автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Обоснование параметров несущей конструкции лесных колесных машин, обеспечивающих её долговечность (на примере лесопромышленного трактора МЛ-34)

1 В МЛ?

" "Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

Московский государственный университет леса

На правах рукописи

КУКАРСКИХ Павел Владимирович

УДК 621 797

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ НЕСУЩЕЙ КОНСТРУКЦИИ ЛЕСНЫХ КОЛЕСНЫХ МАШИН, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЕЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ (НА ПРИМЕРЕ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО ТРАКТОРА МЛ-34)

05.21.01. Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в открытом акционерном обществе «Центральный научно-исследовательский институт механизации и энергетики лесной промышленности» (ОАО «ЦНИИМЭ»)

Научный руководитель: _ академик РАЕН, доктор

технических наук, профессор » > Симонов МЛ

Официальные оппоненты: академик РАЕН, доктор

технических наук, профессор Леонович И.И. кандидат технических наук, старший научный сотрудник Кирюхин Г.Д.

Ведущая организация: ОАО «Лесмаш», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 20Н &-рт£х 1998 г. в 10 часов на заседании специализированного совета, Д.053.31.01 Московский государственный университет леса по адресу 141001, г. Мьггащи, Московской обл., ул. Университетская, 1.

Просим Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями направлять по адресу 141001, г. Мытищи, Московской обл., ул. Университетская, 1, МГУЛ, спецсовет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ. Автореферат разослан « /Я » ЛЯ 1998 г.

Ученый секретарь

Специализированного

Совета

академик РАЕН, доктор технических наук, профессор Семенов Ю.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Успешному решению задач, стоящих перед лесной промышленностью, в значительной степени способствует внедрение новых, более совершенных лесозаготовительных машин (ЛЗМ). В настоящее время большинство эксплуатируемых в отрасли ЛЗМ базируются на шасси гусеничных тракторов и, в сравнении с машинами на колесной базе, уступают по ряду важнейших показателей. Поэтому на ближайшие годы определилось перспективное направление по созданию новых ЛЗМ на колесной базе с возможностью

установки на него любого технологического оборудования.

Создание семейства таких ЛЗМ с более высокими технике - экономическими показателями позволит обеспечить комплексную механизацию лесозаготовительных работ, повысить производительность и условия труда при соблюдении лесоводственных и экологических требований, что свидетельствует об актуальности темы.

Наиболее ответственная часть, рама определяет надежность всей машины в целом, а практика показывает, что основной причиной снижения надежности шасси являются усталостные разрушения металлоконструкции, что связано, в первую очередь, с несовершенством используемых методов расчета на усталостную прочность элементов машин.

В связи с возросшими требования к материалоемкости при одновременном повышении надежности ЛЗМ задача разработки методов оптимального проектирования несущей конструкции, как наиболее металлоемкой части, с учетом долговечности является своевременной и актуальной.

Современные условия рыночной экономики требуют резкого сокращения сроков разработки и внедреши новой техники, что возможно только путем использования компьютерной техники на уровне САПР. В виду недостатка программного, математического обеспечения для использования ЭВМ при создании машин, становится все актуальнее задача разработки системы автоматизированного проектирования ЛЗМ.

Цель работы. Снижение металлоемкости лесозаготовительные машин путем оптимизации параметров несущей конструкции с учетом долговечности, а также повышение качества и сокращение сроков проектирования ЛЗМ.

Научная новизна. Разработаны методика оценки долговечности несущей конструкции ЛЗМ и математическая модель динамической системы шасси ЛЗМ, позволяющая оценить статистические характеристики нагружен-ности рамы при различных режимах работы. Выведены передаточные функции, позволяющие определять параметры случайных процессов напряжений в различных сечениях металлоконструкции рамы ЛЗМ по характеристикам внешних воздействий.

Сформулирована математическая постановка задачи оптимального проектирования металлоконструкции рамы шасси и разработан алгоритм ее решения.

Практическая ценность. В результате исследований определены оптимальные параметры рамы шасси ЛЗМ, обеспечивающие минимальную массу и ресурс с 80% вероятностью неразрушения конструкции.

Разработана "Методика теоретико-экспериментальной оценки долговечности металлоконструкций балочного типа". Результаты исследований могут быть использованы при проектировании любых транспортных машин на колесной базе.

Для практического использования при проектировании разработан программный комплекс по выбору оптимальных параметров несущей конструкции ЛЗМ и пакет прикладных программ для расчета металлоконструкций балочного типа, зарегистрированный в Московском отделении прикладных инженерных комплексов НПЦ "Информатика".

Реализация в промышленности. Результаты исследований были использованы при создании базовой модели семейства ЛЗМ сортиментовоза. Проектирование и оптимизация параметров рамы шасси выполнены с использованием разработанного программного комплекса. Полученные в результате экспериментальных исследований статистические характеристики использованы для создания банка данных о нагрузках, действующих на несущую систему ЛЗМ.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на научных конференциях молодых ученых и специалистов в 19901991,1997 г., на научно-техническом совещашш ПНТЦ по комплексной переработке древесины ЦНИИМЭ и на кафедре «машины и оборудование лесной промышленности» УГЛТА в 1997 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 6 печатных

работ.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 126 наименования и 4 приложений. Основное содержание изложено на 124 страницах, содержит 14 рисунков и 5 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность и научная новизна темы, определены цель и задачи исследований.

В первой главе проведен краткий анализ методов оптимального проектирования ЛЗМ, оценки усталостной долговечности деталей машин, статистической динамики для исследования транспортных машин, в том числе работ ВЛ-Алябьева, В.НАвдреева, А.СТусеваЗ- П. Немцова, А. К. Редькина,

/

М. Н. Симонова, Ю. Д. Силукова, С. В. Серенсена, В. А. Свеглицкого, В. Г. Сарайкина, В. Н. Перельмутера, А. А. Тюкавина и других. Показано, что ряд научно-методических вопросов оптимального проектирования ЛЗМ с учетом долговечности еще недостаточно изучен, в связи с чем определены следующие задачи исследований:

— разработать методику оценки долговечности рамы шасси ЛЗМ, основанную на спектральной теории случайных процессов;

— обосновать эквивалентную динамическую систему рамы шасси (ЭДС) ЛЗМ и на ее основе получеть передаточные функции, позволяющие определять параметры случайных процессов напряжений, возникающих в металлоконструкции рамы от внешних нагрузок;

— сформулировать задачу ОП рамы шасси ЛЗМ с учетом ресурсных показателей н разработать алгоритм ее решения;

— экспериментально получить спектральные плотности случайных процессов напряжений в конструкщш рамы шасси ЛЗМ на различных режимах работы машины;

— по экспериментальным данным установить адекватность результатов получаемых с помощью разработанной ЭДС, реальным процессам нагруженно-сти шасси ЛЗМ при его эксплуатации;

— получить зависимости долговечности конструкщш от ее геометрических параметров, характеристик материала, типа сечения;

— разработать проектно-конструкторские и технологические рекомендации по выбору оптимальных параметров несущей конструкции ЛЗМ с учетом долговечности, а также программный комплекс для оптимизации параметров шасси на ЭВМ.

Во второй главе изложены теоретические положения методики оценки долговечности, которая реализуется в следующей последовательности:

1. Составляется эквивалентная реальной конструкщш шасси динамическая система (ЭДС).

2. На основе принятой ЭДС находятся зависимости передаточных функций системы. За возмущающее воздействие на входе ЭДС принимается спектральная плотность воздействия микропрофиля дороги, технологического оборудования и перевозимой пачки сортиментов.

3. С использованием спектральной плотности входного воздействия и передаточной функции оцениваются характеристики выходного параметра ЭДС и по ним определяются статистические характеристики процесса изменения напряжений в конструкции рамы.

4. Среднее значение и коэффициент вариации предела выносливости рамы шасси определяется расчетным путем.

-е-

5. Средни долговечность и долговечность при различных вероятностях неразрушения конструкции рассчитывается, с применением статистических характеристики предела выносливости и процесса изменения напряжений, принимая гипотезу линейного суммирования усталостных повреждений.

Величины средней долговечности при действии нормальных напряжений определяется по формуле

т = 2 • к0 с£а / {и 0а ты + 1)р[2(<7„„ / а)*2 'А + 2]} (1)

где а, в - параметры масштаба и формы двухпараметрического распределения Вейбулла, находятся из зависимостей

V .= Г (1 + %)/Г »(» + Ул)~ = -*[г(1 . Г '(1 + X)]

где Л v - соответственно среднее значение и коэффициент вариации распределения амплитуд полных циклов; Г - полная гамма-функция; Р - табулированная функция распределения хи - квадрат; - нижний предел суммирования повреждений.

Средняя долговечность металлоконструкции рамы при действии одновременно нормальных и касательных напряжений т определяется по формуле

Г = Тв/[1 + (Г. /Т , ] Л (4>

Средняя эксплуатационная долговечность рассчитывается по формуле

Т£ =Т0/(т,/т, + т2/т2+...+ т,/т,) . (5)

где Т0= 2420 - годовой фонд рабочего времени;"^ доля времени использования трактора на 1 - ом режиме;72- средняя долговечность для Ьго режима.

На практике важна регламентированная долговечность, которая определяется следующим образом.

Для расчета логарифма долговечности при вероятности разрушения Р Тримеется выражение

1йтр = ^ т + црб^т (6)

где ^ Т - логарифм средней долговечности конструкции; среднеквадратичное отклонение логарифма долговечности; и^- квантиль нормированного нормального распределения при вероятности Р.

Величины 8|8т0 и Б |8тт находятся по уравнениям Б „т. = 0.434 т д/у О)

8 ,,ГС= 0.4 3 4 т ТуТ^УТ (8)

где У„ и V, • коэффициенты вариации амплитуд напряжений ¿и Т.

Среднее квадратичное отклонение логарифма долговечности определяется следующим соотношением

ей - {1- >/[>+(т./т.Г- ]}8;1Т.+{. - ./[>+(г. /г,)-]}8;,, (9)

Таким образом, имея величины средней долговечности и среднего квадратичного отклонения логарифма долговечности, можно определить ве-личину долговечности для различной вероятности неразрушения конструкции.

Вероятностная оценка долговечности рамы зависит от двух групп факторов, используемых в формулах (1-9): характеристик случайных процессов нагруженности конструкции (в данном случае прогиба и угла закручивания рамы шасси), которые определяются на основе динамической модели шасси, и также вероятностных характеристик сопротивления усталости материала.

Для разработки ЭДС использован прием сечений, при этом рама (рис.1) рассматривается как балка переменного профиля с дискретными массами, соединенными упругими, невесомыми стержнями (рис.2,3). Схема на рис.2 относится к конструкции с зафиксированным шарнирным соединением между трактором и прицепом (наиболее нагруженный случай), либо для цельной конструкции шасси. При наличии шарнира рассматривается схема без массы М1.

Параметры системы - массы, жесткости, демпфирующие свойства зависят от геометрических размеров поперечного профиля балки. При этом подходе можно принимать произвольное количество сечений, но для несущей конструкции достаточно точную расчетную схему дает деление на 10 дискретных масс.

Расчетная схема имеет по 13 степеней свободы в вертикальном и поперечно -угловом направлении, определяемых координатами У и С! (¡=1,13).

Система дифференциальных уравнений второго порядка, описывающих вертикальные колебания машины и приведенных к системе координат X, У имеет вид

„10 . ю

^Х +2Жу. +■ 20.У. =сЦу. -у„)+Кв|(у1 -у„)-ЦЩь +Чз)/2]

Ы »=1

ю ю

мгу2 +25Ху, + £с21у,=м:(0-мг(1-х2/1)4, -МгХ2/1[(ч2 +ч,)/2]

»-1 «-1 ■

10 10 -•

+25Х*. + £с„у. =-М,(1-х,/1),, -М5Х3/1[(ч2 +ч3)/2] •«1 »»1

ю ю

М4¥4 +2£Р<.У, + £С41у, = Р«(»)-М4(1-х4/1)ч, -М4Х4Д(д2 + *)/2] »-1 «-1

1 -1

Л - '

.'/у.

У/

Ini

4*1

i)

Б)

Pi ] > / V r > > >\ / /

t t ' / / ' /

Ji

О

6)

Рис.1. ÙC&i вид раж шасси; а) вид сбоку;

6) вид сьерху; а) поперечный разрез; X;-горизонтальная координата i-ro сечения.

Рис.2. Расчетная схема колебании сортиментоеоза*. а) ьертжальних;

б) поперечно-угловых; ty-сосредоточенная масса трактора,ходовой части,технологического оборудован!«,пачки сортжентов,приведенных к i-тому сечению; Л*-масса трактора,предаете колеса и ведущего моста; М^-масса манипулятора: 06, (LtWlW-масса пачки сортикентов (ькюкад массу сграадайй) приходдася на ложмент рами; Rytiacca заднего моста,балансира, среднего и заднего колеса; П//,Гй,11/,)Сш/,Сшд|Сй3,Сг/1С7г,С7^,Ки(1КиоКшлКх/,^1Кг5^оответстб«но массы грунта,вертикальные «сткости шин,«-сткости масс грунта,козмициенты неуфугого сопротивления шин, сопротивления масс грунта,приведенные, соответственно к передаю,средаим и задним колесам; 1-база сортинентовоза! 1, .Ц-ксордшти центра тяямти балансирнои подвески шасси; ^¡¡координата центра тяжсти сортиментоеоза:

- /ч - III1. 11Л ............— „ „.шт.,,« «.лп.-.,-« .ЛЛТ.ОТ.'mouun U1 ршпачиип ni nananuiin rnanuua u чапииа «llOPJj fyltl,

и зад: Ёалм

10 10

M3Y5 + 2Z M. + Z С>.У. = -M5(l- х5/1)4, - M,Х,/1[(ч2 + q3)/2j •-i i-i

10 10

M6Y6 +2^p6ly. + £С6,У. = F6(t)-M6(l-ís/l)q, -M.X./l^q, +q3)/2] »>1 ft»l

10 10

M,Y7+2£P7,y.+ £c7ly. =C.J(y7-yu)+K.J(y,-y11)+Ce,(y7-y1|)- M7(l-x,/l)q,-»1 »1

-M,X7/((q, +q3)/2]

10 10

M,YS + 2%КУ. + ZC*.y. = F8(t)-M8(l-X8/I)q, -M8X,/l[(q2 +q,)/2]

•-i i-i

10 10

M,Y, +25Ху, + Zcs,y. =F9(t)-M9(l-S,/l)q, -M,X,/l[(q2 +q,)/2]

■-i i-i

_ 10 10

M10Y10 +2ZP>o,y, + IC,J, = F,0(t) - M,0(l—x10/l)q, -MI0X10/l[(q2 +q3)/2¡ »=1 1=1

М..У,, +Сш1(у, -yJ+K^, (у,-Уп)+Сг1У11 +К..У,, =-M1Iq1 Mnyn +CinJ(y7 - y12)+ K^ (y7-y12)+Cr2y12 +Kr2y12 = -M12q2 (10)

ЧзУн+С^Уу -yJ+K^ (У7-У1з)+С13У13 +KflyB=-Muq1

где y¡ - деформация балки в i - том сечении (i =1,10); Уи, Уп, Уп - деформация шин соответственно в переднем, среднем и заднем колесе; Qs - коэффициент жесткости, выражающий реакцию фиктивной опоры, расположенной под массой ms при прогибе y¡ под массой т; равному единице (i, s = 1,10); Мпн - изгибающий момент от манипулятора, условно приведенный к силе; - коэффициент конструкционного демпфирования балки, определялся из зависимости P¡,=25Pw/C, где - коэффициент поглощения или конструкционный гистерезис, w - частота возмущающей сипы, С - коэффициент жесткости системы.

Система дифференциальных уравнений, описывающих крутильные колебания машины, вызванные поперечно-угловыми возмущениями в системе координат X, Y, Z имеет вид •

JA -щД +taQl -тав2 =Q,(e, -е„)+цД -в„НМ/№. +J,x,/((v2 +ъЩ jA+n23)á,-p2Á-ru9i =4W +W ((%

'А-^Мив -rA =J3(i-x3/i)vl

_ ю -

'А -иА -иА -К* +гв)е4 -г«е5 =1,(1-^/1)4/, +з<Щъ +й)/2

-ИЛ -пД Цг* -гж06 =13(1-^/1)чу, +%)/2

-иЛ -г0е6 +(гст +Гл)е, -гл9, =сс„(е7 -е12)+ки£(ё7 -ва)+

сЛь--вв)+1^(вт -в 12)+4-х7/1)ч/1 +^/((4»,.+%)^]

"НА +Ш,)9,-М, ч-лб, +{г„ +гю}9, -гвв, =1,(1-Х,/1)ф1

"Км« +Шю)е, -Шовю-г„в, +{гв +Гж)е9 =;,(1-х,/1)у, +1,х,/((ч>2 +й)/2]

'»0» +Ц9Ю0Ю +»-8,0, -г91О0.о =^о(1-х10/1)^, +110х10/1[(ч>2 +у3)/2]

'.10..+Си1(в1 - 0,,)+!^ (в.-ё^+СЛ, +Кйвц='иЧ'1

+0*(е7 - вв)+ к^ (07 -ёи)+сйёи +КА =^ (И)

МВ+С^(в7 - 0|з)+ КщЗ (07-013)+Сй0,з +Кй013=113у,

где

^ - момент инерции в 1 - том сечении балки (1 = 1,10); 1ц , , 1ц -моменты инерции соответственно передних, средних и задних колес; гц+1 - крутильные жесткости участка балки, находящегося между 1 - тым и ¡+1 сечениям и, определяется по формуле та+1 = (СТр/Х)^!, где 1Г- момент сопротивления участка балки (1 =1,9);щ+1 - коэффициент; характеризующий вязкое трение при кручении, рассчитывается по формуле

II .,/»««), (12>

где й - собственная частота конструкции при кручении.

Для обобщенных координат изгибных £;/0 и крутильных колебаний ] - го тона получены в общем виде уравнения

^(0 + 2рДД0+ р^ДО = 1/м ДО 03) у ](0 + 2д ¡у, (0 + я]у ,(0 = 1/м ^ , (i) (14)

где

■ и |и _ 10 ' 1»-1

Ц. = l/JiZ^^ii+.[<P^i)]^Jj - Е •*.[<? [,}]11 (0 = Е М „„ (0<р {'>

' 1.-1 1.1-1 и-1

-и-

обобщенные, соответственно коэффициент демпфирования при изгибе, масса системы, изгибающая сила ЭДС, коэффициент демпфирования при кручении, момент инерции масс ЭДС, сила при кручении.

Р^ О] - собственные частоты соответственно вертикальных и крутильных колебаний ЭДС по .¡-му тону;

§ ,Ф1 - нормальные (главные) формы соответственно шгиб;шх и крутильных колебаний по му тону и ¡- му сечению;

Г,ф и Г|ф - вектора соответственно вертикальных и угловых

перемещений и их ускорений

Для решения уравнений (13,14) использован метод итераций с нормировкой собственного вектора по обобщенной массе на каждом шаге расчета форм и частот собственных колебаний конструкций балочного типа, реализованный автором диссертации совместно с НПЦ "Информатика" в пакете прикладных программ.

Квадрат модуля передаточной функции от внешних сил Р (0 к упругому прогибу балки в ¡-ом сечении У имеет вид

• К.к.Н' = £>:/[(—(14)

где -Г1 ( = { С) £ ^К Т,(0){М/М ];К (0) " <™вдарт силы Б, (0

Выражение для определения квадрата модуля передаточной функции крутящего момента М к углу закручивания О имеет вид

|\У е,м.>)Г = ЪК :,/[(»> - ♦ (2,(15)

ГДе К „ = ф|"1 ;Км„(0)" "авдартмоментакручеш«.

I*«I • *'

С учетом выражений (14,15) формулы для определения спектральной плотности упругих прогиба 8 (\у) и угла закручивания 8 (\у) балки в ¡-ом сечении в режиме погрузки-разгрузки имеет вид

з ) = 2

V ТГ 0» Я й 1Г )

(16)

где 8Мч,(\у) - спектральные плотности внещних сил Б и момента круче-

ния М^.

Квадрат модуля передаточной функции для координат У; и 0; в режиме движения от воздействий и Ч\0), к деформациям У; и будут иметь вид

1™ „.о-зГ - г,{л ;,./[<-• - р!)' ♦ 1-у]} (18)

^е.^С^Г-Ё {л;у./[(^-п;)' + (2,)Жу]} (19)

где

Л^ -К^/^А!,.!!^. = к ]¥.'!"А..К]Ч1 = I м.О-х./Ог.с» + м ,.г Я>

К;„ -Ём1Х1/(21)*/')+МцГЙ>.К.а =Ем1Х,/(20Г1") + М1зГ1<з'),

■ о ю

К]¥1=ЕМ, X ,/(21)9 Iй + ' „Ф Й'.К ^ - Е М, X, /(21)Ф |'> + Л11Ф {«,

ю

К]Ш = £м|Х|/(21)<р<'> + .Т13<р!,3>. 1=1

Квадрат модуля передаточной функции колебаний ЭДС, учитывающую взаимную корреляцию между процессами и ц/1 (I), УгС). М'зО) определяется из уравнений

КдоН" = КдяН3 = К„,ч , ¿{{(Г«)'/{[(>,' -рОЧ^Р^)1] м;))| (20)

>^,«,,4' -К^лЧ* =|{{(ф1'))У{[(«'-п;)1+(2Ц)№)1|л;}}} (21)

С учетом формул (20,21) выражения для расчета спектральной плотности упругих прогиба и угла закручивания в ¡-ом сечении балки и в режиме погрузки - разгрузки имеют вид

вуМ = |\у у ч0«)[ 8ЧМ + |\У уд в,/*)+|\У УЯ0«)|2 в,/«) + (22>

где и З^уу) - соответственно спектральные плотности случайных стационарных процессов дХО и ч^).

Выражения для определения взаимной спектральной плотности 8 иг) между процессами имеют вид

ЗчдМ »Ж^ЧЗ^М =2К,(т2)З,М,$1ДМ =Ж,(т3)8>)(24-26) -

де - дисперсии корреляционных функций; т - величины, определяющие ремя запаздывания функции воздействия микропрофиля дороги на средние и адние колеса по сравнению с воздействием на передние колеса; 1= 0 -11 УУ, т2=(1 +\г т3=(11 -12 )ГЧ, (V - скорость движения машины); !ч(\у) - спектральная плотность продольного микропрофиля дороги.

Соответственно взаимная спектральная плотность между провесами ц/^) определяется следующими уравнениями

Ч.Ч/М = = = 2К,(т,)!5»(27-29)

Для расчета долговечности, кроме спектральной плотности перемещений элементов конструкции определяется ряд других статистических харак-еристик.

Формула для определения дисперсии Б инерщюнной нагрузки при олебаниях по 1-ой форме частот имеет следующий вцд

Б ¡т, = М ,2Р/ Б (30)

це - дисперсии упругого прогиба в ¡-том сечении по j-мy тону от внешних сил Р5(1) в режиме погрузка-разгрузка и воздействий со стороны микропрофиля при движении машины рассчитываются о формулам

Чк. = / = /*(|\У 8Ч>)(31,32)

Вьфажение для расчета дисперсии изгибающего момента Б по .¡-той орме имеет вид

(*.-*.)' ^-7.10 (34)

' 1 «•! * *

1е:

]и - дисперсия реакций в опоре балки в первом сечении из условия равнове-м балки определяется из выражения

0]к1 = |в]тл(х!-Х7)/Х7 (35)

м - дисперсия изгибающего момента в ¡-том сечении балки рассчитывается ) формуле

DjM.-iDjM, . (36)

Дисперсия процесса изменения нормального напряжения для выбранного сечения находится по выражению

DCTl = BMi/wr (37)

где Wj - момент сопротивления изгибу в i-том сечении рамы.

С использованием значения дисперсии процесса напряжений вычис ляются число нулей По и экстремумов пэ процесса по формулам

По = l/njDjDf ,цэ = \jiijDt/Dt, (38,39)

где дисперсии изменения прогибов D , скоростей D и ускорений D находятся по формулам

/ 4<о / -МО / +<о

Dy=y я {Sy(w)cnv,Dyi=y ^ Jw2Sy(w)dVV:Dyi=У я Jw4Sy,(vv)dw(40"

42)

где Syj - среднее квадратичное отклонение, а вычисление интеграла в

формулах (40-42) выполняется с использованием рекомендованного научной литературе соотношения

J\V KS(W )dW = (w. - W0)X Bfw.'siw,)1 (43)

о 1=0

где W0, W„ - наименьшая и наибольшая частота процесса; п - число интервалов квантования; В° - коэффициентКотеса; к = 0,2,4 ....

Величины в формулах (1-3) для расчета долговечности определяютс из выражений

о = S ■ 1,24* + V = 1,63 - 1,1 Зх (44,45)

где % ~ Но/п» - коэффициент нерегулярности.

Аналогично определяются статистические параметры процесса гоме нения напряжений при кручении.

Из вероятностных характеристик сопротивления материала в модега расчетным путем учитывается параметр наклона кривой усталости m и преде; выносливости ¿-¿при изгибе и кручении. При этом в расчетах используется разброс значений пределов прочности сталей различных плавок, учитывается предел выносливости сварных соединений после их соответствующей технологической обработки, влияние на сопротивление усталости концентрации напряжений, качества обработки поверхности, методов технологического упрочнения поверхности материала рамы.

Проведенные исследования позволили выполнил» постановку задач! оптимального проектирования рамы шасси ЛЗМ.

- IS -

В общем виде задача оптимизации заключается в выборе таких гео-етрических параметров сечений рамы, которые обеспечивают минимальную ассу конструкции при регламентированной долговечности.

За критерий оптимизации принята масса металлоконструкции рамы, [елевая функция имеет вид

V° (46)

га =2, m; , к '

1.1 1

ie nij - масса элемента рамы в i-том сечении, с координатой X . » . = 1/2[(F., + F,)(X, + Хя1)+ (F, + Fol)(XnI + Х,)]у (47)

ie F„ F^ , Fnj - площади поперечного сечения рамы находящиеся соответст-:нно в координатах Xi; , Х^ (рис.1);

у- плотность материала рамы. Тлощадь Fj i-ro сечения рамы определяется по следующей формуле Fi = 2tj(yi + z; - 2ti) (48)

Формула (48) справедлива для F при замене £ и z. на и z „или мене у; и Zj на у„; и при расчете F^.

Значения у; и % определяются по формулам

Уш =(У: -УмИХ-Х,,^ + yiH (49) Уш = (У; - Ум )/(Xi+1- X, )Xni + yi+1 (50) По аналогии определяются ЪА и Zlä .

Коордшаты левой и правой границы i-ro элемента рамы Х^ и Хга [ределяются по следующим соотношениям (рис.1)

Хм = (Хи+ X, )/2, Xrf = (Xj + Xi+,)/2 (51,52) Вектор управляемых параметров имеет вид

R = (y, ,tj)

В качестве функционального ограничешм пршмта усталостная дол-вечность Т, определяемая по моменту появления усталостной ещины для исследуемых сечений рамы.

Формально задача оптимизации представлена в следующем виде йти > min m = min f(yi ,z-t ,t; ), (yj ,Zi ,ti)€D, (53) *y-'> Zi*, tj*, - оптимальные значения геометрических параметров (i = 1,10); D - область допустимых значений у г j, 11. При ограничениях

Ц (yi > Zj»Ъ) - Ц > О

2t <у < 1,0 2t <z < 1,0

О <t <0,02 (54)

-/fir

у > 2t < z

где Tj - значения долговечности с регламентированной вероятностью неразрушения 80% для i - того поперечного сечения рамы; Ц - нормативное значение 80% -го ресурса для i-ro поперечного сечения рамы, L = const, ^ т.е. при заданных ограничениях найти вектор управляемых параметров R, который обращает в минимум целевую функцию т.

Для решения задачи оптимизации разработан и реализован на компьютере алгоритм поиска оптимального решения.

Учитывая многопараметричность задачи, с целью упрощения на заключительном этапе была выполнена декомпозиция целевой функции. Для этого методом приращений проводился анаше чувствительности оптимальны: решений. Коэффициент чувствительности Kj i-ro параметра модели находила по формуле

К j = А у | /Д х . = [у (*„„.. + Лх,)- у(х..,,)]/Дх£ (55) где у - приращенное значение выходного параметра;

Дх - приращение параметра, для которого проводится анализ; х„0м - номинальное значение параметра. Результаты оптимизации параметров приведены в табл.1. Третья глава посвящена экспериментальным исследования, которые проводились на колесном тракторе ТЖ6-04 (MA-S4).

С целью проверки адекватности моделей, полученных в результате теоретических исследований, замерялись и записывались на многоканальный магнитограф "Теас" (Япония) нагрузки в местах, соответствующих сечениям рамы при разработке ЭДС рамы шасси (рис.2).

В ходе исследований получены записи процессов нагружения в конструкции рамы. С магнитографа данные счигывались на измерительный комплекс IN-1200 (Франция), передавались на компьютер IBM РС/АТ-386 и обра батывались с помощью созданного при участии автора программного обеспечения.

В результате получены статистические характеристики случайных процессов нагружения конструкции - максимальные и средние значения, дисперсии. Спектральные плотности процессов вычислялись методом быстрого преобразования Фурье (БПФ). Разработаны мероприятия по конструктивной доработке опытного образца шасси JI3M на колесной базе, позволяющие снизить динамические нагрузки на машину. Результаты исследований приведены на рис.3,4.

Четвертая глава посвящена практическому применения результатов исследований и расчету экономического эффекта от внедрения.

- {Ч -

Ьлринш • пшпш МП Ц> пнтш мпшип

1 1 I к 1 Ь .¿. 1

ороа по! вгюи 30 грм е шсишкш шиш! Л - при »АШГВ 001 0Г10| 16 гри с лшюишышя шитом: 4 - пра шин оц цпо! I гри с и»; мшьш) иштов: 9 - ора шип вод |пи 49 град с ИИИИМ1ИЦЩ 1шгм, .

|цииа с(щн млгиаиеега вцигим! мтим-

1МСГЩЦМ цаа м («ч>и

Г

I

'ас.4. I - вни*г*1аН ккстрдашж;

2 • нснршшыни и мтои пип шш

•М1»«Г1 обрит; """

3 - т|*тп1ЕШ ввкпмг* .

На основе проведенных исследований разработана методика оценки долговечности и программный комплекс по проектированию несущей конструкции, а также расчету конструкщш балочного типа. При его использовании были рассчитаны оптимальные параметры универсальной рамы шасси семейства ЛЗМ на колесной базе. На рис.5, изображен общий виц предлагаемой конструкции рамы.

Данные экспериментальных исследований были использованы для создания банка данных о нагрузках ЛЗМ в реальных условиях эксплуатации.

Экономический эффект от внедрения результатов исследований проявляется в двух направлениях - на стадии разработки конструкторской документации за счет сокращения времени проектирования и на стадии эксплуатации ЛЗМ на колесной базе с принятыми по результатам исследований параметрами.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработанная методика вероятностной оценки долговечности металлоконструкции может быть использована при проектировании шасси ЛЗМ. Расхождение результатов рассчитанных по методике и на основе экспери-

Таблица I.

Параметры сечений предлагаемой конструкции раны

Пара- !_____________________Сечения.

иетр : 1 ! 2 ! 3 : 4 ! 5 ! 6 7 ! 6 ! 9 ! 10

: 12.5: 16,1!16.4м7.1117.5 ! - 1 — 1 - ;и.з:п.1

г ; еоо ! 600 : 60о: боо:'еоо : - _ 1 . ¡боо ; боо

у : боо : боо ; еоо: боо: воо ; - — « - иво : 160

Рассчитанные по данный вкспериыентальных исследований

1 ¡10.2 ! 16,4!19,1!19,2121,2 ! - - ! • :»6.2:15,1

2 ! 600 : 600 1 еоо: еоо: боо : - - : . ¡боо : еоо

у ; £бо ; воо : бис: боо; боо : - ^ 1 - ,480 154

существующий вариант

м

—

\=/ щ

а

Рис.5. Предлагаемая конструкция раны «асси

- /д -

ментальных данных составляет не более 21%.

2. Анализ влияния на долговечность различных параметров показал, что наиболее значимыми параметрами сопротивления материалов является предел выносливости. Повышение его на 5% увеличивают долговечность на 8%.

3. Предложенные мероприятия по обработке зоны сварных швов рамы для устранения концентрации напряжений позволяют повысить долговечность этих соединений в 1,3-1,6 раза.

4. Обоснованная в результате исследований ЭДС несущей конструкции сор-тименговоза может бить использована для исследования динамики практически любой транспортной машины на колесной базе. Выведенные на ее основе передаточные функции и выражения для расчета спектральной плотности'позволяют определять статистические характеристики процессов напряжений в конструкции по параметрам внешних воздействий.

5. Сформулирована математическая постановка задачи оптимального проектирования рамы шасси и разработан алгоритм ее решения. Значения полученных в результате оптимизации параметров, обеспечивающих минимальную массу и ресурсе вероятностью 80% неразрушения конструкции, приведены в таблице 1.

6. Анализ экспериментальных данных показал, что случайные процессы напряжений в конструкции рамы являются нормальными, стационарными, обладают свойствами эргодичности и широкополосгности. Основная энергия случайных процессов в режиме движения лежит в диапазоне 0...50 1/с, с максимальными значениями при 9...15 1/с. Установлено, что распределение амплитуд полных циклов случайных процессов напряжений в раме достаточно удовлетворительно описывается распределением Вейбулла.

7. В качестве мероприятий по совершенствованию конструкции рамы предложено расположить "гаечную" часть ближе к манипулятору, а профиль рамы усилить ребром жесткости. Такая конструкция по сравнению с опытным образцом имеет ресурс в 1,5 раза выше и на 4% меньшую металлоемкость.

8. Выявлено, что напряженное состояние корпуса редуктора заднего моста почти в 1,5-2 раза выше допускаемого уровня, с учетом этого даны рекомендации по конструктивной доработке корпуса.

9. Для практического использования результатов исследований разработан пакет прикладных пропэа'.гм ка ЭВМ для проектирования шасси ЛЗМи конструкций балочного типа, который может входить отдельным проектным модулем в САПР ЛЗМ. Результаты исследований, рекомендации, пакет программ были использованы при разработке базовой модели семейства ЛЗМ на колесной базе Онежским тракторным заводом и приняты дня внедрения в производство на Екатеринбургском АО "ЛесмадГ. Применение программного комплекса при проектировании дало экономический эффект 27300 руб. (в ценах 91г.) на одну модель ЛЗМ

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кукарских ПЛ., Соколов С.Б. STATIC. Пакет программ для расчетов ных конструкций. -М: ОНТИ НПЦ "Информатика", 1991. -16 с.

2. Кукарских П.В., Соколов CJ5. Прогнозирование ресурса роторного окорочного станка на этапе проектирования методом имитационного мс ровашм. -В кн.: Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лесно1 комплекса. /Тез. докл. к Оба научно-техн. конф. -Свердловск, УЛТИ, 1-3 февраля 1990. - с. 121.

3. Кукарских П.В. Экспериментальные исследования трактора на кол базе ТЛК6. -В кн.: Вклад ученых и специалистов в развитие химико-лест комплекса. УТез. докл. к Обл. научно-техн. конф. -Екатеринбург, УГЛТА, 3-5 февраля 1997. - с. 98.

4. Кукарских П.В. Разработка методики вероятностной оценки долго! ста металлоконструкций. -В кн.: Вклад ученых и специалистов в развита мико-лесного комплекса. /Тез. докл. к Обл. научно-техн. конф. - Екатерл УГЛТА, 3-5 февраля 1997. - с. 101.

5. Панычев А.П., Есюнин Е.Г., Кукарских П.В. Оптимизация парамег] ЛЗМ с учетом долговечности. -В кн.: Вклад ученых и специалистов в раз химико-лесного комплекса. /Тез. докл. к Обл. научно-техн. конф. -

• Екатеринбург, УГЛТА, 3-5 февраля 1997. - с. 92.

6. Есюнин ЕГ., Панычев А.П., Кукарских П.В. Определение параметр гравитационных торцевыравнивающих устройств. -В кн.: Вклад ученых; циалистов в развите химико-лесного комплекса. /Тез. докл. к Обл. Науч техн. конф. - Екатеринбург, УГЛТА, 3-5 февраля 1997. - с. 94.

Ротапринт ВНПОлеспром

Зак.21 Печ-л. 1.2. Тир. 100