Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние сельскохозяйственного тракторного транспорта 15
1.1 Сельскохозяйственные перевозки 15
1.1.1 Классификация, объемы и особенности перевозок сельскохозяйственных грузов 15
1.1.2 Особенности сельскохозяйственного тракторного транспорта 21
1.2 Тракторы, используемые для сельскохозяйственных перевозок 24
1.2.1 Классификация сельскохозяйственных колесных тракторов 24
1.2.2 Основные тенденции развития сельскохозяйственных колесных тракторов 25
1.3 Обзор конструкций тракторных прицепов 29
1.3.1 Универсальные тракторные прицепы 30
1.3.2 Специализированные тракторные прицепы 31
1.4 Состояние научных исследований в области прицепного тракторного транспорта 32
1.4.1 Исследования эффективности применения тракторов
на сельскохозяйственных транспортных работах 32
1.4.2 Оптимизация параметров тракторных транспортных агрегатов 36
1.4.3 Исследования конструктивных схем тракторных прицепов 51
1.4.4 Исследования прочности и надежности тракторных прицепов 58
1.5 Выводы по главе 1 66
2 Обоснование структуры и состава показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта
2.1 Исследование условий эксплуатации тракторных прицепов 68
2.1.1 Методика классификации условий эксплуатации 68
2.1.2 Классификация условий эксплуатации в зависимости от дорожных условий
2.2 Эксплуатационные показатели тракторных поездов в сельскохозяйственном производстве 75
2.3 Основные требования к конструкции сельскохозяйственных тракторных прицепов
2.3.1 Требования к транспортировке сельскохозяйственных грузов 82
2.3.2 Основные тенденции развития сельскохозяйственных прицепных транспортных средств 85
2.4 Разработка системы показателей технико эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта 87
2.4.1 Методика разработки системы показателей 88
2.4.2 Сравнительный анализ технико-эксплуатационных показателей транспортных агрегатов 95
2.5 Выводы по главе 2 106
3 Научные основы выбора рациональных параметров прицепного состава 108
3.1 Выбор параметров массы 108
3.1.1 Ограничение массы прицепного состава в зависимости от дорожных условий 109
3.1.2 Определение показателей массы прицепного состава 114
3.1.3 Оптимальное соотношение эксплуатационных показателей тракторного поезда 119
3.2 Влияние дорожных условий на эксплуатационные показатели тракторного поезда 122
3.2.1 Связь обобщенного показателя буксования с характеристиками дорожных условий
3.2.2 Влияние вибронагруженности рабочего места на эксплуатационные показатели тракторного поезда 126
3.2.3 Решение дифференциального уравнения движения транспортной машины методом ВКБ 1 3.3 Графоаналитический метод определения параметров тракторных поездов 145
3.4 Выводы по главе 3 148
4 Развитие расчетно-экспериментальньгх методов повышения надежности тракторных прицепов 151
4.1 Объект исследования 152
4.1.1 Анализ конструкций осей прицепов 152
4.1.2 Конструкторско-технологические факторы, влияющие на прочность и долговечность балок осей 157
4.1.3 Эксплуатационная нагруженность осей тракторных прицепов 158
4.1.4 Действующие силовые факторы и методы их оценки 162
4.2 Расчет напряженно-деформированного состояния балки оси 166
4.2.1 Выбор расчетной схемы 168
4.2.2 Результаты расчета 170
4.3 Экспериментальная оценка нагруженности 174
4.3.1 Оценка статической нагруженности 174
4.3.2 Оценка динамической нагруженности 178
4.3.3 Анализ структуры динамических напряжений 185
4.4 Сравнительные стендовые испытания балок осей... 189
4.4.1 Методика ускоренных стендовых испытаний 192
4.4.2 Результаты сравнительных испытаний 194
4.4.3 Учет компонентного состава напряжений при стендовых испытаниях 197
4.5 Рациональное конструирование балок осей 199
4.5.1 Оценка характеристик сопротивления усталости методом локального моделирования 200
4.5.2 Определение рационального профиля трубной заготовки 203
4.5.3 Совершенствование сварных соединений 212
4.5.4 Компенсация влияния асимметрии нагружения 215
4.5.5 Снижение динамических нагрузок 219
4.6 Выводы по главе 4 221
5 Разработка методики прогнозирования долговечности 224
5.1 Исследование характеристик сопротивления усталости 224
5.1.1 Определение характеристик сопротивления усталости натурных образцов балок осей 225
5.1.2 Определение характеристик сопротивления усталости по результатам испытаний масштабных моделей 232
5.2 Расчет долговечности балок осей в типовых условиях эксплуатации 239
5.2.1 Схематизация процессов нагружения 240
5.2.2 Формирование блока нагружения 245
5.2.3 Прогнозирующий расчет ресурса балки оси 253
5.3 Выводы по главе 5 255
6 Совершенствование конструкций прицепного состава к колесным тракторам 257
6.1 Разработка нормативной базы прицепного состава тракторного транспорта 258
6.1.1 Разработка ГОСТ Р 52746-2007 «Прицепы и полуприцепы тракторные. Общие технические требования» 259
6.1.2 Состав требований к конструкции и безопасности тракторных прицепов 261 6.1.3 Разработка ГОСТ 28307-2013 «Прицепы и полуприцепы тракторные. Методы испытаний» 264
6.1.4 Развитие методов испытаний тракторных прицепов
6.2 Улучшение эксплуатационных свойств тракторных поездов 268
6.3 Повышение технического уровня прицепного состава
6.3.1 Снижение металлоемкости 271
6.3.2 Повышение плавности хода
6.4 Активизация прицепного состава 283
6.5 Совершенствование конструктивных схем тракторных прицепов 284
6.6 Выводы по главе 6 288
Заключение 290
Список литературы
- Особенности сельскохозяйственного тракторного транспорта
- Классификация условий эксплуатации в зависимости от дорожных условий
- Влияние дорожных условий на эксплуатационные показатели тракторного поезда
- Определение характеристик сопротивления усталости по результатам испытаний масштабных моделей
Введение к работе
Актуальность темы. Транспорт - важнейшая составная часть производственной инфраструктуры сельского хозяйства. В общих затратах труда на производство сельскохозяйственной продукции на долю транспортных и погрузочно-разгрузочных работ приходится до 40 %. По различным источникам, от общих затрат на сельскохозяйственное производство на транспортные работы приходится до 14 %.
Сельскохозяйственные перевозки, как в нашей стране, так и за рубежом выполняются автомобильным и тракторным транспортом.
Автомобильный транспорт используется при перевозках сельскохозяйственных грузов по дорогам общего пользования. В нашей стране автомобильный транспорт достаточно широко применяется на внутрихозяйственных перевозках, в том числе на вывозке продукции непосредственно с поля от уборочных машин. В зарубежных странах с развитым сельскохозяйственным производством (европейские страны, страны Северной Америки) автомобильный транспорт на внутрихозяйственных перевозках, связанных с выездом на поле, практически не используется. Основной вид внутрихозяйственного транспорта в этих странах -тракторный, как обладающий существенно меньшим повреждающим воздействием на почву.
В условиях нашей страны достаточно широкому распространению тракторного транспорта способствует его лучшая проходимость и меньшая зависимость от погодных факторов.
Концептуальные подходы к развитию транспортных машин в современных условиях включают всемерное повышение их технико-экономических показателей, обеспечение оптимальной номенклатуры по условиям ресурсных и экономических ограничений, оптимизацию параметров, во взаимосвязи с основными технологическими процессами, которые они обеспечивают.
Создание тракторных прицепов, отвечающих современным требованиям сельскохозяйственного производства, требует разработки общей концепции прицепного тракторного транспорта, обоснования его основных технико-эксплуатационных свойств, конструктивных принципов, методов испытаний и расчета.
Таким образом, актуальность данного исследования заключается в разработке комплекса научно-технических задач, направленных на создание прицепного состава тракторного транспорта, отвечающего современным требованиям в отношении его конкурентоспособности на мировом рынке.
Цель исследования - повышение эффективности сельскохозяйственных транспортных работ путем разработки и совершенствования конструкций тракторных прицепов, обеспечивающих оптимальные показатели их технико-эксплуатационных свойств.
Для достижения указанной выше цели поставлены и решены следующие основные задачи исследования:
- анализ условий эксплуатации тракторных прицепов, обоснование их классификации и выделение типовых режимов эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства;
- обоснование и разработка системы показателей технико-эксплуата
ционных свойств прицепного состава тракторного транспорта с последующим ее
использованием в качестве базы стандартизации данных транспортных средств;
теоретическое и экспериментальное обоснование методики определения рациональных параметров тракторных поездов;
расчетно-экспериментальное обоснование методов проектирования и совершенствования конструкций тракторных прицепов;
разработка методики расчета долговечности базовых деталей транспортных средств, работающих в условиях нерегулярного нагружения, с учетом усталостного характера их повреждений в эксплуатации;
разработка нормативной базы прицепного тракторного транспорта, повышение его технического уровня, в том числе за счет рационального агрегатирования и новых конструктивных схем.
Объект исследований - тракторные прицепы и полуприцепы, используемые в сельскохозяйственном производстве.
Предмет исследований - комплексная система показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта.
Научная новизна основных положений, выносимых на защиту:
концептуальные положения, методология и результаты разработки системы показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта, реализованные в созданной на ее основе нормативной базе данного типа транспортных машин;
научно обоснованный комплекс требований и технических нормативов, установленных на государственном и межгосударственном уровнях и определяющих конструкции и методы испытаний тракторных прицепов, с учетом международного технического уровня и дорожно-климатических условий эксплуатации при выполнении сельскохозяйственных транспортных работ;
метод классификации условий эксплуатации сельскохозяйственного тракторного транспорта по типу ограничений, накладываемых дорожно -климатическими условиями на полную массу прицепного состава и скорость движения;
методика определения оптимальных параметров тракторных транспортных агрегатов с учетом дорожных условий и тяговых возможностей тягача, на основе изучения динамики их движения, включая модифицированный способ решения уравнения движения транспортных машин с переменными коэффициентами методом ВКБ (Вентцеля-Крамерса-Бриллюэна);
методика оптимизации конструкций базовых элементов и систем тракторных прицепов с использованием результатов стендовых испытаний натурных образцов и их локальных моделей;
методика определения характеристик сопротивления усталости деталей и узлов путем испытаний их масштабных моделей;
метод расчета долговечности базовых деталей транспортных средств, работающих в условиях нерегулярного нагружения, на основе кинетической теории накопления усталостных повреждений с учетом типовых режимов эксплуатации,
максимальные повреждающие воздействия которых ниже начального значения предела выносливости.
Степень достоверности результатов и выводов обеспечивается методологией исследования, включающей в себя апробированные научные методы; современным математическим аппаратом; применением достоверной исходной информации и значительным объемом экспериментальных исследований.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется тем, что разработанные автором система показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта, модели, средства испытаний, частные методики нашли практическое применение как в условиях производственных предприятий, так и в области стандартизации данных транспортных машин.
Результаты исследования позволяют:
определять параметры тракторных транспортных агрегатов, обеспечивающие их наилучшие экономические показатели, на стадии проектирования и в эксплуатации;
определять характеристики эксплуатационной надежности конструкций тракторных прицепов и назначать на основании этого режимы их испытаний;
обеспечить требуемую долговечность элементов конструкции тракторных прицепов на стадии проектирования;
снизить материалоемкость и трудоемкость изготовления данных транспортных средств за счет использования разработанных рекомендаций и конструктивных схем;
сократить сроки выполнения технологических операций при производстве продуктов растениеводства и животноводства за счет создания и использования в сельскохозяйственном производстве прицепного состава тракторного транспорта, обеспечивающего повышение производительности транспортных работ.
Реализация результатов работы. Разработанные конструктивные решения и аппарат расчетно-экспериментальной отработки элементов конструкции использован при создании и модернизации тракторных прицепов и полуприцепов, выпускаемых Орским заводом тракторных прицепов (ныне ООО «Орские прицепы»). Высокий технический уровень данных моделей подтверждается их востребованностью и конкурентоспособностью на мировом рынке.
Результатом данной работы является разработка и введение в действие национального стандарта Российской Федерации ГОСТ Р 52746-2007 «Прицепы и полуприцепы тракторные. Общие технические требования» и межгосударственного стандарта ГОСТ 28307-2013 «Прицепы и полуприцепы тракторные. Методы испытаний».
Результаты исследований и разработок в области расчетно-экспериментальной оценки долговечности узлов и элементов конструкций транспортных машин используются в учебном процессе в Оренбургском государственном университете.
Апробация результатов работы. Отдельные положения и результаты работы докладывались на 25 научных конференциях различного уровня: международных «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 1999), «Совре-
менные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (Санкт-Петербург, 2006), «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Оренбург, 2008), «Инновационная деятельность предприятий по исследованию, обработке и получению современных конструкционных материалов и сплавов» (Орск, 2009), «Проблемы и перспективы развития Евроазиатских транспортных систем» (Челябинск, 2012), «Транспортные и транспортно-техно-логические системы» (Тюмень, 2012), «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2013), «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники» (Уфа, 2013), «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2014); всесоюзных «Вибрации и диагностика машин и механизмов» (Челябинск, 1990), «Методы ускоренных стендовых испытаний агрегатов тракторов и сельскохозяйственных машин» (Челябинск, 1991); российских «Концепции развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1995, 1997), «Прогрессивные методы эксплуатации и ремонта транспортных средств» (Оренбург, 1999), «Опыт и проблемы маркетинговой деятельности в российском предпринимательстве» (Пенза, 2000), «Прочность и разрушение материалов и конструкций» (Орск, 2000, 2002), «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2002, 2003, 2005, 2009), «Инновационное развитие и рациональная интеграция российской экономики» (Орск, 2008), «Конкурентоспособность предприятий и организаций» (Пенза, 2008), «Актуальные вопросы станкостроения» (Ижевск, 2013), республиканской «Научные достижения и опыт отраслей машиностроения - народному хозяйству» (Харьков, 1990) и других. Кроме того, материалы диссертации докладывались на научно-технических семинарах ГСКТБ по тракторным прицепам (Орск, 1981... 1989), МИИСП (Москва, 1980, 1989), ВИМ (Москва, 2000, 2002), ИНДМАШ АН БССР (Минск, 1986...1990), ВНИПТИМЭСХ (Зерноград, 1987, 1989, 1991), семинарах кафедр Оренбургского государственного университета.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 56 работах, в том числе 2 монографиях. В рецензируемых изданиях перечня ВАК опубликовано 12 работ. Материалы диссертации включены в энциклопедию «Машиностроение», том IV-15 «Колесные и гусеничные машины», раздел «Автомобильные и тракторные прицепы». По результатам работы получены 2 авторских свидетельства на изобретения и 2 патента.
Вклад автора в проведенное исследование заключается в определении концепции и формулировании цели работы, определении направлений теоретических исследований и их осуществлении, разработке методик, организации и проведении всех видов испытаний по теме исследования, разработке и внедрении нормативных и методических документов в области прицепного тракторного транспорта.
Структура и объем диссертации: введение, шесть глав, заключение, список литературы из 334 наименований, 3 приложения, содержащие материалы исследования, не включенные в основной текст, и документы, подтверждающие внедрение результатов работы. Диссертация изложена на 294 страницах основного текста, включая 42 таблицы и 43 рисунка.
Особенности сельскохозяйственного тракторного транспорта
Для освоения объема перевозок сельскохозяйственных грузов используется как автомобильный транспорт, так и тракторные транспортные сред-тва - тракторные прицепы и полуприцепы, а также технологические транспортные средства на базе тракторных прицепов и полуприцепов (например, для внесения органических и минеральных удобрений, раздачи кормов, загрузки сеялок).
Специфика условий эксплуатации тракторных транспортных агрегатов накладывает ряд характерных только для данного вида техники требований, предъявляемым к конструкциям и свойствам тракторного прицепного состава, и обуславливает отличия тракторных прицепов от автомобильных по следующим конструкторско-функциональным и эксплуатационно-технологическим признакам: - трактор-тягач не является грузонесущим звеном транспортного агрегата, что ограничивает его тягово-сцепные возможности и влияет на конструкцию прицепа; - малые плечи перевозок и частые разгрузки; - широкий диапазон номенклатуры и свойств перевозимых грузов, что требует большой универсальности тракторных прицепов; - необходимость оснащения тракторных прицепов различным технологическим оборудованием вследствие существенно различающихся технологических процессов, в которых они используются; - многообразие дорожных условий, в которых эксплуатируется тракторный транспорт, недостаточный уровень развития дорожной сети, что предопределяет специальные требования по проходимости, маневренности и безопасности движения; - работа в составе многозвенного агрегата с разнотипными тракторами и прицепами; - специфика требований к шинам тракторных прицепов по удельному давлению на грунт. В настоящее время состояние сельскохозяйственного транспорта в нашей стране характеризуется сильной изношенностью подвижного состава и погрузочных средств. Более 30 % транспортных и погрузочных средств эксплуатируются за пределами нормативного срока службы, остальная часть фактически приближается к этому состоянию [5, 91, 92].
В целом же обеспеченность агропромышленного комплекса сельскохозяйственными транспортными средствами (табл. 1.7) ниже нормативной оценки [5].
Объемы перевозок тракторным транспортом в настоящее время составляют 22...27 % от общего объема сельскохозяйственных перевозок и 45 % объема внутрихозяйственных перевозок. Для сравнения отметим, что с помощью тракторов в Норвегии перевозится 95 % сельскохозяйственных грузов, в Германии - 80,5 %, в Венгрии - 77 %, в Чехии - 55 % [277]. Таблица 1.7 - Обеспеченность агропромышленного комплекса транспортными средствами
Показатели Фактическое состояние Нормативное значение % обеспеченности Парк транспортных средств, тыс. шт.: - грузовые автомобили 450 900 50 - тракторные прицепы и полуприцепы 360 850 42,4 В ближайшие годы на долю автомобильного транспорта в нашей стране, по оценке [5, 92], будет приходиться до 80 % объема сельскохозяйственных перевозок, на долю тракторного транспорта - 20 %. Это объясняется тем, что стоимость перевозок тракторным транспортом в России, в связи с высокой стоимостью дизельного топлива, как правило, выше стоимости автомобильных перевозок.
Перевозки тракторным транспортом осуществляются преимущественно там, где по своим техническим возможностям не могут быть использованы автомобили.
Тракторные транспортные средства применяются также в транспортно-технологических процессах: внесении удобрений, приеме продукции непосредственно в поле от уборочных машин, раздаче кормов и т.п.
Кроме того, тракторный транспорт является, по существу, единственным, пригодным для перевозки легковесных грузов, объем которых составляет около 180 млн. т в год [97, 154].
Исходя из планируемых объемов перевозок сельскохозяйственных грузов, количественный парк тракторных прицепов в нашей стране имеет тенденцию к возрастанию.
В настоящее время для нужд сельскохозяйственного производства промышленностью выпускается широкая номенклатура гусеничных и колесных тракторов. Из них на транспортных работах используются преимущественно колесные тракторы.
Сельскохозяйственные колесные тракторы классифицируются по назначению, по конструкции ходовой части и остова, по тяговому классу. По назначению различают тракторы общего назначения, специальные, универсально-пропашные, малогабаритные и мотоблоки. На перевозках сельскохозяйственных грузов в основном применяются тракторы общего назначения и универсально-пропашные.
Классификация условий эксплуатации в зависимости от дорожных условий
Опыт эксплуатации прицепного транспортного транспорта, а также проведенные исследования показывают, что важнейшим фактором, ограничивающим скорость движения тракторного поезда, является вибронагружен-ность рабочего места.
Анализ причин, вызывающих вынужденные колебания звеньев поезда, показывает, что преобладающими среди них являются колебания, обусловленные микропрофилем поверхности движения [11, 252]. Длительное воздействие этих колебаний вызывает повышенную усталость водителя, порчу груза и вынуждает снижать скорость движения.
Единого общепринятого критерия, устанавливающего степень соответствия параметров вибронагруженности психофизиологическим характеристикам человека, в настоящее время нет. Применительно к тракторным поездам, в соответствии с ГОСТ 12.2.019-2005 «Тракторы и машины самоходные сельскохозяйственные. Общие требования безопасности», в нашей стране за нормативный принят критерий величины среднеквадратического ускорения в октавных полосах частот.
При этом нормируются как вертикальные, так и продольные виброускорения, причем для большегрузных тракторных поездов последние, в отличие от автомобильного транспорта, часто вносят наибольшие ограничения на скорость движения [240].
Под допустимой скоростью движения тракторного поезда будем понимать такое ее значение, при котором уровень виброускорений на сиденьи водителя не превышает допустимых величин ни в одном из диапазонов частот.
В табл. 3.2 приведены экспериментальные данные, конкретизирующие значения допустимой скорости для поезда в составе трактора К-701 и полуприцепа ОЗТП-9554, при движении его с номинальной загрузкой по некоторым типам дорог. Измерения виброускорений проводились с помощью датчиков типа МП-95 и комплекта регистрирующей и обрабатывающей аппаратуры.
На формирование вибронагруженности звеньев тракторного поезда определенное влияние оказывают различные конструктивные и эксплуатационные параметры, в том числе полная масса прицепного состава.
Экспериментальное определение допустимой скорости движения по предельно допустимым виброускорениям при варьировании этих параметров весьма трудоемко, поэтому необходимо иметь аппарат аналитической оценки вибронагруженности звеньев поезда.
Общий метод анализа случайных нахождении спектральной плотности соответствующих виброускорений с использованием известной зависимости [231, 238]: Seblx{co)=co4\W{co)\2Sex{co\ (3.28) где со - колебаний транспортного средства заключается в круговая частота; Sex(co), Seblx(co) - соответственно спектральная плотность входных (кинематического воздействия микропрофиля) и выходных параметров; W(co) - передаточная функция транспортного средства. В настоящее время известно большое количество решений этой задачи применительно к различным типам транспортных машин [66, 116, 215, 231, 237, 252, 267]. Однако непосредственные вычисления по формуле (3.28) для многомерных динамических систем, какими являются многозвенные тракторные поезда, чрезвычайно сложны. В ряде случаев, в том числе при решении задачи параметрической оптимизации, достаточно ограничиться изучением собственных динамических свойств тракторного поезда. При совпадении собственной частоты колебаний звеньев поезда с частотой максимума спектра воздействия следует ожидать появления статистического резонанса, характеризующегося наибольшими ускорениями на определенной частоте. В этом случае необходимо изменить параметры динамической системы (например, полную массу) с тем, чтобы вывести систему из резонанса.
Проиллюстрируем изложенный подход применительно к тракторному поезду с полунавесным прицепом (рис. 3.4). Уравнения колебаний звеньев поезда получим из уравнений Лагранжа второго рода, составленных для данного тракторного поезда: d(dT\ дТ дП dt\dqj dqk dqk где і - номер центра масс звена поезда; і - номер упругого элемента (шин и рессор); czi, cxh z0i, хОІ - соответственно жесткости и деформации упругих элементов в вертикальном и продольном направлении; czul, схш, гш, хш - соответственно жесткость и деформация связи в вертикальном и продольном направлении. Смысл остальных обозначений ясен из рис. 3.4.
Влияние дорожных условий на эксплуатационные показатели тракторного поезда
Для оси прицепа ОЗТП-9554 поперечные сварные швы, фиксирующие суппорт тормоза, не предназначены для восприятия изгибающих нагрузок. Однако место расположения их на контуре поперечного сечения оси может решающим образом влиять на сопротивление усталости. В случае расположения шва в нижней точке сечения, в зоне действия наибольших растягивающих напряжений, предел выносливости оси снизится в Ка раз. В определенном положении шва, под углом р к вертикали (рис. 4.19в), влияние концентрации напряжения от сварного шва на предел выносливости практически исчезает.
Величину зоны трубчатого сечения, где нежелательно располагать сварные швы по приведенным соображениям, можно определить из условия KaPRcoS(p Pa, (4.18) где Ра - амплитуда максимальной вертикальной нагрузки на балку оси.
Величина эффективного коэффициента концентрации напряжения Ка как отношение пределов выносливости образцов материала и реальной конструкции, необходимая для расчетов по формуле (4.18), определена по результатам испытаний натурных образцов балок осей (разд. 5.3) и по справочным данным [260]. Для балок осей, выполненных из стали 40Х, получено Ка = 3,45; из стали Ъ5-Ка= 2,44. Из формулы (4.18) минимально необходимая свободная от сварки зона балок осей, выполненных из указанных материалов, должна составлять р = 73 для стали 40Х и р = 66 для стали 35.
В связи с этим была изменена конфигурация деталей "опора рессоры" и "подкладка стремянки", предотвращающая доведение сварных швов до края детали (рис. 4.19в). Сварные швы, соединяющие тормозной суппорт с цапфой оси, были перенесены с внутренней стороны оси на внешнюю, в зону действия меньшего изгибающего момента. Указанные конструктивные изменения позволили обеспечить при проведении стендовых испытаниях балок осей из
Ось, установленная на прицепе, воспринимает во время эксплуатации вертикальные статические нагрузки от веса подрессоренных масс. Осевые нагрузки для сельскохозяйственных транспортных машин ограничиваются по условиям воздействия движителей на почву [209], однако величина их достаточна, чтобы учитывать влияние статической составляющей нагружен-ности на долговечность балок осей.
Многочисленными исследованиями влияния асимметрии нагружения на долговечность сварных конструкций и их локальных моделей, содержащих сварные швы, установлено [129, 217, 261], что работа сварного соединения в области положительных (растягивающих) средних напряжений цикла приводит к резкому снижению долговечности такого соединения; в области отрицательных (сжимающих) средних напряжений - к значительному увеличению долговечности. Целесообразно, таким образом, наведение предварительных сжимающих напряжений в зонах сварных соединений.
Применительно к балкам осей транспортных средств наиболее просто это может быть осуществлено при сборке-сварке оси под технологической нагрузкой, совпадающей с номинальной эксплуатационной статической нагрузкой. При этом к балке, находящейся в свободном состоянии, приваривают детали с продольным расположением швов, а также детали с поперечным расположением швов участками поперечных секторов, расположенных выше нейтральной плоскости при вертикальном изгибе балки, затем нагружают ось изгибающим моментом, соответствующим изгибающему моменту от действия статической нагрузки, и в напряженном состоянии оси осуществляют приварку оставшихся секторов поперечных швов, расположенных ниже нейтральной плоскости [243]. Разгрузку производят после охлаждения сварных швов до температуры начала рекристаллизации, составляющей для стали 450-500С. В процессе сварки напряжения от технологической нагрузки в зоне термического влияния релаксируется, а при снятии нагрузки предварительно растянутые нижние волокна в этих зонах подвергаются сжатию относительно их первоначального состояния. Величина деформации сжатия при этом может быть достаточной для уравновешивания растягивающих сварочных напряжений, наведение которых отрицательно влияет на долговечность сварных соединений.
Таким образом, при эксплуатации транспортного средства с номинальной загрузкой в зонах кольцевых швов, расположенных ниже нейтральной плоскости изгиба, растягивающие напряжения при изготовлении оси по данному способу будут ниже, чем при изготовлении оси по существующему технологическому процессу.
Оценка степени влияния предложенной технологии на усталостную прочность балок осей произведена путем изучения остаточных напряжений в зоне сварных швов. Остаточные напряжения, являясь результатом резкого температурного перепада, структурных изменений и упруго-пластического деформирования в зонах сварных соединений, могут, как известно, достигать величин, сопоставимых с пределом текучести основного металла. Суммируясь с напряжениями от внешней нагрузки, остаточные напряжения изменяют асимметрию цикла нагружения и существенно влияют на сопротивление усталости сварных соединений. Экспериментально установлено [261], что остаточные напряжения растяжения снижают предел выносливости на 30-50 %, а напряжения сжатия повышают его на 20-40 %. При этом остаточные напряжения усиливают свое влияние при наличии концентраторов напряжений.
В табл. 4.8 приведены значения остаточных напряжений в зоне сварного шва для оси, изготовленной под технологической нагрузкой, равной номинальной статической осевой нагрузке, после снятия последней, а также для оси, изготовленной по серийному технологическому процессу (сборке-сварке её в свободном состоянии).
Определение характеристик сопротивления усталости по результатам испытаний масштабных моделей
Как было отмечено выше, развитие массовой мобильной энергетики, являющейся базой для составления сельскохозяйственных транспортных агрегатов, идет по пути увеличения абсолютной и удельной мощности (энергонасыщенности). Такой путь развития мобильной энергетики создает предпосылки для повышения грузоподъемности и скорости движения транспортных агрегатов.
Эффективность использования тракторных поездов в сельском хозяйстве определяется большим числом факторов. Из них важнейшими являются состав транспортного агрегата, тягово-сцепные и энергетические возможности трактора, дорожно-климатические условия эксплуатации, организация перевозок, виды грузов. Имеют также существенное значение свойства маневренности, устойчивости прямолинейного движения, вибронагруженности рабочего места водителя, тормозные качества транспортного агрегата. Производительность транспортного агрегата зависит от средней технической скорости движения, коэффициента использования пробега, грузоподъемности тракторного поезда, коэффициента использования грузоподъемности, среднего расстояния перевозки грузов и времени простоя под погрузкой и разгрузкой. Из этого следует, что факторы, способные повысить производи 270 тельность транспортного агрегата, могут быть отнесены к одной из двух групп. Первая из них (коэффициенты использования, время простоя, среднее расстояние перевозок) относится к сфере эксплуатации и определяется главным образом организационными причинами. Вторая группа факторов (грузоподъемность, средняя техническая скорость) может быть отнесена к конструктивным, закладываемым на стадии проектирования. В данной работе анализируются преимущественно факторы второй группы, хотя имеет место определенное взаимное влияние обеих групп: конструктивные параметры оказывают значительное воздействие на организацию транспортных работ. При отмеченном выше росте энергонасыщенности тракторов и появляющихся в связи с этим возможностях совершенствования транспортных агрегатов на их базе встает вопрос о наиболее целесообразных путях развития прицепных транспортных средств с учетом экономической эффективности их применения в народном хозяйстве.
Анализ имеющегося опыта проектирования прицепных транспортных средств, а также альтернативных вариантов их развития позволил выявить перспективы повышения эффективности сельскохозяйственного тракторного транспорта за счет конструктивных решений на стадии их проектирования и модернизации. Из них важнейшими являются: - повышение технического уровня выпускаемого прицепного состава за счет повышения удельных технических характеристик (металлоемкости, трудоемкости производства и т.д.); - выбор оптимальных параметров агрегатирования прицепных звеньев, обеспечивающих наиболее полное использование тягово-сцепных свойств тракторного поезда; - поиск конструктивных схем прицепных звеньев и схем агрегатирования, оптимизирующих геометрические, весовые характеристики тракторного поезда, его управляемость и проходимость; - снижение динамического воздействия, вызванного поверхностью дороги, на все звенья тракторного агрегата, и воздействия прицепных звеньев с целью уменьшения вибронагруженности рабочего места водителя и увеличения тем самым эксплуатационных скоростей движения транспортных агрегатов, а также снижения металлоемкости несущих конструкций за счет уменьшения коэффициента запаса прочности.
Ниже изложены возможности указанных направлений повышения эффективности сельскохозяйственного тракторного транспорта и некоторые их конкретные результаты, воплощенные в серийных или перспективных образцах прицепного состава к энергонасыщенным колёсным тракторам.
Общую совокупность мероприятий по совершенствованию конструкций тракторных прицепов можно охарактеризовать следующими основными признаками [171]: - повышение единичной грузоподъемности или грузовместимости до оптимальных пределов; - снижение собственной массы для увеличения номинальной грузоподъемности или снижения удельного давления на почву; - специализация грузовых платформ по виду перевозимого груза; - гидрофикация привода исполнительных механизмов; - применение шин с минимальным удельным давлением на почву; - повышение эффективности тормозных систем и маневренных свойств многоосных длиннобазовых шарнирно связанных многозвенных ходовых систем с учетом многовариантности состава как прицепов, так и тягачей; - повышение надежности и долговечности конструкций с использованием методов их ускоренной оценки на этапе опытно-конструкторских работ. Важнейшим из этих мероприятий является повышение грузоподъемности прицепов, прежде всего за счет снижения их собственной массы.
Реализация указанных мероприятий предусматривает, в первую очередь, снижение удельной металлоемкости, прежде всего за счет применения экономичных профилей проката и легированных сталей.
Так, например, в результате модернизации тракторных прицепов, выпускаемых Орским заводом тракторных прицепов, при непосредственном участии автора реализованы следующие конструктивные мероприятия.
В конструкции модернизированных прицепов предусмотрены единая платформа вместо двух. Разработан более надежный в эксплуатации гидравлический механизм автоматического открывания и закрывания боковых бортов. В подвеске применена облегченная рессора и упрощенный узел балансира.
При модернизации конструкции самосвальных тракторных прицепов особое внимание уделено улучшению технологичности и снижению трудоемкости изготовления отдельных узлов прицепов. Совершенствование конструкции прицепов велось путем решения задач по повышению показателей, характеризующих их эксплуатационные свойства и надежность, снижению металлоемкости и трудоемкости изготовления, унификации узлов и деталей, а также по совершенствованию организации производства.
Рама модернизированных прицепов по сравнению с базовыми моделями имеет более простую пространственную конфигурацию и свободный доступ к местам сборки. Сварные швы в основном прямолинейные, что позволяет использовать в производстве поточно-механизированные линии.