Методи оцінки довговічності конструкцій шасі колісних тракторів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи оцінки довговічності конструкцій шасі колісних тракторів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Вступ. Економічну доцільність і необхідність вирішення проблеми забезпечення надійності тракторів вітчизняного виробництва ілюструють статистичні дані Української Асоціації «Надійність машин і споруд». Зокрема: «За період експлуатації витрати металу на запчастини тракторного двигуна складають 50-100% його маси, шасі трактора - 100%. Затрати засобів на технічне обслуговування і ремонт тракторів, автомобілів за повний термін служби у 3-6 разів перевищують вартість їхнього виготовлення. Середній наробіток на відмову трактора Т-150 у 2 рази, а термін служби в 2-3 рази менше, ніж у зарубіжних аналогів.»

Актуальність теми. Важливе місце при створенні машин нового покоління на базі прогресивних технологій займають розрахунки показників безвідмовності і довговічності конструктивних елементів. Недостатня надійність в значній мірі зумовлена відсутністю ефективних методів її оцінки з широким використанням сучасних інформаційних технологій. Існуючі методи розрахунків надійності мобільних машин мають низку недоліків. Зокрема: не враховуються фактичні дані про умови експлуатації і навантаженість досліджуваних конструкцій, що зумовлені різноманітністю виконуваних робіт; недостатньо вивчена і використовується кінетика накопичення пошкоджень і критерії граничного стану. Відсутні методи розрахунку на довговічність від втоми, які б дозволяли одночасно враховувати геометричні особливості досліджуваних конструкцій, властивості матеріалів й умови навантаження. При розрахунках довговічності виникає низка складностей, пов'язаних з недосконалістю існуючих методів обробки статистичної інформації про разові виміри зносів.

З цієї причини для конструкцій шасі сучасних мобільних машин необхідна розробка і вдосконалення методів оцінки ресурсу, які базуються одночасно на системному й комплексному підходах, що враховують конструктивні та технологічні особливості й випадковість умов експлуатації машини.

Вирішення означеної проблеми можливе при широкому й ефективному використанні систем автоматизованого проектування (САD, САМ, САЕ), створених на базі сучасних комп'ютерних технологій.

Розробка науково обґрунтованих методів оцінки, нормування та забезпечення безвідмовності й довговічності автотракторних конструкцій, які орієнтовані на використання САПР і враховують конструктивно-технологічні особливості і різноманітність умов експлуатації є актуальною, має важливе наукове і практичне значення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась за держбюджетними темами кафедри технології машинобудування та ремонту машин ХНАДУ на 2000-2002 рр. «Методологія оцінки і прогнозування стану автотракторних конструкцій, які втрачають працездатність при поступових відмовах (зокрема, від втомленості)» (№06-53-01) та на 2004-2006 рр. «Теоретичні основи забезпечення надійності автотракторних конструкцій» (№02-53-04); програмою Держсільгоспмашу Міністерства промислової політики України на 1998-2005 р. р. «Виробництво технологічних комплексів машин та обладнання для АПК», тема «Підвищення технічного рівня серійних тракторів» (№22.70.98); а також за договорами на 2000-2004 рр. про випробування тракторів і створених на їх базі агрегатів між ВАТ «ХТЗ» і Українським науково-дослідним інститутом із прогнозування та випробування техніки й технологій для сільськогосподарського виробництва (УкрНДПІВТ), (№ДР 70/45-34; 70/211-23); між ВАТ «ХТЗ» і Південно-Українською машиновипробувальною станцією (№ДР 70/44-34; 70/170-23; 70/194-23).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка, вдосконалення, теоретичне та експериментальне обгрунтування методів оцінки, нормування, забезпечення довговічності, які використовуються при створенні нових конструкцій шасі колісних тракторів, що дозволить скоротити обсяг і терміни експериментально-доводочних робіт.

Для досягнення цієї мети необхідно вирішити такі основні задачі:

1. Проаналізувати і систематизувати дані про пошкодження деталей в агрегатах шасі нових моделей колісних тракторів класу 30 кН, що працюють в умовах реальної експлуатації та при випробуваннях.

2. Розробити теоретичні положення, методи, алгоритми оцінки і нормування характеристик довговічності, безвідмовності шасі тракторів, їх складових частин, що враховують стохастичні зв'язки між факторами, що їх визначають, а також техніко-економічні аспекти забезпечення надійності.

3. Вивчити і проаналізувати дані про експлуатаційні режими навантаження, розробити ймовірнісні моделі й виконати статистичні оцінки навантаженості конструктивних елементів шасі базових машин та їх модифікацій. Систематизувати і схематизувати експлуатаційні режими навантаження досліджуваних конструкцій. Провести експериментальні дослідження навантаженості базових деталей шасі.

4. Виявити залежності між швидкостями зношування робочих поверхонь типових деталей шасі і факторами, що її обумовлюють. Розробити методи, математичні моделі, алгоритми для оцінки зносостійкості конструктивних елементів.

5. Виконати чисельні дослідження впливу на величину ресурсу деталей шасі, що втрачають працездатність від втомних пошкоджень, міцносних характеристик матеріалів, змін геометрії та режимів навантаження з використанням розроблених методів, алгоритмів.

6. Виконати техніко-економічну оцінку ефективності від зміни надійності тракторів, їх складових частин. Розробити рекомендації щодо забезпечення довговічності деталей і вузлів.

Об'єктом дослідження є процеси накопичення пошкоджень конструктивних елементів, вузлів, агрегатів шасі колісних тракторів.

Предметом дослідження є ймовірнісні характеристики процесів накопичення пошкоджень, характеристики безвідмовності й довговічності досліджуваних конструкцій.

Методи дослідження складають комплекс чисельних методів теорії пружності, теорії ймовірностей, теорії випадкових функцій, теорії надійності, МСЕ, а також методів експериментальних досліджень навантаженості та технічного стану конструкцій при експлуатації, випробуваннях і ремонті.

Наукова новизна отриманих результатів. Виконані в роботі дослідження дозволили одержати нові наукові результати:

- вперше розроблено і науково обгрунтовано метод оцінки довговічності деталей, що втрачають працездатність від втомних ушкоджень, в якому одночасно враховуються геометричні особливості конструкцій, міцносні характеристики матеріалу, умови експлуатації й розсіювання пошкоджуваності;

- вперше встановлені закономірності зміни ресурсу деталей шасі колісних тракторів, які втрачають працездатність внаслідок втомних ушкоджень від міцносних характеристик матеріалів, змін геометрії та режимів навантаження;

- вперше систематизовані дані про пошкодження типових деталей в агрегатах шасі нових моделей тракторів класу 30кН, про експлуатаційні режими навантаження конструктивних елементів шасі при виконані сільськогосподарських і транспортних робіт;

- вперше одержані і схематизовані характеристики експлуатаційних режимів навантаження гідроприводу рульового керування й конструктивних елементів шарнірно-з'єднаної рами фронтального навантажувача;

- удосконалена методика класифікації відмов за групами значимості, уточнені класифікатори відмов шасі колісних тракторів класу 30 кН;

- удосконалені методи обробки статистичних даних про разові виміри зносів і побудови статистичних кривих динаміки зношування, оцінки статистичних характеристик ресурсів деталей, які втрачають працездатність від зносу;

- на основі досліджень динаміки зношування встановлені залежності між швидкостями зношування типових деталей шасі колісних тракторів класу 30 кН та факторами, що її визначають (навантаження, зазори, натяги).

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені методи, алгоритми і розрахункові програми становлять нову базу для оцінок та нормування довговічності, що має суттєве практичне значення, оскільки дає можливість виконувати оцінки відповідності розрахункових характеристик довговічності за встановленими нормативами. Це дає можливість вносити відповідні корективи при вибору матеріалів, покриттів, геометрії, експлуатаційних режимів навантаження тощо.

Основні результати, рекомендації, висновки виконаних прикладних досліджень, які наведено в дисертаційній роботі, використано й впроваджено при проектувані й дослідженях на підприємствах України: ВАТ «ХТЗ» (м. Харків); ДП «Судмаш» (м. Херсон); УкрНДІПВТ (Київська обл.); Південно-Українській державній машиновипробувальній станції (м. Херсон). Теоретичні й програмні розробки використовуються в навчальному процесі ХНАДУ при виконанні студентами завдань до курсових, дипломних робіт.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень викладені в монографії та 30 статтях, опублікованих у журналах і збірках, затверджених ВАК України.

Автору належать:

- математична постановка задачі про ресурс із урахуванням ресурсовизначальних факторів [1, 13, 25];

- систематизовані дані про пошкодження деталей в агрегатах шасі нових моделей тракторів [1, 6, 19, 20];

- систематизовані й схематизовані дані про експлуатаційні режими навантаження конструктивних елементів шасі [1, 4];

- ймовірнісна модель навантаженості деталей силової передачі, яка враховує різноманітність виконуваних сільськогосподарських робіт [5];

- методика класифікації відмов за групами значимості, уточнені класифікатори відмов шасі тракторів класу 30 кН [16, 26];

- встановлені залежності між швидкостями зношування типових деталей шасі й факторами, що їх визначають [3, 6, 8];

- результати експериментальних досліджень навантаженості гідроприводу рульового керування та шарнірного з'єднання рами [17, 24];

- методика розрахунку й оптимізації допусків деталей нерухомих з'єд-нань для забезпечення величини заданого ресурсу спряження [8];

- узагальнена залежність між швидкостями зношування та факторами, що їх визначають, яка дає можливість визначати допустиму швидкість зношування, величину запасу на знос і, відповідно, величину втрати натягу для різних значень ресурсу спряжень [8, 28];

- скінченно-елементні моделі корпусних деталей і чисельні дослідження їх довговічності [12, 14, 18];

- результати дослідження впливу міцносних характеристик конструктивних матеріалів, геометрії й експлуатаційних режимів навантаження на довговічність конструктивних елементів [27];

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи обговорювалися на Міжнародній науково-технічній конференції «Пріоритети розвитку вітчизняного автотракторобудування» (Москва, 2000 р.), Міжнародній конференції «Интерстроймех-98» (Воронеж, 1998 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми машиноведення» (Гомель, 2000 р.), Міжнародній конференції з надійності машин і прогнозування їх ресурсу «ROM 2000» (Івано-Франківськ, 2000 р.), Міжнародній конференції з оцінки та обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій «Ресурс - 2000» (Київ, 2000 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Интерстроймех-2001» (Санкт-Петербург, 2001 р.), Міжнародній науково-технічній конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (смт. Глеваха, Київська обл., 2001 р.), IV Міжнародному симпозіумі з трибофатики (Тернопіль, 2002 р.), конференції «Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві» (Харків, 2002 р.), на 2-4-ій Міжнародних науково-технічних конференціях «Фізичні і комп'ютерні технології в народному господарстві» (Харків, 2000, 2001, 2002 рр.) тощо.

Дисертація розглянута й схвалена у цілому на розширеному засіданні кафедри «Технології машинобудування та ремонту машин».

Публікації. Результати досліджень, які викладено в дисертаційній роботі, опубліковано в 40 наукових працях, серед яких одна монографія, 30 статей, надрукованих у наукових журналах і збірках наукових праць, 9 доповідей - у працях наукових конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації складає 329 сторінок, у тому числі 110 малюнків на 53,5 сторінках, 34 таблиці на 33,5 сторінках, 3 додатки на 44 сторінках. Список використаних джерел налічує 295 найменувань на 26 сторінках.

Основний зміст

зносостійкість трактор шасі робочий

У вступі обґрунтовано актуальність виконаних досліджень, подано загальну характеристику роботи, сформульовані мета й основні задачі досліджень, надано відомості про особистий внесок автора, ступінь апробації, публікації і структуру роботи.

Перший розділ дисертації присвячено аналітичному огляду робіт, обґрунтуванню обраного напрямку досліджень.

Однією з принципових проблем машинобудування, автотракторобудування зокрема, є проблема забезпечення надійності і довговічності конструктивних елементів машин.

Основи теорії надійності розвинуті в роботах В.Я. Аніловича, Ю.М. Артем'єва, В.В. Болотіна, І.М Величкіна, М.Я Говорущенка, В.І. Казарцева, Р.В. Кугеля, А.Т. Лебедєва, В.М. Міхліна, Л.В. Назарова, В.В. Нічке, Д.М. Решетова, А.С. Пронікова, В.Т. Трощено, Я.Б. Шора та інш.

Відзначимо, що вузли й агрегати сучасних мобільних машин повинні створюватися із заданим рівнем надійності. Зокрема, гама-відсоткові ресурси конструктивних елементів повинні відповідати терміну служби машини. Для цього існують усі необхідні передумови: матеріали, покриття, технології, мастила, умонтовані діагностичні системи тощо.

Численні перешкоди виникають при оцінці та прогнозуванні довговічності деталей, які втрачають працездатність від спрацювання, оскільки методи розрахунку на спрацювання в реальних конструкціях машин малорозроблені. А через недостатню зносостійкість довговічність багатьох деталей низька, що зумовлює значну кількість відмов і численні ремонти машин.

Розробці методів оцінки та забезпечення зносостійкості деталей машин присвячені роботи М.А. Бабічева, О.В. Бажинова, Л.Д. Бонера, Ф.П. Боудена, М.А. Буше, С.В. Венцеля, Ю.М. Дроздова, А.В. Крагельського, Р.М. Матвієвського, М.М. Тененбаума, М.М. Хрущова, А.В. Чичинадзе та інш.

При проектуванні не завжди відомі максимальні навантаження, які виникають під час роботи машин. Недостатньо інформації про характер цих навантажень, невідомо як часто вони повторюються, носять динамічний характер чи поступово змінюються в часі і в залежності від цього, які необхідні розрахунки для попередження втомних пошкоджень.

Питанням оцінки і забезпечення втомної довговічності конструкцій мобільних машин присвячені роботи Ю.С. Борисова, Ю.С. Воробйова, С.С. Дмитриченко, В.О. Жовдака, В.С. Лукінського, В.П. Когаєва, М.А. Махутова, Т.І. Рибака та інших авторів, а також численні прикладні роботи щодо дослідження й забезпечення надійності машин, які виконувались на заводах автомобіле- і тракторобудування, НДІ та ВНЗ.

При виконані зазначених робіт виявлені основні види пошкоджень конструктивних елементів і причини, що їх зумовлюють.

Для оцінки відповідності нормативного (заданого) рівня довговічності машин і їх складових частин, що втрачають працездатність від втомних пошкоджень, оцінках та прогнозі довговічності доцільно мати узагальнюючу методику, яка дозволяє перейти від розрахунків циклічної довговічності до статистичних оцінок ресурсу (щільності розподілу ресурсу), які порівняні з численними значеннями, що задаються в нормативно-технічній документації (середні та гамма-відсоткові оцінки).

Основним методом оцінки втомної довговічності є гіпотеза лінійного підсумовування пошкоджень, в основу якої покладено оцінку напруженості конструкції, виявлення кривих втомленості. Як правило, згадані оцінки виконувалися на основі експериментальних досліджень. Найбільш ефективним методом численної оцінки напружено-деформованого стану (НДС) є метод скінченних елементів (МСЕ).

Багатьма закордонними й вітчизняними авторами запропоновано різні підходи до практичної реалізації МСЕ, зокрема, J. Oden, J. Fix, L. Streng, O. Zienkiewich, О.С. Сахаров, В.О. Постнов, В.П, Мяченков, І.Я. Хархурин, які мають спільну фундаментальну основу, широко застосовуються при розрахунках на міцність та жорсткість різноманітних конструкцій.

Ідеї й алгоритми МСЕ звичайно реалізуються у програмному забезпеченні. У цьому напрямку накопичено великий досвід застосування комерційних програмних комплексів на базі МСЕ, що почали створюватися з кінця 60-х років.

Серед них відомі комплекси, що мають світову популярність і зараз, як наприклад: СОSMOS/M, MSC/NASTRAN, ANSYS та інші. Українські наукові школи теж зробили значний внесок у становлення і розвиток використання МСЕ. Створені в Україні програмні комплекси ТЕРМОМЕХАНІКА, МІЦНІСТЬ, ЛІРА та інші отримали добру оцінку серед користувачів.

Аналіз стану проблеми створення автотракторної техніки із заданим рівнем надійності показав, що існуючі методи розрахунків на довговічність і надійність не надають потрібних можливостей для повноцінного вирішення цих проблем. Потрібні нові підходи, уточнені розрахункові схеми, нові математичні моделі та ефективні методи і алгоритми, які дозволять здійснити такі розрахунки. Важливого наукового і практичного значення набувають розробка ефективних методів розрахунків довговічності з урахуванням випадкової дії експлуатаційних навантажень, розсіювання міцносних характеристик матеріалів, геометричних параметрів робочих поверхонь і з'єднань, що дозволяє отримувати достовірну інформацію про працездатність конструкцій на етапі проектування.

У другому розділі сформульовані основні вимоги задачі про ресурс та напрямки її розв'язання.

Для встановлення і забезпечення ресурсів тракторів та їх складових частин, які виключають повнокомплектні, знеособлені капітальні ремонти, сформульовані основні визначення, що характеризують вказані категорії:

- умови використання;

- критерії граничного стану;

- ресурс, нормативний ресурс, термін служби;

- умови розв'язання задачі про ресурс.

Визначені основні фактори, що впливають на ресурс (при стабільній якості виготовлення):

- структура експлуатаційних режимів навантаження (рівень навантажень та їх циклічність);

- розсіювання характеристик зносостійкості і втомлюваності ресурсовизначальних конструктивних елементів;

- якість обслуговування, умови зберігання.

При розв'язані згаданих задач необхідно відповісти на питання про те до якого напрацювання слід експлуатувати кожний конструктивний ресурсовизначальний елемент (РВЕ). Алгоритм розв'язання передбачає визначення РВЕ і оцінку ресурсу кожного елемента. Вихідною інформацією для розв'язання задач про встановлення і забезпечення ресурсів служать результати досліджень та моделювання процесів старіння.

Зростання величин бажаних ресурсів потребує більш високої точності й достовірності оцінок зносостійкості, втоми, якості відтворення при різноманітних випробуваннях і моделюванні експлуатаційних режимів навантаження.

Керувати процесом забезпечення надійності конструкцій можна на основі її нормування. При нормуванні показників надійності використовують методи оптимізації техніко-економічних показників машини, за умови виконання необхідного обсягу робіт у встановлені терміни. Критерієм оптимізації приймається мінімум питомих сумарних витрат на виготовлення й експлуатацію машини.

Нормативи розробляються в наступній послідовності: для трактора, агрегатів, систем, вузлів, деталей, РВЕ. Нормативи довговічності деталей необхідно розробляти з урахуванням їх критеріїв граничного стану (спрацювання, втомні пошкодження, деформації тощо). На практиці нормування показників надійності тракторів для її комплексної оцінки застосовують коефіцієнт готовності.

Однак для виконання парком тракторів заданих обсягів робіт в установлені терміни необхідно враховувати час на проведення технічних обслуговувань (ТО). У зв'язку з цим замість коефіцієнта готовності запропоновано для комплексної оцінки надійності застосовувати коефіцієнт технічного використання, який пов'язаний з показниками довговічності і безвідмовності. Зокрема, середнім ресурсом, терміном служби, коефіцієнтом готовності, напрацюванням на відмову, середнім числом відмов, ймовірністю безвідмовної роботи тощо. Коефіцієнт технічного використання характеризує ймовірність працездатності машини в певний момент часу.

Рівень безвідмовності трактора повинен забезпечувати запланований коефіцієнт технічного використання _. і обмежуватися величиною питомих сумарних витрат З(А) за нормативний ресурс. З урахуванням часу відновлення (t_в) та часу на проведення ТО () парк тракторів для виконання необхідного обсягу робіт буде становити

, (1)

де - парк машин попередників і нових (з підвищеною надійністю); - коефіцієнт технічного використання машин попередників та нових. Звідси

(2)

Середні витрати часу на усунення відмов і проведення ТО подано у вигляді

. (3)

Звідси

, (4)

де - середній ресурс трактора; - середній час відновлення й проведення ТО за ресурс; і - функції потоку відмов і ТО.

Сумарні середні витрати на придбання та підтримання працездатності машини за середній ресурс будуть рівні

. (5)

Звідси

, (6)

де - балансова ціна трактора; і - усереднені затрати на усунення відмов і проведення ТО; - питомі сумарні середні витрати за середній ресурс

, (7)

які повинні бути меншими ,

<. (8)

Значення коефіцієнта технічного використання визначається з умови насичення парку машин до необхідної кількості за рахунок нових тракторів з підвищеною надійністю

, (9)

де - коефіцієнт перерахунку мотогодин у години роботи трактора.

Таким чином, необхідно визначити такі значення і , які б забезпечили потрібну величину коефіцієнта технічного використання при умові обмеження питомих сумарних витрат З(А), що виконується рішенням системи рівнянь (4) і (6).

Для реалізації пропозицій щодо нормування швидкостей зношування та оцінки їх відповідності нормативам розроблені відповідні методики й алгоритм оцінки динаміки зношування за разовими вимірами зносу, що містять п'ять розрахункових блоків.

Для підвищення точності оцінок безвідмовності тракторів та їх складових частин запропонована методика класифікації відмов за групами значимості. Чітке визначення груп значимості можливе при наявності обґрунтованих граничних значень трудомісткостей (тривалостей) усунення відмов для кожної групи.

Граничні значення трудомісткостей пропонується встановлювати на основі побудови композицій законів розподілу трудомісткостей всіх груп значимості. При перерозподілі відмов з урахуванням встановлених інтервалів трудомісткостей виключено перекриття діапазонів трудомісткостей (рис. 2), що підвищує точність і достовірність оцінок і нормування рівня надійності шасі тракторів.

У результаті число відмов, які належать до другої й третьої груп значимості, усунення яких потребує значних витрат матеріальних і трудових ресурсів, зменшилось на 30% і 20% відповідно.

Для конструкцій шасі, що втрачають працездатність від втомних пошкоджень, необхідно мати методи нормування й оцінки відповідності фактичного та нормативного ресурсів, а також узагальнені методи розрахунку і прогнозування, які дозволяють перейти від розрахунків циклічної довговічності до статистичних оцінок ресурсу (щільності розподілу ресурсу), які співставимі з числовими значеннями, що задаються в нормативно-технічній документації (середні та гама-відсоткові оцінки).

Для цього запропонована методика розрахунку, яка враховує:

- просторовий характер напруженого стану, який, як правило, виникає в місцях, де напруження максимальні;

- міцносні характеристики матеріалів, що використовуються, та розсіювання цих характеристик;

- концентрацію напружень;

- стан поверхонь деталей після механічної обробки;

- розміри деталей (масштабний фактор);

- особливості навантаження (асиметрію циклів, тощо);

- тривалість роботи деталей під навантаженням;

- можливі варіанти забезпечення ресурсу, що враховують значимість потенційних відмов.

Послідовність і зміст виконуваних за методикою робіт подано на рис. 3. При розрахунках використовується крива втоми Велера і гіпотеза лінійного підсумовування пошкоджень.

У силу розкиду результатів втомних випробувань пошкоджуваність є випадковою величиною. При нормальному законі розподілу пошкоджуваності ймовірність безвідмовної роботи визначається з формули

, (10)

де - нормована функція нормального розподілу,

де , (11)

де - середнє значення питомої пошкоджуваності; - середнє квадратичне відхилення питомої пошкоджуваності.

Враховуючи, що , одержуємо

. (12)

– Далі одержуємо середнє значення питомої пошкоджуваності й визначаємо приведену амплітуду циклічного навантаження.

, (13)

де число циклів навантаження з середньою амплітудою в блоці; число циклів навантаження до руйнування з амплітудою ; тривалість одного циклу навантаження.

Слід зазначити, приведена амплітуда циклічного навантаження вміщує в собі загалом 4 види приведень:

– просторовий напружений стан зводиться до одновісьового на основі відповідної гіпотези втомлюваної міцності;

– циклічне напруження деталі ставиться у відповідність до циклічного напруження стандартного взірця за допомогою коефіцієнтів масштабного фактора, концентрації напружень, якості поверхні тощо.

– циклічне та середнє (постійне) напруження асиметричного циклу приводиться до відповідного напруження симетричного циклу за допомогою коефіцієнта асиметрії циклу.

кілька амплітуд напружень від циклічного навантаження за період дії одного програмного навантаження приводиться до однієї амплітуди напруження від постійного симетричного навантаження (за умови однакової пошкоджуваності).

З урахуванням формул (12) і (13) одержуємо наступне

. (14)

З отриманої залежності видно, що ймовірність безвідмовної роботи залежить від двох аргументів: заданого часу безвідмовної роботи t та приведеної амплітуди напруження. Маючи коефіцієнт варіації і приведену амплітуду напруження можна визначити ймовірність безвідмовної роботи за час t. Одержавши для різних значень наробітку (криву спаду), можемо визначити статистичні оцінки ресурсу (середній, гамма-відсотковий).

У розділі три узагальнені результати досліджень експлуатаційних режимів роботи колісних тракторів, охарактеризована навантаженість конструктивних елементів шасі за ресурс до першого капітального ремонту і за термін служби. Трактор виконує різноманітні сільськогосподарські роботи (більше 70 видів), а також використовується для створення модифікацій, які виконують дорожньо-будівельні роботи.

В означені характеристики введено напрацювання: 8000 м.г. - нормативний гама-відсотковий ресурс до першого капітального ремонту, 15000 м.г. розрахунковий середній ресурс, який виробляє машина за термін служби.

Також зібрані і узагальнені дані про тягові опори сільськогосподарських машин. Для оцінки статистичних характеристик навантаженості різних конструктивних елементів запропонована ймовірнісна модель, яка характеризує тривалість роботи кожного конструктивного елемента відповідно до його частоти обертання й навантаження.

Для визначення узагальнених функцій розподілу, згаданих параметрів, використана ймовірнісна схема, яка відповідає формулі повної ймовірності

, (15)

де подія (включення передачі), яка виникає як випадковий наслідок однієї з несумісних подій (включення діапазону).

Узагальнені характеристики згаданих розподілів визначаються на основі побудови композицій законів цих розподілів.

За всіма способами і варіантами схематизації навантаженості конструктивних елементів, які описані в літературі, пропоновані методи враховують періоди часу, як правило, отримані при експериментальних дослідженнях зміни навантаженості без врахування всього спектра експлуатаційних режимів навантаження за рік, за ресурс до першого капітального ремонту, за термін служби машини. Вважаємо, що при оцінках довговічності необхідно враховувати час роботи на кожній передачі в сполученні зі зміною тягових опорів за видами виконуваних сільськогосподарських робіт.

При роботі трактора на включеній передачі деталі трансмісії підвернені статичному навантаженню, на яке накладається динамічне навантаження через зміну тягового опору. Амплітуда цього навантаження складає частину навантаження, яке виникає при переключенні передач. Незважаючи на те, що циклічність навантаження при роботі на конкретній передачі значно більша частоти включень передачі, небезпечним з точки зору втомної довговічності є саме режим переключень, оскільки амплітуда високочастотного навантаження значно менша амплітуди навантаження при переключенні передач. Цей факт не є достатньо очевидним і тому необхідно підраховувати кількість циклів навантаження для обох випадків.

На базі колісного трактора створено низку машин, призначених для дорожньо-будівних робіт. Напевне, режими навантаження цих машин формуються інакше ніж при виконанні сільськогосподарських робіт. Аналіз видів виконуваних цими машинами робіт і їх технічних характеристик показав, що в найбільш складних умовах працює фронтальний навантажувач. Оцінки довговічності конструктивних елементів фронтального навантажувача можна розповсюдити на аналогічні конструктивні елементи інших машин без втрати надійності. При роботі навантажувача найбільш інтенсивно навантажуються деталі ходової та несучої систем. Для оцінки навантаженості цих систем проведені експериментальні дослідження. При цьому досліджувались три найбільш характерні режими роботи навантажувача:

- рух по горизонтальній поверхні, ківш у нижньому положенні і не опирається на ґрунт;

- ківш у положенні максимального вильоту стріли (без вантажу, з вантажем 3000 кг.);

- ківш у положенні максимального підйому (без вантажу, з вантажем 3000 кг.).

Отримані розрахункові й експериментальні оцінки навантаженості шарнірного з'єднання рами і гідроциліндрів рульового керування (найбільш відмовонебезпечні вузли) використані при розрахунках довговічності.

У розділі чотири розроблені й вдосконалені методи оцінки довговічності деталей, які втрачають працездатність від спрацювання.

Проблемі оцінки зносостійкості присвячені роботи вітчизняних і зарубіжних учених. Досліджено вплив різноманітних факторів на інтенсивність зношування деталей. Однак для практичного використання при проектуванні необхідно мати достатньо прості залежності, які дозволяють виконувати необхідні розрахунки зносостійкості, використовуючи швидкості зношування, оскільки визначення інтенсивності зношування, як відношення величини зносу до шляху тертя, для багатьох деталей неможливі, зокрема, для нерухомих з'єднань отвори стаканів і корпусів, шийки валів під підшипники, шарнірні з'єднання рульового керування, рами тощо.

Оцінка швидкостей зношування, як відношення величини зносу до напрацювання машини, значно простіша і дозволяє характеризувати зносостійкість спряжених деталей, враховуючи розсіювання зносів. Більше того, визначення і наявність швидкостей зношування дозволяє оцінювати зносостійкість різних робочих поверхонь деталей на основі порівняльної оцінки з раніше розробленими нормативами швидкостей зношування, виходячи із забезпечення назначеного ресурсу машини.

Однією із задач, що виникає при проектуванні автотракторних вузлів, є вибір підшипників кочення із заданим рівнем довговічності (зносостійкості). У відповідності з існуючими рекомендаціями оцінка довговічності підшипників кочення виконується виходячи з того, що критерієм їх граничного стану є втомне контактне руйнування поверхонь кочення. Дослідження технічного стану підшипників коробок зміни передач тракторів ХТЗ-120/121, ХТЗ-17021, ХТЗ-17221 при надходженні в ремонт та при проведенні випробувань показали, що основною причиною їх вибраковки є знос поверхонь кочення, що характеризується збільшенням радіального зазору. Випадків вибраковки підшипників через втомні пошкодження не відмічено.

Вище перераховане дозволяє констатувати, що при оцінці довговічності підшипників кочення в серійно виготовлених машинах необхідно розраховувати і враховувати швидкості зношування, які визначаються за розробленою й вдосконаленою методикою, використовуючи при цьому разові виміри зносів з оцінкою ймовірності недосягнення граничного зносу і подальшою оцінкою ресурсу в одиницях напрацювання машини. При цьому розглядаються розподіли зносів зі щільністю у залежності від збільшення напрацювання машини. Ймовірність того, що знос поверхонь кочення в момент напрацювання машини не досягне граничного зносу дорівнює

. (16)

Аналіз форм отриманих розподілів радіальних зазорів підшипників показав їх асиметричність. За робочу прийнята гіпотеза про те, що розподіли зносів описуються двопараметричним законом розподілу Вейбула. Тоді формула (16) може бути подана в такому вигляді

, (17)

де - параметри розподілу Вейбула; - є функції коефіцієнта варіації.

.

Показник розсіювання - коефіцієнт варіації, являючись інваріантом відносно одиниці виміру зносів, служить мірою розсіювання відносно середнього зносу (). Разом з величиною він повністю визначає використовуваний двопараметричний закон розподілу зносів. Оскільки та для процесу зносу залежить від часу, то підставивши в (17) аналітичні залежності і від часу і , отримуємо розподіл ресурсів підшипників, за яким визначають характеристики довговічності (середній і гама-відсотковий ресурси).

За наявності у досліджуваних вибірках підшипників таких, що вибраковувалися не за зносом, а через якісь інші ушкодження, включаючи втомне викришування, сумарна ймовірність безвідмовної роботи підшипників буде дорівнювати

, (18)

де - ймовірність того, що підшипник був вибракуваний з інших причин.

Так само можна визначати ресурси, використовуючи статистичні криві динаміки зношування для усіх рухомих спряжень.

У п'ятому розділі розглянуто результати чисельних досліджень впливу на величину ресурсу корпусу головної передачі ведучого моста, міцносних характеристик матеріалів, зміни геометрії, експлуатаційних режимів навантаження.

Відповідно до розробленої методики й алгоритму, який має п'ять розрахункових блоків:

1. Проаналізована конструкція корпусу, можливі варіанти використання матеріалів і їх міцносні характеристики. За результатами проведених досліджень охарактеризовано пошкодження корпусу, які мали місце при випробуваннях і в експлуатації. З урахуванням експлуатаційних режимів роботи, які охарактеризовані в третьому розділі, сформовано розрахункову схему навантаження. Обґрунтовано базовий режим навантаження.

2. У другому розрахунковому блоці створено кінцево-елементну модель (рис. 5), а також спрощені кінцево-елементні моделі підшипникових опор диференціала з фланцем кріплення корпусу головної передачі. Це дозволило скоротити розмірність задачі в цілому і провести розрахунки на ЕОМ із середніми обчислювальними ресурсами.

З огляду на те, що задача розв'язується в рамках лінійної теорії пружності, досить розв'язати її для базового режиму навантаження. Напружений стан для будь-якого подібного режиму визначається за формулою

, (19)

де напруги в і-тій точці при величині крутного моменту , напруги в і-тій точці при величині крутного моменту .

Для одержання статистичних характеристик ресурсу необхідно за певний відтинок часу визначити пошкоджуваність досліджуваної конструкції від циклічного програмного навантаження. Потім знайти таке навантаження симетричного еквівалентного циклу, яке б забезпечувало таку ж пошкоджуваність деталі, як і при програмному навантаженні.

3. У третьому розрахунковому блоці оцінювалась циклічна довговічність корпусу. Обробку даних для визначення амплітуди симетричного еквівалентного циклу навантаження виконували за допомогою електронних таблиць (ECXEL).При проведенні розрахунків використано статистичні дані про зміну сили тяги і час роботи на передачах (діапазонах) при виконанні різних сільськогосподарських робіт. Встановлено, що пошкоджуваність корпусу з сірого чавуну за рік роботи майже в сорок разів більша ніж корпусу з високоміцного чавуну.

4. Характер зміни ресурсу від амплітуди еквівалентної напруги і ймовірності безвідмовної роботи (ІБР) оцінюється за відповідними перетинами поверхонь спаду, які одержані моделюванням отриманих вище залежностей з використанням 3D графіки. На рис. 8 показані тривимірні залежності ресурсу корпусу з чавуну СЧ 35-56, ІБР і величини амплітуди еквівалентної напруги.

Перетин I дозволяє характеризувати залежність величини ресурсу від гарантованої ІБР для різних значень коефіцієнта варіації пошкоджуваності за призначеним ресурсом.

Перетин II характеризує залежність гарантованої ІБР від амплітуди еквівалентної напруги для різних значень коефіцієнтів варіації пошкоджуваності при назначеному ресурсі.

У перетині III ілюструються залежності величини ресурсу від амплітуди еквівалентних напруг при фіксованому (заданому) значенні ІБР і різних значеннях коефіцієнта варіації пошкоджуваності.

Усі результати, отримані за наведеною методикою, дозволяють робити оцінки відповідності величини ресурсів досліджуваних конструкцій нормативам довговічності в одиницях наробітку машини у залежності від ресурсовизначальних факторів (навантаження, матеріал, геометрія).

У шостому розділі подано результати чисельних досліджень довговічності деталей, що експлуатуються в умовах багатоциклового навантаження й втрачають працездатність від втомних пошкоджень.

Передбачається, що найбільш навантажені зони матеріалу працюють в області багатоциклової втоми, але амплітуди циклічних напруг, що перевищують межу втоми, мають кількість циклів до ймовірного руйнування набагато менше базових 10 млн. циклів і деталь може проробити більше 8000 - 10000 м.г., якщо циклічність навантаження невелика. Іншими словами, якщо в складі програмного навантаження весь цикл займає багато часу, а в ньому підвищене навантаження має лише невелику частку, то деталь за заданий ресурс не набере кількість циклів до руйнування. Наприклад, корпус гідроциліндра рульового керування, корпус шарнірного з'єднання рами трактора у режимі навантажувача, гальмівний барабан тощо.

Прогнозування ресурсів згаданих деталей і виявлення впливу на величину ресурсів розсіювання пошкоджуваностей, заміни матеріалів, геометрії, режимів навантаження має свої особливості. Апробація розробленої методики і алгоритму виконана на корпусі гідроциліндра.

Геометричні параметри корпусу гідроциліндра подані на рис. 10.

Необхідно з'ясувати, наскільки доцільно з погляду забезпечення нормативного ресурсу можлива заміна матеріалу корпусу гідроціліндра - сталі 20 на сталь 35 зі зменшенням зовнішнього діаметру на 5 мм.

Узагальнена програма навантаження складена на основі експериментальних досліджень зміни величини тиску в гідроциліндрах при роботі фронтального навантажувача.

Зміна тиску в гідроциліндрах фіксувалася осцилографічними записами при виконанні характерних робіт навантажувача. Встановлено, що максимальний тиск не перевищує 28,1 МПа протягом 0,5 сек. Експериментально також встановлено, що весь цикл проникнення ковша в грунт займає 48,5 сек. Тиск у циліндрі за цей цикл змінюється практично трьома ступенями. Крім першого згаданого ступеня зміни тиску до 28,1 МПа протягом 0,5 сек., приблизно 28 сек. тиск у циліндрі утримується на величині 10 МПа та 20 сек. - на величині 20,6 МПа. Програмі навантаження, що виявлено експериментально, ставилося відповідне еквівалентне програмне навантаження. Умовою еквівалентності була однаковість пошкоджуваностей за цикл навантаження за дійсною й еквівалентною програмами. Крім цього, асиметричний (віднульовий) цикл навантаження приводився до еквівалентного симетричного навантаження.

Для розрахунку НДС корпусу створено кінцево-елементну модель (рис. 11). Встановлено, що в результаті розрахунків максимальні еквівалентні напруги носять локальний характер в області отвору в циліндрі, до якого приварений штуцер і становлять близько 340 МПа. На віддаленні від концентратора напруги (номінальні) не перевищують 150 МПа. У циліндрі, зовнішній діаметр якого зменшено до 95 мм, максимальні напруги в області концентрації напруг практично не змінилися. Номінальні напруги підвищилися до 165 МПа.

Для цього випадку алгоритм отримання амплітуди приведеної еквівалентної напруги при програмному навантаженні виглядає таким чином. Перш за все відзначимо, що навантаження циліндра викликає багатовісний напружений стан, при якому складові тензора напруг мають змінні й постійні частини.

Модель втомного руйнування приймається у вигляді умови:

- при симетричному циклі навантаження

; (20)

- при асиметричному циклі

, (21)

де К_у коефіцієнт концентрації (нормальних) напруг; К₂ коефіцієнт впливу масштабного чинника; ш_у - коефіцієнт чутливості матеріалу до асиметрії циклу. У рівності у_iа і у_im змінні й постійні інтенсивності напруг у момент руйнування; у_-1` - межа утомленості стандартного гладкого взірця.

1. При приведенні до еквівалентної напруги розглянуто два види розрахункових інтенсивностей напруг: максимальне в області концентрації напруг і номінальне в області без концентратора напруг. Результати дещо відрізнятимуться, хоча обидва варіанти відповідають існуючим методикам. Розрахунок довговічності виконувався по найбільшому з них.

2. Визначається коефіцієнт зниження межі утомленості через концентрацію напруг

. (22)

3. Вибирається коефіцієнт зниження межі утомленості, що враховує вплив масштабного чинника К₂ = 0,8.

4. Віднульовий цикл навантаження замінюється симетричним за формулою, в якій враховано, що амплітудна і середня напруги віднульового циклу рівні половині напруги, яка одержана з кінцево-елементного розрахунку

, (23)

. (24)

У першій формулі в чисельнику використовується напруга, в якій концентрація врахована в кінцево-елементному розрахунку, тому не враховується.

5. Обчислюються граничні числа циклів на кожному режимі навантаження

; . (25)

6. Обчислюються граничні пошкоджуваності на кожному режимі навантаження

; . (26)

7. Визначається амплітуда напруги симетричного циклу навантаження, еквівалентного програмному, з умови рівності сумарної пошкоджуваності за один цикл програмного навантаження

, (27)

. (28)

Для оцінки циклічної довговічності корпусу гідроциліндра складено відповідний алгоритм і проведені розрахунки, які показали, що для сталі 35 амплітуда еквівалентної напруги нижче межі втоми, що свідчить про те, що деталь має завищену міцність і можна зменшити її металоємкість. Для циліндра зі сталі 20 при розрахунку за максимальними напругами амплітуда еквівалентної напруги перевищує границю текучості. Граничне число циклів, що витримує деталь при малоцикловій втомі, не перевищує 10⁴ циклів. Для нашого випадку, коли один цикл навантаження триває 48,5 сек., ресурс деталі не перевищить 137,2 м.г., що є недостатньо. При розрахунку за номінальними напругами еквівалентна менша межі текучості, але більша межі втоми, тому потрібно оцінити вплив на величину ресурсу розсіювання пошкоджуваності та міцносних характеристик матеріалу.

Висновки

У дисертаційній роботі на єдиній методологічній основі створені й вдосконалені методи оцінки і нормування довговічності конструкцій шасі колісних тракторів, які направлені на вирішення проблеми забезпечення заданого рівня надійності при модернізації та створенні нових конструкцій і орієнтовані на використання САПР.

На сучасному теоретичному рівні з використанням фундаментальних доробок теорії надійності, моделювання процесів старіння елементів тракторних конструкцій та обчислювальних методів розв'язані нові задачі щодо оцінки й забезпечення надійності мобільних машин. Загалом результати роботи вирішують значну науково-технічну проблему, яка є актуальною, науково і практично значимою для створення нової автотракторної техніки з використанням сучасних комп'ютерних технологій.

Найбільш важливі наукові й практичні результати роботи полягають у наступному:

1. Встановлено, що існуючі традиційні методи не дозволяють виконувати розрахунки довговічності типових (ресурсовизначальних) конструктивних елементів з урахуванням низки факторів, що обумовлюють виникнення фактичних пошкоджень цих елементів в умовах реальної експлуатації. Створення нових конкурентоспроможних конструкцій тракторів, що здатні зберігати матеріальні ресурси, відповідати економічним вимогам виробництва й експлуатації, зумовило необхідність у створенні нових методів і підходів до нормування, розрахунку довговічності конструкцій із урахуванням дії на них ресурсовизначальних факторів з метою наукового обґрунтування

2. Вперше проаналізовані дані про відмови останніх моделей колісних тракторів і їх модифікацій виробництва ВАТ «ХТЗ», що працюють в умовах реальної експлуатації й при випробуваннях. Охарактеризовані пошкодження ресурсовизначальних деталей шасі. Зроблена відносна оцінка пошкоджень типових деталей.

3. Розроблені теоретичні положення, методи оцінки й нормування показників довговічності й безвідмовності тракторів на основі прогнозування функцій потоків відмов трактора та його агрегатів. В якості комплексного показника надійності трактора запропоновано використовувати замість коефіцієнта готовності коефіцієнт технічного використання. Це дозволяє враховувати трудомісткість технічного обслуговування і ремонтів машин, намітити шляхи її зниження.

4. На основі аналізу розподілів трудомісткостей усунення відмов і побудування композицій щільностей цих розподілів удосконалена методика класифікації відмов, виконано класифікацію відмов агрегатів шасі колісних тракторів класу 30 кН.

5. З використанням розроблених ймовірносних моделей вперше визначені узагальнені експлуатаційні режими навантаження деталей силової передачі трактора. Охарактеризовані режими роботи фронтального навантажувача Т-156, створеного на базі трактора Т-150К. Визначені основні розрахункові схеми, що характеризують екстремальні умови роботи навантажувача і режими навантаження деталей несучої системи. Узагальнені результати проведених експериментальних досліджень навантаженості гідроприводу рульового керування, що дозволило визначити узагальнену програму навантажування деталей з'єднально-керуючого модуля.

6. Удосконалена методика побудови статистичних кривих динаміки зношування й оцінки статистичних характеристик ресурсу. Встановлені залежності швидкості зношування шийок валів від величини питомих навантажень в спряженні, що дозволяє на етапі проектування та при ремонті визначати граничні відхилення і допуски на шийки валів для різних значень ресурсу.

Для спряжень з гідродинамічним мастилом одержана залежність, яка дозволяє визначити запас на зношування, необхідний для забезпечення бажаного ресурсу при заданому граничному максимальному зазорі і гарантованій ймовірності безвідмовної роботи.

7. Вперше розроблена методика оцінки довговічності конструкцій шасі, що втрачають працездатність від втомних пошкоджень з використанням кінцево-елементного аналізу.

8. На основі розроблених методів оцінки зносостійкості та втомної довговічності створені алгоритми і розрахункові програми для ПЕОМ, з використанням яких вирішено низку прикладних задач надійності.

Показано, що на відміну від існуючих, розроблені методи дозволяють визначати показники надійності (ІБР, статистичні оцінки ресурсу) з більшою точністю та меншими витратами матеріальних ресурсів. Методичні й програмні розробки можуть використовуватися як самостійно, так і у вигляді складових частин САПР.

9. Теоретичні, експериментальні і числові результати, отримані в роботі, використано при виконанні держбюджетних тем за державними програмами в ВАТ «ХТЗ», ХНАДУ (м. Харків), ДП «Судмаш», Південно-Українській МВС (м. Херсон), УкрЦВТ (смт. Глеваха, Васильківського р-ну Київської обл.), а також при виконанні госпдоговірних робіт, що підтверджується актами про впровадження та шляхом введення рекомендацій в нормативно-технічну документацію на виготовлення й випробування (ТЗ, ТВ, карти технічного рівня, класифікатори відмов), експлуатацію (інструкції з експлуатації, сервісні книжки, СТП), ремонт (технічні вимоги на капітальний ремонт шасі колісних та гусеничних тракторів), а також шляхом впровадження конструктивно-технологічних і організаційних заходів щодо забезпечення надійності шасі колісних тракторів.

10. Техніко-економічна ефективність виконаних досліджень обумовлена впровадженням конструкторсько-технологічних заходів, що забезпечують підвищення довговічності деталей, розробкою перспективних заходів, уточненням нормативно-технічної документації, що використовується при ремонті та випробуваннях.

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Кухтов В.Г. Долговечность деталей шасси колесных тракторов. Монография. - Харьков: РИО ХНАДУ, 2004. - 291 с.

2. Кухтов В.Г. Оценка предельных износов деталей шасси трактора // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. науч. тр. - Харьков. - 2000. - С. 30-37.

3. Кухтов В.Г. Оценка износостойкости деталей шасси тракторов класса 30 кН // Автомобильный транспорт: Сб. науч. тр. - Харьков. - 2001. - вып. 6. - С. 38-40.

4. Кухтов В.Г. Эксплуатационные режимы нагружения колесных тракторов класса 30 кН // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. «Механізація сільськогосподарського виробництва»: 3б. наук. пр. - Харків. - 2000. - вип. 1. - С. 51-54.

5. Кухтов В.Г. Учет эксплуатационных режимов нагружения при проектировании микропроцессорных диагностических систем // Вестник ХГАДТУ: Сб. нуч. тр. - Харьков. - 2001. - вып. 15-16. - С. 200-202.

6. Кухтов В.Г. Оценка долговечности подшипников качения // Автомобильный транспорт: Сб. нуч. тр. - Харьков. - 2001. - вып. 7-8. - С. 233-236.

7. Кухтов В.Г. Оценка и обеспечение долговечности деталей тракторов при усталостных повреждениях // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. «Механізація сільськогосподарського виробництва»: 3б наук. пр. - Харків. - 2001. - вип. 7. - С. 33-42.

...