Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор исслщований прочности кабин и кузовов мобильных машин 5
1.1. Направления исследований 5
1.2. Методы испытаний и оборудование
1.3. Выводы по обзору и задачи исследования . 21
Глава 2. Нагруженность кабин сельскохозяйственных тракторов 24
2.1. Конструкции и повреждения кабин 24
2.2. Объекты исследования и условия эксплуатации . 30
2.3. Методические особенности исследования 34
2.4. Закономерности процессов нагружения 43
Глава 3. Методы оценки долговечности кабин 68
3.1. Совершенствование метода расчета долговечности при одноосном напряженном состоянии 68
3.2. Расчет долговечности при плоском напряженном состоянии 86
3.3. Методика полигонных испытаний кабин 93
3.4. Методика стендовых испытаний кабин 106
Глава 4. Реализация результатов исследований 116
4.1. Совершенствование оборудования для ускоренных прочностных испытаний 116
4.2. Полигонные испытания кабин тракторов T-I50 и T-I50K и рекомендации заводу 130
4.3. Стендовые испытания кабин трактора T-I50K . 135
4.4. Прогноз эксплуатационного ресурса кабин по результатам испытаний 137
4.5. Расчет экономического эффекта 142
4.6. Выводы 146
Список использованных источников 150
Приложения
- Методы испытаний и оборудование
- Объекты исследования и условия эксплуатации
- Расчет долговечности при плоском напряженном состоянии
- Полигонные испытания кабин тракторов T-I50 и T-I50K и рекомендации заводу
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I...I985 гг. и на период до 1990 г. наряду с увеличением производства тракторов предусмотрено повышение их на -дежности и производительности, снижение материалоемкости. Одним из металлоемких узлов трактора является кабина, обеспечивающая нормальные условия работы тракториста, от которых зависит производительность труда.
В настоящее время ведутся интенсивные работы по созданию совершенных кабин. Однако отсутствие данных о нагруженности и методик для ускоренной оценки долговечности кабин затрудняло создание кабин со сроком службы, равным сроку службы трактора. Трещины усталости способствуют ухудшению комфорта (повышают шум, вибрацию и запыленность), снижают прочность и, следовательно, защитные свойства кабин, увеличивают расходы на ремонт и замену кабин новыми. Поэтому решение научно-методических вопросов оценки нагруженности и долговечности тракторных кабин является актуальным.
Цель настоящей работы - установление статистических закономерностей нагружения кабин тракторов (на примере тракторов T-I50 и T-I50K) и совершенствование на этой основе методов оценки их долговечности.
Методы испытаний и оборудование
В практике машиностроения при доводке конструкций широко используются полигонные и стендовые испытания. Стендовые испытания имеют более низкую стоимость и высокий коэффициент ускорения по сравнению с полигонньши, однако последние позволяют /21/: - оценить долговечность исследуемой кабины при взаимном влиянии всех агрегатов машины; - провести одновременную оценку ресурса нескольких металлоконструкций машины, например, рамы, кабины, элементов ходовой и навесной систем и т.п. Сочетание стендовых и полигонных испытаний существенно повышает эффективность работ по ускоренной оценке ресурса и доводке металлоконструкций машины. Особое место занимают стендовые испытания статической прочности кабин и кузовов. Программы таких испытаний, как правило, включают два режима нагруяения: - изгиб нагрузкой, имитирующей реальное распределение нагрузки по длине с коэффициентами перегрузки от 2 до 5 /106/; - кручение максимальным скручивающим моментом.
Так,по методике НАМИ проверка соответствия конструкции требованиям жесткости осуществляется изгибающей равномерно распределенной нагрузкой, эквивалентной массе подрессоренной части автомобиля, пассажиров и багажа,и закручивающим моментом, определенным из условий вывешивания (отрыва от земли) одного из колес автомобиля.
При аналогичных испытаниях в исследовательских лабораториях английского филиала компании "Форд" замер деформаций кузова проводится при действии изгибающего момента, соответствующего перегрузке 2с и закручивающего момента величиной 8000 Нм /126/.
Для оценки жесткости кузова легкового автомобиля на изгиб в лабораториях фиры "Триумф" (Англия) /134/ применяется нагру-женив равномерно распределенной вертикальной нагрузкой равной 1000 фунтам (4,536 кН).
Наиболее широкое распространение получили динамические стендовые испытания. Применение таких стендов ограничивается обычно областью упругих деформаций. Возбуждение колебаний в этом классе может производиться различными способами: гидро-пульсационным, электрогидравлическим, инерционным, кривошипным, электродинамическим, комбинированным. Так, на Минском тракторном заводе (МТБ) для испытания кабин создан стенд с комбинированным источником возбуждения колебаний /о/. Виброплощадка стенда опирается на четыре колеса с пневматическими шинами и снабжена двумя видами источников колебаний: для высокочастот -ных колебаний используется вибратор кругового действия с приводом от электродвигателя, для низкочастотных - кулачковый механизм. Амплитуду низкочастотных колебаний регулируют установкой опорных выступов разной высоты и изменением давления в шинах, амплитуду высокочастотных колебаний - изменением дисбаланса вибратора. На этом стенде можно в широком диапазоне регулировать режим нагружения кабин, испытывать другие эл ленты,разрушающиеся от вибрации. Однако контролировать и поддерживать заданный режим нагружения весьма трудно, так как возбуждение колебаний осуществляется через упругие элементы (пневматические шины), имеющие нелинейные упругие характеристики.
На стенде /74/ Харьковского тракторного завода колебания кабины возбуждаются роликовыми толкателями. Привод стенда осуществляется от электродвигателя, который соединен через 4-х ско ростной редуктор с четырьмя конечными редукторами. На валах конечного редуктора посажены ролики, усилия от которых через роликовые толкатели передаются кабине. При испытаниях задают определенное перемещение комбинацией смещения роликовых толкателей по высоте. К недостаткам стенда следует отнести тихоход-ность, сложность регулировок, небольшой диапазон воспроизводимых нагрузок.
Для испытания кабин автомобилей завода им. Лихачева /84/ используется стенд с инерционным возбудителем колебаний при час-тоте, равной собственной частоте крутильных колебаний кабин с оперением. В качестве возбуждения используется автоматически регулируемый двухсекционным вибратор направленного действия. Испытания проведены при двух способах закрепления кабины. В первом случае для исключения влияния способа установки на величину частоты собственных колебаний и форд упругой линии колебаний, кабина без оперения подвешивается на мягких пружинах.
Во втором случае испытаний кабину устанавливают на раме автомобиля. В обоих случаях на место сиденья водителя и пассажира устанавливают вибратор. Испытания проводят на восходящей резонансной ветви крутильных колебаний.
Для ресурсных испытаний кабин на ПФ НАТИ установлен вибростенд конструкции НАТИ /80/. Кабина трактора закрепляется на испытательной раме аналогично закреплению ее на тракторе. Испытательная рама,в свою очередь,закрепляется на основании стенда. Возбуждение создается центробежным вибратором направленного действия, установленным на балке, закрепленной поперечно на испытательной раме. На другом конце балки установлен противовес. Изменением схемы крепления рамы к основанию, плеча установки вибратора относительно продольной оси кабины, расстояния поперечной балки от кабины и частоты возбуждаемых колебаний - возможно в широком диапазоне варьировать режим испытаний.
Установка для динамических испытаний кабин тракторов ВгТЗ /65/ расположена в отдельном помещении, которое состоит из акустической камеры и аппаратной. Стены и потолок акустической камеры имеют наклон для получения в ней диффузного звукового поля. В камере на виброизолированном фундаменте размещен вибростенд, который имеет два электродинамических вибратора ЗЭД-IoOO. Вибраторы не имеют между собой механической связи и могут работать в автономном и синхронизированном режимах. Вибростенд позволяет воспроизводить линейные и угловые колебания кабины. Контроль и управление кинематическим возбуждением производится по ускорению, перемещению, скорости колебаний опор кабины и усилию,действующих в них. Параметры нагружения воспроизводятся в области частот 5...2000 Гц с амплитудой перемещения до 12 мм и толкающим усилием до 15 кН.
В ФРГ /122/ создан стенд с беговыми барабанами, на поверхности которых закрепляются в различном порядке деревянные пре -пятствия (86 штук). Высота препятствий регулируется. На барабаны устанавливаются колеса специальной одноосной тележки, на раму которой крепится кабина. Горизонтальные колебания тележки воз -буждаются эксцентриковьш приводом через дышло тележки. 100 часов работы на этом стенде соответствует 8000-4000 часам работы в эксплуатации. Основным недостатком такого стенда является: тихоход-ность, небольшой коэффициент ускорения, сложность регулировки режима.
Широкое применение для испытаний кузовов и кабин нашли гидравлические стенды, на которых можно воспроизводить с большой точностью величины усилий и частот прилагаемых нагрузок в достаточно большом диапазоне перемещений. К наиболее простой конструкции гидравлического стенда можно отнести стенд Уральского автомобильного завода /70/, состоящий из неподвижной рамы и шарнир-но связанной с ней качалки, приводимой в действие двумя гидроцилиндрами. Кабину устанавливают задними точками на раму, а перед-ними-на качалку. Стенд позволяет задавать колебания качалки с частотой I—15 Гц и амплитудой 0-5. Режим испытаний выбирают по напряжениям в наиболее нагруженных местах кабины, которые составляют примерно 65-85% максимальных амплитуд, зарегистрированных в тяжелых эксплуатационных условиях (например, при движении автомобиля на булыжной дороге).
Объекты исследования и условия эксплуатации
Исследуемая унифицированная кабина тракторов Т-І50 и Т-І50К (рис. 2.4) - цельнометаллическая, двухместная. Она герметизирована, термо- и шумоизолирована, оборудована вентиляцией, обогревом с обдувом лобовых стекол и воздухоохладителем. В кабине размещены два мягких подрессоренных сиденья, одно из которых регулируется по весу и росту тракториста, рулевая колонка, педали ж рычаги управления трактором, щиток контрольных приборов.
Основные детали крыши, передней, задней и боковых панелей выштампованы из тонколистовой стали 08 кп толщиной I - 1,4 мм. Пол изготовлен из стального листа толщиной 2 мм и усилителей гнутого профиля толщиной 2 - 3 мм (сталь 08 кп). Соединение деталей и узлов осуществляют в специальных кондукторах контактной и электродуговой сваркой.
Дополнительно исследовалась кабина защитного варианта, обеспечивающая "зону безопасности" (в случае опрокидывания трактора) . Отличительной ее особенностью является наличие каркаса, вводимого в конструкцию без существенного изменения интерьера и технологии изготовления. Каркас образован передними и задними стойками, которые размещены по обе стороны дверных проемов и соединены в верхней части с продольными и поперечными балками,внизу - с полом, а в задней части - с нижней трубой. Все элементы каркаса, за исключением задних стоек, изготовлены из стальной трубы 40x40x5 мм, задние стойки из трубы 80x40x5 мм; соединение элементов каркаса между собой и с элементами кабины осуществлено электродуговой сваркой. Эксплуатационная масса кабины с каркасом составляет 860 кг.
Для проведения тензометрических исследований нагруженности кабин проведено изучение условий эксплуатации тракторов. Учтены области использования, характер и объем выполняемых работ, условия движения по различным типам полей и дорог, агрегатируемые сельскохощяйственные орудия.
Гусеничный трактор T-I50 и его колесная модификация являются тракторами общего назначения тягового класса 3 и предназначены в основном для выполнения комплекса сельскохозяйственных и транспортных работ. При разработке программы-методики с учетом исследований /45/, /50/, /78/ все виды выполняемых работ укрупненно разбиты на 3 группы: пахота, предпосевная обработка и транспортные работы (табл. 2.3). Использованы данные исследования занятости тракторов T-I50K в Одесской, Запорожской, Черниговской, Полтавской, Харьковской и других областях Юго-Западной зоны страны /96/.
Для пахоты в большинстве случаев используют универсальный плуг - полунавесной шеотикорпусный ПЖІ-6-35 или навесной пятикор-пусный ПЛН-5-35. В зависимости от тягового сопротивления пахотного агрегата скорость движения трактора при выполнении этой операции составляет 7-13 км/ч. Для лемешного лущения применяют скоростной десятикорпусный лущильник ППЛ-Ю-25 (скорость до 14 км/ч), для дискового лущения - лущильник ЛДГ-І5 (скорость - 8-12 км/ч). дискование проводят с помощью дисковых борон БД-ІО и БДТ-7 (скорости соответственно до 10 и 7 км/ч), культивацию - с агрегатом КПС-4 (скорость 9-12 км/ч). Предпосевную обработку почвы производят, как правило, поперек пахоты. При переезде трактора через свальные гребни и разъемные борозды резко увеличиваются продольно-угловые колебания трактора, что приводит к снижению скорости движения до 5-6 км/ч.
К группе транспортных работ отнесены транспортировка грузов и сельскохозяйственных машин, работы по заготовке коров, внесению удобрений и т.п. Около«80% общего объема перевозок составляют внутрихозяйственные (на расстояние до 5000-8000м) с прицепами типа ІПТС-9 и ЗПТС-І2. Существенный объем в этой группе составляет внесение удобрений разбрасывателями КСО-8 и РУН-І5Б. При внесении жидких удобрений трактор T-I50K агрегатируют с разбрасывателем KiT-8, а при внесении пылевидных - с разбрасывателем РУП-ЗА.
При транспортных работах движение трактора осуществляют по укатанным и разбитым грунтовым дорогам, дорогам с твердым покрытием, имеющим различную степень изношенности, поля после уборки урожая и т.д. Наиболее неблагоприятными с точки зрения нагружен-ности является транспортное движение тракторов с прицепными и навесными орудиями по разбитой грунтовой дороге и полю с поперечными бороздами от старой пахоты. Именно эти режимы положены в основу программы-методики. Предусмотрены также опыты в режиме крутых поворотов и переезд препятствий на полигоне при различных скоростях движения с навесными орудиями (приложение I).
При измерении напряжений в элементах кабин применяли проволочные тензорезисторы с базой Ю мм и номинальным сопротивлением 200 Ом. Места их наклейки на элементы кабин выбраны с учетом зон концентрации напряжений и результатов изучения повреждений кабин. С целью измерения номинальных напряжений тензорезисторы располагали на расстоянии 5-Ю мм от края концентраторов напряжений (отверстий, сварных швов, электрозаклепок и т.п.), а также вдоль краев полок и стенок деталей, что позволило непосредственно измерять главные нормальные напряжения. На листовых элементах применяли прямоугольные розетки. Наклейку тензорезисторов производили клеем "Циакрин 30" с последующей влагоизоляцией эпоксидной смолой марки Э-40. Схемы наклейки тензорезисторов на элементы кабин тракторов T-I50 и T-I50K показаны на рис. 2.5 и 2.6.
Расчет долговечности при плоском напряженном состоянии
Для оценки долговечности элементов кабины при плоском напряженном состоянии примем следующие допущения и исходные положения: 1. Накопление повреждений происходит в соответствии с гипотезой линейного суммирования повреждений. 2. Компоненты напряжений представляют собой гауссовские стационарные процессы, обладающие свойством эргодичности. 3. Компоненты напряжений изменяются синхронно и синфазно. 4. Знаки экстремальных главных напряжений 6f и одинаковы. о. Наиболее приемлемой при анализе плоского напряженного состояния является гипотеза наибольших касательных напряжений, причем положение площадки с Ттах изменяется несущественно и им можно пренебречь.
Возможность использования первых двух допущений подтверждена в работах /38/, /31/, а третье допущение вытекает из анализа осциллографических записей процессов изменения деформаций в исследуемых точках элементов кабины с помощью розетки тензорезис-торов и подтверждено в работе /77/ применительно к рамам. Так, при изучении сложного напряженнного состояния на полу кабины трактора Т-ІоОК в зоне передней ЛЄЕОЙ опоры выявлено синхронное подобие всех трех процессов изменения деформаций, регистрируемых тензорезисторами прямоугольной розетки,и совпадение во времени экстремальных значений. Кроме того, при обработке этих процессов установлено, что экстремальные главные напряжения в большинстве случаев имеют одно направление (растяжение или сжатие), которое по отношению к расположению тензорезисторов розетки меняется не 87 существенно (табл. 3.3), тем самым подтверждается приемлемость четвертого допущения. Возможность использования пятого положения подтверждена в работах /10/, /64/, /103/.
Принятый нами подход к расчету долговечности при плоском напряженном состоянии отличается от ряда известных работ. Так, в работе В.Г.Нейченко /77/ предложен метод обработки записей переменных напряжений при плоском напряженном состоянии путем нахождения корреляционных уравнений связи показаний одного из тензо-резисторов прямоугольной розезеки с величиной главного напряжения. Применение этого метода основано на допущении, что в деталях возникает переменное двухосное напряженное состояние с синфазным и синхронным изменением компонентов напряжений и постоянным направлением действия главных напряжений, корреляционные уравнения находятся на основании расчета главных напряжений по обработке
Полная обработка записей проводится только для одного из тензорезисторов обычными методами. Далее, в соответствии с выбранной гипотезой наибольших касательных напряжений, определяется эквивалентный процесс изменения напряжений и его основные статистические характеристики. Расчет долговечности проводится также, как и при одноосном случайном нагру-жении. Отличие применяемого В.Г.Нейченко метода от предлагаемого нами заключается в том, что вместо уравнений корреляционной связи, использованных в работе /77/» определяются мгновенные значения случайного процесса главных напряжений, затем случайного процесса касательных напряжений, для которого и проводят схематизацию методом полных циклов.
В работе М.Н.Седякина /101/ исследовано двухосное напряженное состояние деталей рамы самоходного шасси T-I6M; установлено, что в общем случае элементы рам могут работать при несинхронном изменении главных напряжений, меняющих свое направление. Для расчета долговечности продольных и поперечных элементов рамы предложены две упрощенные методики. В первой методике рассмотрен случай, когда крутящий и изгибающий моменты независимы, а их амплитуды распределяются по одному из законов: нормальному, экспоненциальному или Релея. Предложено ресурс продольных элементов рассчитывать отдельно при изгибе и кручении, а оценку долговечности производить по меньшей из полученных величин. По второй методике долговечность элементов рам при наличии тесной корреляционной связи между крутящим и изгибающим моментами оценивать по формуле: где Т0 - долговечность, подсчитанная по нормальным напряжени S, ям поперечного сечения; / у = % —- - коэффициент регрессии на 90 пряжений кручения от напряжений изгиба; 1 - коэффициент взаимной корреляции касательных и нормальных напряжений в поперечном сечении; Sf и Sz- дисперсии нормальных и касательных напряжений.
Такой подход близок к методу В.Г.Нейченко и существенно отличается от принятого в настоящем исследовании. В работах /38/,/81/ и /82/ на основе методов теории случайных функций рассмотрен общий случай плоского напряженного состояния, когда компоненты тензора напряжений представляют собой случайные процессы, существенно отличающиеся интенсивностью воздействия, частотными характеристиками и сложностью структуры. Предложено по записям случайных процессов изменения деформаций вычислять их корреляционные и взаимокорреляционные функции, а по формулам работы /14/ определять средние частоты процессов изменения деформаций. Выведены формулы для расчета величины угла расположения опасной площадки, максимальных значений дисперсии эквивалентного процесса изменения напряжений, средней частоты изменения эквивалентного процесса изменения напряжений и средней частоты его первой производной. Затем по формулам работы /81/ находят нижнюю и верхнюю оценки долговечности. Рассмотренный подход сложен для практики расчета; в нем не используется схематизация случайных процессов методом полных циклов, позволяющая получить удовлетворительную сходимость с экспериментами.
Полигонные испытания кабин тракторов T-I50 и T-I50K и рекомендации заводу
Ускоренные полигонные испытания кабин проводили в следующем режиме: для трактора T-I50 - переезд через препятствия высотой Ь±0 мм на треке Ш I полигона Оф НАТМ со скоростью 2,0 м/с без орудий; - крутые повороты на 180 влево-вправо с плугом ПЛН-о-35 в транспортном положении со скоростью 1,9 м/с; - соотношение количества поворотов и переездов через препятствия 1:3,5; для трактора T-I50K - переезд через препятствия высотой 160 мм на треке Ш 2 со скоростью 2,9 м/с с плугом ІШ-о-85 (имитатором) в транспортном положении и в сцепке с полуприцепом ІПТС-8 при номинальной загрузке; - крутые повороты на 180 влево-вправо с плугом ПЛН-о-35 в транспортном положении со скоростью 2,36 м/с; - соотношение количества переездов препятствий и поворотов «5:5:1. Основные цели ускоренных полигонных испытаний кабин: - выявить элементы, лимитирующие ресурс; - произвести оценку влияния различных конструктивных изменений на долговечность; - разработать рекомендации по улучшению конструкций.
Первоначально кабины испытывали на прочностном полигоне при установке их на гусеничный трактор Т-І50. Первые образцы кабин имели наработку до предельного состояния 80-90 тыс. циклов нагру ЖЄНИЙ. Получены разрушения ДВерНЫХ ПроеМОВ, Срез ОКОННЫХ СТОЕК трещины пола в зоне отверстий под болты крепления кронштейнов, трещины переднего и заднего усилителей пола. С целью увеличения долговечности разработан ряд конструктивно-технологических рекомендаций /43/. Например, изменена конструкция крепления кабины к раме, усилены основные несущие элементы, изменена силовая схема пола (табл. 4.5). В результате полигонных испытаний усиленной кабины установлено, что долговечность ее увеличена в 9 раз. Наработка усиленной кабины составила 841 тыс. циклов нагруженил (при требуемой наработке 600 тыс. циклов).
Испытания показали, что установка воздухоохладителя на крыше кабины и введение жесткого каркаса существенно повлияли на долговечность кабины. Установлено, что ресурс испытанных образцов каркасных кабин (безопасных кабин) в 2,3 раза превышает ресурс ранее испытанных на полигоне-бескаркасных кабин с воздухоохладителями и в 1,2 раза меньше ресурса кабин без воздухоохладителей. Раннее появление трещин в элементах кабины, в основном, вызвано нагрузкой от воздухоохладителя, закрепленного на ее крыше. При переезде неровностей воздухоохладитель на крыше имеет большие продольные и поперечные ускорения, существенно увеличивающие нагру-женность усилителей дверных проемов, пола, кронштейнов кабины. На рис. 4.7 показана зависимость долговечности элементов кабины от массы воздухоохладителя, показывающая целесообразность ее снижения.
Проведены стендовые испытания опытных кабин трактора Т-1а0К, которые отличались от серийных усилением передних опор, передних стоек каркаса, кронштейнов. Такие кабины испытывали на фиксированном уровне нагружения, при программном нагружении и на треке полигона для сравнения.
Анализ результатов испытаний кабин на фиксированном уровне показал, что типичными повреждениями являются трещины переднего усилителя пола в зонах передних опор; разрушение верхних шайб амортизаторов, обрыв сварных швов соединения усилителей опор с усилителями пола, трещины пола кабины в зонах приварки передних стоек каркаса и втулок буферов передних опор; обрыв контактной сварки передних панелей кабин к полу; трещины усилителей дверных проемов в зоне нижних углов. Как правило, первые трещины появлялись на полу и его переднем усилителе в зоне опор. Такие повреждения устранялись ремонтом. Так, трещины переднего усилителя устранили заваркой и наложением накладки (рис. 4.8). После такого ремвнта усилитель до конца испытаний не имел повреждений.
Слабым местом крепления топливного бака было соединение проушины натяжного болта со штифтом ленты, в котором происходило частое разрушение проушины болта и нижней петли ленты бнка. В процессе испытаний поврежденные ленты меняли на усиленные с удлиненным натяжным болтом и буферной резиновой подушкой (рис. 4.S).
В результате программных испытаний получены те же повреждения ОСНОЕНЫХ элементов кабины, как и при испытаниях на фиксированном уровне нагружения, на полигоне и в условиях эксплуатации (см. приложение 5).
Идентичность повреждений на стенде и полигоне показывает правильность выбранной методики испытаний. Стендовые ресурсные испытания показали возможность их проведения как на фиксированном уроЕ-не нагружения, так и при программном. Преимуществом первого метода является простота методики испытаний и оборудования. Однако этот метод требует большого количества образцов для оценки ресурса. Программные испытания позволяют получить подобные результаты при меньшем количестве образцов.
Похожие диссертации на Оценка нагруженности и долговечности кабин тракторов (на примере тракторов Т-150 и Т-150К)
