автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Надежность конструкций машин при эксплуатационных режимах работы

Российский государственный открытый технический университет путей

сообщения Кучерявый Василий Иванович

УДК 624.04.-192

НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ

Специальности: 05.23.17-Строительная механика;

05.05.04-Дорожные и строительные машины

Москва - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.......................................20

1.1 Состояние практики технической эксплуатации и надежности машин ....................20

1.2 Критика современной теории надежности, основанной на сборе статистических материалов.....................................................................................................25

1.3 Задачи исследования........................................................................................36

2.УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН.....................................41

2.1 Природные условия эксплуатации......................................................................41

2.2 Производственные условия эксплуатации............................................................54

2.3 Количественный учет природных условий эксплуатации.......................................55

2.4 Влияние природных условий эксплуатации на потребности в машинах, запасных частях и ремонтах...............................................................................................................65

2.5 Выводы...........................................................................................................68

3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМОВ УЗЛОВ

КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН................................................................................70

3.1 Основные положения теоретических расчетов нагрузочных режимов.......................70

3.2 Прогнозирование нагрузочных режимов трансмиссии трелевочных тракторов...........73

3.3 Прогнозирование режимов изнашивания ходовой части трелевочных тракторов........85

3.4 Прогнозирование режимов изнашивания деталей двигателей..................................90

3.5 Прогнозирование нагрузочных режимов трансмиссии лесовозных автомобилей.........94

3.6 Расчет динамической составляющей сопротивления движению автолесовоза методами статистической динамики......................................................................................99

3.7 Вероятностный расчет нагрузочных режимов сучкорезных машин..........................116

3.8 Выводы......................................................................................................... 126

4. СТАТИСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕСУРСОВ И ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН.....................................131

4.1 Детерминированный расчет ресурсов деталей подверженных усталости и износу в смешанных условиях эксплуатации.........................................................................131

4.2 Статистическое моделирование ресурса деталей трелевочных тракторов................. 135

4.3 Статистическое моделирование ресурса деталей лесовозных автомобилей...............157

4.4 Статистическое моделирование ресурса деталей сучкорезных машин...................... 171

4.5 Статистическое моделирование живучести элементов металлоконструкций...............184

4.6 Выводы............................... .......................................................................... 193

5. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПОТРЕБНОСТЕЙ В ЗАПАСНЫХ ЧАСТЯХ ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН.................................................................................195

5.1 Основные принципы научного обоснования потребности в запасных частях............195

5.2 Расчет требуемого числа запасных частей методами теории восстановления............ 196

5.3 Сравнительный анализ методов расчета потребности в запасных частях..................201

5.4 Расчет потребностей в запасных частях для деталей, связанных с безопасностью работы................................................................................................................204

5.5 Применение теории управления запасами к распределению запасных частей по складам различного уровня................................................................................................208

5.6 Расчет потребного количества оборотных и обменных агрегатов.............................213

5.7 Выводы......................................................................................................... 215

6. НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПОТРЕБНОСТЕЙ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБСЛУЖИВАНИИ И РЕМОНТЕ КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН.................................219

6.1 Теоретические основы планирования профилактических работ на основе теории управления полумарковскими случайными процессами..............................................219

6.2 Научное обоснование системы планово- предупредительных ремонтов..................231

6.3 Обоснование потребностей в капитальных ремонтах и новых машинах при оптимальной стратегии управления эксплуатацией парка машин.................................................233

6.4 Расчет потребности в капремонтах и новых машинах при различных стратегиях управления процессом эксплуатации парка машин смешанного возрастного состава.......239

6.5 Выводы.....................................................................................................242

7. ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К НАДЕЖНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И МАШИН

НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.........................................................................245

7.1 Общий план постановки задачи.........................................................................245

7.2 Выбор оптимального значения вероятности безотказной работы для машины в начальный период эксплуатации............................................................................246

7.3 Оптимизация значений вероятностей безотказной работы для узлов машин ...........248

7.4 Способ расчета требуемых вероятностей безотказной работы деталей ....................260

7.5 Связь между коэффициентом запаса и требуемым значением вероятности безотказной работы...............................................................................................................261

7.6 Моделирование вероятностных характеристик коэффициента запаса......................266

7.7 Моделирование вероятности неразрушения при дискретных и комбинированных случайных воздействиях.......................................................................................273

7.8 Ресурсное проектирование элементов по критерию усталости

методом Монте-Карло.....................................................................................280

7.9 Статистическое моделирование нагрузок на элементы в виде

случайных функций.........................................................................................289

7.10 Вероятностное проектирование элементов при переменном изгибе с кручением

и пульсирующем кручении....................................................................................295

7.11 Расчет элементов требуемой надежности при случайном пульсирующем кручении ... 302

7.12 Вероятностное проектирование элементов при смешанных режимах нагружения.....308

7.13 Расчет элементов требуемой надежности по жесткости ......................................315

7.14 Расчет элементов требуемой надежности при нагрузках в виде случайных функций . 322

7.15 Выводы........................................................................................................328

8. РАСЧЕТ СТРУКТУРЫ РЕМОНТНЫХ ЦИКЛОВ УЗЛОВ МАШИНЫ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ.........................................................................329

8.1 Обобщенное представление режимов работы узлов машин....................................329

8.2 Расчет поузловой структуры ремонтных циклов..................................................331

8.3 Выводы.........................................................................................................333

9. АДЕКВАТНОСТЬ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ И ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................................334

9.1 Адекватность математических моделей..............................................................334

9.2 Оценка сходимости теоретических и экспериментальных законов сопротивления сил сопротивления движению......................................................................................337

9.3 Сопоставление теоретических и статистических данных о ресурсах деталей машин ... 341

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ............................................................................ 343

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................358

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие лесной промышленности на современном этапе характеризуется высокомеханизированным производством на базе широкого использования большого числа различных машин (трелевочных тракторов, сучкорезных машин, лесовозных автомобилей, валочных и валочно-пакетирующих машин и т.д.) Эти машины работают на огромной территории России в различных климатических, географических, почвенных и лесоэксплуатационных условиях. Практика работы предприятий показывает, что, несмотря на внедрение новой техники, эффективность производства растет очень медленно. Причины заключаются как в недостаточной надежности машин, так и в неудовлетворительном использовании парка работающих машин. Машины простаивают в ремонте или в ожидании до 30% рабочего времени. Это весьма большой резерв повышения производительности машин. В эту проблему входят вопросы уточнения и снижения потребностей в запасных частях и ремонтах. Для решения этих вопросов надо четко выяснить возможности, существующие в настоящее время как на стадии проектирования (проработка конструкции на оптимальную надежность в целях снижения потребности в запасных частях и ремонтах), так и на стадии эксплуатации (существенное расширение расчетно-прогностической документации в виде руководства по эксплуатации с указанием нормативов на запчасти, ремонты и техническое обслуживание). В настоящее время существует весьма значительный пробел в теоретических основах технической эксплуатации машин, а именно отсутствуют математические модели для практических расчетов сроков и объемов текущих ремонтов и технического обслуживания на физико-технических (а не статических) основах.

Для решения почти всех задач технической эксплуатации машин широко применяется статистический подход, который имеет принципиально непреодолимые недостатки: многолетний период сбора данных об отказах, невозможность в равной мере использовать полученные в определенных природных условиях данные об отказах в других природных условиях, существенно отличающихся от первых. Кроме того, при

статистическом подходе все многочисленные внешние (характеристики леса, грунта, рельефа, климата) и внутренние (использование машины на лесохозяйственных работах, общее число перегонов машины, смена водителей и т.п.) факторы соединены в одно целое, не поддающееся анализу. В настоящее время действуют единые для всей территории России нормы потребности в запасных частях, ремонтах и технических обслуживаниях. Нормы не дифференцированы ни по времени эксплуатации машины, ни по природным условиям лесных районов. Однако, природные условия эксплуатации машин оказывает наиболее сильное влияние на нагруженность и изнашивание деталей, а значит и на потребности в запасных частях, ремонтах и техническом обслуживании. Например, при эксплуатации трелевочных тракторов на песчаных грунтах износ деталей ходовой части (звенья и пальцы гусениц, звездочек, катков) ускоряется в несколько раз. В еловых лесах, из-за рыхлости грунтов, трактор передвигается по корневым системам деревьев. В результате динамические нагрузки на ходовую часть и трансмиссию трактора весьма возрастает, что увеличивает в конечном счете потребности в запасных частях и ремонтах деталей трансмиссии. В районах с холмистым и горным рельефом резко увеличивается скорость изнашивания деталей тормозных устройств и механизмов управления движением машины.

Система планово-предупредительных ремонтов только декларирует плановое проведение текущих ремонтов. На самом деле текущие ремонты производятся по потребности, т.е. в виде аварийных ремонтов, что приводит к существенному увеличению трудовых и денежных затрат и потерям рабочего времени. Для того, чтобы текущие ремонты производились действительно в плановом порядке необходимо создать методики расчета и прогнозирования ресурсных отказов нагруженных деталей в зависимости от условий эксплуатации и на физико-технической основе, т.е. с использованием всех многочисленных зависимостей (формул) сопричастных к физике отказа таких наук как сопротивление материалов, теория упругости, строительная механика, детали машин, механика разрушения, теория автомобиля, теория трактора и др. Анализ современной технической литературы

(монографии, учебных пособий и научных статей) неопровержимо доказывает стремительное взаимопроникновение теории надежности и, вышеуказанных дисциплин друг

L—--,-----------------———-———

в друга [1-44].

Общие принципиальные вопросы применения вероятностных методов к анализу надежности сооружений получили развитие в фундаментальных работах А.Р.Ржаницына [21] и В.В.Болотина [1, 10, 26, 38]. Так, в работе В.В.Болотина [10, с. 101] сказано: "Современная теория надежности - общетехническая наука. Она дает нам систему понятий и терминологию, которые одинаково приемлемы к системам любой природы. Многие вопросы, поставленные в общей теории надежности, для строительных конструкций, достаточно новы. К ним относятся, например, вопросы выборочного контроля, диагностика и профилактика отказов, теория ремонта и восстановления и др." В работе В.В.Болотина [26] утверждается, что главное направление для практического внедрения результатов строительной механики - совершенствование методов расчета и проектирования конструкций и сооружений, снижение их материалоемкости и стоимости при одновременном обеспечении надежности и долговечности. Теоретической основой этого направления служит раздел строительной механики - теория надежности конструкций.

Вопросы нормирования надежности конструкций с учетом оптимизации затрат на проектирование, производство и эксплуатацию, разработаны заведующим отделом прочности и надежности сооружений ЦНИИСКа им. Кучеренко, доктором технических наук, профессором В.Д.Райзером [44-46].

Методология расчетов строительных сооружений в стохастической постановке разработана доктором технических наук, профессором Ю.А.Павловым [47-51].Основы теории расчета и применения дорожных машин и машин инженерного вооружения отражены в работах доктора технических наук, профессора, генерал-майора A.B. Ольшанского [52-55].

Условия эксплуатации и нагружеииость элементов систем лесозаготовительных машин приведен в работах [56-65]. Математические основы метода статистического моделирования, применяемого в данной работе для решения задач надежности, изложены в монографиях [66-68], а различные методы оптимизации [69].

Из анализа вышеуказанных работ можно сделать вывод, что проблема надежности и повышения эффективности использования машин является актуальной и пока нерешенной. Одним из путей решения этой проблемы является разработка на физико-технических основах комплекта расчетных методик и прикладных программ, позволяющих добиться уточнения и уменьшения потребностей в запасных частях, ремонтах и технических обслуживании на стадиях проектирования и эксплуатации машины. Ряд этих вопросов отражены в работах автора [70-143].

В связи с актуальностью проблемы надежности и ресурса машины и конструкций журнал РАН "Машиноведение" преобразован в 1990 году в журнал "Проблемы машиностроения и надежности машин", где опубликованы основные работы автора и защищен приоритет их идей, поскольку издательством Аллертон Пресс (США) он переводится на английский язык и распространяется во многих странах мира. Создан Межотраслевой научно-технический комплекс "Надежность машин".

Целью работы является прогнозирование, повышение и обеспечение надежности и ресурса машин, за счет уточнения и минимизации потребностей в запасных частях и ремонтах на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации, сокращение аварийных отказов машин путем введения плановых оптимальных стратегий профилактики, обеспечивающих снижение затрат на техническое обслуживание и ремонты, уменьшение потерь рабочего времени, повышение производительности и экологической безопасности.

В представленной работе автор защищает: — методику расчета и прогнозирования ожидаемых нагрузочных режимов деталей и

узлов машин, с учетом вероятностных характеристик природных условий основных

лесопромышленных районов в России, заключающуюся в определении частных и обобщенных плотностей распределения сил сопротивления движения машины;

— разработанные математические модели скоростей изнашивания элементов двигателя и ходовой системы тракторов по совокупности типичных и наиболее интенсивных режимов нагружения и их удельных весов (вероятностей);

— алгоритм расчета динамической нагруженности элементов ходовой части и трансмиссии автолесовоза в виде колебательной схемы, описываемой системой дифференциальных уравнений и учетом статистических характеристик микропрофиля дорог;

— численный алгоритм метода компьютерного статистического моделирования (Монте-Карло) для определения плотностей распределения обобщенных ресурсов элементов по детерминированной формуле теории линейного суммирования повреждений, как функции нескольких случайных аргументов: ресурсов на выделенных типичных режимах нагружения;

— алгоритм определения показателей надежности элементов (функция распределения наработки на отказ, интенсивность отказов, вероятность безотказной работы) и функций восстановления по смоделированным на ПЭВМ плотностям распределения обобщенного ресурса;

— методику расчета и прогнозирования требуемого числа запасных частей и дифференцированных по природным условиям эксплуатации районов норм их расхода;

— предложения и рекомендации по оптимальному обос