автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение надежности манипуляторов лесных машин путем обеспечения безотказности и долговечности опорно-поворотных устройств

, „САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ -

: . " На правах рукописи

Костюкевич Вадим Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ МАНИПУЛЯТОРОВ ЛЕСНЫХ МАШИН ПУТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОТКАЗНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ ОПОРНО-ПОВОРОТНЫХ УСТРОЙСТВ

05.21.01. - Технология и машины лесного а

и . лесозаготовок

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1995

Работа выполнена на кафедре технологии лесозаготовительных производств и проектирования специальных лесных машин Санкт-Петербургской лесотехнической академии.

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор АНДРЕЕВ В. Н.

Официальные'оппоненты

- доктор технических наук, профессор БАЛИХИН В. В.

- кандидат технических наук, доцент МАЗУРКЕВИЧ М.А.

Ведущее предприятие

АО "Онежский тракторный завод"

Защита диссертации состоится "_" _ 1995 г.

в _ часов на заседании специализированного совета

Д.062.50.01 в Санкт-Петербургской лесотехнической академии. ( 194018. Санкт-Петербург. Институтский пер.. д. 5. главное здание, зал заседаний).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан "_" _ 1995 года.

Ученый секретарь специализированного совета

Г.М.АНИСИМОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тепы. В настоящее время вопросы создания конку-рентноспособной высокоэффективной техники приобретает особое значение для отечественных производителей лесозаготовительных машин. С одной стороны это связано с сохранением рабочих мест на предприятиях-производителях. с другой стороны, насыщение рынка лесозаготовительной техники отечественными высокопроизводительными лесными машинами (JIM) отвечает национальным интересам России.

Решению поставленной задачи способствует оснащение отрасли надежными лесозаготовительными машинами манипуляторного типа. Однако надежность и эффективность использования отечественных гидроманипуляторов (ГМ) JIM не отвечает современным требованиям из-за частых отказов металлоконструкции (МК) ГМ JIM. Вопросам надежности манипуляторов ЛМ посвящено достаточно большое количество количество работ, но основной акцент в них сделан на исследование МК стрелы и рукояти, хотя опорно-поворотное устройство (ОПУ) является не менее нагруженной частью технологического оборудования (ТО), а конструкция его сложнее, т.к. помимо сварной металлоконструкции поворотной колонки имеется механизм поворота. С другой стороны, отказ ОПУ может привести к аварийной ситуации. В этой связи разработка комплексной методики оценки надежности ОПУ с' учетом особенностей эксплуатационной нагруженности, реальной геометрии и технологии изготовления является актуальной и имеет большое практическое значение.

Цель работы. Повышение эффективности функционирования лесных машин манипуляторного типа на этапе проектирования за счет повышения показателей безотказности и долговечности опорно-поворотных устройств.

Научная новизна работы. Разработана комплексная методика определения безотказности и долговечности опорно-поворотных устройств (ОПУ) гидроманипуляторов (В!) лесных машин (ЛМ). отличающаяся использованием взаимодействующих двухуровневых иерархических моделей оценки напряженно-деформированного состояния (детерминированная) и определения показателей надежности (вероятностная).

Детерминированная модель представляет иерархическую структуру. отличающуюся тем, что с помощью метода конечных элементов на

верхнем уровне определяется уровень динамических нагрузок на элементы ОПУ. а на нижнем уровне производится оценка их напряженно-деформированного состояния.

Вероятностная модель - это иерархическая структура, которая отличается тем. что на верхнем уровне используется имитационное моделирование с применением дискретной динамической модели манипулятора, а на нижнем уровне для оценки безотказности и долговечности ОПУ используются при"ципы механики разрушения.

Разработаны обоснованные рекомендации к конструктивным параметрам и технологии изготовления ОПУ манипулятора, отличающиеся тем. что получены с использованием в качестве характеристики несущей способности вязкости разрушения, а уровня нагруженное™ -коэффициента интенсивности напряжений.

Практическая значимость и реализация работы. Предложенный в диссертации метод комплексной оценки надежности реализован в виде алгоритмов и программ, которые использованы в качестве модулей САПР технологического оборудования ЛМ. позволяя улучшить качество проектных решений и сократить сроки проектирования и доводки, снизить потери при эксплуатации за счет повышения надежности. Результаты теоретических и экспериментальных решений полезны при проектировании, совершенствовании и анализе существующих ОПУ ГМ. Полученные в работе рекомендации дают возможность увеличить ресурс элементов ОПУ. получать более достоверные оценки уровня надежности ОПУ ГМ, анализировать НДС элементов ОПУ с выявлением опасных зон.

Основные научные положения и результаты внедрены: в конструкторском бюро завода лесного машиностроения "Краслесмаш" при проектировании манипуляторного погрузчика ЛТ-203, в головном специализированном конструкторском бюро АО "Онежский тракторный завод". в Петрозаводском государственном университете в учебном процессе при изучении курсов "Проектирование лесопромышленного оборудования". "Математические методы и модели в расчетах на ЭВМ".

Основные положения, выно^чмые на защиту. Возможность реализации детерминированной и вероятностной моделей иерархической структуры для определения напрякенно-деформированного состояния, вероятности безотказной работы и ресурса элементов опорно-поворотных устройств гидроманипуляторов лесных машин.

Возможность определения максимальных динамических нагрузок в

опорно-поворотных устройствах гидроманипуляторов лесных машин с помощью дискретно-континуальной модели с использованием суперэлементов.

Возможность использования принципов механики разрушения для разработки рекомендаций по рациональным конструкторско-технологи-ческим мероприятиям, обеспечивающим высокую безотказность и долговечность конструкции.

Апробация работы. Полученные в результате работы материалы и основные результаты докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры "Технологии лесозаготовительных производств" ЛТА. а также на международной конференции "Леса, окружающая среда и новые технологии в северной Европе"{1993г.). Результаты исследований отражены в отчете кафедры "Технологии металлов и ремонта" ПГУ по научно-исследовательской теме 100-95 "Пути повышения надежности лесных машин при проектировании, изготовлении и эксплуатации".

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 4 печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 143 наименования, и приложений. Общий объем работы составляет 246 е.. из них - машинописного текста 149' е.. 43 рис., 6 табл. и приложений - 34 с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и основные научные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрено состояние вопроса в области механизации лесосечных работ и роли манипуляторного технологического оборудования в ее разрешении. Показана целесообразность и эффективность применения манипуляторного технологического оборудования, однако отмечена низкая надежность отечественных манипуляторов. являющаяся следствием низкого качества изготовления и высокой динамической нагрукенности технологического оборудования. Приведен анализ конструктивных решений опорно-поворотных уст-ройс?в, являющихся наиболее сложной составной частью манипулятор-

нога технологического оборудования. Показано, что лучшими конструктивными параметрами обладают реечные механизмы поворота, что обуславливает их широкое применение.

На основании анализа эксплуатационных и полигонных отказов технологического оборудования манипуляторного типа делается вывод о целесообразности разработки комплексной модели исследования надежности ОПУ, учитывающей конструктивные особенности, технологию изготовления и условия эксплуатации объекта.

Рассмотрена особенность эксплуатационных нагрузок манипулятора JIM. отражающая влияние природно-производственных условий эксплуатации на функционирование лесных машин манипуляторного типа. выявлены причины высокого уровня динамической нагруженности манипулятора, основной из которых является большое число пус-ко-тормозных режимов работы, вызванных спецификой предмета труда и конструктивными особенностями технологического оборудования ЛМ.

На основании анализа методов расчета на прочность и оценки надежности делается вывод о том. что низкая надежность элементов манипуляторного ТО является следствием несовершенстза используемых методик, зачастую не отражающих реальной картины НДС элементов ТО. обусловленной характером эксплуатационной нагруженности. конструктивные особенности и технологию изготовления.

Сделан вывод о том. что технология изготовления обуславливает присутствие ряда специфичных факторов (трещиноподобные технологические дефекты, концентраторы напряжения, остаточные сварочные напряжения), учесть которые возможно с использованием принципов механики разрушения. С учетом сделанных выводов и исходя из цели работы сформулированы следующие основные задачи исследования:

1. Разработать математическую модель нагруженности ОПУ ГМ и произвести динамический анализ опорно-поворотного устройства манипулятора и. с ее помощью, произвести оценку пиковых напряжений, действующих ча элементы МК ОПУ в течение переходных процессов.

2. Используя метод статистического моделирования получить закон распределения эксплуатационных напряжений в сварной МК ОПУ ГМ и реечной передаче механизма поворота. На основании полученных данных определить ВБР элементов ОПУ ГМ, содержащих технологические дефекты.

3. Разработать макромодель оценки долговечности опорно-пово-

ротного устройства манипулятора с технологическими трещиноподоб-ными дефектами, иерархически включающую в себя две модели:

- вероятностную динамическую модель эксплуатационной нагру-женности с учетом условий эксплуатации;

- математическую модель зарождения и развития усталостных трещин из технологических дефектов.

4. Провести экспериментальные исследования нагруженности опорно-поворотного устройства манипулятора. Использул результаты экспериментального исследования нагруженности опорно-поворотного устройства манипулятора проверить построекчые математические .модели на адекватность.

Провести экспериментальные исследования остаточных напряжений в металлоконструкции манипулятора.

Провести дефектоскопию сварных швов элементов металлоконструкции манипулятора.

5. Разработать рекомендации по конструктивно-технологическим мероприятиям, обеспечивающим повышение надежности элементов конструкции ОПУ.

Во втором разделе диссертации с позиции системного подхода разработана математическая модель исследования нагруженности ОПУ манипулятора, принадлежащая верхнему иерархическому уровню макромодели оценки надежности ОПУ манипулятора.

Для оценки уровня НДС элементов ОПУ. соответствующих пиковым значениям динамических нагрузок, на основе МКЭ составлена стержневая дискретно-континуальная модель манипулятора для исследования нагруженности технологического оборудования, реакция ГМ {и} рассмотрена как суперпозиция движений аСсолютно жесткого тела, совершающего большие кинематические перемещения {И} и упругого, тела, испытывающего малые деформационные перемещения Ш. Уравнение движения системы представлено в виде

[МИШ + [СШ) + [КИШ - (Г), (1)

где (Ш - полный вектор узловых перемещений; [М] - глобальная матрица масс системы; [С] - глобальная матрица демпфирования системы; (К) - глобальная матрица жесткости системы: (П - глобальный вектор внешних сил.

Конструкция поворотной колонки, стрелы и рукояти моделируется стержневыми элементами определенного сечения, стыкующимися в

узловых точках. Упругие и инерционные характеристики определены при формировании суперэлементов. Объектом исследования являются параметры движения и нагрузки, возникающие при переходных режимах. которые получены при интегрировании уравнение движения по времени. При решении данной задачи используется метод прямоугольников со сглаживанием. В качестве результатов расчета выводится вектор упругих реакций в узловых точках №<»'} - - [К("М (V(«'}.

Пиковые значения узловых реакций для поворотной колонки и реечного механизма поворота используются на последующем иерархическом уровне макромодели оценки надежности для выявления опасных. с точки зрений уровня напряжений, зон металлоконструкции и определения пиковых напряжений в элементах ОПУ манипулятора.

■ В связи с использованием метода статистического моделирования, предусматривающего многократное решение на ЭВМ дифференциальных уравнений движения, для определения закона распределения эксплуатационных напряжений использована дискретная модель нагру-женности манипуляторного То.

Для определения закона распределения эксплуатационных напряжений. возникающих в МК поворотной колонки и реечной передаче механизма поворота использованы расчетные схемы процесса подъема сортимента стрелой ГИ и переноса сортимента поворотом ГМ. предложенные проф. А.В.Александровым. Эксплуатационные нагрузки моделировались с помощью метода Монте-Карло. Для расчета характеристик случайных процессов изменения напряжений в элементах ОПУ использованы механические передаточные функции нагрузки. Схематизация процесса изменения напряжений проводилась по методу "размахов". Результаты реализации динамической модели представлены в виде блоков эксплуатационных напряжений, которые являются входными данными для расчета ресурса МК поворотной колонки и реечной передачи механизма поворота и определения вероятности безотказной работы.

Третий раздел посвящен разработке модели исследования зарождения и развития усталостных трещин из технологических несплош-ностей (нижний иерархический уровень) на основе физико-статистического (механики разрушения) подхода,

Статистические наблюдения и анализ НДС элементов ОПУ манипуляторов свидетельствуют о том. что показатели надежности зависят от

небольшого числа элементов. Это обстоятельство позволяет существенно сократить объем вычислений при прогнозировании показателей надежности, сведя их к расчету по условии сохранения прочности реечного механизма поворота и двух-трех сечений колонны с наибольшим уровнем действующа рабочих напряжений, концентрации напряжений, остаточной сварочной напряженности и вероятности появления технологических несплошностей.

В основу математических моделей зарождения и распространения усталостных трещин из технологических несплошностей положено, уравнение Коффина-Мэнсона, на основании которого определяется число циклов до зарождения макротрещины Л, и ее распространение до достижения значения критической длины 1с.

где К1тах - максимальное значение коэффициента интенсивности напряжений (НИН) в цикле; R - значение коэффициента асимметрии цикла; С, п - характеристики материала; а - полудлина технологического дефекта: f(t.ri) - корректирующий коэффициент, зависящий от механических характеристик материала, действующего КИНа и радиуса р технологического дефекта.

Трещина считается макроскопической, если ее длина 1 достигнет величины 1р - длины пластической зоны около концентратора, в. роли которого выступает технологическая несплошность. ■ В случае вырождения концентратора в трещину (при р -» 0) f(4.Л) » 1 и наступает период распространения усталостной трещины

Полное разрушение произойдет в тот момент, когда длина трещины достигнет критического значения 1с. т.е. при выполнении соотношение К1ввх > К1е . где К1С - условный критический коэффициент интенсивности напряжений.

Достижение предельного состояния в зоне разрушения по моменту возникновения -акротрещины и превышения трещиной' критического"

(2)

р

(3)

размера при блочном нагружении определяется на основе гипотезы линейного суммирования повреждений.

При оценке долговечности реечной передачи механизма поворота в качестве технологической несплошносги, являющейся инициатором зарождения и развития усталостных трещин, рассмотрена риска от механической обработки на переходной поверхности зубчатого колеса реечной передачи. Как следует из анализа эксплуатационных отказов инициатором усталостных трещин в МК манипулятора зачастую являются сварные соединения, что требует учета их влияния на процесс зарождения и развития трещин. Учет влияния сварки на развитие усталостной трещины осуществляется путем введения в формулу для расчета КИНа коэффициента концентрации напряжений Кб и остаточных сварочных напряжений бг. Принципиальная особенность применения механики разрушения для расчета изделий лесного машиностроения состоит в том, что трещины возникают и развиваются в области повышенных упругопластических деформаций. Для их учета введена поправка на пластичность гр. т.е. рассматривается эффективная длина трещины. С учетом сказанного имеем

К, = (Кб б + с бг) /ж-{\ + гр)-У,(1) . (4)

где б - действующее напряжение; 1 - полудлина трещины; а - эмпирический коэффициент; У,(1) - функция, зависящая от геометрических параметров.

Для учета эффекта торможения трещины после перегрузки в поле остаточных снимающих напряжений используется значение эффективного КИН. согласно которому остаточные напряжения, появляющиеся при перегрузке, уменьшают действительное значение напряжения при вершине трещины. Влияния низких температур эксплуатации учитывается при определении вязкости разрушения.

Применение принципов механики разрушения к расчету усталостной долговечности поворотной колонки ГМ требует интерпритации данных неразрушащего контроля.технологических дефектов сварки. Поэтому выполнено приведение всех видов дефектов сварки к эллиптическим трещинам, как к наиболее опасным с точки зрения долговечности МК.

В четвертом разделе диссертации для практической реализации разработанных математических моделей применительно к манипулятор-

- И -

ному технологическому оборудованию обоснована необходимость проведения ряда экспериментальных исследований. Изложены цели, задачи и методика проведения. Проведена обработка и осуществлен анализ результатов испытаний.

В местах с наибольшим уровнем действующих напряжений и возможного инициирования усталостных трещин оценивалась нагружен-ность манипуляторов лесных машин, выявлялись статистические закономерности ее изменения в процессе эксплуатации для их имитации на ЭВМ при вычислительном эксперименте с целью проверки математической модели эксплуатационной нагруженности лесных машин на адекватность.

В качестве объекта исследований динамической нагруженности манипуляторного ТО был выбран экспериментальный образец форварде-ра ЛТ-82. Испытания проводились в условиях рядовой эксплуатации на Кингиссепской ЛЛМС с фиксацией на магнитограф TESLA ЕАМ 340. Анализ результатов эксперимента произведен на IBM PS/2 с помощью специально разработанного программного и электронного обеспечения. Схематизация случайного процесса нагружения осуществлялась методом "дождя" с получением блоков рабочих напряжений.

Показано, что блоки нагружения, полученные в натурном испытании, по своему повреждающему воздействию эквивалентны блокам, найденным в результате моделирования аналогичных условий нагружения на ЭВМ по разработанным математическим моделям эксплуатационной нагруженности.

Уровень остаточных напряжений оценивался с помощью прибора И0Н-4М. использующего магнитоупругий эффект, в условиях заводов "Краслесмаш" и АО "Онежский тракторный завод". Статистическая обработка экспериментальных данных выполнена с использованием пакета программ STATGRAF. Приводятся результата статистической обработки остаточных напряжений, причем, отмечается высокий уровень напряжений растяжения (до 186 - 199 МПа).

Ультразвуковой дефектоскопический контроль проведен дефектоскопом УЗД-МВТУ."Исследование металлоконструкции экспериментального манипулятора, изготовленного в АО "ОТЗ", показало, что в сварных соединениях, как правило, присутствуют непровары, поры, шлаковые включения и др. Максимальная площадь сечения дефектов достигает 2 мм. Статистические данные по видам и размерам технологических дефектов сварки используются для определения показате-

лей надежности сварной МК колонки.

В пятом разделе математическая модель надежности реализована в виде алгоритмов и программ и апробирована на примере манипулятора МП-28. В результате предложена комплексная методика оценки надежности ОПУ манипулятора (рис.1).

Рис.1. Блок-схема комплексной методики оценки надежности

В соответствии с первым уровнем предложенной методики производился силовой анализ элементов ОПУ манипулятора, соответствующий пиковым значениям уровня динамической нагруженности в наиболее нагруженном состоянии. С этой целью на основе МКЭ построена стержневая дискретно-континуальная динамическая модель, в ходе реализации которой произведена оценка величины максимальных действующих нагрузок в узловых точках стержневой конструкции манипу-

лятора при подъеме сортамента на максимальном вылете.- и переносе сортимента поворотом манипулятора (значение грузового момента соответствует максимальному).

Для определения вероятностных характеристик эксплуатационных нагрузок составляется динамическая модель нагруженности с дискретными массами и упругими связями. В этом случае ее использование предпочтительнее, чем более сложных дискретно-континуальных и континуальных моделей, т.к. для получения закона распределения эксплуатационных нагрузок предусмотрено использование метода статистических испытаний. Моделировалась погрузка (выгрузка) 1000 !Г древесины. Оценивалась нагруженность элементов ОПУ при выполнении технологических операций подъема (опускания) сортимента стрелой и переноса сортимента поворотом манипулятора. В результате схематизации процесса нагрукения получен блок эксплуатационных нагрузок, соответствующий выработке 1000 м3.

На втором уровне с использованием МКЭ исследовалось НДС элементов ОПУ в наиболее нагруженном состоянии. На рис.2 представлен пример идеализации металлоконструкции колонны манипулятора МП-28 пластинчатыми конечными элементами и объемная модель зуба зубчатого колеса вала колонны. Показано, что пиковые значения интенсивности напряжений в основании поворотной колонки практически достигают уровня предела текучести материала (332.7 МПа). На рис.2 видно, что наибольшие значения интенсивности напряжений

Рис.2. Идеализация конструкции колонны и модели зуба

На следующем этапе по полученным в ходе реализации дискретной модели блокам иагружения оценивались такие показатели надежности ОПУ ГМ. как ВБР и долговечность с учетом технологических дефектов. ВБР сварной колонки с технологическим дефектом з - 2ммг составила Р=0.998 (рис.3). Анализ графика ВБР в зависимости от

вер

1.1 I 12) 1.0) 0.97) 09 012) ОЛ) 0.67) 0.6 0)2) 0.4) 0.17) О! 0.22) 0.1) 0.07)

t' н

А

0 12 3 4 > « 7 « 9 10 1112 » 14 1*6

Рис.3. ВБР сварной металлоконструкции

выработки (V) показал, что значение ВБР как реечной передачи, так и сварной металлоконструкции на протяжении 75 - 80 % ресурса изменяется крайне незначительно, затем происходит ее резкое снижение. При оценке ВБР в качестве характеристики несущей способности использована вязкость разрушения и в качестве нагрузки - коэффициент интенсивности напряжений.

Исходными данными для модели определения долговечности металлоконструкции ОПУ являются закон распределения напряжений в "опасных" сечениях, полученный в ходе реализации динамической модели нагруженности' с дискретными массами и упругими связями, и закон распределения дефектов, полученный по результатам статистической обработки экспериментальных исследований. Вычислительный эксперимент по прогнозированию суммарного закона распределения долговечности ОПУ ГМ показал (см. рис.4), что 80-процентный ресурс '-аох = 9810 м3, что составляет менее 2 лет эксплуатации. Результаты расчетов показывают необходимость совершенствования как самой конструкции, так и технологии ее изготовления.

1 - сварная металлоконструкция колонки:

2 - реечная передача;

3 - суммарный ресурс ОПУ ГМ. ■

Рис. 4. Эмпирические законы распределения наработок до отказа

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Опорно-поворотное устройство гидроманипулятора, включающее в себя механизм поворота и колонку, является ответственной и высохонагруженной частью технологического оборудования, требующей повышенного внимания при оценке показателей надежности манипулятора. Анализ отказов отечественных манипуляторов показал, что подавляющая часть постепенных отказов (73 %) связана с усталост-. ным разрушением, хотя достаточно велик процент внезапных отказов' (27 %). Более половины всех отказов (54.4 Я) - отказы по сварным швам, содержащим технологические дефекты. Учесть этот фактор, а также концентрацию напряжений, остаточные сварочные напряжения и т.д. возможно с привлечением принципов механики разрушения.

2. Для решения задачи обеспечения надежности функционирования лесной машины на этапе проектирования целесообразным является ' применение блочно-иерархической комплексной методики оценки надежности опорно-поворотных устройств (ОПУ) гидроманипуляторов (ГМ). позволяющей реализовать идеи системного подхода в теории надежности. На верхнем уровне определяются пиковые и эксплуатационные нагрузки. На нижнем уровне определяется напряженно-деформированное состояние элементов в наиболее нагруженных режимах и производится оценка безотказности и долговечности. Использование разработанных методик в виде программного обеспечения ЭВМ позволяет' значительно сократить сроки проработки элементов конструкций'

манипуляторного технологического оборудования. При том же количестве вариантов время расчета сокращается на несколько порядков. • снижается вероятность в принятии ошибочного решения ввиду того, что появляется возможность в просмотре всех ызможных расчетных состояний конструкции.

3. В связи со сложностью геометрической формы зубчатого колеса и поворотной колонки, неоднородностью материала, использования объемных и пластинчаты* моделей рекомендуется определение НДС производить методом конечных элементов. При этом в качестве нагрузок используются пиковые значения, полученные в узловых 'точках в ходе реализации дискретно-континуальной модели. Установлено, что "окальные пиковые напряжения в металлоконструкции поворотной колонки сопоставимы с пределом текучести 332.7 МПа и сконцентрированы в зоне резких изменений геометрических характеристик сечений. Приблизительно в два раза ниже напряжения в сечении крепления головки поворотной колонки (б = 167 МПа) и местах крепления проушин (б = 136 МПа - напряжения сжатия). Пиковые напряжения изгиба в основании переходной поверхности зуба зубчатого колеса равны 869 МПа. что несколько низке предела прочности. В точке приложения силы также наблюдаются высокие контактные напряжения до 435 МПа. В сердцевине интенсивность напряжений в 2...3 меньше и не превышает 250 МПа.

4. Для снижения пиковых нагрузок на элементы ОПУ может быть рекомендовано использование пропорциональной системы управления, т.к. в ходе реализации дискретно-континуальной модели нагружен-ности получено, что пиковые значения нагрузок в узловых точках стержневой конструкции манипулятора в этом случае снижаются на 13 %.

5. При расчете ОПУ на долговечность и определении ВБР, целесообразно свести их к расчету по условию сохранения прочности реечной передачи механизма поворота и одного-двух сечений сварной колонки с наибольшим уровнем действующих рабочих напряжений, концентрации напряжений, остаточной сварочной напряженности и вероятности появления технологических несплошностей.

6. На основании результатов натурных экспериментов было получено, что манипуляторное технологическое оборудование форварде-ра подвержено довольно высоким эксплуатационным нагрузкам до 160 МПа. при этом процесс динамической нагруженности является нестационарным. Анализ на ЭВМ результатов исследования показал, что

экспериментальный блок напряжений, возникающих в элементах манипулятора МП-28, адекватен эмпирическому блоку нагружения. полученному в ходе имитационного моделирования с использованием дискретной динамической модели эксплуатационной нагружености.

7. в ходе реализации дискретной модели нагруженности целесообразно получение полного блока эксплуатационных напряжений, со-, ответствующего выработке 1000 м3 древесины. Для дальнейших расчетов рекомендуется непосредственное использование данного блока эксплуатационных напряжений (требуется более 10 МБ памяти на жестком диске). Такой блок нагружения при использовании в дальнейших расчетах элементов конструкций на долговечность позволяет моделировать процесс разрушения в режиме реального времени, т. е. имитировать пошаговый прирост усталостной трещины. Если место на жестком диске ограничено, то информация о нагруженности представляется в вице корреляционной матрицы напряжений, что ведет к усредненной оценке действующих напряжений и не отражает истории нагружения. а это важно при учете эффекта торможения роста трещины при перегрузке.

8. При оценке ВБР элементов ОПУ с технологическими дефектами получено, что вероятность отказа с использованием принципов механики разрушения по действующим значениям КИНа и вязкости разруше-. ния с учетом дефектности материала оказалась выше, чем с исполь-' зованием традиционных подходов. 0.002 и 2.6*10"7 - для сварной колонки. 1.4*10"5 и 3.3*10"14 соответственно для реечной передачи. Анализ графика ВБР в зависимости от срока службы показал, что значение ВБР как реечной передачи, так и сварной металлоконструкции на протяжении 75 - 80 % ресурса изменяется крайне незначительно. затем происходит ее резкое снижение.

9. При формировании математической модели исследования зарождения и развития усталостной трещины из несплошностей сварки целесообразно использовать зависимость Коффина-Мэнсона. а для определения долговечности зубчатого колеса реечной передачи - зависимость Пэриса. подтвержденные экспериментальными исследованиями. Расчетную схему дефекта сварной металлоконструкции колонки манипулятора лесной машины рекомендуется формировать путем схематизации технологической несплошности дефектом эллипсоидной формы. Для. реечной передачи технологический дефект схематизируется риской на поверхности зубчатого колеса от механической обработки.

. 10. В результате прогнозирования усталостной долговечности манипулятора МП-28 с применением разработанной методики и программного обеспечения получено, что при существующей технологии изготовления 80-проценгный ресурс металлоконструкции МП-28 фор-вардера ЛТ-82 составляет 9810 м3 (от полутора до двух лет эксплуатации). Наиболее "слабый" (с точки зрения усталостной долговечности) элемент - колонка. Ее ресурс на 44% меньше ресурса реечной передачи.

11. Результата расчетов ресурса МП-28 показывают необходимость дальнейшего совершеногвования как самой конструкции, так и. технологии ее изготовления. В первую очередь необходимо обратить внимание на технологию изготовления, где желательно ввести ряд заключительных операций, таких как шлифование.сварных швов, снятие остаточных свгпочных напряжений, дефектоскопию. Так. снятие геометрической концентрации напряжений в сварных соединениях повышает наработку в 1.8 раза, снятие остаточных сварочных напряжений - на 30 %. а проведение дефектоскопии - до 2 раз по сравнению с существующей технологией. Это связано с тем. проведение дефектоскопии позволяет обнаружить внутренние "опасные" дефекты сварных швов и поверхностные дефекты меньшего размера, чем при визуальном осмотре и. не допустить в эксплуатацию металлоконструкцию, содержащую дефект размером выше нормативного. Например, по результатам реализации математической модели зарождения и развития трещины было получено, что уменьшение средней длины трещиноподоб-ного дефекта с 1 мм до 0.5 мм существенно отражается на величине, наработки - она увеличивается на 85 - 88 %.

Для зубчатого колеса реечной передачи увеличение чистоты поверхности с Иг = 0.027 мм до Иг = 0.02 мм вызывает увеличение наработки в среднем на 16 - 18 %. Наибольший эффект дает комплексное проведение мероприятий по снижении концентрации напряжений и контролю несплошностей в сварных соединениях.

12. В результате выбора рациональной организации операций по разработанной методике для предприятий лесного машиностроения рекомендуется в первую очередь внедрить ультразвуковую дефектоскопию и предусмотреть шлифование наиболее ответственных сварных швов. Использование дефектоскопического контроля качества сварных швов представляется целесообразным использовать в следующей последовательности:

- исходя из принципа обеспечения требуемого уровня надежности назначается ресурс сварной металлоконструкции;

- на основании разработанной математической модели зарождения и развития усталостных трещин и динамической модели нагружен-ности элементов ОПУ определяется максимально допустимый размер дефекта для данного сечения;

- браковочный уровень дефектоскопа настраивается на эквивалентную площадь зарубки и. в ходе проведения дефектоскопии регистрируются только те дефекты, которые не обеспечивают функционирование элементов ОПУ не ниже требуемого уровня надежности.

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Герасимов Ю.Ю., Кильпеляйнен С.А.. Костюкевич В.М.. Сюнев B.C. Манипуляторные системы лесных машин: проектирование и расчет (Summary: Forest machinery crane systems: design and calculation). - Петрозаводск-Joensuu: ПетГУ-JU, 1994, 95 c.

2. Сюнев B.C., Костюкевич B.M.. Герасимов Ю.Ю. Усталостная долговечность элементов технологического оборудования лесной машины при динамических нагрузках // Forest, environment and new technology In Northern Europe. - Joensuu: Joensuu yllopls-to. Tledonantoja 17. 1994. - 458-459 pp.

3. Герасимов Ю. ю.. Костюкевич B.M. Основы инженерных методов прогнозирования надежности механизма поворота гидроманипулятора. - Петрозаводск: ПГУ, 1993. - 20 с. Деп. во ВИНИТИ 29.07.93 .402171-В93

4. Герасимов Ю. Ю., Костюкевич В.М. Оценка уровня остаточных напряжений в металлоконструкции гидроманипулятора лесной машины. - Петрозаводск: ПГУ, 1993. - 9 с. Деп. во ВНИПИЭИлеспромом 19.05.93 N 2904 - Лб 93.

Просим принять, участие в работе специализированного совета Д.063. 50.01 или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями по адресу: 194018. Санкт-Петербург. Институтский пер..5, Лесотехническая академия. Ученый Совет.