Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор исследований сопротивления усталости пружин подвесок мобильных машин и задачи исследования
1.1. Особенности работы пружин подвесок
1.2. Обзор исследований статической и усталостной прочности пружин .
1.3. Выводы по обзору и задачи исследования.
ГЛАВА 2. Исследования эксплуатационной нагруженности вружин подвески трелевочного трактора ТДТ-55А.
2.1. Условия эксплуатации трелевочных тракторов и данные о разрушениях пружин 28
2.2. Теязометрические исследования эксплуатационной нагруженности пружин .. 32
2.3. Расчет эксплуатационной долговечности пружин... 55
ГЛАВА 3. Стендовые испытания пружин на усталость .
3.1. Методика стендовых испытаний. 62
3.2. Режим нагружения пружин при стендовых испытаниях .69
3.3. Разработка стендового оборудования для испытания пружин . 72
3.4. Объекты исследований...
3.5. Результаты стендовых испытаний..
ГЛАВА 4. Исследование напряжений в витках винтовых пружин
4.1. Исследование влияния формы сечения витка на напряжения.
4.2. Способ исследования напряжений в витках винтовых пружин 126
5. Функционально-стоимостной анализ пружин подвески трактора ТДT
5.1. Подготовительный этап
5.2. Информационный этап
5.3. Аналитический этап . 138
5.4. Творческий этап 138
.5.5. Исследовательский этап.138
5.6. Рекомендательный этап 139
5.7. Этап внедрения . 143
Выводы..146
Литература 145
- Обзор исследований статической и усталостной прочности пружин
- Теязометрические исследования эксплуатационной нагруженности пружин
- Разработка стендового оборудования для испытания пружин
- Способ исследования напряжений в витках винтовых пружин
Введение к работе
Решениями ХЛП съезда КПСС намечено резкое повышение качества продукции машиностроения и обеспечение её высокой надежностью. Надежность тракторов в значительной мере определяется долговечностью элементов ходовых систем» в том числе пружин подвески. Например, затраты на текущие ремонты каждых 100 трелевочных тракторов ТДТ-55А достигают 110 тыс.руб.в год [3] ., стоимость пружин подвески, поставляемых в запасные части, равна 1215 руб. на 100 тракторов в год [623, Повышение долговечности пружин подвески до требуемого уровня даст большой экономический эффект, учитывая, что в эксплуатации находится 54,6 тыс .трелевочных тракторов.
Металлографический анализ разрушенных в эксплуатации пружин, показал, что основным является усталостное разрушение. Поэтому вопросы совершенствования конструкции пружин и технологии их изготовления с целью повышения сопротивления усталости актуальны.
Основная задача диссертации состоит в установлений закономерностей эксплуатационного нагружения пружин подвесок трелевочных тракторов и разработке на этой основе методов их ускоренных испытаний и увеличения долговечности. Методической основой решения такой задачи является комплексная расчетно-экспериментальная система оценки эксплуатационной нагруженности и усталостной долговечности пружин различных вариантов в статистическом аспекте.
Целью работы является обоснование методов испытаний на усталость и повышения прочности пружин подвески тракторов с учетом статистических закономерностей их эксплуатационного нагружения на примере трелевочных тракторов.
Научная новизна диссертации состоит в том, что установлены основные закономерности эксплуатационной нагруженности пружин подвесок трелевочных тракторов класса 3, определены статистические характеристики сопротивления усталости пружин Установлена возможность применения расчетно-экспериментальяого метода оценки долговечности пружин, базирующегося да гипотезе линейного суммирования усталостных повреждений. Обоснована форма сечения витков винтовых пружин с более равномерным распределением напряжений, чем в применяемых в настоящее время круглых сечениях. Разработан способ изготовления образцов для исследования касательных напряжений в витках винтовых пружин некруглого сечения.
На зашиту выносятся следующие положения:опенка эксплуатационной нагруженности пружин подвески трелевочных тракторов; применимость метода расчетно-эксперимеатальйой оценки долговечности пружин, базирующегося на гипотезе линейного суммирования повреждений; методы и средства ускоренных стендовых испытаний пружин ходовых систем тракторов; оценка расчетной долговечности конст-рукторско-техяологических вариантов пружин; обоснование формы сечения витков винтовых пружин с более равномерным распределением напряжений; способ изготовления образцов для исследования напряжений в витках винтовых пружин некруглого сечения Тема диссертационной работы выбрана в соответствии с заданиями ГКНТ и с отраслевым планом на 1976-86 гг.(темы 118/169-79, 22.60.81-12.0334, 62.20.13.86-50.9480) и приказом MTG2M # 36 от 30 января 1976 года.
Обзор исследований статической и усталостной прочности пружин
В Уральском политехническом институте Е.А,Шапиро [99,8Ю] предложил методы расчета винтовых пружин, работающих в условиях ограниченной выносливости, показал, что величина остаточных напряжений во внутренних волокнах сечения витка зависит от кривизны витка; определил зависимость величины напряжения от числа циклов до разрушения, прочности материала, геометрии пружины в асимметрии цикла; установил закономерность нарастания остаточных деформаций по мере увеличения числа циклов; обосновал возможность повышения допускаемых напряжений для пружин, работающих в условиях ограниченной выносливости Б работе [іОї] путем стендовых испытаний показал сходимость С в пределах 5%) результатов экспериментального определения поперечной, жесткости пружин подвески грузовых вагонов для случая одновременного действия осевых и поперечных нагрузок разных уровней с данными расчетов.
В Уральском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта А.МЛерепааов [9Г, 95, 96] в результате исследования усталостной прочности пружин рессорного подвешивания локомотивов показал, что начало изломов преобладает на внутреннем, наиболее напряженном волокне витка, и установил процентное соотношение изломов: по внутренним волокнам - 65%, по средним -30% и по наружным - Ъ%щ Анализ технологических способов повышения выносливости и сравнительные усталостные испытания позволили оценить зависимость исследуемых пружин от различных технологических факторов, наиболее эффективным из которых является дробенаклеп ( при упрочнений по режимам Московского локомотиво-ремонтного завода долговечность пружин увеличена примерно в 10 раз).
Е.НДваковский, А.С.Соболев и М»ЇЇД ирюков исоледовали работоспособность пружин с использованием вероятностных методов Е НДевковскиЙ [57, 58, Ъщ предложил методику проверочного расчета долговечности существующих винтовых пружин и проектного расчета проектируемых пружин на гаммапроцентный ресурс В основу расчетов положены степенное уравнение кривой усталости, логариф мически-нормальный закон распределения чисел циклов до разруше ния пружин, линейная зависимость среднего квадратического откло нения CL М ОТ среднего значения логарифма чисел до разрушения tg N В работе [57] показано, что для обеспечения стабильной и надежной работы пружин можно применять испытание их многократно повторным нагружением до соприкосновения витков в течение 3 6 тыс. циклов как технологическую операцию изготовления пружин взамен заневоли вания. А.С.Соболев и М.П Бирюков \вЩ статистическими метода ми установили закономерности потери работоспособности пружин во времени и прогнозировали срок их безотказной работы; показали, что распределение отказов пружин сжатия во времени наиболее полно описывается логарифмически-нормальным законом; установили законо-мерности роста остаточных деформаций и изменения усилия пружин в зависимости от числа циклов. К сожалению, в работах Е,Н.Левков-ского, А.С.Соболева и М.П.Бирюкова экспериментальная проверка закономерностей проводилась на пружинах из углеродистой проволоки малого диаметра (0,9+1,6; 2,5+6 мм).
В Пермском политехническом институте Н«Н.Вассерман и МД.Зинштейя [її, I2j исследовали процесс усталости пружин топливного агрегата авиационного двигателя в условиях нестационарного асимметричного нагружения. Результаты исследований представляли в виде кривых усталости и запасов прочности пружин для заданной вероятности разрушения, как отношение расчетного значения наибольшего напряжения к величине наибольшего напряжения реального спектра нагружения.
В Алтайском политехническом институте В.Е.Гольцов [21] провел исследования пружин подвесок трактора ДТ-54 и показал, что долговечность внутренней пружины каретки примерно в 1,5 раза ниже долговечности наружной пружины. В НАТИ О.Л. УткияЧЬобовцев, М.П. Скуратовский, Л.П, Кутин и Ф.А. Борисов исследовали напряженность и долговечность дружин кареток ходовой части гусеничных тракторов класса 3 [8,94]. Сделано заключение, что эксплуатационная надежность пружин гусеничных тракторов не удовлетворяет требованиям, и установлено, что основным силовым фактором является осевая нагрузка, тем не менее изгибающий момент учитывать необходимо - он увеличивает напряженность выпуклой образующей. Величина касательных напряжений от изгиба пружины прямо пропорциональна первоначальным углам установки кареток, которые надо выбирать так, чтобы при использовании половины полного хода каретки изгиб пружины отсутствовал. Заключения по оценке напряженного состояния пружин сделаны на основании лабораторных экспериментов с имитацией: переезда единичного препятствия. Хотя нагружение с помощью единичного препятствия не дало полного спектра эксплуатационной напряженности пружин, полученная авторами информация о нагруженности дала возможность оценить долговечность пружин подвески с удовлетворительной достоверностью.
Теязометрические исследования эксплуатационной нагруженности пружин
По данным таблицы видно, что рассматриваемое распределение амплитуд напряжений наилучшим образом описывается законами гамма-распределение и Вейбулла. Последний получил более широкое распространение в практических расчетах в машиностроении Оценку динамической нагруженности пружин осуществляли сравнением коэффициентов вариации процессов. Выявлено, что при загрузке трактора пачкой леса 8 м3 и о повышением скорости движения от 3,6 до 4,7 км/ч значения коэффициентов вариации у задних пружин увеличиваются в среднем на 30$, у передних - уменьшаются в среднем на 40$. При движении трактора без груза с повышением скорости от 4,7 до 7,3 км/ч значения коэффициентов вариации увеличиваются у передних пружин в среднем на 20$ и уменьшаются у задних в среднем на 27$.
Анализ процесоов нагруженяя пружин подвески трелевочного трактора доказал высокую нагруженность задних пружин при трелевке леса и повышение нагрузки в переднях пружинах при движении трактора без груза.
На рис.2 »13 ж-2,18 построены графики распределения амплитуд напряжений циклов, средних и эквивалентных напряжений в пружинах подвески при работе трактора на более длительных режимах (трелевка леса 331 и движение без груза 30$ со скоростью 4,7 км/ч). Графики показывают более высокую нагруженность пружин из прутка 0 34 мм Так, средние значения амплитуд напряжений у задних пружин 0 34 яри движении с возом 8 ЛІ3 равны 190 мпа, у пружин 0 36 и заневоленных -НО Мпа Средние значения амплитуд средних напряжений соответственно равны: 0 34 - 530 Мпа, 0 36 - 250 Мпа и заневоленных - 340 Мпа. Средние значения эквивалентных амплитуд составили; 0 34 - 350 Мпа, 0 36 - 180 Мпа и заневоленных -210Мпа.
При движении трактора без груза наибольшую нагруженность имеют передние пружины. Средние значения амплитуд напряжений пик-лов у передних пружин 0 34 равны 190 Мпа, у пружин 0 36 - 160 Мпа и заневоленных - 105 Мпа. Средние значения амплитуд средних напряжений соответственно равны: 0 34 - 430 Мпа, 0 36 - 480 Мпа и заневоленных - 320 Мпа. Средние значения эквивалентных амплитуд составили: 0 34 - 2X0 Мпа, 0 36 - 180 Мпа и заневоленных-200 Мпа,
Наибольшую опасность по уровню напряжений в пружинах подвески трелевочных тракторов представляют режимы движения по лесному волоку о возом 8 м3 для задних пружин и без груза для передних со скоростью 4,7 км/ч.
При анализе случайной яагруженноотн пружин, работающих со значительными средними напряжениями, наиболее полную информацию дают двумерные плотности амплитуд и средних значений циклов P(ta m)[93] . На рис.2Д5 показаны двумерные плотности распределений при движении трактора с возом 8 м3 при скорости 4,7 км/Ч, Отмечено, что двумерные плотности распределений амплитуд и средних значений циклов являются сложными поверхностями, определяемыми одномерными распределениями P( Da) и Р \Хт) » По двумерным плотностям распределений определяли распределение эквивалентных амплитуд, приведенных к симметрическому циклу по формуле: где Гаі, - амплитуды напряжений асимметричного цикла, средние напряжения циклов, - коэффициент влияния асимметрии цикла,принятый 0,32, По справочным данным [б] значения Н Для пружинных сталей равны от 20 до 45%,
Информация об эксплуатационной нагружеяности пружин подвески трактора ТДТ-55А, полученная в результате статистической обработки осциллограмм, положена в основу при разработке методики ускоренных испытаний пружин на усталость, выборе стендового оборудования и определении режимов нагружения в лабораторных условиях.
Исследования по определению эксплуатационной нагружеяности пружин подвески трактора ТДТ-55А и их стендовые испытания по определению характеристик усталости пружин, приведенные в третьей главе диссертации, позволили применить методику расчета долговечности металлоконструкций тракторов [32] для прогнозирования ресурса пружин.
Разработка стендового оборудования для испытания пружин
СВ.Сервисен, М.Э.Гарф, В.А.Кузъменко в работе [85] выделяют пять групп способов возбуждения динамического нагружеяия объектов испытаний: жесткое, эластичное прямое, эластичное косвенное, возбуждение постоянным усилием, возбуждение силами инерции собствен ных распределенных масс. При испытаниях упругих элементов в машиностроении чаще всего применяют жесткое возбуждение, которое характеризуется заданной величиной амплитуды возбуждающего перемещения в течение всего периода испытания.
Анализируя характеристики существующих в настоящее время гидравлических, механических (кривошипных и инерционных), электродинамических и других схем возбудителей нагрузок [89, 60] , можно сделать вывод, что для испытаний пружин подвесок тракторов наиболее приемлемы кривошипные и инерционные возбудители. Из них учитывая принятый жесткий способ возбуждения, более предпочтительны кривошипные. Они поддерживают стабильность режима с точностью до 3%, работают с большой эффективностью в режице резонансного усиления, могут обеспечивать программное нагружение, несложны в конструктивном исполнении, имеют хорошую ремонтопригодность и достаточную долговечность.
Рассмотрим ряд стендов для испытаний упругих элементов, известных в различных отраслях машиностроения: I. Стенд для испытания пружин на усталость [6S] с кривошипным возбуждением большой производительности (одновременно испытывается 8 пружин), статический нагружатель гидравлический, снабжен устройством для автоматического поддержания заданного усилия. Недостатком является необходимость подбора восьми пружин одинаковой характеристики, на что расходуется много времени, а также нестабильное регулирование динамической нагрузки на испытуемые пружины. 2. Стенд для испытания спиральных пружин на растяжение и сжатие [бб] кривошипного типа обеспечивает одновременную установку четырех пружин Кривошип выполнен в виде двух маховиков соединенных эксцентрично осью, на которой свободно установлена крестовина, нагружающая пружины. Эксцентриситет оси крестовины регулируется двумя винтами, расположенными в маховиках. Частота вращения 100 об/мин. Стенд имеет очень большие габариты, низкую производительность (около 6 тыс.циклов в час) и не обеспечивает надежную фиксацию оси крестовины в маховиках (возможны перекосы крестовины). 3. Стенд для испытания пружин рессорного подвешивания электровозов [951 кривошипного типа, в котором регулирование динамической нагрузки осуществляется ступенчато сменными эксцентриковыми шайбами. Одновременно испытывается три пружины. Статическая нагрузка осуществляется резьбовыми шпильками. Производительность около 10 тысциклов в час. Усилие на шатуне не более 2 тс. 4. Стенд для испытания упругих элементов подвески [б?] имеет направляющие колонны и подвижную траверсу, приводимуюв движение кривошипным механизмом. Статическая нагрузка поддерживается автоматически. Одновременно испытывается четыре пружины. Производительность низкая (около 3 тыс.циклов в час). 5. Стенд для испытания пружин подвески трактора ТДТ-55 [64] с установкой испытуемой пружины аналогично кинематике подвески трактора. Обеспечивает усилие 5 тс. Стенд низкой производительности, так как допускает одновременную установку лишь одной пружины, производительность 3 тысциклов в час. 6. Стенд для циклических испытаний пружин тракторных подвесок [40] позволяет испытывать пружины подвесок тракторов класса 3 тс (Т-74, ДТ-75М, ДТ-54, T-I50). Пружины на стенде устанавливаются непосредственно в каретках подвески тракторов, т.е. кинематика установки пружин не отличается от кинематики подвески. Возбуж -74- дение динамической нагрузки осуществляется ступенчато сменными эксцентриками, статическая нагрузка - с помощью винта. Для испытания пружин подвески трактора ТДТ-55А (стенд ОТЗ не мог обеспечить большого объема испытаний) возникла необходимость разработки комплекса испытательного оборудования, обеспечивающего нагружение пружин и торсионов усилием не менее 5 тс при деформации не менее 80 мм с максимальной производительностью/ При разработке конструкции стенда предпочтение отдано схемам с механическим возбуждением нагрузок, причем схема с кривошипным возбуждением - основная, а схема с инерционным возбуждеяием-проб-яая. В 1973 г. спроектирован и изготовлен стенд CIG7 оригинальной конструкции, который защищен авторским свидетельством # 531063 [14] Стенд внедрен в Челябинском филиале НАТЙ в 1976 г Акт внедрения и расчет экономической эффективности (523 тыс руб.) в приложении 5, Стенд предназначен для ресурсных испытаний пружин и других упругих элементов при динамическом нагружеяии испытуемых объектов на разных уровнях с предварительной статической нагрузкой» Техническая характеристика стенда: - максимальное усилие толкателя - 5 тс; - максимальный ход толкателя - 85 мм; - частота вращения кривошийого вала - 340 об/мин; - производительность - 20,4 тыс «циклов/ч (при 4 одновременно испытуемых пружинах).
Способ исследования напряжений в витках винтовых пружин
Скорость охлаждения яри закалке в масле по данным работы [41] в 6 раз медленнее скорости охлаждения в воде, что яе обеспечивает полную прокаливаемость металла Поэтому в Магнитогорском горно -металлургическом институте Г й Иваяцовым, М.СШтремт, В ВДукшшм совместно с Белорецким заводом тракторных рессор и пружин разработана среда с промежуточной охлаждающей способностью [41, 46] : предложено применить для закалки пружин водную пену» При охлаждении в пене максимальная скорость в 2,5 раза меньше, чем в воде и в 2,5-3 раза больше, чем в масле. Поэтому пена по сравнению с водой уменьшает склонность к трешинообразованию и снижает деформацию при закалке на 8-10$, а по сравнению с маслом - увеличивают прокаливаемость.
Для закалки пружин применяют пену с увлажненностью 20-25$ Получение пены осуществляют аэрацией воды воздухом с добавлением пенообразователя. Схема установки для закалки пружин в пене показана в приложении 3.
Окончательная структура металла пружин формируется при- отпуске, который должен обеспечивать не только высокий предел упругости, но и определенный уровень пластичности л вязкости при повышенном сопротивлении хрупкому разрушению. По результатам работы [4б] хорошее сочетание прочности и пластичности имеет сталь 60С22А после закалки в пене и отпуска при 500-530С. Исследования на образцах из стали 6СС2ХА и заводские испытания пружин при охлаждении в пене по сравнению с маслом показали увеличение прокаливаемости, получение более высокой и равномерной твердости по сечению и равномерную мелкоигольчатую структуру мартенсита.
В результате анализов конструктивного и технологического направлений повышения прочностных характеристик пружин для стендовых испытаний изготовлены пружины пяти вариантов: 1. Пружины 0 34 мм из стали 60С2Х4 с числом витков П»9-серийные. 2. Пружины 0 36 мм из стали 60С2ХА, П - 9,5. 3. Пружины 0 36 мм из стали 55С2ГФ, П - 9,5. 4. Пружины 0 36 мм из стали 55С2ГФ, ft « 8,2 с увеличенным шагом навивки, заневолеяные. 5. Пружины 0 34 мм из стали 60С2Х&, П- 9, закаленные в двухфазной среде. Пружины изготовлены на Белорецком заводе тракторных рессор и пружин по технологии горячей навивки с дробеяаклепом Пружины перед установкой на испытания тарировали для установления зависимости деформация-усилие. После тарировки четыре пружины устанавливали на стенд и нагружали статически до необходимого усилия предварительного подкатил (см.раздел 3.2), изменением эксцентриситета эксцентрикового устройства стенда последовательно настраивали первый, второй» третий и четвертый уровни напряжений в соответствии с таблицей 3.2.1. Испытания на заданном уровне вели до разрушения пружин Нижний уровень напряжений устанавливали близким к ординате точки перелома кривой усталости. Пружины, нераэрушившиеся при числе циклов, соответствующем базе испытаний, с испытания снимали Недоучтенная долговечность снятых с испытания пружин шла в запас прочности испытуемого варианта Серийные пружины 0 34 из стали 60СШ. с числом витков Г) =9 являлись основным вариантом при оценке статистических параметров напряженности и долговечности По серийным пружинам определяли статистический ряд пределов выносливости и коэффициенты вариации. Устанавливали эталонную кривую усталости в сравнении с которой оценивали усталостные характеристики и долговечность последующих опытных вариантов пружин Проводили оценку рассеяния долговечное-тей пружин на каждом уровне амплитуд напряжений Для обеспечения достоверной оценки результатов исследований в статистическом аспекте испытаны 90 серийных пружин Это количество пружин распределили на 9 одинаковых групп, по 10 пружин в каждой группе. Испытания групп пружин проводили в одинаковых условиях, не меняя амплитуду нагруження, т.е. переналадку стенда на последующий уровень производили после испытания пружин каждой группы на предыдущем уровне В результате испытания групп пружин построено семейство кривых усталости серийных пружин и статистический ряд пределов выносливости Х" (рис.З.Ю), Б табл.3.5.1 приведены параметры этого распределения Величину коэффициента вариации \Л = 0,04 следует считать приближенной, поскольку для ее определения не использованы все статистические данные
