ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ

ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЩЕРБАК ОЛЕГ ВІТАЛІЙОВИЧ

УДК 621.869.447.43

РОЗРОБКА ТА ОБГРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНИХ

ПАРАМЕТРІВ З’ЄДНАЛЬНО-КЕРУЮЧОГО МОДУЛЯ

ФРОНТАЛЬНОГО НАВАНТАЖУВАЧА

Спеціальність 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент,

Кириченко Ігор Георгійович,

Харківський державний автомобільно-дорожній

технічний університет, декан механічного факультету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, заслужений

винахідник України,

Хмара Леонід Андрійович, Придніпровська державна

академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри

будівельних та дорожніх машин

кандидат технічних наук

Третяк Віктор Михайлович ВАТ “Харківський

тракторний завод”, ведучий фахівець

асоціації “Укртрактор”

Провідна установа:

Інститут машин і систем НАН і Мінпромполітики України, центр тракторного і сільськогосподарського машинобудування, м. Харків

Захист відбудеться “ 29 ” березня 2000 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському державному автомобільно-дорожньому технічному університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25

Автореферат розісланий “ 29 ”лютого 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент Богомолов В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Для механізації робіт у дорожньому будівництві необхідно мати надійні, високопродуктивні й конкурентноспроможні дорожньо-будівельні машини. В сучасних умовах йде пошук ефективних методів конструювання дорожніх машин. Одним із них є модульний принцип, застосування якого дозволяє розробляти надійні дорожні машини, що скорочує терміни проектування.

Актуальність теми. Проектування сучасних модульних машин натикається на труднощі, які обумовлені недостатніми теоретичними та експериментальними дослідженнями побудови машин із блоків-модулів. Досвід експлуатації таких машин показує, що з’єднувальні пристрої (пристрої, які забезпечують з’єднання модулів) зазнають значних динамічних навантажень, які приводять до виходу їх із ладу, що спричиняє за собою аварійні ситуації при руху навантажувача в загальному потоці з іншими транспортними засобами. Існуючі методики розрахунків навантаження з’єднально-керуючого модуля (ЗКМ) побудовані в основному на базі розрахунків тракторів агрегатованих із сільськогосподарським устаткуванням.

Використання існуючих методів розрахунку не дозволяє достатньо точно оцінити величину навантаження елементів та вузлів з’єднувальних пристроїв.

У зв’язку з цим актуальною є робота щодо створення методики оцінки навантаження елементів з’єднувальних пристроїв, у тому числі і з використанням методу кінцевих елементів.

Дане дослідження є продовженням циклу робіт, які виконані на кафедрі будівельних та дорожніх машин ХДАДТУ по удосконаленню методики проектування землерийних та дорожніх машин із використанням виробничо-технічної бази України. Результати роботи можуть бути застосовані в спеціалізованих САПР для пошуку раціональних параметрів ЗКМ.

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

Робота виконувалася відповідно до планів НІР по модульному проектуванню на кафедрі БДМ ХДАДТУ, а також відповідно до договору № 70/14-34 від 1.07.99 р. на виконання науково-дослідних робіт між ВАТ “Харківський тракторний завод” і Харківським державним автомобільно-дорожнім технічним університетом.

Мета дослідження полягає в розробці методики розрахунку граничних навантажень і на цій підставі у визначенні параметрів ЗКМ тягачів навантажувачів, що забезпечують достатню міцність і безпеку машини.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі основні задачі:

- розробка алгоритму побудови і створення інформаційно-пошукової системи, що дозволяє проводити всебічний аналіз використовуваних складових вузлів, агрегатів і деталей для сімейства модульних машин;

- розробка математичної моделі, яка описує динамічні процеси у гідроприводі рульового керування ЗКМ при роботі з навантажувальним устаткуванням з урахуванням асиметричного прикладення зусиль на ковші і довільному куті складання напіврам, нелінійних характеристик буксування рушіїв і опору на робочому устаткуванні;

- розробка методики та проведення експериментальних досліджень з визначенням навантаження гідроциліндрів ЗКМ у виробничих умовах;

- розробка методики комп’ютерного моделювання навантаження ЗКМ для визначення напружено-деформованого стану корпусу шарніра із застосуванням методу кінцевих елементів.

Наукова новизна одержаних результатів визначається вперше розробленою математичною моделлю навантаження елементів ЗКМ тягача навантажувача з урахуванням асиметричного прикладення нелінійного зовнішнього навантаження і наростання буксування рушіїв у процесі стопоріння; вперше встановленими закономірностями навантаження гідроприводу рульового керування і корпуса шарніра ЗКМ фронтального навантажувача; установленням схеми навантаження корпуса шарніра ЗКМ; вперше створеною інформаційно-пошуковою системою на основі електронних каталогів, призначеної для підвищення ефективності проектування модульних дорожніх машин.

Практичне значення одержаних результатів. Рекомендації з розрахунку елементів ЗКМ, а також інформаційно-пошукова система передані: ВАТ “Харківський тракторний завод”, АТ “Крюковський вагонобудівний завод”. Елементи розробленої методики використовуються у навчальному процесі на кафедрі будівельних та дорожніх машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: математична модель плоско-паралельного руху шарнірно-з’єднаної машини з урахуванням нелінійних характеристик, основні закономірності навантаження ЗКМ при асиметричному прикладанні зовнішнього навантаження і довільному куті складання напіврам; методика та результати експериментальних досліджень навантаження гідроприводу з’єднально-керуючого модуля; інформаційно-пошукова система; методика оцінки напружено-деформованого стану корпусу шарніра з’єднально-керуючого модуля.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і дисертаційна робота в цілому доповідались і получили позитивну оцінку на: міжнародній конференції “Автоматизація проектування і виробництва виробів у машинобудуванні” (м. Київ, 1995 р.); науковій конференції “Актуальні проблеми сучасної науки в дослідженнях молодих вчених” (м. Харків, 1997 р.); науковій конференції “ІНТЕРСТРОЙМЕХ-98” (м. Воронеж, 1998 р.); науково-технічній раді ВАТ “Харківський тракторний завод” (м. Харків, 1999 р.); засіданні кафедри будівельних та дорожніх машин Придніпровської державної академії будівництва та архітектури (м. Дніпропетровськ, 1999 р.); науково-технічній раді Інституту машин і систем НАН і Мінпромполітики України ( м. Харків, 1999 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладені у 9 друкованих працях, з них 6 - у фахових журналах ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку літератури з 149 найменувань та додатків на 45 сторінках. У роботі 198 сторінок, у тому числі 130 сторінок основного тексту, 84 рисунка, 14 таблиць.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, визначена наукова новизна, практичне значення, викладені основні положення, які виносяться на захист.

У першому розділі “Аналітичний огляд” приведено аналіз методів конструювання дорожніх машин та їх тягачів. Питанням конструювання присвячено багато робіт вчених: Т.В.Алексєєвoї, В.Я.Аніловича, К.О.Артем’єва, І.П.Бородачева, І.Б.Барського, А.А.Бромберга, Ю.О.Вєтрова, Ю.Т.Водолажченко, М.І.Гальперіна, Ю.В.Гінзбурга, В.В.Гуськова, М.Г.Домбровського, М.О.Ульянова, Л.А.Хмари та інших. Аналіз показав, що більшість землерийних та дорожніх машин створено методом агрегатування сільськогосподарських та промислових тракторів загального призначення змінним технологічним устаткуванням. Значну частину базових машин складають трактори із шарнірно-з’єднаною рамою. Проте, як показує практика експлуатації таких машин, вони не цілком реалізовують свій тяговий потенціал, в результаті чого вони найчастіше не відповідають необхідним технологічним вимогам. Вирішити цю проблему можливо з переходом на модульні принципи конструювання машин, які широко використовуються в аерокосмічній промисловості, суднобудуванні, верстатобудуванні, робототехніці, житловому будівництві. Ведуться роботи з впровадження даного методу в автомобілебудуванні і у виробництві сільськогосподарської техніки. Відомі роботи таких вчених в галузі модульного проектування, як А.Л.Васильєва, І.П.Ксеневича, Г.М.Кутькова, Г.Д.Петрова, А.В.Рославцева. В галузі конструювання модульних дорожніх машин відомі роботи Л.А.Хмари, І.Г.Кириченко, В.В.Яцкевіча. Обмежене застосування модульного принципу в галузі дорожньо-будівельного машинобудування пов’язане з тим, що не існує загальної методики проектування таких машин та їх систем.

Питанням дослідження навантаженості шарнірно-з’єднаних машин

присвячені роботи М.М.Гайцгорі, Л.А.Гобермана, Є.Ю.Маліновського, Л.В.Назарова, В.М.Третяка, В.О.Шевченко та інших. Аналіз проведених досліджень показав, що максимальні динамічні навантаження виникають при взаємодії робочого органу з середовищем що розроблюється, подоланні виниклих перешкод. Основи таких розрахунків були закладені в роботах Д.П.Волкова, Н.Г.Домбровського, Ю.Л.Картвелішвілі, В.П.Ломакіна, Є.Ю.Маліновського, С.А.Панкратова, А.М.Холодова та інших. В цих роботах дослідження виконані для машин, у яких навантаженість визначається опором копанню грунту в лінійній постановці.

Дослідженнями статистичної динаміки шарнірно-з’єднаних машин в транспортному режимі займалися М.І.Гайцгорі, Є.Ю.Маліновський. Вони вирішували задачі з визначенням коливань на оператора. Дослідження в напрямку вивчення характеру роботи механізму керування шарнірно-з’єднаного трактора класу 30 кН, агрегатованого сільськогосподарським устаткуванням, представлені в роботах Д.М.Мітропана, Є.М.Шапіро.

Аналіз раніше виконаних досліджень в напрямку динаміки землерийних, дорожніх і навантажувальних машин свідчить, що основна увага в них приділялась вивченню формування навантаженості робочого та ходового устаткування, системи підвіски робочого устаткування. В окремих випадках розглядалася динаміка шарнірно-з’єднаних машин у транспортному режимі, коли тягове зусилля не перевищує 10-15% зчіпної ваги машини. З погляду дослідників випали питання, які пов’язані з навантаженістю з’єднально-керуючих пристроїв, що з’єднують напіврами тракторів, агрегатованих з навантажувальним устаткуванням в стопорних режимах руху ЗТМ.

На підставі даних виконаного аналізу сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі “Проектування модульних дорожніх машин на базі колісного трактора класу 30 кН” подані особливості уявлення дорожньої машини як модульної, і запропоновано розглядати з’єднально-керуючий пристрій окремим модулем -ЗКМ. Розроблений алгоритм і створена інформаційна-пошукова система дозволяють підвищити ефективність проектування дорожніх машин з використанням модульних технологій.

Використання модульного принципу при проектуванні дорожніх машин багатоцільового призначення може дати найбільший ефект, оскільки діапазон зміни функціональних конструктивних і технологічних параметрів машин дуже широкий.

Наявність шарнірного з’єднання дозволяє розглядати дорожню машину, яка складається з трьох модулів (рис.1).

Рис.1 Модульне подання дорожньої машини:

1- енергетичний модуль; 2- технологічний модуль;

3- з’єднально-керуючий модуль

Зв’язуючою ланкою у цій системі є ЗКМ, який складається з вертикального, горизонтального шарнірів та гідроприводу рульового управління. Використання серійного, до трактора сільськогосподарського призначення, шарнірного зчленування при модульному компонуванні дорожньо-будівельних машин можливе, але з урахуванням зміни характеру навантаження та інтенсивності накопичення пошкоджень у конструктивних елементах необхідна їх модернізація.

Інформаційно-пошукова система призначена для підвищення ефективності модульного проектування дорожніх машин на базі колісного трактора класу 30 кН. З цією метою були створені електронні каталоги (ЕК). Вони розраховані для всього сімейства колісних шарнірно-з’єднаних машин, що випускаються ВАТ “ХТЗ” Т-150К, Т-156, Т-157, Т-158 та дорожнього котка, побудованого на базі колісної модифікації Т-150К. ЕК розроблені у СУБД - FoxPro і містять такі дані про деталі: позначення, найменування, кількість деталей даного найменування, матеріал, маса, індекс, довідкова інформація про технологічний процес виготовлення, електронне креслення. Для зручності роботи з ЕК були створені екранні форми (ЕФ), приклади яких подані на рис. 2, де поз. а - екранна форма відображення електронного креслення деталі. Наявність у ЕК поля “Індекс” дозволяє робити розрахунок коефіцієнтів уніфікації, для чого створена відповідна екранна форма (поз. б). Подання інформації у вигляді таких екранних форм дозволяє істотно поліпшити наочність і скоротити термін аналізу та опрацювання даних.

а б

Рис.2 Екранні форми інтерфейсу користувача:

а) креслярської документації, б) розрахунку коефіцієнта

уніфікації

При проектуванні будівельно-дорожніх машин необхідно вирішувати різноманітні питання, які пов’язані з застосуванням та використанням груп деталей, різноманітних матеріалів, визначення коефіцієнта уніфікації та ряд інших. Використовуючи створену інформаційно-пошукову систему, можна провести аналіз будь-якого характеру з мінімальними витратами часу. Система може бути використана й в інших напрямках конструкторської діяльності.

З її допомогою можна проводити облік виробництва і збут продукції. Наявність комп’ютерної мережі з експлуатаційними господарствами дає можливість проводити урахування відмов і поломок техніки, що сприяє проведенню оперативних заходів по підвищенню надійності техніки.

У третьому розділі "Аналіз навантаженості модульної дорожньої машини" створено розрахунковий блок для визначення навантажень, які діють на базовий тягач та ЗКМ. Подано результати теоретичних досліджень динамічних процесів, які відбуваються у гідроприводі ЗКМ при роботі з навантажувальним устаткуванням при асиметричному прикладанні зовнішнього навантаження нелінійного характеру та довільному куті складання напіврам. Розрахункова схема зображена на рис. 3. Еквівалентна модель навантажувача подана на рис. 4. При розробці динамічної моделі за розрахунковий був прийнятий випадок, коли навантажувач при виконанні операції набору сипучого матеріалу вдаряється ковшем в точкову перешкоду, що важко подолати, у сполученні з опором заглиблення ковша в сипуче середовище. Дане розрахункове положення є основним при проектуванні вузлів та деталей навантажувача. Навантаження у цьому випадку - максимальні, а іноді близькі до аварійних. Ударна взаємодія передається на шарнірне з’єднання напіврам та гідроциліндри рульового управління, що призводить до передчасного виходу їх з ладу. Розглядався рух машини по горизонтальній поверхні з деяким невеликим кутом складання напіврам при зустрічі робочого органу (ковша) з точковою перешкодою.

Рис.3 Розрахункова схема шарнірно-з’єднаної машини

При складанні рівнянь були прийняті такі припущення:

1) розглядається плоско-паралельний рух ПМ у горизонтальній площині; 2) технологічний і енергетичний модулі представляють собою тверді тіла і вся машина симетрична щодо поздовжньої площини; 3) прийнято, що гідроциліндри рульового керування знаходяться в замкненому стані; 4) пружними елементами є: гідропривод ЗКМ із круговою жорсткістю СА; шини з бічною жорсткістю Сшб; 5) тягове зусилля й опір заглиблення ковша в сипуче середовище - нелінійні; 6) бічні зусилля на шинах обмежені зчепленням коліс з поверхнею дороги.

На прийнятій розрахунковій схемі: Т1л, Т1п T2л, T2п - окружні зусилля на ведучих колесах; Wк - опір копанню; Rх - бічна складова копання; Wf1л, Wf1п Wf2л, Wf2п - опір переміщенню; Рб1, Рб2, - бічні зусилля, які діють на шини; m1, J1- маса і момент інерції щодо осі, яка проходить перпендикулярно до нерухомої опорної поверхні через центр мас технологічного модуля; m2, J2- маса і момент інерції щодо осі, яка проходить перпендикулярно до нерухомої опорної поверхні через центр мас енергетичного модуля.

Рис.4 Еквівалентна модель навантажувача

Положення системи визначається трьома узагальненими координатами: y-повздовжнім переміщенням навантажувача; 1, 2 - кутами повороту його напіврам у горизонтальній площині щодо початкового положення.

Рівняння руху машини знаходилися у вигляді рівнянь Лагранжа другого роду і мають вигляд:

Відмінною рисою даної моделі являється можливість оцінювати досліджувані параметри при асиметричному прикладанні опору копання і довільного кута складання напіврам. І може бути трансформована до відомих у випадку прямолінійного руху і центрального удару.

Тягове зусилля технологічного модуля Т1 і енергетичного модуля Т2 визначається залежностями:

; (2)

. (3)

Бічні реакції на колесах:

; (4)

. (5)

Складові компоненти ударного навантаження ковша й опору заглиблення ковша в розроблений матеріал:

; (6)

; (7)

. (8)

де у - переміщення навантажувача; а1, а2, а3 - коефіцієнти обумовлені властивостями сипучого матеріалу і конструкцією ковша; L - плече дії сили Wk.

Систему диференційних рівнянь (1) неможливо вирішувати в явному вигляді, оскільки рішення істотно нелінійних трьох рівнянь другого порядку неможливе без використання ПЕОМ. Тому був обраний чисельний метод рішення рівнянь за алгоритмом Дж. Форсайта, М. Малькольма, К.Моулера на основі методу Рунге Кутта-Фельберга 4-5 порядків. Реалізація даного методу зроблена засобами Turbo Pascal 7.0. та MathCAD-7.0.

У ході моделювання варіювалися такі фактори: Vn - початкова швидкість руху, обумовлена робочими швидкостями (0,5-1,5 м/с); - кут складання напіврам (від 0 у праву і ліву сторону на 30); b- координата прикладання опору копання ( вправо і вліво від осі симетрії ковша); СА- кругова жорсткість ЗКМ (135-275 кНм/рад); Сшб - бічна жорсткість шин (700-1400 кН/м); Сrо - жорсткість робочого устаткування (500-5000 кН/м).

Рішення системи диференціальних рівнянь дозволило отримати значення таких параметрів: - час процесу; Vy, y - швидкість і переміщення ТМ; , - кутова швидкість і кутове переміщення ТМ; , - кутова швидкість і кутове переміщення ЄМ; T1,T2 - сили тяги, що розвиваються енергетичним і технологічними модулями; Pb1, Pb2 - бічні реакції на колесах; Wkn- сила удару ковша об жорстку перешкоду, Wky, Wk - опори на ковші від впровадження в сипуче середовище, викликане подовжнім переміщенням у і поворотом ковша навколо точки О (рис.4).

Для визначення тиску в гідроприводі ЗКМ у MathCAD-7.0 був створений розрахунковий блок, що дозволяє на базі аналізу геометрії механізму шарнірного з’єднання (рис.5) одержати залежність для визначення тиску:

(9)

де М- момент у механізмі з’єднання; r1, r2 - плечі зусиль, що розвиваються гідроциліндрами; D - діаметр поршня гідроциліндру; d - діаметр штока гідроциліндру.

(10)

де СА- кругова жорсткість механізму з’єднання; (2 -1) - кутова деформація.

Рис. 5 Розрахункові схеми для визначення тиску в гідроциліндрах

механізму рульового управління: а) розрахункова, б) спрощена еквівалентна

З метою визначення найбільших навантажень моделювались різноманітні варіанти взаємодії в залежності від кута складання напіврам, точки прикладання опору копання і початкової швидкості руху. На рис. 6 подані деякі результати моделювання навантаженості ЗКМ. На рис. 6,а показаний вплив місця прикладання опору копання і кут складання

Рис. 6 Результати моделювання динамічних процесів на ПЕОМ (а,б,в)

у зіставленні з експериментальними даними (г)

напіврам на величину тиску ? в гідроциліндрах рульового керування. З рисунка видно, що зі зсувом опору копання на край ковшу b=1,22 м і збільшення , пропорційно спостерігається ріст ?. Рис. 6,б демонструє вплив початкової швидкості - Vn заглиблення з різноманітним . Навантаження в усіх випадках прикладені на край ковша. Вплив Vn носить майже лінійний характер і зі збільшенням швидкості заглиблення росте і тиск. Так, при копанні на першій робочій передачі Vn = 0.78 м/с із кутом = 5 ? складає 22 МПа, тоді як на другій робочій передачі Vn= 1.38 м/с ?= 33 МПа. На рис. 6,в показано, як впливає Vn і на час циклу tц, у даному випадку tц- це час за який відбувається ріст тиску до максимуму і спад до стаціонарного значення. З поданих залежностей очевидно, що зі збільшенням Vn час циклу зменшується, а зі збільшенням , tц збільшується. Розроблена математична модель відрізняється наочною візуалізації результату рішення. На рис. 6,г подані процеси: 1- рішення математичної моделі; 2- осцилограма реального процесу.

У четвертому розділі “ Експериментальні дослідження навантаження гідроприводу, моделювання напружено-деформованого стану корпуса шарніра ЗКМ і практичні рекомендації ” подані результати експериментальних досліджень навантаження гідроприводу механізму рульового управління та моделювання напружено-деформованого стану корпуса шарніра. Реалізовано двохфакторний ортогональний центральний композиційний план експерименту на натурній машині. Варіювалися початкова швидкість руху Vn (0. 5- 1.2 м/с) і кут складання напіврам (0-15). За об’єкт експериментальних досліджень був обраний фронтальний навантажувач Т-156, який зазнає найбільші навантаження серед машин, які створені на базі колісного трактору Т-150К. В процесі проведення дослідів фіксувалися такі параметри:

- зміна величини тиску в гідроприводі ЗКМ та ТМ вимірювалась за допомогою датчиків тиску мембранного типу;

- вертикальні та горизонтальні прискорення ТМ фіксували датчики прискорень (акселерометри);

- взаємне положення ЕМ та ТМ фіксував датчик кута повороту.

Ці параметри фіксувалися тензометричною станцією, яка складається з двох підсилювачів ЛХ-5515, осцилографа К12-22 та пульта управління. Проведені експериментальні дослідження дозволили скласти рівняння регресії (11), що дозволяє виявити характер та ступінь навантаження гідроприводу рульового управління та робочого устаткування і оцінити адекватність розрахункової моделі натурної машині.

(11)

Встановлено, що при виконанні навантажувачем робочих операцій, тиск у гідроциліндрах механізму повороту напіврам у чотири рази перевищує тиск при виконанні агротехнічних операцій трактором Т-150К та складає 28 МПа. На рис.7 зображено фрагмент осцилографічного запису процесу заглиблення ковша навантажувача у розроблюваний матеріал, що супроводжується ударом. Проведені випробування дозволили встановити величину навантажень на гідропривід ЗКМ, за якими повинні проводитися його розрахунок та розробляти конструктивні заходи з метою підвищення довговічності.

Розбіжність розрахункових та експериментальних значень не перевищує по амплітуді 8-12% і частоті 10-15 %.

Рис. 7 Осцилограма робочого процесу:

Р1- тиск у порожнинах гідроциліндрів при правому повороті, МПа;

Р2 -тиск у порожнинах гідроциліндрів при лівому повороті, МПа; Р3-тиск в поршневій порожнині гідроциліндрів механізму підйому стріли, МПа; g1- вертикальні та g2 - горизонтальні прискорення машини при заглибленні, м/с2; a - кут складання напіврам, грд

Отримані експериментально-розрахункові дані використовуються при проектуванні корпусних деталей із заданою довговічністю. При цьому пропонується використовувати оцінку їхнього напружено-деформованого стану (НДС) на основі метода кінцевих елементів. Оцінка НДС дозволяє виявити слабкі місця конструкції, зіставити розрахункові напруги з характеристиками міцності. Існуючі методи розрахунку не дають повної та достовірної інформації про навантаження шарнірного з’єднання. Тому доводиться іти на збільшення запасу міцності (і, відповідно, маси, вартості та інших) практично по всьому об’єму конструкції. Але, навіть при цьому, в окремих місцях спостерігається недостатній запас міцності, що викликає поломки. Недостатня точність існуючих методів оцінки пояснюється тим, що ще декілька років тому обчислювальна техніка не дозволяла провести докладний тривимірний аналіз напружено-деформованого стану конструкції. Замість цього розраховувався середній рівень напружень у різноманітних частинах конструкції та на основі існуючого досвіду розробки подібних конструкцій, аналізу поломок експериментальних зразків і оцінок кривих втомленості призначалися запаси міцності. Такий підхід потребує високої кваліфікації персоналу, трудомістких розрахунків і не може бути проведений оперативно для декількох варіантів розроблюваної конструкції. Програми, які реалізують принцип кінцевих елементів, дозволяють у деяких випадках замінити дорогі випробування на міцність.

В основу запропонованого методу проектування деталей складної конструкції покладена умова забезпечення їхнього ресурсу, яка дорівнює повному терміну служби. Зокрема, це стосується для корпусних деталей які втрачають працездатність головним чином при ушкодженнях від втомленості. Ця умова виконується за рахунок забезпечення необхідних характеристик міцності, які досягаються шляхом варіювання геометричних параметрів, матеріалів, термообробки. Розрахункові напруження не повинні перевищувати межі витривалості для даної конструкції та застосованого матеріалу.

Рішенням задачі з використанням методу кінцевих елементів є одержання полів переміщень та напружень. На рис.8 подані деякі результати щодо визначення напружено-деформованого стану корпусу шарніру. На рис.8,а подано розподіл переміщень U щодо координатної осі Х, де чітко просліджуються три зони. Перша зона - верхня частина корпусу (виділена червоним кольором), переміщення спрямовані паралельно осі, розмір переміщень знаходиться у межах від 1.910-5 м до 9.410-5 м. Друга зона - середня частина корпусу (виділена жовтогарячим кольором) має незначні переміщення. Третя зона - нижня частина (виділена синім і фіолетовим кольорами) має значні переміщення, що супроводжуються істотним зсувом від осі Х. З прикладанням зовнішнього навантаження корпус відчуває значні напруження. Максимальне значення розміру напружень sх спостерігається у площині, що перпендикулярна осі Х, на крайній частині нижньої провушині в місці встановлення осей вертикального шарніру (рис.8, в). Пік значення розтягуючих зусиль припадає на край та досягає розміру 498 МПа. Потім зони напружень переходять у смуги, які охоплюють всю поверхню установки втулки. Максимальний розмір стискуючих напружень спостерігається на верхній провушині в місці встановлення втулки і складає 207 МПа. Проведений тривимірний аналіз НДС корпусу шарніру ЗКМ дозволив отримати повну характеристику навантаженості цієї конструкції та виявити зони локалізації максимальних напружень та деформації.

За підсумками досліджень запропоновано: робочі операції робити на нижчих швидкостях робочого ряду не більше 1.2 м/с і куті складання не більше 5; по можливості уникати ударів краєм ковша; для забезпечення належної довговічності корпуса шарніра запропонований перерозподіл матеріалу на нижній провушині, що дозволяє забезпечити його більшу жорсткість; збільшення відстані між осями вертикального шарніру з 0.362 м до 0.5 м.

а б

в г

Рис.8 Розрахунки напружено-деформованого стану корпусу шарніра:

а) розподіл переміщень U по осі Х; б) розподіл переміщень W по

осі Z; в) розподіл нормальних напружень sx; г) розподіл нор-

мальних напружень sY

ВИСНОВКИ

1. На базі колісного трактора Т-150К випускаються деякі типи дорожніх машин, є серед них і навантажувач Т-156. Специфіка робіт у дорожньому будівництві визначається високим рівнем навантаження. Це пов’язано з особливостями технологічного циклу навантажувача: розробка масиву матеріалу, супроводжувана в деяких випадках з подоланням перешкод. Навантаження, які відчувають конструктивні елементи навантажувача в цьому випадку, максимальні, а іноді близькі до аварійних. Проведений огляд наслідків відмов показав, що переважна їхня більшість припадає на шарнірне з’єднання напіврам та елементи гідроприводу рульового керування. А вихід їх із ладу призводить до аварії з важкими наслідками.

2. З метою визначення працездатності серійних конструкцій ЗКМ був вивчений стан його основних деталей при надходженні в перший капітальний ремонт. Зіставлення фактичних зносів деталей показує, що при напрацюванні 4,5- 5,5 тис./р. вибракуванню через знос підлягають 40-70 % деталей, а при напрацюванні 6,5-7,5 тис./р. бракують 100 % деталей, які надійшли у перший капітальний ремонт.

3. Існуючі методи розрахунків не дозволяють із достатньою точністю оцінити навантаження ЗКМ. В даний час нема методики, що дозволяє в комплексі оцінити навантаження в шарнірному з’єднанні і гідроприводі рульового керування шарнірно-з’єднаного тягача навантажувача при виконанні технологічних операцій.

4. Для оцінки напружено-деформованого стану запропоновано використовувати застосовуваний в інженерних розрахунках метод кінцевих елементів, використання якого дозволяє, у деяких випадках, замінити дорогі випробування, більш точними експериментальними моделями. До того ж, у відмінності від натурних випробувань, дозволяє оцінити напруги і деформації по всьому об’єму досліджуваної конструкції. Результати проведеного дослідження можуть бути використані в спеціалізованих САПР для пошуку раціональних параметрів ЗКМ.

5. Запропонована динамічна схема для моделювання навантаження елементів ЗКМ дозволяє оцінювати досліджувані параметри при асиметричному прикладенні опору копання на ковші з довільним кутом складання напіврам, а алгоритм рішення моделі на ПЄОМ дозволяє аналізувати нелінійні системи і виводити результати розрахунку в зручному для сприйняття й аналізу вигляді.

6. Аналіз математичної моделі показав, що істотний вплив на формування навантаження ЗКМ чинить місце прикладання - b зовнішнього зусилля заглиблення - Wk, швидкість руху - Vn, кут складання напіврам -. Так, при зсуві Wk від осі симетрії ковша на край (b=1,22 м) при прямолінійному рухі =0, тиск змінюється від 4,5 до 22 МПа. Зміна від 0° до 30° при центральному ударі b=0, спричиняє зростання тиску від 4 до 17 МПа. Взаємодія краєм ковша b=1,22 м, при = 5°-10° викликає тиск 25-30 МПа. Залежність тиску від Vn носить майже лінійний характер, так за умови b=1,22 м, = 5° і швидкостях руху 0.5; 0.75; 1.2; 1.5 тиск складає 17.4; 21.3; 28.2; 33 МПа відповідно. У зв’язку з цим рекомендовано робочі операції робити на нижчих швидкостях робочого ряду не більше 1.2 м/с і кутом не більше 5°.

7. Експериментально досліджено характер і ступінь навантаження гідроприводу рульового керування ЗКМ при виконанні навантажувачем робочих операцій. Встановлено, що тиск у гідроциліндрах значно перевершує розрахунковий для базової машини (трактора Т-150К, де він обмежений настроюванням захисного клапану 7 МПа) і складає 28 МПа. Моделювання напружено-деформованого стану дозволило одержати повну характеристику навантаження, виявити зони локалізації максимальних напружень корпусу шарніра, що досягаються в компонентах х і складають 498 МПа. Ця зона розташована на нижній провушині в місці встановлення осей вертикального шарніру, деформація тут при цьому складає 1.0910-3 м.

8. Теоретичні та експериментальні дослідження показали, що найбільше навантаженим режимом для ЗКМ є заглиблення робочого органа в розроблюваний матеріал, супроводжуване ударом в перешкоду. Розбіжність розрахункових та експериментальних значень не перевищує по амплітуді 8-12 % і частоті 10-15 %, що свідчить про коректність прийнятих у математичній моделі допущень і розрахункової схеми.

9. Методика проектування ЗКМ для дорожніх машин, рекомендації по удосконаленню елементів шарнірних з’єднань та гідроприводу рульового керування передані ВАТ “Харківський тракторний завод”. Інформаційно-пошукова система на базі електронних каталогів використовується на виробництві. Ефективність досліджень по удосконаленню конструкції ЗКМ складе у споживача 13771 грн у рік від експлуатації однієї машини.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Щербак О.В. Разработка информационно-поисковой системы автоматизированного проектирования модульных дорожно-строительных машин //Автомобильный транспорт: сб.науч.тр. ХГАДТУ.- Харьков.- 1998. - №1.- С.47-49.

2. Кириченко И.Г., Щербак О.В., Кухтов В.Г. Долговечность стыковочного модуля трактора Т-150К // Строительные и дорожные машины. Москва, Россия. -1998. -№8. -С. 30-33.

3. Кириченко И.Г., Кухтов В.Г., Щербак О.В. Экспериментальное исследование нагруженности гидроприводов фронтального погрузчика // Тракторная энергетика в растениеводстве :сб.науч.тр. -Харьков.- 1998.-С. 270-275.

4. Кириченко И.Г., Кулешова М.Ф., Щербак О.В. К вопросу составления кинетической энергии колесного шарнирно-сочлененного трактора // Вестник Харьковского Государственного Политехнического Университета.- 1999. Выпуск 66. - С. 99-101.

5. Нестеров А.П., Кириченко И.Г., Щербак О.В. Математическая модель фронтального погрузчика с шарнирно-сочлененной рамой // Интенсификация рабочих процессов строительных и дорожных машин и оборудования: сб.науч.тр Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры.- 2000. Выпуск 10.- С.80-84.

6. Кухтов В.Г., Щербак О.В. Работоспособность шарнирного сочленения трактора Т-150К // Тракторная энергетика в растениеводстве :сб.науч.тр. -Харьков.- 2000.-С. 38-43.

7. Кухтов В.Г., Щербак О.В. Модульное формирование строительно-дорожных машин // Труды первой гор. конф. ”Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых. -Харьков.- “Бизнес Информ”.-1997.- С.50-52.

8. Кириченко И.Г., Кухтов В.Г., Щербак О.В. Испытания модульных шарнирно- сочлененных дорожно-строительных машин// Труды Междунар. конф. “ИНТЕРСТРОЙМЕХ-98” (Воронеж-98). -1998. -С. 91-92.

9. Кириченко И.Г., Ефименко А.В., Щербак О.В. Программные модули конструктора строительных машин // Труды. Междунар. конф. “Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении”.– Киев.- 1995.-С.59-61.

У спільних публікаціях особисто автором виконано: розробка алгоритму побудови і створення довідкової інформаційна-пошукової системи [1,9]; елементи методики проектування модульних дорожніх машин [2,6,7]; експериментальні дослідження навантаженості гідроприводу механізма рульового управління навантажувача [3,8]; теоретичне дослідження навантаженості гідроприводу рульового управління і корпусу шарніра [4,5].

АНОТАЦІЯ

Щербак О.В. Розробка та обгрунтування раціональних параметрів з’єднально-керуючого модуля фронтального навантажувача.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.04 - Машини для земляних та дорожніх робіт.- Харківський державний автомобільно-дорожній технічний університет, Харків, 2000.

Розроблено методику обгрунтування раціональної конструкції з’єднально-керуючого модуля для дорожньо-будівельних машин на основі дослідження ступеня його навантаженості. Для підвищення ефективності проектування модульних дорожньо-будівельних машин створена інформаційна-пошукова система на основі електронних каталогів сімейства колісних машин класу 30 кН. Створено адекватну математичну модель для визначення рівня навантаження з’єднально-керуючого модуля при асиметричному прикладенні зовнішнього навантаження і довільному куті складання напіврам. Для перевірки прийнятих у математичній моделі допущень і розрахункової схеми проведено експериментальні дослідження з визначенням ступеня навантаження гідропривода механізму рульового управління. Запропоновано методику оптимізації корпуса шарніру з’єднально-керуючого модуля на основі оцінки його напружено-деформованого стану з використанням методу кінцевих елементів.

Ключові слова: модульне проектування, з’єднально-керуючий модуль, енергетичний модуль, технологічний модуль, напружено-деформований стан, інформаційна-пошукова система.

ABSTRACT

Shcherbak O.V. Development and substantiation of reasonable parameters of front-end loader connecting and control module. – Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Science (Technology), Speciality 05.05.04 - Earth-moving and Road Construction Machines. – Kharkiv State Automobile and Roads Technical University, Kharkiv, 2000.

A design method is developed for connecting and control module of road construction machines on the basis of its load degree study. In order to increase efficiency of modular road construction machinery design an information and search system has been built on the basis of electronic catalogues of Class 30 kN wheeled machines. An adequate mathematical model has been created to define load degree of a connecting and control module under asymmetrical application of external load and a random semiframe folding angle. In order to check the assumptions in mathematical model and the calculation schedule experimental studies were performed to define the load degree of steering hydraulic drive. A method has been proposed for optimization of connecting and control module hinge sheath on the basis of evaluation of its stressed deformed state using final elements method.

Keywords: modular designing, connecting and control module, power module, technological module, stressed deformed state, information and search system.

АННОТАЦИЯ

Щербак О.В. Разработка и обоснование рациональных параметров соединительно-управляющего модуля фронтального погрузчика.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - Машины для земляных и дорожных работ.- Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 2000.

Сформулирована и решена задача по формированию методики проектирования соединительно-управляющего модуля. Цель работы заключается в разработке методики расчета предельных нагрузок и на этой основе в определении параметров СУМ тягачей погрузчиков, обеспечивающих достаточную прочность и безопасность машины.

Используя модульный принцип, в основу которого положена идея использования серийно выпускаемых машин с учетом их конструктивных особенностей, машину с шарнирно-сочлененной рамой рекомендуется рассматривать как модульную, состоящую из трех модулей: энергетического, технологического и соединительно-управляющего. Связующим звеном в этой системе является соединительно-управляющий модуль, состоящий из шарнирного сочленения, которое в свою очередь состоит из вертикального и горизонтального шарниров и механизма рулевого управления.

Реализуя модульный принцип на базе такой машины, возможно создание семейства модульных машин, причем все эти машины имеют шарнирно-сочлененную раму с универсальным соединительно-управляющим модулем, работоспособность и долговечность которого должна быть тщательно изучена. Для исследования степени нагруженности гидропривода рулевого управления создана математическая модель. В качестве расчетного случая принят вариант, когда погрузчик сталкивается ковшом с точечным труднопреодолимым препятствием при наборе грунта. Особенностью данной модели является возможность оценки нагрузок в гидроприводе при асимметричном приложении внешней нагрузки с произвольным углом складывания полурам.

Анализ математической модели показал, что существенное влияние на формирование нагруженности СУМ оказывает координата - b приложения силы копания - Wk, скорость внедрения - Vn, угол складывания полурам - . Так, при смещении Wk от оси симметрии ковша, b=0, на край ковша b=1,22 м, при прямолинейном движении =0, давление изменяется от 4,5 до 22 МПа. Изменение от 0° до 30° при центральном ударе b=0 влечет возрастание давления от 4 до 17 МПа. Взаимодействие краем ковша b=1,22 м при = 5°-10° вызывает давление 25-30 МПа. Зависимость давления от Vn носит почти линейный характер, так при условии b=1,22 м, = 5° и скоростях 0.5; 0.75; 1.2; 1.5 м/с, давление составляет 17.4; 21.3; 28.2; 33 МПа соответственно. В связи с этим рекомендовано рабочие операции производить на низших скоростях рабочего ряда не более 1.2 м/с и угле складывания не более 5°.

Для оптимизации конструктивного исполнения корпуса шарнира, учитывая сложный характер, а также сложность его конструкции, предлагается оценка его напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов. Проведенный всесторонний трехмерный анализ позволил получить полную характеристику его нагруженности, выявить зоны максимальных напряжений, которые достигают в компонентах sх и составляют 498 МПа. Зона максимальных напряжений расположена на нижней проушине в месте установки втулки вертикального шарнира. Максимальные перемещения наблюдаются на нижней проушине и составляют 1.0910-3 м.

Проведенные экспериментальные исследования выявили характер и степень нагружения гидропривода рулевого управления при выполнении погрузчиком технологических операций. Установлено, что давление значительно превосходит расчетное для базовой модели (трактора Т-150К, где оно составляет 7 МПа) и достигает значения 28 МПа. Расхождения расчетных и экспериментальных значений не превышают по амплитуде 8-12 % и частоте 10-15 %, что свидетельствует о правильности принятых в математической модели основных допущений и расчетной схемы.

Для повышения эффективности проектирования комплекса модульных дорожных машин была создана информационно-поисковая система на основе электронных каталогов семейства колесных машин класса 30 кН, которая позволяет производить всесторонний анализ данных, а также различные статистические расчеты.

На основании проведенного исследования создана методика проектирования соединительно-управляющего модуля и разработан комплекс программного обеспечения для ее реализации.

Методика проектирования корпуса шарнира и гидропривода рулевого управления, а также справочная информационно-поисковая система переданы ОАО “Харьковский тракторный завод”, АО Крюковский вагоностроительный завод.

Ключевые слова: модульное проектирование, соединительно-управляющий модуль, энергетический модуль, технологический модуль, напряженно-деформированное состояние, информационно-поисковая система.