автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Разработка и обоснование рациональных параметров соединительно-управляющего модуля фронтального погрузчика

ХАРЬКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

РГБ ОД

1 7 ДЕК та

ЩЕРБАК ОЛЕГ ВИТАЛЬЕВИЧ

^_- -

УДК 621.869.447.43

РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СОЕДИНИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩЕГО МОДУЛЯ ФРОНТАЛЬНОГО ПОГРУЗЧИКА

Специальность 05.05.04- Машины для земляных и дорожных работ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Харьков -1999

Диссертация представлена в виде рукописи.

Работа выполнена в Харьковском государственном автомобильно-дорожном техническом университете.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кириченко Игорь Георгиевич, Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, декан механического факультета

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, заслуженный

изобретатель Украины,

Хмара Леонид Андреевич, Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры заведующий кафедры строительных и дорожных машин

кандидат технических наук, Третьяк Виктор Михаилович

ОАО "Харьковский тракторный завод", ведущий специалист ассоциации "Укртрактор"

Ведущая организация:

Институт машин и систем HAH и Минпромполитики Украины, центр тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, г. Харьков.

Зашита состоится на заседании

специализированного ученого совета Д 64.059.02 в Харьковском государственном автомобилыго-дорожном техническом университете по адресу: 310002, г. Харьков, ул. Петровского, 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета по адресу: 310002, г. Харьков, ул. Петровского, 25

Автореферат разослан " '¡^^£«^3999 г. Ученый секретарь

специализированного ученого совета доктор технических наук, профессор

0MI-O65.O4-5-0J.V

И>/

Подригало М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение Для механизации работ в дорожном строительстве необходимо иметь надежные, высокопроизводительные и конкурентоспособные дорожно-строительные машины. В настоящее время идет поиск эффективных методов конструирования дорожных машин. Одним из которых является модульный принцип, применение его позволяет разрабатывать надежные дорожные машины, сократив при этом сроки проектирования.

Актуальность темы.

Проектирование современных модульных машин сталкивается с трудностями, обусловленными недостатками теоретических и экспериментальных исследований по построению машин из блоков-модулей. Опыт эксплуатации таких машин показывает, что соединительные устройства (устройства, которые обеспечивают соединение модулей) испытывают значительные динамические нагрузки, приводящие к выходу их из строя. Использование существующих методов расчета не позволяет достаточно точно оценить величину нагруженности элементов и узлов соединительных устройств.

В связи с этим актуальной является работа но созданию методики оценки нагруженности элементов соединительных устройств.

Данная работа является продолжением цикла работ, выполненных на кафедре "Строительных и дорожных машин" ХГАДТУ по совершенствованию методики проектирования дорожных машин с использованием производственно-технической базы Украины.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Работа выполнялась в соответствии с планами НИР и ОКР по модульному проектированию на кафедре СДМ ХГАДТУ, а также в соответствии с договором № 70/14-34 от 1.07.99 г. на выполнение научно-исследовательских работ, между ОАО "Харьковский тракторный завод" и Харьковским государственным автомобильно-дорожным техническим университетом.

Цель и задачи исследования. Разработка методов обоснования рациональной конструкции соединительно-управляющего модуля (СУМ) на основе снижения его нагруженности и выбора конструктивно-технологических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:

- разработать алгоритм построения и создать информационно-поисковую систему, позволяющую проводить всесторонний анализ используемых составных узлов, агрегатов и деталей, для семейства модульных машин;

- разработать математическую модель, которая описывает динамические процессы, происходящие в гидроприводе СУМ при работе с погрузочным оборудованием с асимметричным приложением внешней нагрузки и произвольном угле складывания полурам;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования по определению нагруженности гидропривода СУМ;

- разработать методику компьютерного моделирования по оценке напряженно-деформированного состояния корпуса шарнира СУМ с применением метода конечных элементов.

Научная новизна полученных результатов определяется установлением новых закономерностей нагруженности гидропривода рулевого управления и корпуса шарнира фронтального погрузчика с учетом асимметричного приложения усилий на ковше и произвольного угла складывания полурам, что позволило отыскать рациональные параметры соединительно-управляющего модуля.

Практическое значение полученных результатов: Рекомендации по расчету элементов СУМ, а также информационно-поисковая система переданы: ОАО "Харьковский тракторный завод", Институту машин и систем HAH Украины, АО "УкрАвторомат", АО "Крюковский вагоностроительный завод". Элементы разработанной методики используются в учебном процессе на кафедре "Строительных и дорожных машин" Харьковского государственного автомобильно-дорожного технического университета.

Личный вклад соискателя. Автору принадлежат: основная идея; математическая модель движения шарнирно - сочлененной машины, основные закономерности нагруженности СУМ с учетом асимметричного приложения внешней нагрузки и произвольного угла складывания полурам; методика и результаты экспериментальных исследований нагруженности гидропривода соединительно-управляющего модуля; информационно-поисковая система; методика оценки напряженно-деформированного состояния корпуса шарнира соединительно-управляющего модуля.

Апробация результатов диссертации. Основные положения и диссертационная работа в целом докладывались и обсуждались: на международной конференции " Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении (г. Киев, 1995); на научной конференции "Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых" (г. Харьков, 1997 г.); на научной конференции "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-98" (г. Воронеж, 1998 г.); на научно-техническом совете ОАО "Харьковский тракторный завод" (г. Харьков, 1999 г.); на заседании кафедры "Строительные и дорожные машины" Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры (г. Днепропетровск, 1999 г.); на научно-техническом совете АО "УкрАвтромат"; на научно-техническом совете Института машин и систем HAH и Минпромполитики Украины.

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатанных работах, из них в 4 специализированных.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 149 страниц печатного текста, 71 рисунок, 17 таблиц, список литературы из 149 наименований и приложения на 48 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена научная новизна, практическая значимость, изложены основные положения, которые выносятся на защиту.

В первом разделе "Аналитический обзор" приведен анализ методов конструирования дорожных машин. Вопросам конструирования посвящено много работ ученых: Т.В. Алексеевой, В.Я. Аниловича, К.О. Артемьева, И.П. Борадачева, И.Б. Барского, A.A. Бромберга, Ю.А. Ветрова, Ю.Т. Водолажченко, М.И. Гальперина, Ю.В. Гинзбурга, В.В. Гуськова, М.Г. Домбровского, М. А. Ульянова, Л.А. Хмары и др. Анализ показал, что практически все дорожные машины созданы методом агрегатирования сельскохозяйственных и промышленных тракторов общего назначения сменным технологическим оборудованием. Значительную часть базовых машин составляют тракторы с шарнирно-сочлененной рамой. Тем не менее, как показывает практика эксплуатации таких машин, они не полностью реализуют свой тяговый потенциал, в результате чего зачастую не соответствуют требуемым технологическим качествам. Решить данную проблему можно с переходом на модульный принцип конструирования машин. В настоящее время он нашел широкое применение в аэрокосмической промышленности, судостроении, станкостроении, робототехнике, жилищном строительстве. Ведутся работы по внедрению данного метода в автомобилестроение, производство сельскохозяйственной техники. Известны работы таких ученых в области модульного проектирования, как А.Л. Васильева, И.П. Ксеневича, Г.М. Кутькова, Г. Д. Петрова, A.B. Рославцева. В области конструирования модульных дорожных машин известны работы: Л.А. Хмары, И.Г. Кириченко, В.В. Яцкевича. Ограниченное применение модульного принципа в отрасли дорожно-строительного машиностроения объясняется тем, что не существует общей методики проектирования таких машин и их систем.

Вопросам исследования нагруженности шарнирно-сочлененных машин посвящены работы: М.М. Гайцгори, Л.А. Гобермана, Е.Ю. Малиновского, Л.В. Назарова, В.М. Третьяка, В.А. Шевченко и др. Анализ проведенных исследований показал, что максимальные динамические нагрузки возникают при взаимодействии рабочего органа с разрабатываемой средой, сопровождаемые преодолением возникших препятствий. Основы таких расчетов были заложенные в работах: Д.П. Волкова, Н.Г. Домбровского, Ю.Л. Картвелишвили, В.П. Ломакина, Е.Ю. Малиновского, С.А. Панкратова, А.М. Холодова и др. В их работах исследования выполнены для машин, у которых нагруженность определяется сопротивлением копанию грунта. Исследованиями статистической динамики шарнирно-сочлененных машин в транспортном режиме занимались М.И. Гайцгори, Е.Ю. Малиновский. Они решали частные задачи, связанные с определением нагрузок на рабочее оборудование и влияние колебательных процессов на оператора. Исследования в области изучения характера работы механизма управления шарнирно-

сочлененного трактора класса 30 кН представлены в работах Д.М. Митропана, Е.М. Шапиро.

Анализ ранее выполненных исследований в области динамики дорожных и погрузочных машин свидетельствует, что основное внимание в них уделялось формированию нагруженности рабочего оборудования и остова машины. В отдельных случаях рассматривалась динамика шарнирно-сочлененных машин в транспортном режиме движения. Из поля зрения исследователей выпали вопросы, связанные с нагрузкой соединительно-управляющих устройств, которые сочленяют полурамы тракторов, агрегатированные с погрузочным оборудованием.

На основании данных выполненного анализа, сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Во втором разделе "Проектирование модульных дорожных машин на базе колесного трактора класса 30 кН" представлены особенности представления дорожной машины, как модульной, и предложено рассматривать соединительно-управлящее устройство, как отдельный модуль СУМ. Разработанный алгоритм и созданная информационно-поисковая система позволяет повысить эффективность проектирования дорожных машин с использованием модульных технологий.

Использование модульного принципа при проектировании дорожных машин может дать наибольший эффект, поскольку диапазон изменения функциональных, конструктивных и технологических параметров машин наиболее широк.

Наличие шарнирного сочленения позволяет рассматривать дорожную машину, как модульную, состоящую из трех модулей (рис. 1).

2

Рис. 1 Модульное представление дорожной машины: 1-энергетический модуль; 2- технологический модуль; 3- соединительно-управляющий модуль

Связующим звеном в этой системе является СУМ, который состоит из вертикального, горизонтального шарниров и механизма рулевого управления. Использование серийного шарнирного сочленения при модульной компоновке дорожно-строительных машин возможно, но с учетом изменения характера нагрузки и, соответственно, интенсивности накопления повреждений в конструктивных элементах необходима их доработка.

Информационно-поисковая система предназначена для повышения эффективности модульного проектирования дорожных машин на базе колесного трактора класса 30 кН. С этой целью были созданы электронные каталога (ЭК). Они предназначены для всего семейства колесных шарнирно-сочлененных машин которые выпускает ОАО "ХТЗ" Т-150К, Т-156, T-I57, Т-158, и дорожного катка, созданного на базе колесной модификации трактора Т-150К. Электронные каталоги созданы в СУБД- FoxPro. В ЭК присутствуют следующие данные о деталях: обозначение, наименование, количество деталей данного наименования, материал, масса, индекс, справочная информация о технологическом процессе производства, электронный чертеж. Для удобства работы с ЭК были созданы экранные формы (ЭФ), примеры которых представлены на рис. 2, где поз. а- экранная форма отображения электронного чертежа детали. Наличие в ЭК поля "Индекс" позволяет производить расчет коэффициентов унификации, для чего создана соответствующая экранная форма поз.б. Представление информации в виде таких экранных форм позволяет существенным образом улучшить наглядность и сократить время анализа и обработки данных. Информационная система позволяет производить статистический анализ. При проектировании строительно-дорожных машин необходимо решать различные вопросы, связанные с применяемостью и использованием групп деталей, различных материалов, определением коэффициента унификации и ряд других задач. Используя информационно-поисковую систему можно решать вопросы анализа любого характера с минимальными затратами времени. Система может быть использована и в других направлениях конструкторской деятельности. С ее помощью можно вести учет производства и сбыта продукции, а наличие компьютерной сети с эксплуатирующими хозяйствами позволит вести учет отказов и поломок техники, что будет способствовать проведению оперативных мероприятий по повышению надежности выпускаемой техники.

СоеД1нггел>яо-у|ря1и1я>ощкв модуль трактор« Т-156

СмдитлыФ-уярагляккца! модуль 7рактор» Т-156

(Хгапмпжца Ншяисво« ипя

11ЯУ. 'I-""- .- . . I . . .........

Мяп Кнпкп« С|ч»ции Ищм

из г^киТи "Уд* - »/»ем @

Расчет коэффициентов унификации

К>1

КуГ

Ку1#,78

а б

Рис.2 Экранные формы пользовательского интерфейса а) чертежной документации; б) расчета коэффициентов унификации

В третьем разделе "Анализ нагруженности модульной дорожной машины" создан расчетный блок для определения внешних статических нагрузок, действующих на базовый тягач и СУМ. Представлены результаты теоретических исследований динамических процессов, происходящих в гидроприводе механизма управления СУМ при роботе с погрузочным оборудованием с асимметричным приложением внешней нагрузки и произвольном угле складывания полурам. Расчетная схема динамической модели представлена на рис. 3. При составлении динамической модели за расчетный был принятый случай, когда погрузчик при выполнении операции набора грунта ударяется ковшом в точечное труднопреодолимое препятствие. Данное расчетное положение является основным при проектировании узлов и деталей погрузчика. Нагрузки, которые испытывает погрузчик в этом случае, максимальные, а иногда близкие к аварийным. Ударное взаимодействие передается на шарнирное сочленение полурам и гидроцилиндры рулевого управления, что вызывает преждевременный их выход из строя. В этой связи анализ нагруженности и разработка математической модели является актуальной задачей. Рассматривалось движение машины по опорной поверхности произвольного микропрофиля с некоторым небольшим углом складывания полурам и встречей рабочего органа (ковша) с точечным труднопреодолимым препятствием.

При составлении уравнений движения приняты допущения:

1) рассмотрено только плоское движение машины; 2) технологический и энергетический модули представляют собой твердые тела и вся машина симметрична относительно продольной плоскости; 3) упругими элементами являются: рабочее оборудование, которое характеризуется линейной жесткостью

Рис. 3 Динамическая модель шарнирно-сочлененной машины

С|; СУМ с круговой жесткостью С2; 4) все элементы системы имеют линейные характеристики, сухое трение и зазоры отсутствуют, колеса выполняли безотрывное движение.; 5) сила сопротивления передвижению считалась постоянной величиной.

На принятой расчетной схеме: Тр Т - окружные усилия на ведущих колесах; \У - сопротивление копанию; Ш , - сопротивление перемещению; Р61, Р62, Р6ф,, Рбф2" боковые усилия, действующие на оси; С^ линейная жесткость рабочего оборудования; С2- круговая жесткость гидропривода механизма поворота; тр I,- масса и момент инерции относительно оси, проходящей перпендикулярно к неподвижной (опорной) поверхности через центр масс О, технологического модуля; ш2, I - масса и момент инерции относительно оси, проходящей перпендикулярно к неподвижной (опорной) поверхности через центр масс 02 энергетического модуля; т3- приведенная масса рабочего оборудования.

Положение системы определяется пятью обобщенными координатами: х,-продолыюе перемещение у^ поперечное перемещение т,; ср, - угол поворота т,, относительно своего центра масс О, (положительное направление - по часовой стрелке); ср, - угол поворота ш2 относительно шарнира между полурамами (положительное направление - по часовой стрелке); х3- продольное перемещение ш3.

Уравнения движения машины находились в виде уравнений Лагранжа второго рода и имеют вид:

(те, + т2 + т3)-х} — тг •(p1-r1 -sinа + т3 х3 +с, -(х, -х3) = = Тх + Т2 ■ cosa + Рб2 ■ sina- W - Wfl - Wf2 ■ cosar ;

(те, + m2 + m3)-y1 + т2-г3-ф1 +m2 ■r2 ■cosa-cp2 = T2 •sinor-/^, -P62 -cos a-Wf2 - sin. (7, +m2-r¡ + m3+ m2 r}-yt + т2-г2-гъсо%а-фг+с2{(р]-<рг) =

<

= P61 -sina, •/, +^sin«2 •l2+T2 -sinaj •l3 -W/2 -sina^ -/3 +P62 -sinar4 -l4 ; (

-m2 -r2 -sina-icj + (m2 -r2 sin2 a+tn2 -r2 cos2 a+J2)-p2+m2 -r2 cosa-j, + + m2 -r2 r3 coscf-^, -<p2) = P6, sinar5 -l5 +Wt sinar6 -/6 -sina, ■l7 ;

w3 ■x¡ +m3 -x3 + c, •(*, -x3) = 1\+T2 -cos a + P62 -sin a-W -Wfl -Wf2 -cosa.

Систему дифференциальных уравнений (1) не представляется решить в явном виде, поскольку решение пяти уравнений второго порядка является громоздким и трудоемким. Решение выполнялось с помощью пакета MathCAD-7.0. Для определения степени нагруженности гидропривода рулевого управления расчетная схема (рис.4, поз. а) была упрощена, гидроцилиндры были заменены эквивалентными им по жесткости пружинами (рис.4, поз. б). При ударе ковшом по труднопреодолимому препятствию происходит сдвиг задней полурамы на угол (р2 Чтобы определить давление, которое при этом возникает необходимо определить деформации ДX¡, АХ2 ■

А.

■2

I

ДХ2

D

В,

а

б

Рис. 4 Расчетные схемы для определения давления в гидросистеме механизма управления

Через постоянные геометрические размеры шарнирного сочленения а,, а2, а3, а4 определены значения углов : A10D1, A20D2, AlOA2i, B10B2i, по зависимостям (2), (3):

A,OAj — 7t— A2OD2 — A,OD, -t-a+ф, ; (2)

B,OB2j ^7t-AiODl-A2OD2-a-92i , (3)

где a- начальный угол складывания полурам (рис.3)

Деформация пружин определялась по зависимостям (4),(5):

Дхц =^A!02+A202j-2-AiO-A;Ocos(J:-A20D2-A1OD1-Ki) - /^О2 + Л202 - 2А]0- А20- cos- (A,OA2j) ; (4)

Д X;, = ^AjO2 + А202 j +2-А]0-A2O cos (A2OD2 + A,ODi -a) -^A]02 + A202 - 2AiO- A2Ocos (B]OB2i) (5)

Круговая жесткость рычажного механизма:

с круг = C|-AX,-n+<VAX,-is ^ (6)

где С,, С2- жесткости гидроцилиндров; гр г2 - плечи усилий развиваемые

гидроцилиндрами.

Давление в гидросистеме механизма рулевого управления (7),(8). Давление в поршневой полости:

(7)

Давление в иггоковой полости:

4-С2-ДЛ"2

(8)

где D- диаметр поршня гидроцилиндра; d- диаметр штока гидроцилиндра.

В результате расчета математической модели была произведена сценка степени нагруженности гидропривода механизма рулевого управление в момент удара ковшом погрузчика в точечное труднопреодолимое препятствие. Моделировались различные варианты взаимодействия в зависимости от угла складывания полурам, точки приложения внешнего действия и начальной скорости движения. Анализ математической модели показал, что существенное влияние на нагруженность гидропривода рулевого управление оказывает место приложения внешнего взаимодействия и угол складывания полурам. На рис. 5,а представлен график изменения величины давления в зависимости

от места приложения внешней нагрузки, смещение места приложения которой сказывается на значении давления и скорости протекания процесса. При взаимодействии средней частью ковша процесс протекает за 1,5 си максимальное значение 29 МПа достигается за 1 с. На рис. 5,6 изображен наиболее нагруженный вариант, когда внешнее взаимодействие приходится на край ковша противоположного направлению поворота (пояснение дано на рис.3, это значение -1,22 м). Максимальная величина давления при этом достигается за 0,3 с и составляет 33 МПа. На рис. 5,в представлен график изменения давления в зависимости от угла складывания полурам, а на рис. 5,г - при различных сочетаниях угла складывания полурам и места приложения внешнего взаимодействия.

Время, сск Время, сск

а б

Время, сек Время, сек

В г

Рис.5 Результаты расчета математической модели

В четвертом разделе "Экспериментально-теоретические исследования пагруженности соединительно-управляющего модуля" представлены результаты экспериментальных исследований нагруженности гидропривода механизма рулевого управления и экспериментально-теоретические исследования нагруженности корпуса шарнира. В качестве объекта экспериментальных исследований был выбран погрузчик Т-156, как испытывающий наибольшие нагрузки среди дорожных машин, созданных на базе колесного трактора Т-150К. В процессе проведения опытов фиксировались следующие параметры:

- изменение величины давления в гидроприводе механизма рулевого управления СУМ и гидроприводе ТМ при помощи датчиков давления

(мембранного типа, с диапазоном измерения от 0 до 35 МПа);

- вертикальные и горизонтальные ускорения ТМ фиксировали датчики ускорений (акселерометры);

- взаимное положение ЭМ и ТМ фиксировал датчик угла поворота. Эти параметры фиксировались тензометрической станцией, состоящей

из двух преобразователей ЛХ -5515, осциллографа К12-22 и пульта управления. Проведенные экспериментальные исследования выявили характер и степень нагружения гидропривода рулевого управления и рабочего оборудования. Установлено, что при выполнении погрузчиком рабочих операций давление в гидросистеме механизма поворота полурам в четыре раза превышает давление при выполнении агротехнических операций трактором Т-150К и достигает величины 28 МПа. На рис.6 изображен фрагмент осциллографической записи процесса внедрения ковша погрузчика в разрабатываемый материал, сопровождаемый ударом. Проведенные испытания позволили установить величины нагрузок на гидропривод механизма рулевого управления СУМ, по которым должны проводить его расчет и разрабатывать конструктивные мероприятия с целью повышения долговечности.

о 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 И 12 13 14 15 1с

Рис. 6 Осциллограмма рабочего процесса: Р(- давление в полостях гидронилиндров при правом повороте, МПа; Р2-давление в полостях гидроцилиндров при левом повороте, МПа; Р3-давление в поршневой полости гидроцилиндров механизма подъема стрелы, МПа; g- вертикальные и g- горизонтальные ускорения машины при внедрении, м/с2;а- угол складывания полурам, грд

При проектировании корпусных деталей с заданной долговечностью пред лагается использовать оценку их напряженно-деформированного состояния (НДС) на основе метода конечных элементов. Полученные оценки НДС позволяют выявить слабые места конструкции, сопоставить расчетные напряжения с прочностными характеристиками. При этом используется вероятностный подход при определении упомянутых оценок.

Существующие методы расчета не дают полной и достоверной информации о нагруженности шарнирного сочленения. Поэтому приходится идти на увеличение запаса прочности (и, соответственно, массы, стоимости и т.д.) практически по всему объему конструкции. Но даже при этом наблюдается недостаточный запас прочности, что вызывает поломки. Недостаточная точность существующих методов оценки объясняется тем, что еще несколько лет назад вычислительная техника не позволяла провести подробный трехмерный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции. Вместо этого рассчитывался усредненный уровень напряжений в разнообразных частях конструкции и на основе существующего опыта разработки подобных конструкций, анализа поломок экспериментальных образцов и оценок кривых усталости назначались запасы прочности. Такой подход требует высокой квалификации персонала, трудоемких расчетов, и не может быть проведен оперативно для нескольких вариантов разрабатываемой конструкции. Программы, реализующие принцип конечных элементов, позволяют в некоторых случаях заменить дорогостоящие прочностные испытания.

В основу предлагаемого метода проектирования деталей сложной конструкции положено условие обеспечения их ресурса равного полному сроку службы. В частности, для корпусных деталей которые теряют работоспособность, главным образом, при усталостных повреждениях. Такое условие выполнимо за счет обеспечения требуемых прочностных характеристик, которое достигаются путем варьирования геометрических параметров, материалов, термообработки. При этом, фактические напряжения не должны превышать предела выносливости для данной конструкции и применяемого материала.

Решением задачи с применением метода конечных элементов является получение полей перемещений и напряжений. На рис. 7 представлены некоторые расчеты по определению напряженно-деформированного состояния корпуса шарнира. На рис.7а показано распределение перемещений и относительно координатной оси X, как видно четко прослеживается три зоны. Первая зона - верхняя часть корпуса (выделена красным цветом), перемещение направлено параллельно оси, величина перемещений лежит в пределах от 0.0019- до 0.0094 см. Вторая зона - средняя часть корпуса (выделена оранжевым цветом) испытывает незначительные перемещения. Третья зона - нижняя часть (выделена синим и фиолетовым цветами) испытывает значительные перемещения, сопровождаемые существенным смещением от оси X. При приложении внешней нагрузки корпус испытывает значительные напряжения. М акеимальное жачение величины напряжения стх наблюдается в плоскости, перпендикулярной оси X, на крайней части нижней проушины в месте установки осей вертикального шарнира (рис.7 в). Пик значения приходится на самые края и достигает величины 498 МПа. Затем зоны напряжений переходят в полосы, охватывая всю поверхность установки втулки и значение напряжения ох плавно переходит с 428 МПа до 4.6 МПа по радиусу установки втулки.

Максимальная величина сжимающих напряжений действует на верхней проушине в месте установления втулки и составляет 207 МПа. Проведенный трехмерный анализ напряженно-деформированного состояния корпуса шарнира СУМ позволил получить полную характеристику нагруженности этой конструкции и выявить зоны локализации максимальных напряжений. По итогам исследований предложены рекомендации по конструктивным изменениям соединительно-управляющего устройства погрузчика Т-156.

Рис.7 Расчеты напряженно-деформированного состояния корпуса шарнира : (а) розподш перемицень и по оа X; б) розподш перемнцень W по оа Ъ\ в) розподш нормальних ггапружень стх; г) розпощл нормальних напружень сту

ВЫВОДЫ

1. При проектировании колесных шарнир но-сочлененных машин рекомендовано представлять ее в виде трех модулей: энергетического, технологического и соединительно-управляющего. Рациональная конструкция последнего обеспечивает высокую надежность и производительность системы дорожных машин.

2. Для повышения эффективности проектирования комплекса модульных дорожных машин была создана информационно-поисковая система на основе электронных каталогов семейства машин класса ЗОкН. Кроме удобства использования и полноты представления информации, данная система позволяет производить всесторонний анализ применяемых деталей, а также производить различные статистические расчеты.

3. Разработана методика комплексной оценки нагруженности СУМ включающая в себя статические, динамические расчеты; теоретические и экспериментальные исследования; моделирование.

4. Создан расчетный блок, позволяющий определять внешние нагрузки, действующие на базовый тягач, нагрузки на рабочее оборудование и элементы шарнирного сочленения, расчет момента сопротивления повороту.

5. Разработанная математическая модель описывает динамические процессы, протекающие в гидроприводе СУМ при роботе с погрузочным оборудованием. Особенность модели заключается в том, что она позволяет оценивать исследуемые параметры при асимметричном приложении внешней нагрузки и произвольном угле складывания полурам.

6. Анализ математической модели показал, что существенное влияние на нагруженность гидропривода рулевого управление оказывает место приложения внешнего взаимодействия и угол складывания полурам. При взаимодействии средней частью ковша процесс протекает за 1,5 с и максимальное значение 29 МПа достигается за 1 с. Наиболее нагруженный вариант, когда внешнее взаимодействие приходится на край ковша противоположного направлению повороту. Максимальная величина давления при этом достигается за 0,3 с и составляет 33 МПа

7.Экспериментальные исследования выявили характер и степень нагруженности гидропривода рулевого управления при выполнении погрузчиком технологических операций. Установлено, что давление значительно превосходит расчетное для базовой модели (трактора Т-150К, где оно со ставляет 7 МПа) и достигает значения 28 МПа.

8. В основу методики проектирования корпуса СУМ положено условие обеспечения заданной долговечности. Учитывая сложный характер нагружения, а также сложность конструкции, предложега оптимизация его параметров на основе оценки его напряженно-деформированного состояния с использованием

метода конечных элементов. Проведенный всесторонний трехмерный анализ позволил получить полную характеристику его нагруженности, выявить зоны локализации напряжений. Максимальные напряжения достигают в компонентах стх и составляют 498 МПа. Зона максимальных напряжений расположена на нижней проушине в месте установки втулки вертикального шарнира. Максимальные перемещения приходятся на нижнюю проушину и составляют 0,109 см.

9. Были просчитаны различные варианты и предложена новая конструкция корпуса шарнира. Увеличение расстояния между осями вертикального шарнира с 0,362 м до 0,6 м позволит на 40 % уменьшить действующие на СУМ нагрузки.

10. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что наиболее нагруженным режимом для СУМ является режим взаимодействия рабочего оборудования с точечным труднопреодолимым препятствием при выполнении операции набора материала. Расхождения расчетных и экспериментальных значений не превышают 8-10 %, что свидетельствует о правильности принятых в математической модели основных допущений и расчетной схемы.

11. Для обеспечения необходимых технологических качеств корпуса шарнира необходимо перераспределение материала, обеспечивающее большую жесткость нижней части корпуса шарнира, герметизация трущихся поверхностей шарнирного сочленения. Рекомендована полная модернизация узла, разнос проушин вертикального шарнира относительно горизонтальной оси корпуса и замена подшипника трения в нижнем проушине подшипником качения.

12. На основании проведенного исследования создана методика проектирования СУМ, разработан комплекс программного обеспечения для его расчета, а также информационно-поисковая система.

13. Экономический эффект у потребителя от эксплуатации одной машины с измененной надежностью СУМ составит 13371 грв. в год на 1.06.99.

14. Переданы рекомендации по расчету соединительно-управляющего модуля, а также информационно-поисковая система на ОАО "Харьковский тракторный завод".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Щербак О.В. Разработка информационно-поисковой системы автоматизированного проектирования модульных дорожно-строительных машин //Автомобильный транспорт: сб.науч.тр. ХГАДТУ,- Харьков, 1998. - №1.- С.47-49.

2. Кириченко И.Г., Щербак О.В., Кухтов В.Г. Долговечность стыковочного модуля трактора Т-150К // Строительные и дорожные машины,- Москва, Россия.-1998. -№8. -С. 30-33.

3. Кириченко И.Г., Кухтов В.Г., Щербак О.В. Экспериментальные исследование нагруженности гидроприводов фронтального погрузчика // Тракторная энергетика в растениеводстве :сб.науч.тр. -Харьков, 1998. -С. 270-275.

4. Кириченко И.Г., Шевченко В.А., Щербак О.В., Кухтов В.Г. Моделирование нагруженное™ соединительно-управляющего модуля погрузчика // Совершенствование машин для земляных и дорожных работ: сб.науч. тр. - ХГАДТУ. -1999. Вып. 2. - С. 118-124.

5. Кухтов В.Г., Щербак О.В. Модульное формирование строительно-дорожных машин // Труды первой гор. конф. "Актуальные проблемы современной науки в исследованиях молодых ученых. -Харьков,- "Бизнес Информ".-1997,- С.50-52.

6. Кириченко И.Г., Кухтов В.Г., Щербак О.В. Испытания модульных шарнирно- сочлененных дорожно-строительных машин// Труды Междунар. конф. "ИНТЕРСТРОЙМЕХ-98" (Воронеж-98). -1998.-С. 91-92.

7. Кириченко И.Г., Ефименко A.B., Щербак О.В. Программные модули конструктора строительных машин // Труды Междунар. конф. "Автоматизация проектирования и производства изделий в машиностроении". -Кшв, 1995. С.59-61.

В общих публикациях лично автором выполнено: разработка алгоритма и создание справочной информационно-поисковой системы [1,7]; элементы методики проектирования модульных дорожных машин [2,5]; экспериментальные исследования нагруженности гидропривода механизма рулевого управления погрузчика [3,6]; теоретические исследования нагруженности гидропривода рулевого управления и корпуса шарнира [4].

АНОТАЦШ

Щербак О.В. Розробка та обгрунтування рацюнальних параметр1в з'еднально-керуючого модуля фронтального навантажувача.- Рукопис.

Дисертацш на здобутгя наукового ступеня кандидата техшчних наук за спешальшстю 05.05.04 - Машини для земляних та дорожшх робп> Харювський державний автомобшьно-дорожшй техшчний yHiBepcirreT, Хармв, 1999.

Розроблено методику проектування з'еднально-керуючого модуля для модульних дорожньо-буд!вельних машин на ocnoni дослщження ступеня його навантаженостк Створено адекватну математичну модель для визначення р1вня навантаження з'еднально-керуючого модуля при асиметричному прикладенш зовшшнього навантаження i довшьному кут1 складання натврам. Запропоновано методику оттапзацн корпуса mapfiipy з'еднально-керуючого модуля на ocnoBi ощнкн його напружено-деформованого стану з використанням методу кшцевих елеменив. Для переварки прийнятих у математичнш модел1 допущень i розрахунково1 схеми проведено експериментальн1 дослщження з визначенням ступеня навантаження пдропривода механ1зму рульового управлшня. Для пщвищення ефективност1 проектування модульних дорожньо-буд{вельних машин створена шформащйно-пощукова система- на ochobI електронних каталопв с1мейства кол1сних машин класу 30 кН.

Rm040Bi слова: модульне проектування, з'еднально-керуючий модуль, енергетичний модуль, технолопчний модуль, напружено-деформований стан, ¡нформащйно-пошукова система.

ABSTRACT

Shcherbak O.V. Development and substantiation of reasonable parameters of front-end loader connecting and control module. - Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Science (Technology), Speciality 05.05.04 @Earth-moving and Road Construction Machines. - Kharkiv State Automobile and Roads Technical University. Kharkiv, 1999.

A design method is developed for connecting and control module of road construction machines on the basis ofits load degree study. An adequate mathematical model has been created to define load degree of a connecting and control module under asymmetrical application of external load and a random semiframe folding angle. A method has been proposed for optimization of connecting and control module hinge sheath on the basis of evaluation ofits stressed deformed state using final elements method. In order to check the assumptions in mathematical model and the calculation schedule experimental studies were performed to define the load degree of steering hydraulic drive. In order to increase efficiency of modular road construction machinery design an information and search system has been built on the basis of electronic catalogues of Class 30000 N wheeled machines.

Keywords: modular designing, connecting and control module, power module, technological module, stressed deformed state, information and search system

АННОТАЦИЯ

Щербак О.В. Разработка и обоснование рациональных параметров соединительно-управляющего модуля фронтального погрузчика,- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.04 - Машины для земляных и дорожных работ. -Харьковский государственный автомобильно-дорожный технический университет, Харьков, 1999.

Сформулирована и решена задача по формированию методики проектирования соединительно-управляющего модуля. Цель работы- Разработка методов обоснования рациональной конструкции соединительно-управляющего модуля СУМ на основе снижения его нагруженности и выбора конструктивно-технологических решегаш.

Используя модульный принцип, в основу которого положена идея использования серийно выпускаемых машин с учетом их конструктивных особенностей, машину с шарнирно-сочлененной рамой рекомендуется рассматривать как модульную, состоящую го трех модулей: энергетического, технологического ч соединительно-управляющего. Связующим звеном в этой системе является соединительно-управляющий модуль, состоящий из

шарнирного сочленения, которое в свою очередь состоит из вертикального и горизонтального шарниров и механизма рулевого управления.

Реализуя модульный принцип на базе такой машины возможно создание семейства модульных машин, причем все эти машины имеют шарнирно-сочлененную раму с универсальным соединительно-управляющим модулем, работоспособность и долговечность которого должна быть тщательно изучена. Для исследования степени нагруженности гидропривода рулевого управления создана математическая модель. В качестве расчетного случая принят вариант, когда погрузчик сталкивается ковшом с точечным труднопреодолимым препятствием при наборе грунта. Особенностью данной модели является возможность оценки нагрузок в гидроприводе при асимметричном приложении внешней нагрузки с произвольным углом складывания полурам.

Анализ математической модели показал, что существенное влияние на нагруженность гидропривода соединительно-управляющего модуля оказывает место приложения внешней нагрузки и угол складывания полурам. При взаимодействии средней частью ковша процесс протекает за 1,5 с и максимальное значение 29 МПа достигает за 1 с. Наиболее нагруженный случай, когда внешнее взаимодействие приходится на край ковша противоположного направлению поворота. Максимальное значение величины давления при этом достигает за 0,3 с и составляет 33 МПа. Увеличение угла поворота полурам ведет к росту интенсивности возрастания давления.

Для оптимизации конструктивного исполнения корпуса шарнира, учитывая сложный характер, а также сложность его конструкции, предлагается оценка его напряженно-деформированного состояния с использованием метода конечных элементов. Проведенный всесторонний трехмерный анализ позволил получить полную характеристику его нагруженности, выявить зоны максимальных напряжений, которые достигают в компонентах ох и составляют 498 МПа. Зона максимальных напряжений расположена на нижней проушине в месте установки втулки вертикального шарнира. Максимальные перемещения наблюдаются на нижней проушине и составляют 0,109 см.

Проведенные экспериментальные исследования выявили характер и степень нагружения гидропривода рулевого управления при выполнении погрузчиком технологических операций. Установлено, что давление значительно превосходит расчетное для базовой модели (трактора Т-150К, где оно составляет 7 МПа) и достигает значения 28 МПа. Отличия расчетных от экспериментальных значений не превышают 8-10 %, что свидетельствует о правильности принятых в математической модели основных допущений и расчетной схемы.

Для повышения эффективности проектирования комплекса модульных дорожных машин была создана информационно-поисковая система на основе электронных каталогов семейства колесных машин класса 30 кН. Кроме удобства использования и полноты представления информации, данная система позволяет

производить всесторонний анализ данных, а также различные статистические расчеты.

Для обеспечения должных технологических качеств корпуса шарнира необходимо перераспределение материала, обеспечивающего большую жесткость нижней части корпуса, герметизацию трущихся поверхностей шарнирного сочленения. В качестве наиболее радикального средства рекомендована полная модернизация узла, разнос проушин вертикального шарнира относительно горизонтальной оси корпуса и замена подшишшка трения в нижней проушине подшипником качения.

На основании проведенного исследования создана методика проектирования соединительно-управляющего модуля и разработан комплекс программного обеспечения для ее реализации.

Методика проектирования корпуса шарнира и гидропривода рулевого управления, а также справочная информационно-поисковая система переданы ОАО "Харьковский тракторный завод"

Ключевые слова: модульное проектирование, соединительно-управляющий модуль, энергетический модуль, технологический модуль, напряженно-деформированное состояние, информационно-поисковая система.