Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ
ОЛЕКСЮК ВАСИЛЬ ПЕТРОВИЧ
УДК 631.3:669.539
УДОСКОНАЛЕННЯ ТРИМКИХ КОНСТРУКЦІЙ БУРЯКОЗБИРАЛЬНИХ МАШИН НА ОСНОВІ МІЦНІСТНОГО РОЗРАХУНКУ З ВРАХУВАННЯМ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ
05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського
виробництва
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Тернопіль – 2002 р
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рибак Тимофій Іванович, Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, проректор з навчально-науково-виробничих комплексів та зовнішньо-університетської діяльності, завідувач кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Прокопенко Дмитро Давидович, Західний філіал науково-дослідного інституту механізації і електрифікації сільського господарства, завідувач лабораторією;
кандидат технічних наук, доцент Пащенко Володимир Филимонович, Харківський державний аграрний університет імені В. В. Докучаєва, завідувач кафедри механізації та електрифікації сільськогосподарського виробництва.
Провідна установа: Харківський державний технічний університет сільського господарства Міністерства аграрної політики України, кафедра тракторів, автомобілів і сільськогосподарських машин, м. Харків.
Захист відбудеться “_5_” ___березня____ 2002 р. о __14__ 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 “_4_” ___лютого___ 2002 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради _______________ П. В. Попович
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Однією із найважливіших проблем сучасного сільськогосподарського машинобудування є підвищення довговічності елементів машин, зниження їх металомісткості та встановлення оптимального запасу міцності. Щодо рамних конструкцій, то це завдання трансформується у взаємозв'язок металомісткості з ресурсом їх роботи. Успішне вирішення такої проблеми потребує використання в процесі конструювання і розрахунку найновіших досягнень науки про міцність.
Існуючі традиційні методи оцінки міцності та розрахунку довговічності не враховують наявність у металоконструкціях дефектів як початкових, так і набутих у процесі експлуатації. Тому такий підхід дає неоднозначні результати щодо самих конструкцій і прогнозованого строку служби машин в цілому.
Виходячи з цього, на сучасному рівні проектування сільськогосподарських машин, зокрема бурякозбиральної техніки, необхідні розробки більш досконалих методів розрахунку, які враховують реальні умови експлуатації та технологію виготовлення конструкції, а також створення певної відправної бази, тобто критеріїв оцінки, що у підсумку забезпечує оптимізацію їх параметрів і визначення необхідного ресурсу роботи машин.
Розгляду цих актуальних проблем і присвячена дисертаційна робота, яка має важливе народногосподарське значення.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дисертаційна робота виконана згідно з планом науково-дослідної тематики кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя при виконанні держбюджетної НДР ДІ 87-2000.
Роль автора у виконанні дослідних робіт полягала у проведенні теоретичних та експериментальних досліджень навантаженості рамних конструкцій бурякозбиральних машин.
Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розрахунок довговічності тримких конструкцій бурякозбиральних машин і на цій основі вдосконалення їх конструктивних параметрів.
Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:
1. Визначення реальної динаміки навантаженості тримких конструкцій в натурних умовах експлуатації.
2. Розрахунок напружено-деформівного стану цих конструктивних структур з врахуванням реальних умов навантаження і визначення найбільш імовірних перетинів втомного руйнування.
3. Дослідження напружено-деформівного стану тримкої системи з врахуванням дефектності її матеріалу, концентрації напружень, а також умов експлуатаційних навантажень.
4. Визначення характеристик тріщинотривкості матеріалу рамної конструкції.
5. Встановлення залежності для визначення залишкового ресурсу роботи стержневої системи з урахуванням експлуатаційних умов.
6. Проведення вдосконалення конструктивних параметрів тримкої конструкції на основі виконаних розрахунків.
Об'єкт дослідження – рама двигуна коренезбиральної машини КС-6Б.
Предмет дослідження – залишкова довговічність тримких конструкцій бурякозбиральних машин.
Методи дослідження. Теоретичні розробки здійснювались на основі класичної механіки, сучасних методів механіки руйнування і методів математичного моделювання фізичних процесів, які мають місце при роботі бурякозбиральних машин. Експериментальні дослідження проводились в натурних умовах експлуатації з метою визначення реальної динаміки навантаження рами двигуна машини КС-6Б. Експерименти здійснювались із використанням сучасних вимірювальних засобів з характеристиками, прийнятними для реєстрації параметрів процесів, які досліджувались. Аналіз математичної моделі та розрахунки проводились із застосуванням сучасного програмного забезпечення (“Mathcad-8”, “Ліра”).
Наукова новизна одержаних результатів.
1. Розроблено і впроваджено методику експериментальних досліджень реальної динаміки навантаженості рам двигунів бурякозбиральних машин і вперше для даного класу машин отримано їх динамічні характеристики в умовах експлуатації.
2. Вперше в інженерній практиці для швелера гнутого профілю отримано аналітичну залежність для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень нормального відриву, як функцію від бімоментів.
3. Розроблено методику оптимізації тримких систем з елементів відкритого профілю на основі модифікації методу мінімуму потенціальної енергії з врахуванням лише енергії деформації від депланації.
4. Створено комплексний підхід для оцінки залишкового ресурсу роботи тримких конструкцій бурякозбиральних машин з урахуванням умов їх експлуатації.
5. На основі проведених досліджень удосконалено раму двигуна коренезбиральної машини КС-6Б.
Практичне значення одержаних результатів. Створена інженерна методика та отримані результати дають змогу на стадії проектування провести оцінку міцності конструкцій з прогнозуванням їх довговічності, з урахуванням 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 двигуна ЯМЗ (Ярославський моторний завод), а також знайдуть ефективне використання при проектуванні нових тримких конструкцій двигунів 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, створено інженерну методику оцінки міцності рам двигунів, проведені експериментальні дослідження реальної динаміки навантаженості рам двигунів, визначено характеристики тріщинотривкості конструкційних матеріалів тримких конструкцій, а також розроблено рекомендації з удосконалення рами двигуна коренезбиральної машини КС-6Б.
Особистий внесок здобувача у роботах, виконаних у співавторстві, полягає в обґрунтуванні ефективності застосування сучасних автоматизованих систем при розрахунках елементів тримких конструкцій [10]; виробленні напрямку оцінки довговічності тримких конструкцій [5, 9]; побудові залежності поправочної функції від розмірів дефекту для випадку депланації [6, 7, 8]; обробці результатів досліджень [4].
Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати досліджень доповідались і обговорювались на Міжнародній конференції “Оцінка і обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій” (“Ресурс-2000”) (м. Київ, 2000 р.); 4-й науково-технічній конференції “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні” (м. Тернопіль, 2000 р.); Міжнародній конференції з надійності машин і прогнозування їх ресурсу (RoM 2000) “Надійність машин 2000” (м. Івано-Франківськ, 2000); 5-ій науковій конференції Тернопільського державного технічного університету (м. Тернопіль, 2001 р.); 5-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (м. Львів, 2001 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2001 р.).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені у 10 публікаціях, серед них 5 у фахових наукових виданнях, в тому числі 3 одноосібні.
Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота викладена на 143 машинописних сторінках, складається із вступу, 4 розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 186 назв, містить 30 рисунків, 9 таблиць, а також додатків на 16 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 “Проблеми і задачі оцінки міцності тримких конструкцій бурякозбиральних машин” проаналізовано причини виходу з ладу мобільних машин для збирання цукрових буряків, проведено огляд методик оцінки міцності тримких конструкцій сільськогосподарських машин. Серед публікацій, де розглянуто методи розрахунку елементів конструкцій, визначено узагальнюючі монографії В. П. Когаєва, С. В. Серенсена, В. В. Болотіна, О. Є. Андрейківа, Т. І. Рибака, В. В. Панасюка та ін.
Проаналізовано існуючі аналоги з проблем оцінки міцності та довговічності зварних тримких конструкцій. А також обґрунтовано правомірність застосування критеріальної оцінки тримких конструкцій бурякозбиральних машин. На підставі цього поставлено мету та задачі дисертаційної роботи.
У розділі ІІ “Теоретичні основи оцінки міцності тримких конструкцій” розглянуто основні критерії оцінки міцності тримких конструкцій з позиції тріщинотривкості їх матеріалів, котрі основані на розгляді напружено-деформівного стану (НДС) в зоні виникнення, кінетики розвитку і зупинки тріщин.
Обгрунтовано 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 K1, K11, K111. У цьому випадку процес руйнування також контролюється величиною вказаних параметрів.
Так як 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 К1.
З огляду на це, досліджено НДС рами двигуна коренезбиральної машини КС-6Б з врахуванням дефектності її матеріалу і реальних умов навантаження.
На основі досліджень, врахувавши депланацію поперечних перетинів отримано залежності для визначення КІН нормального відриву у вершині тріщини, а також визначено величини КІН для особливостей навантаженості тримких конструкцій бурякозбиральних машин.
Так як рама двигуна складається з елементів, виготовлених із швелерів гнутого профілю, для яких найімовірнішим місцем зародження тріщин є вершини їх поличок, то КІН у вершині такої тріщини визначається при дії на даний елемент згинально-крутного бімоменту.
Задача із визначення КІН в інженерній постановці розглянута з певним наближенням: швелер гнутого профілю маємо як тонкостінний стержень; на стержень діє згинально-крутний бімомент Bw ; початкова довжина дефекту, що виходить з краю полички швелера, рівна l.
Геометричні параметри гнутого швелера наступні: H – висота швелера; b – ширина полички; – товщина стінки;
Напружений стан, що виникає в поличці гнутого швелера з тріщиною, моделюється розглядаючи поличку як пластину з крайовою тріщиною тієї ж товщини і ширини , при аналогічному силовому навантаженні розтягуючими зусиллями Р та згинальними моментами М (рис. 1).
Рис. 1. Схематизація навантаженості поличок при депланації
гнутого швелера.
При навантаженні даного тонкостінного стержня згинально-крутним бімоментом домінуючими є нормальні напруження, які змінюються за законом секторіальних площ і описуються залежністю:
, (1)
де - згинально-крутний бімомент, ;
- секторіальний момент інерції перетину, м6;
- секторіальна координата даної точки при розміщенні полюса в центрі згину, а початкової точки (початок відліку) – в головній секторіальній точці, м2.
Визначення розподілу номінальних напружень, які виникають в нетто-перетині гнутого швелера, базується на знаходженні секторіальних геометричних характеристик цього перетину.
Для розв'язку задачі використано метод інтегрування довільних епюр перетину, згідно з яким побудовано епюри лінійних x, y, z і секторіальних w координат даного перетину таким чином, щоб максимально їх спростити (рис. 2).
Рис.2. Епюри лінійних і секторіальних координат перетину
гнутого швелера з тріщиною полички.
Епюра головних секторіальних координат профілю , котра визначає закон розподілу нормальних напружень при стисненому крученні, повинна задовольняти наступні умови :
(2)
Позначивши через і координати центру згину перетину у вибраній системі координат, розглянувши величину
, (3)
де - координати головної секторіальної точки, м,
а також обчисливши інтеграли по всій площі перетину від квадратів епюр і їх добутків, взятих попарно, і увівши позначення:
; - відповідно площі полички і стінки швелера, м2;
,
отримано наступну систему алгебраїчних рівнянь:
, , (4)
.
В результаті розв'язку цих рівнянь отримано значення:
; ; , (5)
де А1 , А2 , А3 – визначники відповідних матриць.
,
, (6)
,
.
Таким чином було визначено координати центру згину і нульової секторіальної точки для нетто-перетину гнутого швелера.
З уваги на те, що поличка має початкову дефектність, отримано залежність для знаходження секторіального моменту інерції перетину, кінцевий вигляд якої після підстановки значень інтегралів і параметрів , , , набирає форми:
. (7)
Для побудови епюр головних секторіальних координат отримано співвідношення:
, (8)
яке в межах нетто-перетину полички швелера (, ) прийняло вигляд
. (9)
Таким чином визначено шуканий розподіл нормальних напружень в розглядуваному нетто-перетині гнутого швелера:
. (10)
Внаслідок поділу отриманої лінійної епюри напружень на складові, які відповідають деформації розтягу і деформації чистого згину, визначено номінальні напруження у вершині тріщини () і в кутовій точці перетину стінки та полички швелера () (згідно з рис. 2).
Таким чином, для визначення номінальних напружень отримано наступні залежності:
;
(11)
.
Врахувавши значення секторіального моменту опору бездефектного швелера і перейшовши від геометричного параметра до , отримано залежності для знаходження номінальних напружень від деформацій розтягу і згину полички гнутого швелера:
;
(12)
,
де .
Сумарна величина КІН при лінійному розподілі напружень приймає значення:
. (13)
Вираз для визначення КІН нормального відриву у випадку депланації гнутого швелера з крайовою тріщиною, що виходить з вершини полички, з достатньою для інженерного застосування точністю отримано у наступному вигляді:
, (14)
де - поправочна функція для отримання числового значення КІН, що враховує вплив розмірів тріщини і геометрію перетину.
(15)
.
Отже, вперше в інженерній практиці отримано аналітичну залежність для визначення КІН нормального відриву для швелерів гнутого профілю з врахуванням моментів біпари.
У другому розділі сформульовано також загальні положення оцінки міцності та прогнозування довговічності тримких конструкцій бурякозбиральної техніки, де показано, що особливістю оцінки міцності і інженерних розрахунків конструкцій з позиції механіки крихкого руйнування є те, що вона дозволяє врахувати наявність у матеріалі вихідних дефектів або тих, які виникли в процесі експлуатації.
Така оцінка базується на дослідженні кінетики розвитку втомних тріщин до досягнення ними критичних розмірів, а її кінцева мета полягає у встановленні залежності залишкового ресурсу роботи конструкції від параметрів існуючих у ній дефектів.
Отримані при цьому дані мають вирішальне значення для розробки ефективних методів контролю за станом конструкцій, забезпечення їх безвідмовності і експлуатаційної надійності. Зокрема, вони дозволяють вирішити наступні практичні завдання:
? на стадії проектування – визначити гарантовану довговічність конструкцій з врахуванням можливої їх дефектності і умов експлуатації; вибрати оптимальні конструктивні форми і матеріал з необхідним комплексом властивостей, котрі забезпечують необхідний запас живучості конструкції; намітити необхідні заходи (періодичність і форми профілактичних оглядів, режими перевіркових випробувань і т. п.), направлені на своєчасне виявлення небезпечних пошкоджень і запобігання непередбачуваних руйнувань;
? на стадії виготовлення – встановлювати методи контролю якості і норми бракування виробів;
? на стадії експлуатації – проводити оцінку роботоздатності конструкції з врахуванням її реального технічного стану; розробляти раціональні методи ремонту і підсилення окремих деталей і вузлів, котрі виключать можливість подальшого розвитку в них дефектів і пошкоджень.
Згідно з цим отримано залежності для розрахунку залишкового ресурсу роботи тримких конструкцій бурякозбиральних машин від розмірів початкового дефекту.
Залишковий ресурс роботи знаходиться з формули:
(16)
де t – залишковий ресурс роботи рами, год;
wе - середня частота навантажень в процесі експлуатації (визначається в ході експериментальних досліджень динаміки навантаженості рами двигуна), Гц;
Kth і Kfc - відповідно порогове і критичне значення КІН, МПа;
A, m – параметри, які визначаються емпірично з побудованої кінетичної діаграми втомного руйнування;
l0, l* - відповідно довжина тріщини, яка відповідає пороговому та критичному значенням КІН, м.
Залежність (16) визначає проміжок часу, протягом якого тріщина розвивається від порогового до критичного значення, що відповідає руйнуванню металоконструкції.
У розділі ІІІ “Експериментальні напрямки досліджень оцінки міцності рам двигунів бурякозбиральних машин” подано методику дослідженнь динаміки навантаженості рам двигунів.
Експериментальні дослідження проводилися у два етапи.
Перший етап полягав у визначенні розподілу статичних навантажень в місцях кріплення двигуна на раму. Для цього з рами двигуна за допомогою мостового крана, був демонтований двигун СМД-60 і в місцях приєднання основних мас встановлено протаровані пружини стиску. Далі двигун встановлювали на раму і за допомогою штангенциркуля ШЦ-2 вимірювали деформацію пружин. На розривній машині Р-5 пружини почергово стискували до відповідних значень, котрі відповідали виміряним деформаціям. У результаті отримано розподіл навантажень двигуна СМД-60 у місцях його кріплення на раму.
Другий етап досліджень проводився з метою визначення динамічних навантажень і вібрацій в місцях кріплення основних мас на раму двигуна машини КС-6Б.
Для визначення динамічних навантажень в місцях кріплення кронштейнів двигуна до рами були наклеєні тензорезистори типу КР4П1-10-100-В-16, котрі з'єднували мостову схему і під'єднувались до вимірювальної апаратури ЕМА-ПМ. Реєстрація зусиль проводилась гальванометрами портативного 14-канального магнітоелектричного осцилографа Н-700 на фотопапері. Кожні вимірювання повторювали 2-3 рази.
У результаті отримано осцилограми запису навантажень при наступних режимах роботи: холостому режимі, рухові машини по польовій дорозі і робочому режимі. Після обробки записів методами математичної статистики визначено значення коефіцієнтів динамічності навантажень в опорах двигуна.
Паралельно із замірами динамічних навантажень проводились вимірювання віброприскорень у вертикальному напрямку в місцях кріплення на раму приводу гідронасосів, радіаторів і маслобаків, а також насосу ГСТ.
Для цього в центрах мас відповідних вузлів прилаштовували магнітний датчик і за допомогою вимірювача шуму і вібрацій ВШВ-003 проводили заміри віброприскорень. У результаті отримано значення віброприскорень при різних режимах роботи машини КС-6Б і відповідно коефіцієнти динамічності.
Також у цьому розділі подано загальну методику досліджень характеристик тріщинотривкості конструкційних матеріалів рам двигунів бурякозбиральних машин, яка проводиться з метою визначення залежності швидкості росту тріщини від параметру руйнування (КІН). Згідно з нею можна визначити характеристики матеріалу Kfc, Kth, A, m у разі їх відсутності в довідковій літературі.
Для досліджень використовувались стандартні зразки розміром 8ґ18ґ210, вирізані з полоси матеріалу Ст. 5пс2-св ГОСТ 14637-89, із штучно нарізаними концентраторами напружень.
Зразки навантажувались за схемою чотирьохточкового згину.
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.
За результатами досліджень отримано наступні значення характеристик тріщинотривкості для основного металу гнутого швелера (Ст. 5пс2-св), котрі складають: Кth=13 МПа, Kfc=72 МПа, m=0.9, A=16.6Ч106 м-1.
У даному розділі проведено також оцінку напружено-деформівного стану та довговічності рами двигуна коренезбиральної машини КС-6Б. Розрахунок рами двигуна було зроблено з використанням пакетів прикладних програм: “Ліра”, “Mathcad 8”, на ПК, у наступній послідовності:
? побудова розрахункової схеми;
? нумерація вузлів;
? визначення координат вузлів у вибраній системі координат;
? визначення геометричних характеристик стержнів;
? визначення внутрішніх силових факторів від діючих навантажень;
? вибір найбільш небезпечних перетинів;
? оцінка довговічності рами.
У результаті розрахунку на ПК було отримано шукані внутрішні силові фактори: згинальні моменти, крутні моменти, поперечні зусилля, повздовжні зусилля – і встановлено найбільш навантажені елементи конструкції.
Далі визначалися напруження у найбільш навантажених елементах рами двигуна.
Згідно з проведеними розрахунками найбільш небезпечним перетином є вузол № 18 – місце кріплення правої задньої опори на раму (рис. 3), де отримано напруження величиною 154,89 МПа, при допустимих межах sт = 290 МПа, sв = 460 МПа (для Ст. 5пс2-св). Тобто рама має достатньо великий запас міцності.
Рис. 3. Схема напружень у найбільш навантажених вузлах
рами двигуна, МПа.
Так як найбільш навантаженим є вузол №18, то з врахуванням геометричних розмірів гнутого швелера №12, середніх факторів циклічних навантажень, характеристик циклічної тріщинотривкості Ст. 5пс2-св, визначено критичні розміри дефектів рами двигуна. Для робочого режиму роботи коренезбиральної машини КС-6Б значення порогової та критичної довжин тріщини становить відповідно 1,6 мм і 18,9 мм.
Розвиток тріщини у вузлі №18 можна пояснити концентрацією напружень в області зварного шва.
Так як нормативний строк служби бурякозбиральних машин складає 10 років (3000 годин експлуатації), розрахований залишковий ресурс – 12540 год (рис. 4), то є очевидним, що при проектуванні рами двигуна були допущені певні прорахунки.
У розділі ІУ “Інженерна методика оцінки міцності рам двигунів та удосконалення їх конструкції” подано методику оцінки міцності рам двигунів машин для збирання цукрових буряків з позиції механіки руйнування, яку доцільно використовувати при проектуванні даних конструкцій, а також з метою визначення залишкового ресурсу роботи металоконструкцій при виявленні реальних дефектів у процесі експлуатації. Наведено загальні рекомендації щодо застосування даної методики при розрахунках рам двигунів машин даного класу.
Рис. 4. Залежності залишкового ресурсу роботи рами двигуна машини
КС-6Б від розмірів початкового дефекту:
1 – базової конструкції;
2 – пропонованої конструкції.
На основі проведених розрахунків обгрунтовано внесення змін в існуючу конструкцію рами двигуна коренезбиральної машини КС-6Б. З метою оптимізації конструкції за металомісткістю повздовжні лонжерони рами двигуна, передню поперечну балку і розкоси, виготовлені із гнутого швелера № 12 (120ґ50ґ4) із Ст. 5пс2-св замінено на профіль №10 (100ґ50ґ4).
Проведені зміни при забезпеченні необхідної міцності конструкції дозволять зменшити металомісткість рами на 11,4%. Залишковий ресурс металоконструкції при цьому складатиме 6058 годин (рис. 4). Тобто, навіть враховуючи імовірністну природу навантаженості, необхідний ресурс рами двигуна буде забезпечено.
Для пропонованої конструкції рами двигуна визначено значення допустимих дефектів максимально навантаженого елементу (порогова довжина тріщини складає 0,9 мм, критична – 14 мм).
Розраховано також економічний ефект від внесених змін, шляхом проведення калькуляції витрат на виготовлення рами двигуна базової і пропонованої конструкції.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. У дисертаційній роботі наведено теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, яка полягає у комплексному підході до удосконалення тримких конструкцій бурякозбиральних машин, основаному на проведенні міцністних розрахунків з використанням механіки крихкого руйнування і визначенні реальної динаміки навантаженості. Розроблений напрямок забезпечує прогнозування залишкового ресурсу роботи металоконструкцій при наявності у них технологічних дефектів і реальних дефектів, що виникли у процесі експлуатації, а також дозволяє внести зміни у наявні конструкції з метою їх оптимізації.
2. Розроблено методику оцінки міцності рам двигунів бурякозбиральних машин, котра на етапі проектування дозволяє прогнозувати ресурс роботи конструкцій з врахуванням можливої їх дефектності, а також умов експлуатації при встановленні оптимальних запасів міцності та довговічності.
3. На підставі проведених експериментальних досліджень коренезбиральної машини КС-6Б отримано реальну динаміку її навантаженості. Внаслідок статистичної обробки і систематизації результатів досліджень визначено наступні коефіцієнти динамічності:
в опорах двигуна - ліва задня – 1.71, права задня – 1.86, ліва передня – 1.28, права передня – 1.32; привід гідронасосів – 3.24; радіатори і маслобаки – 1.73; насос ГСТ – 1.88.
4. Проведено розрахунок напружено-деформівного стану рами двигуна з врахуванням динаміки навантаженості і визначено найбільш небезпечні перетини – вузол № 18, тобто кріплення правої задньої опори двигуна (середньо-максимальне напруження рівне 154.89 МПа).
5. Отримано залежність із визначення поправочної функції, яка характеризує КІ при згинально-крутному навантаженні швелера гнутого профілю.
6. Вперше в інженерній практиці отримано залежності для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень нормального відриву, як функції від бімоментів для швелерів гнутого профілю, а також для прогнозування ресурсу роботи конструкцій. Грунтуючись на цьому, визначено залишковий ресурс роботи рами двигуна з початковою дефектністю.
7. На підставі проведених експериментальних досліджень визначено характеристики тріщинотривкості основного металу гнутого швелера Ст. 5пс2-св, котрі складають Кth=13 МПа, Kfc=72 МПа, m=0.9, A=16.6Ч106 м-1.
8. На основі отриманих аналітичних залежностей і значень характеристик тріщинотривкості матеріалу визначено критичні розміри дефектів рами двигуна коренезбиральної машини КС-6Б: порогова довжина тріщини мм, критична – мм.
9. У результаті виконаних у роботі комплексних досліджень проведено оптимізацію конструкції рами двигуна за металомісткістю з прогнозованим ресурсом роботи, внаслідок чого її металомісткість зменшено на 11.4% (7,5 кг при масі рами 65.3 кг). Економічний ефект від проведених змін складає 1751.65 гривень з розрахунку на 100 металоконструкцій (акт впровадження додається).
ДРУКОВАНІ ПРАЦІ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Олексюк В. П. Оцінка міцності конструкцій відкритого профілю сільськогосподарської техніки. //Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2000. – Том 5, число 3. – С. 23-27.
2. Олексюк В. П. Перерозподіл номінальних напружень у зоні послаблення рамних швелерних конструкцій при їх депланації. // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – 2001. – Том 6, №3. – С. 20-24.
3. Олексюк В. П. Визначення коефіцієнта інтенсивності напружень в елементах коритного профілю, послаблених тріщиною. // Машинознавство. – 2001. - №2(44). – с. 42-45.
4. Олексюк В. П., Сало Я. М., Ковальчук Я. І., Попович П. В. Дослідження динаміки навантаженості підмоторної рами бурякозбиральної машини КС-6Б // Вісник харківського державного технічного університету сільського господарства. – 2001. – Випуск 4. – С. 34-37.
5. Рибак Т.І., Олексюк В.П., Перчишин В.Б. Механіка руйнування у пошуковому конструюванні мобільних машин. //Вісник Львівського Університету. Серія механіко-математична. – Львів, 2000. Випуск 57 – С. 154-157.
6. Рибак Т. І., Олексюк В.П. Підвищення надійності і довговічності машин для хімічного захисту у рослинництві. //Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства. – 2000. – Випуск 4. – С. 34-37.
7. Рибак Т. І., 0лексюк В. П., Поздєєв А. В. Прогнозування ресурсу тримких конструктивних структур мобільних сільськогосподарських машин. // Доповіді міжнародної науково-технічної конференції “RoM 2000”. – Івано-Франківськ, 2000. – С. 227-234.
8. Рибак Т.І., Олексюк В.П., Перчишин В.Б. Оцінка ресурсу роботи тримких конструкцій мобільних сільськогосподарських машин. // Праці міжнародної конференції “Ресурс 2000”. – К.: Нац. АН України. Ін-т пробл. міцності. Т.2. – С. 931-936.
9. Рибак Т., Олексюк В. Підвищення надійності та довговічності сільськогосподарських машин. // Тези доповідей 5-го міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. – Львів, 2001. – с. 76.
10. П. Попович, В. Парацій, В. Олексюк. Використання ППП “Ліра” при розрахунках тримких металоконструкцій мобільних сільськогосподарських машин. // Матеріали 5 наукової конференції ТДТУ ім. І. Пулюя. – Тернопіль, 2001. – с. 83.
АНОТАЦІЯ
Олексюк В. П. Удосконалення тримких конструкцій бурякозбиральних машин на основі міцністного розрахунку з врахуванням
умов експлуатації. – 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, 2002.
Дисертація присвячена питанням удосконалення тримких конструкцій бурякозбиральних машин на основі оцінки міцності з позиції механіки руйнування. Розроблено інженерну методику оцінки міцності рам двигунів з урахуванням умов експлуатації. Встановлено аналітичні залежності для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень з урахуванням депланації перетинів відкритого профілю, розрахунку залишкового ресурсу тримких елементів конструкцій бурякозбиральних машин. Представлено результати експериментальних досліджень динаміки навантаженості рам двигунів в умовах експлуатації, визначено характеристики тріщинотривкості матеріалу рами. Удосконалено конструкцію рами двигуна машини КС-6Б, що забезпечить зменшення її металомісткості.
Ключові слова: бурякозбиральна машина, депланація, довговічність, тріщина, рама, коефіцієнт інтенсивності напружень, експлуатаційна навантаженість.
SUMMARY
Oleksiuk V. P. Improvement of carrying designs of machines for harvest sugar beet on the basis of accounts of durability in view of
conditions of operation. - 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, 2002.
The dissertation is devoted to questions of improvement of carrying designs of machines for harvest sugar beet on the basis of a rating of durability from a position of the mechanics of destruction. The developed engineering technique of a rating of durability of frames of engines in view of conditions of operation. The analytical dependences for definition of factors of intensity of pressure with the account warpings of cross sections of open structures, account of residual durability of carrying elements of designs of machines for harvest sugar beet are offered. The results of experimental researches of dynamics loading of frames of engines under operating conditions are given, is defined the characteristics of stability against development of cracks of frame. Is advanced a design of a frame of the engine of the machine КС-6Б, therefore will decrease е ё metal consumption.
Key words: machine for harvest sugar beet, warping, resource, crack, frame, stress intensity factor, dynamic loading.
АННОТАЦИЯ
Олексюк В. П. Усовершенствование несущих конструкций свёклоуборочных машин на основе прочностных
расчётов с учётом условий эксплуатации. – 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, 2002.
Диссертация посвящена вопросам усовершенствования несущих конструкций свёклоуборочных машин на основе оценки прочности с позиции механики разрушения. Работа состоит из вступления, четырёх разделов и общих выводов.
В первом разделе проанализировано причины поломок мобильных машин для уборки сахарной свёклы, проведён обзор методик оценки прочности несущих конструкций сельскохозяйственных машин, рассмотрены аналоги с проблем оценки прочности и долговечности сварных рамных конструкций. А также обосновано правомерность использования критериальной оценки рамных конструкций. Определены цели и задачи исследований.
Второй раздел содержит теоретические основы оценки прочности рамных конструкций с позиции механики разрушения. В нём рассмотрены основные критерии оценки несущих конструкций с позиции их трещиностойкости.
В соответствии с силовым критерием предложены аналитические зависимости для определения коэффициентов интенсивности напряжений нормального отрыва с учётом депланации поперечных сечений открытых профилей (гнутый швеллер).
Предоставлены общие положения прогнозирования долговечности рам двигателей свёклоуборочных машин, согласно которым даны зависимости расчёта остаточного ресурса работы несущих элементов данных конструкций от размеров начальных дефектов.
В третьем разделе приведены методика и результаты экспериментальных исследований динамики нагружённости рам двигателей, которая даёт возможность определить действительные значения коэффициентов динамичности и вибраций в местах крепления основных масс на раму двигателя машины КС-6Б.
Также предоставлено общую методику исследований характеристик трещиностойкости конструкционных материалов рам двигателей свёклоуборочных машин, которая проводится для определения зависимости скорости роста трещин от параметров разрушения.
Проведёна оценка напряженно-деформированного состояния рамы двигателя корнеуборочной машины КС-6Б, с целью определения наиболее нагруженных и опасных сечений элементов металлоконструкции с позиции образования трещин. Выполнен расчёт остаточного ресурса работы рамы.
В четвёртом разделе приведена инженерная методика оценки прочности с позиции механики разрушения, даны рекомендации для её использования при расчётах рам двигателей, а также даны рекомендации по усовершенствованию конструкции рамы двигателя корнеуборочной машины КС-6Б.
Ключевые слова: свёклоуборочная машина, депланация, долговечность, трещина, рама, коэффициент интенсивности напряжений, эксплуатационная нагружённость.