ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Лесь Олександр Миколайович

УДК 629.114.2.02-191

ПРОГНОЗУВАННЯ І ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ДОВГОВІЧНОСТІ ВЕДУЧИХ МОСТІВ КОЛІСНИХ ТЯГАЧІВ КЛАСУ 30 кН

Спеціальність 05.22.02 – автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Кухтов Валерій Георгійович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри технології машинобудування і ремонту машин.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Мигаль Василь Дмитрович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, професор кафедри технічної експлуатації та сервісу автомобілів;

кандидат технічних наук, доцент Грінченко Олександр Степанович, Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, завідувач кафедри міцності та надійності.

Провідна установа: Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України (відділ нестаціонарних механічних процесів), м. Харків.

Захист відбудеться “18” травня 2006 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

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

Автореферат розісланий “17” квітня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Наглюк I.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Створення якісного проекту машини або вузла потребує від конструктора всебічного розгляду конструкції з різноманітних точок зору, а сама конструкція повинна задовольняти багатьом у більшості випадків складним вимогам. Як і в інших виробах машинобудування у автотракторній конструкції повинні виконуватись такі вимоги, як мінімальна вага і достатня надійність, мінімальне динамічне навантаження, мала вартість та ін.

Актуальність теми. При проектуванні сучасних автомобілів та тракторів виникають труднощі, які обумовлені недостатніми теоретичними та експериментальними дослідженнями варіантів конструкцій. Досвід експлуатації мобільних машин показує, що основні (базові) елементи є ресурсовизначальними, оскільки вони зазнають значних динамічних навантажень, які приводять до виходу їх із ладу. Відповідно до чинного законодавства з питань захисту прав споживачів (Закон України №1253 “Про захист прав покупців сільськогосподарських машин”), базовий елемент машини має відпрацювати весь амортизаційний період 10 років (10…15 тис. мотогодин), в іншому випадку – підприємство-виробник має усунути відмову.

Використання існуючих методів розрахунку не дозволяє достатньо точно оцінити довговічність базових елементів машини. У зв’язку з цим актуальною є робота щодо створення методики оцінки довговічності базових елементів з певною ймовірністю безвідмовної роботи, у тому числі і з використанням методу кінцевих елементів.

Виходячи з пріоритетів розвитку України – забезпечення народного господарства високо надійною технікою, тема дисертаційної роботи актуальна.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась за держбюджетними темами кафедри технології машинобудування та ремонту машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету на 2000-2002 р. “Методологія оцінки і прогнозування стану автотракторних конструкцій, які втрачають працездатність при поступових відмовах (зокрема, від втомленості)” (№06-53-01) та на 2004-2006 р. “Теоретичні основи забезпечення надійності автотракторних конструкцій” (№02-53-04). Програмою Держсільгоспмашу Міністерства промислової політики України на 1998-2005 р. “Виробництво технологічних комплексів машин та обладнання для АПК”, тема “Підвищення технічного рівня серійних тракторів” (№22.70.98).

Метою дослідження є розробка на основі сучасних програмних комплексів методів прогнозування і забезпечення довговічності ведучих мостів колісних тягачів (класу 30 кН), які враховують випадковість дії експлуатаційних режимів навантаження.

Для досягнення поставленої мети сформульовані наступні задачі:

- розробити структурні формули надійності та визначити причини відмов ведучих мостів на основі аналізу даних по відмовам основних конструктивних елементів ведучого моста.

- удосконалити методику прогнозування довговічності конструктивних елементів ведучих мостів, що втрачають працездатність від втомних ушкоджень, і розробити рекомендації, щодо їх усунення.

- експериментально визначити навантаженість конструктивних елементів ведучих мостів з урахуванням дії експлуатаційних факторів. Розробити математичну модель роботи ведучого валу головної передачі для оцінки працездатності і довговічності його підшипникових опор.

- провести числові дослідження довговічності конструктивних елементів ведучого моста на твердотільних моделях з урахуванням даних експериментальних досліджень.

- розробити рекомендації по забезпеченню нормативного ресурсу деталей ведучих мостів. Виконати техніко-економічну оцінку ефективності від впровадження запропонованих рекомендацій по підвищенню довговічності.

Об’єктом дослідження є процеси формування відмов ведучих мостів колісних тягачів класу 30 кН, що обумовлені недостатньою втомною довговічністю.

Предметом дослідження є ймовірнісні характеристики процесів накопичення ушкоджуваності ресурсовизначальних деталей ведучих мостів та характеристики їх довговічності.

Методи дослідження. У теоретичній частині використовуються методи рішення диференціальних рівнянь; теорія пружності з використанням кінцево-елементного аналізу; теорія ймовірності і математична статистика. В експериментальній частині використано метод тензометрії.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше встановлені залежності між ймовірністю безвідмовної роботи ведучого моста і його конструктивних елементів.

2. Вперше експериментально визначена структура навантаженості балки картера моста від дії експлуатаційних навантажень.

3. Вперше встановлені закономірності процесів накопичення ушкоджень корпуса моста та півосей.

4. Вперше встановлена залежність, що описує навантаженість підшипникової опори ведучого вала головної передачі при роботі машини на передачах II та III діапазонів.

5. Вперше визначено характеристику і величини деформацій водила колісного редуктора, що сприяє випаданню осей сателітів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені і прийняті для впровадження рекомендації по підвищенню надійності ведучих мостів тракторів виробництва ВАТ “ХТЗ”. За результатами роботи на ВАТ “ХТЗ” було ухвалено технічний звіт “Експериментальні і чисельні дослідження навантаженості основних елементів ведучого моста трактора типу Т-150К”. Запропонована методика визначення довговічності використовується при проведені науково-дослідницьких робіт, а також у навчальному процесі на кафедрі технології машинобудування і ремонту машин Харківського національного автомобільно-дорожнього університету і кафедрі промислового та автомобільного транспорту Української інженерно-педагогічної академії.

Особистий внесок здобувача. Автору належать: математична модель навантаження картера ведучого моста фронтального навантажувача [9]; удосконалена методика оцінки і прогнозування довговічності; визначені закони розподілення навантажень і їх параметри для основних конструктивних елементів ведучих мостів тракторів типу Т-150К [12]; залежності між деформацією корпуса водила і порушенням монтажних з’єднань осей сателітів [11]; структурні формули надійності.

Особистий внесок у наукових працях, опублікованих у співавторстві, наведений у списку публікацій в авторефераті.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи оприлюднено та одержано позитивну оцінку на шести міжнародних науково-технічних конференціях: “Тобі, Харківщино,-пошук молодих” (м. Харків, 2002 р.); “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (м. Харків, 2004 р.); “Перспективи розвитку автомобіле- і тракторобудування” (м. Харків, 2004 р.); “Наукові основи створення високоефективних землерийно-транспортних машин” (м. Харків, 2004 р.); “Проблеми надійності машин на етапах проектування, експлуатаціїї і ремонту” (м. Харків, 2005 р.); “Технічні та економічні перспективи розвитку автотранспортного комплексу і дорожнього будівництва” (м. Харків, 2005 р.).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи викладено у 14 друкованих працях, з них 13 - у фахових журналах ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи складає 157 сторінок, у тому числі 90 рисунків на 40 сторінках, 5 таблиць на 3 сторінках та 6 додатків на 21 сторінці. Список використаних літературних джерел включає 150 найменувань на 14 сторінках.

ЗМІСТ РОБОТИ

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

Дане дослідження є продовженням циклу робіт, які виконані на кафедрі технології машинобудування і ремонту машин та кафедрі підйомно-транспортних будівельних дорожніх машин і обладнання Харківського національного автомобільно-дорожнього університету по вдосконаленню методики проектування автотракторних конструкцій Л.В. Назаровим, А.П. Несторовим, В.В. Нічке, М.А. Подригало, О.С. Полянським та О.В. Щербаком із використанням виробничо-технічної бази України. Результати роботи можуть бути застосовані в спеціалізованих САПР для пошуку раціональних параметрів конструкцій автомобілів і тракторів, що створюються чи модернізуються.

У першому розділі “Стан питання та задачі дослідження” проаналізовано сучасні методи оцінювання надійності, які базуються на результатах різноманітних досліджень. Питанням надійності присвячені роботи вчених: І.А. Біргера, В.В. Болотіна, Ю.С. Борисова, Б.В. Гольда, А.С. Гусєва, С.С. Дмитриченка, Ю.Н. Дроздова, Є.Н. Зайцева, Г.Б. Іосилевича, В.П. Когаева, Ю.Б. Котикова, В.С. Лукинського, Є.П. Оболенського, А.С. Пронікова, Ю.Г. Стефановича, Б.Ф. Шорфа та ін. Випробування тракторів усіх моделей, інформація з яких використовується при оцінюванні довговічності, проводились у нормальних умовах, тобто при дотриманні правил експлуатації і ТО. Для виявлення елементів конструкцій, потребуючих збільшення довговічності, а також шляхів подальшого вдосконалення деталей, вузлів трактора Т-150К, їх надійності, проводились вивчення технічного стану деталей в агрегатах тракторів, які надійшли у перший капітальний ремонт з рядової експлуатації. Було вивчено технічний стан 250 комплектів шасі Т-150К. В результаті досліджень В.Я. Аніловича, В.Г. Кухтова, О.С. Гринченко та Р.В. Кугеля виявлені причини пошкоджень та визначені особливості процесу поступового старіння конструкцій. З різновиду видів вихідних даних, які використовуються при оцінюванні довговічності виробів і які описані в нормативно-технічних документах, використана інформація по рекламаціям на техніку, що випускається ВАТ “ХТЗ” (рис. 1). Слід зазначити, що у 1998 р. було 76,5%, 1999 р. – 90,2%, 2000 р. – 90,4% рекламацій по шасі.

Із структурного аналізу головної передачі (ГП) і планетарного редуктора вдалося отримати структурні формули їх надійності, які можна проілюструвати у вигляді графіків (рис. 2), де суцільною лінією показана ймовірність безвідмовної роботи при умові, що кожний складовий елемент структурної схеми має однакову ймовірність безвідмовної роботи. З урахуванням того, що у одних деталей надійність завжди нижча, ніж у інших, то при цій умовності функціональні залежності матимуть інший вигляд, який подано на рис. 2 штриховою лінією. Вихідні дані для розрахунків ймовірності безвідмовної роботи елементів структурних схем, що мають нижчі рівні надійності, було використано зі статистичних даних рядової експлуатації.

Враховуючи урізану інформацію про перелік відмов гарантійних тракторів по прийнятим рекламаціям встановлено, що ймовірність безвідмовної роботи у ГП складає 0,983, а у бортового редуктора – 0,9774.

Безвідмовність машин за кордоном характеризують числом відмовлень протягом визначеного наробітку (частіше в межах терміну гарантії). Найважливішим показником безвідмовності фірми вважають частку виробів, що відмовили в період гарантії, при чому форма обліку відмовлень фірм часто різні. Дизелебудівна фірма Perkins (Великобританія) підрозділяє відмови на дві групи: легко відновлені і ті, що приводять до капітального ремонту. Фірма Commins (США) для забезпечення імовірності безвідмовної роботи дизеля рівної 0,7 (в період гарантії наприкінці 70 років) поділяла двигун на 13 окремих систем і домагалася для них ймовірності безвідмовної роботи від 0,9275 до 0,999. Системи, у свою чергу, поділялися на підсистеми, для яких була прийнята імовірність безвідмовної роботи в межах 0,9805…0,999. Для деталей, що входять у підсистеми, цей показник ще вище - від 0,998 до 0,9999. Відмови підрозділили на три групи: незначні, істотні і критичні. Відмови за період гарантії не повинні перевищувати: 2 % - критичних, 5 % - істотних і 25 % - незначних.

Враховуючи особливості серійного виробництва, та зростаючі вимоги до безвідмовності, можна зробити висновок, що підвищення рівня надійності ведучих мостів – є нагальною потребою, яку слід вирішувати як найшвидше.

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

У другому розділі “Теоретичні передумови досліджень” обргунтовано використання трьохпараметричного закону розподілення Вейбулла на основі аналізу навантажень, що сприймаються піввісю. Також було розглянуто апроксимацію розподілення навантаженості двохпараметричним законом Вейбулла і логарифмічно нормальним (рис. 3).

Як видно з рис. 3, двохпараметричний закон Вейбулла і логарифмічно нормальний недостатньо точно описують розподіл навантажень Мкр в інтервалі 0…0,3 кНм тоді, коли при статистичному розподіленні їх там немає. За критерієм узгодженості Колмогорова зроблено висновок, що емпіричне розподілення з найбільшою ймовірністю співпадання (0,964) описує трьохпараметричний закон Вейбулла, який і було застосовано в розрахунках на втомну довговічність.

При аналізі технічного стану ведучих валів-шестірень ГП, які надійшли у перший капітальний ремонт встановлено, що значна частина їх (близько 60%) вибраковується через зношування посадочних місць під підшипник №7313 (опора А на рис. 4). Для визначення причин інтенсивного зношування цього посадочного місця було промодельовано роботу ведучого вала у вигляді рівнянь Лагранжа другого роду (1). Необхідні розрахунки виконано в програмному середовищі SolidWORKS (рис. 5).

Запропонована математична модель (1) дозволяє враховувати різні за величиною: М1 - крутний момент на валу; w1 кутову швидкість обертання вала; дисбаланс карданної передачі; параметри точності зубчатого зачеплення; жорсткість опор. Жорсткість і погрішність зачеплення у конічній передачі розглянуті як кусочно-постійні (в залежності від того, скільки зубів знаходиться у зачепленні). Параметричні коливання, розглянутої системи, будуть мати місце навіть при відсутності дефектів, за рахунок мінливої жорсткості. Крім того, на систему діє сила інерції обумовлена дисбалансом кардана. Виникаюча в цьому випадку вібрація опор обумовлена конструкцією ГП.

(1)

де – величини биття в підшипникових опорах, м; – кінематична погрішність у зачепленні, м; – радіальні жорсткості опор, Н/м; – жорсткість у зачепленні, Н/м; – кут зачеплення; – кут нахилу зубів;  – маса ведучого вала у зборі з фланцем, кг; – осьові моменти інерції вала у зборі, кгм2; – сила інерції, Н; – сили в зачепленні, Н.

На першому етапі досліджень змодельована робота ГП з номінальними параметрами. Для цього математична модель (1) реалізована з наступними параметрами: дисбаланс кардана ; кінематична погрішність у зачепленні ; радіальна жорсткість опори А ; радіальна жорсткість опори В ; момент від навантаження на ведучому валу (при роботі на 4 передачі III діапазону з двигуном потужністю 150 к.с.). Реалізація моделі для одного оберту вала на 4 передачі III діапазону представлена на рис. 6 (час одного оберту складає ).

На другому етапі досліджень змодельована робота ГП з максимально допустимими відхиленнями досліджуваних параметрів (Рис. 7). Математична модель (1) реалізована з наступними параметрами: ; ; ; ; .

Для опори А на кожній передачі (при максимально допустимих параметрах) було розраховано радіальне навантаження для II і III діапазонів. Далі, використовуючи програмне середовище MathCAD, була виконана статистична обробка даних по навантаженню опори А. Після побудови гістограм розподілення навантажень було виконано апроксимацію їх теоретичним законом (рис.8).

Отримані закони розподілів (рис. 7) показали їх незначне розсіювання. Для подальших розрахунків вважаємо доцільно використовувати усереднену криву, параметри розподілення якої будуть: а=45,81; b=1,724. Середня ймовірність співпадання буде дорівнювати 0,874.

При порівнянні з номінальним станом роботи ведучого вала встановлено, що при максимально допустимих відхиленнях параметрів амплітуда биття опори А збільшується приблизно у п’ять разів, а віброшвидкість у три рази. Це в свою чергу призводить до збільшення радіального навантаження у п’ять разів. Основна причина полягає у наявності дисбалансу кардана. Биття і віброшвидкість опори В збільшується приблизно у два рази. Це в свою чергу призводить до збільшення радіального навантаження у три рази. При відхиленнях параметрів, які перевищують максимально допустимі у два рази, радіальне навантаження опори А збільшується приблизно у десять разів, а радіальне навантаження опори В збільшується приблизно у п’ять разів. В свою чергу збільшення радіальних навантажень призводить до збільшення швидкостей зношування посадочних поверхонь під підшипник.

Постає питання про співставлення запропонованої математичної моделі (1) з експериментальними даними. Роботи В.Д. Мигаля містять графіки статистичної обробки вібрації мостів трактора Т-150К в точці, що характерна для розробленої математичної моделі (рис. 9). Для співставлення математичної моделі (1) були вирішені задачі: 1) оскільки графіки спектральної щільності у MathCAD можна отримати у абсолютних величинах [], а експериментальні дані записані у децибелах [дБ], то було визначено функцію для зручного переведення дБ у ; 2) отримано у MathCAD графіки спектральної щільності радіальних прискорень у досліджуваній підшипниковій опорі, використовуючи вхідні дані, які були характерні для експериментального дослідження на стенді (25% навантаження від номінального режиму); 3) виконана порівняльна оцінка графіків: отриманого з рішення системи диференційних рівнянь та експериментально.

Значну інформацію дає спектральний аналіз вібрації. Врахувавши умови навантаження машини при експериментальних дослідженнях, було отримано графік спектральної щільності з рішення математичної моделі (1). Частота виявлення моделюємих дефектів і несправностей у даному випадку складе 5000…6300 Гц. Результати розрахунків подано на рис. 9.

Графік спектральної щільності, що отриманий теоретично, цілком відповідає графіку спектрограм отриманому експериментально у діапазоні зазначених частот (5…6,3 кГц). Статистична обробка даних у діапазоні частот 4,5…8,0 кГц показала, що математичне очікування віброприскорень 1300, а середнє квадратичне відхилення 856 . При порівнянні значень середнього квадратичного відхилення від середнього арифметичного значення розбіжність склала 1,2%. А при порівнянні середнього арифметичного значення і математичного очікування розбіжність склала 11,7%.

На основі проведеного аналізу технічного стану ресурсовизначаючих елементів ведучих мостів зроблено твердження, що відмови носять втомний характер.

У пропонованій методиці розрахунку на втому В.Г. Кухтова зроблена спроба перейти від розрахунків на міцність і оцінки циклічної довговічності до статистичних оцінок ресурсу деталей шасі колісних тракторів. Автор припускає, що застосування нормального закону розподілення випадкової величини (пошкоджуваності) при розрахунках на втомну довговічність дає прийнятний результат. Але достовірність результатів можна значно підвищити при використанні закону, що найкращим чином описує малі виборки розподілень пошкоджуваності. Пропонується використання трьохпараметричного закону розподілення Вейбулла (замість нормального закону розподілення), і для кожного конкретного випадку розрахунку слід мати певні параметри його розподілення. Що і було реалізовано в даній роботі.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження навантаженості картера ведучого моста фронтального навантажувача Т-156Б” подані результати експериментальних досліджень навантаження картера моста. Дослідженням навантаженості картера передувало поглиблене вивчення його конструктивних особливостей, надійності й довговічності. У результаті чого були виділені основні елементи, які визначають працездатність картера.

Експлуатація трактора Т-150К показала, що втомні тріщини картера заднього моста мають тенденцію до виникнення й розвитку в зоні зварного шва “фланець-балка картера” і галтелі фланця у зоні приварювальної площини. Ці місця були основним об'єктом дослідження в районі яких і наклеювалися тензодатчики 2ПКБ 10-200 з базою 10 мм й опором 200 Ом. Апаратура (осцилограф К-12-21 з підсилювачем ТОПАЗ-З) для зняття показань розташовувалася в кабіні водія за сидінням. Для реєстрації обертів колеса встановлювався імпульсний датчик обертів (25 імпульсів за один оберт) на колесі машини. Для виключення зовнішнього впливу використовувалася екранована проводка, що зв'язувала датчики з тензопідсилювачем. Тарування датчиків проводилося безпосередньо на самій машині з використанням динамометра загального призначення ДПУ-50, що призначений для вимірювання статичних розтягуючи зусиль. На рис. 10 подано фрагмент осцилограми, штриховими лініями вгорі осцилограми позначено дані про обороти колеса. Після обробки осцилограм були отримані дані про навантаження картера домінуючим вертикальним навантаженням N, які наведені на узагальненому графіку (рис. 11).

Також на графіку показані переміщення машини, які вона виконувала під час технологічних операцій. Час, необхідний для переключення передач (для зміни напрямку руху) нехтується. Аналіз отриманих даних дозволив визначити структуру навантаженості картера моста а також її схематизувати за весь технологічний цикл.

На рис. 12 дана гістограма, що характеризує розподіл дії навантажень і функція щільності ймовірності , яка описується двохпараметричним законом розподілення Вейбулла (a=22,155; b=1,582). Погодженість теоретичного й статистичного розподілу оцінювалася критерієм Колмогорова, що дорівнює ,615.

На підставі результатів експериментальних досліджень і моделювання можна стверджувати, що по характеру навантаженість безперервна; по виду випадкова широкополосна. Гістограма частості навантаження свідчить про незначну частку перевантажень, але оскільки планується оцінка довговічності картера, що втрачає працездатність від втомних ушкоджень, необхідно в розрахунках враховувати максимальні значення навантажень.

Максимальне співвідношення динамічного навантаження до статичного при експериментальних дослідженнях у режимі гальмування з піднятим ковшем склало 2,88, а при математичному моделюванні – 3,03 (з масою в ковші 3000 кг); оскільки відносна похибка складає 5%, то математична модель адекватно описує реальний процес. Слід зазначити, що розрахунки серійних і перспективних картерів на ВАТ “ХТЗ” проводилися при співвідношенні динамічного навантаження до статичного рівному 2.

У четвертому розділі “Числові дослідження довговічності основних деталей ведучих мостів і рекомендації по її забезпеченню” виконано оцінку напружено-деформованого стану з використанням методу кінцевих елементів (рис. 13 – приклад дослідження картера моста). Отримані дані було використано для оцінювання втомної довговічності деталей. Розрахунки виконувались для гальмового барабана, картера колісного редуктора, картера ведучого моста (серійної та перспективної конструкції) і піввісі. Після проведених чисельних досліджень водила і корпуса колісного редуктора було отримано розподіли напружень і переміщень по об’єму конструкції. На рис. 14 стрілками показано напрям переміщень задньої частини водила при прикладанні навантаження (тензор у мм). Оскільки переміщення діють у зворотніх напрямках відносно осей, а сила тертя більша у напрямку прикладання навантаження, то можна зробити висновок, що в даному випадку має місце механізм клинення, який витягує піввісь з водила.

На рис. 15 наведено поверхні спаду, що характеризують зміну величини ресурсу серійного картера у залежності від ймовірності безвідмовної роботи й амплітуди еквівалентного напруження.

Запропонована методика дозволила за відносно короткий час провести дослідження довговічності різних конструкцій гальмових барабанів колісних тракторів виробництва ВАТ “ХТЗ”. Максимальні деформації барабана не повинні перевищувати 0,36 мм. Максимальні переміщення в розрахунках склали 0,183 мм. Переміщення кінцевої частини барабана й переміщення в зоні накладок у серійної моделі відрізняються на 40%. Різниця переміщень в альтернативних моделей 6,5...25%. Від зміни жорсткості барабана й радіуса переходу циліндричної частини до днища, залежить величина крайових моментів, тобто величина напруг. Зменшення різниці по переміщеннях дало можливість змінити локалізацію напруг.

Розрахунки картера моста показали, що для чавунного (перспективного) картера маса вантажу в ковші не перевищуватиме 2500 кг (для навантажувача), в іншому випадку необхідно впровадження зміни геометрії рукавів піввісі для зниження напружень.

Характер деформацій і напруженості конструкції картера колісного редуктора свідчать, що зміна Z-профіля на іншу конструкцію не вплинула на його роботоздатність негативно. Досвід експлуатації свідчить, що вісь сателіта випадає частіше при виконанні машиною енергонасичених робіт, які призводять до більшої різниці сил тертя на осі сателіта, що і сприяє її випаданню. Для виключення випадання осей сателітів необхідно забезпечити відповідну жорсткість водила.

Розрахунки півосі показали, що максимальні напруження виникають у впадинах шліців і саме вони впливають на роботоздатність півосі. Аналіз отриманих даних з розрахунків ушкоджуваності полої піввісі з діаметром порожнини 26 мм показав, що ресурс складає біля 15000 м.г. Оскільки металоємність полої піввісі менша на 28% то доцільно рекомендувати до впровадження запропоновану конструкцію.

ВИСНОВКИ

Розроблені в дисертації теоретичні положення, результати експериментальних досліджень навантаженості картера ведучого моста і числові дослідження напружено-деформованого стану основних елементів ведучого моста дозволили cформулювати основні наукові результати і висновки.

1. Вперше з проведеного структурного аналізу визначено, що у колісного редуктора і головної передачі ймовірність безвідмовної роботи складає відповідно 0,972 і 0,953 (при ймовірності безвідмовної роботи усіх складових частин агрегатів 0,99, та урахуванням зниженої надійності ряду деталей). Орієнтуючись на нормативні значення ймовірності безвідмовної роботи машини в цілому, яка повинна складати 0,9, а для ведучого моста 0,99, та прийнявши до уваги зібрані статистичні данні по відмовам ведучих мостів гарантійних тракторів (ймовірність безвідмовної роботи 0,72), можна стверджувати, що безвідмовність ведучого моста недостатня. Встановлено, що відмови третьої групи значимості (у колісного редуктора і головної передачі) виникають через деформацію та ушкодження корпуса моста і носять втомний характер.

2. Вперше визначено і обґрунтовано закони розподілу Вейбулла та їх параметри, що описують емпіричні розподіли ушкоджуваності балки картера моста і півосі, які використані при вдосконаленні методики прогнозування довговічності.

Ймовірність співпадання запропонованого трьохпараметричного теоретичного закону з емпіричним для півосі становить 0,964; двохпараметричного для картера моста – 0,615.

3. Вперше проведені експериментальні дослідження дозволили визначити структуру навантаженості базових елементів ведучого моста, яка по характеру безперервна; по виду випадкова широкополосна. За результатами експериментальних досліджень визначено, що коефіцієнт динамічності навантажень картера ведучого моста складає 3, що слід враховувати у конструкторських розробках.

4. Вперше визначена залежність для оцінювання навантаженості підшипникової опори ведучого валу головної передачі при роботі машини на передачах II та III діапазонів, яку слід застосовувати при визначенні еквівалентного динамічного навантаження.

5. Вперше встановлено причину випадання осей сателітів планетарного редуктора, яка полягає у одночасному порушенні монтажних з’єднань осей сателітів та специфіці деформації корпуса водила. Моделювання напружено-деформованого стану дозволило виявити зони локалізації максимальних напруг і деформації досліджуваних деталей. Аналіз конструкцій картерів моста показав, що жорсткість у литого чавунного вища, ніж у існуючого серійного, що позитивно впливає на взаємодію елементів його трансмісії.

6. На підставі досліджень, які проведені у дисертаційній роботі, запропоновано впровадити наступні конструктивні заходи для забезпечення ресурсу ведучих мостів тракторів типу Т-150К рівного терміну служби машини:

- у головну передачу встановити підшипник, який має еквівалентне динамічне навантаження до 200 кН замість підшипника №7313;

- змінити конструкцію водила колісного редуктора (ввести стопоріння осей сателітів, оскільки не вдається підвищити жорсткість водила для зменшення його деформацій);

- оптимізувати конструкцію гальмового барабана та півосі для зменшення напружень і економії матеріалу;

- впровадити литий картер ведучого моста у серійне виробництво, що дасть економію матеріалу і підвищить ресурс агрегатів ведучого моста за рахунок більшої жорсткості литої конструкції.

7. Розрахунковий економічний ефект від забезпечення надійності конструкцій ведучих мостів складе в споживача 16870 гр. від експлуатації однієї машини за 10 років.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кухтов В.Г., Лесь А.Н., Щербак О.В., Комплексная оценка долговечности колёсных тормозов тракторов Т-150К. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. научн. тр. Тематический выпуск: Динамика и прочность машин. – Харьков. НТУ “ХПИ”. – 2001. №25. – С. 61-65. Автором особисто виконано числові дослідження альтернативних конструкцій гальмових барабанів.

2. Кухтов В. Г., Лесь А. Н., Рябушенко А. В. Алгоритм оценки долговечности деталей, разрушающихся от усталости // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. научн. тр. ХГТУСХ, Харьков, 2001. вып. 4. – С. 133-136. Автором особисто проведено аналіз класичних методів розрахунку на втомну довговічність.

3. Кухтов В. Г., Лесь А. Н., Рябушенко А. В., Щербак О.В. Результаты исследований долговечности главных передач ведущих мостов колесных тракторов класса 3. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический выпуск “Автомобиле и тракторостроение”. Т.1. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2002. – №. – С. 77-81. Автором проведено аналіз вибракування ведучого вала-шестірні.

4. Абдула С.Л., Кухтов В. Г., Рябушенко А. В., Лесь А. Н. Долговечность шлицевых соединений колесных тракторов класса 30 кН // Наукове видання. Вісник ХДТУСГ “Підвищення надійності відновлюємих деталей машин”. вип. 14. – Харків: ХДТУСГ – 2003. – С. 83-91. Автором проведено аналіз факторів, що впливають на довговічність шліцьових з’єднань.

5. Гриненко А.А., Лесь А.Н., Шаповалов Ю.К. Методика оценки влияния неравномерного распределения нагрузок по ведущим колесам трактора на долговечность колесных редукторов. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический выпуск “Автомобиле и тракторостроение”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2003. – №. 4 – С. 55-61. Автором проведено аналіз розподілення відмов колісних редукторів тракторів типу Т-150К в залежності від їх розташування.

6. Лесь А.Н. Экспериментальные исследования усталостной долговечности полуосей тракто-ров Т-150 и Т-150К. // Тракторная энергетика в растениеводстве: Сб. научн. тр. ХГТУСХ, Харьков, 2003. вып. 6. – С. 228-234.

7. Лесь А.Н. Результаты статических испытаний полуосей. // Наукове видання. Вісник ХДТУСГ “Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні”. вип. 24. – Харків: ХДТУСГ – 2004. – С. 294-298.

8. Абдула С.Л., Кухтов В.Г., Лесь А.Н. Оценка нагруженности полуосей ведущих мостов тракторов типа Т-150 по результатам экспериментальных и расчетных исследований. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический выпуск “Автомобиле и тракторостроение”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2004. – №. 16 – С. 22-28. Автором особисто отримано аналітичні залежності напружень вигину півосі від крутного моменту двигуна, числові дослідження конструкції півосі і висновки.

9. Лесь А.Н. Экспериментальные исследования нагруженности картера ведущего моста фронтального погрузчика Т-156Б. // Вестник ХНАДУ и Северо-Восточного Научного Центра Транспортной Академии Украины. Сб. научн. тр. вып. 27. – Харьков: ХНАДУ. – 2004. – С. 47-52.

10. Лесь О.М. Оцінка довговічності картерів ведучих мостів колісних тягачів типу Т-150К. // Автомобильный транспорт. Сб. научн. тр. вип. 16. – Харьков: ХНАДУ. – 2005. – С. 210-213.

11. Лесь О.М. Дослідження деформованого стану корпуса кінцевої передачі колісного тягача типу Т-150К. // Вестник ХНАДУ и Северо-Восточного Научного Центра Транспортной Академии Украины. Сб. научн. тр. вып. 28. – Харьков: ХНАДУ. – 2005. – С. 47-49.

12. Лесь О.М. Чисельні дослідження втомної довговічності піввісі трактора Т-150К. // Восточно-европейский журнал передовых технологий. –Харьков 2005. №2/2).– С. 28-31.

13. Лесь О.М. Чисельні дослідження напружено-деформованого стану різних конструкцій гальмового барабана трактора типу Т-150К. // Вестник НТУ “ХПИ”. Сб. науч. тр. Тематический выпуск “Автомобиле и тракторостроение”. – Харьков: НТУ “ХПИ”. – 2005. – №. , – С. 78-82.

14. Смирнов В.И., Лесь А.Н., Рябушенко А.В. Управление мостами самоходных машин // Мобильная и стационарная энергетика, сельскохозяйственный транспорт, экология, энергосбережение, альтернативное топливообеспечение в растениеводстве // Сб. научн. докл. Международной научно-практической конференции “Земледельческая механика в растениеводстве”. Том 6. – М.: ВИМ, 2001. – С.183-188. Автору належать розрахунки необхідного коефіцієнта блокування диференціала і висновки щодо його оптимальних значень.

АНОТАЦІЯ

Лесь О.М. Прогнозування і забезпечення довговічності ведучих мостів колісних тягачів класу 30 кН. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.02 – автомобілі та трактори. - Харківський національний автомобільно-дорожній університет, Харків, 2006.

Сформульована і вирішена задача по вдосконаленню методики оцінювання довговічності деталей при заданій ймовірності безвідмовної роботи у залежності від навантаження для основних деталей ведучого моста. Проведено експериментальні дослідження навантаженості картера ведучого моста в експлуатаційних умовах і розроблено двохпараметричну математичну модель його навантаження. Математичне моделювання роботи ведучого вала головної передачі з номінальними параметрами дало можливість визначити закон розподілення навантажень підшипникової опори. Отримано структурні формули надійності головної і кінцевої передачі. Виконано розрахунки основних елементів ведучих мостів на втомну довговічність по запропонованій методиці і алгоритму. Виявлено причину випадання осей сателітів планетарного редуктора.

Ключові слова: втомна довговічність, ведучий міст, напружено-деформований стан, ймовірність безвідмовної роботи, ресурс.

АННОТАЦИЯ

Лесь А.Н. Прогнозирование и обеспечение долговечности ведущих мостов колесных тягачей класса 30 кН. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.02 – автомобили и тракторы. – Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет, Харьков, 2006.

Из структурного анализа главной передачи и планетарного редуктора конечной передачи получены структурные формулы их надежности. Установлено, что вероятность безотказной работы у главной передачи составляет 0,983, а у конечной передачи – 0,9774.

Сформулирована и решена задача по усовершенствованию методики оценки долговечности деталей по вероятности безотказной работы в зависимости от приведенного эквивалентного напряжения и ресурса для основных деталей ведущего моста типа Т-150К. Недостатком существующей методики есть использование нормального закона распределения повреждаемости деталей. Поскольку точность расчетов можно существенно повысить, применяя законы распределения повреждаемости для каждого частного случая, то было принято решение о проведении экспериментальных исследований нагруженности картера ведущего моста непосредственно в эксплуатационных условиях. В результате этих исследований получен обобщенный график нагруженности картера ведущего моста, разработана двухпараметрическая математическая модель нагруженности картера ведущего моста фронтального погрузчика и определен закон распределения повреждаемости картера.

Математическое моделирование работы ведущего вала главной передачи с номинальными параметрами также дало возможность определить закон распределения нагрузок подшипниковой опоры, который с допустимой вероятностью 0,874 описывает нагрузки опоры на всех нагрузочных режимах. При оценке адекватности этой математической модели были решены такие задачи: определена функция перевода децибел в абсолютные величины; получены и проанализированы значения спектральной плотности радиальных нагрузок характерной подшипниковой опоры. Статистическая обработка данных в диапазоне частот 4,5…8,0 кГц показала, что математическое ожидание виброускорений 1300, а среднеквадратическое отклонение 856 . При сравнении экспериментальных и теоретических значений среднеквадратического отклонения от среднего арифметического значения расхождения составили 1,2%. А при сравнении среднего арифметического значения и математического ожидания – 11,7%.

Полученные данные по нагруженности подшипниковы опор свидетельствуют, что при установке на машину двигателя мощностью больше 150 л.с. необходим пересмотр параметров дисбаланса карданной передачи и точности зацепления главной передачи, которые должны быть жестче установленных норм для серийной машины типа Т-150К. Из анализа экспериментальных данных установлено, что наиболее удачным законом, описывающим нагруженность деталей ведущего моста, есть закон Вейбулла, который при необходимости может быть двух- или трехпараметрическим, что повышает достоверность полученных результатов в расчетах на усталостную долговечность.

Для описания повреждаемости исследуемых деталей были определены и обоснованы по допустимой вероятности параметры распределения законов Вейбулла. Вероятность совпадения предложенного трёхпараметрисеского теоретического закона и статистического для полуоси составила 0,964, двухпараметрисеского для картера моста – 0,615.

Методом коечных элементов исследовано напряженно-деформированное состояние основных деталей ведущего моста: тормозной барабан; картер моста в сборе; картер колесного редуктора в сборе; водило в сборе с осями сателлитов и полуось. Выявлены зоны локализации максимальных напряжений и деформаций исследуемых деталей. Установлено, что более подходящим материалом для серийной конструкции тормозного барабана есть СЧ 18-36. Исследования напряженно-деформированного состояния различных конструкций тормозных барабанов типа Т-150К указывают на возможность уменьшения металлоемкости конструкции до 35% с одновременным уменьшением локализации напряжений в концентраторе и способствованию более равномерному распределению напряжений по конструкции.

Усовершенствованная методика оценки ресурса дала возможность оценить ресурсы конструкций картеров: штампосварного и литого. Расчеты показали, что у чугунного картера жесткость выше чем у серийного, что должно позитивно отразиться на работоспособности главной передачи. Установлено причину выпадания осей сателлитов колесного редуктора, которой является процесс заклинивания с неравномерно распределенной силой трения относительно оси сателлита при приложении нагружения. Характер деформаций и напряженность конструкции картера колесного редуктора свидетельствуют, замена Z-профиля на другую конструкцию не повлияла на его работоспособность отрицательно. Расчеты напряженно-деформированного состояния полуоси показали, что максимальные напряжения возникают во впадинах шлицев и именно они влияют на ее работоспособность.

Ключевые слова: усталостная долговечность, ведущий мост, напряженно-деформированное состояние, вероятность безотказной работы, ресурс.

ABSTRACT

Les’ O.M. Forecasting and ensuring the long service life of 30-kH wheeled tractor driving axle. – Manuscript.

Dissertation thesis for the academic degree of Candidate of Engineering Sciences in speciality 05.22.02 – automobiles and tractors. – Kharkiv National Automobile and Highway University, Kharkiv, 2006.

A task has been verbalised and solved to improve estimation methods of part long-service life by probability of their non-failure performance in accordance with equivalent strain and resource for main parts of T150K-type driving axles. Experimental investigation into axle-housing ladenness under exploitation has been carried out, and two-parameter mathematic mode of its load has been done. Mathematic modelling of final-drive shaft with rated parameters has allowed establishing the law of load distribution for the bearing support. Structural formulas of reliability for both front- and rear axle drives have been deduced. Fatigue longevity of main driving-axle parts has been calculated with methods of final elements and probability theory used. The cause of slipping-out of planetary-reducer satellite axles has been defined.

Key words: fatigue longevity, driving axle, the state of stressed deformation, probability of non-failure performance, resource.