Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ безопасности конструкций машин и оборудования природообустройства 9
1.1. Оценка безопасности условий труда операторов машин природообустройства 9
1.2. Методики оценки пассивной безопасности кабин машин и оборудования природообустройства 14
1.3. Современные способы усиления конструкций кабин машин и оборудования природообустройства 17
Выводы 29
Глава 2. Исследования характеристик пассивной безопасности кабин 30
2.1. Оценка несущей способности каркасов кабин машин и оборудования природообустройства 30
2.2. Расчётная оценка пассивной безопасности 42
Выводы 50
Глава 3. Теоретические положения разработки конструкций предохранительных модулей кабин машин и оборудования природообустройства 51
3.1 Анализ процессов деформирования несущих стоек кабины 51
3.2. Разработка эффективной конструкции предохранительного модуля пассивной безопасности 54
3.3. Исследование процессов разрушения деформируемого элемента предохранительного модуля 61
3.4. Анализ прочности штифтов предохранительного модуля 70
Выводы 88
Глава 4. Исследование несущей способности элементов конструкции кабин машин и оборудования природообустройства 89
4.1. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кузовов транспортных средств 90
4.2 Методика проведения исследований нагрузочных факторов на металлоконструкции кабины 93
4.3 Построение математической модели исследования 101
Выводы 110
Глава 5. Рекомендации по внедрению технологических способов повышения пассивной безопасности машин и оборудования природообустройства 111
5.1. Практическая реализация результатов исследования 113
5.2 Экономическая эффективность внедрение средств пассивной безопасности кабин машин и оборудования 117
Выводы 120
Основные результаты и выводы 121
Список использованных источников 122
Приложения 135
- Оценка безопасности условий труда операторов машин природообустройства
- Разработка эффективной конструкции предохранительного модуля пассивной безопасности
- Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кузовов транспортных средств
- Экономическая эффективность внедрение средств пассивной безопасности кабин машин и оборудования
Введение к работе
Актуальность работы
Современные машины часто обладают мощными двигателями и перемещаются с высокими скоростями. В связи с этим, удельный вес травматизма с летальным исходом среди операторов мобильных колесных машин сельскохозяйственного назначения составляет около 13 % от всех погибших на производстве, из них число травмированных механизаторов составляет 78 % от общего их числа. К основным причинам травматизма относят неудовлетворительную организацию труда - 67 % и эксплуатацию неисправных машин - 31,5%.
В условиях ужесточения международных норм к требованиям активной и пассивной безопасности машин природообустройства разработка стратегий и мероприятий по внедрению требований ОПТОСОЗ (Общеевропейская Программа по транспорту, окружающей среде и охране здоровья) актуальна применительно к транспорту как важному сектору экономики, в котором только в Европейском союзе занято более 16 млн. человек.
По результатам анализа эксплуатационной безопасности кабин тракторов актуальным вопросом является совершенствование несущих конструкций, обеспечивающих повышение пассивной безопасности по показателям, регламентированным ГОСТ Р 41.29–99 (Правила ЕЭК ООН №29).
В диссертационной работе представлено обобщение выполненных автором в 2008-2013 гг. исследований в области повышения пассивной безопасности конструкции кабины с помощью специальных устройств, обеспечивающих поглощение энергии удара и сохранение внутреннего остаточного пространства безопасности операторов в случаях фронтального и бокового ударов.
Цель работы заключается в повышении пассивной безопасности кабин транспортных и технологических машин за счет установки предохранительных модулей.
Задачи исследования заключаются в:
- проведении обзора и анализа аварийности, причин деформаций кабин, современных способов повышения пассивной безопасности кабин машин природообустройства и мелиоративной техники;
- проведении анализа способов испытания кабин, оценке прочности и пассивной безопасности кабины по пластическим моментам сопротивления сечений несущих стоек кабины; исследования несущей способности центральной стойки кабины трактора;
- проведении статистических исследований работы срезных предохранительных устройств, в которых часть энергии удара расходуется на разрушение специальных деталей, что снижает энергию, расходуемую на дальнейшую деформацию и разрушение корпусов мелиоративных машин;
- разработке методики оптимизации значимых параметров модуля усиления: площади деформированного элемента, величины энергии деформации поглощаемой модулем усиления, толщины сечения стойки мелиоративных и строительных машин;
- обосновании технико-экономической эффективности предлагаемой методики повышения пассивной безопасности кабин тракторов, мелиоративной и строительной техники.
Объектами и предметом исследования явились кабины технологических машин, для которых предметом исследования является процесс повышения пассивной безопасности кабин парка мелиоративных, строительных и машин природобустройства установкой предохранительных модулей.
Методической основой проведенных исследований послужили труды российских и зарубежных ученых, посвященные вопросам повышения безопасности машин в мелиорации, строительстве и природообустройстве. В работе использованы методы математической статистики.
Научная значимость. Получены аналитические зависимости параметров пассивной безопасности кабин от энергии удара, усилий в зоне контакта и перемещений элементов кабины. Решена задача определения напряженного и деформированного состояния силового взаимодействия тел, ограниченных цилиндрическими поверхностями срезных штифтов предохранительного модуля.
Способами компьютерного моделирования выявлены условия статического нагружения стоек кабин для нахождения предельных параметров деформаций кабины.
Получена математическая модель характеристик пассивной безопасности кабин и выполнен анализ несущей способности каркасов кабин машин природообустройства.
Практическая ценность полученных результатов заключается в разработке новой конструкции предохранительного модуля, обеспечивающего поглощение части энергии удара и методики, позволяющей повысить безопасность кабин технологических машин природообустройства, которая включает в себя анализ прочности штифтов предохранительного модуля.
На защиту выносятся следующие положения:
- методические основы оптимизации конструктивных параметров предохранительных моделей, повышающие пассивную безопасность машин природообустройства;
- экономическая оценка эффективности использования разработанной методики по повышению пассивной безопасности кабин машин природообустройства за счёт снижения эксплуатационно-ремонтных затрат.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО ТвГТУ (2012 г.), ФГБОУ ВПО МГУП (2013 г.), ФГБОУ ВПО МГАУ им. В.П. Горячкина (2012г.), ФГБОУ ВПО Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова (2011), ФГБОУ ВПО Орловский государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс (2013), международной научно-практической конференции - Государственный инженерный университет Армении г. Ереван (2013)
Публикации.
Всего по результатам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе один патент, из них 4 в журналах, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 106 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 148 страницах, содержит 56 рисунков и 25 таблиц.
Оценка безопасности условий труда операторов машин природообустройства
Вопросы анализа пассивной безопасности (ПБ) кабин, деформаций, возникающих в аварийных ситуациях, являются весьма важными. Так же имеет значение выбор конструкций, уменьшающих объём повреждений при авариях.
Вопросам совершенствования конструкций транспортных и технологический машин, повышению их безопасности и надёжности посвящены работы таких ученых как: Селиванов А. И., Артемьев Ю. Н., Саньков В.М., Евграфов В.А., Голубев И.Г., Орлов Б.Н., Орлов Р.М, Илинич И.М., Курчаткин В.В., Ким Б.Г., Каракулев А.В., Лазовский В.В., Кириллов Г.И., Кургачёв И.И., Кряжков В.М., Свирщевский Б.С., Бардышев СВ., Алферов А.К., Луйк И.А., Бразилович Е.Ю., Барам Х.Г., Пржибил П., Demic М., Diligenski Dj. и другие [1-22].
По данным Росстата за период, с 2006 по 2012 год в РФ водители и трактористы получали травмы соответственно: в дорожно-транспортных происшествиях 69,3 и 68,0% (от общего числа несчастных случаев); в результате захватов и ударов 11,5 и 19,8%; в результате падений пострадавшего 4,1 и 2,4%; в результате электропоражений 2,2 и 1,5%; в результате температурных воздействий 3,8 и 3,1%; в прочих травматических ситуациях 9,2 и 5,2%.
Количество травм в результате опрокидывания на 10 106 тракторов в Швеции за период с 1990 по 2012 год с установленной системой защиты от опрокидывания (ROPS) уменьшилось в 20 раз [23] см. рисунок 1.1.
Согласно положению ISO 8082 и требованиям ГОСТом Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН №29) элементы кабины проектируются под определённые нагрузки, с возможностью защиты водителя при аварии или опрокидывании.
Основными причинами деформаций кабины являются: механические повреждения; коррозия металла; разрушение противокоррозионного покрытия. Механические повреждения в основном возникают при столкновениях, опрокидывании трактора, например, вмятины или нарушение основных размеров и формы кабины.
При столкновении могут произойти повреждения, когда ремонта или замены требует часть деталей или кабины в сборе.
На рисунке 1.2 представлена статистика аварий со смертельным исходом из общего количества аварий по данным Европейского совета по безопасности дорожного движения в странах Европы. График показывает, что в странах с более жесткими требованиями к пассивной безопасности на рисунке 1.2 (слева) и в странах, пока не принявших жестких мер на рисунке 1.2 (справа) в 2010 году 35 тысяч человек погибли в аварийных ситуациях[24].
14 апреля 2009 года ETSC (Европейское консульство по безопасности транспорта) в рамках мониторинга динамики дорожной безопасности (Road Safety Performance Index - PIN) обнародовало план по сокращению количества смертей на дорогах на 50%. Класс безопасности транспортных средств по программе Euro NCAP (The European New Car Assessment Programme), выявил места наиболее частых воздействий на кабину трактора при авариях в расчете на 1000 ДТП (см. рис. 1.3) [25]. Конструкция трактора должна обеспечивать возможность установки, защитных устройств, обеспечивающих сохранение зоны безопасности в кабине при опрокидывании трактора и случайном падении предметов на кабину (ГОСТ 12.2.121-88).
Как правило, повреждения кабины приводят к возникновению различных его перекосов, которые проявляются в нарушении геометрических параметров проемов (дверей, капота, крыши), рамы, каркаса кабины. Ремонт перекосов выполняют путем восстановления поврежденных элементов правкой, усадкой, вытяжкой, рихтовкой либо заменой узла в сборе.
По данным аналитического агентства «Автостат» в результате мониторинга выявлено, что основными видами аварий являются столкновения (44,1% - фронтальные, 28,4 - боковые), опрокидывания (21,8%), наезды на препятствия (4,3%). В результате происшествий травмы получают: трактористы - машинисты - 37,6%; водители - 32,2%; ИТР - 17,2%; рабочие - 11,8% (см. рис. 1.4).
Восстановление кабины должно сопровождаться контролем геометрии (ГОСТ 22748-77) с применением шаблонов или посредством измерения размеров основания кузова.
Изменение напряжений в металле может происходить не по всей панели, а лишь в зоне воздействия дополнительных нагрузок. Вокруг деформированной зоны создается граничный пояс, где металл подвергся наибольшей деформации разрушения, так как в момент сжатия он являлся своего рода шарниром, на который действовали усилия сжатия. Этот ограничительный пояс иногда образует резко выраженную кромку или складку и мешает восстановлению формы изделия, так как является зоной возникновения высоких напряжений [2-3].
Разработка эффективной конструкции предохранительного модуля пассивной безопасности
Кузова автотракторных устройств, обычно, включают корпус, рамы дверей, при этом корпус выполнен из штампованных листов соединённых сваркой с несущей рамой. Именно к этой раме крепятся двери, капот, крыша и днище см. [88]. Известны конструкции с повышенной прочностью и жесткостыо для повышения безопасности операторов в аварийных ситуациях, см. [90].
В [91] была предложена конструкция, в которой рамы опёрты на втулки, которые при ударах по раме перемещаются (в процессе деформации корпуса) и при этом реализуется разрушение материала втулок, являющихся предохранительными устройствами. Часть энергии удара расходуется на разрушение специальных деталей, что снижает энергию, расходуемую на дальнейшую деформацию и разрушение корпуса.
На рисунке 3.3 показаны вертикальные стойки 1,2,3, соединённые с крышей 4 и основанием 5. Вертикальные стойки выполнены из нескольких изделий типа швеллера, что иллюстрирует разрез А-А (рисунок 3.3) показанный на рисунке 3.4. Здесь использованы 3 профиля: 6, 7 и 8. В профиле 8 вставлен на резьбе цилиндр 9, а в профиле 7 - цилиндр 11. При ударе по поверхности центральной стойки профиль 6 перемещается до соприкосновения со стержнем 11 (в процессе изгиба).
Дальнейшая деформация связана с передачей усилия на деталь 11 с разрушением втулки 10 (путём среза его днища диаметром dlr рис 3.4. Далее происходит изгиб с перемещением профилей 6 и 7 до контакта со стержнем 9 диаметром d2. Его движение связано со срезом резьбы на диаметре d2, то есть часть энергии расходуется на разрушение этой детали.
Штифт 2 круглого или квадратного сечения разрушается при движении вниз детали 1, при этом происходит срез по двум плоскостям, а опорой штифта 2 является корпус 3. Максимальное усилие среза по двум плоскостям площадью F равно P = 2TBF= j=aBF, (3.1) где тв и ов - величины пределов прочности при сдвиге и растяжении-сжатии.
Если перемещение после начала контакта пуансона 1 со штифтом 2(рис. 3.5а), обозначить х, то по мере среза усилие убывает Р(х) = -, (при квадратном сечении штифта размерами dxd).
Можно усовершенствовать предохранительное устройство так, как показано на рис. 3.66, выполнив верхний нож 1 ступенчатым. Ввиду этого предохранительный штифт 2 разрушается сначала на левом участке (обычно длиной 1,2-1,3) d, затем вторым выступом 4-й далее третьим выступом 5 (рис. 3.66).
Величина работы, затрачиваемой на разрушение штифта 2 при его характеристиках, указанных выше в численном примере, возрастает в три раза - до 900 Дж. Положение верхнего ножа после перемещения на величину «d» показано на рис. 3.56 пунктиром. Материал разрушаемой детали используется в этом случае более рационально, разрушение происходит не путем среза по двум плоскостям (как по схеме рисунка 3.5а), а последовательно по шести плоскостям.
Можно увеличить работу, затрачиваемую на разрушение предохранительного штифта, увеличивая его размеры сечения (размер «d»), но при этом возрастает усилие, т.е. снижается основная функция предохранительного устройства - обеспечить поглощение значительной энергии при относительно небольшом усилии, (значительная величина усилий приводит к повреждениям кузова и оператора).
На практике разрушение штифта происходит при относительной глубине надреза, равной -т = О,16...0,35 для углеродистых сталей см.[92].
Разрушаемые путем среза предохранительные штифты подвергаются также смятию от воздействия контактных деформаций см. [92], что незначительно увеличивает работу разрушения.
На рисунке 3.5 показано предохранительное устройство с симметричным расположением деталей относительно плоскости, проходящей через середину штифта (и перпендикулярной его оси).
На рисунке 3.5 а показано расположение детали 1 до начала процесса деформации, когда пуансон 3, расположенный в центре находится в контакте со штифтом 2.
При воздействии на деталь 1 динамического усилия Р происходит деформация среза вдоль плоскостей Ai и А2 (рисунке 3.6а). На рисунке 3.5а показано расположение детали 1 до начала процесса деформации, когда пуансон 3, расположенный в центре находится в контакте со штифтом 2.
На рисунке 3.56 показано положение детали 1 после среза, когда вдоль плоскостей Ai, А2 происходит разрушение и от штифта 2 отделен участок 4. Боковые ножи детали 1 в этот момент начинают контактировать с разрушаемым штифтом 2.
На рисунке 3.7 показано положение детали 1 после того, как произошла деформации среза еще двух участков штифта: 5 и 6 путем среза вдоль плоскостей Ві,Вг и СіСг (рисунок 3.7).
Разрушаемый элемент - штифт 2 в такой конструкции используется более рационально: его разрушают путем среза не по двум плоскостям, а по шести (последовательно - сначала по двум: АіАг, а затем еще по четырем -В1В2 и С\Сг). Конечно, работу, затрачиваемую на разрушение предохранительных элементов, можно увеличить, увеличивая их размеры, но это увеличивает усилия, передаваемые на внутренние рамы корпуса.
Применение же предохранительных элементов с фасонными ступенчатыми ножами, обеспечивает последовательное разрушение отдельных участков разрушаемых при ударах штифтов, что позволяет без увеличения усилий значительно увеличить поглощаемую энергию.
Разрушаемый штифт можно выполнить переменного диаметра, программируя тем самым изменение усилий и энергии разрушения, как заданную функцию времени.
Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкций кузовов транспортных средств
В соответствии с действующими нормативными документами силовое воздействие на несущие конструкции кабин имитируется эквивалентным ударным нагружением в стендовых условиях. Динамическое нагружение проводится по ОСТ 37.001.439-86 и ОСТ 37.001.444-86 [93-97], осуществляется с помощью плоской ударной плиты (см. рис. 4.1) [52]. Статическое вертикальное нагружение кабин по ГОСТ Р 41.29-99 [68] осуществляется с помощью жесткой плиты, динамическое - цилиндрического маятника.
В Тверском государственном техническом университете проведена серия опытов по измерению несущей способности отдельных стоек кабины при статических и динамических нагрузках. В работе рассмотрена реализация разработанной методики при решении конкретных практических задач, связанных с расчетной оценкой пассивной безопасности и несущей способности кабин машин природообустройства.
В опыте рассматривалась работоспособность восстановленной стойки кабины после ее ремонта методом стыковой сварки в среде защитных газов. Для проведения опыта была взята центральная боковая стойка кабины, см. рисунки 4.1 - 4.3, таблица 4.1. Измерительная схема состоит из двух тензорезисторов, наклеенных на измеряемой стойке и два тензорезистора на компенсационном элементе, выполненном из материала аналогичного материалу стойки. Тензорезисторы сопротивлением 200 Ом, предварительно подключенные по схеме мостика Уитстона к интеллектуальному датчику типа ZET 7111, обеспечивали фиксацию опытных показаний величин деформаций и усилий. В испытательной машине ZD 10/90 образец нагружали с интервалом ЮкН до величины 150кН. Выявили, что средняя величина усилия предельного разрушения составляет 90кН.
Тензометрическая установка, используемая при проведении исследований несущей способности центральной стойки, имеет характеристики, представленные в таблице 4,2.
Экономическая эффективность внедрение средств пассивной безопасности кабин машин и оборудования
Применение модулей усиления в заменяемых стойках подразумевает выполнение ремонта части кабины, а не замену её целиком. Для этого ремонт делится на 2 этапа - изготовление и установка усовершенствованной стойки с предохранительным модулем.
В предлагаемом способе модернизации средств пассивной безопасности кабины предусматриваются статьи расходов на внедрение дополнительного оборудования для проверки геометрии кабины, сварочного и монтажного оборудования в размере 714,7 тыс. руб. Экономическая эффективность достигается за счёт исключения трудоёмких операций снятия, установки и замены кабины, составляющих в среднем 160 000 руб.
По данным ООО "Тверьагроснабкомплект", официального дилера ЗАО "ТД МТЗ" в г. Тверь и области в среднем подлежат кузовному ремонту 150 -170 единиц техники, стоимость работы по замене кабины равна 23520 руб. (цена кабины составляет 110 000 руб.).
Норматив на выполнение работы составляет 28 нормо-часов, следовательно, стоимость нормо-часа равна 840 руб. за единицу нормированного времени.
Экономическая эффективность внедрения средства пассивной безопасности определяется на основе расчета капиталовложений в комплекс мероприятий - К (тыс. руб.).
Оценка стоимости оборудования, необходимого для проведения ремонта, приведена в таблице 5.1 и соответствует ценам прайс-листов производителей оборудования для кузовных работ.
Итоговое капиталовложение:
К = Ki+K2+K3+K4+K5 = 657,5+26,8+3,5+22,5+4,4 = 714,7тыс. руб.
Эксплуатационные расходы - С (тыс. руб./год)
Затраты на заработную плату работников рассчитаны исходя из плана потока 150 - 200 ремонтов в год. Фонд заработной платы рассчитан на 2 кузовщика и 1 мастера:
Сі =(30+30+40)- 12 = 1080 тыс. руб. Расчет амортизационных отчислений производится по формуле:
С2 = (К0хА)/100%, (5.1)
где Ко - первичная стоимость оборудования, А - процент годовой нормы амортизационных отчислений.
Годовая норма амортизации по каждому объекту амортизируемого имущества составляет:
A = (l/t)xl00%, (5.2)
где t - время амортизации в годах, определяемое по технической документации оборудования.
Подставив (5.1) в (5.2) получим С2 = Ki/ti + K2/t2 + K3/t3 + К4Л4+ K5/t5, отсюда:
C2 = 657,5/5 + 26,8/5+22,5/5 + 3,5/5 + 4,4/5 = 142,94 тыс. руб./год
Расчет затрат на аренду помещения выбран из среднерыночной цены на аренду производственных помещений в г. Тверь и области. Затраты на расходные материалы приняты из плана на количество ремонтов в год.
Исходя из расходов и нормативного времени на одну операцию по ремонту, было предложено ввести норму времени на один ремонт по новой технологии модернизации средств пассивной безопасности. Трудозатраты на изготовление модуля и его монтаж составили 14 нормо-часов. Сумма вложений, затраченная на материалы для ремонта одной стойки, составила 977 руб. Умножив стоимость нормо-часа (840 руб./ч.) на количество нормированного времени, получим стоимость ремонта: 14-840 = 11760 руб. Чтобы покрыть издержки предприятию нужно наработать 1858,64 тыс. рублей в год, что составляет 2250 часов, а это примерно 161 ремонт в год.
Экономический эффект от внедрения модернизации средств пассивной безопасности кабин машин и оборудования природообустройства составляет:
Ээ = (Рс - Р„) п, (5.3)
где Ээ- экономический эффект; Рс - стоимость ремонта по старой технологии; Рн - стоимость ремонта по новой технологии; п - количество ремонтов за расчётное время. Подставив данные в уравнение 5.3 получим:
Ээ =(23520 -11977)- 40,25 = 464 605 руб.
Итого экономический эффект от внедрения новой технологии модернизированных средств пассивной безопасности составил 464,6 тыс. руб, с периодом окупаемости 5 лет.
Модернизированные средства пассивной безопасности кабин тракторов, могут быть рекомендованы для самостоятельной установки эксплуатационно-ремонтным организациям агрокомплекса.
