Обеспечение прочностной надежности дорожно-строительной техники на основе моделирования процессов эксплуатации

Применяемые в настоящее время нормативные методы прочностных расчетов в большинстве случаев базируются на учете максимальных статических нагрузок и кратковременных характеристик прочности материалов. Очевидно, такой подход не отражает динамический характер нагружения, а также процессы накопления усталостных и износовых повреждений деталей, преимущественно возникающих при эксплуатации мобильной техники. Применительно к дорожностроительной технике предложен инженерный подход, при реализации которого в условиях, приближенных к реальным, в режиме непрерывного вычислительного мониторинга воспроизводится эксплуатация тракторных агрегатов различного назначения. Подход предусматривает последовательное выполнение следующих этапов:

• -    определение и анализ случайных процессов внешнего воздействия на рабочие органы и ходовую систему трактора, соответствующие видам и условиям выполняемых технологических операций;

• -    компьютерное моделирование работы тракторных агрегатов и определение силовых и кинематических процессов взаимодействия элементов конструкций;

• -    конечно-элементное моделирование полей напряжений и выявление потенциально опасных зон тяжелонагруженных узлов и деталей;

• -    моделирование процессов формирования усталостных, износовых и других видов отказов с учетом случайного характера нагружения и конструкторско-технологических особенностей деталей;

• -    прогнозирование ресурса конструкций и, в случаях необходимости, корректировка исходных данных проекта с целью обеспечения требуемых показателей надежности.

Исследованиям динамического поведения тракторов и различных агрегатов на их базе посвящены многочисленные работы [1-4]. С учетом современного состояния вычислительных средств авторы разработали актуальную, более сложную математическую модель промышленно-

Березин И.Я., Костюченко В.И., Халтурин В.К.             Обеспечение прочностной надежности дорожно-строительной техники… го трактора при работе в составе бульдозерно-рыхлительного агрегата (рис. 1), принципиальные особенности которой состоят в учете следующих факторов:

двухвходового внешнего воздействия в виде силового нагружения со стороны рабочего органа и кинематического со стороны случайного профиля дорожного полотна на ходовую систему;

особенностей полужесткой подвески, характерной для конструкций промышленных тракторов;

наличия экстремального буксования гусеничного движителя, являющегося неотъемлемой частью рабочих операций бульдозирования и рыхления;

компактного задания случайного внешнего воздействия на рабочие органы.

Система дифференциальных уравнений относительно обобщенных координат X , Y_np , Y_лев , Ф пр , Ф _ле в , Ф , Y_np и у _лев , определяющих прямолинейное движение промышленного трактора с полужесткой подвеской при случайном воздействии со стороны рабочих органов и случайного микропрофиля, составлена с применением процедуры Лагранжа второго рода, уравнения движения вала дизеля и уравнения связи, определяющего режим экстремального буксования [2]:

Рис. 1. Схема к математической модели промышленного трактора в составе бульдозерно-рыхлительного агрегата

(Mk + 2Mt ) X = Р ' + Р;р - (P - РЦ);

Л                   А 11

M_K + M Y + я ) + —M_Tl_T ф  + -M_Kl _Kw = F ;

• 2    K T      лев     ⁸     2 T T   лев    /|     K Kлев ’

Л                   А 11

[2 M k + M t J ( Л + 8 ) + "M^P пр + " M.M& = F np ;

• 1    MTlT (^^лев + 8) + 1 MTlPлев + 1 ^p^p (флев - ф ) + 1 cPlP флев - Ф )+ 1 cPlPa = M^ ;

• ¹    M T l T ( Y np ⁺ 8 ) ^{+ 1} MTl TT ^ пр ^{+ 1} ^ p l p (< P пр ^- Ф& ) ^{+ 1} c P l P ( ф пр ^- ф ) ^{+ 1} c P l P a = ^M„ Т ;

• 1       7 (^ев + Y-р ,         1       /2.;;        ,2 ((флев + (ф пр,,.,)

MKlK          + 8 + , MKlKxV  ^p1p

• 2    V 2        7 3

,2  Ф лев + Фпр     Л         _ д^<2> .

— c _Р1 р-- у — c_Pl_Pa — M ;

V 2         )

тр

&&     ^&

γ лев   γ пр  вк

вк

^^^^^^^

_р в , лев цп

. л0,15 jкр j кр max р

где F лев

_Pв , лев P_гц

+ У P ⁽ⁱ⁾

гр , лев

i

в , пр        в , пр              ( i )

пр      цп        гц       /а гр, пр м<1> = рв,лев          г,левт?   + У р(i)  /(i)

левцпцпцп y цпгр , лев гр ^,

i

< 1 > _ р в , ^пр         г , ^пр у р⁽ i ) Я i )

прцпцпцп y цпгр , пргр ^,

i

< 2 > _    ( Т)8 , лев     Т)8 , пр               г , лев     т_:)г , пр                ^лев    Р пр                лев пр

M ^{— -} ( ^Ргц   ^{+ Р}гц  ) ^Хгц ^- ( ^Ргц   ^{+ Р}гц  ) ^Угц ⁺ ( ^PT  ^{+ P}T ) ^Гвк ^- ( ^M дв ^{+ M} дв ) ¹тр ,

ωдв – угловая скорость вращения вала дизеля; iтр – передаточное число трансмиссии на первой передаче; а – статический прогиб поперечной балки под действием веса корпуса; jкр – коэффициент сцепления по тяговому усилию на крюке; jкр max – максимальный коэффициент сцепления по тяговому усилию на крюке.

Рис. 2. Фрагменты осциллограмм процессов изменения горизонтальных усилий, действующих на правую (▬) и левую (▬) цапфы при разработке суглинка (а) и разборного каменистого грунта (б)

Этапу моделирования процессов реальной эксплуатации тракторных агрегатов предшествовали натурные полевые испытания бульдозерно-рыхлительного агрегата, в ходе которых осуществлялась непрерывная регистрация случайных процессов изменения вертикальных и горизонтальных усилий, действующих на корпус трактора со стороны шарниров гидроцилиндров P_гц и цапф толкающих брусьев P_цп (рис. 1).

Характерные осциллограммы усилий, действующих на цапфы, при работе бульдозера на суглинке (6–9 ударов по ударнику ДорНИИ) и на разборном каменистом грунте в карьере показаны на рис. 2. На каждом рабочем цикле бульдозерного агрегата можно выделить три участка: набор, перемещение призмы и откат. В дальнейшем при оценке усталостной долговечности элементов кон- струкции в расчет закладываются только участки набора и перемещения призмы, поскольку именно они играют основную роль в накоплении усталостных повреждений.

Статистической обработкой случайных процессов обосновано допущение об их стационарности и эргодичности. Спектральные плотности процессов (рис. 3) указывают на то, что их основная мощность сосредоточена в узкой низкочастотной области в интервале 0…10 рад/с. Отмеченное объясняется наличием в процессах постоянных составляющих, обусловленных резанием грунта и перемещением призмы, а также низкочастотным (1,5…4 рад/с) управляющим воздействием со стороны водителя по выглублению и

Березин И.Я., Костюченко В.И., Халтурин В.К.

0        10       20       30 со, рад/с 50

Рис. 3. Спектральные плотности процессов изменения суммарного горизонтального усилия, действующего на корпус трактора при разработке суглинка (▬) и разборного каменистого грунта (▬)

Обеспечение прочностной надежности дорожно-строительной техники… заглублению отвала с целью исключения из технологического процесса остановки трактора, вызванного экстремальным буксованием.

В результате численного решения системы существенно нелинейных уравнений (1) определены случайные процессы изменения всех обобщенных координат во времени. В последующем эти процессы применяются для определения усилий, воспринимаемых разнообразными деталями и узлами несущей системы трактора, подлежащими расчетному анализу.

При проектировании новых и модерниза ции существующих образцов техники проис ходит совершенствование конструкции трак тора, что вызывает необходимость повторного проведения экспериментальных исследований. В связи с этим предложено задавать входные случайные процессы в виде усилий, действующих не на корпус трактора, а на рабочий орган в форме виртуального случайного вектора равнодействующей нагрузки. На рис. 4 приведена схема бульдозерного оборудования и комплекс, дейст- вующих на корпус трактора сил, регистрация которых осуществлялась во время эксперимента: ПЛ   ПЛ

R ₁ , R ₁ ,…, R ₅ , R ₅ .

Отвал воспринимает усилия со стороны обрабатываемого грунта, равнодействующая этих

Рис. 4. Схема бульдозерного оборудования

сил представляет собой случайную нагрузку с тремя составляющими P_X , P_Y , P_Z и случайными во времени координатами точки приложения a и b . Из условий статического равновесия отвала получена система уравнений, связывающих компоненты P_X , P_Y , P_Z и две координаты a , b с реакциями в цапфах и пальцах гидроцилиндров:

Рх =-( R7 + Rf + RП + Rf);

P Y = R 2⁷ + R f + R 5 ⁷ + R f ;

Pz =-(R7 + Rf);

H (Rf - R7) + h (Rf - R7) + L (RП + Rf) a =           R 2П + Rf + R5П + R5f

b = -   L (КП + Rf)

R 2 ⁷ + R 2⁷ + R 7 + R f "

Обоснование возможности применения предложенного подхода выполнено путем сравнения результатов, полученных для двух различных схем приложения нагрузок: непосредственно к корпусу трактора через цапфы и штоки гидроцилиндров и в виде виртуального вектора через отвал. На рис. 5 представлены спектральные плотности и гистограммы мгновенных значений процессов изменения нагрузки на балансирную балку трактора со стороны корпуса. Сопоставление

Рис. 5. Сравнение спектральных плотностей (а) и гистограмм мгновенных значений (б) процесса изменения нагрузки на поперечную балку, полученного приложением нагрузки к корпусу (▬) и отвалу (▬) бульдозера приведенных результатов указывает на их хорошую сходимость. Таким образом, становится возможным по измеренным во время эксперимента нагрузкам определять обобщенные характеристики внешнего воздействия в виде случайных процессов изменения компонентов вектора. Это позволяет задавать внешнее воздействие на рабочий орган более компактным и универсальным, независящим от изменений конструкции трактора, способом.

Следующим этапом в решении задач прочностной надежности становится определение случайных процессов изменения напряжений в исследуемых деталях несущей системы трактора. В качестве иллюстрации рассматриваются наиболее нагруженные элементы несущей системы промышленного трактора Т10: рама и балансирная балка, выполненные в виде сварных конструкций сложной формы. На рис. 6 показаны внешний вид рамы трактора (а) и поле напряжений в верхнем листе корпуса бортовых фрикционов (б), вызванных нагрузками со стороны ход овой части при работе трактора в транспортном режиме.

Рис. 6. Внешний вид рамы промышленного трактора T10 (а); фрагмент поля напряжений в верхнем листе корпуса бортовых фрикционов (б)

Березин И.Я., Костюченко В.И., Халтурин В.К. Обеспечение прочностной надежности дорожно-строительной техники…

Анализ поля напряжений, полученного методом конечных элементов, свидетельствует о достаточно большой нагруженности верхнего листа, что подтверждается случаями обнаружения усталостных трещин в наиболее напряженных зонах. На рис. 7 показана картина поля напряжений в балансирной балке, которая позволяет выявить потенциально опасные зоны конструкции (а, б). Процессы изменения напряжений в этих зонах во времени могут быть получены расчетным путем методом коэффициентов влияния (рис. 7, в).

Рис. 7. Поле эквивалентных напряжений в балансирной балке (а); поле эквивалентных напряжений в опасных зонах в центральной части балки (б); фрагмент расчетной осциллограммы процесса изменения эквивалентных напряжений в опасной зоне 1 (в)

Оценка ресурса поперечной балки выполнена по критерию усталостной долговечности, с учетом случайного характера нагружения и рассеяния усталостных свойств. В расчетах учтены факторы, снижающие характеристики усталостной прочности, в частности, концентрация напряжений, наличие зон термического влияния в сварных швах и другие конструкторско-технологические факторы.

Переход от случайного процесса изменения напряжений (рис. 7, в) к схематизированному нерегулярному симметричному гармоническому процессу осуществлен по методу полных циклов («дождя»). Плотность распределения амплитуд схематизированного процесса соответствует усеченному распределению Релея с параметрами и0 = -8,5 МПа и a = 12,4 МПа.

Расчет усталостной долговечности выполнен с использованием корректированной гипотезы линейного суммирования усталостных повреждений; оценки математического ожидания и сред- неквадратического отклонения долговечности по моменту зарождения микротрещин определяется по выражениям [5]:

Т cp

a p N G ® - 1Д _ k ^;

νσm iai i=1

ст. т = 0,43v    , lg T ,      °-1 д ’ где о 1 Д, NG, m - предел выносливости детали, базовое число циклов и параметр наклона кривой выносливости; ap – корректирующий коэффициент, зависящий от соотношения параметров нагружения; vo 1Д - коэффициент вариации предела выносливости детали.

На рис. 8 приведена расчетная функция вероятностей безотказной работы балансирной балки бульдозерного агрегата, из которой следует, что гамма-процентный ресурс, соответствующий вероятности 0,8, составляет T _{Y = 08} = 17000 моточасов (lg T _{Y = 08} = 4,23). С учетом непроизводственных затрат времени ресурс поперечной балки составляет 6–8 лет эксплуатации бульдозерного агрегата при работе в условиях каменного карьера.

Рис. 8. Функция вероятностей безотказной работы

Приведенные в статье результаты можно рассматривать как практическую реализацию инженерного подхода, позволяющего на ранних стадиях проектирования новых и модернизации существующих изделий прогнозировать и управлять надежностью ответственных элементов ходовых и несущих систем промышленных тракторов.