Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Анализ расчётно-экспериментальных методов определения усталостных характеристик грузоподъёмных устройств 9
1.2 Стендовые испытания как эффективный метод оценки надёжности технических систем 24
1.3 Задачи исследования 32
ГЛАВА II ОПРЕДЕЛНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ ПОГРУЗОЧНОГО МАНИПУЛЯТОРА
2.1 Анализ нагрузок, действующих на металлоконструкцию стрелы погрузочного манипулятора 33
2.2 Методика определения расчётной базы накопления усталостных напряжений 39
2.3 Определение коэффициента запаса долговечности по прочностным и ресурсным характеристикам 46
2.4 Определение динамического коэффициента металлоконструкции при различных режимах нагружения 46
2.4.1 Подъём груза с основания 48
2.4.2 Перемещение груза в горизонтальной плоскости 50
2.5 Совершенствование средств и способов проведения стендовых испытаний погрузочных манипуляторов 54
2.5.1 Стенды для проведения ресурсных испытаний 55
2.5.2 Стендовое оборудование для проведения доводочных испытаний 59
ГЛАВА III ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГРУЗОЧНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ
3.1 Объект и задачи экспериментальных исследований 69
3.2 Оборудование для поведения экспериментальных исследований 76
3.3 Натурные испытания погрузочных манипуляторов 82
3.4 Выполнение экспериментальных исследований погрузочного манипулятора на стендовом оборудовании 93
ГЛАВА IV РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОГРУЗОЧНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ
4.1 Подъём груза 102
4.2 Перемещение стрелы в горизонтальной плоскости 106
4.3 Влияние касательных напряжений на нагруженность стрелы 113
4.4 Выгрузка и забор материала грейфером 114
4.5 Оценка накопления повреждающих напряжений в металлоконструкции стрелы погрузочного манипулятора 114
4.6 Результаты испытания погрузочных манипуляторов на стендовом оборудовании 117
ГЛАВА V ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕНДОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ДОВОДОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ
5.1 Расчёт затрат, связанных с проведением испытаний погрузочного манипулятора на испытательной станции 119
5.2 Расчёт затрат проведения испытаний погрузочного манипулятора
на стендовом оборудовании 124
5.3 Сравнительный анализ проведения испытаний на испытательной станции и с применением разработанного стендового оборудования 131
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 132
ЛИТЕРАТУРА 134
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акт внедрения научно-исследовательской работы по оценке эксплуатационной надежности сельскохозяйственного погрузчика ПГК-Ф-0,4А и повышению его технического уровня 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Методика ускоренных испытаний узлов погрузчиков и манипуляторов грузоподъемностью 3-6 кН 144
- Анализ расчётно-экспериментальных методов определения усталостных характеристик грузоподъёмных устройств
- Анализ нагрузок, действующих на металлоконструкцию стрелы погрузочного манипулятора
- Объект и задачи экспериментальных исследований
- Подъём груза
- Расчёт затрат, связанных с проведением испытаний погрузочного манипулятора на испытательной станции
Введение к работе
Прогнозирование показателей, определяющих надёжность современных погрузочных манипуляторов, входящих в состав сельскохозяйственных маши-нотракторных агрегатов, является сложной научной и технической проблемой.
Наиболее важным этапом разработки и эффективного использования погрузочных манипуляторов является обеспечение их прочности и ресурса при одновременном снижении материалоёмкости, что является одним из основных требований, предъявляемых к мобильной технике. Эти задачи целесообразно решать на ранних стадиях проектирования, когда разнообразие предлагаемых вариантов конструкции не приводит к существенному изменению технологического процесса производства продукции. Следует отметить, что объем работ по обоснованию оптимальных значений прочности и ресурса составляет 15-25% от общего объёма работ по конструированию изделия [75]. Высокий уровень надёжности конструкции должен быть получен на каждом этапе создания погрузочного манипулятора, так как невозможно компенсировать недоработки предыдущего уровня проектирования и изготовления на последующем. При этом следует отметить, что стоимость затрат на поддержание работоспособности погрузчика до капитального ремонта, в среднем, превышает его начальную стоимость в 4-5 раз [20].
Создание погрузочных манипуляторов носит эволюционный характер, поэтому оправданно использование данных о надёжности изделий аналогичного класса, причем прототип должен подбираться с учетом идентичности конструкции, технологии изготовления, условий и режимов эксплуатации. Однако, доверительную информацию о реальном ресурсе можно получить по статистике отказов, имеющих место в процессе эксплуатации изделия. В частности, отмечается [75], что при наличии данных натурных испытаний запасы прочности по деформациям Иеснижаются на 33%, а числу циклов нагружения 73 дг в 3,3 раза.
Вместе с тем, традиционные подходы теории надёжности, оправдавшие себя при рассмотрении отдельных деталей, не могут быть применимы по аналогии к машине в целом, так как взаимосвязь узлов и агрегатов, составляющих изделие, описывается сложными функциональными зависимостями и действуют различные по скорости и характеру процессы разрушения и старения. Поэтому в настоящее время при отсутствии единой признанной теоретической базы для оценки надежности машины в целом, опытные образцы проходят испытания на машиноиспытательных станциях в соответствии с эксплуатационным технологическим процессом. В процессе испытаний, которые носят длительный характер, проводится анализ реальной эксплуатации машины с оценкой потока отказов и неисправностей, по результатам которого осуществляется доработка изделия, и зачастую изготавливается заново технологическая оснастка, удлиняются сроки освоения новой техники, что ведет к существенному росту затрат на подготовку производства.
По сути дела машина готова к выпуску, когда её уже необходимо снимать с производства, как не отвечающую конъюнктуре рынка.
Современным подходом к решению данной проблемы следует считать разработку и совершенствование методов ускоренной оценки ресурса погрузочной техники, которые позволяют создать единую систему «расчёт-испытание», что дает возможность значительно сократить сроки проектирования и повысить качество выпускаемой продукции. Причем проектирование и изготовление испытательного стенда для ускоренных испытаний должно опережать изготовление опытного образца погрузочного манипулятора.
Проведение стендовых испытаний предполагает наличие достоверной расчётной методики по оценке адекватности проводимых испытаний и эксплуатационного нагружения.
Существующая практика оценки долговечности погрузочных манипуляторов основана на статистической информации о накоплении повреждающих напряжений по результатам проведения экспериментальных (тензометриче-ских) испытаний натурного образца изделия, поэтому повышение эффективно- сти освоения новой погрузочной техники целесообразно проводить за счёт cj> вершенствования аналитических методов оценки надёжности и снижения доли трудоёмких экспериментальных исследований.
Это даёт основание считать, что развитие и совершенствование аналитических методов определения надёжности погрузочного манипулятора, разработка испытательного оборудования и методики ускоренных испытаний на надёжность является приоритетным научным направлением, позволяющим решать важную проблему создания новых образцов техники.
Цель исследования.
Повышение эффективности погрузочных манипуляторов сельскохозяйственного назначения на основе учёта особенностей накопления повреждающих напряжений усталостного характера в металлоконструкции и совершенствования стендовых испытаний.
Научная новизна.
Обнаружена закономерность процесса накопления повреждающих напряжений и получены их количественные характеристики для наиболее нагруженных элементов металлоконструкции.
Обоснована взаимосвязь между прочностными характеристиками и ресурсом элементов металлоконструкции при циклическом нагружении погрузочного манипулятора.
Разработана методика получения расчётной базы накопления повреждающих напряжений при нестационарных режимах работы погрузочно-транспортных агрегатов.
Предложены и реализованы принципиальные схемы нагружения погрузочных манипуляторов, позволяющие воспроизводить полный спектр эксплуатационных воздействий при проведении доводочных стендовых испытаний.
Новизна технических объектов и способы их исследования защищены авторскими свидетельствами на изобретение.
Структура диссертации включает 5 глав, введение, основные выводы и рекомендации, а также список литературы.
Содержание рассмотренных вопросов отражено в научно-исследовательских работах по 4 темам государственной регистрации, которые выполнялись по научно-техническим заданиям министерств и соответствующих ведомств: а) Проект «Система машин на 1986-1995гг. - Р16.27 - Погрузочный ма нипулятор быстросъемный (для трактора класса 14 кН). Разработчики ВИМ, Орелживмаш, Волгоградский СХИ. б) МСХ СССР - задание О. сх . 104 тема 12.04.
По теме диссертации опубликовано 17 работ, включая 6 изобретений. Основные разделы докладывались и обсуждались на: ежегодных научно-технических конференциях Волгоградской государственной сельскохозяйственной академии (1988~2005гг.); межреспубликанской научно-технической конференции «Совершенствование методов расчёта изделий машиностроения» (Волгоград, 1988г.);
II всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы развития и совершенствования подъёмно-транспортной, складской техники и технологии (Москва, 1990г.); международной научно-технической конференции «Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства» (Волгоград, 2004г.); международной конференции «Проблемы прочности и надёжности мобильной техники» (Волгоград, 2005г.); международной конференции «Прогресс транспортных средств и систем» (Волгоград, 2005г.).
Применение разработанной расчетной базы по оценке накопления повреждающих напряжений дает возможность на ранних стадиях разработки погрузочных манипуляторов выполнять оценку ресурса без проведения экспериментальных исследований опытного образца изделия, что уменьшает затраты и сокращает сроки постановки изделия на производство. Проведенные исследования позволили установить взаимосвязь между прочностными и ресурсными характеристиками погрузочного манипулятора, что даёт возможность на стадии проектирования оптимизировать материалоемкость изделия и уменьшить затраты, связанные с доработкой изделия.
Основные положения выполненной работы использованы при разработке методики ускоренных испытаний и создании стендового оборудования (СУИ-0,6) на производственном объединении «Сельхозпогрузчик» г. Орел. Проведенные стендовые и натурные испытания позволили сделать вывод о надёжности новых образцов погрузочных манипуляторов сельскохозяйственного назначения (ПГК-Ф-0,4; ПГК-Ф-0,4А; ПГА-Ф-0,6; МПБ-Ф-0,5; МПУ-Ф-0,5), что позволило в кратчайшие сроки подготовить изделия к серийному производству.
Анализ расчётно-экспериментальных методов определения усталостных характеристик грузоподъёмных устройств
Современные погрузочные манипуляторы представляют собой сложные гидромеханические системы, для которвгх высокие технико-экономических показатели молено получить за счёт повышения прочностных и ресурсных характеристик.
Разработка и освоение выпуска погрузочной техники является высоко затратным процессом и вклгочает разработку конструкторской и технологической документации, производственной оснастки, создание опытного образца изделия и проведение его испытаний, доработку документации и оснастки по результатам испытаний. Вновь изготовленный образец изделия направляется на приемосдаточные испытания для оценки надёжности изделия и последующей его аттестации.
Таким образом, создание технически совершенных и конкурентоспособных видов навесных погрузочных манипуляторов предполагает выполнение конкретных, взаимозависимых этапов (рисунок 1.1).
На этапе проектирования определяют кинематическую схему и технические параметры погрузочного манипулятора исходя из проведенного анализа и оценки выполняемых технологических процессов. Принятая кинематическая схема изделия служит основой для выполнения силового расчёта и определения усилий в элементах конструкции, по которым производится расчёт на прочность, определяются действующие напряжения в металлоконструкции. Существующая практика расчёта по допускаемым напряжениям предполагает, что полученные значения напряжений оцениваются по одной из механических характеристик материала: пределом прочности, текучести или выносливости. При этом отношение характеристики материала к расчетному напряжению является коэффициентом запаса прочности.
Анализ нагрузок, действующих на металлоконструкцию стрелы погрузочного манипулятора
Основным требованием, предъявляемым при разработке погрузочных манипуляторов, агрегатируемых с различными мобильными энергетическими средствами (трактор, автомобильное шасси), остается снижение собственной массы конструкции без ухудшения технических характеристик (быстродействие, зона обслуживания), прочности и надежности. Очевидно, что выполнение всех условий, в подавляющем большинстве случаев противоречивых, является сложной научной и технической проблемой.
Анализ современных погрузочных манипуляторов (рисунок 2.1) показывает, что из всех основных элементов конструкции, наиболее нагруженным является стрела, представляющая балку, которая состоит из двух и более шарнир-но-сочленённых стержней, имеющих поперечное сечение различной конфигурации, существенно влияющих на их массу. Это подтверждают исследования для других типов погрузочных машин [9], из которых следует, что, например масса трубчатых трёхгранных стрел, может составлять 51-61% массы коробчатых.
Вместе с тем стремление уменьшить массу стрелы приводит к увеличению частоты свободных колебаний, снюкает прочность металлоконструкции, а также увеличивает время технологического цикла работы манипулятора.
Исследования работы погрузочных манипуляторов показывают, что процесс нагружения стрелы носит циклический характер, причём каждый цикл на-гружения состоит из последовательно взаимосвязанной цепи нагружающих воздействий.
Типовой процесс нагружения механизмов и металлоконструкции погрузочного манипулятора выполняется по следующему циклу: забор груза рабочим органом, подъём стрелы с грузом, горизонтальный поворот стрелы на заданный угол, разгрузка, горизонтальный поворот стрелы в исходную позицию загрузки, опускание стрелы для забора груза. Зачастую при работе погрузочного манипулятора происходит совмещение операций, что приводит к дополнительным динамическим нагрузкам, при этом металлоконструкция стрелы испытывает сложное напряженное состояние [21].
Наиболее сложный случай нагружения стрелы можно представить в виде расчетной схемы, когда коробчатая балка переменного по длине сечения защемлена одним концом и нагружена силой тяжести груза и грузозахватного органа (рисунок 2.2). В современных погрузочных манипуляторах такой тип конструкции стрелы имеет подавляющее преимущество перед другими вариантами благодаря технологичности при изготовлении и высокой усталостной прочно-сти. Обычно масса груза располагается на некотором расстоянии L от оголовка стрелы, которая обусловлена длиной крюковой подвески либо рукояти грейфера. При подъёме груза на стрелу в плоскости .AT? У действует сила создаваемая весом груза и грейфера Fg. Во время поворота стрелы в горизонтальной плоскости от силы тяжести груза и грейфера возникают инерционные нагрузки FU№ F т .
Объект и задачи экспериментальных исследований
Для проведения экспериментальных исследований в качестве базовых объектов были выбраны опытные образцы навесных погрузочных манипуляторов, агрегатируемые с тракторами сельскохозяйственного назначения и разработанные в соответствии с планом опытно-конструкторских работ СКВ ПО «Сельхозпогрузчик» г. Орёл. Номенклатурный ряд погрузочных манипуляторов представлен следующими типами:
- ПГА-Ф-0,6 - погрузчик грейферный автономный;
- ПГК-Ф-0,4 - погрузчик грейферный кормов;
- ПГК-Ф-0;4А - погрузчик грейферный кормов;
- МПБ-Ф-0,5 - манипулятор погрузочный быстронавесной;
- МПУ-Ф-0,5 - манипулятор погрузочный универсальный. Технические данные погрузочных манипуляторов представлены в таблице , а их конструктивные схемы показаны на рисунке 3.1.
Практика создания и эксплуатации навесных гидравлических погрузчиков показывает, что в настоящее время наибольшее распространение получили две системы навески погрузочного оборудования - жесткое и шарнирное. Жесткая система навески характеризуется размещением погрузочного манипулятора на основании, выполненного в виде рамной конструкции, которая закрепляется на корпусе трактора (рисунок 3.1а) или соединяется посредством кронштейнов с его основанием (рисунок 3.1 б). При такой системе навески погрузочный манипулятор в транспортном положении устанавливается по ходу движения трактора, а его грейфер скрепляется с бульдозерным отвалом, что ограничивает обзор при передвижении базовой машины. Шарнирная система навески используется при агрегатировании погрузочного манипулятора на навесной системе трактора с помощью переходных кронштейнов (рисунок 3.1 в, г, д). В транспортном положении погрузочный манипулятор находится за кабиной трактора, что не ограничивает обзор при его движении.
Погрузочные манипуляторы в зависимости от применяемого сменного рабочего органа могут выполнять следующие работы:
грейфером для сыпучих материалов - грузить и разгружать минеральные удобрения, песок, гравий, уголь и т.д.;
грейфером для корнеплодов - выполнять погрузку и разгрузку свеклы, картофеля;
грейфером универсальным - грузить и разгружать навоз, силос, сенаж;
крюком - грузить и разгружать штучные грузы, контейнеры.
При установке на тракторе бульдозерного отвала - выполняются работы по расчистке дорог и уборке навоза из проходов животноводческих ферм.
Для комплексной механизации работ, выполняемых в фермерских хозяйствах с использованием погрузочного манипулятора, может быть сформирован транспортно-технологический агрегат, включающий:
- трактор, погрузочный манипулятор, прицеп типа 2-ПТС-4;
-трактор, погрузочный манипулятор, кормораздатчик РММ-Ф-5А.
Погрузочный манипулятор состоит из следующих основных узлов: рамы, колонны, стрелы, надставки, двух аутригеров, гидравлической системы и рукояти для крепления сменных рабочих органов (рисунок 2.1). В комплект сменных рабочих органов входят: грейфер универсальный, грейфер для сыпучих материалов, грейфер для корнеплодов, грузовой крюк, канатные стропы, лапчатый захват.
Подъём груза
Для оценки адекватности зависимости (2.13) по определению коэффициента динамичности реальному процессу подъёма груза были проведены тензо-метрические исследования металлоконструкции стрелы у трёх погрузочных манипуляторов, агрегатированных на навесной системе трактора, В результате исследований были определены действующие напряжения, по которым рассчитывались коэффициенты динамичности. Изменение коэффициентов динамичности показано на рисунках 4.1, 4.2, 4.3, из которых видно, что коэффициент динамичности увеличивается с уменьшением веса поднимаемого груза. В области вертикального перемещения стрелы с наибольшей крюковой нагрузкой и максимальным вылетом коэффициент динамичности равен для манипулятора ПГК-Ф-0,4А - 1,26 - 1,38, МПУ-Ф-0,5 - 1,14 - 1,22, МПБ-Ф-0,5 - 1,22 - 1,33, что свидетельствует о малом разбросе величины динамического коэффициента по длине металлоконструкции стрелы. Наибольшая нагрузка характерна для корневой части металлоконструкции стрелы, где коэффициент динамичности равен для манипулятора ПГК-Ф-0,4А - 1,26, МПБ-Ф-0,5 - 1,25, МПУ-Ф-0,5 -1,22. Эти значения коэффициента динамичности использовались для идентификации коэффициента соответствия в формуле (2.13). С уменьшением массы поднимаемого груза диапазон изменения коэффициента динамичности по длине металлоконструкции стрелы имеет большую величину рассеяния, что объясняется особенностями конструкции стрелы погрузочного манипулятора.
Расчёт затрат, связанных с проведением испытаний погрузочного манипулятора на испытательной станции
Расчет затрат рассмотрен на примере погрузочного манипулятора типа МПБ-Ф-0,5, агрегатированного с трактором МТЗ-82 и работавшего на технологическом процессе погрузки песка грейфером.
Сложившаяся практика доводочных испытаний предполагает наработку ресурса при непрерывной семичасовой суточной загрузке погрузочного манипулятора в течение двух месяцев, что составляет полугодовую наработку ресурса погрузочного манипулятора в эксплуатационных условиях. Для выполнения данной работы предполагается: доставка к месту назначения одного погрузочного манипулятора с комплектом запасных частей, горюче-смазочных материалов и командировка двух специалистов для участия в проведении испытаний. Технические данные используемого оборудования и режим нагружения при проведении испытаний приведены в таблице 5.1.
