автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение эффективности защитных устройств кабин лесозаготовительных машин

005008595

Хвоин Денис Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ КАБИН ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 ЯН8 2072

Петрозаводск - 2011

005008595

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Скобцов Игорь Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Колесников Геннадий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Марков Виктор Александрович

Ведущая организация: Московский государственный универ-

ситет леса

Защита диссертации состоится «27» января 2012 года в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 в Петрозаводском государственном университете (185910, Республика Карелия, Петрозаводск, пр. Ленина, 33).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского государственного университета

Автореферат разослан » 2011

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Р. В. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На существующем этапе развития экономики Российской Федерации на первый план встает проблема модернизации отечественного машиностроения. Без существенного прорыва в этой области Россия может окончательно стать сырьевым придатком не только развитых постиндустриальных, но и развивающихся стран. Необходимо на самом современном уровне решать вопросы проектирования, производства и эффективной эксплуатации различного вида продукции машиностроения, в том числе машин и оборудования лесного комплекса.

При переходе к рыночной экономике большинство из действующих стандартов, определяющих требования к надежности, производительности и другим показателям эффективности лесозаготовительных и лесо-хозяйственных машин, были отменены. Остались действующими лишь стандарты, определяющие требования к показателям безопасности и эргономики. Поэтому и проектирование лесных машин должно производиться не только с учетом требований рынка, но и в обязательном порядке с учетом требований вышеуказанных стандартов. Важнейшими из них являются стандарты по безопасности, регламентирующие поведение защитных устройств кабин операторов при опрокидывании колесных лесных тракторов и падении на них тяжелых предметов (вершин деревьев, сучьев, хлыстов и др.). По имеющимся данным, большинство защитных устройств кабин отечественных колесных лесозаготовительных тракторов, проходивших стендовые испытания, не в полной мере отвечают требованием стандартов. Очевидно, что сложившаяся ситуация требует скорейшего решения.

Существующие же в настоящее время методы расчета не позволяют даже качественно оценить на стадиях проектирования и доводки соответствие требуемых параметров безопасности защитных устройств оператора их нормативным значениям. Не разработаны методики, учитывающие пластические деформации защитных устройств, наличие возможных дефектов изготовления, случайный характер действующих нагрузок.

Учитывая, что вопросам модернизации отечественного машиностроения, в том числе и лесного, уделяется самое серьезное внимание, а также то, что при создании лесных машин необходимо обеспечить во время их эксплуатации безопасные условия труда оператора, а соответствующие методы оценки качества защитных устройств на стадии проектирования и доводки еще не разработаны, тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы. Повышение безопасности труда оператора трелевочного трактора путем оценки качества защитных устройств кабин при проектирований и доводке.

Научная новизна работы. Разработана и исследована математическая модель оценки напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины колесного трелевочного трактора при боковом нагруже-нии с учетом пластического деформирования, позволяющая определить величину энергии, поглощенной защитным устройством и оценить ее соответствие требованиям стандартов по безопасности труда операторов.

Предложена методика оценки напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины колесного трелевочного трактора при боковом нагружении с учетом влияния возможных технологических дефектов, позволяющая определить величину предельного размера дефекта и предельной нагрузки.

Проведены экспериментальные исследования макетных образцов защитных устройств колесного трелевочного трактора. Результаты экспериментов подтверждают адекватность математической модели.

Значимость для теории и практики. Расчет энергопоглощающих свойств защитного каркаса трелевочного трактора, выполненный по предложенной модели, позволяет на стадии проектирования с минимальной затратой времени оценить качество разрабатываемого защитного устройства с целью обеспечения безопасных условий труда оператора при эксплуатации создаваемой машины в будущем.

Результаты исследования позволяют дать количественную оценку соответствия требуемых параметров безопасности устройств защиты оператора их нормативным значениям.

Основные положения, выносимые на защиту: а обоснование исходной информации и расчетной схемы защитного

устройства кабины колесного трелевочного трактора; * математическая модель оценки величины поглощаемой энергии за счет упруго-пластических деформаций при боковом нагружении защитных устройств;

методика оценки влияния возможных технологических дефектов на прочность защитных устройств оператора; а методика и результаты экспериментальных исследований энергопоглощающих свойств защитного устройства; выводы и рекомендации по оценке качества защитных устройств. Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов работы подтверждается выбором и соответствующим применением методов исследований, данными экспериментальных испытаний и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на международной конференции «Водные и лесные ресурсы России: про-

блемы и перспективы использования, социальная значимость» (Пенза, 2009); на II и III Всероссийских конференциях «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008, 2009), на Х1П Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011), на международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (Петрозаводск, 2011) на научных семинарах кафедры технологии металлов и ремонта лесоинженерного факультета ПетрГУ (2008-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных трудов.

Реализация работы. Основные результаты используются на ОАО «Онежский , тракторный завод», в учебном процессе кафедры технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 125 страниц, 40 рисунков, 7 таблиц. Список использованных источников включает 92 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна; положения, выносимые на защиту; дана краткая аннотация работы.

В первой главе рассмотрены и проанализированы нормативно-технические документы, регламентирующие требования по безопасности при работе на самоходных лесных машинах, а также работы ведущих специалистов в области расчета конструкций с учетом пластических деформаций и в области влияния технологических дефектов на надежность конструкций лесозаготовительных машин. Проведен краткий обзор некоторых существующих конструкций защитных устройств кабин тракторов.

ГОСТ Р ИСО 8082-2005 предусматривает проведение статических испытаний защитных устройств кабин лесозаготовительных машин, при этом опрокидывание заменяется на боковое нагружение.

Устройство защиты при опрокидывании ROPS (roll-over protective structure): система конструктивных элементов, смонтированных на машине, позволяющая уменьшить опасность нанесения повреждения оператору, пристегнутому ремнем безопасности, при опрокидывании машины.

Объем ограничения деформации DLV (deflection-limiting volume): размеры зоны, которые определяют предельно допустимую деформацию устройств защиты при опрокидывании.

Согласно требованиям стандарта, поглощенную энергию следует определять по графику «деформация - усилие», при этом в период испытаний ни один элемент ROPS не должен входить в DLV. Разрушений элементов ROPS также не должно быть.

Вопросами общей теории пластического деформирования в различное время занимались А. Ж.-К. Сен-Венан, Леви, Р. Э. Мизес, Г. Генки, А. А. Ильюшин, И. А. Биргер, А. Ю. Ишлинский, О. Хилл и ряд других исследователей.

Установлено, что работ в области оценки упруго-пластических деформаций элементов конструкций лесозаготовительных машин крайне мало. Влияние возможных технологических дефектов на прочность защитных устройств оператора вообще не изучалось.

Результаты анализа позволили сформулировать следующие задачи исследования:

А создание математической модели напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины лесозаготовительного трактора, позволяющей с учетом упруго-пластических деформаций оценить величину поглощаемой энергии при боковом нагружении; л исследование влияния технологических дефектов на прочность защитного устройства кабины лесозаготовительного трактора; ж исследование энергопоглощающих свойств защитного устройства экспериментальным путем по уточненной методике с помощью измерительной аппаратуры; А проверка адекватности математических моделей путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований Вторая глава посвящена разработке математической модели напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины лесозаготовительного трактора и исследованию влияния технологических дефектов на прочность защитного устройства.

Методика расчета упругопластических деформаций защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора.

1. Определение величины бокового усилия F согласно требованиям

где М - масса колесной лесозаготовительной машины, кг. В работе расчет проводился для трактора ТЛК-4-01 массой М= 14500 кг. В этом

ГОСТ Р ИСО 8082-2005

случае величина бокового усилия составит /г= 105 Н. Защитное устройство при этом должно поглотить энергию деформации не менее

и=12500

•С—] {10000)

1.25

= 12500-

(14500Л

1.25

= 19890 Дж.

{10000)

2. Построение методом конечных элементов (МКЭ) модели защитной рамы с приложением бокового усилия Р (рисунок 1), Защитная рама кабины трактора ТЛК-4-01 представляется в виде стержневой конструкции (сечение стержня - полый квадрат, опоры - в виде шарнирных закреплений).

Уровни а/. МПл

Рисунок 1 — Конечно-элементная модель защитной рамы

3. Решение упругой задачи в первом приближении, т. е. определение методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния без учета пластического течения материала защитной рамы. Конечно-элементная модель с интенсивностью напряжений а{ первой итерации, построенная при помощи пакета прикладных программ «Зенит», представлена на рисунке 1.

4. Определение переменных параметров упругости согласно методу,

предложенному И.А. Биргером:

_—^_;

2(7 + р)+(7-2р)ср ' * (/ + р)-(7-2р)р 2(/ + р)+(/-2ц)р'

где Е - модуль Юнга;

р - коэффициент Пуассона;

Ф - функция пластичности, определяющая зависимость параметров упругости от свойств пластического деформирования,

Б/

Здесь о. = - относительная интенсивность напряжений;

ё- = —— относительная интенсивность деформаций; гт

Oj, е,- - соответственно интенсивности напряжений и деформаций; °т' £т ~ соответственно предел текучести материала защитной рамы и деформация, соответствующая пределу текучести.

Расчет ведется по идеализированной диаграмме деформирования, построенной в координатах о - г (рисунок 2), при этом

ф = /£У при СТ; > <5Т ; Ф = ^а при а,- < ат;

Е

где Е], Е - модули упругости участков СА и несоответственно. Окончательно для идеализированной диаграммы

|7,сг,- <ат

---,а,- > От-

Таким образом, в нашем случае при начальном уровне интенсивности напряжений <у- = 691 МПа переменный модуль упругости составил Е* =6389 МПа.

5. Повторное решение задачи в упругой постановке МКЭ с использованием вычисленных значений Е* и/. Определение интенсивности

напряжений второй итерации а/7 = 448 МПа и нового значения

Е* - 6054 МПа. В нашем случае уже на третьем приближении различие в значениях переменного модуля упругости несущественно и составляет

АЕ'= 6Ш ~ 6054-100% = 5.2%. 6389

о(е),МПа

Рисунок 2 - Идеализированная диаграмма деформирования

6. Совмещение модели ЭЬУ с конечно-элементной моделью защитного каркаса и определение предельной деформации при которой происходит касание элементом ЯОРБ зоны ЭЬУ (рисунок 3). В нашем случае, для защитного каркаса трелевочного трактора ТЛК-4-01 предельно допустимая деформация, соответствующая достижению ОЬУ, составляет Др^- 0.396 м (е0/_к= 2.4 %).

- »

УИНИНШШШШШ татптпш ь

| / : / 1 / !/ У гшш / / шши р

№ т 41

Рисунок 3 - К определению предельной деформации Аш у

7. Определение по диаграмме деформирования а - г величины энергии и ом поглощенной конструкцией защитного каркаса, соответствующей предельно допустимой деформации Для нашего случая величина поглощенной энергии составила = 20115 Дж.

8. Сравнение полученной величины энергии Ущу с величиной и, рекомендованной в соответствии с требованиями стандарта. Поскольку и01у> и, значит энергопоглощающие свойства ЯОРБ в нашем случае для колесного скиддера ТЖ 4-01 отвечают требованиям действующих стандартов.

Во втором разделе исследовалось также влияние технологических дефектов на прочность защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора. Это вызвано тем, что одним из главных требований стандартов является условие неразрушения элементов ЛОР8 при испытаниях.

Материалы реальных конструкций еще до эксплуатации могут иметь исходные технологические повреждения в виде трещин, несплошностей, рисок от механической обработки, литейных раковин и дефектов сварки, которые можно рассматривать как элементы начала разрушения. В рамках работы, после проведения расчета действующих напряжений при нагружении защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора ТЛК-4-01 боковой силой (рисунок 1), были рассмотрены три

случая наличия в опасных сечениях (а{ = 691 МПа) трещин различных типов: сквозной, граничной краевой и полуэллиптической.

В качестве критерия оценки был принят коэффициент интенсивности напряжений

К, =У/(7;стл/тГ7

где ¥¡(1) - функция, зависящая от геометрической формы конструкции и длины трещины;

а - действующее номинальное напряжение, которое растягивает трещину;

/ - длина (полудлина) трещины.

Величина коэффициента К1 вычислялась для следующих случаев: сквозная трещина, у,(1) = 1.о; граничная краевая трещина, У,(1) = 1.1215; полуэллиптическая трещина (рисунок 4)

где 8 - толщина стенки.

т

Рисунок 4 -Полуэллиптическая трещина

Графики зависимости коэффициента интенсивности напряжений от длины трещины и приложенной нагрузки К1(1,Р) для случая образования полуэллиптической трещины представлены на рисунке 5.

Условием локального разрушения (страгивания трещины) является равенство коэффициента интенсивности напряжений А"/ его критическому значению К ¡£:

= К1С ■

Критический коэффициент интенсивности напряжений для стали 50 составляет К!С - 29МПа ■ -[м . Величина предельной длины трещины 1„р и нагрузки Рпр согласно результатам расчета: для полуэллиптической трещины 1„р = 0.8 мм (рисунок 5), для краевой трещины 1„р = 0.4 мм; для сквозной трещины 1пр = 0.6 мм.

Предельную нагрузку Рпр для любой определенной длины трещины / можно определить путем решения обратной задачи. Так, например, для / = 2 мм предельная нагрузка составит: для полуэллиптической трещины Гпр =58 кН (рисунок 5, б), для краевой трещины Рпр =46 кН; для сквозной трещины =51 кН.

В случае отсутствия дефектов предельная нагрузка составляет 116 кН. При ее приложении величина максимальных напряжений в местах закрепления каркаса составляет 800 МПа, что соответствует пределу прочности стали 50. Таким образом, наличие трещиноподобных дефектов, пусть даже небольшой величины, существенно снижает разрушающую нагрузку.

В третьей главе рассмотрена методика, объект и аппаратура экспериментальных исследований.

Методика предусматривала проведение испытаний макетных образцов защитного устройства кабины лесозаготовительной машины на испытательном стенде.

"•'О 0.9012

Рисунок 5 - Случай образования полуэллиптической трещины: а) зависимость К,(1) при нагрузке 100 кН; б) зависимость К/Р) при длине дефекта 1 = 2 мм; в) поверхность коэффициента КI (I,Р)

В качестве объекта испытаний выступал макетный образец защитной рамы колесного трелевочного трактора ТЛК 4-01, выполненный в уменьшенном масштабе М 1:4.

Испытания проводились в лаборатории механики ПетрГУ. Программа испытаний предусматривала оценку энергопоглощающих свойств защитного каркаса кабины трелевочного трактора и включала определение следующих основных параметров:

^ линейной деформации Д;

* усилия, прикладываемого к устройству защиты Б;

потенциальной энергии деформирования и.

Макетный образец устройства защиты устанавливался на стенде с помощью специального приспособления (рисунок 5), жесткость которого в вертикальной плоскости значительно превышает жесткость макета защитного устройства.

Рисунок 5 - Схема приспособления для установки объекта испытаний на стенд: 1 - верхний швеллер; 2 - боковые тяги; 3 - нижний швеллер; 4 - вертикальный швеллер; 5 - макетный образец защитной рамы

В качестве испытательного стенда использовалась разрывная машина Р-5, которая служит для определения механических свойств материалов, а также для испытаний деталей, сборочных единиц и изделий путём повреждения или разрушения. Стенд оснащен диаграммным аппаратом, записывающим процесс нагружения в координатах «нагрузка - деформация». Полученная площадь под результирующей кривой «нагрузка -деформация» равна поглощенной энергии.

Площадь заштрихованной фигуры (рисунок 6) соответствует энергии ий1у, поглощенной конструкцией до достижения предельно допустимой деформации Дом-

Экспериментальные значения поглощаемой макетом защитного устройства энергии пересчитывались для реального защитного устройства.

Четвертая глава посвящена обработке экспериментальных данных и их сравнению с теоретическими. В ходе обработки экспериментальных данных были построены доверительные интервалы для математического ожидания

_ ^ _ ^

и среднеквадратического отклонения поглощенной энергии при уровне значимости а = 0.05

К»-*)-$

<ап <

2

Ц!+р)/2

{"-!)■ Su

v2

Ц1-р)/2

Опытные данные, а также результаты их обработки представлены в таблице!.

Рисунок 6 - Диаграмма деформирования при достижении образцом предельно допустимой деформации Ащу

Таблица 1

Результаты экспериментальных исследований энергии деформирования, Дж

№ U; и границы доверительного интервала для Шу границы доверительного интервала для а1( ист'

1 2 3 20687 27064 26405 20150 верхняя граница, 22775 4133 верхняя граница, 7013 19890

4 5 6 25739 18890 19127

7 8 9 19784 16963 16594 нижняя граница, 17525 нижняя граница, 2929

10 11 12 15690 19634 15283

* Ucm -значение энергии деформирования, рекомендованное стандартом

Поскольку при планировании эксперимента в основу определения числа опытов было положено стремление уменьшить суммарную случайную ошибку, было принято решение о проведении четырех серий опытов по три измерения в каждой серии (экспериментальные образцы защитных каркасов для каждой серии опытов изготавливались разными сварщиками).

Доверительная вероятность принималась равнойр = 0.95.

Нормальность распределения проверялась по критерию х,2 (критерий Пирсона).

Для проверки равноточности опытов, составляющих эксперимент, проверялась гипотеза об однородности ряда дисперсий каждой серии опытов. Дисперсии называются однородными, если они определены по выборкам, извлеченным из одной и той же генеральной совокупности. Проверка гипотезы осуществлялась по О-критерию Кочрена. Результаты проверки представлены в таблице 2.

Таблица 2

Проверка однородности дисперсий результатов

Энергия в джоулях

№ № опыта С Скр

серии 1 2 3 К/Дк2

1 20687 27064 26405 24719 12.3

2 25739 18890 19127 21252 15.1 0.41 0.77

3 19784 16963 16594 17780 3.05

4 15690 19634 15283 16829 5.78

Поскольку расчетные значения критерия Кочрена не превысили табличных, был сделан вывод об однородности дисперсий.

В пятой главе производилась проверка адекватности предложенной математической модели с использованием Р-критерия. В таблице 3 приведены результаты проверки.

Таблица 3

Проверка адекватности

параметр Дж2 ад, Дж2 Дж 81 ^ воеггр* Дж1 /г * кр

и 3.8510' 9.62-1& 7.25-10' 9.058-К/' 1.06 3.84

В зависимости от уровня значимости а = 0.05 и чисел степеней свободы т1=т = 4ит2=М-т = 12-4=8 определяем критическое значение критерия Фишера Ркр = 3.84. Поскольку расчетные значения кри-

терия не превышают табличных (Р < Ркр), делаем вывод об адекватности математической модели.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

1. Кабины колесных трелевочных тракторов имеют технические решения, отличные от кабин тракторов промышленного и сельскохозяйственного назначения, что обусловлено специфическими условиями работы лесной техники.

2. Нормативные документы, действующие в области лесного машиностроения и регламентирующие требования по безопасности и методам испытаний, требуют оснащать кабины лесозаготовительных машин устройствами защиты, прошедшими стендовые испытания.

3. Выявлено, что на сегодняшний день на территории РФ действует только одна испытательная лаборатория, занимающаяся экспериментальной оценкой защитных свойств кабин лесозаготовительных машин, при этом испытания требуют больших затрат времени и средств. Существующие же в настоящее время методы расчета не позволяют даже качественно оценить на стадиях проецирования и доводки соответствие требуемых параметров безопасности защитных устройств оператора их нормативным значениям. Не разработаны методики, учитывающие пластические деформации защитных устройств, наличие возможных дефектов изготовления.

4. Предложенная математическая модель оценки напряженно-деформированного состояния ЯОРБ при боковом нагружении позволяет на стадии проектирования и доводки оценить энергопоглощающие свойства КОРй с минимальной затратой времени, что, в свою очередь, позволяет судить о качестве разрабатываемого защитного устройства и степени обеспечения безопасных условий труда оператора при эксплуатации создаваемой машины в будущем. Согласно расчетам, проведенным для защитного устройства кабины колесного трелевочного трактора ТЛК 4-01, величина энергии, поглощенной конструкцией до достижения предельно допустимой деформации, составила О= 20.115 кДж, что соответствует требованиям действующих стандартов.

5. Разработанная методика оценки напряженно-деформированного состояния ИОРБ кабины колесного трелевочного трактора при боковом нагружении с учетом влияния технологических дефектов позволяет оценивать величину предельной длины дефекта и нагрузки. Так, для кабины трактора ТЛК 4-01 (максимальная испытательная нагрузка 100 кН) в случае возникновения полуэллиптической трещины пре-

дельная длина ее составит 1„р = 0.8 мм, краевой трещины 1пр = 0.4 мм, сквозной трещины 1„р = 0.6 мм. Предельную нагрузку Рпр для любой определенной длины трещины I можно определить путем решения обратной задачи. Для / = 2 мм предельная нагрузка составит: для полуэллиптической трещины =58 кН, для краевой трещины =46 кН; для сквозной трещины Рпр =51 кН.

6. Адекватность предложенной модели подтверждается данными экспериментальных исследований, проведенных на макетных образцах защитного устройства кабины трактора ТЛК 4-01. Адекватность проверялась с использованием Р-критерия.

7. Результаты исследования приняты к внедрению ОАО «Онежский тракторный завод».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Питухин А. В., СкобцовИ. Г., ХвоинД. А. Исследование влияния технологических дефектов на прочность защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора // Вестник Московского государственного университета леса Лесной вестник. № 1. - М.: Изд-во МГУЛ, 2010. - С. 89-91. (доля участия 25 %)

2. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. К расчету упругопла-стических деформаций защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора с использованием метода переменных параметров упругости // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. - 2011. -№ 194. - С. 77-83. (доля участия 30 %)

3. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Экспериментальная оценка эффективности защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора // Фундаментальные исследования. № 12. -М.: ИД Академия естествознания, 2011. - С. 155-157. (доля участия 35 %)

4. Хвоин Д. А., Питухин А. В. Оценка энергии деформирования конструкций с использованием методов теории катастроф // Безопасность критичных инфраструктур и территорий: Тезисы докладов II Всероссийской конференции и XII школы молодых ученых. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. - С. 183. (доля участия 50 %)

5. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния балансиров гусеничного трелевочного трактора методом конечных элементов // Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость: Сборник статей Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2009. - С. 92-94. (доля участия 20 %)

6. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Оценка вероятности безотказной работы элементов конструкций с трещиноподобными дефектами // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. Серия: Естественные и технические науки. №9 (103). -Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2009. - С. 85-87. (доля участия 35 %)

7. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Расчетная оценка напряженно-деформированного состояния устройства защиты оператора при опрокидывании колесного трактора // Безопасность критичных инфраструктур и территорий: Материалы III Всероссийской конференции и XIII Школы молодых ученых. - Екатеринбург: УрО РАН, 2009. - С. 298-299. (доля участия 33 %)

8. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Оценка эффективности защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора // Современные технологии в машиностроении: Сборник статей XIII Международной научно-практической конференции. - Пенза, 2009. -С. 154-156. (доля участия 30 %)

9. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Экспериментальные исследования макетного образца устройства защиты кабины колесного трелевочного трактора // Актуальные проблемы лесного комплекса: Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Вып. 25 - Брянск: БГИТА, 2010. - С. 166-169. (доля участия 30 %)

10. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Программа-методика проведения испытаний макетного образца защитной рамы кабины колесного трелевочного трактора // Труды лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Вып. 8. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2010. -С. 117-119. (доля участия 20 %) И. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Оценка энергопогло-щающих свойств защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора // Актуальные проблемы развития лесного комплекса: Материалы международной научно-технической конференции. -Вологда: ВоГТУ, 2011. - С. 156-158. (доля участия 33 %) 12. Питухин А. В., Скобцов И. Г., Хвоин Д. А. Организация и проведение испытаний макетного образца устройства защиты кабины колесного трелевочного трактора // Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии: материалы международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ. - Петрозаводск, 2011. - С. 33-35. (доля участия 25 %)

Подписано в печать 20.12.11. Формат 60x84 . Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Изд. № 246.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Отпечатано в типографии Издательства ПетрГУ 185910, г. Петрозаводск, пр. Ленина, 33

61 12-5/1306

Петрозаводский государственный университет

На правах рукописи

Хвоин Денис Андреевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАЩИТНЫХ УСТРОЙСТВ КАБИН ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

05.21.01 Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Скобцов ИТ.

Петрозаводск 2011

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ............... 8

1.1 Анализ конструктивных решений защитных устройств кабин ле-

созаготовительных машин................................................... 8

1.2 Требования действующих стандартов по безопасности при работе

на самоходных лесных машинах.......................................... 23

1.3 Краткий обзор методов расчета конструкций с учетом пластиче-

ских деформаций............................................................ 33

1.4 Состояние работ в области влияния технологических дефектов на

надежность конструкций лесозаготовительных машин.......... 43

1.5 Результаты анализа рассмотренных работ............................... 49

2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА КАБИНЫ КОЛЕСНОГО ТРЕЛЕВОЧНОГО ТРАКТОРА......... 51

2.1 Методика расчета упругопластических деформаций защитной ра-

мы кабины колесного трелевочного трактора....................... 51

2.2 Исследование влияния технологических дефектов на прочность

защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора 61

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................... 80

3.1 Цель и задачи исследований................................................ 80

3.2 Программа и условия проведения эксперимента....................... 80

3.3 Аппаратура и методы измерения основных параметров.............. 83

4. ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ............................................94

5. ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ............101

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ......................106

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................................108

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Техническая характеристика ТЖ 4-01 117

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Справка о внедрении результатов научных исследований 118

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Программа-методика экспериментальных исследований 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На существующем этапе развития экономики Российской Федерации на первый план встает проблема модернизации отечественного машиностроения. Без существенного прорыва в этой области Россия может окончательно стать сырьевым придатком не только развитых постиндустриальных, но и развивающихся стран. Необходимо на самом современном уровне решать вопросы проектирования, производства и эффективной эксплуатации различного вида продукции машиностроения, в том числе машин и оборудования лесного комплекса.

При переходе к рыночной экономике большинство из действующих стандартов, определяющих требования к надежности, производительности и другим показателям эффективности лесозаготовительных и лесохозяйственных машин, были отменены. Остались действующими лишь стандарты, определяющие требования к показателям безопасности и эргономики. Поэтому и проектирование лесных машин должно производиться не только с учетом требований рынка, но и в обязательном порядке с учетом требований вышеуказанных стандартов. Важнейшими из них являются стандарты по безопасности, регламентирующие поведение защитных устройств кабин операторов при опрокидывании колесных лесных тракторов и падении на них тяжелых предметов (вершин деревьев, сучьев, хлыстов и др.).

Существующие же в настоящее время методы расчета не позволяют даже качественно оценить на стадиях проектирования и доводки соответствие требуемых параметров безопасности защитных устройств оператора их нормативным значениям. Не разработаны методики, учитывающие пластические деформации защитных устройств, наличие возможных дефектов изготовления, случайный характер действующих нагрузок.

Учитывая, что вопросам модернизации отечественного машиностроения, в том числе и лесного, уделяется самое серьезное внимание, а также то, что при создании лесных машин необходимо обеспечить во время их эксплуатации

безопасные условия труда оператора, а соответствующие методы оценки качества защитных устройств на стадии проектирования и доводки еще не разработаны, тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы. Повышение безопасности труда оператора трелевочного трактора путем оценки качества защитных устройств кабин при проектировании и доводке.

Задачи исследований. Исходя из актуальности проблемы и цели работы, задачи исследований формулируются следующим образом:

• анализ научно-технической, нормативной, справочной и другой литературы в области проектирования защитных устройств кабин тракторов, а также оценки параметров их безопасности;

• разработка математической модели напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины лесозаготовительного трактора с учетом пластических деформаций;

• исследование влияния технологических дефектов на прочность защитного устройства кабины лесозаготовительного трактора;

• исследование энергопоглощающих свойств геометрически подобной модели защитного устройства экспериментальным путем;

• проверка адекватности математической модели путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Объекты и методы исследований: объектами исследований являются: защитный каркас кабины колесного трелевочного трактора ТЖ-4-01 Онежского тракторного завода; макетные образцы защитного каркаса, изготовленные в уменьшенном масштабе; в работе использованы методы математического моделирования напряженно-деформированного состояния твердого тела, экспериментального исследования энергопоглощающих свойств защитного устройства, математической статистики.

Научная новизна работы. Разработана и исследована математическая модель оценки напряженно-деформированного состояния защитного устройства

кабины колесного трелевочного трактора при боковом нагружении с учетом пластического деформирования, позволяющая определить величину энергии, поглощенной защитным устройством и оценить ее соответствие требованиям стандартов по безопасности труда операторов.

Предложена методика оценки напряженно-деформированного состояния защитного устройства кабины колесного трелевочного трактора при боковом нагружении с учетом влияния возможных технологических дефектов, позволяющая определить величину предельного размера дефекта и предельной нагрузки.

Проведены экспериментальные исследования макетных образцов защитных устройств колесного трелевочного трактора. Результаты экспериментов подтверждают адекватность математической модели.

Значимость для теории и практики. Расчет энергопоглощающих свойств защитного каркаса трелевочного трактора, выполненный по предложенной модели, позволяет на стадии проектирования с минимальной затратой времени оценить качество разрабатываемого защитного устройства с целью обеспечения безопасных условий труда оператора при эксплуатации создаваемой машины в будущем.

Результаты исследования позволяют дать количественную оценку соответствия требуемых параметров безопасности устройств защиты оператора их нормативным значениям.

Основные положения. выносимые на защиту:

•обоснование исходной информации и расчетной схемы защитного устройства кабины колесного трелевочного трактора;

•математическая модель оценки величины поглощаемой энергии за счет упруго-пластических деформаций при боковом нагружении защитных устройств;

•методика оценки влияния возможных технологических дефектов на прочность защитных устройств оператора;

•методика и результаты экспериментальных исследований энергопогло-щающих свойств защитного устройства;

•выводы и рекомендации по оценке качества защитных устройств. Обоснованность и достоверность результатов исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается данными экспериментальных испытаний и положительным опытом внедрения разработок в практическую деятельность.

Апробаиия работы. Основные положения работы обсуждались на международной конференции «Водные и лесные ресурсы России: проблемы и перспективы использования, социальная значимость» (Пенза, 2009); на II и 1П Всероссийских конференциях «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008, 2009), на XIII Международной научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2009), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы лесного комплекса» (Брянск, 2010), на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2011), на международной научно-технической конференции, посвященной 60-летию лесоинженерного факультета ПетрГУ «Опыт лесопользования в условиях Северо-Запада РФ и Фенноскандии» (Петрозаводск, 2011) на научных семинарах кафедры технологии металлов и ремонта лесоинженерного факультета ПетрГУ (2008-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных трудов. Реализация работы. Основные результаты используются на ОАО «Онежский тракторный завод», в учебном процессе кафедры технологии металлов и ремонта Петрозаводского государственного университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Общий объем работы 125 страниц, 40 рисунков, 7 таблиц. Список использованных источников включает 92 наименования.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Обзор конструктивных решений защитных устройств кабин лесозаготовительных машин

Повышение энергонасыщенности лесных машин, увеличение рабочих скоростей выполнения технологических и транспортных операций влечет за собой интенсификацию труда оператора, работа которого сопровождается не только воздействием вибрации, шума, вредных примесей в воздухе, сильного мышечного и нервно-эмоционального напряжения, но и риска нанесения повреждений в случае опрокидывания управляемой им машины или падения на ее кабину спиленного дерева.

С целью улучшения условий труда и для повышения безопасности во всех развитых странах были введены требования по установке на тракторах (колесных и гусеничных) защитных кабин и устройств [19-23].

Установка защитных кабин, оснащение их средствами нормализации микроклимата и оборудованием, улучшающим условия работы и повышающим безопасность труда, а также шумоизоляция кабин привели к значительному увеличению их массы (она составляет 5-10 % массы трактора). Таким образом, при разработке кабин рациональных конструкций необходимо решать противоречивые задачи. С одной стороны, повышение прочности для защиты оператора при опрокидывании машины или падении дерева приводит, как правило, к увеличению ее массы и размеров поперечных сечений несущих элементов каркаса. С другой стороны, вследствие необходимости повышения долговечности кабины, снижения динамических нагрузок на остов трактора и экономических требований следует снижать металлоемкость конструкции, а для выполнения требований по обзорности - уменьшать поперечные размеры несущих элементов каркаса.

Одно из возможных направлений при решении данной проблемы -установка энергопоглощающих устройств в различных местах кабины, в частности, по ее контуру, в опорах крепления к раме трактора и т.п. Они

поглощают значительную часть энергии в момент удара при опрокидывании трактора или при падении на его кабину спиленного дерева, что позволяет снизить металлоемкость трелевочной машины [61-70].

Вид аварийной ситуации, характерной при эксплуатации машины, во многом определяет конструктивное исполнение защитной конструкции, метод ее испытаний.

Так, для колесных сельскохозяйственных тракторов с классической схемой компоновки характерны случаи опрокидывания набок, на передний угловой стык и назад; причем при опрокидывании трактор может совершить несколько оборотов. Отсюда и требование к защитной конструкции, и ее конструктивное исполнение для предохранения оператора при опрокидывании трактора и ударе кабины о грунт боковой, передней или задней кромкой кабины и от переворачивания через крышу. Метод испытаний также имитирует в определенной последовательности нагружение защитной кабины этого типа машин на стенде - сбоку, спереди и сверху.

Для промышленных тракторов характерны боковое опрокидывание с переворачиванием через крышу кабины и падение камней на крышу при работе в карьерах или на горных разработках. Отсюда включение в конструкцию кабины прочных боковых стоек и исполнение крыши в виде плоской решетчатой рамы или из толстого стального листа. Метод лабораторных испытаний предусматривает приложение к верху боковой стенки и к крыше кабины горизонтальной и вертикальной статических нагрузок соответственно заданной в зависимости от массы трактора величины, а также сбрасывание стандартизованного груза на крышу кабины с определенной высоты.

Для гусеничных лесных тракторов характерная аварийная ситуация -падение на кабину или капот двигателя деревьев, а на крышу веток и сучьев. Поэтому для машин данного типа предусматривается защита от повреждений как кабины, так и моторного отсека. Характерна также более прочная, чем для сельскохозяйственных тракторов, крыша.

Существует большое разнообразие конструктивных схем каркасов и кабин, отдельных узлов и деталей защитных устройств, креплений каркасов и кабин к остову трактора, а также демпфирующих динамический нагрузки устройств [31]. Несмотря на большое разнообразие, все принципиальные схемы защитных каркасов классифицируют по конструктивному исполнению и числу вертикальных силовых элементов. Рассмотренные защитные устройства можно разделить на два вида: двух- и многостоечные каркасы, безотносительно встроенные в кабину или оконтуривающие ее.

1.1.1 Двухстоечные защитные каркасы.

Для защиты оператора трактора от падающих предметов на вертикальных стойках установлена консольная защитная крыша. Для обеспечения безопасности оператора на тракторах стали устанавливать простейшие защитные конструкции арочного типа, расположенные над головой [32].

Для защиты оператора промышленных тракторов от падающих предметов на вертикальных стойках 1 (рисунок 1.1) установлена консольная защитная крыша 2. Стойки защитного каркаса на промышленных тракторах крепят обычно к раме.

Для обеспечения безопасности оператора с учетом требований его защиты на тракторах стали устанавливать простейшие защитные конструкции арочного типа, расположенные над головой. Простейшая конструкция защитной арки состояла из двух вертикальных стоек и верхней перемычки, выполненных из стандартного профиля.

Одним из примеров простейшей конструкции защитной арки может служить конструкция (рисунок 1.2), описанная в патенте Великобритании (№ 15.52.913 кл. В7В).

Рисунок 1.1 - Двухстоечный защитный каркас 1 - вертикальные стойки; 2 - крыша

Рисунок 1.2 - Защитная конструкция кабины простого типа 1 - дуга; 2 - горизонтальная скоба; 3 - болт

Защитная арка представляет собой и-образную дугу 1 из трубы круглого профиля. В ее нижние концы введены круглые штыри, наружный диаметр которых равен внутреннему диаметру трубы. Дуга на штырях закреплена болтами 3. Установочные штыри приварены к двум параллельным пластинам, которые, в свою очередь, прикреплены болтами к задним полуосям. К верхней части и-образной дуги приварена горизонтальная скоба 2 из трубы несколько меньшего диаметра, служащая для восприятия ударных нагрузок при опрокидывании назад.

Рассмотренные выше двухстоечные защитные каркасы обеспечивают безопасность оператора в основном при опрокидывании трактора набок (при малой скорости движения) и назад, но малоэффективны, если трактор опрокидывается при движении с достаточно высокой скоростью.

1.1.2 Многостоечные защитные каркасы

Дальнейшее развитие защитных средств связано с созданием многостоечных каркасов, обеспечивающих безопасность оператора в любых случаях опрокидывания.

Различают четырех- и шестистоечные (рисунки 1.3 - 1.5) защитные каркасы, которые применяются как на сельскохозяйственных, так и на промышленных тракторах. При этом принципиальные схемы каркасов можно считать одинаковыми при различном конструктивном их исполнении.

Основные несущие элементы многостоечных защитных каркасов выполняют из стандартного профильного проката прямоугольного или круглого сечения. Каркасы крепят к раме трактора и задним полуосям колесны�