Введение к работе
Актуальность темы. Эксплуатация гидрофицированного технологического оборудования лесозаготовительных машин (ЛЗМ) в условиях безгаражного хранения, влияния жесткого климата (зимний период 160. ,,230 дней при температуре от минус 22С до минус 50*С, а также скорость ветра от 10 до 12 м/с), высокой вероятности разгерметизации из-за высоких рабочих давлений гидрожидкости (до 25 МПа), значительной динамической нагруженкостн в процессе технологического использования сопровождается низкой экологической безопасностью и надежностью гидропривода (30%...50% от всех отказов по машине).
Устранение этих недостатков возможно за счет применения материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) я качестве дискретного силового привода в виде гидроцнлиндров управления элементами технологического оборудования ЛЗМ. Исполнительные гядроцилиндры одностороннего действия с механизмом создания давления гидрожидкости от усилия пружин или стержней трубного профиля из материала с ЭПФ в процессе их нагрева позволят: сократить количество элементов объемного гидропривода (гидронасосы, трубопроводы, гидрораспределители, гидробак, фильтры); применять синтетические гидрожидкости (10...15 л на один силовой гидроцилиндр) с положительно зависимыми параметрами работы в условиях жесткого климата; устранить аварийные ситуации выброса гидрожидкости при внезапной разгерметизации трубопроводов. Т.е. создается автономная система осуществления силового возвратно-поступательного воздействия на технологическое оборудование (бульдозеры, аутригеры, захваты, грейферы, силовой привод элементов конструкции манипулятора).
В настоящее время хорошо известен широкий класс материалов, обладающий обратимыми мартенситными переходами (ОМП). К ним относятся, прежде всего, сплавы на основе TiNi, MnCu, CuZn, FeMn и другие. Эти материалы обладают целым классом уникальных, нетрадиционных физико-механических свойств, выделяющих их из класса обычных конструкционных металлов и сплавов. К этим свойствам относятся: эффект памяти формы (ЭПФ) - способность материала восстанавливать неупругие деформации до 10...15% при изменении температуры; пластичность прямого превращения (Ш111) — накопление деформации в сторону внешней нагрузки при охлаждении в интервале прямого мартенситного перехода; циклическая память формы (ЦПФ) — обратимое формоизменение при термоциклнровании в нагруженном состоянии и другие явления. Перечисленные свойства можно обобщить одним термином — мзртенситная неупругость (МН). Вышеупомянутые уникальные свойства материалов с ОМП дают возможность использовать их в различных областях техники: в космонавтике, машиностроении, медицине и т.д. В частности, они могут быть использованы в элементах исполнительных силовых механизмов сложного функционального назначения: мартенситных двигателях; тепловых реле; в строительных конструкциях; насосах; клапанах и в ряде других ниже-
нерно-технических направлениях. Многообразие всевозможных вариантов использования данных материалов определяет задачу исследования применимости силовых приводов на базе металлов с ЭПФ для повышения эффективности технологического оборудования ЛЗМ.
Цель работы. Повышение эффективности силового привода лесозаготовительного оборудования путем повышения надежности при эксплуатации в условиях жесткого климата за счет применения материалов с эффектом памяти формы в гидроцилиндрах управления технологическим оборудованием.
Научная новизна работы:
результаты экспериментальных исследований системы - проволока из материала с ЭПФ и упругое контртело. Показано, что при определенной термоциклической тренировке величины деформационно-силовых характеристик однозначно определяются жесткостью противодействия;
разработаны методы расчета реактивных напряжений, осевых или сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в различных рабочих элементах с ЭПФ и упругом контртеле, функционирующих при обратимых мартенситных переходах. Данные методы основываются на полученных экспериментальных данных и отличаются минимизацией необходимых расчетных параметров;
результаты экспериментальных исследований применения системы силового привода стрелового манипулятора на базе материалов с ЭПФ с системой демпфирования - четвертной рессорой. Показано, что в процессе демпфирования затухающих колебаний манипулятора особое влияние оказывает жесткость демпфера. Поэтому предлагается способ по увеличению эффективности демпфирования путем корректировки жесткости рессоры за счет изменения ее рабочей длины.
Объекты исследования. Объектами теоретических и экспериментальных исследований являлись опытные проволочные образцы из материала с ЭПФ (сплав ТН-1), взаимодействующие с упругим контртелом (витая пружина растяжения), А также система демпфирования, состоящая из четвертной рессоры, установленная на модели манипулятора типа ТБ-1.
Предмет ^исследований. Силовой привод технологического оборудования на базе материалов с ЭПФ с системой демпфирования.
Методы исследований. В работе использовано экспериментальное исследование деформационно-силовых характеристик системы рабочее тело из материала с ЭПФ и упругое контртело, методы сопротивления материалов и метод тензометрирования.
Значимость для теории и практики. Теоретическая значимость заключается в:
методе расчета элементов исполнительных механизмов с рабочим телом из сплавов с ЭПФ;
обосновании условий перехода на материалы с ЭПФ в качестве рабочего тела в силовом приводе технологического оборудования лесозаготовительной техники и возможности использования этих разработок лесозаготовительными предприятиями Республики Коми;
— рекомендациях по использованию рабочих элементов с ЭПФ многора
зового назначения в устройствах и механизмах лесной отрасли с целью внедре
ния результатов в учебный процесс.
Практическая значимость заключается в:
— практическом применении материалов с ЭПФ в силовом приводе тех
нологического оборудования лесных машин.
Идея внедрения этих сплавов положена в основу положительного решения по авторскому свидетельству «Способ обработки полуфабрикатов из сплавов с термоупругими мартенситными превращениями», заявленному в Российское агентство по патентам и товарным знакам; заявка №2005124798/17(027882) от 03.08.2005 г. Уведомление о положительном результате формальной экспертизы получено 01.2006 г.
Основные положения, выносимые на зашиту:
результаты экспериментальных исследований системы: проволока из материала с ЭПФ и упругое контртело, позволяющие разрабатывать методы расчета основных параметров для различных рабочих элементов с ЭПФ и упругим контртелом.
метод расчета реактивных напряжений, осевых деформаций и усилий, генерируемых в системе, состоящей из трубки из материала с ЭПФ и упругого контртела, функционирующих при обратимых мартенситных переходах, отличающийся минимизацией необходимых расчетных параметров;
метод расчета реактивных напряжений, сдвиговых деформаций и усилий, генерируемых в системе, состоящей из пружины из материала с ЭПФ и упругого контртела, функционирующих при обратимых мартенситных переходах, отличающийся минимизацией необходимых расчетных параметров;
конструктивные решения исполнительных механизмов на базе материалов с ЭПФ, такие как силовые гидроцилиндры одностороннего действия и устройство экологической защиты. Данные разработки могут быть применены в силовом приводе технологического оборудования, таких ЛЗМ как ТБ-1 М 15, ТБ-1 М 16, МЛ-119 А, ЛТ-171, МЛ-136.
методы определения основных рабочих параметров для различных конструкций силовых гидроцилиндров;
результаты экспериментальных исследований на модели манипулятора типа ТБ-1 с применением силового привода на базе материалов с ЭПФ с системой демпфирования;
рекомендации по использованию системы регулировки жесткости рессоры, которая позволяет осуществлять автоматический режим корректировки жесткости всей упругой структуры манипулятора в зависимости от вылета манипулятора и изменения нагрузки на рабочий орган рукояти в процессе эксплуатации.
Обоснование и достоверность результатов исследований., Точность экспериментальных исследований находится в пределах 90 % при достоверности 95 %.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Межрегиональных молодежных научных конфе-
ренциях «Севергеоэкотех-2003» (Ухта, 2003); «Севергеоэкотех-2004» (Ухта, 2004); на научно-технических конференциях УГТУ (Ухта, 2003); (Ухта, 2004); (Ухта, 2005); а также представлены на: LX Международном семинаре «Актуальные проблемы прочности» (Великий Новгород, 2002); на XV Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003); на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2004); (Брянск, 2005); Международной научно-технической конференции «Новые технологии в машиностроении» (Брянск, 2005); на научно-технической конференции «Обоснование технических решений и параметров лесосечных машин. Поддержание и восстановление их потенциальных свойств» (Санкт-Петербург, 2003); изданы в сборниках трудов: «Известия Санкт-Петербургской академии» (Санкт-Петербург, 2005); «Вестник Самарского университета» (Самара, 2004).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 13 статьях и одних тезисах, в том числе четыре работы без соавторов.
Реализация работы. Научные результаты исследований внедрены в виде рекомендаций на ОАО «Ремонтник» и используются в учебном процессе кафедр ЛДМ и М (УГТУ) и СМ и ДМ (УГТУ). На изготовленных и модернизированных лабораторных установках проводятся лабораторные работы со студентами.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, список литературы включает 115 наименований, приложений. Содержание работы изложено на 135 страницах машинописного текста, иллюстрировано 63 рисунками и 20 таблицами.
