Размещено на http://allbest.ru

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

УДК 631.3:669.539

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ОПТИМІЗАЦІЯ ЗА ТРІЩИНОСТІЙКІСТЮ ЕЛЕМЕНТІВ ЗАМКНУТОГО ПРОФІЛЮ РАМИ САМОХІДНОЇ КОРЕНЕЗБИРАЛЬНОЇ МАШИНИ КС-6Б

05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

СТАШКІВ МИКОЛА ЯРОСЛАВОВИЧ

Тернопіль - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:доктор технічних наук, професор, заслужений працівник освіти України Рибак Тимофій Іванович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, проректор з навчально-науково-виробничих комплексів і зовнішньо-університетської діяльності, завідуючий кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор

Когут Микола Степанович,

Львівський державний аграрний університет, завідуючий кафедри технології металів, м. Дубляни

кандидат технічних наук, доцент

Дідух Володимир Федорович,

Луцький державний технічний університет, завідуючий кафедри сільськогосподарського машинобудування, м. Луцьк

Провідна установа:Харківський державний технічний університет сільського господарства Міністерства аграрної політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “ 11 ” грудня 2003 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д58.052.02 з захисту докторських дисертаційних робіт у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56, ауд. 79.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя, 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий “_7_” листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ П. В. Попович

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На даний час проблема надійності рамних конструкцій машин актуальна для багатьох галузей машинобудування. В агропромисловому комплексі України дана проблема найбільш гостра: сільськогосподарські машини, агрегати і комплекси працюють у важких рельєфних і кліматичних умовах на жорстких підвісках, основні тримкі елементи яких переважно виготовляються з чорних металів з низькими механічними характеристиками.

У більшості конструкцій сільськогосподарських машин та потужних коренезбиральних комплексів базовою збірною одиницею є тримка рама, яка складає до 40% від металомісткості усієї машини і, у більшості випадків, визначає ресурс її роботи. Тому вже на стадіях конструювання і розрахунку тримких конструкцій сільськогосподарських машин необхідно застосовувати найновітніші досягнення науки про міцність конструкційних матеріалів, зварних з'єднань елементів і компоновки машини вцілому.

Існуючі традиційні методи оцінки міцності та розрахунку ресурсу роботи металоконструкцій не враховують наявність дефектів, як початкових, так і набутих у процесі експлуатації. Тому такий підхід інколи дає хибні результати щодо міцності тримких конструкцій і прогнозованого строку служби машин.

Виходячи з цього, на сучасному рівні проектування сільськогосподарської техніки, зокрема коренезбиральних машин, необхідні розробки більш досконалих методів розрахунку, які враховують реальні умови експлуатації та технологію виготовлення конструкції, а також забезпечують створення певної бази критеріїв оцінки міцності тримких систем, що у підсумку забезпечує їх оптимізацію за тріщиностійкістю при дотриманні необхідного ресурсу роботи.

Розгляду цих актуальних проблем і присвячена дисертаційна робота, яка має важливе народногосподарське значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження за темою дисертаційної роботи виконувалися згідно з науково-дослідною тематикою кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя при виконанні держбюджетної науково - дослідної роботи ДІ 87-2000 “Прогнозування ресурсу роботи типових конструкційних елементів мобільних сільськогосподарських машин” (номер державної реєстрації 0100U000786).

Роль автора у виконанні дослідних робіт полягала у проведенні теоретичних досліджень з визначення напружено - деформованого стану та ресурсу роботи тонкостінних елементів замкнутого профілю тримких конструкцій коренезбиральних машин з врахуванням їх реальної навантаженості, отриманої підчас польових випробувань; розробці математичної моделі кінетики поширення (розвитку) кутової наскрізної тріщини у тонкостінному коробчатому профілі при дії бімоментів та згинальних моментів; удосконаленні експериментально - аналітичної методики досліджень динаміки навантаженості тримкої конструкції машини КС-6Б.

Мета і задачі досліджень. Метою досліджень є підвищення ресурсу роботи тримких конструкцій коренезбиральних машин шляхом оптимізації за тріщиностійкістю їх тонкостінних елементів замкнутого профілю.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

1. Визначення реальної динаміки навантаженості тримкої конструкції машини КС-6Б в натурних умовах експлуатації.

2. Дослідження загального напружено - деформованого стану тримкої конструкції з тонкостінних елементів із врахуванням дефектності її з'єднань, концентрації в них напружень, а також умов експлуатаційних навантажень.

3. Розрахунок напружено - деформованого стану конструктивних елементів рами машини КС-6Б з врахуванням реальних умов навантаження і визначення найбільш небезпечних перетинів з точки зору втомного руйнування.

4. Вибір критеріїв оцінки тріщиностійкості елементів конструкції і побудова аналітичних залежностей для опису напружено - деформованого стану тонкостінного замкнутого профілю з наскрізною кутовою тріщиною.

5. Визначення характеристик тріщиностійкості матеріалу конструкції.

6. Побудова математичної моделі кінетики розвитку втомної тріщини у тонкостінному замкнутому профілі з врахуванням характерних стадій її росту.

7. Проведення оптимізації за тріщиностійкістю тонкостінних тримких елементів замкнутого профілю з метою підвищення їх ресурсу роботи.

Об'єкт дослідження - рама коренезбиральної машини КС-6Б.

Предмет дослідження - ресурс роботи тонкостінних елементів замкнутого профілю тримкої конструкції коренезбиральної машини КС-6Б.

Методи дослідження. Теоретичні розрахунки здійснювались на основі сучасних методів механіки руйнування, теорії пружності, теорії пластин та оболонок, а також математичного моделювання фізичних процесів, які мають місце при роботі коренезбиральних машин. Експериментальні дослідження реальної динаміки навантаження в локальних опорах основної рами машини КС-6Б проводились в натурних умовах експлуатації.

Визначення характеристик тріщиностійкості матеріалу рами машини КС-6Б проводились у лабораторних умовах на експериментальній установці, яка являє собою машину з механічним збуджувачем циклічних навантажень. Експерименти здійснювались, використовуючи сучасні вимірювальні засоби і пристрої для реєстрації параметрів досліджуваних процесів.

Побудова математичної моделі та розрахунки проводились із застосуванням сучасного програмного забезпечення (“Ліра”, “Mathematica”, “Mathcad”).

Наукова новизна одержаних результатів: 1.Побудована розрахункова модель для визначення залишкового ресурсу рами машини КС-6Б з тріщиною в найбільш напруженому елементі.

2. Розроблена математична модель кінетики розвитку тріщини в тонкостінних елементах замкнутого профілю з урахуванням їх депланації і реальної динаміки навантаженості стосовно бурякозбиральної машини КС-6Б, що вперше отримано для даного класу сільськогосподарських машин.

3. Удосконалено експериментально-аналітичну методику дослідження динаміки навантаженості коренезбиральних комплексів типу КС-6Б і для даного класу машин вперше отримано трикомпонентні динамічні характеристики навантаженості в натурних умовах експлуатації.

4. Вперше в інженерній практиці для тонкостінного замкнутого профілю з наскрізною кутовою тріщиною отримано аналітичні залежності поправочних функцій коефіцієнтів інтенсивності напружень нормального відриву, як характеристик від бімоментів при депланації цих профілів.

5. Створено комплексний підхід для оцінки залишкового ресурсу роботи тонкостінних елементів замкнутого профілю тримких конструкцій бурякозбиральних машин з урахуванням умов їх експлуатації та характерних стадій поширення втомної тріщини.

6. На основі проведених досліджень поставлено та розв'язано задачу оптимізації за тріщиностійкістю основних елементів базової рами коренезбиральної машини КС-6Б з врахуванням особливостей умов її експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. Запропонована інженерна методика і отримані результати дають змогу на стадії проектування провести оцінку міцності тонкостінних елементів конструкцій та прогнозування ресурсу роботи при врахуванні можливої їх дефектності.

Методика також забезпечує визначення залишкового ресурсу роботи при виявленні реальних дефектів у металоконструкціях, які виникають у процесі експлуатації, і дозволяє внести зміни у наявні конструкції з метою їх оптимізації.

Результати досліджень впроваджені на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” і будуть враховані при удосконаленні рами машини КС-6Б, а також знайдуть ефективне використання при проектуванні нових тримких конструкцій машин даного класу.

Особистий внесок здобувача: Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проведено огляд та аналіз літературних джерел, обґрунтовано доцільність проведення оцінки міцності з позиції механіки крихкого руйнування, побудовано аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень у випадку стисненого кручення та чистого згину тонкостінного коробчатого профілю з втомною тріщиною, розроблено математичну модель поширення втомної тріщини у тонкостінному замкнутому профілі з врахуванням характерних стадій її росту, а також розроблено рекомендації з оптимізації за тріщиностійкістю тонкостінних елементів замкнутого профілю тримких конструкцій коренезбиральних машин.

Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві, полягає у аналізі особливостей експлуатації бурякозбиральної техніки [2]; проведенні експериментальних досліджень динаміки навантаженості центральної балки рами машини КС-6Б [4]; визначенні напружено - деформованого стану тонкостінних елементів з врахуванням специфіки їх розрахунку [5]; виробленні напрямку оцінки довговічності та надійності тонкостінних елементів тримких конструкцій сільськогосподарської техніки [1, 9]; побудові аналітичних залежностей для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень у випадку стисненого кручення [3, 6, 8, 12] та чистого згину [7, 11] тонкостінного коробчатого профілю з втомною тріщиною; математичному обґрунтуванні оптимальних геометричних розмірів тонкостінних елементів замкнутого профілю при дії стисненого кручення [5, 10].

Апробація результатів дисертації: Основні наукові положення і результати досліджень доповідались і обговорювались на V-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2001 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2001 р.); ІІІ-ій Міжнародній науково - практичній конференції “ Сучасні проблеми землеробської механіки” (м. Миколаїв, 2002 р.); IV-ому Міжнародному симпозіумі з трибофатики ISTF'2002 (м. Тернопіль, 2002 р.); VІ-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2002 р.); Другій Міжнародній науково - практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2003 р.); VІІ-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 2003 р.); Третій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2003 р.); 6-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів - механіків у Львові (м. Львів, 2003 р.).

Публікації: Основні результати дисертаційної роботи відображені у 12 публікаціях, серед них 6 у фахових наукових виданнях.

Структура і обсяг дисертації: Дисертаційна робота викладена на 142 машинописних сторінках, складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 197 назв, містить 49 рисунків, 10 таблиць, а також додатків на 42 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова та практична цінність отриманих результатів досліджень. Подано загальну характеристику роботи.

У розділі І “Надійність коренезбиральних машин. Стан проблеми та задачі досліджень” розглянуто тенденції розвитку коренезбиральних машин, причини виходу з ладу мобільних машин для збирання цукрових буряків та особливості умов їх експлуатації. Встановлено, що в процесі експлуатації машини КС-6Б викопуючий пристрій розгойдується, внаслідок чого виникає крутний момент на центральній балці рами машини, яка є тонкостінним стержнем замкнутого перетину. Для забезпечення міцності балки її підсилюють ребром жорсткості і встановлюють додаткову раму під кабіну водія. механічний металоконструкція коренезбиральний

Проаналізовано особливості напружено - деформованого стану тонкостінних елементів стержневих конструкцій при дії крутного моменту та специфіку їх розрахунку з врахуванням депланації поперечних перетинів виходячи з наукових праць Власова В.З., Бичкова Д.В., Уманського А.А., Урбана І.В. та інших.

Проведено огляд методик оцінки міцності тримких конструкцій сільськогосподарських машин з позицій механіки руйнування. Серед публікацій, де розглянуто методи розрахунку тримких конструкцій, визначено узагальнюючі монографії В. П. Когаєва, С. В. Серенсена, В. В. Болотіна, В. В. Панасюка, О. Є. Андрейківа, Т. І. Рибака та ін.

Обґрунтовано правомірність застосування критеріальної оцінки тримких конструкцій бурякозбиральних машин. На підставі цього поставлено мету та задачі дисертаційної роботи.

У розділі ІІ “Теоретичні основи оцінки тріщиностійкості тонкостінних елементів тримких конструкцій” досліджувався напружено - деформований стан тримкої конструкції машини КС-6Б (рис 1). Встановлено, що одним з найбільш навантажених елементів рами машини є центральна балка, на яку підвішується викопуючий пристрій. Доведено, що вплив загального НДС рами на напружено-деформований стан центральної балки практично відсутній. Отже, розрахунок центральної балки можна проводити як розрахунок окремо взятого елемента з моделюванням реальних граничних умов його закріплення.

Розглянуто основні критерії оцінки міцності тримких конструкцій з позиції тріщиностійкості їх матеріалів, які основані на розгляді НДС в зоні виникнення, кінетики розвитку і зупинки тріщин. Обґрунтовано застосування силового критерію, який вимагає визначення лише одного параметра - коефіцієнта інтенсивності напружень (КІН) і є більш простим і доступним для аналізу руйнувань при інженерних розрахунках на міцність тримких конструкцій.

Згідно з даним критерієм, в межах лінійної механіки руйнування, НДС тіла з тріщиною, в безпосередній близькості до її вершини, повністю визначається трьома параметрами - коефіцієнтами інтенсивності напружень K_І, K_ІІ, K_ІІІ.

Так як тонкостінні елементи тримких конструкцій сільськогосподарських машин переважно працюють при дії сил розтягу і згинальних моментів, то їх руйнування частіше всього відбувається шляхом розвитку тріщин нормального відриву. В такому випадку НДС залежить тільки від величини К_І.

З огляду на це, досліджено НДС центральної балки рами машини КС-6Б з врахуванням дефектності її матеріалу і реальних умов навантаження.

Так як центральна балка рами є тонкостінним гнутим елементом замкнутого коробчатого профілю, то найімовірнішим місцем зародження тріщин є місце перегину (кутова точка), і КІН у вершині такої тріщини визначається при дії на даний елемент згинально - крутного бімоменту.

Розглядувався тонкостінний замкнутий прямокутний профіль навантажений бімоментом і ослаблений наскрізною тріщиною, яка поширюється з кута перетину у напрямку кожної з стінок. Напружений стан, що виникає в стінках прямокутного профілю з тріщиною, з певним наближенням можна моделювати окремою пластиною тієї ж товщини і ширини з боковою тріщиною при аналогічному силовому навантаженні. Так як нормальні напруження від дії бімоменту в кожній із стінок тонкостінного профілю розподілені за лінійним законом, то їх можна подати як комбінацію розтягу та згину.

Напружено - деформований стан у навантаженому тонкостінному елементі з тріщиною можна представити як суму двох напружено - деформованих станів:

- - напружено - деформований стан в елементі без тріщини при зовнішніх навантаженнях;

- - напружено - деформований стан даного елемента з тріщиною, на кромках якої діють напруження , що по величині рівні відповідним напруженням першого стану в перетині можливого розміщення тріщини.

Розглядали перший напружено - деформований стан . При навантаженні даного тонкостінного стержня згинально - крутним бімоментом домінуючими виступають напруження депланації , які розподіляються по перетину стержня за законом секторіальних площ і є функцією від згинально - крутного бімоменту , секторіального моменту інерції перетину та секторіальної координати точки при розміщенні полюса в центрі згину і початкової точки відліку - в головній секторіальній точці перетину, тобто:

.(1)

Визначення напружено - деформованого стану в нетто-перетині тонкостінного профілю базується на визначенні секторіальних геометричних характеристик цього перетину. У зв'язку з цим задачу розв'язували методом інтегрування довільних епюр, який дозволяє визначити координати центру згину і , коефіцієнт , який визначає положення початкової точки відліку секторіальних координат та секторіальний момент інерції довільного тонкостінного профілю незалежно від того, відомі чи невідомі центр мас та головні екваторіальні моменти інерції цього профілю. Згідно з цим методом побудували епюри лінійних x, y, z і секторіальних координат даного перетину. Епюри було побудовано таким чином, щоб максимально їх спростити і зменшити кількість розрахунків при інтегруванні.

Епюра головних секторіальних координат тонкостінного профілю визначає закон розподілу нормальних напружень при стисненому крученні і повинна задовольняти наступні умови:

.(2)

Позначивши через і координати центру згину перетину у вибраній системі координат визначали інтеграли по всій площі перерізу від квадратів цих епюр і їх добутків, взятих попарно. Ввели позначення:

; ; ; ; ,

де та - відношення довжини тріщини до ширини стінки.

Отримали:

;;

;;

;; (3)

;;

;.

Розв'язавши матричним методом систему рівнянь (2), з врахуванням залежностей (3), отримали:

;; ,(4)

де А, А₁ , А₂ , А₃ - визначники відповідних матриць:

,

,

.

Співвідношення (4) визначають координати центру згину та координати нульової секторіальної точки для нетто-перетину тонкостінного прямокутного профілю, ослабленого наскрізною кутовою тріщиною.

Секторіальний момент інерції тонкостінного перетину довільної конфігурації визначається за формулою:

.(5)

Епюра головних секторіальних координат описується рівнянням:

.(6)

Для горизонтальної стінки з тріщиною:

, ,.(7)

Для вертикальної стінки з тріщиною:

, ,.(8)

Секторіальний момент опору бездефектного тонкостінного прямокутного профілю відносно осі Y визначається рівнянням:

.(9)

Вводячи (9) у (1) і підставляючи туди ж (4) - (8), визначали шуканий розподіл секторіальних напружень в розглядуваному нетто-перетині.

На основі проведених досліджень визначали функцію нормальних напружень в перетині можливого розміщення тріщин.

Всі розрахунки проводились за допомогою пакету символьних перетворень Mathematica 4.2.

При визначенні другого напруженого стану знаходили коефіцієнт інтенсивності напружень К_І.

Для цього розкладали напруження на складові, які відповідають розтягу та чистому згину і підставляли їх значення у відомі формули, які наведені в роботах В.В. Панасюка:

для розтягу:;(10)

для згину:,(11)

де і - номінальні напруження, відповідно від розтягу і згину, МПа.

Отримали наступні залежності для визначення КІН наскрізної кутової тріщини у тонкостінному прямокутному профілі при дії стисненого кручення:



для горизонтальної стінки:	, (12)
для вертикальної стінки:

де , - знайдені в роботі поправочні функції, які враховують зміну геометрії тонкостінного профілю при поширенні у ньому втомної тріщини.

Для приведення функцій двох змінних та до функцій однієї змінної розглянуто рівняння Вільсона в детерміністичній постановці, яке визначає кількість циклів до досягнення тріщиною критичної величини:

,(13)

де та - константи матеріалу, які визначалися експериментально;

та - початкова та кінцева довжина тріщини відповідно, м.

Записали рівняння (13) для обох залежностей системи (12), прирівняли їх, і, після спрощення, вважаючи, що та , отримали:

.(14)

Беручи до уваги, що та , розв'язували рівняння (14) відносно та (при n = 3) і підставляли їх значення у та відповідно. Записуючи , після спрощень отримали:

,(15)

Де ;(16)

.(17)

Формула (15) виражає аналітичні залежності для визначення КІН при поширенні кутової наскрізної тріщини у тонкостінному прямокутному профілі при дії стисненого кручення.

У розділі ІІІ “Експериментальні дослідження характеристик міцності тонкостінних елементів тримких конструкцій” подано методики та результати досліджень динаміки навантаженості, залишкового ресурсу роботи та характеристик тріщиностійкості тримких елементів рами машини КС-6Б.

Дослідження динаміки навантаження проводилися у два етапи: заміряли віброприскорення у місцях кріплення гідроциліндра та заднього кронштейна викопуючого пристрою та визначали зміну тиску у гідросистемі машини з метою визначення динаміки навантаження на штоці гідроциліндра.

Заміри віброприскорень проводились у трьох взаємноперпендикулярних напрямках (вертикальному Z, горизонтально-поздовжньому X та горизонтально-поперечному Y відносно машини) за допомогою перетворювачів п'єзоелектричних вібровимірювальних ДН-3-М1, які призначені для перетворення механічних коливань у електричні сигнали, пропорційні прискоренню об'єкта, що коливається. Реєстрація вібпроприскорень здійснювалась вимірювачем шуму та вібрацій модернізованим ВШВ-003-М2, який відноситься до агрегатного комплексу засобів вимірювання вібрації (АСИВ) і може працювати в лабораторних, виробничих та польових умовах.

Для визначення динаміки навантаження на штоці гідроциліндра до гідросистеми машини було приєднано перехідну ланку з манометром, запірно-регулювальним вентилем та тензометричним датчиком тиску ТДД-100 приєднаним до вимірювальної апаратури ЕМА-ПМ. Реєстрація зусиль проводилась гальванометрами портативного 14-канального магніто -електричного осцилографа Н-700 на фотопапері. В результаті отримано осцилограми запису динаміки навантаження елементів тримких конструкцій машини КС-6Б у транспортному та робочому режимах експлуатації. Після обробки записів методами математичної статистики визначено значення коефіцієнтів динамічності в опорах кріплення викопуючого пристрою.

У цьому ж розділі подано загальну методику досліджень характеристик тріщинотривкості конструкційних матеріалів рам коренезбиральних машин, яка проводиться з метою визначення залежності швидкості росту тріщини від коефіцієнта інтенсивності напружень. Згідно з нею визначали характеристики тріщиностійкості матеріалу K_fc, K_th, С, n.

Для досліджень використовувались стандартні зразки розміром 418220мм, вирізані з стінок профільної прямокутної труби (сталь 09Г2С) і з штучно нарізаними концентраторами напружень.

Під час проведення дослідів було використано експериментальну установку - машину із механічним збуджувачем циклічних коливань. Ріст тріщини контролювався катетометром КМ-8 шляхом заміру довжини тріщини через певні проміжки часу. Число циклів навантаження фіксувалось лічильником. Зразки навантажувались за схемою чистого згину.

За результатами досліджень отримано наступні значення характеристик тріщиностійкості для основного металу профільної труби (сталь 09Г2С):

;

; ;

.

У даному розділі проведено також оцінку напружено-деформованого стану та ресурсу роботи найбільш навантаженого елемента тримкої конструкції коренезбиральної машини КС-6Б - центральної балки базової рами машини. Розрахунок тримкої конструкції машини проводили з використанням пакетів прикладних програм “Ліра”, “Mathcad 11” на ПК, у наступній послідовності:

? побудова розрахункової схеми;

? нумерація вузлів та елементів конструкції;

? визначення координат вузлів у вибраній координатній системі;

? визначення геометричних характеристик елементів конструкції;

? визначення внутрішніх силових факторів від діючих навантажень;

? вибір найбільш небезпечних перетинів елементів конструкції;

? оцінка ресурсу роботи конструкції.

У результаті розрахунку на ПК було отримано шукані внутрішні силові фактори: згинальні моменти, крутні моменти, поперечні та повздовжні зусилля. Встановлено найбільш навантажені елементи конструкції в яких визначалися найбільш небезпечні перетини і напруження в цих перетинах.

Згідно з проведеними розрахунками, найбільш небезпечним перетином центральної балки є місце її кріплення до трапеції основної рами, де отримано нормальні напруження величиною = 125 МПа, при допустимих межах _т = 370 МПа, _в = 520 МПа (для сталі 09Г2С).

Отримано графічну залежність залишкового ресурсу роботи найбільш навантаженого елемента тримкої конструкції машини КС-6Б - центральної балки рами, від довжини тріщини у відповідності з частотою навантаження в транспортному та робочому режимах експлуатації машини.

Так як нормативний термін служби коренезбиральних машин складає 10 років (3000 год. експлуатації), а розрахований залишковий ресурс - 2128 год., то є очевидним, що при проектуванні базової рами коренезбиральної машини КС-6Б не було враховано особливості експлуатації машини і були допущені певні прорахунки.

У розділі ІV “Методика оцінки міцності тонкостінних елементів тримких систем та рекомендації щодо їх оптимізації” подано методику оцінки міцності тонкостінних тримких систем коренезбиральних машин з позиції механіки руйнування, яку доцільно використовувати як при проектуванні даних конструкцій так і з метою визначення залишкового ресурсу роботи металоконструкцій при виявленні дефектів у процесі експлуатації.

Розглянуто задачу з оптимізації за тріщиностійкістю тонкостінних елементів замкнутого профілю, яка зводиться до задачі максимізації ресурсу їх роботи за рахунок мінімізації напружень стисненого кручення шляхом вибору оптимальних геометричних розмірів поперечного перетину цих елементів.

На основі аналізу рівняння осьового зміщення точок перетину при крученні тонкостінних елементів встановлено, що депланація таких елементів не буде відбуватися у тому випадку, коли співвідношення між товщиною та довжиною відповідних стінок будуть рівні. Для центральної балки з геометричними розмірами поперечного перетину 180Ч75мм, співвідношення між товщинами стінок складатиме . Досягнути такої геометрії можна шляхом приварювання стрічок необхідної товщини на бокові стінки прямокутного профілю. Визначено необхідну товщину стрічки-накладки для тонкостінного профілю 185Ч75Ч4 мм - х=4,5мм.

Для зменшення впливу зварних дефектів на можливість утворення втомних тріщин у кутових точках гнутого тонкостінного профілю приварювання стрічок-накладок рекомендується проводити не по торцях, а по спеціальних технологічних отворах.

Застосування стрічок-накладок дозволяє уникнути депланації точок поперечного перетину тонкостінного елемента замкнутого профілю. Це приводить до суттєвого зменшення нормальних напружень у перетинах балки (максимальні напруження від бімоментів становлять близько = 95 МПа).

У результаті виконаних у роботі комплексних досліджень проведено оптимізацію перетину центральної балки основної рами машини КС-6Б за тріщиностійкістю з прогнозованим ресурсом роботи, внаслідок чого загальну металомісткість тримких конструкцій машини зменшено на 8,1% (58,75 кг при масі рами 724,37 кг) за рахунок усунення необхідності використання ребра жорсткості на центральній балці та додаткової рами під кабіною водія. Рекомендації з оптимізації поперечних перетинів тонкостінних елементів впроваджено на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі запропоновано ефективний підхід для визначення залишкового ресурсу роботи тонкостінних елементів замкнутого профілю тримких конструктивних структур коренезбиральних машин з врахуванням реальної динаміки навантаженості, особливостей експлуатації, характеристик тріщиностійкості та початкової дефектності матеріалу і на цій основі проведена їх оптимізація за тріщиностійкістю.

В основу даного підходу покладено наступні результати:

1. Розроблено інженерну методику оцінки міцності і прогнозування ресурсу роботи тонкостінних тримких конструкцій бурякозбиральних комплексів, яка на етапі створення нових, модернізації та удосконалення існуючих машин дозволяє врахувати умови експлуатації та можливу дефектність при встановлених запасах міцності та експлуатаційного ресурсу.

2. Удосконалено експериментально-аналітичну методику дослідження реальної динаміки навантаженості бурякозбиральних комплексів типу КС-6Б і для даного класу машин отримано трикомпонентні динамічні характеристики навантаженості в натурних умовах експлуатації.

3. На підставі проведених натурних досліджень, після статистичної обробки і систематизації експериментальних даних, отримано наступні значення максимальних зусиль в точці кріплення гідроциліндра коренекопача до рами коренезбиральної машини КС-6Б: статичне навантаження 10,1 кН; коефіцієнт динамічності 1,46 у транспортному режимі та статичне наватаження 6,8 кН; коефіцієнт динамічності 2,38 у робочому режимі.

4. Проведено розрахунок напружено-деформованого стану найбільш навантаженого елемента рами машини КС-6Б - існуючої центральної балки, середньостатистичні напруження у найбільш небезпечному перетині якої складають МПа, що відповідає ресурсу роботи балки 2128 год. при нормативному строкові служби машини 3000 год.

5. Виведено аналітичні залежності для визначення КІН у вістрі кутової наскрізної тріщини у тонкостінному замкнутому профілі при дії згинального моменту та бімоменту. Отримано безрозмірні поправочні функції, які враховують зміну геометрії нетто - перетину тонкостінного коробчатого профілю при поширенні у ньому втомної тріщини.

6. Проведено лабораторні дослідження циклічної тріщиностійкості зразків взятих із стінок замкнутого тонкостінного елемента з метою встановлення характеристик опору його матеріалу поширенню втомної тріщини. Отримано наступні значення параметрів тріщиностійкості для сталі 09Г2С:

;

; ;

.

7. Рішена задача з оптимізації за тріщиностійкістю тонкостінних елементів замкнутого профілю, яка зводиться до задачі максимізації ресурсу їх роботи за рахунок мінімізації напружень стисненого кручення шляхом вибору оптимальних геометричних розмірів поперечного перетину цих елементів.

8. На основі отриманих аналітичних залежностей КІН і експериментальних значень характеристик тріщиностійкості матеріалу визначено критичну довжину тріщини мм у оптимізованому перетині центральної балки, як найбільш навантаженому елементі рами машини КС-6Б.

9. Розроблено математичну модель кінетики розвитку втомної тріщини у тонкостінному прямокутному профілі, яка дозволяє розрахувати залишковий ресурс тримких елементів даного поперечного перетину з врахуванням характерних стадій росту дефектності.

10. У результаті виконаних у роботі комплексних досліджень проведено оптимізацію геометрії поперечного перетину центральної балки основної рами машини КС-6Б, внаслідок чого ресурс конструкції вцілому підвищено до 4076 год. і знижено її металомісткість на 8,1%. Рекомендації з оптимізації поперечних перетинів тонкостінних елементів впроваджено на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод”.

ДРУКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Рибак Т.І., Сташків М.Я., Перчишин В.Б. Ресурс роботи та надійність машин для хімзахисту // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. - ХДТУСГ - 2001. - Т.1. - С. 88 - 92.

2. Рибак Т.І., Мартиненко В.Я., Сташків М.Я., Перчишин В.Б. Особливості навантаження центральної балки основної рами машини КС-6Б у транспортному режимі // Вісник аграрної науки Причорномор'я. - МДАУ - 2002. -Т.1. - С. 196 - 200.

3. Рибак Т.І., Сташків М.Я., Перчишин В.Б. Вплив депланації замкнутих профілів на втомне руйнування конструктивних структур // Трибофатика. Праці симпозіуму. - ТДТУ. - 2002. - Т.1. - С. 482 - 486.

4. Сташків М.Я., Підгурський М.І., Барановський М.І., Ковальчук Я.І. Дослідження динаміки навантаженості елементів тримких конструкцій коренезбиральної машини КС-6Б // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. - ХДТУСГ - 2003. - Випуск 17. - С. 40 - 43.

5. Рибак Т., Сташків М. Специфіка розрахунку деяких тонкостінних елементів тримких конструкцій машин // Вісник ТДТУ, 2003. - Т.8. - №2. - С. 34 - 39.

6. Рибак Т., Сташків М. Визначення КІН для втомної тріщини у тонкостінному стержні замкнутого профілю при депланації його поперечних перетинів // Машинознавство, 2003. - №5. - С. 10 - 13.

7. Сташків М. Визначення КІН для кутової наскрізної тріщини у тонкостінному стержні прямокутного профілю при дії згинального моменту // Вісник ТДТУ, 2003. - Т.8. - №3. - С. 32 - 38.

8. Т. Рибак, М. Сташків. Критерії оцінки ресурсу роботи елементів замкнутого профілю мобільних сільськогосподарських машин // Матеріали п'ятої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: ТДТУ, 2001. - С. 82.

9. П. Попович, В. Олексюк, М. Сташків, В. Перчишин. Перспективні напрямки розрахунків тримких конструкцій бурякозбиральних машин // Матеріали шостої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя. - Тернопіль: ТДТУ, 2002. - С. 73.

10. Т. Рибак, М. Сташків, В. Олексюк. Оптимізація перетину центральної балки основної рами машини КС-6Б // Матеріали сьомої наукової конференції Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя. - Тернопіль: ТДТУ, 2003. - С. 90.

11. Рибак Т.І., Підгурський М.І., Сташків М.Я. Кінетика розвитку дефектності при складному напруженому стані зварних конструкцій сільськогосподарських машин // Математичні проблеми технічної механіки (матеріали конференції). - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2003. - С. 133.

12. Сташків М. Визначення КІН для втомної тріщини у тонкостінному стержні замкнутого профілю при депланації його поперечних перетинів // 6 - й Міжнародний симпозіум українських інженерів - механіків у Львові. Тези доповідей, 2003. - С. 55 - 56.

АНОТАЦІЯ

Сташків М. Я. Оптимізація за тріщиностійкістю елементів замкнутого профілю рами самохідної коренезбиральної машини КС-6Б - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2003.

Дисертаційна робота присвячена розробці ефективного підходу для визначення залишкового ресурсу роботи тонкостінних елементів замкнутого профілю тримких конструктивних структур коренезбиральних машин з врахуванням реальної динаміки навантаженості, особливостей експлуатації, характеристик тріщиностійкості та початкової дефектності матеріалу з метою оптимізації їх конструкції за тріщиностійкістю.

Отримано аналітичні залежності коефіцієнтів інтенсивності напружень у вершині наскрізної кутової тріщини в тонкостінному замкнутому профілі при дії згинальних моментів та бімоментів. Удосконалено експериментально-аналітичну методику визначення реального навантаження на центральній балці машини КС-6Б. Проведено експериментальні досліджень динаміки навантаженості тримких елементів машини в умовах експлуатації. Визначено характеристики тріщиностійкості матеріалу рами машини. Оптимізовано за тріщиностійкістю поперечний перетин центральної балки машини КС-6Б, як найбільш навантаженого елемента, що забезпечує підвищення ресурсу роботи та зменшення металомісткості тримкої конструкції машини.

Ключові слова: коренезбиральна машина, експлуатаційна навантаженість, рама, депланація, тріщина, коефіцієнт інтенсивності напружень, ресурс роботи.

SUMMARY

Stashkiv M.Ja. Optimization on crack growth resistance elements of the closed structure of a frame of self-propelled beet harvester KС-6Б. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of the candidate of engineering sciences on a speciality 05.05.11 - Machines and means for mechanization of agricultural production. - Ternopil State technical sciences of the name Ivan Puljui, Ternopil, 2003.

The thesis is devoted to development of the new analytical approach to an estimation tensely - the deformed condition of thin-walled elements of the closed structure with the purpose of improvement of bearing designs of a beet harvester and optimization on resistance to cracks of their thin-walled elements. It is developed an engineering technique of an estimation of durability of thin-walled elements of the closed structure in view of conditions of operation and presence of cracks. It is received analytical dependences of factors of intensity of pressure in top of a through angular crack in the thin-walled closed structure at action of the bending moments and the bimoments. It is developed experimentally - a theoretical technique of definition of real loading on the central beam of beet harvester КС-6Б. It is carried out experimental researches of dynamics of loading of bearing elements of a beet harvester under operating conditions. It is determined characteristics of resistance to cracks of a material of a frame of the machine. The section of the central beam of beet harvester KC-6Б is optimized on resistance to cracks. It provides decrease in metal consumption and increase of a resource of work.

Key words: beet harvester, dynamic loading, frame, hogging, crack, factor of intensity of pressure, resource of work.

АННОТАЦИЯ

Сташкив М.Я. Оптимизация по трещиностойкости элементов закмкнутого профиля рамы самоходной корнеуборочной машины КС-6Б. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2003.

Диссертационная работа посвящена разработке эффективного подхода для определения остаточного ресурса работы тонкостенных элементов замкнутого профиля несущих конструкций корнеуборочных машин с учетом реальной динамики нагружености, особеностей эксплуатации, характеристик трещиностойкости и начальной дефектности материала с целью оптимизации их конструкции по трещиностойкости.

Получено аналитические зависимости коэффициентов интенсивности напряжений в вершине сквозной угловой трещины в тонкостенном замкнутом профиле при действии изгибающих моментов и бимоментов. Определено основные характеристики трещиностойкости материала несущих конструкций машины КС-6Б (сталь 09Г2С).

Усовершенствовано экспериментально - аналитическую методику определения реальной нагрузки несущей конструкции машины КС-6Б. Проведено экспериментальные исследования динамики нагружения несущих элементов машины в условиях эксплуатации. В ходе исследований определялись вибрационные ускорения в точках крепления гидроцилиндра и заднего кронштейна выкапывающего устройства и динамика усилий на штоке гидроцилиндра. Остальные силовые факторы определялись расчетным путем с использованием метода минимума потенциальной энергии.

На основании проведенных исследований решена задача оптимизации по трещиностойкости тонкостенных замкнутых элементов рамы машины КС-6Б с учетом особенностей условий их эксплуатации и реального напряженно - деформированного состояния. Оптимизирование геометрии сечения центральной балки рамы машины КС-6Б обеспечивает повышение ресурса ее работы и снижение общей металлоемкости за счет устранения необходимости использования ребра жесткости и дополнительной рамы под кабиной водителя.

Построена расчетная модель для определения остаточного ресурса тонкостенного элемента замкнутого профиля с учетом характерных этапов роста усталостной трещины:

- развитие начального углового дефекта в форме плоской поверхностной трещины до момента достижения внутренней стороны стенки профиля;

- развитие сквозной угловой трещины в стенках профиля до достижения критического размера.

На основании расчетной модели определен остаточный ресурс балки оптимизированного поперечного сечения.

Ключевые слова: корнеуборочная машина, эксплуатационная нагруженность, рама, депланация, трещина, коэффициент интенсивности напряжений, ресурс работы.

Размещено на Allbest.ru

...