Эксплуатационная нагруженность и прогнозирование надежности элементов несущей системы бульдозерного агрегата

МАШИНОВЕДЕНИЕ И ДЕТАЛИ МАШИН

В.Н. Бондарь, Л.А. Ашихмина, В.М. Сычугов, Г.М. Изгарев, И.Я. Березин, А.А. Абызов, В.К. Халтурин

ОАО «Научно-исследовательский институт автотракторной техники», Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАГРУЖЕННОСТЬ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ БУЛЬДОЗЕРНОГО АГРЕГАТА

В настоящее время в ряде отраслей машиностроения наметилась тенденция к внедрению расчетных методов, обеспечивающих прогнозирование и управление надежностью изделий на ранних стадиях проектирования [1-2, 4-6]. Применительно к дорожно-строительной технике такой подход предусматривает последовательное выполнение следующих этапов:

- описание реальных условий эксплуатации в виде многофакторного случайного воздействия внешней среды на рабочие органы и ходовую систему;

- разработка математических моделей и программных средств, описывающих динамические свойства проектируемых машин с последующим компьютерным моделированием реальных рабочих процессов;

- анализ статистических характеристик силового и кинематического взаимодействия элементов конструкций, определение процессов изменения напряжений в опасных зонах тяжелонагруженных деталей;

- моделирование процессов формирования усталостных, износовых и других видов отказов с учетом случайного характера нагружения и рассеяния прочностных свойств, определение количественных характеристик надежности;

- корректировка исходных данных проекта по динамическим и прочностным свойствам изделия с целью обеспечения требуемых показателей надежности и ресурса.

В статье в качестве иллюстрации приводятся результаты реализации разработанного подхода применительно к прогнозированию надежности тяжелонагруженных элементов несущей системы бульдозерного агрегата на базе промышленного трактора Т-10М.

На первом этапе проведены экспериментальные исследования в условиях реальной эксплуатации бульдозерных агрегатов, в ходе которых осуществлялась непрерывная регистрация случайных процессов изменения вертикальных и горизонтальных усилий, действующих на корпус трактора со стороны шарниров гидроцилиндров и цапф толкающих брусьев. Измерительная аппаратура включала в себя тензометрический усилитель, аналого-цифровой преобразователь и компьютер, размещенные в кабине трактора. Датчики усилий были изготовлены из штатных деталей путем профильной обточки в местах, где затем располагались тензорезисторы; непосредственная тарировка измерительного комплекса в сборе выполнена при испытаниях в лабораторных условиях.

Характерные осциллограммы усилий, действующих на цапфы, при работе бульдозера на суглинке (6-9 ударов по ударнику ДорНИИ) и на разборном каменистом грунте в карьере показаны на рис. 1. На каждом рабо-

чем цикле бульдозерного агрегата условно можно выделить три участка: набор, перемещение призмы и откат. В дальнейшем при оценке усталостной долговечности элементов конструкции в расчет закладываются только участки набора и перемещения призмы (исключая откат), поскольку именно они играют основную роль в накоплении усталостных повреждений.

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

б)

Рис. 1. Фрагменты осциллограмм процессов изменения горизонтальных усилий, действующих на цапфы

Статистической обработкой случайных процессов обосновано допущение их стационарности и эргодичности. Спектральные плотности процессов приведены на рис. 2; их вид указывает на то, что основная мощность процессов сосредоточена в узкой низкочастотной области в интервале 0...10 1/с. По-видимому, отмеченное объясняется наличием в процессах постоянных составляющих, обусловленных резанием грунта и перемещением призмы, а также низкочастотным (1,5.4 1/с) управляющим воздействием со стороны водителя по выглуб-лению и заглублению отвала.

На втором этапе осуществлен переход от процессов изменения усилий, действующих на корпус трактора со стороны рабочего органа к динамическим усилиям, воспринимаемым деталями ходовой и несущей системы.

а - статический прогиб поперечной балки под действием веса корпуса;

Рг , Рв,

гц ' гц '

рг ре

11П ' ЦП

горизонтальные и вертикаль-

ные усилия, действующие на корпус трактора со стороны рабочего органа (гидроцилиндров и цапф);

Л!

У г,

X.,

Уц.

горизонтальные и вертикаль-

Рис. 2. Спектральные плотности процессов

Система дифференциальных уравнений, определяющих движение трактора с полужесткой подвеской при действии на него внешних усилий (рис. 3) со стороны гидроцилиндра, толкающего бруса и податливого грунта, имеет вид:

(мк +мТ)(¥+я)+1мг/г Ф+\Мк 1кч>=рц,:-р;ц+^-\

—МТ1Т

2 тт

(? + я) + Ь[тГ-ф+ /ир12р (Ф-Ф) + с/; (<р-уу) + ср1ра = Рц,

= Р"

х +Рг -V +У Ри)-1и)

цп цп у цп / 1 гр гр ,

+ я) + \мАч> - м/г {?-¥)- с Л {<р-уу)- ср1ра =

' = ~Р1

^гц У гц 1

где у ~ вертикальная координата перемещения оси ведущего колеса и гусеничной тележки;

гц ' У гц > цп > У цп

ные координаты расположения точек крепления гидроцилиндров и цапф к корпусу трактора.

Система дифференциальных уравнений составлена с учетом ряда ограничений: горизонтальная скорость движения трактора принята постоянной; профиль гусеничного обвода недеформируемый; рассматриваются колебания трактора только в вертикальной продольной плоскости.

Реализация математической модели с применением пакета МАТ1_АВ позволила получить функции изменения во времени нагрузок, действующих на любые, вызывающие опасения, тяжелонагруженные элементы ходовой части и несущей системы. В качестве примера рассмотрена работа одного из наиболее нагруженных элементов - поперечной балки. Поперечная балка выполняет роль элеме(н1та( ристемы подрессоривания и одно-£ремвмн&/|роль^>йл4нсира между гусеничными тележками. Краями она опирается через податливые резиновые опоры на тележки, а в центре шарнирно соединена с корпусом трактора.

На третьем этапе исследованы случайные процес-^сы^изм^нения полей напряжений в поперечной балке булЩцозврнОГо агрегата с помощью пакета конечно-элементного анализа напряженного состояния конструкций -А^УБ.

На рис. 4 приведены поля эквивалентных напряжений при статическом нагружении единичной силой (а, б) и фрагмент расчетной осциллограммы процесса изменения эквивалентных напряжений в опасной зоне 1 поперечной балки (в), соответствующие работе бульдозерного агрегата в каменном карьере.

Рис. 3. Динамическая модель промышленного трактора при работе в составе бульдозерного агрегата

(р , у/ - углы поворота гусеничной тележки и корпуса трактора;

МТ , м,

массы гусеничных тележек и корпуса

трактора;

1Т , 1К - расстояния от центров тяжести гусеничной тележки и корпуса трактора до оси ведущего колеса;

I - расстояние от оси ведущего колеса до места расположения поперечной балки;

С /Л - коэффициенты жесткости и демпфирования поперечной балки;

4

Рис. 4. Поля эквивалентных напряжений в поперечной балке (а); поля эквивалентных напряжений в опасных зонах в

центральной части балки

На четвертом этапе выполняется оценка ресурса поперечной балки по критерию усталостной долговечности, учитывающая случайный характер нагружения, с од-

ВЕСТНИК КГУ, 2007. №4

ной стороны, и случайное рассеяние усталостных свойств, с другой. В расчетах учтены также факторы, снижающие характеристики усталостной прочности, в частности, концентрация напряжений в зонах сварных швов, масштабный эффект и состояние поверхности.

Переход от случайного процесса изменения напряжений к схематизированному нерегулярному симметричному гармоническому процессу осуществлен по методу полных циклов ("дождя"). Плотность распределения амплитуд схематизированного процесса показана на рисунке 5а, она соответствует усеченному распределению Ре-лея с параметрами ип = —8,5 МПа, а = 12,4 МПа. На рисунке 56 приведена диаграмма (блок нагружения), отображающая совокупность уровней амплитуд напряжений и соответствующим им чисел циклов, "нарабатываемых" деталью в течение одного часа эксплуатации, которая является основной характеристикой нагруженности детали при нерегулярном случайном воздействии.

f (ста), 1/МПа

Стан МПа

Рис. 5. Плотность распределения эквивалентных напряжений схематизированного процесса

Расчет усталостной долговечности выполнен с использованием корректированной гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений [3]. Средняя долговечность по моменту зарождения микротрещин определяется по выражению:

у, _ р о -1Д ср ~

ко-технологических факторов. Материал поперечной балки сталь 10ХСНД в состоянии поставки с пределом выносливости сг_1 = 280 МПа. Учет наличия в конструкции сварного шва, масштабного и фактора состояния поверхности дает значение коэффициента снижения предела выносливости в наиболее опасной зоне балки равное 5,6. Таким образом, предел выносливости детали оказывается равным 50 МПа, а с учетом коэффициента вариации характеристик выносливости =0,05

среднеквадратическое отклонение предела выносливости СГ составит 2,5 МПа.

1 г

4 4.1 4 .2 4.3 4

ляет ir=0 8

0.9

0.8 0.7

0.6

0.5

Рис. 6. Функция вероятностей безотказной работы

На рисунке 6 приведена расчетная функция вероятностей безотказной работы поперечной балки бульдозерного агрегата, из которой следует, что гамма-процентный ресурс, соответствующий вероятности 0,8, состав* =17000 часов (lgТу=ол =4,23). С учетом непроизводственных затрат времени ресурс поперечной балки составляет 6-8 лет эксплуатации бульдозерного агрегата при работе в условиях каменного карьера.

Приведенные в настоящей статье результаты можно рассматривать как практическую реализацию инженерного подхода, позволяющего на ранних стадиях проектирования новых и модернизации существующих изделий прогнозировать и управлять надежностью ответственных элементов ходовых и несущих систем промышленных тракторов.

Список литературы

1. Брауде В.И., Семенов Л.Н. Надежность подъемно-транспортных

машин. - П.: Машиностроение, 1986. - 183 с.

2. Дмитриченко С.С., Русанов O.A.. Опыт расчетов на прочность,

проектирования и доводки сварных металлоконструкций мобильных машин // Тракторы и сельхозмашины. - 2006. - № 1.

3. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во

времени. - М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.

4. Проблемы надежности летательных аппаратов: Сб. статей /Под

ред. И.Ф. Образцова, A.C. Вольмира. - М.: Машиностроение, 1985. - 280 с.

5. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог/

А.Н. Савоськин, Г.П. Бурчак, АЛ. Матвеевичев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 288 с.

6. Современные методы повышения конструктивной надежности

сельскохозяйственной техники / Т.И. Рыбак, В.В. Спиченков, Ю.И. Ермольев и др. - Киев: Тэхника, 1991. - 120 с.

где

-1Д

предел выносливости детали;

С1р - корректирующий коэффициент, зависящий от формы блока нагружения;

Мс, т - базовое число циклов и параметр наклона кривой выносливости;

сг?;., - параметры блока нагружения (/' - номер уровня напряжений).

При оценке усталостной долговечности реальных деталей необходимо учитывать снижение характеристик выносливости, вызванное наличием ряда конструкторс-