нагрузкой, так и на кручение при вывешивании переднего левого и переднего правого колёс поочерёдно. Каждое из испытаний выполнено не менее трёх раз.

По результатам экспериментальных исследований построены эпюры нормальных напряжений по всем элементам несущей системы, и в частности, по лонжеронам конструкции машины. Величины напряжений, полученные экспериментально и расчётным путём, отличаются не более чем на 15%. Распределение расчётных нормальных и касательных напряжений по длине лонжерона представлено на рис. 1. На рис. 2 дан график изменения угла закручивания троллейбуса при вывешивании передних колёс, полученный в результате эксперимента.

Передняя ось Задняя ось

Рис. 1. Эпюры нормальных и касательных напряжений по длине левого лонжерона троллейбуса ЗиУ-682Г а - при испытании на изгиб; б - при испытании на кручение

1

—11

л

^¡.л ¿л ¡/'П /70$~,У1 л-/£г А и/ {£?{— и

тЛ/70 ¿.-7-1 лп{~п

Рис. 2. Изменение угла закручивания кузова троллейбуса ЗиУ-682Г

Рис. 3. Расчётная модель троллейбуса ЗиУ-682Г. Состоит из 450 узлов, 872 элементов с использованием 48 типов поперечных сечений и 155 пластин

Параллельно с экспериментальными исследованиями напряжённо-

деформированного состояния элементов несущей системы троллейбуса выполнена оценка НДС элементов данной конструкции МКЭ. Расчётная модель конструкции

разработана с максимальным приближением к реальной конструкции. Схемы нагружения как модели при расчете, так и машины в эксперименте идентичны.

Анализ величин нормальных (расчётных и экспериментальных) напряжений показал, что в сечениях, подверженных разрушениям в эксплуатации, напряжения не превышают величины о=50 МПа от действия статической нагрузки. В то же время отмечено, что в элементах конструкции, где имеют место значительные нормальные напряжения о=70 МПа и более, (район крыши средней двери, стойка средней двери, подоконный пояс), разрушений в эксплуатации не наблюдалось.

При исследовании расчётных величин касательных напряжений по длине лонжерона троллейбуса можно сделать вывод, что максимальные значения касательных напряжений отмечены в районах конструкции троллейбуса, подверженных разрушениям в эксплуатации.

С этих позиций интересна картина изменения угла закручивания конструкции троллейбуса, полученная экспериментально (рис. 2). Резкое изменение интенсивности угла закручивания конструкции совпадает с зонами разрушения этой конструкции в эксплуатации. На этапе доводки конструкции троллейбуса выполнена попытка оценки долговечности элементов конструкции по записям переменных амплитудных напряжений в условиях, приближённых к эксплуатационным [5]. С этой целью условия эксплуатации троллейбуса были представлены 48 режимами, каждый из которых отличался действующей нагрузкой, скоростью и качеством дорожного покрытия. Весовые коэффициенты по нагрузкам и скоростям получены по исследованиям этих параметров в эксплуатации и представляют собой статистически значимые величины [6].

Запись напряжений производилась по программе для различных режимов нагружения. В общей сложности, для каждого из исследованных сечений конструкции, записывалось 48 километров (или 48 режимов) пробега. Схематизация действительного процесса нагружения при обработке записей переменных напряжений осуществлялась следующими методами: полных циклов, экстремумов, размахов. Полученные таким образом гистограммы амплитудных напряжений использовались для оценки долговечности элемента в данном сечении.

Как известно, основными величинами, влияющими на точность оценки ресурса элемента, являются параметры кривой усталости. Поэтому следующим этапом в цикле работ было определение параметров кривой усталости натурного образца на специальном стенде при моноамплитудном нагружении [7]. В результате обработки данных эксперимента по 20 сварным образцам (сварка в среде углекислого газа) были получены следующие параметры кривой усталости: о-1д=24,2 МПа, КН0=4,3х106, да=3,89. Следует отметить, что полученные величины параметров близки к величинам, опубликованным в печати.

Оценка долговечности выполнялась с использованием формулы (1) линейного суммирования накопленных напряжений

х п, 1

Ааг =------]---]—, Ц1к = — .

г Iхат1к хик Ааг

Числитель формулы представляет собой величины переменных напряжений и их частности, записанные в процессе эксперимента для различных режимов нагружения на длине 1 км. В знаменателе находятся параметры кривой усталости типичного образца конструкции, полученные экспериментальным путём. Суммарный пробег троллейбуса до появления усталостных разрушений в элементах конструкции определяется условиями эксплуатации, которые учитываются в виде весовых коэффициентов в формуле:

^ =------------ ----7---л •

Ъа1 х х Ъск х

1

где а, Ъг-, ск - весовые коэффициенты соответственно по нагрузке, скорости, типу дороги.

Таким образом, была выполнена оценка долговечности для семи характерных сечений конструкции троллейбуса. Наибольший интерес представляли два сечения лонжерона, по которым имелись достоверные данные по долговечности их эксплуатации.

Расчётная долговечность сечения лонжерона в районе заднего свеса по отношению к эксплуатационной составила: метод экстремумов - 0,12; метод полных циклов - 3,13; метод размахов - 21,54.

Как известно, наиболее достоверную расчётную оценку долговечности даёт метод полных циклов. Полученная расчётная оценка долговечности в три с лишним раза превышает эксплуатационный ресурс.

Выполненный комплекс работ позволяет отметить следующее:

• уровень нормальных напряжений, в статике равный 50 МПа, не гарантирует целостность конструкции в эксплуатации;

• наиболее объективно места будущих разрушений конструкции можно предсказать по величине касательных напряжений;

• оценка расчётной долговечности конструкции только по нормальным напряжениям приводит к её завышению.

Дальнейшие исследования по оценке долговечности конструкции, как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления опытного образца, будут направлены на тщательное исследование касательных напряжений в реальной конструкции при статическом и динамическом её нагружении.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дмитриченко С.С. Параметры распределения эксплуатационного ресурса рам троллейбусов / С.С. Дмитриченко, В.Е. Боровских, А.Н. Солянов // Автомобильная промышленность. 1973. № 7. С. 17.

2. Дмитриченко С.С. Опыт прогноза ресурсов по результатам незавершённых испытаний / С.С. Дмитриченко, В.Е. Боровских, С.К. Агзамов // Вестник машиностроения. 1974. № 3. С. 54-57.

3. Дмитриченко С. С. Расчёт средней долговечности рам троллейбусов по результатам тензометрирования / С. С. Дмитриченко, В. Е. Боровских // Вестник машиностроения. 1975. № 9. С. 7-9.

4. Статические испытания троллейбуса ЗиУ682Г. Научно-исследовательский отчёт. № ГР 01820071444, Инв. № 01850010285. Научный руководитель В.Е. Боровских. Саратов, 1991. 148 с.

5. Динамические испытания троллейбуса ЗиУ-682Б и расчёт долговечности элементов конструкции. Отчёт о НИР / Сарат. политехн. ин-т. Руководитель В.Е. Боровских. № ГР 01820071444. Инв. № 0285005983. Саратов, 1985. 163 с.

6. Боровских В. Е. Оценка долговечности и совершенствование несущих систем мобильных машин на стадии проектирования: автореф. дис. ... доктора техн. наук / В.Е. Боровских. Саратов, 1994. 40 с.

7. Боровских В. Е. Исследование прочности и расчёт долговечности рам троллейбусов: автореф. дис. ... канд. техн. наук / В.Е. Боровских. Саратов, 1974. 35 с.

Боровских Валентин Ефимович -

доктор технических наук, профессор кафедры «Теория механизмов и детали машин» Саратовского государственного технического университета

Боровских Ульяна Валентиновна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Теория механизмов и детали машин» Саратовского государственного технического университета

Буцынский Владимир Александрович -

ассистент кафедры «Теория механизмов и детали машин»

Саратовского государственного технического университета