Оптимізація конструктивних параметрів опор бака спеціального малогабаритного обприскувача

Размещено на http://www.allbest.ru

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

УДК 631.345.43+621.01

Оптимізація конструктивних параметрів опор бака спеціального малогабаритного обприскувача

05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бабій Андрій Васильович

Тернопіль 2005

Дисертацією є рукопис.

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

Провідна установа: Харківський національний технічний університет сільського господарства імені П. Василенка Міністерства аграрної політики України, м. Харків.

Захист відбудеться “03” червня 2005 р. о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д58.052.02 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 “03” травня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент П. В. Попович

АНОТАЦІЯ

Бабій А.В. Оптимізація конструктивних параметрів опор бака спеціального малогабаритного обприскувача. - 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, 2005.

Дисертаційна робота присвячена вирішенню задачі підвищення надійності оболонкових конструкцій (баків) сільськогосподарських обприскувачів шляхом розробки моделі та створення ефективної методики розрахунку конструктивних параметрів ложементів опор, елементів кріплення бака і створення на цій основі раціональної, з точки зору міцності, їх конструкції.

Отримано аналітичні залежності для опису зовнішнього навантаження та визначення напружено-деформованого стану циліндричного бака обприскувача. Розроблені теоретичні засади для визначення оптимальних конструктивних параметрів опорних основ для забезпечення поставлених умов контакту. За розв'язаною задачею з оптимізації конструктивних параметрів опори бака спеціального малогабаритного обприскувача, який має розширені функціональні можливості, створено ефективну інженерну методику. Проведено експериментальні дослідження динаміки навантаженості та встановлено фактичний напружено-деформований стан обичайки бака даного обприскувача при обпиранні його на типову та пропоновану опори, де виявлено високу ефективність роботи пропонованої опори.

Ключові слова: обприскувач, опора, опорна основа, накладка, ложемент, бандаж, бак, обичайка, штанга, контактний тиск.

АННОТАЦИЯ

Бабий А.В. Оптимизация конструктивных параметров опор бака специального малогабаритного опрыскивателя. - 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, 2005.

Диссертационная работа посвящена решению задачи повышения надежности оболочковых конструкций (баков) сельскохозяйственных опрыскивателей путем разработки модели и создания эффективной методики расчета конструктивных параметров ложементов опор, элементов крепления бака и создания на этой основе рациональной, с точки зрения прочности, их конструкции.

Получены аналитические зависимости для описания внешней нагрузки и определения напряженно-деформированного состояния цилиндрического бака опрыскивателя. Разработаны теоретические основы для определения оптимальных конструктивных параметров опорных основ для обеспечения поставленных условий контакта. За решенной задачей с оптимизации конструктивных параметров опоры бака специального малогабаритного опрыскивателя, который имеет расширенные функциональные возможности, создана эффективная инженерная методика. Проведены экспериментальные исследования динамики нагружения и установлено фактическое напряженно-деформированное состояние обечайки бака данного опрыскивателя при опирании его на типичную и предлагаемою опоры, где выявлена высокая эффективность работы предлагаемой опоры.

В первом разделе проведен обзор разных типов опрыскивателей, в частности малогабаритных, проанализировано их роботоспособность и функциональное соответствие с выполнением технологических операций опрыскивания. Установлены наиболее вероятные причины отказов сельскохозяйственных опрыскивателей через механические разрушения баков.

Проведен анализ научных трудов по определению напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочковых конструкции при разных видах нагрузки. Для решения задач контактного взаимодействия бака с опорной основой, проанализировано свойства аналоговых моделей основ и методы решения таких задач, а также основные результаты.

На основании проведенного анализа установлены направления конструкторских и теоретических исследований.

Во втором разделе созданы математические модели контактного взаимодействия бандажей, опор в виде ложементов и рабочей жидкости с учетом действия динамических сил и дополнительного давления с обечайкой бака опрыскивателя, реализация которых на основании теории пологих оболочек типа Тимошенко дала возможность проанализировать его напряженно-деформированное состояние и определить рациональные конструктивные параметры. Также разработаны теоретические основы и выведены конечные зависимости для определения переменной толщины (жесткости) опоры для обеспечения заданных самых оптимальных условий контакта с обечайкой бака опрыскивателя.

В третьем разделе описана конструкция спроектированного специального малогабаритного опрыскивателя, который отличается конструкцией штанги и рамы, приведены его функциональные возможности при полевых испытаниях, а также программа, методика и экспериментальные исследования и их результаты с определения напряженно-деформированного состояния обечайки бака при опирании его на типичные и оптимизированные опоры.

В четвертом разделе представлена инженерная методика определения напряженно-деформированного состояния обечайки бака в зависимости от действующей нагрузки и обоснования выбора оптимальных конструктивных параметров опор для обеспечения поставленных условий контакта.

С этой целью теоретические изложения второго раздела приведены к виду инженерных расчетов, которые можно реализовать с помощью пакета прикладных программ типа “MathCAD”, “Mathematica” на ПК.

Результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований переданы и используются при проектировании новых и совершенствовании старых машин для химзащиты на ОАО “Львовагромашпроект”.

Ключевые слова: опрыскиватель, опора, опорная основа, накладка, ложемент, бандаж, бак, обечайка, штанга, контактное давление.

ANNOTATION

A.V. Babiy. The optimization of structural parameters of tank supports of the special small-sized sprinkler. Manuscript.

Thesis on receiving the scientific degree of the Candidate of Engineering Sciences on a speciality 05.05.11 - Machines and mechanization means of agricultural production. Ternopil State Technical University named after Ivan Pul'uj, Ternopil, 2005.

Thesis is devoted to finding the decisions concerning the reliability increasement of the casing constructions (tanks) for agricultural sprinklers by means of designing the pattern and developing of the effective calculational technique for constructional parameters of the lodgment supports, as well as the fastening elements of the tank, and creation of their constructions from the view of durability on this basis.

Analytical dependences for the description of the external force have been obtained, and the determination of tensely-deformed state of the cylindrical tank of the sprinkler has been formed. Theoretical bases for determination of the optimized structural parameters of the supporting bases to meet the contract conditions have been developed. Effective engineering technique has been developed according to the solution as for the optimization of the structural parameters of the tank support of a special small-sized sprinkler with extended functional capacities. Experimental research of the stress dynamics has been carried out, and actual tensely-deformed state of the tank case of the considered sprinkler by supporting it upon its typical and suggested supports with high performance efficiency of the later, has been set.

Key words: sprinkler, support, supporting base, protective strap, lodgment, bracer, tank, casing, rod, contact pressure.

бандаж опора бак обприскувач

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розширення попиту на малогабаритну сільськогосподарську техніку, в тому числі машини для хімічного захисту у рослинництві, пов'язано з проведенням в країні земельної реформи, що посприяло формуванню фермерських господарств і перерозподілу сільськогосподарських угідь. Ключовим для фермерів, в даний час, виступає технічне забезпечення виконання технологічних процесів сільськогосподарськими знаряддями і їх уніфікація з різними робочими органами. Крім того, проблемою при проектуванні машин, зокрема для хімічного захисту у рослинництві, є забезпечення надійності та роботоздатності баків для транспортування агресивних робочих розчинів. Дана проблема загострюється ще й тому, що сільськогосподарські машини і агрегати працюють у важких рельєфних та кліматичних умовах, тобто при значних динамічних перевантаженнях.

Виходячи з цього, вже на стадії проектування і розрахунку, особливо, оболонкових конструкцій машин для хімзахисту, необхідно застосовувати найновітніші досягнення теоретичних розробок та експериментальних досліджень для забезпечення міцності і надійності конструкцій знарядь з хімзахисту рослинництва.

Існуючі методи оцінки напружено-деформованого стану, зокрема баків обприскувачів, пов'язані зі складними математичними викладками, що часто утруднює їх практичне застосування. Крім того, аналіз розв'язків контактних задач про взаємодію тонкостінних тіл з пружними та жорсткими тілами показує, що в межах теорії оболонок не можуть бути сформульовані умови реальної взаємодії тіл і, зокрема, умови контакту у приграничних зонах областей контакту типу бак-ложементи.

Виходячи з цього, на сучасному рівні проектування сільськогосподарської техніки, зокрема машин для хімічного захисту у рослинництві, необхідна розробка більш досконалих методів розрахунку з врахуванням реальних умов навантаженості, особливо, оболонкових конструкцій, їх опор та елементів кріплення, що у підсумку забезпечує оптимізацію цих конструктивних елементів з прогнозованим ресурсом роботи.

Розгляду цих актуальних задач і присвячена дисертаційна робота.

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).

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - забезпечення надійності оболонкової конструкції бака малогабаритного сільськогосподарського обприскувача, шляхом розробки моделі та створення ефективної методики розрахунку конструктивних параметрів ложементів опор, елементів кріплення бака і створення на цій основі раціональної, з точки зору міцності, їх конструкції.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

Уточнити теоретичні засади оцінки контактної взаємодії ложементів спеціальних опор з обичайкою бака малогабаритного обприскувача;

Розробити математичну модель, яка описує контактну взаємодію гнучких бандажів з обичайкою бака;

Аналітично та експериментально дослідити вплив робочої рідини і надлишкового тиску на розподіл напружень в стінці бака;

Провести розрахунок напружено-деформованого стану обичайки бака спеціального малогабаритного обприскувача при різних умовах експлуатаційного навантаження;

Оптимізувати конструктивні параметри опор та елементів кріплення бака спеціального малогабаритного обприскувача;

Провести комплексні експериментальні дослідження щодо встановлення фактичної динаміки навантаженості та напружено-деформованого стану обичайки бака спеціального малогабаритного обприскувача;

Розробити і виготовити спеціальний малогабаритний обприскувач в комплекті з різними функціональними елементами для виконання технологічних процесів;

Розробити ефективну інженерну методику оптимізації конструктивних параметрів опор, елементів кріплення при заданому контактному тиску в околі взаємодії з обичайкою бака.

Об'єкт дослідження - штангові та вентиляторні обприскувачі сільськогосподарського призначення.

Предмет дослідження - спеціальний малогабаритний обприскувач з особливою конструкцією опор кріплення бака та розрахунок їх оптимальних конструктивних параметрів.

Методи дослідження. Теоретичні розрахунки базуються на основі теорії пологих оболонок типу Тимошенка і побудові числових розв'язків при послідовнісному підході до узагальненого розв'язку крайової задачі теорії оболонок методом Фур'є.

Експериментальні дослідження, при реальних навантаженнях з врахуванням законів розподілу контактних напружень в околі опор бака, проводилися сучасними вимірювальними засобами і реєструвалися у вигляді числових величин. Побудова математичних моделей та розрахунки виконані на основі положень вищої математики, теоретичної механіки з застосуванням ПК.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше створена універсальна математична модель контактної взаємодії бандажів, опор у вигляді ложементів, робочої рідини з врахуванням дії динамічних сил і додаткового тиску з обичайкою бака обприскувача, що ґрунтується на основі теорії пологих оболонок типу Тимошенка та побудові числових розв'язків при послідовнісному підході до узагальнених розв'язків крайових задач теорії оболонок методом Фур'є. Вперше отримано кінцеві залежності для визначення змінної товщини (жорсткості) опор при забезпеченні оптимальних умов контакту з обичайкою бака обприскувача.

Поставлена та розв'язана задача оптимізації конструктивних параметрів опор обичайки бака спеціального малогабаритного обприскувача з умови мінімізації контактних напружень.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблена і виготовлена нова конструкція спеціального малогабаритного обприскувача з розширеними функціональними можливостями, які виражені в універсальності конструкцій штанги і машини в цілому. Розроблена інженерна методика, яка ще на стадії проектування дозволяє провести оцінку міцності тонкостінних оболонкових конструкцій, типу баків обприскувачів, при їх контактній взаємодії з існуючими або спеціальними конструкціями опор. Методика також забезпечує визначення потрібних геометричних параметрів опор-ложементів і оптимізацію закону розподілу контактних напружень в їх околі. Конструктивні рішення підкріплені патентами України на винаходи (№31218 А, №55199 А, №65916 А, №68939 А). Результати досліджень впроваджені на ВАТ “Львівагромашпроект”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Проведено огляд та аналіз літературних джерел, обґрунтовано доцільність та створено спеціальний малогабаритний обприскувач із розширеними функціональними можливостями [3,6,7,8,16,17,19]. У теоретичних дослідженнях проведено розрахунки напружено-деформованого стану бака обприскувача на основі створених математичних моделей [2,4,5,15,18].

Запропоновано методику для визначення оптимальних конструктивних параметрів опор баків обприскувачів, виходячи з поставленої умови їх контактної взаємодії [1,9]. Експериментальні дослідження та обробка їх результатів виконані здобувачем самостійно. Постановка задач, аналіз і трактування отриманих результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, зі співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень доповідались і отримали позитивну оцінку на: щорічних наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (м. Тернопіль, 1999-2004 рр.); ІІ-й Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (м. Кіровоград, 2001 р.); IV-ому Міжнародному симпозіумі з трибофатики ISTF'2002 (м. Тернопіль, 2002 р.); 6-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 2003 р.); Другій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2003 р.); Третій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2003 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Науково-технічні засади розробки, випробування і прогнозування перспективної сільськогосподарської техніки” (Київ-Дослідницьке, 2003 р.); І-шій міжнародній науково-технічній конференції “Динаміка, міцність та надійність сільськогосподарських машин” (м. Тернопіль, 2004 р.); ІІІ-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2004 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені у 14 публікаціях, з них 8 у фахових наукових виданнях. Технічна новизна розробок захищена чотирма патентами України на винаходи (№31218 А, №55199 А, №65916 А, №68939 А) та подана одна заявка на корисну модель (U 200501889).

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг дисертації викладений на 171 машинописній сторінці та містить 48 рисунків, 2 таблиці, а також додатків на 36 сторінках. Список використаних літературних джерел включає 213 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова та практична цінність отриманих результатів досліджень, сформульовано мету роботи та основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі проведено огляд різних типів обприскувачів, зокрема малогабаритних, проаналізовано їх роботоздатність та функціональну відповідність до виконання технологічних операцій обприскування. Встановлено найбільш ймовірні причини відмов сільськогосподарських обприскувачів через механічні руйнування баків.

Проведено аналіз наукових праць з визначення напружено-деформованого стану (НДС) оболонкових конструкцій при різних видах навантаження. Для вирішення задач контактної взаємодії бака з опорами проаналізовано властивості аналогових моделей, а також методи розв'язку таких задач.

Вагомий вклад у розвиток сільськогосподарського машинобудування, теоретичних засад з визначення напружено-деформованого стану оболонкових конструкцій, розв'язку контактних задач взаємодії опори-обичайка розробили такі провідні вітчизняні і зарубіжні вчені: Амбарцум'ян С.А., Босой Е.С., Бурак Я.С., Власов В.З., Войтюк Д.Г., Гольденвейзер А.Л., Гопоненко В.С., Горячкін В.П., Григолюк Е.І., Грін А., Гудрамович В.С., Гузь А.Н., Джонсон М.В., Жемочкін Б.М., Карпенко Н.А., Кльонін Н.І., Лєонтьєв Н.Н., Лур'є А.І., Макеєв Є.М., Моcсаковський В.І., Пастернак П.Л., Пелех Б.Л., Підстригач Я.С., Рибак Т.І., Сініцин А.І., Соболев Д.Н., Сухорольський М.А., Тимошенко С.П., Халанский В.М., Шаблій О.М. та ін.

На основі проведеного аналізу сформульовані напрямки теоретичних досліджень і оптимізації конструкторських розробок.

У другому розділі проведено математичне моделювання напружено-деформованого стану бака обприскувача при різних варіантах його навантаження. Створені теоретичні засади для визначення змінної жорсткості опори, яка забезпечує поставлені умови контакту з обичайкою бака обприскувача.

На першому етапі розглянуто дію зовнішнього навантаження на оболонку бака у вигляді трьох складових: бандажів, робочої рідини (з додатковим тиском) та ложементів опор.

Контактну дію бандажів на циліндричну частину бака моделювали згідно схеми, рис. 1.

локальна координата, ; - змінна кутова координата, ; - кутовий параметр краю бандажа, рис. 1; - радіус обичайки бака, .

Для випадку бандажа малої довжини () контактний тиск змодельовано у вигляді такої залежності

, (2)

де .

При сталому контактному тиску в околі контакту, отримано такий кінцевий вираз

, (3)

Випадок сталого за осьовою і змінного за тангенціальною координатами контактного тиску бандажа з баком було описано функцією, що має вигляд

, (4)

Розклад функцій, що описують контактний тиск між бандажем і оболонкою (1-4) в тригонометричні ряди знайдено за системами тригонометричних функцій. Тут вважалося, що циліндричний бак довжиною і радіусом навантажено двома симетрично розміщеними бандажами, серединні лінії яких знаходяться на відстані від країв, рис. 2. Було розглянуто половину циліндричної оболонки, для якої відповідний окіл серединної поверхні такий

,

проходить через вісь циліндра) замкнутої циліндричної оболонки і мають вигляд:

- для випадку (1)

(6)

,

;

;

- для випадку (2)

(7)

,

, , , ;

- для випадку (3)

, (8)

,

;

- для випадку (4)

, (9)

.

Таким чином, було отримано першу складову, що характеризує навантаженість бака.

Друга складова навантаженості на обичайку бака змодельована у вигляді дії робочої рідини і додаткового тиску. Циліндрична оболонка резервуара віднесена до системи координат . Прийнято, що резервуар повністю заповнений робочою рідиною, яка має питому вагу та діє на нього додатковий тиск . Вплив динамічних перевантажень враховано введенням коефіцієнта . Дане навантаження на оболонку описано функцією

, . (10)

Після розкладу у ряд за системою функцій було отримано

, (11)

, .

Третю складову зовнішнього навантаження описано контактним тиском опор на обичайку бака. Для випадку взаємодії бака з чотирма симетрично розміщеними прямокутними опорами (рис. 3) та розглядаючи його половину, для околів взаємодії , прийнято такий закон розподілу контактного тиску

(12)

, (13)

,

Коефіцієнт у формулі (13) виражено через вертикальну складову контактного тиску на одній опорі

. (14)

Модель сталого контактного тиску на опорах отримано, прийнявши у формулі (12)

(15)

Даний вираз прийнято, як функцію оптимізації для проектування нової опори, для якої умова сталості контактного тиску виконується.

Розклад функції у ряд має вигляд (13),

,

При кріпленні бака на двох симетричних опорах, отримано таку залежність для визначення контактного тиску

(16)

Розклад функції у ряд має вигляд (13),

.

У випадку кріплення бака на одній центральній опорі для околу контакту отримано залежність, яка визначає контактний тиск

(17)

Розклад функції (17) має вигляду (13),

Після систематизації всіх складових функції зовнішнього навантаження у вигляді рядів Фур'є було отримано

, (18)

де - контактний тиск відповідно від дії бандажів, робочої рідини з додатковим тиском та дії опор.

Другим етапом було визначення НДС бака. Тут обичайку розглянуто як трансвесально-ізотропну замкнуту циліндричну оболонку, яка навантажена нормальними (до серединної поверхні) зусиллями , які симетричні відносно вертикальної осьової площини циліндра. Напружено-деформований стан оболонки описано рівняннями теорії пологих оболонок типу Тимошенка, в межах якої враховуються осьові і зсувні деформації в серединній поверхні, поперечні зсувні деформації, деформації згину і крутні деформації.

Для визначення розподілу переміщень і напружень за товщиною оболонки їх було описано наступними залежностями:

, ,

; , (19)

де ;

- товщина оболонки; - переміщення точок серединної поверхні; - кути повороту нормалі до серединної поверхні; - внутрішні сили і моменти.

Розв'язуючи системи основних рівнянь даної теорії, та звівши їх до системи ключових рівнянь відносно чотирьох функцій , отримано систему, після формалізації розв'язків якої, підставивши вирази невідомих функцій і навантаження у вигляді рядів, одержано систему алгебраїчних рівнянь для визначення коефіцієнтів цих рядів

(20)

де , , ; - головна кривизна; - пружні сталі; функція така, що

,

,

,

,

,

.

З розв'язку системи (20) одержано вирази для коефіцієнтів розкладу ключових функцій:

,

,

,

, (21)

,

.

Прогин оболонки було записано у вигляді залежності:

. (22)

Крім того, при відомому навантажені було проаналізовано напружено-деформований стан циліндричного бака в цілому, де для випадку обпирання його на типові жорсткі опори виявлено високу концентрацію напружень на краях опори, циклічність дії яких призводить до руйнування обичайки бака.

В дисертаційній роботі також поставлено задачу створення найоптимальніших умов контакту опор з обичайкою бака, тобто забезпечення сталості контактного тиску в околі їх взаємодії. Таким чином, було розв'язано задачу від супротивного, тобто наперед задаючись умовами контакту опори з обичайкою бака (функцією оптимізації), була спроектована сама опора.

Теоретичне підґрунтя для вирішення такої задачі полягало у розробці моделі роботи цієї опори. Вважалося, що опора це балка, яка має сталу ширину і змінну товщину.

На довжині серединна лінія балки має форму відрізка кола , радіуса з центральним кутом , (розглядався випадок кріплення обичайки бака на двох симетричних опорах), рис. 4.

З врахуванням умов контакту () і симетричності навантаження () після перетворень було отримано наступні залежності:

,

,

,

звідки, враховуючи, що , визначено змінну товщину опори, яка виконає поставлену умову контакту

. (25)

Для випадку, коли функцією оптимізації є сталий контактний тиск , товщина опори знайдена у вигляді

(26)

Коли функцією оптимізації є контактний тиск, що змінюється за законом , товщина опори була записана так

(27)

Отже, внаслідок теоретичних досліджень була створена методика, яка дозволила визначити напружено-деформований стан циліндричного бака обприскувача при відомому його навантажені, а також спроектувати опори, що задовольняють поставлені умови контакту.

У третьому розділі приведено програму, методику і результати експериментальних та польових досліджень розробленої конструкції спеціального малогабаритного обприскувача, де наведено його функціональні можливості при випробуваннях, а також експериментальні дослідження НДС обичайки бака при обпиранні його на типові та оптимізовані опори.

Особливістю даної розробки (рис. 5, 6) є універсальна конструкція штанги, яка дозволяє регулювати секції за висотою разом або окремо одна від одної, змінювати кут площини факелів подачі робочої рідини у двох взаємно та зміну кліренсу - 450-750 мм.

Все це дозволяє повністю адаптивно налаштувати дану машину на обробіток будь-яких польових культур чи низькорослих насаджень у садах. Крім того, запропонована конструкція дозволяє агрегатування обприскувача з будь-яким енергозасобом (мотоблок, міні трактор).

Розроблена методика експериментальних досліджень та їх проведення дозволили встановити максимальний коефіцієнт динамічності, який становить при русі машини з швидкістю км/год та визначити НДС околу типової та оптимізованої опор, рис. 7.

Після статистичної обробки експериментальних даних для повного навантаження бака було отримано залежності розподілу головних напружень в околі типової та оптимізованої опор, рис. 8:

Таким чином, оптимізована опора показала свою високу ефективність та роботоздатність, виконавши умову сталості контактного тиску на всій довжині обхвату обичайки бака.

У четвертому розділі представлено інженерну методику визначення напружено-деформованого стану обичайки бака залежно від діючого навантаження та обґрунтування вибору оптимальних конструктивних параметрів опор для забезпечення поставлених умов контакту.

З цією метою теоретичні викладки другого розділу приведено до вигляду інженерних розрахунків, які можна реалізувати за допомогою пакета прикладних програм типу “MathCAD”, “Mathematica” на ПК. Крім того, розроблено ряд програм для автоматизованого визначення шуканих величин. Реалізуючи запропоновані програми, отримано змінну товщину опори та проаналізовано напружено-деформований стан оболонки в цілому.

Проведено розрахунки і визначено НДС обичайки бака спеціального малогабаритного обприскувача для різних видів його навантаження.

Для типової опори при повному навантажені, отримано, рис. 10:

Порівнюючи отримані значення в характерних точках із аналогічними при експериментальних дослідженнях встановлено:

- для типової опори

теоретичні значення - на краях: і , посередині опори - ;

експериментальні значення - на краях: і , посередині опори - ;

- для оптимізованої опори

теоретичні значення - на краях: і , посередині опори - ;

експериментальні значення - на краях: і , посередині опори - .

Розбіжність складає 6-9%, що для інженерної практики є повністю прийнятним.

Для практичного виконання опори (накладки) змінної жорсткості запропоновано закон зміни її товщини (рис. 9) апроксимувати прямими, а для технологічності виготовлення - спочатку формувати змінну товщину накладки з подальшим утворенням дуги потрібного радіуса.

Проведені польові випробування засвідчили високу ефективність розробленої конструкції спеціального малогабаритного обприскувача при його експлуатуванні на садово-городніх ділянках підсобного господарства Зборівського технікуму ТДТУ.

Результати теоретичних розрахунків та експериментальних досліджень передані та використовуються при проектуванні нових та вдосконаленні старих машин для хімзахисту на ВАТ “Львівагромашпроект”.

Очікуваний річний економічний ефект складає 1753.6 грн на одну машину, що дозволяє твердити про високу ефективність даної розробки.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішена науково-технічна задача забезпечення надійності кріплення оболонкових конструкцій (баків) сільськогосподарських обприскувачів шляхом оптимізації конструкції їх опор за допомогою розробленої ефективної теоретико-експериментальної методики.

В основу роботи покладено наступні результати:

Запропонована нова ефективна конструкція спеціального малогабаритного обприскувача має розширені функціональні можливості. Особливість даної розробки полягає в універсальності конструкції штанги при виконані технологічних процесів обробітку городніх та польових культур, в садах і виноградниках (Патенти №55199 А і №31218 А).

Розроблена конструкція малогабаритного обприскувача дозволяє регулювати ширину колії в межах 11001500 мм, а також змінювати кліренс - 450-750 мм, що забезпечує обробіток польових культур або низькорослих насаджень у садах. Крім того, конструкція малогабаритного обприскувача забезпечує агрегатування з різними енергозасобами типу мотоблоків або міні тракторів (Патент №68939 А).

Створена математична модель на основі теорії пологих оболонок типу Тимошенка вперше дозволяє описати контактну взаємодію еластичних бандажів, опор у вигляді ложементів, робочої рідини та врахувати дію динамічних сил і додаткового тиску на обичайку бака обприскувача.

Вперше розроблені теоретичні засади та отримані прикладні залежності для визначення змінної товщини (жорсткості) опор забезпечують задані найоптимальніші умови контакту з обичайкою бака обприскувача.

Розроблена нова методика враховує характер діючого навантаження на бак обприскувача в залежності від деформацій обичайки при дії статичних і динамічних навантажень та дозволяє оптимізовувати конструктивні параметри опор з врахуванням умов контактної взаємодії.

В результаті розв'язку задачі оптимізації конструктивних параметрів опор бака спеціального малогабаритного обприскувача встановлено раціональний вибір таких параметрів: кут обхвату опор - , товщина накладок - м, .

В результаті комплексних експериментальних досліджень встановлено максимальні коефіцієнти динамічності, які знаходяться в межах при русі машини з швидкістю км/год, а також встановлено, що відповідність експериментальних та теоретичних даних знаходиться в межах 6-9%.

Визначено фактичний напружений стан в околі опори бака при повному навантаженні та дії максимальних динамічних сил, який складає , для оптимізованих опор - .

Результати на основі проведеного комплексу теоретичних та експериментальних досліджень відносно запропонованої конструкції малогабаритного обприскувача та ефективної інженерної методики, яка дозволяє проводити оптимізацію конструктивних параметрів опор баків сільськогосподарських обприскувачів, передані до ВАТ “Львівагромашпроект” і використовуються при проектуванні нових та вдосконаленні існуючих машин для хімічного захисту.

Після проведених розрахунків економічної ефективності пропонованої моделі спеціального малогабаритного обприскувача, очікуваний річний економічний ефект складає 1753.6 грн на одну машину, що дозволяє твердити про високу ефективність даної розробки.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Бабій А.В. До питання проектування опор резервуарів сільськогосподарських обприскувачів // Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні. Вісник ХДТУСГ. - 2004. - Вип. 24. - С. 22 - 27.

2. Бабій А.В. Розв'язок задачі про опис зовнішнього навантаження на циліндричний бак обприскувача // І-ша міжнародна науково-технічна конференція Динаміка, міцність та надійність с/г машин. - Тернопіль, 2004. - С. 116 - 120.

3. Бабій А.В., Рибак Т.І. Армовані композиційні матеріали в функціональних і тримких елементах сільськогосподарських машин // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль: ТДТУ, 1999. - Т.4(№2). - С. 73 - 76.

4. Рибак Т.І., Бабій А.В. Випадкові навантаження і втомне руйнування баків сільгоспхіммаш // Трибофатика. Збірник симпозіуму. - ТДТУ. - 2002. - Т.1. - С. 477 - 481.

5. Рибак Т.І., Бабій А.В. Особливості дослідження напружено-деформівного стану баків окремих машин для хімічного захисту // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль: ТДТУ, 2000. - Т.5(№4). - С. 10 - 15.

6. Рибак Т.І., Бабій А.В. Спосіб з'єднання функціонально-несучих базальтопластикових труб штанг обприскувачів // Загальнодержавний міжвідомчий науково-технічний збірник “Конструювання, виробництво та експлуатація сільськогосподарських машин”. - КДТУ - Вип. 30. - 2001. -С. 33 - 37.

7. Рибак Т.І., Бабій А.В. Універсальний малогабаритний обприскувач // Підвищення надійності відновлюємих деталей машин. - ХДТУСГ - 2003. - Випуск 17. - С. 221 - 224.

8. Рибак Т.І., Підгурський М.І., Бабій А.В. Перспективи застосування полімерних композитів в машхімзахисті // Техніко-технологічні аспекти розвитку та випробування нової техніки і технологій для сільського господарства України. Зб. наук. праць. - Дослідницьке - 2003. - Вип. 6(20), Книга 1. - С. 174 - 178.

9. Сухорольський М.А., Рибак Т.І., Бабій А.В. Взаємодія циліндричної оболонки з опорами змінної товщини // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль: ТДТУ, 2005. - Т.10(№2). - С. 5 - 10.

10. Патент України №31218 А на винахід, МКИ А 01М 7/00, F 16 L 13/00, F 16L 47/00. Спосіб з'єднання базальтопластикових широкозахватних штанг сільськогосподарських обприскувачів / Рибак Т.І., Буря О.І., Костюк В.І., Бабій А.В. Бюл. №7-II, 2000.

11. Патент України №55199 А на винахід, МКИ А01М7/00, А01М11/00. Штанга малогабаритного обприскувача / Рибак Т.І., Бабій А.В. Бюл. №3, 2003.

12. Патент України №65916 А на винахід, МКИ F16L55/04, F17D1/20. Пристрій для стабілізування пульсацій тиску робочої рідини обприскувача / Рибак Т.І., Бабій А.В., Довбуш А.Д., Смук З.В. Бюл. №4, 2004.

13. Патент України №68939 А на винахід, МКИ А01М7/00, А01М11/00. Рама причіпного обприскувача / Рибак Т.І., Бабій А.В., Матвіїшин А.Й. Бюл. №8, 2004.

14. Заявка на корисну модель U 200501889 від 28.02.2005р. Опора бака обприскувача / Рибак Т.І., Бабій А.В., Сухорольський М.А.

15. Бабій А.В. Задача про визначення напружено-деформівного стану циліндричного резервуара обприскувача // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні. Зб. тез доповідей восьмої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2004. - С.65.

16. Рибак Т.І., Бабій А.В. Кінематика робочого і транспортного положень штанги малогабаритного обприскувача // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні. Зб. тез доповідей шостої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2002. - С.64.

17. Рибак Т.І., Бабій А.В. Конструктивні та кінематичні параметри штанги малогабаритного обприскувача // 6-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механіків у Львові. Тези доповідей, 2003. - С. 193 - 194.

18. Рибак Т.І., Бабій А.В., Підгурський М.І. Задачі механіки композиційних матеріалів в сільськогосподарському машинобудуванні // Математичні проблеми технічної механіки (матеріали конференції). - Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2003. - С. 76.

19. Рибак Т.І., Бабій А.В., Смук З.В., Матвіїшин А.Й. Стабілізатор витоку робочої рідини для насосів сільськогосподарських обприскувачів // Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні. Зб. тез доповідей сьомої науково-технічної конференції ТДТУ. - Тернопіль, 2003. - С.91.

Размещено на Allbest.ru

...