Метод определения долговечности элементов ходовой части гусеничных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Зорин, Денис Владимирович

• Зорин, Денис Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зорин, Денис Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ методов оценки нагруженности и усталостной долговечности элементов ходовой части гусеничных машин. Постановка задач исследования.

1.1. Методы оценки нагруженности элементов ходовой части гусеничных машин.

1.2. Методы оценки долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях.

1.2.1. Определение предела выносливости деталей.

1.2.2. Случай сложных напряженных состояний.

1.2.3. Влияние коэффициента асимметрии цикла на усталостную долговечность.

1.2.4. Определение показателя кривой усталости.

1.2.5. Методы схематизации случайных процессов.

1.2.6. Расчет усталостной долговечности.

1.3. Задачи исследования.

Глава 2. Метод определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях деталей без предварительной схематизации процессов нагружения.

2.1. Общее описание метода.

2.2. Расчеты усталостных повреждений деталей в типовых режимах нагружения.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования усталостной долговечности.

3.1. Экспериментальное определение предела выносливости и показателя степени усталостной долговечности образцов.

3.2. Определение усталостной долговечности испытываемых образцов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод определения долговечности элементов ходовой части гусеничных машин»

Эффективность выполнения задач техникой зависит от ее текущего состояния. С развитием современной электроники и значительного увеличения возможностей хранения и обработки информации становится возможным переход от планово-предупредительной системы обеспечения надежности к системе обслуживания по текущему состоянию. При этом появляется возможность с использованием средств диагностики определять повреждение тех или иных узлов, агрегатов, деталей и, тем самым, предупреждать отказ.

Существующие на данный момент методики позволяют проводить диагностику по широкому ряду параметров. Номенклатура датчиковой аппаратуры, преобразовательных и исполнительных устройств на современной технике растет год от года, при этом расширяются и возможности диагностики.

Однако существует ряд задач диагностики, которые в настоящее время решаются лишь при разборке и проведении дефектационных работ требующих высокой квалификации персонала и специального оборудования. Обнаружить же подобные дефекты в процессе эксплуатации техники практически невозможно и, чаще всего, происходит внезапный выход из строя дефектного элемента. Выход из строя конкретного элемента может либо понизить эффективность использования образца техники, либо целиком вывести его из строя. Так, например, для гусеничной техники и многоосных колесных шасси, выход из строя одного узла подвески приведет к снижению средней скорости, ухудшению характеристик плавности хода. Поломка же ответственных элементов моторно-трансмиссионной группы, скорее всего, приведет к полному выходу из строя единицы техники.

К задачам диагностики техники практически не решаемых без дефектации относятся усталостные разрушения деталей и узлов. При возможности диагностирования усталостной долговечности элементов 5 становится возможным предупредительная замена элемента с критическими параметрами, что позволит поддерживать работоспособность техники на приемлемом уровне и избежать выхода из строя единицы техники в самый неподходящий момент. Поскольку многоцелевые гусеничные и колесные машины работают в широком спектре дорожных условий, различных климатических и географических зонах, при разной квалификации персонала, работающего на технике, то нагрузки имеют случайный характер, зависящий от многих факторов.

Целью работы является повышение эффективности гусеничных машин путем определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях деталей. Использование разрабатываемого метода позволит определять долговечность по расчетным усталостным повреждениям на основании данных о нагруженности и выносливости деталей не только на стадии проектирования, но и в процессе эксплуатации техники при наличии на образце техники информационно-управляющей и диагностирующей системы с соответствующим датчиковым оборудованием.

На стадии проектирования возможно провести предварительные расчеты и определить усталостную долговечность проектируемых элементов до начала их производства на основании данных об их нагруженности, полученных по результатам имитационного моделирования движения гусеничной машины (ГМ) по пути.

В настоящее время системы позволяющие производить диагностику в процессе эксплуатации все чаще используются также и на военной колесной и гусеничной технике, где требования к функционированию более жесткие, чем для техники гражданского назначения. В качестве примера можно привести следующие системы, стоящие на вооружении и проектируемые:

- бортовая информационно-управляющая система «Мста-СМ» шасси комплекса 2КЗ1;

- бортовая информационно-управляющая система «БИУС-У» предназначенная для работы на транспортных средствах; 6

- универсальная автомобильная бортовая информационно-управляющая «БИУС-А»;

- бортовая информационно-управляющая система БТР-90 «Росток».

В большинстве подобные системы масштабируемы, позволяют производить обновление программного обеспечения для расширения функций, и предназначены для сбора, обработки, хранения информации, управления основными узлами, агрегатами и диагностирования текущего технического состояния техники с выдачей соответствующих рекомендаций, что позволяет применять их и при прогнозировании усталостных повреждений.

В первой главе диссертации даны обзоры существующих методов оценки нагруженности деталей и методов определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях, также приведены различные подходы к расчету основных параметров и характеристик, необходимых для прогнозирования усталостных повреждений деталей.

По результатам проведенного анализа сформулированы задачи исследования, решению которых посвящены остальные главы диссертации. Основная часть параметров, которые необходимы для расчета на усталость, определяется по выражениям и зависимостям, приведенным в первой главе. Сами методы, с использованием которых определяется усталостная долговечность, не позволяют оценивать усталостную долговечность в процессе эксплуатации и накладывают значительные ограничения на возможность подобных расчетов. Во второй главе диссертации представлен метод определения усталостной долговечности, позволяющий производить расчеты без предварительной схематизации процесса нагружения, что дает возможность использовать данный метод в течение всего срока службы с возможностью определения остаточного ресурса.

Разработанный метод определения и его теоретическая проверка приведены во второй главе были подтверждены экспериментально. Описание 7 проведенного эксперимента и сравнение его результатов с расчетами представлены в главе 3.

Четвертая глава посвящена определению нагруженности и усталостной долговечности элементов ходовых частей гусеничных машин.

Научная новизна В результате теоретических исследований и проведенного эксперимента разработан метод определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях деталей, использование которого позволяет оценивать и прогнозировать многоцикловую усталостную долговечность элементов ходовой части гусеничных машин при проектировании и в процессе эксплуатации На защиту выносятся;

- метод определения долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях деталей позволяющий производить расчеты без предварительной схематизации процесса нагружения с учетом вида нагружения и напряженно-деформированного состояния;

- результаты экспериментальных исследований многоцикловой долговечности натурных образцов

- метод определения нагруженности и долговечности при многоцикловых усталостных повреждениях элементов ходовой части ГМ на этапе проектирования. 8

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Зорин, Денис Владимирович

Основные результаты и выводы по работе

1. Разработанный метод позволяет определять долговечность при многоцикловых усталостных повреждениях без предварительной схематизации процессов нагружения при различной асимметрии циклов.

2. Сравнение расчетов по предложенной зависимости с известными теоретическими зависимостями (соотношения пределов выносливости тл!о.ь выражения Гафа-Поларда и Одинга), показывает их качественное соответствие. Метод позволяет проводить оценку в случае сложного напряженного состояния, что практически невозможно сделать существующими на сегодняшний момент методами.

3. Результаты расчетов на усталостную долговечность при одноступенчатых испытаниях (по Веллеру) согласуются с экспериментальными данными. Относительное расхождение результатов по всем видам одноступенчатых испытаний не превосходит: по предлагаемой методике - 5%, при схематизации по методу «дождя» - 5,4%, при схематизации по методу «полных циклов» - 5,1%, при схематизации по методу максимумов - 5,1%.

4. Сравнение полученных при случайном нагружении экспериментальных данных с расчетными показали лучшую сходимость по сравнению с существующими методами оценки. Относительное расхождение результатов не превосходит: по предлагаемому методу - 25,1% в безопасную сторону, при схематизации по методу максимумов - 30,4% в безопасную сторону, при схематизации по методу «дождя» и методу «полных циклов» -30,2%) и 31,1% соответственно, но в опасную сторону. Что позволяет проводить гарантированные расчеты с использованием предлагаемого метода.

5. В результате математического моделирования установлено, что «пробега» (моделирования) протяженностью 5 км достаточно для получения данных по нагруженности для разных дорожных условий и режимов

145 движения. Предложенный метод возможно использовать для оценки усталостных повреждений в составе программного обеспечения бортовых информационно-управляющих систем, при проведении технического обслуживания «по состоянию», не только деталей ходовых систем, но и ряда деталей входящих в различные элементы и узлы (двигатель, трансмиссия, спец. устройства и др.) широкой номенклатуры транспортных средств при условии получения информации об их нагруженности в процессе эксплуатации.

146

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зорин, Денис Владимирович, 2009 год

1. Аврамов В.П., Калейчев Н.Б. Динамика гусеничной машины при установившемся движении по неровностям. Харьков: Вища школа, 1989. -112 с.

2. Антонов A.C., Запрягаев М.М., Хавханов В.П. Армейские гусеничные машины М.: Министерство обороны СССР, 1973. - Ч. 1. Теория. - 328 с.

3. Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин: Справочник; 4-е изд., перераб и доп. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

4. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Шнейдерович P.M. Расчет на прочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. - с. 590-609.

5. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. -234 с.

6. Богданофф Дж., Козин Ф. Вероятностные модели накопления повреждений: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 344 с.

7. Бойко В.И., Коваль Ю.Н. Анализ неразрушающих методов оценки усталостного повреждения металлов: Обзор / АН УССР. Препр. - Киев, 1982.-35 с.

8. Болотин В.В Прогнозирование ресурса машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

9. Вайнберг Д.В. Концентрация наряжений в пластинах около отверстий и выкружек. Киев: Техника, 1969. - 220 с.

10. Вафин Р.К. Теоретическая оценка параметров спектра нагружения трансмиссии гусеничных машин // Известия ВУЗов. Машиностроение. -1974,-№9.-С. 34-40.

11. Вафин Р.К. Оценка нагруженности дисков фрикционных элементов транспортных машин // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1977. - № 4. -С. 25 -32.

12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 320 с.147

13. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей М.: Наука, 1964. -432 с.

14. Воробьев А.З. и др. Сопротивление усталости элементов конструкций. М.: Машиностроение, 1990. - 240 с.

15. Гольд Б.В. Прочность и долговечность автомобиля. М.: Машиностроение, 1974. - 328 с.

16. Гусев A.C. и др. Надежность механических систем и конструкций при случайных воздействиях. М.: МГТУ «МАМИ», 2000. - 284 с.

17. Демидов С.П. Теория упругости. М.: Высшая школа, 1979. - 431 с.

18. Дмитриев А. А., Чобиток В. А., Тельминов А. В. Теория и расчет нелинейных систем подрессоривания гусеничных машин. М.: Машиностроение, 1976. - 207 с.

19. Дмитриченко С.С. Создание тракторов с минимальной металлоемкостью и требуемой прочностью // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2000. - №4. - С. 22 - 25.

20. Дмитриченко С.С. и др. Методы расчета на прочность тракторов и других машин // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2001. - №1. -С. 12-15.

21. Дмитриченко С. С. и др. Анализ применимости уравнений и исследование формы кривой усталости // Заводская лаборатория. Диагностика материалов — 2000. Т. 66, №10. - С. 41 - 53.

22. Дмитриченко С.С. Методы оценки и повышения долговечности несущих систем тракторов и других машин: Автореф. дис. на соискание ученой степени докт. техн. наук. М.: МВТУ, 1970. - 36 с.

23. Золотаревский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. - 350 с.

24. Зорин Д.В. Исследование достоверности методов оценки долговечности деталей транспортных машин // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2007. - № 10. - С. 34 - 40.148

25. Иванова B.C. Усталостное разрушение металлов. М.: Металлургиздат, 1963. - 258 с.

26. Иванова B.C., Терентьев В.Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975. - 456 с.

27. Иосилевич Г.Б. Детали машин. М.: Машиностроение, 1988 - 368 с.

28. Иосилевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. М.: Машиностроение, 1981. - 223 с.

29. Качанов JT.M. Основы механики разрушений. М.: Наука, 1974. - 311 с.

30. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / Под ред. А.П.Гусенкова; 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1993. - 364 с.

31. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин: Учеб. пособие для машиностр. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1991.-319с.

32. Когаев В.П. Усталость и несущая способность узлов и деталей при стационарном и нестационарном нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. - 134 с.

33. Когаев В.П., Махутов H.A., Гусенков А.П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: Справочник М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.

34. Когаев В.П. Определение надежности механических систем по условию прочности. М.: Знание, 1978. - Вып. 1, 2. - 48 с.

35. Коллинз Д. Повреждение материалов в конструкции. Анализ, предсказание, предупреждение: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. - 624 с.

36. Колмаков В.И. Основы теории, расчета и проектирования транспортных машин. Волгоград, 1972. - 134 с.

37. Конструкционная прочность материалов и деталей газотурбинных двигателей / Под ред. И.А.Биргера, Б.Ф.Балашова М.: Машиностроение, 1981.-222 с.149

38. Конструкционные материалы. В 3-х т. / Под ред. А.Т.Туманова М.: Советская энциклопедия, 1966. - Т. 1. - 416 е.; Т. 2. - 407 е.; Т. 3. - 528 с.

39. Костенко H.A. Прогнозирование надежности транспортных машин. -М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

40. Котиев Г.О. Прогнозирование эксплутационных свойств систем подрессоривания военных гусеничных машин: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: МВТУ, 2000. - 265 с.

41. Котиев Г.О., Зорин Д.В. Прогнозирование долговечности деталей транспортных машин // Мир транспорта. 2008. - № 1. - С. 4 - 9.

42. Кравчук B.C., Абу Айаш Юсеф, Кравчук A.B. Сопротивление деформированию и разрушению поверхностно-упрочненных деталей машин и элементов конструкций: Монография Одесса: Астропринт, 2000. - 160 с.

43. Ксеневич И.П. и др. Тракторы. Проектирование, конструирование и расчет. М.: Машиностроение, 1991. - 544 с.

44. Кудрявцев В.Н., Науменков Н.Е. Усталость сварных конструкций. -М.: Машиностроение, 1976. 212 с.

45. Кудрявцев В.Н. Детали машин. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980.-464 с.

46. Лейкин A.C. Напряженность и выносливость деталей сложной конфигурации. М.: Машиностроение, 1968. - 371 с.

47. Лукинский B.C., Зайцев Е.И. Прогнозирование надежности автомобилей. Л.: Политехника, 1991. - 224 с.

48. Лукинский B.C., Котиков Ю.Г., Зайцев Е.И. Долговечность деталей шасси автомобиля / Под общ. редакцией В.С.Лукинского Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. - 231 с.150

49. Маклинток Ф., Аргон А. Деформация и разрушение материалов. М.: Мир, 1970.-443 с.

50. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. - 399 с.

51. Никитин А.О., Сергеев JI.B. Теория танка. М.: Издание академии бронетанковых войск, 1962. - 585 с.

52. Орлов П.И. Основы конструирования. Справочно-методическое пособие в 3-х книгах. М.: Машиностроение, 1977. - Кн.1. Изд. 2-е, перераб. и доп.- 623 с.

53. Петерсон Р. Коэффициенты концентрации напряжений: Пер. с англ. -М.: Мир, 1977.-301 с.

54. Писаренко Г.С., Лебедев A.A. Сопротивление матриалов деформированию и разрушению при сложном напряженном состоянии. -Киев: Наукова думка, 1969. 209 с.

55. Почтенный Е.К. Прогнозирование долговечности и диагностика усталости деталей машин. Минск: Наука и техника, 1983. - 246 с.

56. Прочность, устойчивость, колебания: Справочник; В 3-х т. / Под ред. И.А.Биргера М.: Машиностроение, 1968. - Т.1. - 831 с.

57. Расчеты на прочность в машиностроении / С.Д.Пономарев, В.Л.Бидерман, В.М.Макушин и др. М.: Машгиз. - 1956. - Т. 1. - 884 с. ; 1958. - Т. 2. - 974 е.; 1959,- Т. 3. - 1118 с.

58. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1989. - 496 с.

59. Решетов Д.Н., Иванов A.C. ,Фадеев В.З. Надежность машин. М.: Высшая школа, 1988. - 238 с.151

60. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.: Машиностроение, 1976. -215 с.

61. Серенсен C.B. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. Учеб. Пособие для вузов. М.: Атомиздат, 1975. - 192 с.

62. Серенсен C.B., Буглов Е.Г. О вероятностных представлениях переменной нагруженности деталей машин // Вестник машиностроения. -1960. №10. - С. 10-17; №11.- С. 23-32.

63. Серенсен C.B. Квазистатическое и усталостное разрушение материалов и элементов конструкций: Избр. тр.; В 3 т. Киев: Наукова думка, 1985. - Т. 3.-232 с.

64. Серенсен C.B., Когаев В.П., Шнейдерович В.М. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1976. - 488 с.

65. Валы и оси / C.B.Серенсен, С.Б.Громан, В.П.Когаев и др. М.: Машиностроение, 1970. - 319 с.

66. Силаев A.A. Спектральная теория подрессоривания транспортных машин. М.: Машиностроение, 1972. - 192 с

67. Снегоходные машины. Горький: Волго-Вятское кн. изд-во, 1986. -191 с.

68. Сопротивление усталости элементов конструкций / А.З.Воробьев, Б.И.Олькин, В.Н.Стебенев и др. М.: Машиностроение, 1990. - 240 с.

69. Сосновский JI.A. Статистическая механика усталостного разрушения. -Мн.: Наука и техника, 1987. 288 с.

70. Сарач Е.Б. Метод выбора характеристик системы подрессоривания с нецелым числом степеней свободы для быстроходной гусеничной машины: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: МГТУ, 2003.- 150 с.

71. Степнов М.Н. Статистические методы обработки механических испытаний. М: Машиностроение, 1985. - 232 с.152

72. Сызранцев В.Н., Голофаст C.JI. Измерение циклических деформаций и прогнозирование долговечности деталей по показаниям датчиков деформаций интегрального типа. Новосибирск: Наука, 2004. - 206 с.

73. Сызранцев В.Н. Методы экспериментальной оценки концентрации циклических деформаций и напряжений на поверхности деталей машин: Учеб. пособие. Курган: РИО КМИ, 1993. - 83 с.

74. Теория и конструкция танка / Под ред. П. П. Исакова- М.: Машиностроение, 1985. Т. 6. Вопросы проектирования ходовой части военных гусеничных машин. - 244 с.

75. Трощенко В.Т. Усталость и неупругость металлов. Киев: Наукова думка, 1971. - 268 с.

76. Усталостная прочность и долговечность самолетных конструкций /Перевод с английского под общей редакцией И.И.Эскина М.: Машиностроение, 1965. - 589 с.

77. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. Учебник для ВУЗов. М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. - 523 с.

78. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов ; В 2-х ч. 3-е изд. М.: Машиностроение, 1974. - Ч. 1. - 470 е.; Ч. 2. - 360 с.

79. Шалыгин A.C., Палагин Ю.И. Прикладные методы статистического моделирования. Д.: Машиностроение, 1986. - 320 с.

80. Шнейдерович P.M. Прочность при статическом и повторно-статическом нагружениях. М.: Машиностроение, 1968. - 343 с.

81. Яценко H.H. Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых автомобилей. -М.: Машиностроение, 1972. 372 с.153

82. Dhir A., Sankar S. Analitical model for dynamic simulation of off-road Tracked Vehicles // Vehicle system dynamics. 1994 - № 24. - P. 26-49.

83. Dhir A., Sankar S. Analitical wheel models for dynamic simulation of off-road tracked vehicles// Vehicle system dynamics. 1997 - № 27. - P. 37-63.