ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

ПІДГУРСЬКИЙ МИКОЛА ІВАНОВИЧ

УДК 631.356.26: 629.3.023.11

МЕТОДИ ПРОГНОЗУВАННЯ РЕСУРСУ

НЕСУЧИХ І ФУНКЦІОНАЛЬНИХ СИСТЕМ

БУРЯКОЗБИРАЛЬНИХ КОМБАЙНІВ

05.05.11 – Машини і засоби механізації сільськогосподарського

виробництва

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Тернопіль – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Тернопільському державному технічному університеті

імені Івана Пулюя Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, заслужений працівник освіти України Рибак Тимофій Іванович,

Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, директор навчально-науково-виробничого центру випробування функціонально-технічних засобів виробництва і взаємодії з науково-промисловими комплексами, завідувач кафедри технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України, доктор технічних наук, професор Андрейків Олександр Євгенович,

Львівський національний університет ім. Івана Франка професор кафедри механіки, м. Львів

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Хайліс Гедаль Абрамович,

Український науково-дослідний інститут прогнозування та випробування техніки і технологій для сільськогосподарського виробництва імені Л. Погорілого, головний науковий співробітник,

Київська обл., смт. Дослідницьке

доктор технічних наук, професор Чаусов Микола Георгійович, Національний аграрний університет, завідувач кафедри опору матеріалів, м. Київ

Захист відбудеться 20 грудня 2007 р. о 10 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 20 листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради _______________ П. В. Попович

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Загальна тенденція розвитку складної мобільної сільськогосподарської техніки в напрямку інтенсифікації виконання технологічних процесів, яка приводить до неперервного збільшення енергосилових, кінематичних, габаритних та інших параметрів машин, вимагає нових підходів при створенні перспективних та модернізації існуючих машин. Це, у першу чергу, стосується потужних бурякозбиральних комбайнів. Базовою збірною одиницею комбайна є зварна несуча рама, від надійності якої значно залежить ресурс роботи машини.

Однією з основних причин недостатньої експлуатаційної надійності рам самохідних бурякозбиральних комбайнів є недосконалість існуючих інженерних методів до розрахунку цих конструкцій.

Більшість методів оцінки міцності та розрахунку ресурсу стосується бездефектних конструктивних структур. Зважаючи на високу концентрацію напружень в зонах зварних з’єднань, наявність технологічних дефектів, специфіку експлуатаційного навантаження, стадія живучості (розвиток дефектності від початкового розміру до критичного значення) у більшості випадків є визначальною при оцінці надійності основних несучих і функціональних систем і характеризує ресурс роботи комбайна в цілому.

Виходячи з напрацювань у цьому напрямку вітчизняних та зарубіжних вчених, створення ефективних несучих і функціональних систем, оптимальних за матеріаломісткістю та з прогнозованим ресурсом роботи, полягає у зміні постановки задачі і розробці алгоритму оцінки роботоздатності рамних конструкцій з врахуванням реальних умов експлуатації, технології їх виготовлення, застосуванні в інженерному проектуванні числових методів аналізу напружено-деформівного стану (НДС), використанні теоретичних моделей і методів механіки руйнування з врахуванням особливостей розвитку дефектності в статично невизначуваних системах.

Вирішенню такої актуальної науково-технічної проблеми і присвячена дисертаційна робота.

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

Робота виконана згідно з національною програмою “Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу на 1998 –  роки” (п. .12.5. Розробка бункерного бурякозбирального комбайна КБС-6 “Збруч”; п. .12.14. Розробка бурякозбирального комбайна КС-6Б-10).

Результати дисертаційної роботи пов’язані з науковими дослідженнями, що виконувались на кафедрі технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (теми “Створення основних несучих і функціональних органів машин, оптимізованих за матеріаломісткістю та з прогнозованим ресурсом роботи (д.р. 0193U039356), “Розробка методу критеріальної оцінки динамічної міцності мобільних сільськогосподарських машин (д.р. 0299U000944), “Оптимізація несучих систем замкнутого профілю важконавантажених сільськогосподарських машин” (д.р. 0106U000129).

Мета і задачі досліджень. Вирішення важливої науково-технічної проблеми, яке полягає у розробці аналітично – експериментальних методів прогнозування і підвищення ресурсу конструкцій рам бурякозбиральних комбайнів з врахуванням реальних умов експлуатації, особливостей навантаження та дефектності матеріалу, зокрема в зонах зварних з’єднань.

На основі аналізу і синтезу відомих у літературі аналітичних і експериментальних досліджень міцності і довговічності рамних конструкцій вирішення даної проблеми зведено до розв’язку наступних фундаментальних і прикладних задач:

– розробка алгоритму комплексного підходу до прогнозування і підвищення ресурсу роботи конструкцій рам бурякозбиральних комбайнів;

– формулювання методологічних особливостей оцінки ресурсу несучих систем, що враховує початкову дефектність, експлуатаційні навантаження, специфіку зародження і розвитку тріщин в статично невизначуваних конструктивних структурах;

– розробка ефективних методів та засобів вимірювань динаміки навантаження бурякозбиральних комбайнів в умовах експлуатації;

– побудова розрахункових моделей бездефектної несучої конструкції і дослідження НДС з врахуванням реальної динаміки навантаження;

– оцінка початкової дефектності зварних з’єднань натурних конструкцій;

– дослідження і опис явища зародження і розвитку дефектності в зонах зварних з’єднань; побудова математичних моделей трансформації дефектів в тріщини при експлуатаційному навантаженні;

– побудова розрахункових схем зварних несучих систем з наскрізними тріщинами, що розвиваються в їх елементах; моделювання розвитку дефектності і визначення перерозподілу напружень в конструктивних системах;

– розробка методів побудови аналітичних залежностей для опису НДС у зварних вузлах з тонкостінних профілів з наявною в них тріщиною, які враховують особливості навантаження (згин, стиснене кручення) та специфіку розвитку тріщин в статично невизначуваних системах (стисненість деформацій, перерозподіл навантажень між елементами системи);

– визначення характеристик втоми зварних вузлів і тріщиностійкості зон зварних швів;

– розробка алгоритму синтезу раціональних несучих конструкцій з гарантованим ресурсом роботи, оптимальних за металоємністю; побудова моделі і розробка методів оцінки ресурсу оптимізованих конструкцій.

Об’єкт дослідження – несучі системи бурякозбиральних комбайнів.

Предмет дослідження – ресурс тонкостінних зварних несучих систем бурякозбиральних комбайнів.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на методах теорії пружності, теорії втоми і механіки руйнування матеріалів, на сучасних уявленнях про механізми руйнування зварних з’єднань; методах теорії надійності машин і конструкцій, а також математичного моделювання фізико-механічних процесів при роботі бурякозбиральних комбайнів. Експериментальні дослідження НДС та динаміки навантаження несучих систем бурякозбиральних комбайнів в умовах експлуатації здійснювались з використанням розробленої універсальної вимірювальної системи; втомні випробування лабораторних зразків та напівнатурних зразків, що моделюють зварні з’єднання реальних конструкцій – на гідропульсаторах та експериментальних установках; НДС рам досліджувався методами тензометрії, НДС в зонах зварних з’єднань, що моделюють вузли несучих систем – методами малобазової тензометрії; дефектність конструкцій досліджували методами неруйнівного контролю. При побудові розрахункових моделей застосовувалось сучасне програмне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів.

– розроблено аналітично-експериментальні підходи до моделювання розвитку тріщин у зварних з’єднаннях на початковій стадії їх росту, в результаті чого встановлено зв’язок між розвитком дефектності та розміром початкової тріщини як характеристики дефектності технології зварювання і розвинуто аналітичний підхід до оцінки кінетики розвитку тріщини;

– за результатами моделювання розвитку дефектності у складних статично невизначуваних системах встановлено закономірності перерозподілу зусиль в конструктивних стрижневих структурах при розповсюдженні тріщини;

– узагальнено аналітичний підхід для визначення КІН на випадок тріщин, що розвиваються в близькошовних зонах зварних з’єднань тонкостінних профільних елементів, що враховує концентрацію напружень та їх перерозподіл і залишкові зварні напруження;

– сформульована математична модель для визначення кінетики ламаних наскрізних тріщин, що розвиваються двома вітками, основана на енергетично стабільній формі розповсюдження тріщини, що дало змогу отримати розв’язки низки задач росту тріщин, вершини яких розвиваються в нерівномірно напружених полях тонкостінних профільних елементів;

– розроблено методику та сучасні експериментальні засоби для визначення експлуатаційного навантаження рамних конструкцій;

– за результатами проведеного математичного моделювання і експериментальних досліджень запропоновано системний підхід до прогнозування ресурсу і оптимізації складних зварних конструктивних структур.

Вірогідність основних положень і отриманих результатів забезпечується коректним використанням аналітичного і числового апарату досліджень і адекватністю розрахункових результатів експериментальним даним; відповідністю висновків і отриманих результатів фізичній суті досліджуваних явищ, порівнянням деяких часткових рішень з відомими у літературі і отриманими іншими методами, зіставленням отриманих експериментальних результатів з даними інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів.

– запропоновані інженерні методи і отримані результати мають прикладне значення і дозволяють на стадії проектування провести розрахунок міцності та ресурсу рамних конструкцій. На основі проведених аналітичних і експериментальних досліджень здійснено модернізацію і впроваджено у серійне виробництво базові несучі конструкції бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 “Тернопіль”;

– розроблені методики і результати досліджень дозволяють оцінити індивідуальний залишковий ресурс роботи конструкції при її експлуатації і виявленні в ній дефектів, що розвиваються. Такий підхід дозволяє вносити оперативні зміни в конструкцію нових машин даного класу та тих, що експлуатуються;

– запропоновано науково обґрунтовані підходи до нормування дефектів зварювання на основі розрахунково – експериментальної методики отримання статистичного розподілу розмірів початкових тріщин, які можна розглядати як характеристику дефектності конкретної технології зварювання;

– для ряду сталей і матеріалу зварних швів отримано комплекс характеристик міцності, втоми і руйнування (тріщиностійкості), що є основою при виборі матеріалів для відповідальних конструкцій машин, що працюють в умовах циклічного навантаження;

– для широкого класу профілів відкритого і замкнутого перетину отримано поправкові функції для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень, що описують НДС в околі тріщин, які розвиваються в рамних конструкціях мобільних машин.

Отримані наукові і практичні результати, методики і рекомендації впроваджені на ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” при проектуванні і виготовленні несучих рамних систем сертифікованих самохідних бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 “Тернопіль” та дослідних взірців КБС-6 “Збруч”; ВАТ “Коломиясільмаш” при проектуванні найбільш навантажених вузлів самохідних навантажувачів; використовуються в навчальному процесі Тернопільського державного технічного університеті імені Івана Пулюя на кафедрі технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування при вивченні навчальних курсів “Надійність та методи випробування сільсько-господарської техніки”, “Пошукове конструювання сільськогосподарських машин”, “Надійність та ресурс роботи сільськогосподарських машин”.

Особистий внесок здобувача полягає в постановці та розгляді проблеми роботоздатності базових несучих і функціональних систем бурякозбиральних комбайнів на сучасному теоретичному і експериментальному рівні, складанні алгоритму розв’язку задач прогнозування та підвищення ресурсу конструктивних структур, оптимізованих за матеріаломісткістю, формулюванні і розробці всіх основних положень, що визначають наукову новизну роботи, а також її практичне значення, в безпосередній участі в усіх етапах досліджень і впровадженні отриманих результатів у виробництво. Частина експериментальних і розрахункових результатів отримана за участю співробітників ТДТУ і ВАТ “ТеКЗ”, яким автор висловлює глибоку подяку за допомогу в роботі. Особливу вдячність автор висловлює науковому консультанту д.т.н., проф. Т.І. Рибаку за допомогу в постановці задач, цінні зауваження і увагу до роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Міжнародній науково-технічній конференції “Надежность машин и технологического оборудования” (Ростов- на- Дону, 1994 р.); Міжнародній науково-технічній конференції “Технология отделочно-упрочняющей обработки в машиностроении” (Мінськ, 1994 р.); 1, 3, 6, 8 - 11 науково-технічних конференціях Тернопільського приладобудівного інституту та Тернопільського державного технічного університету (Тернопіль, 1992 –2007 рр.); на 2, 6 – 8 Міжнародному симпозіумі українських інженерів – механіків у Львові (Львів, 1995 р., 2003 р., 2005 р., 2007 р.); International Conference “Dinamical systems. Modelling and stability investigation” (Kиїв, 1997, 1999, 2003, 2005 рр.); Міжнародній конференції “Теория и практика металлических конструкций” (Донецьк - Макіївка, 1997 р.); 4-му Міжнародному симпозіумі з трибофатики (ISTF4) (Тернопіль, 2002 р.); 3-ій Всеукраїнській науковій конференції “Математичні проблеми технічної механіки” (Дніпродзержинськ, 2003 р.); 3-ій Міжнародній конференції “Механіка руйнування матеріалів та міцність конструкцій” (Львів, 2004 р.); 4-му Міжнародному конгресі “Машиностроительные технологии '04” (Болгарія, 2004 р.); 10-ій Міжнародній науково – технічній конференції “Физические и компьютерные технологии” (Харків, 2004 р.); І-ій Міжнародній науково – технічній конференції “Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин (DSR AM-1)” (Тернопіль, 2004 р.); VІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції “Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки та технологій” (Дослідницьке, 2005 р.); Міжнародній науково–технічній конференції “Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій” (Київ, 2005 р.); V-ій Міжнародній конференції “Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки” (Кіровоград, 2005 р.); 11-ій Міжнародній науковій конференції ім. академіка М.Кравчука (Київ, .2006 р.); ХІІІ – му Міжнародному колоквіумі “Механічна втома металів” (Тернопіль, 2006 р.); V-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харків, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва” (Харків, 2007 р.); Міжнародній науково-практичній конференції “Інноваційні технології в АПК” (Луцьк, 2007 р.).

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалась і одержала позитивну оцінку на розширеному засіданні міжкафедрального наукового семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2007 р.); на розширеному засіданні секції “Методи оцінки нормування та випробувань при прогнозуванні та забезпеченні надійності” Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва” (Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, м. Харків, 2007 р.); на засіданні науково-технічного семінару факультету конструювання та дизайну сільськогосподарської техніки Національного аграрного університету (м. Київ, 2007 р.); на науково-технічній нараді з перспектив розробки сільськогосподарської техніки ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” (Тернопіль, 2006 р.).

Універсальна вимірювальна система для вимірювання динаміки навантаження мобільних сільськогосподарських машин та результати досліджень були представлені на Міжнародних виставках “Агро-2005”, “Агро – 2006” (м. Київ) і отримали схвальні відгуки спеціалістів.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені у 53 публікаціях, з них 27 – статті, 2 – патенти, 24 – тези конференцій. Загалом 22 публікації [1-22] відповідають вимогам ВАК України, щодо публікацій результатів дисертаційних робіт у фахових наукових виданнях.

Результати роботи викладені одноосібно автором у 8 друкованих працях [2, 16, 19, 25, 30, 31, 33, 37]. У публікаціях [3, 4, 10, 11, 26, 29, 46, 49], що виконані у співавторстві, дисертантові належить наступне: сформульовано задачі та розроблено методику експериментальних досліджень експлуатаційного навантаження мобільної сільськогосподарської техніки, запропоновано принципову схему універсальної вимірювальної системи, проведено (спільно) випробування бурякозбиральних машин і комбайнів; [7, 9, 13, 18, 22, 24, 42, 45, 48, 50, 53] – сформульовано концепцію і отримано результати розрахунку рамних конструкцій на міцність і надійність з врахуванням особливостей навантаження, запропоновано підходи до проектування раціональних несучих конструкцій; [8, 17, 20, 21, 32, 35, 38, 39, 44, 51] – розроблено аналітично – експериментальні моделі зародження і розвитку тріщин в зонах зварних з’єднань, отримано експериментальні результати кінетики тріщин, характеристик циклічної міцності та тріщиностійкості матеріалів; [1, 5, 6, 14, 15, 23, 27, 28, 34, 36, 43, 47, 52] – сформульовано математичні моделі розвитку ламаних тріщин в неоднорідних напружених полях, проведено розрахунок КІН КІ для тріщин в профільних елементах за особливостей навантаження.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, переліку посилань із 342 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації – 395 сторінок (основний текст – 308 машинописних сторінок, 139 рисунків, 26 таблиць).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність і важливість проблеми підвищення надійності рамних конструкцій мобільних сільськогосподарських машин, сформульовано мету та задачі досліджень, охарактеризовано новизну отриманих результатів і їх практичну цінність, наведено дані про апробацію результатів досліджень і публікації, що відображають основний зміст роботи.

У першому розділі викладено огляд літератури, результати випробувань та експлуатації мобільної техніки. На основі їх аналізу обґрунтовано вибір теми та напрямки досліджень.

Розглянуто тенденції розвитку мобільної сільськогосподарської техніки. Відзначено, що потужність нових моделей самохідних сільгоспмашин в розвинутих країнах значно вища у порівнянні з вітчизняною, що сприяє суттєвому підвищенню продуктивності імпортних машин, скороченню строків збирання врожаю.

Зокрема, високою продуктивністю характеризуються самохідні бункерні бурякозбиральні комбайни провідних фірм світу, які за один прохід полем здійснюють повний технологічний цикл збирання коренеплодів. Такі комбайни витісняють машини для роздільного збирання буряків. Розроблені бункерні комбайни КС-6Б-10 “Тернопіль” та КБС-6 “Збруч” вітчизняного виробництва призначені для збирання цукрових буряків за такою ж (однофазовою) технологією. Випробування комбайнів в експлуатаційних умовах засвідчили високу ефективність розробок у порівнянні з бурякозбиральними комплексами машин (БМ-6 + ОГД-6А + КС-6Б). Однак, відмови основних несучих конструкцій на ранній стадії випробувань суттєво знижували рівень перспективних розробок. Огляд літератури показав, що саме надійність є найбільш складною проблемою вітчизняного машинобудування при створенні сучасних конкурентоздатних машин.

Дослідження розвитку конструкцій мобільної сільськогосподарської техніки і надійності машин постійно знаходяться в полі уваги вчених. Істотний вклад внесли Анілович В.Я., Берестнєв О.В., Болотін В.В., Брей В.В., Гевко Р.Б., Гуков Я.С., Гусєв А.С., Заїка П.М., Кугель Р.В., Кухтов В.Г., Ловейкін В.С., Погорілий Л.В., Степнов М.Н., Татьянко В.В., Хазов Б.Ф., Хайліс Г.А., Черновол М.І.

Фундаментальним дослідженням НДС рамних конструкцій присвячені роботи Бичкова Д.В., Власова В.З., Гельфгата Д.Б., Горбунова Б.Н., Григолюка Є.І., Ошнокова В.А., Проскурякова В.Б., Рибака Т.І., Спіченкова В.В., Стрельбицької А.І., Уманського А.А. та ін.

Питанню оцінки втомних процесів при випробуваннях і експлуатації рамних конструкцій мобільних машин приділена значна увага в роботах Бєлокурова В.Н., Годжаєва З.А., Дмитриченка С.С., Калмуцького В.С., Касьянова В.Є., Міркітанова В.І., Панова А.Н., Почтенного Є.К., Щуріна К.В., Яценка Н.Н.

Фундаментальним питанням міцності, втоми та тріщиностійкості матеріалів та зварних з’єднань присвячені роботи Андрейківа О.Є., Вайнштока В.А., Вонга В., Гориніна І.В., Гусєнкова А.П., Ільїна А.В., Злочевського А.Б., Карзова Г.П., Кир’яна В.І., Когаєва В.П., Красовського А.Я., Ламбертса С., Ларіонова В.В., Лобанова Л.М., Махненка В.І., Махутова М.А., Меддокса С.Дж., Морозова Є.І., Ніколаєва Г.А., Осадчука В.А., Панасюка В.В., Партона В.З., Работнова Ю.М., Саврука В.П., Сосновського Л.А., Труфякова В.І., Хоббахера А.Ф., Черепанова Г.П., Трощенка В.Т., Чаусова М.Г., Яреми С.Я., Фролова К.В., Шаблія О.М., Яснія П.В.

Незважаючи на значний обсяг досліджень, відзначено, що закономірності зародження і розвитку дефектності в зварних з’єднаннях статично невизначуваних систем ще недостатньо вивчені. Ймовірнісні дослідження зародження та розвитку дефектів розширюють коло питань, пов’язаних з нормуванням допустимої дефектності в рамних конструкціях машин.

На підставі цього поставлено мету та задачі дисертаційної роботи.

У другому розділі викладено основні принципи розрахунку НДС рам та їх міцності. Основні несучі рами вітчизняних самохідних бурякозбиральних комбайнів (КС-6Б-10 “Тернопіль”, КБС-6 “Збруч”) є складними стрижневими конструкціями, що сприймають змінні навантаження від силового та гичкозбирального агрегатів, викопуючого пристрою, бункера з коренеплодами, транспортерів та ін. (рис. 1).

Під час життєвого циклу зварної рами мобільної машини (від проекту до моменту списання), як показують відмови, в її елементах накопичуються кількісні зміни, що приводять до негативних наслідків і втрати експлуатаційної придатності. При розгляді задачі прогнозування ресурсу несучих систем запропонована наступна схема накопичення пошкоджуючих факторів: конструкція з початковою дефектністю > рама з розвинутою дефектністю внаслідок експлуатації > граничний стан конструкції.

Модель накопичення пошкоджуючих факторів у рамі зумовлює вибір двох принципових схем проведення розрахунків: перший випадок – розрахунок бездефектної рами; другий випадок – розрахунок конструкції з пошкодженнями, що накопичуються в рамі в процесі експлуатації. Критеріальна оцінка розвитку пошкоджень найбільш вірогідно обґрунтовується на основі положень механіки втомного руйнування.

Розв’язок таких задач передбачає вирішення ряду проблемних питань, що впливають на міцність і надійність систем і пов’язаних з певною невизначуваністю конструктивних, технологічних і експлуатаційних факторів (рис. 2). Сформулюємо їх:

а)

б)

Рис. 1. Основні несучі системи самохідних бурякозбиральних комбайнів

КС-6Б-10 (а) та КБС – 6 “Збруч” (б):

РГ – навантаження від гичкоріза; Р2, Р4 – навантаження від викопуючого агрегата; РК – навантаження від кабіни водія; РД – навантаження від двигуна;

РБ – навантаження від бункера; qБ – рівномірно розподілене навантаження від паливного бака; RП.М, RЗ.М – реакції в опорах переднього та заднього моста.

по-перше, до певної міри випадковим є спектр зовнішнього навантаження машини і одночасно рами;–

по-друге, процес зварювання при складанні рами вносить додаткову невизначуваність, пов’язану із зміною механічних властивостей в металі шва та

Рис. . Схема розрахунку життєвого циклу зварної рами | зоні термічного впливу в порівнянні з основним металом, величиною залишкових зварних напружень, формою шва та його початковою дефектністю (підрізами, непроварами, порами, шлаковими включеннями та ін.), що запрограмовує ймовірнісний характер зародження тріщин у зварних вузлах конструкції і ускладнює виявлення “слабких” ланок системи; –

по-третє, певну невизначуваність вносить випадковий характер багатоосередкового розвитку тріщин та можливого їх злиття в зонах зварних з’єднань; | — по-четверте, до певної міри, невизначуваними є поняття граничних станів (повне руйнування деяких вузлів чи розвиток в них тріщин певної, наперед заданої величини) та проблеми, пов’язані з відновлюваністю системи (можливістю ремонту пошкодженої рами в процесі експлуатації).

Кожна з наведених проблем є достатньо складною задачею, що вимагає комплексних досліджень, як теоретичних, так і експериментальних.

Розрахунок складних статично невизначуваних систем бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 “Тернопіль” та КБС-6 “Збруч” проведено за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення.

Результати досліджень НДС несучої системи показали, що вузли 3 та 4 (рис. ) переходу плоскої частини рами до просторової є найбільш навантаженими. При цьому в зонах вузлів центральної частини рамної конструкції зовнішні силові фактори реалізують змінні навантаження з коефіцієнтами асиметрії R= .09…-1.43 (у відповідних точках рамної конструкції комбайна КБС-6 “Збруч” – R= .47…0.59) (рис. 3).

Особливістю розрахунків основних несучих конструкцій бурякозбиральних комбайнів є врахування навантаження від викопуючого пристрою, який є одним з основних функціональних органів машини.

Різноманіття робочих органів викопуючих пристроїв та агротехнологічних параметрів при збиранні коренеплодів (змінна робоча швидкість, величина заглиблення копачів в ґрунт, різні типи ґрунтів та їх фізико-механічні властивості) приводить до зміни в широкому діапазоні силових факторів, що суттєво впливають на перерозподіл зусиль в основній несучій системі підчас роботи комбайна.

а) б)

Рис.3. Схеми циклів зміни напружень в зонах вузлів 3 та 4

при навантаженні – розвантаженні бункерів:

a – КС-6Б-10 “Тернопіль”; б – КБС-6 “Збруч”.

Результати дослідження впливу зміни тягового опору Q дискових викопуючих органів (в залежності від типу ґрунту) на розподіл зусиль в рамі приведено на рис. 4.

Рис. 4. Результати дослідження впливу зміни тягового опору Q дискових викопуючих органів на розподіл зусиль у рамі комбайна

(ґрунти західного регіону України):

R2, R4 – опорні реакції, які відповідають зовнішньому навантаженню Р2 та Р4 від викопуючого пристрою (рис. 1); ? – кут між силою опору переміщення робочих органів в ґрунті та вертикаллю.

НДС несучої системи при розвитку дефектності. Основи теорії розрахунку НДС статично невизначуваних систем з наявними дефектами базуються на варіаційних принципах теорії пружності і мінімумі потенціальної енергії деформації конструктивних структур. У загальному випадку вираз функції потенціальної енергії деформації U для основної розрахункової системи (рис. 5, б) довільної системи (рис. , а) представимо як функцію навантаження F і невідомих зусиль :

. (1)

Розглянемо нову основну систему без в’язі n (рис. , в), що моделює руйнування елемента конструкції, для якої отримано новий вираз функції потенціальної енергії деформації

. (2)

У системі зі зруйнованою в’яззю мінімальне значення потенціальної енергії деформації системи буде більшим, ніж мінімум потенціальної енергії системи з усіма початковими в’язями:

. (3)

Рис. . Розрахункові схеми для визначення зусиль у системах з наявними дефектами:

а-задана система;

б-основна система;

в-основна система із зруйнованим елементом. | Практично важливим є випадок розвитку тріщини від моменту її зародження до досягнення граничного стану в елементі конструкції, коли довжина тріщини досягає 30-40% площі поперечного перетину балки. Очевидно, що мінімум потенціальної енергії деформації системи у такому випадку прийме проміжне значення:

. (4)

Отже, при частковому (тріщина поширилась на частину профілю) або повному усуненні в’язі (тріщина перетинає опорний зв’язок), зовнішні сили, які залишаються постійними, викликають перерозподіл внутрішніх зусиль між елементами складної статично невизначуваної системи. Кількісні оцінки цього явища практично відсутні, незважаючи на важливість проблеми. | У зв’язку з цим проведено моделювання і розрахунок конструкції з наявними тріщиноподібними дефектами методом скінчених елементів.

Аналіз отриманих результатів вказав на такі закономірності. Зокрема, розвиток дефектності в одному із замкнутих контурів практично не вплинув на перерозподіл напружень в елементах сусіднього контура. У межах окремого контура пошкодження одного з лонжеронів (більше 20-50% перетину) викликало поступове збільшення напружень у непошкодженому лонжероні. При 100% пошкодженні одного з лонжеронів, як показали розрахунки МСЕ, напруження в іншому лонжероні цього ж контура зросли вдвічі і непошкоджений лонжерон сприйняв навантаження, яке раніше розподілялось на два лонжерони.

Характер зміни напружень у пошкоджених вузлах засвідчив, що, у зв’язку з перерозподілом напружень між сусідніми елементами системи, а також стисненістю деформацій в рамі, номінальні напруження в нетто-перетині з дефектністю суттєво знижуються у порівнянні з нетто-напруженнями, отриманими для статично визначеної тонкостінної балки при однаковому початковому напруженому стані (рис. 6). Крива 1 описує зниження напружень у пошкодженому лонжероні двобалкової рами, крива 2 - у стрижневій системі з трьома поздовжніми балками (як у бурякозбиральних комбайнів).

Рис. 6. Коефіцієнт зниження номінальних напружень ?Р у нетто-перетині елемента (коробчастий профіль 180?75?4 мм) рамної конструкції у порівнянні зі статично визначеною балкою ?б

У третьому розділі описано методику експериментальних досліджень для визначення навантажень мобільної сільськогосподарської техніки при експлуатації. З цією метою розроблено та вдосконалено динамометричні пристрої та вимірювальну апаратуру, що забезпечують проведення комплексних досліджень складних механічних структур в реальних умовах експлуатації.

Універсальна вимірювальна система (рис. ) складається з комплекту різноманітних датчиків (тензорезистори, датчики кутових швидкостей, віброакселемометри, динамометричні пристрої та ін.), які безпосередньо кріпляться у вузлах та конструкціях досліджуваної машини, універсальної реєструючої системи, що забезпечує підсилення, фільтрацію, реєстрацію статодинамічних сигналів та пакету прикладних програм для забезпечення функціонування системи та статистичної обробки отриманих даних.

Система має 8 каналів, які працюють з окремими аналого-цифровими перетворювачами (АЦП), що дозволяють здійснювати вимірювання з частотою від 0 до 2000Гц. Фактично, вказана система перекриває повністю діапазон задач електричних вимірювань механічних величин. АЦП синхронізовані, щоб гарантувати одночасне вимірювання всіма каналами. Процес керування блоком та обробка отриманої інформації виконується комп’ютером за допомогою розробленого пакету прикладних програм.

Рис.7. Принципова схема універсальної вимірювальної системи для дослідження динаміки навантаження мобільних машин

Вимірювальна система працює як в режимі безпосереднього керування за допомогою портативного комп’ютера (як і зарубіжні аналоги), так і автономно. У цьому випадку попереднє задання режимів роботи і зчитування інформації здійснюється через стандартний інтерфейс за допомогою зовнішнього комп’ютера на мікрокомп’ютер, що знаходиться у вимірювальному блоці.

Із застосуванням універсальної вимірювальної системи проведено дослідження характеру навантаження несучих систем та оцінку НДС (методом тензометрування) в зонах переходу від плоскої до просторової частин рамних конструкцій бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 (експлуатаційні умови) та КБС-6 “Збруч” (імітація завантаження – розвантаження бункера) і для порівняння – дослідження НДС несучої балки хребтового типу комбайна Holmer Terra Dos (експлуатаційні випробування).

Відзначено, що в комбайнах протікають складні багаточастотні процеси, які суттєво впливають на міцність і довговічність несучих конструкцій. Результати досліджень характеру навантаження при виконанні технологічного процесу викопування цукрового буряка комбайном Holmer Terra Dos (Німеччина) представлено на рис. 8.

Технологічний процес:

І – заїзд в загінку;

ІІ – викопування цукрового буряка із завантаженням у бункер;

ІІІ – виїзд із загінки;

ІV – процес розвантаження коренеплодів з бункера

Фактичні значення напружень

Максимальне: 35,6 МПа;

Середньоарифметичне: 17,653 МПа;

Середньоквадратичне відхилення:

7,905 МПа;

Коефіцієнт варіації 0,448

Рис. 8. Результати досліджень НДС у несучій системі самохідного бункерного комбайна Holmer Terra Dos

Результати досліджень показують, що спектр силового впливу на елементи несучої системи під час виконання технологічного процесу включає навантаження різної частоти і амплітуди. При виконанні технологічного процесу відбувається завантаження бункера цукровим буряком, що приводить до збільшення згинальних напружень в центральному несучому брусі в зоні наклеювання тензорезисторів, а потім розвантаження коренеплодів. Вказаний процес представляє собою змінну складову навантаження з низькою частотою і великою амплітудою ?а1. На ці навантаження накладаються високочастотні складові з меншою амплітудою ?а2, викликані вібраційними процесами від незрівноваженості обертових мас двигуна і робочих органів, ґрунтового фону та ін. Аналізуючи амплітуду високочастотної складової, зазначимо, що вона більша при ненавантаженому бункері, і дещо зменшується із його завантаженням. Для відзначеного двочастотного навантаження (рис. 8) коефіцієнт зниження циклічної довговічності, обчислений за методикою В.І. Труфякова складає ?=3…3,2.

Накладання високочастотної складової (вібрацій) на основний цикл змінних напружень викликає прискорене накопичення втомних пошкоджень і приводить до суттєвого зниження циклічної довговічності матеріалів (зварних конструкцій), зародження тріщин на більш ранній стадії роботи машин.

Рис. 9. Розподіл амплітуд напружень в несучій системі (вузол 4) в транспортному режимі (V=4,2 м/с) комбайна КС-6Б-10 | Іншим типовим процесом є транспортний режим експлуатації комбайна.

На рис. 9 представлений емпіричний розподіл амплітуд напружень в зонах вузлів переходу від плоскої до просторової систем в транспортному режимі експлуатації комбайна КС-6Б-10. Процеси схематизовані за методом повних циклів. Середня частота процесу ?=2,3 с-1. |

У четвертому розділі проведено оцінку початкової дефектності зварних з’єднань конструкцій несучих систем, наведено результати втомних випробувань напівнатурних зразків, що моделюють зварні з’єднання конструкцій та запропоновано емпіричну модель автоподібності – забезпечення адекватності умов роботи рамних систем і випробуваннями напівнатурних зразків.

При дослідженні дефектності зварних з’єднань розглядали концепцію (Волченко В.Н.), що містить два підходи: перший підхід (технологічний) направлений на регулювання технології зварювання через нормативи дефектності; другий підхід (експлуатаційний) пов’язаний з очікуваною небезпечністю дефектів і їх впливом на роботоздатність зварних елементів, особливо при циклічних навантаженнях.

Контроль якості зварних конструкцій є обов’язковою технологічною операцією виготовлення зварних конструкцій. У сільськогосподарському машинобудуванні основним видом контролю якості зварювання є зовнішній огляд конструкції (візуальний контроль). Застосовано також капілярний метод неруйнівного контролю якості зварних швів, що базується на використанні властивостей змочуючих рідин, нанесених на очищену поверхню елемента, заповнювати вузькі порожнини. Вибірково проведено металографічний та радіографічний контроль швів.

За даними методиками проведено оцінку дефектності зварних швів рамних конструкцій бурякозбиральних машин КС-6Б та дослідних взірців рам комбайнів КБС-6 “Збруч”. Досліджено дефектність зварних з’єднань замкнутих профільних елементів з поперечним перетином 180?75?4 мм (сталь 09Г2С), що виконані напівавтоматичним зварюванням в середовищі СО2; зварний дріт марки Св08Г2С. Зварювання виконувалось згідно ГОСТ 5264-80. Виявлено дефекти швів – підрізи, непровари, пори, різкі переходи від основного до наплавленого металу.

Параметри розподілу характеристик підрізів, як одного з найбільш небезпечних дефектів зварних з’єднань наведено в таблиці 1. Відзначено, що функції розподілу розмірів підрізів описуються законом розподілу Вейбулла-Гнєденка , де - розмір дефекту; а, b - параметри розподілу. Максимальні розміри підрізів досягають 30...40 мм за довжиною і 1,5...2 мм по глибині.

Таблиця 

Параметри розподілу характеристик підрізів

Вид дефекту | Розмір дефекту | Середнє значення розміру, мм | Середнє квадратичне відхилення | Коефіцієнт варіації | Параметри

в | а | Підріз | Довжина

Глибина | 7,15

0,76 | 6,48

0,45 | 0,89

0,592 | 1,12

1,8 | 7,21

0,87 |

Отримані закономірності розподілу дефектів характерні і для зварних швів конструкцій, що виготовлені на інших заводах сільськогосподарської галузі. Невідповідність якості зварних швів нормативній документації в умовах реально існуючого виробництва зумовлена недотриманням технології зварювання, що пов’язано з рядом об’єктивних і суб’єктивних причин: відхиленням режимів зварювання, неякісною підготовкою елементів конструкції до зварювання, неритмічністю виготовлення машин.

Вітчизняні та зарубіжні норми дефектності неоднозначно трактують розміри дефектів, регламентуючи, як правило, їх максимально допустимі значення. Разом з тим, деякі недопустимі за нормами дефекти несуттєво впливають на роботоздатність, тоді як ряд параметрів, що є визначальними, наприклад, при оцінці втомної міцності або живучості конструкцій, у вимогах до якості не регламентуються. У той же час більшість відмов зварних з’єднань зумовлена їх втомними руйнуваннями в процесі експлуатації мобільних машин.

Проаналізовано отримані тут і відомі результати досліджень втомної міцності основного металу сталі 09Г2С бездефектних з привареною накладкою (1) і таврових (2) з’єднань, таврових з’єднань з штучно ініційованими надрізами глибиною 2-2.5 мм (3) та моделей рамних конструкцій (4) причепів для тракторів К-701 (Міркітанов В.І.), рам (5) тракторів ДТ-75М (Дмитриченко С.С.) та несучої системи (6) комбайна КБС-6 “Збруч” (рис. 10). |

Рис 10. Діаграми втомної міцності сталі 09Г2С та елементів зварних з’єднань:

ОМ – базова діаграма сталі;

1,  – бездефектні зварні з’єднання – з привареною накладкою (1) і таврове (2);

3 – таврові з’єднання з ініційованими надрізами;

4,  – рамні системи причепа трактора К-701 (4) та тракторів ДТ-75М (5);

6 – рама бурякозбирального комбайна КБС-6 “Збруч”

Аналіз цих досліджень показав, що штучно ініційовані надрізи суттєво знижують довговічність зразків у порівнянні з бездефектними зварними з’єднаннями. Емпірична автомодель подібності результатів випробувань натурних рамних конструкцій з технологічними дефектами зварювання і напівнатурних зразків, що моделюють реальні зварні з’єднання несучих систем, досягається при наявності в модельних зразках подібних дефектів, технологічних чи штучно ініційованих.

У п’ятому розділі розроблено розрахунково-експериментальну модель для дослідження розвитку поверхневих тріщин в зонах зварних з’єднань, здійснено оцінку пошкоджуючої дії дефектів, отримано експериментальні дані кінетики поверхневих тріщин, характеристики циклічної тріщиностійкості матеріалів.

Циклічні випробування елементів зварних з’єднань та експлуатаційні руйнування рамних конструкцій показали, що втомні тріщини виникали практично одночасно на різних ділянках і розташовувались випадковим чином вздовж зварного шва. Розвиток руйнування відбувався шляхом підростання поверхневих тріщин, що виникли, появи нових і об’єднання сусідніх у магістральну тріщину.

Руйнування рамних систем мобільних машин (та інших габаритних конструкцій) з великою кількістю зварних швів є багатофакторним явищем, зумовленим геометричною і структурною неоднорідністю зони переходу від шва до основного металу. У зв’язку зі стохастичною природою зародження і розповсюдження тріщин, аналітичні моделі вносять значні похибки при прогнозуванні надійності зварних з’єднань. Особливо значним розсіюванням характеризуються параметри форми тріщини а/с, які залежать від НДС в зоні зварного шва, випадковості зародження нових і об’єднання сусідніх тріщин. Нормативні документи неоднозначно трактують також розмір початкової тріщини а0, який закладається в розрахунок живучості методами механіки руйнування (рис. 11).

Рис. 11. Схема прогнозування живучості елемента з поверхневими напівеліптичними тріщинами

Концепція неминучої присутності дефектів у зварних конструкціях, яку підтверджує досвід експлуатації і дефектоскопічний контроль, і розробка на її основі імітаційного моделювання розвитку дефектності (В.Ф. Лук’янов), не знімають невизначеностей, пов’язаних із зародженням і розвитком тріщин. Моделі трансформації дефектів у тріщини (А.А. Попов, А.F. Hobbacher, J.W. Fisher, K.H. Frank) базуються на спрощених підходах, зокрема схематизації дефектів, і не враховують реальної кінетики розвитку тріщини.

Для уніфікації початкової стадії зародження і розвитку тріщини при розрахунку довговічності запропоновано концепцію наявності в зварному елементі умовної початкової тріщини. У відповідності до цієї концепції розроблено математичну модель зародження і розповсюдження поверхневої тріщини, яка враховує випадкову геометрію зварних швів, різноманіття дефектів і їх початкових розмірів (саме від цих факторів залежить період зародження тріщини) і їх об’єднання (від цього фактора залежить ймовірнісна природа розвитку тріщини) (рис. 12).

Рис. 12. Структурна схема алгоритму розрахунку, основана на моделюванні процесу зародження і розвитку поверхневих тріщин

Згідно з розробленою математичною моделлю, проведено втомні випробування напівнатурних зразків, що моделюють зварні з’єднання реальних конструкцій. Зварні шви виконувались з дотриманням технологічної подібності зварювання.

Рис. 13. Кінетика форми поверхневих тріщин у зварних з’єднаннях | В процесі досліджень фіксувалась кінетика розвитку тріщини і число циклів до руйнування кожного зразка. За візуальними та металографічними дослідженнями партії зразків будувались узагальнені залежності кінетики розвитку тріщини (рис. 13). Далі проводився розрахунок оберненої задачі прогнозування живучості кожного модельного зразка з врахуванням ідеалізованої форми тріщини та числа циклів до руйнування. | При розрахунку КІН поверхневих напівеліптичних тріщин застосовували модифіковане рівняння Ньюмена – Райю, що враховує конструктивну концентрацію напружень КS в зоні зварного шва та її перерозподіл по товщині елемента за допомогою коефіцієнта МК (рис. 12). Вплив залишкових зварних напружень оцінювали за методикою В.І. Труфякова.

Рис. 14. Гістограма розрахункових розмірів початкової тріщини у зварних швах сталі 09Г2С | За результатами розрахунків побудовано гістограму початкових розмірів дефектів зварного з’єднання сталі 09Г2С (рис. ).

На основі випробувань зразків було встановлено статистичний розподіл розмірів початкових тріщин а0, який можна розглядати як характеристику дефектності зварювання. Встановлено, що розподіл початкових тріщин близький до логарифмічно-нормального із густиною ймовірності (ДСТУ 3433-96):

, (5)

де а0 – глибина тріщини; ? та ? – статистичні параметри: ?=0,029; ?=0,73.

Математичне очікування середньої початкової глибини тріщини

мм. (6)

При дослідженні кінетики розвитку тріщини в зонах переходу від підсилення шва до основного металу можна виокремити два етапи формування розвитку тріщини: перший (=0?0,2), при якому визначальним є вплив локальних напружень в зонах концентраторів, і другий(>0,2), коли основним є вплив ефекту від злиття окремих тріщин в одну, магістральну. Для малих поверхневих тріщин (=0?0,2) співвідношення =0,7...0,8 близьке до значень, отриманих для магістральної тріщини при її стабілізованому розвитку в однорідному полі напружень. Наближаючись до межі малі тріщини дещо сповільнювали свій ріст, за цей час підростали інші малі тріщини, що зливаються з сусідніми, і співвідношення різко падало (рис. ). Отже, інтенсивне накопичення пошкоджень на лінії сплавлення викликає випереджаюче збільшення розміру великої півосі поверхневих тріщини в порівняння з втомних ростом тріщини