Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

СІЛЬСЬКОГО ГОСПОДАРСТВА ІМЕНІ ПЕТРА ВАСИЛЕНКА

УДК 631.3-192; 629.114.2

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ВЕДУЧИХ МОСТІВ СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИХ АГРЕГАТІВ ОБҐРУНТУВАННЯМ РЕСУРСОВИЗНАЧАЛЬНИХ ТЕХНІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нікітенко Юрій Дмитрович

Харків 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному технічному університеті сільського господарства імені Петра Василенка Міністерства аграрної політики та продовольства України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Гринченко Олександр Степанович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, доцент кафедри “Міцність та надійність машин ім. В.Я.Аніловича”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Бойко Анатолій Іванович, Національний університет біоресурсів і природокористування України, завідувач кафедри надійності техніки

кандидат технічних наук, доцент Романюк Григорій Семенович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка доцент кафедри технічного сервісу машин

Захист відбудеться “28” жовтня 2011 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01 у Харківському національному технічному університеті сільського господарства ім. Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка за адресою: 61002, м. Харків, вул. Артема, 44.

Автореферат розісланий “24” вересня 2011 р

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.832.01

доктор технічних наук, професор О.Д. Черенков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Зростаючі вимоги до конкурентоздатності вітчизняних сільськогосподарських агрегатів (СГА) потребують безперервного підвищення їх надійності. Вплив на надійність машини в цілому чинять основні (базові) елементи, які є ресурсовизначальними, оскільки вони витримують значні динамічні навантаження, які призводять до відмов. Використання існуючих інженерних методів розрахунку не дозволяє з достатньою точністю оцінити довговічність елементів машини при проектуванні. Тому підвищення працездатності СГА, а також створення перспективних моделей з високими ресурсними показниками можливе лише на основі науково обґрунтованих рекомендацій, які виходять з вивчення процесів спрацювання і накопичення втомних пошкоджень елементів.

Ведучі мости СГА відносяться до трансмісійних елементів, які одночасно є несучими і мають довговічність, що не відповідає сучасним вимогам. Ремонт, обумовлений механічними відмовами погіршує економічні показники, а інші відмови потребують трудомісткого технічного обслуговування. Відмови в експлуатації можуть привести до аварійних ситуацій. Тому виявлення причин і закономірностей виникнення відмов ведучих мостів СГА, та обґрунтування зміни їх технічних параметрів з метою підвищення надійності є актуальним науково-практичним завданням для розвитку сільськогосподарського машинобудування України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження вирішують задачу забезпечення надійності технологічних процесів сільськогосподарського виробництва і були спрямовані на реалізацію Державної програми “Виробництво технологічних комплексів машин і устаткування для агропромислового комплексу в період 1998-2005 рр.”, розробленої згідно Постанови Кабінету Міністрів України від 01.12. 1997 року (ДР №1341) “Про розвиток сільськогосподарського машинобудування і забезпечення агропромислового комплексу конкурентноздатною технікою”; є розділом НДР ХНТУСГ “Підвищення і прогнозування надійності складної сільськогосподарської техніки на основі конструктивного вдосконалення, поліпшення якості експлуатації, контролю виробництва окремих агрегатів і вузлів машин” (ДР №0196U018863, 2000-2010 рр.)

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів шляхом обґрунтування ресурсовизначальних технічних параметрів. Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання дослідження:

- провести аналіз статистичної інформації з надійності елементів ведучих мостів СГА в експлуатації й оцінити ресурсовизначальні показники довговічності;

- дослідити і оптимізувати напружено-деформований стан та підвищити механічну надійність несучих елементів ведучих мостів за рахунок зміни ресурсовизначальних конструктивних параметрів;

- розробити методичне забезпечення й спеціальне стендове обладнання для прискорених ресурсних випробувань ведучих мостів за ресурсозберігаючими технологіями;

- провести прискорені стендові випробування для обґрунтування параметрів модернізованих ведучих мостів, що забезпечують підвищену надійність;

- розробити методику підвищення довговічності редукторів ведучих мостів шляхом обґрунтування параметрів обкатки під навантаженням;

- впровадити в серійне виробництво розроблені конструкції ведучих мостів СГА. ведучий міст редуктор обкатка

Об'єкт дослідження - процес підвищення надійності ведучих мостів СГА та його зв'язок з ресурсовизначальними технічними параметрами елементів.

Предмет дослідження: підвищення надійності ведучих мостів СГА шляхом наукового обґрунтування ресурсовизначальних технічних параметрів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети і розв'язання поставлених завдань використані аналітичні,числові та експериментальні методи досліджень, які базуються на використанні методів теорії ймовірностей і математичної статистики, теорії контактної гідродинаміки мастила в зубчатому зачепленні, моделювання напружено-деформованого стану методом скінченних елементів.

Наукова новизна одержаних результатів:

Вперше:

- встановлено фактичний вплив сезонності введення в експлуатацію на характеристики процесу виникнення відмов ведучих мостів СГА і побудовані статистичні моделі їх надійності[1 - 3];

- одержані закономірності процесу зміни сумарного зазору в зубчастих передачах ведучих мостів залежно від режиму обкатування й виду змащувальних мастил [1, 3, 6];

- встановлені закономірності виникнення втомних руйнувань зварного з'єднання фланців з балкою корпусу та фланцевих болтових з'єднань колісного редуктора з картером ведучого моста, на основі яких виконано обґрунтування ресурсовизначальних конструктивних параметрів, що підвищує надійність ведучих мостів [3, 5, 9, 10].

Отримало подальший розвиток:

- скінченно-елементне моделювання напружено - деформованого стану корпусів ведучих мостів шляхом створення розрахункових моделей корпусів ведучих мостів [6, 7, 9, 10];

Практичне значення отриманих результатів. За результатами роботи розроблено та впроваджено в серійне виробництво ЗАТ «Лозівський ковальсько-механічний завод» модернізовані конструкції ведучих мостів СГА підвищеної довговічності. Економічна ефективність від впровадження наукових рішень становить 158 тис. грн., складовими якої є впровадження стендових ресурсних прискорених ресурсозберігаючих випробувань, збільшення ресурсу й осьового навантаження ведучих мостів, збільшення випуску модернізованих ведучих мостів (поставки в Росію - Орел, Челябінськ, Білорусію - Мінськ).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем одержані самостійно. У наукових працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок полягає у наступному: виконано збір фактичного матеріалу про надійність агрегатів ведучих мостів [1, 2], виконано експериментальні дослідження навантажень на ведучий міст та обробку результатів, виконані розрахунки на міцність та їх аналіз [3, 10], розроблено узагальнену регресійну модель довговічності вузлів ведучого моста [8, 10], розроблені й запроваджені нові конструкції випробувальних стендів [4, 5] вузлів ведучих мостів [6] та технології їх виготовлення [10].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації доповідалися на міжнародній науково - технічній конференції (МНТК) ХДТУСГ “Підвищення надійності відновлюваних деталей машин ”, у 2003 р.; на МНТК УкрЦВПТ “Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки й технологій для сільського господарства України ”, с. Дослідницьке, у 2003 р.; на МНТК «Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва» ХНТУСГ ім. Петра Василенка, в період 2007-2011 рр.

Публікації. Основний зміст і результати дисертаційної роботи опубліковано в 10 наукових статтях фахових видань рекомендованих ВАК України, у тому числі 4 - одноосібних, одержано 2 патенти України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел (161 найменування) і 6 додатків на 60 сторінках. Повний обсяг дисертації викладено на 205 сторінках (основна частина 145 сторінок), в тому числі містить 44 рисунків та 20 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ.

У вступі розкрита сутність і стан наукової проблеми, обґрунтована актуальність теми дисертації, зв'язок з науковими програмами, сформульована мета й основні задачі дослідження, наведено наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі «Аналіз літературних джерел та обґрунтування напрямку дослідження» викладено стан питання із забезпечення механічної надійності елементів машин, проведено аналіз робіт, присвячених різним аспектам забезпечення надійності ведучих мостів СГА, методам обкатування та припрацювання деталей машин.

Проблема забезпечення надійності машин розглядалася багатьма вітчизняними й іноземними вченими: В. Я. Аніловичем, А. І. Бойко, В. І. Рабиновичем, Н. Я. Говорущенко, І. С. Ждановським, Р.В. Кугелем, В.Г. Кухтовим, В. М. Міхліним, Б.В. Павловим, Л.В.Погорілим, В.Я. Сковородіним, Т. І. Рибаком, К. Капуром, Л. Ламберсоном та ін.

Проведеним аналізом відомих досліджень встановлено, що підвищення показників надійності ведучих мостів СГА складає багатофакторну проблему. Ведучий міст - це комплекс корпусних і передаточних вузлів. Від надійності корпусних вузлів залежить у першу чергу робота кінцевих редукторів і головної передачі. Одержання інформації про надійність шляхом прискорених стендових випробувань ведучих мостів й їхніх вузлів, а також наступне спільне оцінювання й одержання математичних моделей для прогнозу надійності і обґрунтування параметрів - головний напрямок робіт з підвищення працездатності цих деталей.

Інформація про відмови ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів одержана по машинах для розкидання органічних добрив РУН-15Б, агрегатах для поверхневого внесення рідких комплексних добрив і пестицидів АПВ-5, агрегатах для внутрішньо-ґрунтового внесення рідких комплексних добрив АВВ-5 і навантажувачах начіпних зі змінними робочими органами ПФП-2. Ведучі мости в них уніфіковані із трансмісіями колісних тракторів ХТЗ.

Встановлено, що найбільший ефект мають науково обґрунтовані конструкторсько - технологічні методи підвищення надійності, пов'язані з зміною параметрів конструкції вузла і технології його виготовлення. Таким чином, щоб підвищувати надійність ведучих мостів СГА необхідно вирішувати питання комплексно: проводити аналіз інформації про відмови в експлуатації, вивчати процеси, що призводять до виникнення відмов, розробляти технічні засоби і методи моделювання відмов. Цей інформаційно-методичний комплекс дозволяє цілеспрямовано модернізувати конструкцію і технологію виготовлення елементів мостів на основі наукового обґрунтування ресурсовизначальних технічних параметрів.

У другому розділі «Оцінка характеристик надійності ведучих мостів в експлуатації» проведено статистичний аналіз експлуатаційних даних і визначені показники надійності ведучих мостів СГА.

Показники надійності ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів визначалися окремо за даними про відмови в умовах рядової експлуатації в господарствах Дергачівського і Лозівського районів Харківської області.

Проведено аналіз рекламацій (вибірка складає 109 випадків відмов), що надходили в ВУЯ ЗАТ «ЛКМЗ», по руйнуванню шестірень ведучих мостів. Випадки руйнування шестірень ведучих мостів протягом року розподілені практично рівномірно (рис. 1, а). Але, якщо проаналізувати дати введення в експлуатацію мостів, що відмовили, то спостерігається сезонність у розподілі відмов шестірень (рис. 1, б).



а) б)

Рис. 1 Розподіл кількості відмов шестірень ведучих мостів у відсотках протягом року: а) по місяцях експлуатації агрегатів; б) по місяцях введення агрегатів в експлуатацію

Вперше встановлено, що найбільше відмов - 52% доводиться на зимовий та літній періоди, і 29% на весняно-осінній період уведення СГА в експлуатацію. Протягом перших періодів не відбувається якісного приробляння робочих поверхонь зубів шестірень за рахунок значної різниці в гідродинамічних показниках трансмісійних мастил.

Для визначення емпіричних функцій розподілу показників надійності використали методику обробки результатів випробувань із обмеженою тривалістю.

В якості теоретичних законів використовували двох і трьох параметричні розподіли Вейбулла, а при обробці даних про наробіток до відмов агрегатів ведучих мостів в умовах реальної експлуатації застосована суміш двох законів виду

(1)

де значення параметрів а₁, b₁, а₂, і b₂, визначалися за допомогою імовірнісного паперу, а потім параметр С за допомогою методу найменших квадратів.

У результаті обробки були одержані аналітичні залежності для функцій і щільностей розподілів, а також значення середнього наробітку до механічної відмови. За результатами досліджень агрегатів у реальній експлуатації в господарствах Дергачівського і Лозівського районів Харківської області функція розподілу наробітку до відмови має вигляд [3]:

(2)

Щільність розподілу наробітку до відмов:

(3)

Середній наробіток становить 2220 мото-год.

80% наробіток до відмов - 1334 мото год.

Окремо проведено аналіз даних про зношування редукторів ведучих мостів. Для виміру бічного зазору в редукторах використовували кутомір КИ-13909. Виміри проводили при різних положеннях вала щодо колеса зубчастого зчеплення. Відповідні щільності й функції розподілу зазорів представлені на рис. 2.

Рис. 2 Щільності розподілу зазору f₁, f₂, f₃ і функції розподілу зазору F₁, F₂, F₃, відповідно, у головній передачі, колісному редукторі, ведучому мості в цілому

На рис. 3. представлено залежність ймовірності безвідмовної роботи по відмовах, пов'язаних з зношуванням без урахування відмов, пов'язаних з виходом з ладу вузлів і деталей ведучих мостів з інших причин. Як видно з рис. 3, 80%-й наробіток до зносових відмов становить близько 3800 мото-год, медіанний наробіток - 7000 мото-год. За рахунок виключення відмов, не пов'язаних з зношуванням, можливо підвищити 80% наробіток до відмов ведучих мостів в 2,8 рази.

Рис. 3 Ймовірність безвідмовної роботи агрегатів ведучих мостів по зносових відмовах при граничному зазорі: 1 - 36^о; 2 - 40^о; 3 - 44^о

Ймовірність безвідмовної роботи ведучих мостів в залежності від наробітку визначається за допомогою функції нормального розподілу:

(4)

Де - граничне значення кутового бічного зазору, яке дорівнює від 36 ^о до 44^о; a₁, b₁, a₂, b₂ - параметри розподілу, які відповідно дорівнюють: а₁=18^о, b₁=3,7·10^-3 град/год, а₂=5,4°, b₂=2,4·10^-3 град/год; F₀(*) - функція нормального розподілу.

Аналіз експлуатаційної інформації і статистичних даних про параметри, що визначають надійність, дає змогу по характеру зміни сумарного зазору в зубчастих передачах ведучого моста побудувати модель для прогнозування наробітку до відмов ведучих мостів за результатами контролю цього параметра при виготовленні або капітальному ремонті, а також при обкатці під навантаженням. Дослідженнями установлено - ресурсовизначальний параметр зубчастих передач ведучих мостів - боковий зазор.

У третьому розділі «Розробка засобів і методик прискореної оцінки надійності ведучих мостів» розроблені засоби і методики прискореної стендової оцінки надійності ведучих мостів СГА.

Засоби для проведення прискореної оцінки надійності мають бути компактними, енергозберігаючими, простими в обслуговуванні з достатнім запасом по ресурсу елементів. Крім того, практика показує, що громіздкість стендів, а також низька їх надійність, викликана наявністю великої кількості складних елементів силового контуру (редуктори, навантажувачі, приводи та інш.), змушують збільшувати витрати на проведення випробувань.

Розроблені кінематичні схеми і конструкції стендів, які виконані зі замкненим силовим контуром, що забезпечує їх економічність і ресурсозберігаючу технологію проведення випробувань. Це дозволило зменшити витрати на проведення випробувань, підвищити надійність конструкцій стендів.

На основі виконаних досліджень розроблені стенди: для випробувань головних передач (рис. 4); колісних редукторів (а.с. СРСР №1558163) - рис.5; ведучих мостів у зборі (а.с. СРСР №1633305) - рис. 6, на яких одержані основні експериментальні результати роботи.

Рис. 4 Схема розробленого стенду для досліджень надійності головних передач: 1 - корпус; 2 - диференційний навантажувач; 3 - привід; 4 - елементи замкненого силового контуру; 5 - головні передачі

Рис. 5 Схема розробленого стенду для досліджень надійності колісних редукторів: 1 - корпус; 2 - привід; 3 - навантажувач; 4 - елементи замкненого силового контуру; 5 - колісні редуктори

Рис. 6 Схема розробленого стенду для досліджень працездатності ведучого моста в зборі: 1 -корпус; 2 - привід; 3 - елементи замкненого контуру; 4 - навантажувач; 5 - ведучі мости

Стендові дослідження спрямовані на одержання інформації про ресурс елементів ведучого моста, достатньої не тільки для порівняльної оцінки ефективності різних технологічних і конструктивних рішень, але й для прогнозування ресурсних показників при номінальних експлуатаційних режимах навантаження.

Методикою стендових випробувань елементів трансмісії забезпечувалось збереження товщини масляної плівки в зубчастих зачепленнях. Для визначення товщини масляної плівки при випробуваннях вперше розроблено методику застосування контактно-гідродинамічного розрахунку товщини масляної плівки.

Вперше виконано обґрунтування величини крутного моменту на ведучій шестірні головної передачі для проведення прироблення поверхонь зубів шестірень перед ресурсними випробуваннями вузлів ведучих мостів. Отримана залежність для максимально допустимого тиску у зубчастому контакті шестірень P_max при стендових дослідженнях з урахуванням контакно-гідродинамічних показників:

(5)

де - геометричний коефіцієнт, м; - коефіцієнт в'язкості, Нс/м; - швидкісний коефіцієнт, м/с; - коефіцієнт динамічності, м/Н; - коефіцієнт товщини масляної плівки, - допустима товщина масляної плівки в точці контакту (в полюсі), мкм, - середньоквадратична шорсткість поверхні зубців шестірень, мкм; - коефіцієнт напружень, Н; - пружна константа матеріалу шестірень, Нм/с²; коефіцієнт кривизни поверхонь зубців шестірень, 1/м; - коефіцієнт перекриття зубчатого зачеплення.

З формули (5) виходить, що максимально допустиме навантаження в зубчастому контакті перебуває в степеневій залежності з в'язкістю мастила. Чим більше його в'язкість - тим більше несуча здатність масляного клину. У процесі припрацювання зубів шестірень збільшується ширина площадки миттєвого пружного контакту, одночасно збільшуються приведені кривизни поверхонь зубів в ефективному напрямку. Це є підставою для послідовного підвищення граничного рівня максимального тиску в зубчастому зачепленні шестірень P_max. Таким чином, для стабілізації зростання взаємного контакту розраховується наступний навантажувальний рівень. І так доти, поки локалізований контакт не досягне всієї довжини зубів шестірень.

У четвертому розділі «Підвищення довговічності обґрунтуванням обкатки під навантаженням» наведено метод підвищення довговічності СГА шляхом обґрунтування параметрів обкатки під навантаженням.

В (5) показник величини шорсткості знаходиться в знаменнику. Тому для підвищення робочих навантажень в зубчастому зачепленні його значення доцільно зменшувати. Це забезпечується збільшенням швидкості росту зони контакту шестірень, і тим самим, зростає зона контакту в зубчастому зачепленні.

Проведеними натурними стендовими випробуваннями редукторів ведучих мостів СГА встановлено, що величина початкового бічного зазору в зубчастому зачепленні головної передачі забезпечує максимальну тривалість роботи та становить 0,4-0,7 мм. Відколи зубів шестірень головних передач відбуваються при твердості їх серцевини більше 45 HRC. Мінімальна твердість поверхні зубів шестірень, що забезпечує високу зносостійкість, дорівнює 53 HRC. Значне зниження довговічності головних передач викликається биттям зубчастого вінця вала, що сягає величини 0,5 мм.

Застосування активних мастильних рідин, що містять речовини, які інтенсивно адсорбуються поверхнями контактованого металу, завжди викликає в більшому або меншому ступені, підвищення якості контактованої поверхні. Ефект дії адсорбуючих компонентів мастильної рідини сприяє сильному зниженню твердості деформованої зони внаслідок проникнення адсорбованих шарів у мікрощілини зони деформацій. При подальшій експлуатації має місце підвищення твердості цієї зони в міру її зміцнення, а внаслідок зміни мікростуктури - формування деформованих зерен уздовж площин ковзання.

Порівняльні дослідження виконані на стендовому обладнанні (рис.7). Досліджувалась дія активних мастильних рідин при роботі шестірень головних передач по наступних варіантах: трансмісійне мастило - ТАП 15В; гідравлічне мастило ВНДІ - НП 403 (зміст сульфола не менш 5,0%).

Як діагностичні параметри при випробуваннях використовувались зміна бічного зазору між зубами шестірень головної передачі і температура мастила. Дослідженнями на базовому мастилі ТАП 15В встановлено, що середній наробіток до граничного напрацювання в стендовому режимі 167 годин, а інтенсивність зношування становить 0,0052 мм на 100 годин випробувань.

Рис. 7 Розроблене стендове обладнання для випробування головних передач ведучих мостів СГА

Припрацювання зубів шестірень триває в середньому 24 години випробувань і виконується при послідовній зміні навантаження по рівнях I-0,5 М_max; II-0,75 М_max та III-М_max (Рис. 8). Рівноважна температура мастила при випробуваннях перебувала в інтервалі 72...76^оС. Із застосуванням як обкатного середовища гідравлічного мастила ВНДІ НП-403 час обкатування скоротився в середньому до 7 годин. Усталена температура мастила знизилася до 61…66^оС. Зниження температури мастила свідчить про швидке мікропластичне зминання нерівностей зубів шестірень, зниження їхньої шорсткості й тим самим зниження коефіцієнта тертя зубів шестірень головної передачі.

Рис. 8 Зміна температури картерного мастила при обкатці під навантаженням на мастилах: 1 - ТАП-15В, 2 -ВНДІ НП 403, I, II, III - рівні навантаження

Середній наробіток до граничного напрацювання на стенді при цьому склав 242 год., при базі стендових випробувань 256 год. (в еквіваленті до 10 тис. мото годин в експлуатації).

Одержані нові закономірності процесу зміни сумарного зазору в зубчастих передачах ведучих мостів залежно від режиму обкатування й виду змащувальних мастил.

У п'ятому розділі «Підвищення надійності несучих елементів ведучих мостів» наведено дослідження по підвищенню надійності несучих елементів ведучих мостів обґрунтованою зміною ресурсовизначальних конструктивних параметрів. За одержаними результатами експлуатації найбільш істотними недоліками несучих елементів ведучих мостів є недостатня довговічність зварного з'єднання фланців з балкою, а також низька надійність фланцевого болтового з'єднання колісного редуктора з картером ведучого моста, яка обумовлена випадками ослаблення затяжки й руйнування болтів під час експлуатації.

Дослідження напружено - деформованого стану фланцевого закінчення корпуса викликано необхідністю зміни конструктивних параметрів, спрямованої на підвищення надійності. Рішення цієї задачі проведено за допомогою методу скінченних елементів, що дозволило з високим ступенем точності оцінити розподіл напружень у небезпечному перерізі. Розглянута осесиметрична задача з несиметричним навантаженням.

Зовнішні навантаження прикладені таким чином, що запишемо сили на одиницю довжини по колу для вузлових сил (рис.9). В силу того що фланець виготовлений із ізотропного матеріалу, то зв'язок між деформаціями та напруженнями має вигляд:

(6)

(7)

Де:

и - компоненты тензора напружень;

в- температурний коефіцієнт лінійного розширення;

T- збільшення температури;

E - модуль пружності;

г - коефіцієнт Пуассона;

G- модуль здвигу.

Вираз, зворотний залежності (6) має вигляд:

? (8)

де [C] = [D]^-1 - матриця пружності.

Зовнішні навантаження на фланці корпуса моста запишемо в вигляді гармонічних складових. Застосуємо тільки вирази для вузлових сил, запишемо їх на одиницю довжини по колу (рис 9) в вигляді:

И И И

Рис. 9 Схематизація зовнішніх навантажень на кільцевий скінчений елемент

а)

б)

Рис. 10 Скінченно - елементні моделі і графіки розподілу напружень

по довжині фланця і у перерізі А-А зварного з'єднання: a) - серійного варіанту, б) - розробленого варіанту

Для розрахунку напружено - деформованого стану досліджуваний об'єкт апроксимували торовидними скінченними елементами з трьома вузлами (див. рис. 10,а). Модернізований варіант конструкції картера моста з зміненими геометричними параметрами наведено на (див. рис. 10,б). Шляхом комп'ютерного моделювання на основі метода скінченних елементів обґрунтовані зміни параметрів конструкції фланців, що знизили максимальні напруження на 30%.

При стендових випробуваннях на втому досліджуваних об'єктів отримані наступні результати. Рівняння кривої втоми зварного з'єднання фланців з балкою моста для серійних корпусів СГА при коефіцієнті асиметрії 0,33 має вигляд:

(9)

де - циклічна довговічність, - максимальне навантаження циклу (кН) при випробуваннях.

Рівняння кривої втоми зварного з'єднання фланців з балкою моста для модернізованих корпусів СГА має вигляд:

(10)

Для серійних і модернізованих зварних з'єднань фланців моста з корпусом одержані середні значення границь витривалості по навантаженнях, відповідно 39 кН й 72 кН (рис.11,а).

Підвищення втомної міцності зварного з'єднання дозволило збільшити його втомну довговічність в 1,6 разів. Новизна розробки захищена патентом України №11635.

а) б)

Рис. 11 Графіки кривих втоми для модернізованого (1) і серійного (2) варіантів: а) зварне з'єднання фланців моста з корпусом; б) фланцеве болтове з'єднання корпуса моста

Дослідження по підвищенню надійності фланцевого болтового з'єднання корпуса моста викликано необхідністю зміни конструктивних параметрів. Рішення цієї задачі виконано за допомогою розрахунків параметрів і натурних випробувань болтового фланцевого з'єднання для двох варіантів: серійного - (8 болтів) М20 і модернізованого - (12 болтів) М16. Для одержання параметрів втомної довговічності болтові з'єднання фланців випробовували за допомогою спеціально розробленого оснащення на електрогідравлічній випробувальній машині УРС 50/50.

Виявлені нові закономірності втомної довговічності фланцевих болтових з'єднань корпусів ведучих мостів.

Рівняння кривої втоми фланцевого з'єднання з болтами М16 має вигляд:

(8)

Рівняння кривої втоми фланцевого з'єднання з болтами М20 має вигляд:

(9)

Границя витривалості модернізованого варіанту різьбового з'єднання збільшилась з 42 до 86 кН (див. рис.11,б). Середній наробіток до відмови фланцевого болтового з'єднання, виконаного з дванадцятьма болтами М16, розташованими на діаметрі 195 мм, у два рази більший, ніж в серійному варіанті з болтами М20. Новизна розробки захищена патентами України №№11634, 12042, осьове навантаження науково обґрунтованих конструкцій становить 140 кН.

Загальний економічний ефект від впровадження результатів досліджень на ЗАТ «Лозівський ковальсько-механічний завод», складає 158 тис. грн. при річній програмі випуску 2 тис. ведучих мостів СГА.

ВИСНОВКИ

В дисертації наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукового завдання, що виявляється в створеному моделюванні процесів виникнення відмов ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів, при прискорених стендових випробуваннях, і обкатці під навантаженням редукторів і математичному моделюванні при обґрунтуванні ресурсовизначальних технічних параметрів. Це дозволило підвищити надійність зварних корпусів, фланцевих болтових з'єднань і в цілому впровадити модернізовані конструкції, стенди і методики в серійне виробництво ЗАТ «Лозівський ковальсько-механічний завод».

1. Визначено фактичний вплив фактора сезонності введення агрегату в експлуатацію на кількість відмов шестірень редукторів ведучих мостів. Встановлено, що найбільша кількість відмов - 52% доводиться на зимній та літній періоди, і 29% на весняно-осінній періоди вводу в експлуатацію СГА. Проведеним аналізом статистичної інформації з надійності елементів ведучих мостів СГА в експлуатації встановлено, що середній наробіток до відмови становить 2220 мото-год., а 80% наробіток 1334 мото-год. Встановлено також, що виключення відмов, не пов'язаних зі зношуванням може дозволити підвищити 80%-ий наробіток до відмови ведучих мостів в 2,8 разів. Для підвищення надійності ведучих мостів СГА необхідно виконати теоретичні і експериментальні дослідження, які дозволяють виключити відмови, пов'язані з втомним руйнуванням несучих елементів ведучих мостів і довести 80%-ий наробіток до відмови до 3800 мото год., а медіанний до 7000 мото год.

2. Розроблені засоби та методики прискореної стендової оцінки надійності ведучих мостів СГА, нові конструкції стендів, які виконані з замкненим силовим контуром, що забезпечує їх економічність і ресурсозберігаючу технологію проведення випробувань.

3. Довговічність несучих елементів ведучих мостів лімітується втомною міцністю зварних з'єднань фланців з корпусом балки моста. Шляхом комп'ютерного моделювання на основі метода скінченних елементів обґрунтовано ресурсовизначальний параметр конструкції фланців - 142. Збільшення цього діаметру до 158 дозволило знизити максимальні напруження в корні зварного шва приварки фланців на 30%. Вперше одержано параметри кривої втоми для зварного з'єднання фланців з корпусом балки моста. Випробовуванням модернізованої конструкції копуса моста підтверджено, що довговічність корпуса моста при цьому збільшилась в 1,6 разів.

4. Теоретично обґрунтовані нові ресурсовизначальні конструктивні параметри різьбового фланцевого з'єднання колісного редуктора з корпусом моста. Ці параметри - встановлення 12 болтів М16 на 195. Вперше одержані параметри кривої втоми для модернізованого з'єднання фланців. В результаті проведених робіт довговічність фланцевого з'єднання підвищена більш ніж у 2 рази.

5. При обґрунтуванні ресурсовизначальних параметрів обкатки під навантаженням ведучих мостів вперше застосовано розрахунок максимального навантаження головної передачі ведучого моста з урахуванням контактно-гідравлічних показників мастила. Розроблена методика дає змогу раціонально проводити силову обкатку ведучих мостів для підвищення їх ресурсу. Швидке мікропластичне зминання нерівностей зубів шестірень, зниження іх шорсткості й тим самим коефіцієнта тертя підвищує ресурс в 1,45 разів (в еквіваленті до 10 тис. мото-год. в експлуатації).

6. Дослідженнями підтверджено, що по ряду показників (шорсткість робочих поверхонь зубів шестірень, інтенсивність зношування, стабілізація питомих енергетичних втрат на тертя) кращим є обкаточне мастило - гідравлічне ВНДІ НП-403 (вміст сульфола не менш 5,0%). Ресурсовизначальний параметр, що забезпечує оптимальне приробляння - коефіцієнт товщини масляного шару в полюсі зачеплення зубів шестірень, який дорівнює 1,5.

7. Розроблені конструкції зварного з'єднання фланців з корпусом балки моста, стендів для випробувань ведучих мостів у зборі і їх вузлів (головних передач і колісних редукторів), болтове фланцеве з'єднання впроваджені в серійне виробництво корпусів мостів на ЗАТ «Лозівський ковальсько-механічний завод». Економічна ефективність від впровадження наукових рішень становить 158 тис. грн., складовими якої є впровадження стендових ресурсних прискорених ресурсозберігаючих випробувань, збільшення ресурсу й осьового навантаження ведучих мостів, збільшення випуску модернізованих ведучих мостів (поставки в Росію - Орел, Челябінськ, Білорусію - Мінськ).

СПИСОК ОСНОВНИХ ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гринченко А.С. Повышение ресурса шестерен ведущих мостов трактора методами силовой обкатки / А.С. Гринченко, Ю.Д. Никитенко // Вісник ХДТУСГ, 2003. Вип.15. С. 39-45. (Здобувачем виконано експериментальні дослідження та обробка результатів).

2. Никитенко Ю.Д. Повышение работоспособности ведущих мостов тракторов класса 30кН / Вісник ХДТУСГ, 2004. Вип. 29. с. 85-91.

3. Гринченко А.С. Повышение надежности ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов на основе моделирования процессов возникновения отказов / А.С. Гринченко, Ю.Д. Никитенко // Вісник ХДТУСГ, 2010. Вип.100. С. 252-259. (Здобувачем виконано численні дослідження ресурсовизначаючих параметрів та обробка результатів).

4. Никитенко Ю.Д. О повышении надежности ведущих мостов методами ускоренных стендовых испытаний // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України: Збірник наукових праць / Укр. НДІ прогнозування техніки і технологій для с.-г. виробництва імені Л. Погорілого. Дослідницьке, 2003. Вип. 6 (20), кн. 2. С. 213-219.

5. Гринченко А.С. Средства и методы ускоренных испытаний, обеспечивающие повышение надежности ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов / А.С. Гринченко, Ю.Д. Никитенко // Вісник ХДТУСГ, 2007. Вип.67, том 1. С. 209-214. (Здобувачем виконано експериментальні дослідження та обробка результатів).

6. Никитенко Ю.Д. Повышение надежности ведущих мостов на этапе доводки конструкции / Вісник ХДТУСГ, 2007. Вип. 51. С. 85-91. (Здобувачем виконано експериментальні дослідження та обробка результатів).

7. Гринченко А.С. Повышение надежности ведущих мостов с использованием метода конечных элементов / А.С. Гринченко, А.Н. Алферов, Ю.Д. Никитенко // Вісник ХДТУСГ, 2009. Вип.76. С. 83-87. (Здобувачем виконано дослідження експериментальних даних та обробка результатів).

8. Никитенко Ю.Д. Повышение надежности ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов / Ю.Д. Никитенко, А.П. Лупандина, Б.Г. Парахненко // Вісник ХДТУСГ, 2011. Вип.114. С. 247-252. (Здобувачем виконано численні дослідження ресурсовизначаючих параметрів та обробка результатів).

9. Гринченко А.С. Разработка функционала оптимизации корпусных єлементов трансмиссии / А.С. Гринченко, Ю.Д. Никитенко // Вісник ХДТУСГ, 2009. Вип.76. С. 137-142. (Здобувачем виконано численні дослідження експериментальних даних та обробка результатів).

10. Никитенко Ю.Д. Исследование нагруженности и усталосной прочности фланцевого окончания корпуса моста трактора Т-150К / Ю.Д. Никитенко. [“Динамика и прочность машин”]. Сб. научн. тр. Харьков:НТУ “ХПИ”, 2003. № 12'2003, т.1. С. 90-98.

Додаткові публікації

11. Пат. України на промисловий зразок №11635, 12-16. Картер ведучого моста трактора / Нікітенко Ю.Д, заявник і патентообладач ВАТ Лозівський ковальсько-механічний завод. s200500015, заявл. 06.01.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл. №2.

12. Пат. України на промисловий зразок №11634,.12-16. Цапфа ведучого моста трактора / Нікітенко Ю.Д, заявник і патентообладач ВАТ Лозівський ковальсько-механічний завод. s200500014, заявл. 06.01.2005; опубл. 15.02.2006, Бюл. №2.

АНОТАЦІЯ

Нікітенко Ю.Д. Підвищення надійності ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів обґрунтуванням ресурсовизначаючих технічних параметрів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка. Харків, 2011.

У дисертації вирішено науково-технічну проблему, яка направлена на підвищення довговічності ведучих мостів сільськогосподарських агрегатів обґрунтуванням ресурсовизначаючих технічних параметрів.

Для підвищення працездатності ведучих мостів запропонована методика обкатування ведучих мостів з додаванням вільної сірки в мастило. На підставі зібраного фактичного матеріалу розроблена статистична модель ресурсу ведучого моста сільськогосподарського агрегату й отримана математична модель, що дозволяє можливість прогнозувати стан ведучого моста з оцінкою його 80 - процентного ресурсу.

Розроблено і впроваджена методика обкатування під навантаженням головних передач на основі гідродинамічного розрахунку в полюсі зчеплення спіральних конічних зубів шестірень.

Розроблено методику й стенд для випробувань планетарних колісних редукторів ведучих мостів транспортних засобів.

Для проведення обкатування під навантаженням розроблені й впроваджені стенди, захищені авторськими посвідченнями.

При розробці більшості зазначених методик використалися методи статистичного моделювання. Основні результати роботи знайшли застосування на ЗАТ «Лозівський ковальсько - механічний завод» м.Лозова, Харківської області. На ЗАТ «Лозівський ковальсько-механічний завод» економічний ефект від впровадження наукових розробок здобувача склав 158 тис. грн.

Ключові слова: сільськогосподарські агрегати, ведучі мости, надійність, довговічність, ефективність, ресурсозбереження.

АННОТАЦИЯ

Никитенко Ю.Д. Повышение надежности ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов обоснованием ресурсоопределяющих технических параметров. - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства имени Петра Василенко. Харьков, 2011.

В диссертации решена научно-техническая проблема, которая направлена на повышение долговечности ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов обоснованием ресурсоопределяющих технических параметров. Проведено теоретическое обобщение и новое решение научной задачи, которая состоит в создании моделирования процессов возникновения отказов ведущих мостов сельскохозяйственных агрегатов при ускоренных стендовых ресурсных испытаниях и обкатке под нагрузкой редукторов и математическом моделировании при обосновании ресурсоопределяющих технических параметров. Это позволило повысить надежность сварных корпусов ведущих мостов, фланцевых болтовых соединений и в целом внедрить модернизованные конструкции, ресурсосохраняющие стенды и методики в серийное производство ЗАО «Лозовский кузнечно-механический завод», увеличить объемы производства и номенклатуру ведущих мостов. Модернизированные ведущие мосты поставляются в зарубежные страны - Белоруссию (г. Минск, Амкодор), Россию - г. Орел, г. Челябинск.

Определено влияние фактического фактора сезонности при введении агрегата в эксплуатацию на количество отказов шестерен редукторов ведущих мостов. Установлено, что максимальное количество отказов - 52% приходится на зимний и летний периоды, и 29% на весенне-осенний периоды ввода в эксплуатацию СГА. Проведенный анализ статистической информации о надежности элементов ведущих мостов СГА в эксплуатации установлено, что средняя наработка на отказ составляет 2220 мото-часов, а 80% наработка 1334 мото-часов. Установлено также, что исключение отказов, не связанных с изнашиванием может позволить повысить 80%-ую наработку на отказ ведущих мостов в 2,8 раз. Для повышения надежности ведущих мостов СГА необходимо выполнены теоретические и экспериментальные исследования, которые позволили исключить отказы, связанные с усталостными разрушениями несущих элементов ведущих мостов и довести 80%-ую наработку на отказ до 3800 мото часов, а медианный ресурс до 7000 мото часов.

Разработанные средства и методики ускоренной ресурсной стендовой оценки надежности ведущих мостов СГА, ресурсосохраняющие конструкции стендов, которые выполнены с замкнутым силовым контуром, который обеспечивает их экономичность и ресурсосхраняющую технологию проведения испытаний.

Долговечность несущих элементов ведущих мостов лимитируется усталостной прочностью сварных соединений фланцев с корпусом балки моста. Путем компьютерного моделирования на основе метода конечных элементов обоснованы изменения ресурсоопределяющих параметров конструкции фланцев корпусов мостов, которые позволили снизить максимальные напряжения в корне сварного шва на 30%. Впервые получены параметры кривой усталости для сварного соединения фланцев с корпусом балки моста. Испытания модернизированной конструкция подтверждают, что долговечность корпуса моста при этом увеличилась в 1,6 раз.

Теоретически обоснованны новые ресурсоопределяющие конструктивные параметры резьбового фланцевого соединения колесного редуктора с корпусом моста. Впервые полученные параметры кривой усталости для модернизованного соединения фланцев. В результате проведенных работ долговечность фланцевого соединения повышена более чем в 2 раза.

При обосновании параметров силовой обкатки ведущих мосты впервые применены расчет максимального нагрузки главной передачи ведущего моста с учетом контактно-гидравлических показателей смазочного масла. Разработанная методика дает возможность рационально проводить обкатку ведущих мостов под нагрузкой для повышения их ресурса. Быстрое микропластическое смятие неровностей зубьев шестерен, снижение их шероховатости и тем самым коэффициента трения повышает ресурс в 1,45 раз (в эквиваленте до 10 000 мото часов в эксплуатации).

Исследованиями подтверждают, что по ряду показателей (шероховатость рабочих поверхностей зубьев шестерен, интенсивность изнашивания, стабилизация удельных энергетических потерь на трение) лучшим для обкатки под нагрузкой есть масло - гидравлическое ВНИИ НП-403 (содержимое сульфола не менее 5,0%). Ресурсоопределяющий параметр, который обеспечивает оптимальную приработку - расчетный коэффициент толщины масляного слоя в полюсе сцепления зубьев шестерен равный 1,5.

При разработке большинства указанных методик применялись методы статистического моделирования. Основные результаты работы нашли применение на ЗАО «Лозовский кузнечно - механический завод» г.Лозовая, Харьковской области. На ЗАО «Лозовский кузнечно-механический завод» экономический эффект от внедрения научных разработок соискателя составил 158 тыс. грн..

Ключевые слова: сельскохозяйственные агрегаты ведущие мосты, надежность, долговечность, эффективность, ресурсосохранение.

SUMMARY

Nikitenko YU.D. Increase of reliability of leading bridges of agricultural units a substantiation of change of technical parameters. - The Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of Cand.Tech.Sci. on a speciality 05.05.11 - Cars and means of mechanisation of an agricultural production. - the Kharkov national technical university of agriculture of a name of Peter Vasilenko. Kharkov, 2011.

In the dissertation the scientific and technical problem which is directed on increase of durability of leading bridges of agricultural units is solved.

For increase of work capacity of leading bridges the offered technique of a power running in of leading bridges with addition of free sulphur in a grease oil. On the basis of the assembled actual material the developed statistical model of a resource of the leading bridge of the agricultural unit also is received mathematical model which allows possibility to predict a camp of the leading bridge with its estimation 80 - a percentage resource. For the first time influence of seasonal prevalence of input СГА in operation on its reliability is proved.

It is developed and the entered technique of a power running in of final drives on the basis of hydrodynamic calculation in a pole of clutch of spiral conical teeths of pinion gears. The technique and the stand is developed for tests of planetary wheel reducers of leading bridges of vehicles. For carrying out of a power running in stands are developed and introduced, protected by copyright certificates.

By working out of the majority of the specified techniques methods of statistical modelling were used. The basic results of work have found application: - at manufacturing of leading bridges on Joint-Stock Company «Lozovsky forge - mechanical factory» Lozova, the Kharkov area. On Joint-Stock Company «Lozovsky forge-mechanical factory» economic benefit of introduction of scientific workings out of the competitor has made 158 thousand UAN.

Keywords: Agricultural units leading bridges, reliability, durability, efficiency, preservation of resources.

Размещено на Allbest.ru

...