Формирование и обеспечение технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Перчаткин, Юрий Викторович

• Перчаткин, Юрий Викторович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Перчаткин, Юрий Викторович

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................................................7

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......................................................................................68

2.1 ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ТРАКТОРНЫХ ПРИЦЕПОВ........................................................ 68

2.1.1 Методика классификации условий эксплуатации........................ 6В

2.1.2 Классификация условий эксплуатации в зависимости от дорожных условий....................................................................................... 73

2.2 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТРАКТОРНЫХ

ПОЕЗДОВ В СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ............ 75

2.3 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРНЫХ ПРИЦЕПОВ.................... 82

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 123 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..................................................................................................................................133

3.3 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТРАКТОРНЫХ ПОЕЗДОВ..................................................................................145

3.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3..................................................................................................................148

4 РАЗВИТИЕ РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ 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...................... 266

6.2 УЛУЧШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ТРАКТОРНЫХ ПОЕЗДОВ........................................................... 268

6.3 ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ПРИЦЕПНОГО СОСТАВА................................................................................. 270

6.3.1 Снижение металлоемкости..................................................... 271

6.3.2 Повышение плавности хода.................................................... 272

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........................................................... 295

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................... 328

Приложение А - Комментарий к ГОСТ Р 52746-2007 «Прицепы и

полуприцепы тракторные. Общие технические требования».................. 329

Приложение Б - Комментарий к ГОСТ 28307-2013 «Прицепы и

полуприцепы тракторные. Методы испытаний»................................... 364

Приложение В - Документы, подтверждающие внедрение результатов работы..................................................................................... 402

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование и обеспечение технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта»

ВВЕДЕНИЕ

Тракторный транспорт находит широкое и все более возрастающее применение в различных отраслях народного хозяйства. Однако наибольшее распространение тракторный транспорт имеет в сельском хозяйстве.

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 %. Устойчивое и эффективное функционирование транспорта, обслуживающего сельское хозяйство, является необходимым условием выполнения большинства сельскохозяйственных производственных процессов и важным фактором их совершенствования.

Интенсификация сельскохозяйственного производства сопровождается ростом объема перевозок сельскохозяйственных грузов.

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, при вывозке сельхозяйст-венной продукции из мест ее производства в места хранения и переработки. 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 транспор-рта в этих странах - тракторный, как обладающий существенно меньшим повреждающим воздействием на почву.

В условиях нашей страны достаточно широкому распространению тракторного транспорта способствует также его лучшая проходимость и меньшая зависимость от погодных факторов.

Номенклатура тракторных прицепов в настоящее время более обширна, чем номенклатура тракторов, с которыми они агрегатируются. Это обусловлено большим разнообразием перевозимых грузов, широким диапазоном условий эксплуатации тракторного транспорта и другими факторами. Перед отечественными производителями, выпускающими тракторный прицепной состав, стоят сложные задачи по совершенствованию данных транспортных средств с целью доведения их технического уровня до современных требований производств, в которых они используются.

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, отвечающим современным требованиям сельскохозяйственного производства, требует разработки общей концепции прицепного тракторного транспорта и теоретических положений по обоснованию его основных технико-эксплуатационных показателей, конструктивных принципов, методов испытаний и расчета.

Для решения указанных задач прежде всего необходима нормативная база в отношении прицепных тракторных транспортных средств. Создание указанной нормативной базы является одной из задач и важным результатом данной работы

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.

Целью работы является 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 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-эксплуатационных 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.

Предметом исследования является комплексная система показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта.

Объектом исследования являются тракторные прицепы и полуприцепы, используемые в сельскохозяйственном производстве. Основной объем экспериментальных исследований выполнялся с прицепами производства Орского завода тракторных прицепов.

Методы исследования - системный анализ, математическая статистика, математическое моделирование процессов движения транспортных машин, прикладные методы теории надежности, кинетическая теория усталости. Экспериментальные исследования проводились путем лабораторно-дорож-ных испытаний тракторных прицепов и полуприцепов и стендовых испытаний базовых элементов их конструкций с использованием тензометрических методов определения напряженно-деформированного состояния.

Научная новизна работы заключается в разработке методологии формирования и обеспечения системы показателей технико-эксплуатационных свойств прицепного состава тракторного транспорта, теоретическом и экспериментальном обосновании комплекса конструкторских, технологических и организационных решений, обеспечивающих их реализацию и повышение технического уровня данных транспортных машин.

На защиту выносятся:

- 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 тя-

гача, 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.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается методологией исследования, включающей в себя апробированные научные методы, современным математическим аппаратом, применением достоверной исходной информации и значительным объемом экспериментальных исследований.

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 на государственном и межгосударственном уровне.

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.

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-экспери-ментальной оценки долговечности элементов конструкций транспортных машин используются в учебном процессе в Оренбургском государственном университете.

Основные положения и результаты работы докладывались на 25 научных конференциях различного уровня: международных «Прогресс транс-

портных средств и систем» (Волгоград, 1999), «Современные 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 транс-портно-технологические системы» (Тюмень, 2012), «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2013), «Совершенствование конструкции, эксплуатации и технического сервиса автотракторной и сельскохозяйственной техники (Уфа, 2013), 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). 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.

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.

Личный вклад автора 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.

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ТРАКТОРНОГО

ТРАНСПОРТА

Конструктивные особенности тракторных транспортных агрегатов, прежде всего их прицепных звеньев, обуславливаются большим числом фактов, из которых важнейшим является их приспособленность к перевозкам определенных видов грузов.

1.1 СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ ПЕРЕВОЗКИ

Сельское хозяйство относится к числу отраслей, имеющих значительную номенклатуру грузов. В нашей стране только отрасли растениеводства и животноводства дают более 45 наименований грузов в виде основной и побочной продукции. Кроме того, 30-35 видов и наименований грузов необходимы для обеспечения производственных процессов в отрасли [1, 276].

Обширная номенклатура сельскохозяйственных грузов свойственна не только большинству сельскохозяйственных предприятий, обладающих, как правило, универсальным производством, но также и для специализированных предприятий, где набор грузов состоит из нескольких десятков наименований. Для обеспечения функционирования сельскохозяйственных предприятий необходимы также перевозки вспомогательных грузов, не относящихся к основному производству, например, строительных грузов.

1.1.1 Классификация, объемы и особенности перевозок сельскохозяйственных грузов

Сельскохозяйственное производство характеризуется значительными объемами перевозимых грузов. Общий объем перевозок в сельском хозяйстве

России в настоящее время составляет около 5 млрд. т. Так, объемы перевозок урожая в 2013 г. составили: зерна - 92,4 млн. т, сахарной свеклы - около 40 млн. т, картофеля - около 30 млн. т, овощей - 14,7 млн. т [297].

Валовые сборы некоторых основных сельскохозяйственных культур в хозяйствах всех категорий (сельскохозяйственные предприятия, крестьянские (фермерские) хозяйства, хозяйства населения) представлены в табл. 1.1.

Таблица 1.1- Валовой сбор основных сельскохозяйственных культур

Показатели Валовой сбор по годам, млн. т

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Зерно (в весе после доработки) 77,8 78,2 81,5 108,2 97,1 61,0 94,2 70,9 92,4

Сахарная свекла (фабричная) 21,3 30,7 28,8 29,0 24,9 22,3 27,6 45,1 39,3

Семена масличных культур: — подсолнечника - сои 6,1 0,7 7,1 0,8 6,2 0,7 7,2 0,7 7,3 0,9 5,4 1,2 9.7 1.8 8,0 1,8 10,6 1,6

Льноволокно 0,056 0,036 0,047 0,052 0,052 0,035 0,043 0,046 0,039

Картофель 28,1 28,3 27,2 28,8 31,1 21,1 32,7 29,5 30,2

Овощи 11,3 11,4 11,5 13,0 13,4 12,1 14,7 14,6 14,7

Объем производства основных продуктов животноводства предприятиями всех категорий представлен в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Производство продукции животноводства в хозяйствах всех категорий

Продукция Объем производства по годам

2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

Скот и птица на убой (в убойном весе), млн. т 5,0 5,3 5,8 6,3 6,7 7,1 7,3 7,8 8,2

Молоко, млн. т 31,1 31,3 32,0 32,4 32,6 31,9 31,6 31,8 30,5

Яйца, млрд. шт. 37,1 38,2 38,2 38,1 39,4 40,6 41,1 42,0 41,3

Шерсть (в физическом весе), тыс. т 49 50 52 53 55 54 53 55 55

Достаточно большие объемы составляют также грузы, необходимые для осуществления сельскохозяйственного производства. Так, для работы тракторов и самоходных сельскохозяйственных машин необходимо около 5 млн. т дизельного топлива; в почву, для поддержания её плодородия, необходимо вносить 50-60 млн. т органических и 13,5-14,5 млн. т минеральных удобрений.

Ежегодно в сельскохозяйственных предприятиях заготавливается сена 13-15 млн. т, силоса 30-35 млн. т, сенажа 21-22 млн. т, кормовых корнеплодов и кормовых бахчей 1,0-1,5 млн. т.

В зависимости от зональных особенностей и производственной специализации структура грузов отдельных сельхозтоваропроизводителей может значительно различаться, однако для всех их характерна значительная доля грузов, перевозимых насыпью или навалом (табл. 1.3).

Таблица 1.3 - Структура сельскохозяйственных грузов по способу перевозки [1]

Способы перевозки Объем перевозок, %

Навалом или насыпью: в том числе в специализированных кузовах 76 28

В различной таре, пакетами, кипами, тюками: в том числе в специализированных кузовах 14 8

Мелкими партиями (масса единовременной отправки до 2 т) 4

Наливом в цистернах 6

Одним из главных факторов, характеризующих сельскохозяйственные грузы, является изменчивость их механических свойств под воздействием влажности, давления, температуры, продолжительности хранения.

С увеличением высоты хранящегося материала возрастает опасность слеживаемости, влажные материалы обладают склонностью к смерзанию. Многие грузы легко повреждаются. Более всего повреждаются корнеплоды при перевозках навалом. В этом случае потери от повреждений, например, клубней картофеля при погрузочно-разгрузочных работах достигают 16 % и более [1].

Сезонный характер сельскохозяйственного производства вызывает значительные колебания объема транспортных работ в течение года (табл. 1.4) [1].

Таблица 1.4 - Распределение объема перевозок грузов в сельскохозяйственных предприятиях, % к годовому объему [1]

Месяцы Регион

Краснодарский край Самарская область Красноярский край

I 3,0 5,2 6,1

II 2,8 5,1 5,8

III 3,3 5,9 5,6

IV 4,9 5,0 7,2

V 6,8 6,2 7,7

VI 12,1 8,3 5,5

VII 15,3 7,9 5,6

VIII 19,4 18,6 20,2

IX 13,9 19,7 17,6

X 10,1 7,4 6,0

XI 5,5 5,4 6,2

XII 2,9 5,3 6,5

Анализ сезонных объемов перевозок показывает, что характер их примерно одинаков для различных почвенно-климатических зон: увеличение в летние месяцы и уменьшение в зимние.

Неравномерный характер перевозок в большей степени выражен в хозяйствах зернового направления и в меньшей степени в хозяйствах мясомолочного направления.

Специфика сельскохозяйственного производства вызывает необходимость многократной перевозки одних и тех же грузов, что необходимо учитывать при организации эксплуатации сельскохозяйственных транспортных средств.

Одной из основных характеристик перевозимых сельскохозяйственных грузов является объемная масса, от нее зависит коэффициент использования грузоподъемности транспортных средств.

В зависимости от коэффициента использования грузоподъемности транспортных средств грузы делятся на пять классов (табл. 1.5).

Таблица 1.5 - Классификация грузов по степени использования грузоподъемности

Класс груза 1 2 3 4 5

Коэффициент

использования 0,71- 0,51- 0,41-

грузоподъемности 1,0 0,99 0,70 0,50 до 0,40

Класс груза определяется не только его физическими свойствами (объемной массой), но и видом упаковки. Один и тот же груз может быть отнесен к различным классам при различной его упаковке.

Существенное влияние на объемную массу сельскохозяйственных грузов оказывает их влажность, изменение которой во времени происходит по сложному закону. Так, прямое воздействие влаги на зерно в первые 2,5-3 ч изменяет влажность до 25 %.

Сыпучие грузы (зерно, сухой песок) могут уплотняться под действием собственной массы и вибрации, при этом их объемная масса увеличивается на 5-15 %. Связные и влажные грузы при самоуплотнении увеличивают объемную массу на 30-50 %.

При перевозках сельскохозяйственных грузов возможно их повреждение. Повреждение груза зависит от упругости элементов груза и свойств поверхности, с которой соударяется или соприкасается груз, от размеров единицы груза, объемной массы, высоты падения (табл. 1.6).

Таблица 1.6 - Допустимая высота сбрасывания сельскохозяйственных

I

грузов [1]

Поверхность, на которую сбрасывают груз Допустимая высота сбрасывания, м

картофель свекла морковь капуста

Сталь, дерево 0,3-0,5 0,4-0,6 0,3-0,5 0,2-0,3

Деревянная решетка 0,1-0,2 0,2-0,4 0,2 - 0,3 0,1-0,2

Почва средней рыхлости 2,0 2,0 2,0 1,9

Продукт, одноименный

со сбрасываемым грузом 1,0-1,2 0,8-1,3 0,8-1,0 0,8-1,0

При транспортировке следует также учитывать, что некоторые грузы повреждаются под влиянием прямых солнечных лучей. Особенно повреждаются солнечными лучами поврежденные корнеплоды.

1.1.2 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].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Перчаткин, Юрий Викторович, 2015 год

// д /

4.4.1 Методика ускоренных стендовых испытаний

Определяющим фактором при выборе режима стендовых испытаний является воспроизведение реальной схемы нагружения [156, 200, 211]. Критерием правильности выбора режима при этом служит идентичность стендовых и эксплуатационных разрушений.

Исходными данными для организации ускоренных стендовых испытаний балок осей являются характеристики сопротивления усталости базовых вариантов.

В частности, как было установлено, кривые усталости балок осей могут быть пересекающимися (рис. 5.4). От режима регулярного нагружения при проведении испытаний зависят, следовательно, их результаты. С целью исключения неправильной трактовки результатов испытаний, режим испытаний должен назначаться таким образом, чтобы действующие нагрузки были ниже точки возможного пересечения кривых усталости [52].

С учетом полученных результатов, сравнительные испытания балок осей проводились при регулярной нагрузке, изменяющейся по отнулевому циклу и в 2,6 раза превышающей статическую. Критерием предельного состояния балки оси служит появление усталостных трещин или ее разрушение.

Сравнительные испытания балок осей проводились на специальном гидропульсационном стенде, спроектированном НИИПТМАШ (г. Краматорск) и модернизированном применительно к условиям завода. Стенд представляет собой двухцилиндровой нагружатель на базе гидравлической системы испытательной машины ГРМ-1. Гидронагружатель (рис. 4.11) включает нижнюю опорную плиту 1 и верхнюю плиту 2, соединенные между собой колоннами 3, установленными на фундаменте. На колоннах располагаются установочные 4 и опорные 5 ригели, форма внутренних поверхностей которых соответствует цапфам испытываемой балки 6. На верхней плите 2 уста новлены исполнительные гидроцилиндры 7, плунжеры которых передают

в 9

•о

и-)

Рисунок 4.11 - Схема гидронагружателя стенда для испытаний балок осей

нагрузку на промежуточную плиту 8, обеспечивающую проведение испытаний балок осей с различной рессорной колеей. Передача нагрузки на опоры рессор испытываемой балки осуществляется через шаровые 9 и опорные пяты 10. Рабочая жидкость от пульсатора подается к исполнительным гидроцилиндрам по трубопроводу 11. Слив жидкости, проходящей через запоры между корпусами и плунжерами исполнительных гидроцилиндров, осуществляется по трубопроводу 12.

Переменное давление в исполнительных гидроцилиндрах создается пульсатором машины ГРМ-1 за счет регулируемой длины хода его плунжера. Статическая составляющая давления, обеспечивающая отнулевой цикл нагрузки, создается дополнительной насосной станцией, в качестве которой использовалась гидростанция Г46-17.

Общий вид установки для испытания балок осей приведен на рис. 4.12. Кроме уже упоминавшихся гидронагружателя, пульсатора и насосной станции, установка включает пульт управления, содержащий силоизмерители и элементы электрической схемы управления приводами. Применение пульсатора и силоизмерителя машины ГРМ-1 позволяет регулировать в широких пределах величину нагрузок на испытываемую балку, контролировать нагрузку с точностью ±2,5 % и автоматизировать процесс испытаний. Динамические характеристики гидропривода обеспечивают частоту нагружения до 400 циклов в минуту.

Практика эксплуатации установки показала, что при высоких уровнях нагрузки динамические характеристики гидропривода не позволяют реализовать цикл нагружения с коэффициентом асимметрии г = 0. Испытания балок осей проводились при меньшем значении коэффициента асимметрии г = 0,11.

4.4.2 Результаты сравнительных испытаний

Опыт эксплуатации, а также результаты испытаний балок осей, изготовленных из стали 40Х, подтверждают высокую чувствительность этой ста-

Рисунок 4.12 - Общий вид установки для циклических испытаний балок осей

ли к вносимым сварочным концентраторам. В связи с этим была проверена возможность изготовления балок осей из других материалов, в том числе из углеродистых сталей. Испытаниям подвергались по четыре образца балок осей полуприцепа ОЗТП-9554, изготовленных по серийной технологии из различных сталей. Испытания проводились по описанной в разд. 4.4.1 методике при величине нагрузки на рессорные площадки Р = 78 кН. По результатом испытаний определялись средняя наработка на отказ и её среднеквадра-тическое отклонение при данном уровне нагрузки (табл. 4.5).

Таблица 4.5 - Результаты испытаний балок осей, изготовленных из различных материалов

Марка стали Механические характеристики образцов материала Средняя наработка на отказ, 106 цикл. Среднеквадратическое отклонение наработки на отказ, 106 цикл.

твердость, НВ ударная вязкость, 106 Им"1

38ХМ 255 0,4 0,93 0,19

40Х 220 0,6 1,14 0,07

35 195-210 0,7 1,28 0,36

20 145 - 0,77 0,49

Из механических свойств материалов, как видим, определенная корреляция с долговечностью изготовленных из них балок осей наблюдается только для величины ударной вязкости. Ухудшение механических характеристик материалов приводит к возрастанию разброса результатов испытаний.

Результаты испытаний свидетельствуют о возможности использования в производстве балок осей, изготовленных из стали 35 [152]. Это позволяет снизить их стоимость и упростить технологию сварки.

4.4.3 Учет компонентного состава напряжений при стендовых испытаниях

Как было установлено в результате исследований динамической на-груженности балки оси (разд. 4.3.2), в усложненных дорожных условиях (например, дорога IV категории) напряжения от изгиба в горизонтальной плоскости становятся сопоставимыми с напряжениями изгиба в вертикальной плоскости, Следовательно, для более полной имитации эксплуатационной нагруженности балки оси при стендовых испытаниях, кроме определенной последовательности приложения нагрузки по величине, необходимо обеспечить и соответствующее направление ее приложения.

Для достижения этой цели предложен стенд [245], содержащий основание с опорами, в которых установлена ось, а также силовозбудитель циклических нагрузок с системой управления, снабженный устройством для поворота оси относительно направления действия нагрузки. В процессе испытаний ось поворачивается, следовательно, и направление действия нагрузки на ось изменяется.

В процессе испытаний направление действия силы на ось, т.е. относительное положение оси к действию нагрузки, определяется величиной последней. Это позволяет более полно имитировать напряженное состояние оси в процессе испытаний эксплуатационному состоянию.

Устройство стенда показано на рис. 4.13.

Стенд содержит основания 1 с опорами 2 и 3, на которых с помощью секторов 4 и 5 установлена испытуемая ось 6, гидроцилиндры 7 с динамометрами 8, шарнирно связанные через сферические подшипники 9 с осью 6, и поворотное устройство, выполненное в виде червячной передачи. Червячное колесо 10 жестко связано с осью 6 через сектор 4, а червяк 11 — с опорой 2.

После установки оси 6 с помощью секторов 4 и 5 на опоры 2 и 3 и подсоединения к последней гидроцилиндров 7 с помощью сферических подшипников 9 программное устройство, в котором заложен блок нагружения в

ЕШШШШШЩ

Рисунок 4.13 - Стенд для испытаний осей прицепов, реализующий компонентный состав нагруженности

виде усилий и соответствующих им чисел циклов нагружения, дает команду на установку положения оси относительно направления действия нагрузки. С

помощью червячной передачи ось 6 занимает требуемое положение, после чего подается команда на включение гидроцилиндров 7. Величина усилия, развиваемого гидроцилиндрами 7, контролируется динамометрами 8 и поддерживается в требуемых режимах, а число циклов нагружения - счетчиком. После нагружения оси 6 заданным числом циклов программное устройство подает новую команду на установку оси 6 в другое положение, а также задает соответствующую величину усилия нагружения и число циклов нагружения. Блоки нагружения оси 6 повторяются до ее разрушения или наработки заданного ресурса.

Технико-экономический эффект от данного стенда заключается в повышении точности стендовых испытаний путем приближения условий испытаний к реальным условиям нагружения оси в эксплуатации, а также в возможности организаций ресурсных испытаний осей.

4.5 РАЦИОНАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ БАЛОК ОСЕЙ

Комплексное решение задачи создания конструкций базовых деталей транспортных средств, удовлетворяющих требованиям эксплуатационной надежности и эффективности их массового производства, требует принятия рациональных решений по вопросам, относящимся к выбору экономичных профилей заготовок, использованию материалов с наилучшими физико-механическими свойствами, оптимизации геометрических форм и совершенствованию способов соединений деталей конструкций.

Выбор рациональной конструкции изделия требует сравнительной оценки нескольких конструкторско-технологических вариантов. На этапе опытно-конструкторских работ для этого наиболее предпочтительны стендовые испытания, обеспечивающие высокую оперативность получения результатов по сравнению с полигонными и эксплуатационными испытаниями.

Организация сравнительных стендовых испытаний таких крупногабаритных объектов, как ходовые оси тракторных прицепов, а также получе-

ние их характеристик сопротивления усталости, связаны с большими материальными затратами. В связи с этим актуальной задачей является разработка ускоренных методов оценки характеристик сопротивления усталости, позволяющих осуществлять выбор конструкторско-технологического варианта по результатам испытаний упрощенных моделей зон, лимитирующих долговечность.

4.5.1 Оценка характеристик сопротивления усталости методом

локального моделирования

В связи с трудностями изготовления натурных образцов балок осей с переменным профилем сечения, использовался метод локального моделирования. Под локальной моделью понимается [200] ограниченный участок реальной конструкции или её упрощенная модель, сохраняющие основные геометрические размеры конструкции, содержащие опасные в смысле усталости зоны и выполненные по действующей технологии из предусмотренных конструкторской документацией материалов.

Для определения характеристик сопротивления усталости локальных моделей наиболее целесообразным является расчетно-экспериментальный метод [79, 213], в основу которого положено уравнение кривой усталости

где ./V- число циклов приложения нагрузки до разрушения; а - максимальное напряжение цикла; Q - коэффициент выносливости, равный 0 = Л^Од; ЛГе -абсцисса точки перелома кривой усталости; <7д - предел выносливости; У0 -параметр, характеризующий наклон кривой усталости в полулогарифмической системе координат. При этом предполагается, что распределение преде-

[200]:

(4.10)

лов выносливости подчиняется нормальному закону. Это дает возможность находить частные значения предела выносливости при заданной доверительной вероятности, соответствующей вероятности неразрушения г, по формуле

aRr = Gr min — tr$R maxi 11)

где aR min - нижняя граница доверительного интервала для среднего значения предела выносливости; SRmax — верхняя граница доверительного интервала для среднеквадратичного отклонения предела выносливости; tr — квантиль нормального распределения при вероятности неразрушения г.

Определение характеристик сопротивления усталости производится путем испытаний выборки изделий до разрушения на нескольких уровнях напряжений. При этом на каждом уровне сохраняются постоянными параметры циклов, а коэффициент асимметрии является постоянным для всех уровней напряжений.

Исходя из данных по эксплуатационной нагруженности осей и учитывая распространенную практику стендовых испытаний осей, заключающуюся в приложении нагрузки, в 2-2,5 раза превышающей статическую, нагрузку на первый образец следует выбирать из указанного диапазона. Испытания ведутся до разрушения образца или до наработки 5x106 циклов. При наработке первого образца до принятой базы испытаний нагрузка на второй образец должна увеличиваться, а при его разрушении - уменьшаться. Уровень нагрузки для третьего образца определяется по результатам испытаний двух первых. Испытания последующих образцов ведутся таким образом, чтобы их разрушения происходили в диапазоне чисел циклов от 5x104 до принятой базы испытаний. Величина ступени изменения нагрузки при этом уменьшается по мере снижения уровня нагрузки.

По полученным экспериментальным данным (уровням напряжений и соответствующим им циклам нагружения до разрушения N,) определяются параметры уравнения кривой усталости (4.10). Параметры вычисляются по

методу наименьших квадратов разности - ак), где ош - частное значение предела выносливости /-того образца; ак - среднее значение пределов выносливости испытанной выборки. Частное значение предела выносливости аК1 определяется с использованием уравнения (4.10) в записи:

от = (тг - У0 1п + ^ехр - 1 |

(4.12)

Задаваясь определенными значениями, можно вычислить параметры уравнения (4.10) по формулам:

/ п п п \ п /П

\ 1=1 1=1 1=1 / 1=1 \1=1

/ п п п п \ п / п \

\/=/ ¡=1 1=1 1=1 / 1=1 \/=/ /

(4.13)

где п - число разрушенных образцов в выборке, а у. определяется из выраже-

ния

у. = 1п\1+ \ехр-

<2

(4.14)

За искомые характеристики сопротивления усталости принимаются величины У0 и которые при варьировании Q соответствуют минимально-

_ 2

му значению суммы £ — 07?) • По полученным значениям параметров и ак уравнения (4.10) оценивается база испытаний:

л. 2

N0 = —

(4.15)

В том случае, если принятая база испытаний окажется меньше вычисленного по (4.15) значения, требуется проведение дополнительных испытаний при меньших нагрузках и повторное вычисление параметров и базы испытаний.

4.5.2 Определение рационального профиля трубной заготовки

Как было указано в разделе 4.1.1, выбор типа применяемого профиля балок осей обусловлен большим числом факторов, среди которых в условиях массового производства превалирующими являются технико-экономические показатели. С этой точки зрения, для изготовления осей тракторных прицепов наиболее эффективна технология получения их балок из трубных заготовок.

Рациональное сечение трубных заготовок при этом должно выбираться с учетом взаимосвязи весовых, геометрических и прочностных характеристик.

В общем виде выбор профиля трубной заготовки балок осей включает в себя:

- выявление опасных в смысле усталости зон балки;

- определение минимально допустимой толщины стенки сечения, обеспечивающего заданную долговечность опасных зон;

- определение геометрических размеров сечения трубной заготовки, обеспечивающих необходимое сопротивление действующим на ось нагрузкам, при минимальной её массе.

Опыт эксплуатации прицепов и результаты испытаний осей прицепов, как было отмечено ранее, показали, что очаги зарождения усталостных трещин располагаются в зоне растянутых волокон балки и прежде всего в зонах

сварных швов. Анализом усталостных повреждений осей большегрузных тракторных прицепов установлено, что большинство усталостных трещин зарождаются и распространяются в зонах приварки тормозных суппортов и деталей крепления рессор. Следовательно, эти сварные швы являются опасными в смысле усталости зонами оси.

С точки зрения получения балки минимального веса, целесообразно использовать тонкостенные трубные сечения большого наружного диаметра. Геометрические размеры сечения при этом должны обеспечивать необходимое сопротивление действующим нагрузкам, основными из которых, как показано в разделе 4.3, является изгиб в вертикальной плоскости. Однако возможность снижения массы трубной заготовки с уменьшением толщины стенки ограничивается вследствие одновременного ухудшения сопротивления усталости в зонах имеющихся концентраторов напряжений, прежде всего в зонах сварных швов, так как при неизменной величине последних (по условиям прочности сварных соединений) одновременно следует ожидать относительного расширения зоны термического влияния сварных швов [129, 261]. С другой стороны, при увеличении толщины стенки трубной заготовки также возможно снижение сопротивления усталости вследствие проявления масштабного фактора. Таким образом, для балки оси, рассчитанной на восприятие определенной нагрузки с заданной долговечностью, представляется возможным определить оптимальный типоразмер её сечения, обладающий в этих условиях минимальной массой.

Локальные модели опасных зон балок осей представляют из себя сварные тавровые соединения, выполненные на пластине с размерами сечения 40х<5 мм, где 8 - толщина пластины (рис. 4.14), и имитирующие приварку к балке тормозного суппорта (по месту характерных эксплуатационных разрушений).

Материал деталей, образующих локальную модель, и технология сварки соответствовали применяемым при производстве осей прицепов. Материал пластины - сталь 40Х, а привариваемой накладки - сталь 35. Сварные швы

Т1-[\5

......1 к

$20

Рисунок 4.14 - Локальная модель опасной зоны балки оси

выполнялись электродуговой сваркой в защитных газах сварочной проволокой типа Св-08Г2С по ГОСТ 2246-70 «Проволока стальная сварочная. Технические условия» катетом 5 мм.

Сварка деталей производилась на пластине шириной 62 мм, после чего средняя часть боковых поверхностей пластины вместе с зонами начала и окончания сварных швов удалялась, в целях получения образцов со стабильными характеристиками усталости.

Испытания локальных моделей на усталость проводились при нагру-жении их изгибающим моментом по симметричному циклу на машине УМП-02 (рис. 4.15). Установка позволяет осуществить консольный изгиб образца с регулируемой асимметрией нагружения. Уровень нагруженности локальных моделей контролировался по величине главных нормальных напряжений с помощью тензорезистора, наклеенного по продольной оси в зоне сварного шва со стороны неподвижного захвата испытательной машины. Место воз-

Рисунок 4.15 - Испытания локальных моделей на машине УМП-02

никновения усталостных трещин и разрушение локальной модели показано на рис. 4.16.

Рисунок 4.16 - Разрушение локальной модели

Результаты испытаний локальных моделей с толщиной пластины д = 18 мм приведены в табл. 4.6.

На каждом из шести уровней напряжений <7,- испытывалось по два образца. Параметры кривой усталости (рис. 4.17), определенные в соответствии с формулами (4.13) и (4.15), имеют следующие значения: = 82,2 МПа, У0 = 45,3 МПа, £ = 47,4x106 МПа х цикл., Ыс = 0,58x106 цикл.

Результаты испытаний локальных моделей при варьировании толщины пластины приведены в табл. 4.7. Используя полученные значения параметров уравнения кривой усталости для локальных моделей с толщиной <5=18 мм и уравнение (4.10) в записи:

методом графоаналитического решения последнего определялись частные значения пределов выносливости для каждой пары значений <тг и Ni в испытанных партиях. Средние значения пределов выносливости для испытанных партий локальных моделей определялись по формуле:

(4.16)

Таблица 4.6 - Результаты испытаний локальных моделей с толщиной пластины ¿=18 мм

№ ступени нагружения Напряжения о-,, МПа Число циклов до разрушения 106 цикл.

номер образца

1 2

1 124,8 0,182 0,195

2 109,2 0,549 0,540

3 93,6 1,134 0,805

4 85,8 0,938 0,779

5 81,9 3,614 4,119

6 78,0 5,0 -

Рисунок 4.17 - Зависимость числа циклов нагружения от величины действующих напряжений для локальных моделей

при 5=18 мм

Таблица 4.7 - Результаты испытаний локальных моделей при варьировании геометрических размеров

аи МПа <5 = 8 мм <5=10 мм ¿=16 мм 8 = 24 мм

10Ь цикл. от, МПа Иь 106 цикл. (Тщ, МПа Ыи 106 цикл. МПа М» 106 цикл. аш, МПа

78,0 - - 2,340 77,2 5,0 - 5,0 -

85,8 1,114 77,4 1,608 83,0 2,203 84,8 0,941 77,5

93,6 0,445 72,9 1,369 89,6 1,377 89,6 1,289 89,0

93,6 - - 0,726 88,6 0,857 83,9 0,643 79,4

109,2. 0,334 82,4 0,559 91,8 0,760 97,5 0,239 73,7

124,8 0,283 92,0 0,298 93,3 0,278 91,5 - -

140,4 0,132 87,4 0,208 98,0 - - - -

82,4 88,8 89,5 79,9

ат

п

'-I

П ¿—к

<*т

¡=1

(4.17)

где (Тщ - частные значения пределов выносливости, п - число испытанных образцов в каждой партии.

Как следует из полученных результатов, изменение предела выносливости опасных зон балок осей в зависимости от толщины стенки сечения не превышает 10,7 % для исследованного диапазона 8 = 8-^-24 мм. Таким образом, с точки зрения обеспечения максимальной величины предела выносливости, при изготовлении балок осей возможно применять трубный прокат с достаточно широким диапазоном толщины стенки от 10 до 16 мм.

В связи с выявленной слабой чувствительностью предела выносливости опасной зоны к толщине стенки сечения окончательный выбор профиля балки оси проводится по принципу использования наиболее экономичного сечения. При этом должно быть обеспечено сопротивление действующим нагрузкам с заданным ресурсом.

На рис. 4.18 приведена диаграмма, иллюстрирующая способ определения рациональных массово-геометрических характеристик трубных заготовок балок осей [168]. Левая ветвь диаграммы представляет из себя семейство зависимостей массы трубной заготовки т от толщины стенки сечения 8, построенных для ряда значений момента сопротивления сечения на изгиб IV. На правой ветви диаграммы приведены результаты испытаний локальных моделей для нескольких уровней напряжений. Из экспериментальных данных следует, что для каждого уровня динамических напряжений, воспринимаемых опасной зоной балки оси, может быть назначена минимальная толщина стенки сечения, удовлетворяющая требованиям её циклической долговечности. При фиксированной величине действующих силовых факторов, в частности, изгибающего момента, действующего в опасной зоне, по уровню динамических напряжений могут быть непосредственно определены необходимые геометрические характеристики сопротивления сечения, в том числе

Рисунок 4.18 - Диаграмма для определения рациональных массово-геометрических характеристик

трубной заготовки: А , •, о - экспериментальные точки для уровней напряжений а1,а2 и стз

момент сопротивления на изгиб IV. При помощи левой ветви диаграммы при этом может быть найдена соответствующая масса трубной заготовки. Варьированием уровня динамической нагруженности при заданной циклической долговечности N0 выбирается такой режим нагружения и соответствующая ему толщина стенки сечения, при которых, в соответствии с левой ветвью диаграммы, трубная заготовка имеет минимальный вес.

Используя изложенную методику, в качестве унифицированной заготовки для балок осей тракторных прицепов и полуприцепов грузоподъемностью 5-20 т была предложена заготовка из трубы 127x14 мм. При этом достигнуто снижение веса трубной заготовки на 15,5 кг.

4.5.3 Совершенствование сварных соединений

Основными путями увеличения срока службы деталей и узлов машин являются совершенствование их конструкций с целью устранения конструктивных и технологических концентраторов напряжений и обеспечения рав-нопрочности всех элементов, а также поиск конструктивных и компоновочных решений, обеспечивающих снижение и рациональное распределение действующих нагрузок.

Оба из указанных направлений нашли применение при разработке мероприятий по повышению долговечности осей прицепов.

Сварные швы в металлоконструкциях всегда являются концентраторами напряжений. Снятие сварочных напряжений отжигом только незначительно изменяет значение эффективного коэффициента концентрации напряжений в ту или иную сторону; при этом величина его достигает значений Ка = 3 и более [129]. Во столько же раз уменьшается предел выносливости конструкции, если сварной шов будет располагаться в зоне максимальных растягивающих напряжений. Таким образом, наличие сварных соединений в конструкции оси предъявляет определенные требования к рациональному размещению швов относительно соединяемых деталей.

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

КаРксоБ(р<Ра, (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 35 -Ка = 2,44.

Из формулы (4.18) минимально необходимая свободная от сварки зона балок осей, выполненных из указанных материалов, должна составлять (р-1Ъ° 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

Труба 127*%

Рисунок 4.19 - Конструкции балок осей большегрузных тракторных прицепов: а) из трубной заготовки 121x18 мм; б) из трубной заготовки 127x14 мм; в) измененные формы деталей крепления рессоры

Н1-!\8

форма измененных деталей

трубы 127x14 долговечность, превышающую нормативную для балок осей из трубы 121x18.

4.5.4 Компенсация влияния асимметрии нагружения

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 450-500°С. 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).

Таблица 4.8 - Остаточные напряжения в околошовной зоне приварки суппорта

№ датчика (рис. 4.20) Остаточные напряжения, МПа, в зависимости от способа изготовления балки оси

под технологической нагрузкой по серийной технологии

1 6 124

2 38 185

3 83 145

4 136 140

5 - 210

6 - 124

Остаточные напряжения определялись для зоны кольцевого таврового сварного шва, соединяющего балку оси с тормозным суппортом (рис. 4.20). Измерения остаточных напряжений производились в направлении продольной оси балки с помощью фольговых тензодатчиков типа КФ5П с базой 1 мм. Выбор датчиков с минимальной базой обусловлен необходимостью определения локальных напряжений в заданной точке околошовной зоны. При применении датчиков с большей базой, ввиду значительных градиентов сварочных напряжений [102, 137], информация об истинной величине напряжений усредняется по длине базы. Во избежание разрушения датчиков при сварке наклейка их производилась после остывания наложенного сварного шва. Затем нанесением поперечных разрезов глубиной 5-6 мм зоны наклейки датчиков освобождались от влияния остаточных напряжений, действующих в направлении, перпендикулярном сварному шву. Имеющиеся рекомендации [34] по глубине разрезов (0,7 от базы датчиков), при применении малобазных датчиков, как было установлено, становятся неприменимыми. Для данных

Рисунок 4.20 - Остаточные напряжения в зоне поперечного шва: • - экспериментальные точки для серийной оси; о - экспериментальные точки для оси, изготовленной под технологической нагрузкой

условий проведения эксперимента зона наклейки датчиков полностью освобождается от остаточных напряжений при глубине разреза не менее 4 мм.

Величина остаточных напряжений измерялась шестью тензодатчи-ками, расположенными на равном расстоянии друг от друга в околошовной зоне приварки суппорта, на равном расстоянии от сварного шва, составляющем 6 мм от решетки тензодатчика. Швы выполнялись электродуговой сваркой в защитных газах сварочной проволокой типа Св-08Г2С катетом 5 мм. Общая длина шва составляла 85 мм по поверхности балки. Схема наклейки

датчиков для измерения остаточных напряжений приведена на рис. 4.20. Здесь же приведены эпюры измеренных остаточных напряжений.

В исследованном поперечном сечении зоны сварного шва остаточные напряжения положительны, то есть являются растягивающими. В балке оси, изготовленной под технологической нагрузкой, растянутые после остывания сварного шва волокна (зона датчиков № 4-6) при снятии нагрузки подвергаются сжатию относительно их первоначального состояния. Величина деформации сжатия при этом такова, что для датчика № 4, например, она почти полностью уравновешивает растягивающие напряжения. Суммарное остаточное напряжение в зоне датчика № 4 после снятия технологической нагрузки оказывается близким к нулю, а в зоне датчика № 1, наоборот, достигает значений, близких к пределу текучести. Здесь надо ожидать появления местной текучести материала. Пластическая работа материала уменьшит сварочные напряжения, и после первой же разгрузки конструкция будет работать упруго.

При приложении рабочей нагрузки к оси, изготовленной по серийной технологии, возникающие в зоне датчика № 4 растягивающие напряжения, суммируясь с остаточными напряжениями того же знака, приводят к разрушению конструкции в этой зоне. В то же время для оси, изготовленной под технологической нагрузкой, при приложении рабочей нагрузки суммарные напряжения будут выравниваться, примерно совпадая (при данных условиях) с равномерным распределением остаточных напряжений, полученным для ненагруженной оси, изготовленной по серийной технологии. Следовательно, при изготовлении осей способом сборки-сварки под технологической нагрузкой возможно существенно повысить их долговечность.

4.5.5 Снижение динамических нагрузок

Математическая модель в виде системы уравнений (3.29), полученных из расчетной динамической схемы прицепа (рис. 3.4), является основой для

оптимизации его параметров по критерию плавности хода при движении по поверхности с заданными характеристиками микропрофиля. Способы решения такой задачи достаточно хорошо разработаны [267], однако до настоящего времени применительно к транспортным машинам остается открытым вопрос о синтезе их оптимальной динамической структуры. Основной трудностью при этом является практическая реализация звеньев с необходимыми динамическими свойствами. Тем не менее, известны доведенные до промышленного исполнения разработки [155], реализующие корректированные динамические структуры транспортных средств, главным образом за счет совершенствования традиционных тягово-сцепных устройств.

Применительно к тракторным прицепам, передающим часть своей массы на сцепное устройство трактора, изменение динамической структуры с целью снижения действующих переменных нагрузок при преодолении неровностей микропрофиля может быть достигнуто путем изменения конструкции их ходовых и несущих систем. В частности, предложена конструкция прицепа [254], снижение динамических нагрузок на элементы которого достигается путем автоматического отслеживания догрузки сцепного устройства трактора в зависимости от массы прицепа (рис. 6.7).

При движении такого прицепа вертикальная нагрузка от рамы прицепа передается через опорно-поворотное устройство на дышло, перемещающееся относительно рамы тележки в зависимости от силы сопротивления движению. Смещение точки приложения вертикальной нагрузки от рамы прицепа изменяет догрузку сцепного устройства трактора, причем это выполняется автоматически в зависимости от силы сопротивления движению, и тем самым компенсируется изменение последней за счет изменения опорных реакций трактора.

Проведенные испытания макетного образца прицепа предложенной конструкции на базе полунавесного прицепа ОЭТП-8573 в тяжелых дорожных условиях, соответствующих дороге IV категории, показали значительное улучшение плавности хода по сравнению с базовой моделью и существенное

снижение динамических нагрузок на детали несущей и ходовой систем, в том числе на ходовые оси (табл. 4.9).

Таблица 4.9 - Результаты сравнительных испытаний полунавесного прицепа с автоматическим изменением догрузки сцепного устройства

Компоненты динамической нагруженности осей Дисперсия амплитуд динамических напряжений, МПа2

передняя ось задняя ось

опытный прицеп базовая модель опытный прицеп базовая модель

изгиб в вертикальной плоскости 720 809 706 751

изгиб в горизонтальной плоскости 89 226 169 184

При этом наибольший эффект достигается для колебаний в горизонтальной плоскости (в направлении движения).

По результатам испытаний, дисперсия амплитуд динамических напряжений от изгиба в горизонтальной плоскости для передней, наиболее нагруженной оси, при применении данного устройства снижается в 2,5 раза.

4.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1 В качестве объекта совершенствования расчетно-экспериментальных методов проектирования тракторных прицепов выбрана балка оси прицепа, как наименее изученный в отношении прочности и надежности элемент конструкции данных транспортных средств, подвергающийся наибольшим динамическим воздействиям при движении.

2 С целью анализа напряженно-деформированного состояния объекта исследований разработана конечноэлементная модель балки оси, использующая изопараметрические объемные конечные элементы. Экспериментальной проверкой установлена достоверность получаемых с ее помощью результатов.

3 Исследована статическая и динамическая нагруженность балок осей. Анализ структуры динамических напряжений, действующих на балку оси в эксплуатации, показал, что преобладающими среди них являются напряжения, обусловленные колебаниями балки в вертикальной плоскости. Изгиб в горизонтальной плоскости и кручение незначительны для большинства типовых режимов эксплуатации. Частотным анализом установлено, что практически вся энергия процессов нагружения сосредоточена в диапазоне частот свыше 1с"1.

Полученная информация использована для организации стендовых испытаний балок осей.

4 Разработано оборудование для стендовых испытаний балок осей. Результаты проведенных сравнительных испытаний показали возможность использования в производстве балок осей, изготовленных из стали 35, вместо стали 40Х.

5 Разработана методика определения рациональных массово-геометрических характеристик трубных заготовок балок осей, основанная на использовании результатов испытаний локальных моделей опасных зон. В результате исследования циклической долговечности локальных моделей сварных соединений балок осей и их натурных образцов обоснована возможность снижения металлоемкости оси за счет применения более экономичного проката. Осуществлена замена профиля трубных заготовок балок осей тракторных прицепов с 121x18 мм на 127x14 мм, что обеспечило снижение массы балки оси на 15,5 кг.

6 Реализованы конструкторско-технологические мероприятия, повышающие долговечность балок осей за счет совершенствования сварных со-

единений, компенсации влияния асимметрии нагружения и снижения воспринимаемых динамических нагрузок.

5 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

ДОЛГОВЕЧНОСТИ

В общем виде решение задачи прогнозирующего расчета на долговечность применительно к деталям транспортных машин включает в себя следующие основные этапы:

- анализ нагруженности и формирование блока нагружения детали для типовых режимов эксплуатации;

- расчет циклической долговечности в типовых режимах эксплуатации с учетом функций распределения нагрузок в этих режимах и характеристик сопротивления усталости;

- расчет ресурса детали для типовых условий эксплуатации с учетом пробеговых показателей транспортного средства.

Прогнозирование долговечности базовых деталей транспортных машин наиболее целесообразно производить с позиции кинетической теории [200], позволяющей учитывать разрушающие нагрузки, меньшие предела выносливости, по мере снижения величины последнего в процессе накопления усталостных повреждений.

5.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СОПРОТИВЛЕНИЯ

УСТАЛОСТИ

В настоящее время испытательного оборудования, пригодного для исследования усталостной прочности натурных образцов осей тракторных транспортных средств, отечественной промышленностью не выпускается [98, 281]. Организации, занимающиеся испытаниями подобных объектов, как правило, самостоятельно проектируют и изготавливают необходимые стенды [139, 282], либо используют универсальные испытательные комплексы, в том числе зарубежного производства.

Наибольшее распространение в конструкциях испытательных стендов, пригодных для испытаний осей, находит гидравлический привод. Его основные преимущества заключаются в большой мощности при сравнительно небольших габаритах, универсальности, позволяющей осуществлять быструю переналадку для испытаний различных объектов, возможности приложения нагрузок в широком частотном диапазоне, легкости изменения режима испытаний, а также возможности организации испытаний в программном режиме.

5.1.1 Определение характеристик сопротивления усталости натурных образцов балок осей

Исследование характеристик сопротивления усталости балок осей тракторных прицепов проводилось на стенде со свободно устанавливаемыми пульсирующими цилиндрами-домкратами типа PZA (фирмы «ХУегк^оГГ-ргийпазсЫпеп»). Испытания проводились при изгибе в вертикальной плоскости, при этом шарнирно опертые цапфами балки нагружались по отнулевому циклу с частотой 7 Гц силами Р, приложенными к опорам рессоры. Испытания проводились до разрушения балок или до наработки базы испытаний, равной 5x106 циклов.

С целью построения кривых усталости, размах нагрузки, прикладываемой к балкам осей, выбирался по методике, изложенной в предыдущем разделе применительно к локальным моделям опасных зон. С учетом данных статического расчета балки и механических свойств материала, первый образец испытывался при размахе приложенной нагрузки Р = 100 кН. Изменение нагрузки на последующие образцы составляло не более 10 кН. Характеристики сопротивления усталости определялись для балок осей полуприцепов ОЗТП-9554, изготовленных из трубы 127x14 мм по действующей технологии из стали 40Х и стали 35. Результаты испытаний в виде значений прикладываемых нагрузок Р( и соответствующих им циклов нагружения ТУ, приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1 - Результаты испытаний балок осей

Рь кН Материал балки

сталь 40Х сталь 35

число циклов до разрушения, 106 цикл. место разрушения число циклов до разрушения, 106 цикл. место разрушения

1 2 3 4 5

110 0,40 в зоне тормозного суппорта 0,21 в зоне тормозного суппорта

100 0,68 в зоне тормозного суппорта 0,44 в зоне тормозного суппорта

90 1,15 в зоне тормозного суппорта 0,84 в зоне тормозного суппорта

85 1,13 в зоне тормозного суппорта 0,63 в зоне тормозного суппорта

80 1,07 в зоне кольца сальника 0,92 в зоне кольца сальника

80 1,10 в зоне кольца сальника 1,10 в зоне кольца сальника

80 1,12 в зоне кольца сальника 1,75 в зоне кольца сальника

80 1,25 по месту окончания механической обработки цапфы

80 1,30 по месту окончания механической обработки цапфы

1 2 3 4 5

75 2,05 в зоне тормозного суппорта 1,51 в зоне тормозного суппорта

70 5,00 не разрушилась - -

67,5 - - 5,00 не разрушилась

Места возникновения и характер разрушений (рис. 5.1-5.3) соответствовали усталостным разрушениям осей в эксплуатации. Для анализа результатов испытаний балок осей использовалось уравнение (4.10) в записи:

ехр

№

(5.1)

Рисунок 5.1 - Разрушение балки оси в зоне тормозного суппорта

т

Рисунок 5.2 - Разрушение балки оси в зоне кольца сальника

Рисунок 5.3 - Разрушение балки оси по месту окончания механической обработки цапфы

где Р - действующая на цапфу оси нагрузка; - коэффициент выносливости, равный = ИоРя, N0 - абсцисса точки перелома кривой усталости; Рк -предел выносливости; У0 - параметр, характеризующий наклон кривой усталости в полулогарифмической системе координат.

С использованием результатов испытаний (табл. 5.1) были определены параметры уравнения кривой усталости (рис. 5.4): Ря = 72,9 кН, = 43,0x106 кН х цикл., У0 = 85,8 кН для балок из стали 40Х и Рк = 74,7 кН, £> = 49,3х106 кН х цикл., У0 = 37,0 кН для балок из стали 35.

0,5

1 - из стали 40Х;

го го н

2 - из стали 35

106цикл

Рисунок 5.4 - Кривые усталости для балок осей: ♦, о - экспериментальные точки для балок из сталей 40Х и 35

г

Используя вычисленные значения параметров Рд и оценим принятую базу испытаний. Расчеты по формуле (4.15) дают следующие значения абсцисс точек перелома кривой усталости: Мс = 0,591x106 цикл, для стали 40Х и А^ = 0,659x106 цикл, для стали 35. Вычисленные значения Л^ меньше 5-106 цикл., следовательно, принятая база испытаний достаточна.

Оценим полученные значения параметров уравнения кривой усталости в статистическом аспекте.

Среднеквадратичное отклонение предела выносливости определяется по формуле

5 =

N

«

/=7

(5.2)

где Рт — частные значения пределов выносливости, которые вычисляются по выражению (4.12), записанному для величин прикладываемых испытательных нагрузок; п - число разрушенных объектов.

Граничные значения доверительного интервала для среднего значения предела выносливости с заданной доверительной вероятностью у находятся из выражений [238]:

- 5

Р И тт ~ Ря ~ 1у,к /— Л/П

(5.3)

- А

р7? тах — Р7? + Ц,к ~7= >

л]п

где РК т1П , РК тах - соответственно нижняя и верхняя границы доверительного интервала для среднего значения предела выносливости; - квантиль распределения Стьюдента, зависящая от доверительной вероятности у и числа степеней свободы к = п - 1.

Доверительные интервалы для среднеквадратичного отклонения находятся из условии:

(5.4)

^тах ~ )

где 8тах - нижняя и верхняя границы доверительного интервала для среднеквадратичного отклонения: г2 - коэффициенты, зависящие от доверительной вероятности и числа разрушенных изделий [213].

Результаты статистической оценки, выполненной по формулам (5.25.4) для величины предела выносливости, представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2 - Статистические характеристики предела выносливости балок осей

Наименование характеристики Доверительная вероятность Доверительные интервалы, кН

материал балки

сталь 40Х сталь 35

Среднее значение Рд 0,90 70,08-75,78 71,70-77,70

0,95 69,41-76,44 70,95-78,41

Среднеквадратичное отклонение £ 0,90 3,58-8,08 3,16-8,05

0,95 3,38-8,97 2,96-9,16

Используя полученные характеристики сопротивления усталости и уравнение (4.11) в записи:

РЯг = РЯ тт ~ &Ятах ■> (5-5)

можно получить данные для построения кривых усталости при заданной вероятности неразрушения г. Результаты соответствующих расчетов приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3 - Граничные значения предела выносливости балок осей

Вероятность неразрушения Значение предела выносливости, кН

материал балки

сталь 40Х сталь 35

0,95 56,79 58,43

0,99 48,55 49,63

Как следует из полученных кривых усталости балок осей, изготовленных из разных материалов, и статистических характеристик их параметров, средние значения пределов выносливости для балок осей из стали 35 несколько выше, чем для балок осей из стали 40Х, причем с возрастанием вероятности разрушения разница становится все более ощутимой. Однако угол наклона кривой усталости к оси абсцисс для балок из стали 40Х существенно выше. Балки осей из стали 40Х, таким образом, менее чувствительны к перегрузкам.

5.1.2 Определение характеристик сопротивления усталости по результатам испытаний масштабных моделей

Как было отмечено ранее, определение характеристик сопротивления усталости базовых узлов транспортных машин (рам, ходовых осей, крупногабаритных деталей кузовов, подвесок) по мере увеличения их габаритных размеров становится все более затруднительным вследствие необходимости применения специальных испытательных установок и значительных матери-

альных затрат при проведении многообразцовых испытаний натурных объектов. Оценка характеристик сопротивления усталости известными малообразцовыми [246, 281] и расчетными [114] методами приводит, как правило, к существенно смещенным значениям характеристик сопротивления усталости, вследствие чего либо неоправданно завышается металлоемкость конструкции, либо допускается ошибка в оценке ее ресурса.

В связи с этим практический интерес представляет определение характеристик сопротивления усталости крупногабаритных узлов транспортных машин многообразцовыми испытаниями масштабных моделей локальных зон, лимитирующих долговечность конструкции, с последующим принятием решения о правомерности использовани полученных значений в качестве характеристик сопротивления усталости натурных образцов.

Под локальной моделью подразумевается образец, конструкция которого имитирует опасную зону (зону зарождения и развития усталостных трещин), а основные размеры модели и натурного узла совпадают. Масштабная модель является уменьшенной копией локальной модели.

В результате эксплуатационных, полигонных и стендовых испытаний осей тракторных прицепов установлено, что их разрушение в основном происходит из-за возникновения усталостных трещин в зонах приварки суппортов, рессорных площадок и кронштейнов стремянок. Поэтому практический интерес представляет определение характеристик сопротивления усталости указанных зон, лимитирующих долговечность оси. Эти зоны представляют собой, как указано в разд. 4.4.2, сварные тавровые соединения.

На рис. 5.5 показан общий вид масштабных моделей и схема их нагру-жения при испытаниях на усталость. Основные размеры образцов приведены в табл. 5.4. Форма образцов обусловлена конструкцией захватов испытательной машины. Материал образцов и технология сварки соответствует принятой при изготовлении натурной оси.

Испытывались пять групп образцов (табл. 5.4), каждая из которых состояла из 11-12 моделей, выполненных в масштабе М= 1-0,44. Результаты

15

Т1-£\5

"V.

м

' 'изг

I

Г

л.

в

с

V-

Г

/

V.

и

Рисунок 5.5 - Масштабные модели зон, лимитирующих долговечность балок осей

Таблица 5.4 - Геометрические размеры масштабных моделей

№ групп образцов Масштаб моделирования М Размеры, мм

А В с Е Ь

1 1 80 60 200 70 18 22

2 0,89 70 60 178 62 16 20

3 0,67 54 60 134 47 12 15

4 0,56 45 60 112 40 10 13

5 0,44 35 60 88 31 8 10

испытаний масштабных моделей (табл. 5.5) сопоставлялись с результатами испытаний натурной оси.

Испытания образцов производились на испытательной машине УМП-02. Уровень нагруженности образцов при приложении изгибающего момента М^ по отнулевому циклу оценивался по величине главных нормальных напряжений с помощью тензорезистора, наклеенного вдоль образца в зоне сварного шва, и комплекта регистрирующей аппаратуры.

Места возникновения и характер развития усталостных трещин были идентичны эксплуатационным разрушениям.

Результаты испытаний апроксимировались уравнением кривой усталости в виде [113]:

где оа — амплитуда напряжений; N - число циклов нагружения до разрушения; аод - предел выносливости при отнулевом цикле нагружения; - число циклов нагружения, соответствующее точке перелома кривой усталости (5.6); т - показатель наклона левой ветви кривой усталости.

Уравнение левого участка кривой усталости, изображаемой в логарифмических координатах прямой линией, имеет вид:

при оа > аод . 00 при о < аод

(5.6)

т а + = т аод +

(5.7)

Величина т определяется из выражения:

(5.8)

а уравнение (5.7) представляет собой линию регрессии:

а = а — Ъ Л^,

(5.9)

где а, Ь - параметры, определяемые с помощью метода наименьших квадратов.

Для приближенной оценки среднего значения аод и среднеквадратиче-ского отклонения предела выносливости использованы выражения

где <т0/ - предел выносливости, соответствующий /-тому образцу из группы образцов.

В результате стендовых испытаний масштабных моделей для каждой группы образцов получены следующие характеристики сопротивления усталости: сг0 - предел выносливости при отнулевом цикле нагружения, Ыо - абсцисса точки перелома кривой усталости и т — показатель наклона левой ветви кривой усталости. В табл. 5.5 приведены уравнения линий регрессии левой ветви кривой усталости и численные значения характеристик сопротивления усталости для каждой группы образцов. Здесь же приведены соответствующие характеристики натурной конструкции балки оси, полученные в результате испытаний на гидропульсационном стенде.

Из табл. 5.5 видно, что характеристики сопротивления усталости натурной оси и локальной модели (первая группа образцов) практически совпадают. Расхождение характеристик составляет по параметрам: о0 — 0,9 %, т — 2 %, N0 - 1,5 %. Это подтверждает правильность выбора конструкции локальной модели и режима ее нагружения.

п

/=7

(5.10)

Таблица 5.5 - Результаты испытаний масштабных моделей

№ групп образцов Количество образцов МПа m Ne 106 цикл. Уравнение линии регрессии

1 12 65,2 7,44 3,4111 lg g = 2,689-0,134/gW

2 11 63,6 6,82 2,7631 lg а = 2,750 -OMllgN

3 12 63,0 5,27 1,2915 lg g = 2,960 — 0,190 IgN

4 11 64,8 3,91 0,6722 ¡g a = 3,302 - 0,256

5 12 63,8 3,22 0,2494 lg a = 3,483 -0,311 IgN

6(натурная ось) 11 65,8 7,29 3,3606 lg g = 2,712- 0,137 IgN

Необходимо отметить, что объемы испытанных выборок моделей и диапазоны напряжений позволили определить характеристики сопротивления усталости с достаточной точностью. Например, статистические характеристики предела выносливости локальной модели, вычисленные по формулам (5.10) при доверительной вероятности 0,9, имеют следующие значения: а0 = 65,2 МПа, среднеквадратическое отклонение Sa = 4,9 МПа, коэффициент вариации va = 7,5%.

Анализ результатов испытаний показывает [290], что для всех групп образцов пределы выносливости <т0 практически одинаковы. В то же время параметры Ne и m изменяются в зависимости от масштаба моделирования M На рис. 5.6 представлены зависимости характеристик сопротивления усталости групп образцов от масштаба моделирования М: а0(М) - линия 1, Nq (Щ -линия 2 и m (M) - линия 3.

В исследованном диапазоне масштабного моделирования все три зависимости имеют линейный характер: с увеличением M величина сг0 остается

постоянной, а Л^ и т возрастают по линейному закону. Следовательно, характеристики сопротивления усталости локальных моделей N01 (М 1:1) и т/ (.М 1:1) могут быть выражены через аналогичные характеристики масштабных моделей и т1 при масштабе моделирования Мпо формулам:

N01 = + (5.11)

m1=mi + {l-M¿tgP (5.12)

Рисунок 5.6 - Зависимость характеристик сопротивления усталости

от масштаба моделирования

где а, р (рис. 5.6) - соответственно углы наклона линий Л^ (М) и т (М) к оси абсцисс.

Полученные зависимости позволяют предложить следующий порядок оценки характеристик сопротивления усталости крупногабаритных сварных конструкций:

- на основе эксплуатационных наблюдений выявить опасные зоны, лимитирующие долговечность;

- провести анализ эксплуатационной нагруженности опасных зон;

- назначить форму, размеры и режимы нагружения локальных и масштабных моделей;

- определить характеристики сопротивления усталости масштабных моделей на трех уровнях моделирования;

- определить среднее арифметическое значение сг0;

- с использованием метода наименьших квадратов построить линейные зависимости т (М) и Ыа (М)\

- аппроксимировать значения /йиЛ^в масштабе М 1:1 и определить характеристики сопротивления усталости натурной конструкции.

Преимущества предлагаемой методики заключаются в существенном сокращении времени и материальных затрат при проведении усталостных испытаний, низкой энергоемкости испытаний, а также возможности использования стандартного испытательного оборудования. Она может быть использована на этапе опытно-конструкторских работ для оценки характеристик сопротивления усталости крупногабаритных узлов транспортных средств в рассмотренном диапазоне моделирования.

5.2 РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ БАЛОК ОСЕЙ В ТИПОВЫХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Для получения информации по нагруженности осей проведены регистрация и анализ динамических нагрузок, действующих в сечениях балки

оси в типовых режимах эксплуатации. Установлено, что основной вклад в динамическую нагруженность вносят силовые факторы, приводящие к изгибу балки в вертикальной плоскости. Данная компонента динамической на-груженности используется для дальнейшего анализа.

В результате первичной обработки осциллограмм эксплуатационной динамической нагруженности получены массивы данных, представляющих собой последовательность соответствующих экстремальных (максимальных и минимальных) значений действующих силовых факторов. Для использования этой информации в расчетах на долговечность процессы нагружения необходимо заменить схематизированными.

5.2.1 Схематизация процессов нагружения

Под методом схематизации случайного процесса понимается сочетание правил и допущений, на основе которых реальный процесс заменяется эквивалентным ему упорядоченным, с сохранением определенных параметров циклов. При этом предполагается, что последовательность величин амплитуд нагрузок не оказывает существенного влияния на процесс накопления усталостного повреждения.

Методы, используемые в настоящее время для схематизации действующих погрузок, проанализированы в разд. 4.1.4.

В данной работе для анализа эксплуатационной погруженности использован метод анализа полных циклов [212]. Схематизация процесса нагружения в соответствии с этим методом осуществляется в следующем порядке. Вначале из реализации процесса выделяют простые промежуточные циклы с амплитудами Pai = 0,5{Pmaxi - Ртм), меньшими некоторой наперед заданной величины а.]. Далее, исключив из рассмотрения выделенные таким образом циклы, определяют число простых циклов с амплитудами, меньшими величины «2- Такую процедуру повторяют, выделяя последовательно из

реализации процесса циклы с амплитудами, меньшими а3,..., ап, до тех пор, пока не будут выделены все циклы.

После выделения полных циклов на обрабатываемом участке реализации остаются невыделенными циклы напряжений, соответствующие колебаниям с монотонно возрастающими амплитудами, которые схематизируются по методу размахов.