Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор научных исследований в области создания надежных конструкций несущей системы и ходовой части грузовых автомобилей
Выводы по главе и задачи исследования 28
2. Исследование нагрузок, действующих на несущую систему и узлы ходовой части большегрузных строительных автомобилей - самосвалов в эксплуатационных и полигонных условиях 31
2.1. Условия эксплуатации большегрузных строительных автомобилей-самосвалов 31
2.2. Особенности конструкций несущих систех узлов ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов.. 35
2.3. Анализ эксплуатационных разрушений несущих систем и узлов ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов 39
2.4. Нагрузки, действующие в эксплуатации на несущие системы и узлы ходовой части автомобилей-самосвалов 49
2.5. Экспериментальные исследования эксплуатационной напряженности рамы и узлов ходовой части автомобиля-самосвала 54
Выводы по главе 75
3. Расчетно-экспериментальное исследование взаимодействия шасси с самосвальной установкой большегрузных строительных автомобилей-самосвалов 77
3.1. Исследование угловой жесткости несущей системы автомобилей-самосвалов 77
3.1.1. Методика оценки угловой жесткости несущей системы автомобилей 77
3.1.2. Исследование угловой жесткости несущей системы автомобилей-самосвалов 79
3.2. Исследование силового взаимодействия рамы с самосвальной установкой 83
3.3. Анализ пространственного взаимодействия рамы с надрамником 91
3.4. Анализ деформируемости несущей системы автомобиля-самосвала при разгрузке 99
3.5. Методика численно - экспериментального анализа жесткости и прочности рамы с учетом податливости узлов 108
3.5.1. Схема расчета рамы на основе метода перемещений 108
3.5.2. Кинематический анализ узлов рамы методом конечных элементов 113
3.5.2.1. Основные соотношения 113
3.5.2.2. Схема построения матрицы жесткости 118
3.5.2.3. Подготовка исходной информации 121
3.5.2.4. Расчет составных оболочек. Условия стыковки 123
3.5.2.5. Нумерация 126
3.6. Расчет рамы в сборе с осью балансира при действии вертикальной и горизонтальной кососимметричных нагрузок... 128
3.7. Исследование прочности соединений поперечин с лонжеронами рамы 135
3.8. Исследование напряженно-деформированного состояния узла пятой поперечины рамы 143
Выводы по главе 163
4. Расчетно-экспериментальные исследования жесткости, прочности и долговечности элементов ходовой части автомобилей-самосвалов 165
4.1. Постановка задачи и оценочный расчет напряженно-деформированного состояния штампо-сварного картера ведущих мостов по балочной теории 165
4.2. Экспериментальные исследования картера мостов методами лаковых покрытий и тензометрирования 167
4.3. Исследование картера методом оптически чувствительных покрытий 175
4.4. Определение уровней и характера распределения остаточных напряжений в балке картера 180
4.5. Численное исследование напряженно-деформированного состояния картера заднего моста, как оболочки сложной геометрии 184
4.5.1. Вычисление потенциальной энергии деформации 188
4.5.2. Вычисление деформаций 191
4.5.3. Алгоритм построения матрицы жесткости элемента 195
4.5.4. Задание исходной информации о геометрии 198
4.5.5. Определение узловых сил на элементе 201
4.5.6. Проверка полученных теоретических положений 205
4.6. Расчет картера ведущего заднего моста 210
4.7. Исследования усовершенствованных конструкций картера заднего моста 215
4.7.1. Картер с различными сечениями балки 215
4.7.2. Картер с крышкой, круглой в плане и измененной формой меридиана 219
4.7.3. Картер заднего моста с удлиненной в плане крышкой 225
4.7.4. Экспериментальное исследование влияния формы крышки картера на его напряженно-деформированное состояние 230
4.8. Исследование циклической долговечности сварного соединения цапфы с балкой картера моста 235
4.9. Исследования жесткости, прочности и циклической долговечности картера (балки) переднего моста автомобиля- самосвала 23 8
4.10 Исследование прочности фланцевого соединения шаровых опор с картером моста полноприводного автомобиля- самосвала 250
Выводы по главе 255
5. Расчеты и эквивалентные стендовые испытания на усталостную долговечность конструкций не сущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов 258
5.1. Методы расчета усталостной долговечности 260
5.2. Исследование накопления усталостных повреждений для случая нерегулярного нагружения с перегрузками 269
5.3. Выбор метода расчета усталостной долговечности элементов несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов... 282
5.4. Расчетная оценка усталостной долговечности элементов несушей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов на основе результатов стендовых испытаний 288
5.5. Оценка соответствия усталостной долговечности деталей автомобиля нормативным требованиям 295
5.6. Стендовые испытания элементов несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов на усталость 301
5.7. Общие принципы проектирования конструкций несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов по критерию сопротивления усталости 315
5.8. Методология разработки рациональных по жесткости, прочности, ресурсу и металлоемкости конструкций несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов 322
Выводы по главе 328
Заключение, выводы, рекомендации 330
Библиографический список использованной литературы 336
Приложения 357
- Анализ эксплуатационных разрушений несущих систем и узлов ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов
- Анализ деформируемости несущей системы автомобиля-самосвала при разгрузке
- Экспериментальные исследования картера мостов методами лаковых покрытий и тензометрирования
- Исследование накопления усталостных повреждений для случая нерегулярного нагружения с перегрузками
Введение к работе
В настоящее время в стране велика потребность в большегрузных строительных автомобилях-самосвалах. Без этих машин немыслимо расширение промышленного, дорожного и жилищного строительства, развитие топливно-энергетического комплекса и сельскохозяйственного производства.
Наряду с задачей увеличения выпуска высокопроизводительных и экономичных, автомобилей-самосвалов стоят задачи снижения металлоемкости и трудоемкости их изготовления, повышения качества, надежности и конкурентоспособности. Проблема повышения надежности и увеличения ресурса автомобилей является частью общей проблемы безопасности и регулярности работы транспорта, а также его экономической эффективности. Особенно важно увеличение ресурса для автомобилей высокой стоимости, к которым относятся и большегрузные строительные автомобили-самосвалы. Повышение надежности и ресурса создаваемых автомобилей - задача весьма сложная, так как прогресс в автомобильной технике идет по пути увеличения грузоподъемности, скорости движения автомобилей при одновременном снижении снаряженной массы, что в свою очередь приводит к росту напряженности элементов конструкции.
Несущая система и ходовая часть являются важнейшими узлами автомобиля. Рама - основной элемент конструкции несущей системы автомобиля, является основанием для крепления узлов и агрегатов машины, а также силовым элементом конструкции, воспринимающим все нагрузки, возникающие при движении автомобиля по дорогам и местности. На изготовление рамы потребляется до 10% металла, идущего на постройку автомобиля. Ее жесткость и прочность в значительной мере предопределяют работоспособность машины в целом. Выход из строя рамы вследствие поломки или необратимой деформации связан с трудоемкими и дорогостоящими ремонтными работами.
Прочность и долговечность несущих элементов ходовой части в значительной мере определяют и безопасность автомобиля.
Выполнение растущих требований к надежности, ресурсу и металлоемкости элементов несущей системы и ходовой части автомобилей может быть достигнуто за счет разработки оптимальных конструкций, устранения избыточных запасов прочности, максимального использования возможностей материала и технологии. Например, снижение металлоемкости рамы можно достичь путем регулирования усилий в ее элементах, в результате чего рационально используются прочностные свойства металла, затраченного на изготовление конструкции. Регулирование усилий в элементах рамы может быть выполнено различными способами, например, изменением конструктивных форм, выбором рациональных схем передачи нагрузок от подвески автомобиля и кузова, подбором погонных жесткостей элементов несущей системы и т.п.
Задача проектирования рациональных конструкций элементов несущей системы и ходовой части автомобилей не может успешно решаться без совершенствования расчетных и экспериментальных методов исследования их жесткости, прочности и долговечности.
Разработка методологии комплексного исследования, обеспечивающего надлежащую надежность и долговечность сложных автомобильных конструкций с учетом влияния различных факторов проектирования, производства и эксплуатации, является актуальной проблемой современного автомобилестроения.
В связи с этим тема диссертации, посвященная методологии разработки рациональных конструкций несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов, является актуальной.
Цель исследования. Создание методологии разработки рациональных конструкций несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов.
Объектом исследований являются конструкции несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов семейства КамАЗ.
Предмет исследований. Методы проектирования несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов.
Методы исследований. Решение поставленных задач базируется на методах статистической обработки результатов испытаний и информации об эксплуатационной надежности автомобилей; вероятностных и детерминированных методах анализа нагруженности автомобильных конструкций; численных и экспериментальных методах исследования напряженно-деформированного состояния конструкций; вероятностных методах расчета усталостной долговечности конструкций по номинальным напряжениям и локальным деформациям; методах ускоренных ресурсных испытаний автомобильных конструкций в стендовых и полигонных условиях.
Достоверность и обоснованность принятых в диссертационной работе решений подтверждается полнотой и обстоятельностью анализа известных методов проектирования и доводки машин; корректным применением теории математической статистики и методов математического моделирования технических систем; корректностью выбора исходных допущений и ограничений при исследовании несущих систем и ходовой части автомобилей; достаточной адекватностью используемых математических моделей исследуемым объектам; согласованностью теоретических результатов с результатами экспериментальных исследований, полученных в НТЦ ОАО «КАМАЗ», внедрением разработанных методов проектирования на автомобильных заводах; публикацией и апробацией основных положений работы на международном и всероссийском уровнях, а также результатами эксплуатации машин с реализованными в конструкции техническими решениями диссертационной работы.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:
Разработана методология создания рациональных конструкций несущей системы и ходовой части большегрузных строительных самосвалов но критериям жесткости, прочности, усталостной долговечности и металлоемкости, базирующаяся на статистической информации о надежности прототипов проектируемых конструкций в эксплуатации, функциях распределения их усталостной долговечности, анализе статистического характера действующих нагрузок и функций распределения амплитуд напряжений в элементах при эксплуатации по типовому рабочему циклу и испытаниях на эквивалентном комплексе дорог и сооружений автополигона, анализе полей напряжений и деформаций в элементах конструкций расчетными и экспериментальными методами, использовании статистических характеристик сопротивления усталости элементов, теории подобия усталостного разрушения и вероятностных методов расчета на усталость, методах ускоренных ресурсных стендовых испытаний конструкций.
На основе статистической информации о надежности большегрузных автомобилей-самосвалов в эксплуатации установлены критерии предельных состояний несущей системы и ходовой части, лимитирующих работоспособность последних. Определены функции распределения и коэффициенты вариации усталостной долговечности элементов несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов в эксплуатации.
Составлен статистически обоснованный типовой рабочий цикл большегрузных строительных автомобилей-самосвалов; подобран комплекс специальных дорог и сооружений автополигона, оказывающих повреждающее воздействие на элементы их несущей системы и ходовой части, эквивалентное типовом}' рабочему циклу.
4. Разработана методика расчета на этапе доводки напряженно-
деформированного состояния рамы несущей системы самосвалов методом ко
нечных элементов по смешанной схеме, в которой, в отличие от известных
схем, узлы рамы представляются оболочечными элементами, а податливости их
определяются экспериментально.
Установлено, что для получения достаточно точной оценки напряженно-деформированного состояния картеров ведущих мостов в конечно-элементных моделях их следует представлять составными оболочками сложной геометрии средней толщины.
Разработаны нормы жесткости и прочности несущей системы и элементов ходовой части автомобилей-самосвалов, на основе которых созданы и защищены патентами РФ рациональные по жесткости, прочности, усталостной долговечности и металлоемкости конструкции.
Определена точность расчетов усталостной долговечности элементов несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов при различном уровне случайного нагружения методами номинальных напряжений и локальных деформаций; предложена процедура перехода на основе использования метода локальных деформаций от долговечности элемента конструкции, полученной при гармоническом нагружении в стендовых условиях, к долговечности этого элемента в условиях испытаний на полигоне или в эксплуатации.
Разработаны и защищены патентами РФ схемы нагружения, стендовое оборудование и блок-программы ускоренных ресурсных испытаний несущей системы и картеров ведущих мостов большегрузных автомобилей-самосвалов на основе информации о нагруженности их на дорогах полигона.
Практическая ценность. Внедрение в практику проектирования большегрузных строительных автомобилей-самосвалов выявленных в ходе исследований закономерностей, разработанных методик исследования и конструктивных рекомендаций, позволяет на стадиях проектирования и доводки создавать надежные, рациональные по жесткости, прочности, долговечности и металлоемкости конструкции несущей системы и ходовой части; сократить материальные, трудовые затраты и время на создание новых моделей автомобилей.
Реализация результатов. Разработанные методики и результаты теоретических исследований используются в НТЦ ОАО «КАМАЗ» при выполнении опытно-конструкторских работ по созданию конструкций несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов. Разра-
ботанные рекомендации и научные положения диссертации реализованы в конструкциях серийно выпускаемых автомобилей-самосвалов КамАЗ-55111, -65115, -65116, -6520 и в экспериментальном образце автомобиля-самосвала Ка-мАЗ-6522.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на Н-ой Всесоюзной НТК «Надежность и долговечность машин и приборов» (Куйбышев, 1984), Всесоюзных НТС «Динамика и прочность автомобиля» (Москва, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994), Х-ой НТК молодых ученых ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова (Москва, 1985), Всесоюзной НТК «Методы ускоренных стендовых испытаний агрегатов тракторов и сельхозмашин на надежность» (Челябинск, 1991), международных НТК «Механика машиностроения» (Набережные Челны, 1995, 1997), «Новые технологии в машиностроении» (Харьков, 1993, 1996); Республиканских НТК «Механика сплошных сред» (Набережные Челны, 1982), «Технология и ресурс» (Казань, 1985), «КамАЗ-КамПИ» (Набережные Челны, 1986), международной НТК «Автомобиль и техносфера» (JCATS' 2001) (Казань, 2001), Всероссийской НТК «Современные тенденции развития автомобилестроения России» (Тольятти, 2004). Материалы диссертации неоднократно докладывались и обсуждались в 1982-2004 гг. на НТС «ОАО «КАМАЗ», на расширенных заседаниях кафедр «Автомобили и автомобильные перевозки», «Основы конструирования машин» Камского государственного политехнического института.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 работ, из них 33 научных статьи, 17 патентов РФ, 2 отчета НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и приложений. Общий объем диссертационной работы 396 страниц машинописного текста, включающего 201 рисунок, 25 таблиц и список использованной литературы из 240 наименований.
В первой главе дан обзор исследований прочности и долговечности конструкций несущей системы и ходовой части грузовых автомобилей, сформулированы выводы и задачи диссертации.
Во второй главе на основе статистического анализа условий эксплуатации определен типовой рабочий цикл большегрузных строительных автомобилей -самосвалов. Собрана и статистически обработана информация об эксплуатационных повреждениях элементов несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилейя-самосвалов семейства КамАЗ. Определены функции распределения их усталостной долговечности в эксплуатации. Приведены результаты оценки характеристик нагруженности элементов несущей системы и ходовой части самосвалов в эксплуатации и «эквивалентных» полигонных условиях. Обоснованы нормы прочности элементов несущей системы и ходовой части большегрузных автомобилей-самосвалов при статических и пиковых динамических нагружениях, а также комплексный маршрут, состоящий из набора специальных дорог и сооружений автополигона, эквивалентный по повреждающему воздействию типовому циклу эксплуатации самосвалов.
В третьей главе приведены расчетно-экспериментальные исследования силового взаимодействия шасси с самосвальной установкой автомобилей-самосвалов при движении по дорогам и свале груза на неровных площадках. Проведен анализ нагруженности рам самосвалов по внутренним силовым факторам в сечениях лонжеронов, полученных по результатам натурного тензомет-рирования. Приведена методика расчета напряженно-деформированного состояния рам с учетом податливости их узлов методом конечных элементов по смешанной схеме. Разработаны научно-обоснованные рекомендации по формированию рациональных по жесткости и прочности несущих систем автомобилей-самосвалов.
В четвертой главе приведена методика расчетно-экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния картеров ведущих мостов большегрузных автомобилей-самосвалов. С использованием этой методики объяснены причины эксплуатационных разрушений штампосварных и литых картеров мостов, шаровых опор поворотных цапф переднего ведущего управляемого моста и резьбовых деталей их крепления. Разработаны научно обосно-
13 ванные конструкторско-технологические рекомендации по совершенствованию конструкции картеров мостов, направленные на повышение их усталостной долговечности.
В пятой главе приведены результаты анализа различных методов расчета усталостной долговечности автомобильных конструкций. На основе экспериментальных исследований определены границы применения вероятностных методов расчета по номинальным напряжениям (с суммированием усталостных повреждений по корректированной линейной гипотезе) и локальным деформациям. Проведена экспериментальная проверка возможности суммирования усталостных . повреждений по линейной гипотезе при нагружениях деталей с перегрузками. Разработана методология перехода от результатов стендовых испытаний элементов конструкции на усталостную долговечность при блочном гармоническом нагружении или гармоническом нагружении с постоянной амплитудой к усталостной долговечности при испытаниях на полигоне или в эксплуатации. Разработаны методы ускоренных стендовых испытаний несущих систем и картеров мостов автомобилей-самосвалов по блок-программам. Проведена оценка их точности. Сформулированы критерии развития и качества конструкций несущей системы и ходовой части автомобилей-самосвалов, приведена структурная схема методологии разработки рациональных конструкций.
Работа выполнялась автором в научно-техническом центре ОАО «КАМАЗ» и Камском государственном политехническом институте в период с 1984 по 2005 гг.
Анализ эксплуатационных разрушений несущих систем и узлов ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов
Для сокращения времени получения информации и ускоренной доводки автомобильных конструкций на ресурс, выявилась целесообразность проведения их ускоренных стендовых эквивалентных испытаний по программам, составленным на основе анализа факторов, влияющих на исчерпание ресурса. За рубежом эквивалентные испытания при доводке автомобильных конструкций применяются уже давно. Проблема ускоренных испытаний на ресурс не ограничивается проведением эквивалентных циклических испытаний конструкции - она включает в себя также изучение закономерностей изменения характеристик материалов в зависимости от условий нагружения, влияние технологии изготовления деталей и их конструктивной формы на ресурс, а также изучение прочности основных узлов и деталей. Эти данные необходимы для оценки эквивалентности различных условий нагружения и построения программ ускоренных испытаний, и, в конечном счете, определяют эффективность эквивалентных испытаний.
Оценка фактической работоспособности изделий экспериментально-теоретическими методами приобрела за последнее время широкое распространение. Разработка методов ускоренных испытаний, оценки их точности нашли отражение в исследованиях Р.В. Кугеля [91], Х.Б. Кордонского, М.Н Степнова [171], Т.А. Француза, А.Ф. Селихова, В.Л. Райхера, С.С. Дмитриченко [63], Б.В. Бойцова [24], Н.В. Олейника [116], G. Jacoby [232], V. Grubisica, G. Fischera [225], E. Gasnera [226] и др.
В автомобильных конструкциях немаловажное значение имеет экономическая целесообразность мероприятий по повышению надежности и долговечности. Методы нормирования долговечности и надежности конструкций с учетом экономических аспектов их изготовления и эксплуатации подробно рассмотрены в работах Л.Я. Шухгалтера, А.В. Гличева, М.И. Ипатова [76], Х.А. Фасхиева [186] и др. Грузовой автомобиль и его силовые конструкции прежде всего должны соответствовать функциональным и экономическим требованиям, предъявляемым к ним, поэтому при разработке конструкций необходимо прежде всего обеспечить выполнение ими своих функций. При этом каждый элемент автомобиля - деталь должна обладать определенными показателями. Наиболее значимыми из этих показателей являются жесткость, прочность, долговечность и т.д. технология обеспечения этих показателей для каждого элемента имеет свои особенности. Для обеспечения функциональности и минимальных затрат для ее достижения при разработке используется функционально-стоимостной анализ (ФСА). Он ориентирует разработчиков на поиск таких технических решений, воплощение которых в конструкцию даст оптимальное соотношение между потребительской стоимостью изделия и затратами на его разработку и изготовление. Обеспечение экономичности изделия с помощью ФСА достигается устранением функциональной избыточности объекта разработки. ФСА объекты рассматривает в экономическом аспекте, исследует внутренние экономические связи элементов и, в отличие от технико-экономического анализа, является как бы микроанализом [156]. Результаты ФСА предназначаются для решения локальных технических задач в ходе НИОКР и выбора оптимальных решений. Применение ФСА на практике вызвало к жизни особую форму ОКР, нацеленную на совершенствование конструкций выпускаемых изделий и технологии их изготовления. Такую форму ОКР называют ФСА-разработкой. Ее особенность - в ведущем положении экономико-аналитических работ по отношению к основным конструкторским, экспериментальным и исследовательским работам. ФСА-разработка, несмотря на хорошую проработанность ее методов, не нашла широкого применения в автомобилестроении. В технологии ФСА-разработки на учитываются требования рынка, все усилия направлены на снижение стоимости изделия, обеспечивая экономичность необходимых функций. С ее помощью можно создать дешевое изделие, которое может не соответствовать требованиям потребителей и не найдет спроса на рынке. Это является существенным недостатком ФСА-разработки новых изделий. В настоящее время все шире находит применение FMEA-анализа (анализ видов и последствий отказов) при проектировании [156]. В ходе FMEA-анализа группа из специалистов разных областей предсказывает потенциально возможные дефекты, отказы конструкции, их причины и последствия. Далее производится количественная оценка «неприятностей» по трем критериям: значимости по последствиям, частоте вероятного появления и возможности обнаружения при изготовлении изделия. Если обобщенная оценка дефекта по этим критериям выше определенной границы, то конструкция подвергается доработке, результат FMEA-анализа - получение совершенной конструкции с минимальными затратами, делать изделие правильно с первого раза. В развитых странах 80% разработок технических изделий и технологий их производства проводится с применением FMEA-анализа.
Весьма оригинальная методика определения параметров конструкции по нормативной заданной надежности предлагается в работе Арасланова М.А. [5]. В данной работе характеристики вероятностного описания нагрузок и несущей способности непосредственно входят в формулы для определения размеров сечения, обеспечивающих заданную надежность элемента конструкции. Такой подход более адекватно отражает реальную работу элемента конструкции, метод проектирования основан на статическом случайном нагружении детали.
В последнее время получил распространение метод виртуального проектирования новых моделей. Современные информационные технологии позволяют изготовить конструкторско-технологическую документацию полностью в электронном виде. Моделируя процесс эксплуатации на компьютере, осуществляются расчеты прочности, долговечности, износостойкости, жесткости, виб-ро- и теплоустойчивости как конструкции в целом, так и ее элементов. В виртуальных моделях, кроме технических расчетов, можно вести и экономический анализ новой модели. Виртуальное проектирование сокращает время создания новых моделей до 1,5 лет, позволяет вести процесс разработки круглосуточно, повышает качество разработок.
Анализ деформируемости несущей системы автомобиля-самосвала при разгрузке
Однако надрамник существенно увеличивает металлоемкость и трудоемкость изготовления несущей системы автомобиля-самосвала. На изготовление надрамника: расходуется до 40% металла, идущего на постройку основной; рамы несущей системы самосвала. Элементы несущей системы автомобиля-самосвала не удаётся выполнить в виде равнопрочной конструкции. Узлы соединения поперечных и продольных балок, рамы и надрамника, места крепления различных деталей к стенкам и полкам их лонжеронов (кронштейнов рессор, топливного бака, силового агрегата и др.), многочисленные отверстия технологического и конструктивного назначения, усложненная из конструктивных соображений форма поперечин и другие причины, создают в элементах несущей: системы зоны резких перепадов жесткости и повышенных концентраций напряжений, опасные возможностью возникновения усталостных разрушений.
Несущие системы автомобилей-самосвалов КамАЗ-65115, 65116 отличаются от несущей системы автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 наличием лишь продольных усилителей лонжеронов рамы по базе автомобиля.
На автомобилях-самосвалах с колесной формулой 6x4 для передней оси применяются кованные балки двутаврового сечения из термоулучшенных на твердость 241-285 НВ сталей 45 и 40Х. Картеры передних мостов полноприводных автомобилей-самосвалов составные (рис.2.10). Картер Г, литой из стали 35Л. В него запрессован трубчатый кожух полуоси 2 из стали 18ХГТ. К фланцу картера и кожуха полуоси шпильками Ml8x1,5 присоединены шаровые опоры поворотных цапф 3. Шаровые опоры изготовлены из стали 40Х, термоулучшенной на твердость 241-285 НВ. Картеры задних ведущих мостов большегрузных строительных автомобилей-самосвалов КамАЗ (рис.2.11) штампосварные с балками 1 из листовой стали 17ГС, толщиной 11 мм, с горизонтально расположенным банджо. Крышка картера 3, служащая как емкость для смазочного масла, куполообразной формы, отштампованная из листовой стали 20, толщиной 8 мм и приварена к балке кольцевым швом внахлест. Цапфы 5 колес из стали 40Х, соединены с балкой картера сваркой трением.
Для получения обоснованных количественных данных об отказах в работе автомобилей-самосвалов из-за разрушения несущих систем и узлов ходовой части, а также выявления зон их эксплуатационной повреждаемости, было проведено обследование технического состояния автомобилей-самосвалов в эксплуатации - непосредственно в транспортных предприятиях. Была собрана и статистически обработана информация о надежности несущих систем и узлов ходовой части около 500 автомобилей-самосвалов КамАЗ-55111, 65115, 65116, работающих в различных географических регионах страны. Автомобили-самосвалы эксплуатировались круглогодично на строительстве различных объектов.
Была собрана также информация об эксплуатационных повреждениях рамы базового автомобиля - седельного тягача КамАЗ-54112. Эксплуатационные разрушения конструкций имеют различное происхождение. Они могут быть следствием аварий, единичных статических перегрузок или результатов действия переменных нагрузок при эксплуатации автомобиля в тяжелых дорожных условиях, характерных для большегрузных строительных автомобилей-самосвалов.
Разрушения, связанные с аварийными или статическими перегрузками, сопровождаются значительными пластическими деформациями элементов конструкции. Под действием переменных нагрузок в зонах повышенных напряжений возникают трещины усталости,, приводящие к хрупким разрушениям.. Наряду с хрупкостью, изломы усталости характерны зональным строением: наличием очагов зарождения трещин, зон постепенного развития усталости и окончательного разрушения.
Эти особенности усталостных изломов позволяют сравнительно легко их отличать от аварийных и однократных перегрузочных разрушений.
Установление характера и происхождения разрушений имеет существенное значение для выбора конструктивных решений, методов расчета на прочность и способов проверки реально достигнутой несущей способности элементов несущей системы и ходовой части автомобилей.
Обработка информации о надежности большегрузных строительных автомобилей-самосвалов КамАЗ показала, что при пробеге до капитального ремонта (350 - 600 тыс. км для различных моделей) трещин, и повреждений элементов несущих систем и ходовой части не имели" лишь 20% автомобилей. Разрушения усталостного происхождения элементов несущих систем и ходовой части преобладали и составляли около 85% от всех случаев повреждений. Это свидетельствует о том, что для прочности несущей системы и узлов ходовой части решающее значение имеют переменные нагрузки, вызывающие в условиях эксплуатации усталостные разрушения и повреждения их элементов. Разрушения же элементов несущих систем и ходовой части, связанные с аварийными и единичными статическими перегрузками, встречаются значительно реже и не лимитируют сроков службы автомобилей-самосвалов. Исключение составляют случаи необратимой деформации несущей системы из-за потери кузовом боковой устойчивости при разгрузке самосвалов на площадках с поперечным уклоном. На рис.2.12 - приведены сведения об эксплуатационных разрушениях рам большегрузных строительных автомобилей-самосвалов КамАЗ в виде наглядной схемы их расположения на раме с регистрацией километража пробега до возникновения. Основные виды разрушений элементов рам приведены на рис.2.13 - 2.18, картеров ведущих мостов и шаровых опор поворотных цапф - на рис.2.19 - 2.23.
Экспериментальные исследования картера мостов методами лаковых покрытий и тензометрирования
Нагрузки, действующие на неподвижный самосвал при его загрузке и транспортировке груза по ровной дороге вызывают в основном изгиб в вертикальной плоскости лонжеронов рамы и надрамника, а также балки (картера) переднего моста (оси) и картеров задних мостов.
При движении с малой скоростью по дороге с большими неровностями самосвал испытывает перекосы. При больших перекосах скорость самосвала небольшая, вертикальные ускорения незначительны, и нагрузки предполагаются квазистатическими. Как правило, их раскладывают на симметричные и кососимметричные нагрузки, закручивающие подрессоренную часть самосвала.
При разгоне, торможении, повороте, заносе, боковой качке автомобиля-самосвала, действуют продольные и горизонтальные нагрузки, они обычно имеют меньшую величину, чем максимальные вертикальные нагрузки. Однако, для отдельных элементов рамных конструкций несущих систем они часто являются доминирующими силовыми факторами вызывающими их разрушения. Поэтому действием продольных и горизонтальных нагрузок при конструировании несущих элементов автомобиля пренебречь нельзя.
Равномерное торможение и разгон автомобиля нагружают раму продольными и вертикальными усилиями, вызывающими растяжение (сжатие) лонжеронов рамы и изгиб их в вертикальной плоскости. Неравномерное торможение вызывает «параллелограмирование» рамы и надрамника, нагружая, в основном, их поперечные элементы. Поворот автомобиля вызывает нагружение рамы с надрамником изгибающим моментом в горизонтальной плоскости от действия боковой составляющей нагрузки на передней оси. Боковая нагрузка, возникающая при повороте между передними колесами и поверхностью дороги, вызывает изгиб и кручение рамы и надрамника. Эта нагрузка не может превышать некоторой вполне определенной величины, ограниченной либо скольжением передних колес, либо сопротивлением повороту задних колес относительно их вертикальной оси. В случае работы автомобиля-самосвала с прицепом, под действием буксируемого груза и тяговых усилий возникают нагрузки растяжения-сжатия рамы и надрамника в продольном направлении.
При разгрузке на самосвал в зависимости от места разгрузки (горизонтальная площадка или с уклоном) действуют различные нагрузки. При свале равномерно загруженного в кузов груза на горизонтальной площадке несущая система самосвала нагружается симметричными силами, создаваемыми подъемным механизмом и грузом. Усилие от гидроподъемника нагружающее несущие конструкции самосвала, действует как многократно повторяющаяся статическая нагрузка, в силу больших промежутков между подъемами груженого кузова для сбрасывания груза и соотношения их длительности со временем подъема кузова. При подъеме груженого кузова на площадке с уклоном, подрессоренная часть самосвала закручивается и от его перекоса, и от момента, создаваемого грузом. Элементы несущей системы самосвала в этом случае претерпевают изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также кручение.
Таким образом, под действием всего комплекса непрерывно действующих в эксплуатации автомобиля-самосвала нагрузок рама и надрамник претерпевают изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, кручение относительно продольной оси, «параллелограмирование» (сдвиг лонжеронов относительно друг друга в продольном направлении) и растяжение-сжатие от действия буксируемого прицепа с грузом (рис.2.24).
При движении и маневрировании автомобиля-самосвала, на его мосты действуют нагрузки, создаваемые вертикальными F:, боковыми Fy, продольными Fx, тормозными и тяговыми силами Fxm. Кроме того, на балку (картер) переднего управляемого моста, при маневрировании автомобиля действуют нагрузки от усилий на рычаге рулевого механизма и поперечной тяге рулевой трапеции (рис.2.25).
Статические вертикальные силы Fz возникают от веса автомобиля, квазистатического перераспределения веса при движении автомобиля на повороте и торможении. При преодолении автомобилем железнодорожных переездов, канав и других подобных препятствий, действуют динамические вертикальные силы. От макропрофиля дороги возникают переменные вертикальные силы, изменяющиеся во времени по случайному процессу. Эти силы действуют со стороны обеих колей дороги независимо друг от друга.
Квазистатические боковые силы Fy с наложенными динамическими составляющими воздействуют при движении автомобиля на повороте. Высокочастотные динамические боковые силы возникают при прямолинейном движении и достигают максимума при преодолении неровностей дороги и выбоин, при этом они действуют на колеса в обоих направлениях.
Высокочастотные продольные силы Fx приложены к цапфам поворотного кулака балки передней оси и к цапфам картеров мостов. Они представляют собой горизонтальную составляющую вектора силы, действующей со стороны неровностей дороги на катящееся колесо под переменным углом к горизонтали. Тормозные и тяговые силы Fxm в пятне контакта колеса с полотном дороги, вызывают изгиб балки (картера) в горизонтальной плоскости и кручение. Перечисленные силы, воздействуют также от закручивания несущей системы и неравномерного прогиба рессор подвески при загрузке самосвала на неровных площадках.
Исследование накопления усталостных повреждений для случая нерегулярного нагружения с перегрузками
Анализ полученных результатов показывает, что наиболее высокие значения боковые усилия достигают при движении автомобиля в тяжелых дорожных условиях. С увеличением скорости движения частота появления высоких значений боковых усилий возрастает. Максимальное значение боковой силы, зарегистрированной при движении автомобиля-самосвала составляет примерно 8% от полного веса автомобиля-самосвала.
При исследованиях нагруженности несущей системы установлено, что самосвал на малой скорости может преодолевать неровности дороги суммарной высотой 0,5 м (диагонально расположенные колеса передней и задних осей наезжают на неровности суммарной высотой 0,5 м или попадают во впадины дорожного полотна такой же глубины). Так как такие неровности водители преодолевают с малой скоростью, то нагружение элементов несущей системы самосвала можно считать квазистатическим. Коэффициенты запасов прочности неповреждающихся элементов несущих систем, подсчитанные как отношение предела текучести материала из которого изготовлен элемент конструкции к максимальному напряжению, зарегистрированному в нем при перекосе автомобиля-самосвала на 0,5 м составляли минимум 1,5. При движении автомобиля по треку со сменными неровностями высотой 230 мм НИЦИАМТ коэффициенты запаса прочности не повреждающихся в эксплуатации элементов несущей его системы составляли минимум 1,3.
Таким образом, для предварительной оценки прочности конструкции несущей системы большегрузного строительного автомобиля-самосвала за нормативный перекос самосвала следует принимать суммарный подъем диагонально расположенных его колес на высоту 0,5 м. Коэффициенты запаса прочности элементов конструкции несущей системы, в статике должны быть не менее 1,5, в динамике - 1,3. Однако, оценка прочности по коэффициентам запаса или по допускаемым напряжениям не дает полной информации о надежности конструкции; она может быть получена только после проведения статических, динамических и эксплуатационных испытаний, причем весьма актуальной становится задача сокращения сроков испытаний. Для этого нужно развивать методы эквивалентных стендовых ресурсных испытаний и методы, которые позволили бы на основе результатов ограниченных испытаний рассчитывать долговечность конструкции.
Для разработки режимов стендовых ресурсных испытаний, а также для проведения расчетов на усталостную долговечность из функций распределения амплитуд напряжений в элементах несущей системы полученных при движении самосвала по специальным дорогам и сооружениям НИЦИАМТ как воспроизводимых и стабильных во времени, необходимо составить функцию распределения амплитуд напряжений смешанного блока нагружений, эквивалентную функции, полученной при работе самосвала по типовому циклу. Чтобы составить функцию смешанного блока нагружений надо установить доли времени движения автомобиля-самосвала на различных дорогах полигона, вносящих повреждающее воздействие на конструкцию эквивалентное эксплуатационному. Для этого проводился расчет функции распределения долговечности лонжерона рамы в районе среднего моста автомобиля, с использованием выше приведенных характеристик сопротивления усталости стали 22Г2ТЮ из которой изготовлен лонжерон и изменением процентного соотношения в функции распределения амплитуд напряжений смешанного блока нагружений функций распределения амплитуд напряжений, полученных на различных специальных дорогах автополигона. При этом добивались совпадения функций распределения долговечности лонжерона от нагруженности на специальных дорогах автополигона и от нагруженности при работе самосвала на типовом цикле. Совпадение этих функций было получено при следующем процентном соотношении пробега машины по специальным дорогам НИЦИАМТ: 30% - по ровной полосе мощеной дороги; 20% - по с профилированной полосе мощеной дороги; 30% - по грунтовой дороге; 15% - по дороге с асфальтобетонным покрытием; 3% - по «бельгийской мостовой»; 2% - по треку со сменными неровностями высотой 230 мм. На трехосных автомобилях-самосвалах задние ведущие мосты соединены с кронштейнами рамы реактивными штангами, которые воспринимают реактивный момент от мостов, передают на раму тяговые и тормозные силы и обеспечивают кинематику движения мостов относительно рамы. Каждый ведущий мост соединен с кронштейнами рамы тремя такими штангами (двумя нижними и одной верхней), расположенными между мостами.
Динамическое тензометрирование в различных режимах и условиях движения автомобиля позволило выявить наиболее нагруженные реактивные штанги и наиболее опасные режимы движения, а также оценить экстремальные значения нагрузок передаваемых картерам мостов и раме. Режимометрированием, проведенным для наиболее нагруженных штанг, получены нагрузочные режимы (рис. 2.35), позволяющие приближенно оценить вероятность появления каждой амплитуды напряжений и интенсивность накопления усталостных напряжений.
Анализ результатов динамического тензометрирования и нагрузочных режимов по напряжениям растяжения-сжатия показал, что осевыми силами наиболее нагружены верхняя и левая нижняя штанги среднего моста (табл. 2.5), причем степень нагружения штанг, а следовательно и картеров мостов продольными силами, существенно зависит от режима движения автомобиля и ровности дороги. Например, при переезде единичных неровностей и торможениях на неровной дороге самые большие осевые силы в значительной степени воздействуют на нижние реактивные штанги, особенно на левые. При прямолинейном движении по дорогам с твердым покрытием наиболее нагружена осевыми силами верхняя реактивная штанга. Нижние штанги среднего моста работают преимущественно на растяжение, а верхняя - на сжатие, чем и объясняется взаимная смещенность кривых нагрузочных режимов растяжения и сжатия этих штанг: она тем больше, чем неравномернее режим движения автомобиля.
