Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований.. 11
1.1. Нормативно-технические документы в области безопасности устройств защиты оператора самоходных лесных машин 11
1.2. Краткий обзор работ по устойчивости колесных и гусеничных технологических машин 18
1.3. Обзор вероятностно-статистических методов расчета машин на безотказность 20
1.4. Модели распространения макроскопических трещин при однократном нагружении 36
1.5. Обзор работ по использованию теории катастроф в технической механике 46
1.6 Результаты анализа рассмотренных работ 48
2. Исследование динамических нагрузок, действующих на кабину лесной машины при различных вариантах возникновения аварийных ситуаций 51
2.1. Обоснование расчетной схемы аварийной ситуации 52
2.2. Определение наиболее опасного варианта нагружения конструкции кабины лесной машины 63
3. Построение математической модели оценки энер гопоглощающих свойств устройства защиты оператора лесной машины 68
3.1. Требования к математической модели, допущения и ограничения 68
3.2. Порядок решения задачи 70
3.3. Сравнительная оценка и анализ результатов 75
4. Исследование влияния технологических дефектов на несущую способность устройства защиты оператора лесной машины 84
4.1. Методика оценки влияния технологических дефектов на несущую способность конструкции при однократном нагружении 84
4.2. Методика оценки вероятности безотказной работы устройства защиты оператора при однократном нагружении 96
5. Разработка методов оценки вероятности безотказной работы устройств защиты оператора с применением катастрофы сборки 104
5.1. Общие положения 104
5.2. Метод оценки вероятности безотказной работы элементов конструкций с применением катастрофы сборки для варианта, при котором управляющие параметры являются случайными величинами 105
5.3. Метод оценки вероятности безотказной работы с применением катастрофы сборки для варианта, при котором управляющие параметры являются случайными функциями 125
6. Структурная оптимизация конструкций устройств защиты оператора лесной машины 135
6.1. Постановка задачи оптимального проектирования с применением статистической катастрофы сборки 135
6.2. Построение целевой функции 138
6.3. Поиск оптимального решения 143
6.4. Алгоритм решения задачи оптимального проектирования 146
6.5. Пример решения задачи оптимального проектирования ROPS 147
7. Разработка устройств дополнительной защиты оператора и проведение экспериментальных исследований 154
7.1. Энергопоглощающая опора одностороннего действия 154
7.2. Энергопоглощающая опора двухстороннего действия 163
7.3. Программа, методы и результаты экспериментальных исследований 166
Заключение 180
Список использованных источников
- Модели распространения макроскопических трещин при однократном нагружении
- Определение наиболее опасного варианта нагружения конструкции кабины лесной машины
- Порядок решения задачи
- Методика оценки вероятности безотказной работы устройства защиты оператора при однократном нагружении
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из задач государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» (Постановление Правительства РФ от 15.04.2014 N 328) является «создание отечественных конкурентоспособных образцов продукции машиностроения специализированных производств, отвечающих современным требованиям эксплуатации, современным технологиям, безопасности труда и использования …». Проблема технического перевооружения российского лесного комплекса в условиях современной политики замещения импортируемой продукции продукцией национального производства, диктует необходимость скорейшего решения вопросов, связанных с проектированием, производством и эффективной эксплуатацией лесных машин.
В условиях рыночной экономики многие из действовавших стандартов, определявших требования к надежности, производительности и другим показателям эффективности лесных машин, были отменены. Продолжают действовать международные нормативно-технические документы, регламентирующие требования к показателям безопасности и эргономики (ИСО 11850, ИСО 3164 и др.). Поэтому проектирование конкурентоспособных лесных машин должно производиться в обязательном соответствии с требованиями международной системы стандартов по безопасности. Наиболее важными являются стандарты (ИСО 8082, ИСО 8083 и др.), предписывающие проведение стендовых испытаний устройств защиты оператора, в том числе, и при опрокидывании (ROPS – roll-over protective structure) лесных тракторов. При всех преимуществах экспериментального метода, проведение таких испытаний является трудоемким, дорогостоящим и, зачастую, трудноосуществимым при проектировании, когда инженером рассматривается большое количество возможных конструктивных вариантов устройств защиты.
Учитывая, что на сегодняшний день наиболее важным вопросом при создании современных лесных машин является обеспечение комфортных и, в первую очередь, безопасных условий труда, а методы оценки эффективности устройств защиты оператора на стадии проектирования еще не разработаны, тема диссертации является актуальной.
Работа соответствует пунктам 4, 5, 9 и 11 паспорта специальности 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства.
Степень разработанности темы исследования. Известен ряд отечественных исследований в области устойчивости лесных машин с учетом специфики их работы в условиях пересеченной местности, а также работ, связанных с проектированием и испытаниями кабин тракторов.
При этом мало внимания уделено разработке методов оценки соответствия требуемых параметров безопасности устройств защиты оператора их нормативным значениям, что необходимо для создания современных эффективных защитных устройств, позволяющих, если не исключить полностью, то снизить вероятность несчастного случая. Не разработано методов и методик учета остаточных деформаций защитных устройств, возможного присутствия в их материале технологических дефектов, стохастической природы действующих нагрузок.
Цель исследования. Повышение уровня безопасности лесозаготовительного производства путем совершенствования методов оценки эффективности защитных свойств кабин лесных машин и обоснованного выбора параметров их конструкций.
Задачи исследования:
определение наиболее опасного варианта нагружения кабины лесной машины при возникновении аварийной ситуации;
разработка новой теории расчета и проектирования защитных устройств кабин лесных машин, включающей в себя:
математическую модель оценки энергопоглощающих свойств устройства защиты с использованием метода переменных параметров упругости;
методики оценки влияния технологических дефектов на несущую способность и вероятность безотказной работы конструкции защитного устройства с применением методов механики разрушения при однократном нагружении;
методы оценки вероятности безотказной работы с применением катастрофы сборки для вариантов, при которых управляющие параметры являются случайными величинами или случайными функциями;
разработка схемы структурной оптимизации ROPS с позиций теории катастроф для обоснования его оптимальных параметров;
разработка энергопоглощающих опорных устройств кабины лесной машины, проведение экспериментальных исследований.
Объект исследования: объектами исследований являются: защитные устройства кабин колесных лесных машин марок Ponsse Buffalo, John Deere 1110, Komatsu 855, ТЛК-4-01 и гусеничных машин семейства Онежец 300 и 400.
Предмет исследования: детерминированные и вероятностно-статистические методы оценки уровня безопасности при проектировании устройств защиты оператора лесной машины.
Научная новизна. Разработана новая теория расчета и проектирования устройств защиты оператора, включающая математическую модель
оценки энергопоглощающих свойств защитных устройств кабин колесных и гусеничных трелевочных тракторов (на примере машин марок Ponsse Buffalo, John Deere 1110, Komatsu 855, ТЛК-4-01, Онежец 300) при боковом нагружении с учетом возможных пластических деформаций, позволяющая оценить соответствие величины поглощенной энергии требованиям действующих стандартов по безопасности труда операторов. Предложена методика оценки влияния технологических дефектов (трещиноподобных дефектов различного вида), позволяющая определить величину предельного размера дефекта и предельной нагрузки. Разработаны методы оценки вероятности безотказной работы с применением статистической катастрофы сборки для вариантов, когда управляющие параметры являются случайными величинами и случайными функциями. Разработана схема структурной оптимизации устройства защиты оператора с позиций теории катастроф для обоснования его оптимальных параметров. Произведена разработка и экспериментальное исследование специальных энергопоглощающих опорных устройств для установки кабины на раме лесной машины.
Значимость для теории и практики. Разработанная теория оценки защитных свойств кабин позволит на стадии проектирования проверить соответствие разработанной конструкции требованиям действующих нормативно-технических документов в области безопасности кабин лесных машин.
Предложенные специальные опорные устройства, создающие дополнительный эффект аварийного энергопоглощения в случае опрокидывания трелевочного трактора, снизят риск травмирования оператора и повысят защитные свойства ROPS.
Результаты работы могут быть использованы на предприятиях и в организациях, занимающихся вопросами проектирования и исследования кабин лесных машин, а также в учебном процессе при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Технологические машины и оборудование».
Методология и методы исследований. В работе использованы: метод математического моделирования, методы теории вероятностей и математической статистики, методы теории пластичности, метод конечных элементов, методы механики разрушения и теории катастроф, а также метод экспериментальных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
анализ исходной информации и обоснование наиболее опасного варианта возникновения аварийной ситуации;
теория расчета и проектирования защитных устройств кабин
лесных машин, включающая в себя:
математическую модель оценки энергопоглощающих свойств устройства защиты при опрокидывании лесной машины;
методики оценки влияния технологических дефектов на несущую способность и вероятность безотказной работы конструкции устройства защиты;
метод оценки вероятности безотказной работы с применением катастрофы сборки для варианта, когда управляющие параметры являются случайными величинами;
метод оценки вероятности безотказной работы с применением катастрофы сборки для варианта, когда управляющие параметры являются случайными функциями;
схема структурной оптимизации параметров устройства защиты оператора;
конструкции энергопоглощающих опор одностороннего и двустороннего действия, результаты экспериментальных исследований.
Степень достоверности результатов исследований подтверждается применением методов теории вероятностей и математической статистики, результатами экспериментальных исследований, обработке и оценке данных в ППП MathCAD и Excel, хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.
Реализация работы. Основные результаты используются на ООО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры транспортных и технологических машин и оборудования Института лесных, инженерных и строительных наук ПетрГУ.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на XIII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009); на III Всероссийской конференции молодых ученых «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2009); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010); на международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ (Петрозаводск, 2011); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011); на Республиканских научно-практических конференциях «Повышение эффективности лесного комплекса Республики Карелия» (Петрозаводск, 2012-2013); на Всероссийских научно-практических конференциях «По-
вышение эффективности лесного комплекса» (Петрозаводск, 2014-2015); на международной научно-практической конференции «Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования» (Воронеж, 2015); на третьей международной научно-технической конференции «3rd International Conference on Machine Design and Manufacturing Engi-neering» (Hyatt Regency, Jeju Island, South Korea, May, 2014); на третьей международной научно-технической конференции «3rd International Conference on Mechanical Design and Power Engineering» (Hyatt Regency, Jeju Island, South Korea, October, 2014); на пятой международной научно-технической конференции «5th International Conference on Advances in Materials and Manufacturing Processes» (China, Fuzhou, December, 2014); на международной научно-технической конференции «Engineer-ing and Modern Production» (France, Paris, October 2014); на двенадцатой научно-технической конференции «ХII International Science and Engineering Conference» (Poland, Kazimierz Dolny, May 2015); на научных семинарах кафедры транспортных и технологических машин и оборудования (2015).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 40 печатных работах, включая 15 научных работ в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 4 научных работы в журналах, индексируемых SCOPUS и Web of Science, 2 монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 221 страница, 53 рисунка, 14 таблиц, 3 приложения. Список использованных источников включает 233 наименования.
Модели распространения макроскопических трещин при однократном нагружении
Общие вопросы устойчивости колесных и гусеничных машин рассматривались в работах В.В. Гуськова [48], Н.А. Забавникова [52], Е.Д. Львова [84], Н.И. Груздева [44], Д.А. Чудакова [186], М.Г. Беккера [7], И.Б. Барского, А.О. Никитина [56], Г.М. Кутькова [77], И.П. Ксеневича [73] и целого ряда других ученых.
Вопросы устойчивости и управляемости лесных машин в различное время изучались А.В. Жуковым [50, 51], Д.В. Памфиловым [104], С.Ф. Орловым [102], М.И. Зайчиком [53], И.М. Бартеневым [6], Г.М. Анисимовым [1 – 3], А.М. Кочне-вым [71, 72], В.А. Макуевым [87, 88], М.И Куликовым [75], Ю.А. Ширниным [190, 191], В.П. Сергеевым и др.
Проблемам, связанным с проектированием и испытаниями кабин тракторов, посвящены работы И.М Илинича [57], Н.М. Кириенко [64], Б.И. Кальченко [58], В.В. Никонова [58], В.К. Дроздова, С.С. Дмитриченко, А.Н. Шувалова [49], В.Ф. Коновалова [68], В.Ф. Полетайкина, А.В. Питухина [110], Ю.Ю Герасимова, В.М. Костюкевича [112], P. Dumitrache [197 – 199], J.R. Etherton [200], J.R. Harris [204, 205], J.R. Powers [218] и др.
Основы моделирования и принятия оптимальных решений при проектировании лесных машин рассмотрены в работах В.Н. Андреева, Ю.Ю. Герасимова [29], В.И. Патякина, А.В. Питухина [109], В.С. Сюнева [30], И.Р. Шегельмана, А.П. Соколова и ряда других исследователей.
В работе Н.М. Кириенко [64] представлена математическая модель опрокидывания колесного трактора с шарнирно сочлененной рамой на склоне. Схема, принятая при моделировании аварийной ситуации, предполагает воздействие всей ударной нагрузки на кабину, исключая смягчающее влияние движителя, подвески, рамы трактора и др. С помощью модели автором получены данные о кинематике и динамике опрокидывания, определена величина энергии, поглощенной кабиной, предложена номограмма для выбора оптимального коэффициента жесткости кабины. К недостаткам предложенной математической модели можно отнести невозможность учета пластических деформаций конструкции при определении величины поглощенной потенциальной энергии деформирования.
В работе Орлова Л.Н. [98] предложен метод оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций транспортных средств, основанный на применении системного подхода при проектировании. Представлен алгоритм расчета кабин методом последовательных приближений, при котором пластические деформации учитываются введением в слабые места модели пластических шарниров.
Расчету и проектированию кабин тракторов посвящена работs ученых НАТИ под руководством И. М. Илинича [49, 57, 58], в которых приводятся классификация конструктивных решений защитных устройств и конструктивных решений их узлов, методы оценки долговечности и усталостной прочности кабин, методика оценки энергии удара при опрокидывании трактора.
В работах, проводившихся учеными ПетрГУ под руководством А. В. Питу-хина [106, 107, 109 – 112], предложено применение метода конечных элементов, а также вероятностно-статистических методов механики разрушения и теории катастроф при проектировании элементов конструкций, в том числе устройств защиты оператора лесных машин.
Метод конечных элементов достаточно широко применяется западными учеными при исследовании поведения устройств защиты оператора. Так, в работах P. Dumitrache [194 – 196] данный метод используется для моделирования напряженно-деформированного состояния защитного устройства при вертикальном падении на кабину массивного предмета, ученые Etherton J.R. [197], Harris J.R. [201, 202], Powers J.R. [215] применяют метод конечных элементов для анализа опрокидываний сельскохозяйственных машин.
Определение наиболее опасного варианта нагружения конструкции кабины лесной машины
На сегодняшний день в Северо-западном регионе России по способу трелевки можно выделить три вида технологий заготовки древесины: в деревьях, хлыстах и сортиментах [165]. Для первого вида характерна валка деревьев и дальнейшее их перемещение трелевочной машиной в целом виде до верхнего склада, где производится обрезка сучьев и, при необходимости, последующая их раскряжевка на сортименты, после чего осуществляется их вывозка лесовозным транспортом. Согласно второму виду технологий, очистка деревьев от ветвей и сучьев осуществляется сразу после их валки, после чего производится трелевка хлыстов на верхний склад. По третьей технологии, сразу после валки деревьев ведется их очистка от сучьев и раскряжевка, после чего сортименты трелюются к складу у лесовозной дороги с помощью форвардера.
Очевидно, что работа машин на лесозаготовке по любой из перечисленных технологий в условиях лесной пересеченной местности связана с риском возникновения таких аварийных ситуаций, как опрокидывание машины в результате потери устойчивости, падение на ее кабину массивных предметов – деревьев, сучьев и др., что влечет за собой опасность нанесения травм оператору и диктует необходимость применения в конструкциях кабин современных эффективных защитных устройств, позволяющих, если не исключить полностью, то снизить вероятность несчастного случая.
Учитывая, что на сегодняшний день наиболее важной задачей при создании современных лесных машин является обеспечение комфортных и, в первую очередь, безопасных условий труда, при оценке эффективности устройства защиты оператора на стадии проектирования необходимо иметь информацию о тех экстремальных ситуациях, возникновение которых возможно в ходе того или иного технологического процесса, для обоснования схемы наиболее опасного варианта нагружения конструкции кабины лесной машины.
С целью определения наиболее опасного варианта нагружения кабины рассмотрим следующие варианты возникновения аварийных ситуаций при работе лесных машин (рисунок 2.1): 1) падение дерева на кабину; 2) боковое сползание с ударом о дерево; 3) боковое опрокидывание с ударом кабины о грунт; 4) вертикальное падение массивного предмета на кабину.
Программа расчета ударной нагрузки при падении дерева на кабину в зависимости от массы дерева Мд и расстояния а от дерева до точки удара приведена в приложении А. При значениях массы дерева Мд = 1000 кг, длины дерева h = 30 м и расстоянии а = 5.5 м, значение ударной нагрузки составило F = 56.8 кН. Данное значение отражено на сравнительной диаграмме нагрузок, представленной на рисунке 2.2.
Схемы возникновения аварийных ситуаций 2.1.2 Боковое опрокидывание лесной машины. Ударная нагрузка, действующая на кабину при опрокидывании лесной машины, оценивалась по алгоритму, построенному на основе математической модели опрокидывания колесного трактора с шарнирно сочлененной рамой, разработанной учеными НАТИ (И.М. Или-нич, Н.М. Кириенко) [64]. Расчетная схема, принятая при построении математической модели (рисунок 2.1, б), исключает демпфирование колесами (гусеницами) и другими элементами машины до удара и предполагает восприятие всей ударной нагрузки кабиной, что направлено на обеспечение запаса прочности ROPS и повышения безопасности при работе оператора.
Процесс опрокидывания происходит в два этапа. На первом этапе происходит свободное падение машины под действием собственного веса до момента касания кабиной грунта. При этом лесозаготовительная машина осуществляет вращательное движение вокруг оси опрокидывания 0\ (рисунок 2.1, б).
Опрокидывание начнет происходить из неустойчивого положения машины в момент, когда центр масс О будет находиться на одной вертикали с осью 0\.
На втором этапе происходит удар кабины о грунт. На данном этапе со стороны грунта на кабину начнет действовать ударная нагрузка F, создающая момент, который будет препятствовать вращению машины. Второй этап закончится, когда угловая скорость достигнет значения со2 = 0.
Основные ограничения и допущения для математической модели: 1) опрокидывание начинается из положения неустойчивого равновесия, при котором центр масс машины находится на одной вертикали с осью опрокидывания; 2) в начальный момент времени опрокидывания угловая скорость машины со0 = 0. 3) изменение угла поворота за счет деформации движителя и опорной поверхности не учитывается, скольжение движителя по наклонной поверхности отсутствует; 4) опрокидывание заканчивается после удара кабины о грунт, вращательное движение на втором этапе считается равнозамедленным, при этом угловая скорость в конце второго этапа со2 = 0; 5) вся ударная нагрузка воспринимается кабиной (ROPS), влияние обшивки, стекол, тяг и других элементов кабины на прочность не учитывается; нагрузка приложена к верхнему продольному элементу защитного устройства; опоры крепления ROPS к раме трактора представлены в виде шарнирных закреплений. Общий угол поворота машины можно представить в виде суммы ср = cpi + q 2, (2.3) где fi - угол поворота трактора в конце первого этапа опрокидывания; д 2 - угол поворота трактора на втором этапе опрокидывания. Как следует из схемы опрокидывания (рисунок 2.1, б), при отсутствии скольжения движителя по опорной поверхности, угол поворота fi в конце первого этапа опрокидывания будет определяться высотой опрокидывания и конструктивными характеристиками лесной машины.
Порядок решения задачи
Решение упругой задачи в первой итерации. В первом приближении при помощи метода конечных элементов производится оценка напряженно деформированного состояния конструкции устройства защиты без учета пласти ческого течения его материала. На данном этапе оценивается интенсивность на пряжений первой итерации of (оценка производится с помощью пакета приклад ных программ «Зенит»)), также определяются наибольшие деформации max по линии действия приложенной нагрузки (также в ППП «Зенит»). После этого мы получим возможность определения энергии упругой деформации ROPS U упр Z г max . Конечно-элементные модели ROPS лесных машин (построены в ППП «Зенит»), а также интенсивности напряжений з\ первой итерации представлены на рисунках 3.3 - 3.6. Так, для машины марки Онежец 300 наибольшая по величине интенсивность напряжений составляет з\ = 715 МПа. При величине упругих деформаций max = 41 мм энергия упругой деформации составляет Uynp = 1426 Дж. Данные по остальным машинам приведены в таблице 3.2.
Как упоминалось выше, определение переменных параметров упругости производится согласно методу, часто используемому при решении задач теории пластичности [113 - 115] и предложенному И.А. Биргером [9 - 11]: Зф
По вычисленным значениям h1 и /ij в упругой постановке МКЭ повторно решается задача по определению интенсивности напряжений второй итерации ТТ 7j и нового значения переменного модуля упругости Е2. Количество приближений (итераций) необходимо производить в зависимости от требуемой точности расчета. В качестве характеристики точности принимается величина относительного отклонения переменного модуля упругости Если величина отклонения составляет АЕ 10%, необходим переход на следующую итерацию (определение оt и т.д.) Если величина отклонения АЕ 10%, то число произведенных итераций можно считать достаточным.
Согласно рекомендациям работы [150], коэффициент Пуассона во всем диапазоне деформирования принят равным = 1/2.
Определение предельной боковой деформации устройства защиты при опрокидывании, соответствующей объему ограничения деформации (DLV). Определение предельной боковой деформации ROPS (деформации ADLV, соответствующей касанию элементом ROPS зоны DLV) производится путем совмещения модели DLV с конечно-элементной моделью устройства защиты (рисунок 3.2).
Определение величины поглощенной потенциальной энергии деформирования. Оценка величины потенциальной энергии UDLV, поглощенной конструкцией защитного устройства под действием боковой силы F, осуществляется с помощью идеализированной диаграммы деформирования а - є в соответствии с величиной предельной деформации BDLV. Рисунок 3.1 – Идеализированная диаграмма деформирования Рисунок 3.2 – Модель защитного устройства и DLV 3.3 Сравнительная оценка и анализ результатов
На завершающем этапе производится сравнительная оценка соответствия поглощенной энергии UDLV с величиной Umin, регламентируемой ИСО 8082 (рисунок 3.7). В том случае, если величина UDLV Umin, можно сделать вывод о том, что защитные свойства ROPS в области аварийного энергопоглощения отвечают требованиям действующих стандартов. Структурная схема алгоритма оценки энергопо-глощающих свойств устройства защиты оператора при опрокидывании лесной машины представлена на рисунке 3.8.
Результаты расчета (рисунок 3.7) показывают, что энергопоглощающие свойства ROPS трелевочных машин марок Ponsse Buffalo, John Deere 1110 и Komatsu 855 в достаточной степени соответствуют предъявляемым требованиям, поскольку величина поглощенной энергии до достижения объема ограничения деформации значительно превосходит величину Umin.
Значение потенциальной энергии, поглощенной защитным поясом кабины колесного скиддера ТЛК-4-01, достаточно близко по величине к Umin; отсюда можно сделать предположение о том, что при наличии материала с более низкими механическими свойствами или присутствии в нем технологических дефектов (например, трещин) условие минимального энергопоглощения выполняться не будет.
Величина потенциальной энергии, поглощенной ROPS гусеничной лесозаготовительной машины Онежец 300 (ROPS разработки АО «ГСКБ ОТЗ»), ниже требуемого минимального уровня, и, следовательно, не соответствует требованиям стандарта в области аварийного энергопоглощения.
Методика оценки вероятности безотказной работы устройства защиты оператора при однократном нагружении
Анализ данных по оценке энергопоглощающих свойств ROPS при боковом нагружении (рисунок 3.10), полученных с помощью математической модели, построенной в предыдущей главе, показал, что требования к характеристикам безопасности выполняются не для всех представленных лесозаготовительных машин. Так, значение потенциальной энергии, поглощенной ROPS колесного скиддера ТЛК-4-01, лежит близко к уровню Umin, и, следовательно, при наличии в материале защитного устройства технологических дефектов (например, трещин), велика вероятность разрушения ROPS под нагрузкой и невыполнения условия минимального энергопоглощения. Поскольку одним из главных требований стандарта [39] является неразрушение конструкции при испытаниях, представляет интерес исследование величин предельной длины технологического дефекта и предельной нагрузки с позиций механики разрушения, а также оценка вероятности безотказной работы ROPS по критерию коэффициента интенсивности напряжений KI.
Материалы реальных конструкций еще до начала эксплуатации имеют несовершенства в виде несплошностей, инородных неметаллических включений, раковин, газовых пор, дефектов сварки и механической обработки. Трещины могут развиваться в зонах действия наибольших механических напряжений, инициируясь на дефектах различного рода. Таким образом, можно рассматривать трещиноподобные дефекты как элементы начала разрушения (первоначальные трещины малого размера). В связи с этим представляет интерес оценка величин предельной длины технологического дефекта конструкции ROPS и предельной нагрузки с позиций механики разрушения. В механике разрушения в зависимости от степени пластической деформации различают хрупкий, квазихрупкий и вязкий механизмы разрушения в условиях однократного воздействия постоянно возрастающей нагрузки. В основополагающей работе А. Гриффитса [203] представлен энергетический подход для описания механизма хрупкого разрушения при наличии трещины. Последующие исследования Дж. Ирвина [61, 206] привели к созданию концепции квазихрупкого разрушения и силового подхода, получившего наиболее широкое распространение в инженерных приложениях и связанного с использованием такого критерия, как коэффициент интенсивности напряжений Kj. Согласно Дж. Ирвину, трещина начнет распространяться, если значение коэффициента интенсивности напряжений Kj достигнет критического значения Кю: К[ = К[с. (4.1) Критический коэффициент интенсивности напряжений Кіс считается постоянной величиной для данного материала, его значения приведены в литературе [90, 91, 109] для различных материалов. Коэффициент интенсивности напряжений определяется по формуле Кj = Yj(/) л/ж I, (4.2) где Yj(l) - коэффициент, учитывающий длину трещины и геометрическую форму детали; - нормальное напряжение, растягивающее трещину; / - длина (полудлина) трещины.
В работе [120], опубликованной в соавторстве с А.В. Питухиным и Д.А. Хвоиным, приводится методика оценки влияния трещиноподобных дефектов на несущую способность устройства защиты оператора трелевочного трактора при нагружении его боковой силой.
Методика предусматривает оценку величин предельной длины трещины и предельной нагрузки по критерию коэффициента интенсивности напряжений Kj в следующей последовательности. 1) Моделирование напряженно-деформированного состояния ROPS с помощью метода конечных элементов (построение конечно-элементной модели ROPS) и приложение боковой нагрузки Fmin (таблица 3.1). 2) Вычисление интенсивности нормальных напряжений г и определение зоны действия максимальных напряжений. 3) Выбор зоны локализации трещины. Допущение о возможной локализации в области наибольших напряжений (в зоне опор). 4) Вычисление коэффициента интенсивности напряжений Kj по формуле (3.2) и построение графиков зависимости Kj(l) и Ki(F). 5) Определение величины критического значения Кю по справочным данным. 6) Определение предельной длины трещины 1пр по графику Kj(l). 7) Определение предельной нагрузки Fnp по графику Ki(F) и сравнение ее величины с бездефектным вариантом.
В качестве примера приведем расчет нагружения устройств защиты оператора колесного трелевочного трактора ТЛК-4-01 и гусеничного трелевочного трактора Онежец 300 боковой силой. Рассмотрим три варианта возникновения трещин следующих типов: сквозной, полуэллиптической и граничной краевой. Схема образования трещин представлена на рисунке 4.1.
Расчет интенсивности напряжений, действующих в материале ROPS ТЛК-4-01, был проведен методом конечных элементов во второй главе с использованием пакета прикладных программ «Зенит». Конечно-элементные модели устройств защиты оператора с нанесенными наибольшими интенсивностями напряжений показаны на рисунке 4.2. Как следует из данного рисунка, зонами максимальных напряжений являются места крепления ROPS к раме трактора. Расчет коэффициента интенсивности напряжений проведен при допущении о возможном месте локализации трещин в зоне максимальных напряжений.
Для ROPS ТЛК-4-01 при длине трещиноподобного дефекта 1 = 2 мм предельная нагрузка составляет (рисунок 4.7): полуэллиптическая трещина Fnp = 56 кН, краевая Fnp =44 кН; сквозная Fnp =51 кН. При отсутствии дефектов предельная нагрузка составит 116 кН, при этом величина наибольших напряжений в зоне опор составит 800 МПа, что будет соответствовать пределу прочности материала. Таким образом, возникновение трещиноподобных дефектов, даже небольших по величине, снижает несущую способность ROPS.