автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета и повышение надежности пружинных элементов сельскохозяйственной техники

На правах рукописи Яхин Сергей Мирбатович \У

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

28 НОЯ 2013

Москва 2013

005540738

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» на кафедре общеинженерных дисциплин

Научный консультант — доктор технических наук, профессор, зав. каф. машин и оборудования в агробизнесе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный университет» Зиганшин Булат Гусманович

Официальные оппоненты:

Астахов Михаил Владимирович - д.т.н., профессор, зав. каф. прикладной механики ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Баумана» (Калужский филиал)

Славкин Владимир Иванович - д.т.н., профессор, зав. каф. технической механики ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»

Курбанов Рустам Файзулхакович — д.т.н., профессор, зав. каф. эксплуатации и ремонта МТП ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Ведущее предприятие - ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 при ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии по адресу 109428 г. Москва, 1ый Институтский проезд, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии по адресу г. Москва, 1ьгй Институтский проезд, д.1.

Автореферат разослан « ЬСОс&^^Я 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н., доцент

Р. Ю. Соловьев

Актуальность работы определяется необходимостью исследования проблемы и решения важной научно-практической задачи, посвященной расчету и проектированию пружинных элементов сельскохозяйственной техники, повышению их эффективности и надежности, расширением технологических возможностей сельскохозяйственных машин и разработке принципиально новых конструкций, соответствующих современному мировому техническому уровню.

Государственная программа развития сельского хозяйства РФ и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 — 2020 годы предполагает коренное переоснащение материально-технической базы сельскохозяйственного производства путем восстановления и дальнейшего развития российского сельскохозяйственного машиностроения. При этом планируется решение вопросов по обновлению к 2020 году парка техники высокотехнологичными сельскохозяйственными машинами. Этот процесс является особенно важным в условиях вступления России во Всемирную торговую организацию.

Повышение надежности сельскохозяйственной техники на основе разработки новых подходов к ее проектированию, изготовлению и эксплуатации, является неотъемлемым условием устойчивого развития сельскохозяйственного производства, снижения себестоимости продукции. Для сельскохозяйственных машин характерно как многообразие конструкций, так и широкий спектр условий их функционирования, поэтому вопросы, связанные с надежностью сельскохозяйственных машин и их отдельных агрегатов, являются актуальными и востребованными.

Одними из самых распространенных деталей агрегатов и сборочных единиц сельскохозяйственной техники являются пружинные элементы. Основное распространение в машиностроении, в том числе сельскохозяйственном, получили цилиндрические винтовые (спирально-винтовые), или, как их еще называют, витые цилиндрические пружины растяжения, сжатия и кручения. Форма сечения витков пружин может быть самой разнообразной. В условиях аграрного производства винтовые пружины применяются, так же, в так называемых спирально-винтовых пружинных рабочих органах сельскохозяйственных машин.

Одним из важнейших факторов работоспособности пружинных узлов является выход из строя по критерию продольной устойчивости. Разработке методик расчета ресурса работы пружинных узлов по критерию устойчивости является важным фактором повышения показателя эксплуатационной надежности пружинных узлов, что и определяет актуальность настоящей работы.

Основным эффектом повышения надежности пружин является увеличение ресурса работы машин и их безотказности. Потери денежных средств от сверхнормативных расходов на запасные части и ТО - составляют приблизительно 400 млн. руб.

Наши исследования показывают, что повышение ресурса работы пружин на 15...30% позволяет повысить надежность машин и механизмов на 15.. .25%.

Научные исследования выполнены в соответствии с планом научно-исследовательских работ Казанского ГАУ.

Объект исследования. Теоретические основы расчетных методов обеспечения надежности работы пружинных элементов сельскохозяйственной техники.

Предмет исследования. Пружинные элементы, как составная часть рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на законах теоретической механики, сопротивления материалов, строительной механики; использовались теории статики винтового бруса, упругой устойчивости, пространственных колебаний. Экспериментальные исследования проводились согласно общеизвестным и разработанным частным методикам с использованием современных приборов и установок.

Цель работы. Разработка теоретических основ расчета параметров деталей, сборочных единиц и агрегатов сельскохозяйственной техники на основе пружинных элементов, обеспечивающих повышение их надежности и долговечности.

Задачи исследования. В связи с поставленной целью решались следующие научные задачи:

- обосновать применение положений теории надежности к техническим системам (машинам), имеющим в своем составе коаксиальные пружины;

- исследовать несущую способность пружинных элементов в одинарном и коаксиальном исполнении при различных условиях нагружения;

- обосновать на основании исследования несущей способности пружинных элементов выбор критерия их надежной работы;

- разработать методику расчета силовых пружинных узлов, включая коаксиальные пружины по собственной частоте колебаний ее элемента;

- разработать методику отстраивания пружинных узлов от резонансов путем построения лучевой диаграммы пружинного узла;

- провести ресурсные испытания силовых пружинных элементов для проверки адекватности разработанных методик расчета и технологических приемов, обеспечивающих повышение надежности;

провести экспериментальные исследования по определению количественных характеристик проведенных ранее теоретических исследований по повышению эксплуатационной надежности и ресурса работы силовых пружинных механизмов.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании методов расчета пружинных элементов сельскохозяйственной техники, обеспечивающих их высокую технологическую эффективность, конструкторскую и эксплуатационную надежность.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

• математические модели расчета одно-, двух- и многокоаксиальных пружин как классического, так и специального исполнения, по критерию динамической устойчивости, обеспечивающие надежность работы с учетом сжатия, кручения и сложного нагружения;

• результаты теоретического анализа надежности работы пружинных элементов, рассчитанных согласно предлагаемым методам;

• методика отстраивания пружинных узлов от резонансов путем построения лучевой диаграммы пружинного узла;

• результаты экспериментальных исследований, подтверждающих основные теоретические зависимости конструктивно-технологических параметров пружинных элементов;

• практические рекомендации повышения надежности пружинных элементов сельскохозяйственной техники;

• новые высокоэффективные ресурсосберегающие средства механизации, обеспечивающие выполнение технологических операций в сельскохозяйственном производстве с помощью пружинных рабочих органов.

Практическая ценность определяется разработкой апробированных методик и алгоритмов расчета, обеспечивающих заданные эксплуатационные параметры на стадии проектирования с возможностью проведения мероприятий по модернизации существующих пружинных узлов, используемых в современных сельскохозяйственных машинах; получением новых результатов, связанных с расчетом и анализом работы пружинных узлов различного назначения, типоразмеров и конструктивного исполнения; выдачей рекомендаций по рациональному проектированию и эксплуатации пружинных элементов сельскохозяйственной техники.

Реализация результатов исследования. Результаты исследований по повышению циклической прочности пружин внедрены в ООО «НПЦ «Пружина» (г. Ижевск). Конструкторская документация по изготовлению технических устройств, при разработке которых использованы материалы диссертационной работы переданы в ОАО «Холдинговая компания «Ак Барс», ОАО «Вамин Татарстан», ЗАО «Проминтел-Агро» и другие

агропромышленные предприятия Республики Татарстан, а также Научно-техническому обществу машиностроителей Республики Болгария (г. София).

Материалы исследований отражены в монографиях «Теория и расчет конструкторской надежности сельскохозяйственной техники», «Применение спирально-винтовых пружин в сельском хозяйстве», «Проектирование и расчет пружинных элементов сельскохозяйственной техники (практические рекомендации)» «Машины для предпосевной подготовки почвы и посева сельскохозяйственных культур (регулировка, настройка и эксплуатация)», а также используются в учебном процессе Казанского ГАУ, Вятской ГСХА, Чувашской ГСХА, Ульяновской ГСХА, Кубанского ГАУ, Дальневосточного ГАУ, Марийского ГУ и Саратовского ГАУ.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на: Региональной научно-технической конференции (Волгоград, 1988 г.); Республиканской научно-технической конференции «Вопросы механизации сельскохозяйственного производства» (Казань, 1988 г.); на Республиканской научно-технической конференции КАМАЗ-КамПИ (Набережные Челны, 1990); ежегодных научных конференциях Казанского ГАУ (1994...2012 гг.); Международной научно-технической конференции «Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008 г.); IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008 г.); V Всероссийской конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, 2009 г.); Всероссийской научно-практической конференции «Инновационное развитие агропромышленного комплекса» (Казань, 2010 г.); VIII международной научно-практической конференции «Новини на научния прогресс - 2012» (София, Болгария, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Aplikovane vedecke novinky - 2012» (Прага, Чехия, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Predny vedecke novinky - 2012» (Прага, Чехия, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Nauka: Teoría I Praktyka - 2012» (Пржемысл, Польша, 2012), Международной научно-практической конференции «Science, Technology and Higher Education» (Вествуд, Канада, 2012), II международной научно-практической конференции «Science and Education» (Мюнхен, Германия, 2012), Международной научной конференции «Інноваційни проекти в галузі технічного сервісу машин»

(Харьков, Украина, 2013).

Основные результаты исследований опубликованы в 52 работах автора, в том числе в четырех монографиях (общим объемом 35,95 усп. печ. л.), получено 1 авторское свидетельство и 9 патентов РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы (266 наименований), выводов, приложений и документов по внедрению. Основная часть работы изложена на 314 страницах машинописного текста, содержащего 20 таблиц и 126 рисунков.

Введение содержит краткое изложение состояния исследуемой проблемы, ее актуальность, сущность и значение выполненной научно-исследовательской работы, цель, новизну, объект и предмет исследований, а также основные положения, выносимые на защиту.

Надежность работы конструкций во многом определяется стабильностью работы составляющих ее элементов - стержневых систем. Этими вопросами занимались ряд отечественных и зарубежных ученых.

В связи с развитием научно-технического прогресса интерес к задачам такого типа значительно возрос. Однако их решение невозможно получить в традиционной постановке вопроса, поэтому решать такие задачи необходимо на основе динамического подхода.

В первой главе «Современное состояние надежности работы пружинных элементов сельскохозяйственных машин» на основе анализа существующих исследований дано обоснование основных направлений по разработке методов расчета пружинных элементов. Одним из основных элементов сборочных единиц и агрегатов сельскохозяйственной техники является винтовая цилиндрическая пружина - объект, расчету которого посвящено большое количество трудов. Расчетом пружин занимались

A. Н. Крылов, С. Д. Пономарев, Н. А. Чернышев, В. М. Макушин,

B. Л. Бидерман, Н. Н. Малинин, Л. Е. Андреева, Н. В. Хвингия, Д. Ф. Полищук и другие ученые. Большой вклад внесли работы А. Треша, Н. Цинглера, В. Коллатца и др. Исследования пружинных элементов применительно к рабочим органам сельскохозяйственных машин выполнены В. Г. Артемьевым, М. В. Кузьминым, X. X. Губейдуллиным, Ю. М. Исаевым и др. Исследованием надежности технических систем, применительно к сельскохозяйственной технике занимались Астахов М. В. Курбанов Р. Ф., Лисунов Е. А., Мартьянов А. П., Пучин Е. А., Славкин В.И. и др.

На основании проведенного анализа обосновывается применение положений теории надежности к техническим система (машинам), имеющим в своем составе составные (коаксиальные) пружины. Показано, что применение коаксиальной пружины является вариантом резервирования, что особенно важно в условиях сельскохозяйственного производства, поскольку повышает работоспособность многих сельскохозяйственных машин, позволяя соблюдать агротехнические требования к работам.

Функционирование такого вида резервирования в координатах «Значение параметра - время» представлено на рисунке 1.

а і"

тц„ - математическое ожидание несущей способности внешней пружины;

тцв - математическое ожидание несущей способности внутренней пружины; та, - математическое ожидание нагрузки на внутреннюю пружину; т.?,, - математическое ожидание нагрузки на наружную пружину;

- математическое ожидание общей нагрузки

Рисунок 1 - Срабатывание резервирования в коаксиальной пружине

Проведенные исследования показывают, что показатели надежности коаксиальных пружин могут значительно превосходить показатели надежности обычных пружин. В зависимости от вариантов конструктивного исполнения и сферы применения коаксиальных пружин, возможна оценка надежности пружины по различным критериям, в том числе по критериям продольной динамической устойчивости. Использование коаксиальных пружин позволяет создавать системы с резервированием, что особенно важно для сельскохозяйственного производства.

Общий алгоритм оценки надежности вновь разрабатываемых коаксиальных пружин, таким образом, включает следующие шаги:

1) определение критериев оценки надежности пружины;

2) расчет вероятности безотказной работы пружины на основе вероятностных методов с возможным привлечением численных математических методов;

3) при возможности проводят сравнение результатов, полученных вероятностными методами, с результатами статистического анализа результатов испытаний пружин;

4) определение влияния коаксиальной пружины на количественные характеристики надежности технической системы, в которой предполагается использование пружины.

В конце главы сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе «Теоретические основы расчета пружинных элементов сельскохозяйственной техники» представлена классификация видов нагружения и критериев расчета пружинных элементов сельскохозяйственных машин.

В зависимости от назначения сельскохозяйственных машин, специфики технологических процессов, выполняемых этими машинами, пружинные элементы их конструкции подвергаются различным видам нагружения, классификация которых представлена в таблице 1.

Щы.

.

Щт '

Поле Вероятных значений нагрузки

Таблица 1 - Классификация видов нагружения и критериев расчета пружинных элементов сельскохозяйственных машин

№ п/п Критический фактор Область применения Расчетная схема

1 2 3 4

Одинарные пружины

1 Устойчивость при нагружении сжимающей силой Одинарные цилиндрические и конические пружины сжатия. Демпфирующие и виброзащигные устройства, кулачковые механизмы, механизмы подвесок транспортных машин ——VV\AA- — Критическая сила Ркр

2 Устойчивость при нагружении крутящим моментом Пружинные транспортеры, распределители, дозаторы-питатели, торсионные валы •—VVVV4-- V/ п Критический крутящий момент Мк0

3 Устойчивость при нагружении сжимающей силой и крутящим моментом Бороны-катки, устройства для получения жидкой фазы растений и плодов, хонинговальные станки, устройства для притирки клапанов, предохранительные муфты приводов гУ» ~-гААЛАЛ-4—• Ч^ V / н Критическая сила Ркр, критический крутящий момент Мкр

4 Устойчивость при продольно-поперечном изгибе Механизмы натяжения гусениц транспортных машин, устройства защиты лап культиваторов f> / \й ч Критическая сила Рт

Однокоаксиальные (составные) пружины

5 Устойчивость при нагружении сжимающей силой Механизмы подвески транспортных средств, клапанные механизмы, устройства защиты от поломок лап культиваторов Критическая сила Р«р

6 Устойчивость при нагружении крутящим моментом Ротационные бороны, пружинные транспортеры, устройства очистки перемешивающие устройств, сепараторы н Критический крутящий момент М,.р

7 Устойчивость при нагружении сжимающей силой и крутящим моментом Хонинговальные станки, устройства притирки клапанов, торсионы, бурильные установки /*\М —УьффффА — ' V./ м Критическая сила Ркр, критический крутящий момент Мт

Дважды коаксиальные (составные) пружины

8 Устойчивость при нагружении сжимающей силой Устройства п. 5 при ограниченных габаритах Критическая сила Ркр

10 Продолжение таблицы 1

1 2 3 4

9 Устойчивость при нагружении крутящим моментом Устройства п. 6 при ограниченных габаритах Критический крутящий момент Мкр

10 Устойчивость при нагружении сжимающей силой и крутящим моментом Устройства п. 7 при ограниченных габаритах р р Критическая сила Ркр, критический крутящий момент Мир

Известно, что в основе расчета пружин лежит теория пространственных криволинейных стержней. Использование общей теории гибких пространственных стержней применительно к винтовым пружинам приводит к необоснованному усложнению и увеличению объема теоретических расчетов. Поэтому необходимо решить важную задачу выбора математической модели расчета пружин, позволяющей с минимальными затратами рассчитать параметры в каждом конкретном случае.

Критерием потери устойчивости является любое отклонение начальной геометрии винтовой цилиндрической пружины оси первоначальной формы, возникающие при динамическом, статическом нагружении вследствие неправильной технологии изготовления и в результате длительной эксплуатации. Именно искажение начальной геометрии винтовой цилиндрической пружины, как одного из основных элементов сборочных единиц и агрегатов сельскохозяйственной техники может привести как к ухудшению качества выполняемых технологических операций, так и к отказу в работе машины.

Известные ранее методы расчета пружинных элементов в классической постановке учитывали лишь частные граничные условия, например, без учета крутящего момента. В предлагаемом подходе для методов расчета вводятся новые граничные условия, позволяющие получать новые теоретические зависимости, учитывающие все факторы в общем виде. На основе предлагаемого подхода приводится методология расчета пружинных элементов сельскохозяйственной техники по разделам классификации.

Расчет пружинных цилиндрических элементов рабочих органов сельскохозяйственных машин (витых пружин).

Расчетную схему одноцилиндрической пружины представим на рисунке 2 а) и б). Для получения зависимости, связывающей осевую равнодействующую силу Р с возникающим в сечении крутящим моментом Т рассечем пружину вертикальной плоскостью и составляя уравнение равновесия относительно центра тяжести проволоки пружины получим:

Г = ^т„ (1)

где Т - приложенный внешний крутящий момент; гв - средний радиус винтовых линий внутренней пружины.

Углом наклона витков проволоки при проектировании силовых факторов пренебрегаем.

а) 6)

Рисунок 2 - Расчетная схема одноцилиндрической пружины сжатия: а) - цилиндрическая витая пружина сжатия; б) - отсеченная часть пружины

Учитывая, что под действием крутящего момента Т проволока пружины искривляется вводим скользящую систему координат (рисунок 26). ^

Приближенное дифференциальное уравнение деформированной оси бруса в плоскостях изгиба в скользящей системе координатно,^ z0 будет иметь вид:

Ad2u/ds2= - Fu-Tdv/ds] ^

Ad2v/ds2 = - Fv + Tdulds\ где и, V - перемещение точки К по осям хо, уо соответственно; J - длина винтовой линии проволоки пружины; А - жесткость стержня при изгибе. Из зависимостей получим два дифференциальных уравнения в плоскостях:

Ad2v! ds2+ Т du Ids = О, A d2u / ds2-Tdv/ds = 0. (3)

Решением этих уравнений будут:

и = С, cos см + С2 sin «í + С3 ] ^

V =-C1sinas + C2cosas + C4J' где С/ С2, Сз, С4- постоянные интегрирования; а - угол подъема винтовой линии.

а = Т IEJ, (5)

где J - осевой момент инерции сечения проволоки пружины; Е- модуль упругости первого рода проволоки пружины.

В случае шарнирного закрепления концевых сечений, граничные условия можно записать в двух вариантах:

1) w = v = 0, при í = 0 и s = 2ren; (6)

2) w = Vv2 + и2 = 0, при í = 0 и 5 = 2 гвп. (7)

Оба варианта приведут к равенству

sin—= 0. (8)

2

Взяв наименьший положительный корень равенства (8), получим

а 12 = тл. (9)

При т=\ , найдем критическое значение крутящего момента или сжимающей силы

(Ю)

п\

Данный результат получен через кинематические величины: прогибы и углы поворота. Этот же результат можно получить через физические величины: изгибающие моменты и силы.

Для расчета одноцилиндрических пружин работающих на кручение и на кручение со сжатием применялся аналогичный подход. Получены значения критических силы и момента.

Аналитический метод расчета однокоаксиальных пружин. При расчете коаксиальных пружин сжатия учитываем, что при исследовании силовых и геометрических параметров цилиндрических пружин сжатия было установлено, что в некоторых случаях они теряют несущую способность из-за бокового изгиба. Существующая методика расчета его не учитывает. Впервые в работе рассмотрено влияние бокового изгиба для одной пружины. Используем полученные результаты для коаксиальной пружины. Расчетная схема представлена на рисунке 3, где для наружной («н») и внутренней («в») пружин FH, FB - осевые силы сжатия, Н; г„, г„ - радиусы винтовых линий, м; г„п, гв„ - радиусы проволок, м; /„, /„ и / - шаги и рабочая длина, м.

Рисунок 3 - Расчетная схема коаксиальной пружины сжатия

Рассечем пружину горизонтальной плоскостью А-А. Получим два сечения, площади которых симметричны относительно главной центральной оси у и ограничены радиусами г„„, гт, гт, гт (м) и углами а„, а„ (рад). Линейные и угловые перемещения сечений рассматриваем относительно координатных осей xyz по высоте пружин. Центральная деформированная ось пружин представляет собой пространственную кривую. Осевые силы сжатия F, = F/(1 + rlsfi„Jpu /r'sfij^) -Fla, (11)

Fy = F(rt\G„Jp„ / rlsfi,J^I a, (12)

где a = (l + r*seGHJpu / rfsfi^J^)-, sH,se - длины винтовых линий пружин, м;

GKJpil, GJ^ - жесткости при кручении, Н-м2; G,„ Cr« - модули сдвига,

JpH, Jpe - полярные моменты инерции сечений при кручении, равные сумме осевых моментов инерции, м4.

Из литературы известно дифференциальное уравнение пространственной оси каждой из пружин при изгибе:

EJp" = Fp, (13)

где /> = у/и2 +v2- суммарный прогиб, м; и и v - линейные перемещения отсеченных площадей по осям х и у, м; EJ — минимальная изгибная жесткость сечений относительно главной центральной оси, Н-м2; Е - модуль упругости первого рода, Н/м2; J— минимальный момент инерции, м4. После решения (13) с учетом (11) и (12) получили формулу для расчета критических сил сжатия наружной и внутренней пружин:

F„ =пгаЕ{г*ш-гАыУ(ан -0,5sin2а,,sin2а„ /2)/8/2, (14) FB = n2air\GHJp„) / (r>sfieJpe)[E(rl - Ú) -1 (а, - 0,5 sin 2ав - 2sin ае sin2 ав / 2)] / 8/2 [ Зависимости (14), (15) при расчете коаксиальной схемы позволяют определить оптимальные параметры пружин, обеспечивающие рациональное распределение общего усилия F по пружинам, снижение напряжений в витках, металлоемкости конструкции, а также минимизацию потенциальной энергии деформации.

Математическая модель однокоаксиальной пружины кручения (рисунки 4 и 5) рассчитывается с учетом того, что в зависимости от направлений навивки пружины и крутящего момента, проволока пружины может испытывать различные виды деформаций: растяжения, сжатия, кручения и их сочетания. Для расчета на устойчивость необходимо определить гибкость винтовых линий по зависимости:

А = Об)

'min

где //-коэффициент приведения длины; L - длина винтовой линии; ¡min-минимальный радиус инерции.

Далее каждую проволоку пружины можно смоделировать как прямой стержень с постоянной силой N в сечении.

/ і

Рисунок 4 - Расчетная схема Рисунок 5 - Часть проволоки с

коаксиальной пружины, работающей ограничивающим углом а

на кручение

При гибкостях больше чем 100 единиц требуется расчет по формулам Эйлера, из которых определяются значения критических сил:

" (М)2

При гибкостях от 30 до 100 единиц расчет ведется по методике Ясинского, т.е. по коэффициенту уменьшения основного допускаемого напряжения:

о- ^ . (18)

фА ~

После определения критических сил в каждой проволоке и их сопоставления, можно сделать заключение какая пружина потеряет несущую способность. Эти значения критических напряжений могут быть меньше допускаемых значений напряжений. При достижении одной из сил критического значения начинают быстро (почти мгновенно) расти деформации, что не обеспечивает ее надежную работу, если вторая из пружин не в состоянии взять на себя дополнительную нагрузку. По минимальной критической силе можно определить приложенный критический момент.

Это позволяет сделать выводы о том, что применение упругих элементов взамен сплошных приводит к снижению металлоёмкости в большое число раз и уменьшению потенциальной энергии деформации. Различными направлениями завивки проволок пружин можно добиться нужного распределения усилий в проволоках пружин. Увеличение гибкости пружин ведет к снижению концентраций напряжений проволок пружины, при этом

происходит увеличение наработки на отказ, поскольку величины напряжений располагаются, как правило, ниже кривых усталости.

Расчет сложнонагруженных однокоаксильных пружин (рисунок 6). Дадим теоретическую основу в общем виде для одной изолированной пружины среднего радиуса винтовой линии г. Как было сказано ранее, при действии крутящего момента Т и сжимающей силы N проволока пружины искривляется и из зависимости (1) для сжатия с кручением проволоки пружины будем иметь дифференциальные уравнения:

Ad2u/ds2=-Tdv/ds] Ad2v / ds2 = Tdu / ds ]

Их решением будут:

w = Q cos as + С2 sin as + С3 cos [is + C4 sin ¡5s )

v = -C¡ sin «5 + C2 cosas - C¡ sin /3s + C^cosfisJ'

где CVC2,C3,C4- постоянные интегрирования,

Индекс «i» в формуле (19) заменяется на индексы «н» - наружный или «в» -внутренний для соответствующих проволок. Принимая условия закрепления концевых сечений для пружин по типу шарнирного опертого вала, граничные условия можно записать в двух вариантах:

1) и = у = 0, при 5 = 0 , s=1nrn,

2) w = л/v2 + и2 = 0, при 5 = 0 и S = n2ren. Оба варианта приведут к равенству

sin As = 0. (20)

Взяв наименьший положительный корень равенства (20), получим

As = 7rm,

где да-целое положительное число.

При m = 1 свяжем критические значения крутящего момента и сжимающей силы с длиной проволоки зависимостью:

Т2 + *АКсг_л2

4А2 52 '

Рисунок 6 - Расчетная схема конструкции, состоящей из

двух завитых пружин, совместно работающих на сжатие с кручением

Применительно к наружной и внутренней пружинам будем иметь:

,т\ Тв]г+4Е^Лсг 4 ЕгЛ э] ' 4 Е^І ~ з] • (21)

С учетом ранее найденных значений будем иметь следующие критические значения сил и моментов в наружных и внутренних проволоках пружин:

т

нсг г 2 у—г т '

Т ^Л^Ч^Л» "" .....+

N.

н^в" рв 'в ^^н" рн

ТсгЕеАл..к

~ г?ЕвАА+гХАЛ

N.... — ■

ГеЕеА^н+Г»ЕмАЛ

После подстановки этих зависимостей в уравнения, определятся критические значения приложенной силы Есг и крутящего момента Т„.

(Р г ,2 4ТсгАнЕ^нэвг„ _ Е2Л

"ЧЧ^ + ^Л» +г?ЕЛ*н+г?ЕЛ*в (22)

<рг_2 4 ТСГАЕ^Л*Л _ЕгЛ

СГвг,\С,7рв + гв\0И./р/ гв%А^+гХАЛ п]гУ ^

По условию (22) и (23) можно сделать заключение, о том которая из пружин потеряет несущую способность первой или с каким запасом работает каждая пружина. После потери устойчивости или несущейспособности одной из пружин теряется несущая способность всей конструкции, если полную нагрузку не примет на себя вторая пружина. Аналогичные рассуждения можно провести, если принять длину проволок за критическую, регулировать которую можно силовыми факторами Р и Т.

Математическая модель расчета многокоаксиальных пружин в сельскохозяйственных машинах. Определение критической силы сжатия дважды коаксиальной пружины. В литературе недостаточно полно освещены вопросы теоретических методов расчета коаксиальных пружин, работающих на деформацию кручения. Нами предлагается новый подход расчета конструкции, состоящей из трех пружин (рисунки 7, 8).

Т=Р г 'і '■:'/:

Рисунок 7 - Расчетная схема вала, состоящего из трех завитых пружин, совместно работающих на кручение

Рисунок 8 - Отсеченные вертикальной плоскостью три смежных витка пружины с внутренними крутящими моментами

Критические значения крутящих моментов в наружной, внутренней и

средней т = р

1 ВСг СгВ

пружинах

•Г,

определяются по зависимостям:

т - р

1 НСг 1 СгН

ССг ~ &СгС '

, и соответствующие значения критических сил: 2 яаЕяЗВИ

= -

гв$в

гв$в

_ 27гд(г\ОеЗе)ЕсЗс

г>гс5с

(24)

(25)

(26)

где Ь = .

По зависимостям (24), (25), (26) можно сделать заключение, какая из трех пружин потеряет несущую способность первой или и с каким запасом работают две другие пружины. После потери устойчивости или несущей способности одной из пружин теряется несущая способность всей конструкции, если полную нагрузку не примут на себя другие пружины.

Расчет трехпружинной (коаксиальной) пружины при кручении приводится как теоретический расчёт вала, состоящего из трёх пружин (рисунки 9, 10, 11). С учётом закона Гука значения абсолютных удлинений, выраженные через радиусы винтовых линий и элементарно малый угол поворота проволоки 8йв запишутся так:

= ^ = ^ = (27)

ЕЛ ЕЛ ЕЛ

Взяв отношения правых и левых частей этих уравнений и интегрируя их, получим

- Расчетная схема вала, из трёх завитых пружин

Рисунок 9

Рисунок 10 - Часть пружины трёх смежных витков

Из полученных уравнений можем теперь выразить одну силу через

другую, т. е.

Рисунок 11 - Деформированное состояние трёх смежных витков пружин при закручивании их на элементарный угол А9

N.. = N.

ЕЛ* .г.,

N. = N. ЕЛ"'Гс. (29)

ЕЛ.V.

' ЕЛ*Л

После преобразований и подстановки, получим значение равнодействующей силы в сечении внутренней проволоки:

Ж=- ^

С учётом зависимости найдем среднюю и наружную равнодействующие внутренних сил в пружинах:

N.=-

ТЕсАЛ,.

Е.А.В. с

А.Е.

ЛЛГ2 , ДЛГ 2

лг.. =-

ЕАз

АЕ

'-г -Ь -

(31)

(32)

Рисунок 12 - Расчетная схема конструкции, состоящей из трех совместно работающих пружин

' 4А

При расчете многокоаксильных пружин статическая неопределимость системы системы решается подобным образом. При большой гибкости пружин (более 100 единиц) расчет ведется по формуле (17).

Расчет модели коаксиальной пружины при сжатии с кручением (рисунок 12). Расчет на прочность одинарных цилиндрических пружин, испытывающих деформацию сжатия с кручением, общеизвестен. Однако методики практических расчетов внутренних усилий при совместной работе двух и более составных пружин, как и расчета на устойчивость или на потерю несущей способности, не существует. Имеется лишь ссылка на то, что такие пружины теряют устойчивость или несущую способность при достижении ими критических значений крутящих моментов или осевых сжимающих сил.

Проведем расчет в общем виде для одной изолированной пружины среднего радиуса г, предполагая ранее принятые условия для сложного нагруженных однокоаксиальных пружин (рисунок 12), окончательно получено: 0,25(71 + 4Е^НМИСГ)/{Е1Л) = *2 / ^

0,25 {Т1 + 4 ) / (£СЧ2 ) = (34)

0,25(Г„2г + / (£.Ч2) = / 52- (35)

С учетом выражений предыдущих расчетов по формулам (33), (34), (35) находим критические значения сил и моментов в наружной, средней и внутренней проволоках и делаем заключение - какая из трех пружин потеряет несущую способность первой или с каким запасом работает каждая пружина. После потери устойчивости или несущей способности одной из пружин теряется несущая способность всей конструкции, если полную нагрузку не примут на себя другие пружины. Если принять длину проволок за одну критическую, то регулировать ее можно силовыми факторами ^и Т.

Таким образом, у цилиндрических пружин, работающих в условиях сложного нагружения, потеря устойчивости равновесия происходит по различным направлениям. Критические силы и моменты определяют безотказную область работы пружин, за пределами которой их работоспособность теряется из-за быстрого (почти мгновенного) роста деформаций. Из полученных зависимостей для критических крутящих моментов и сил легко получаются их значения для одной или двух пружин. В частных случаях из них вытекают формулы А. Гринхилла и Л. Эйлера. Коаксиальные пружины с успехом можно использовать в подвесных амортизаторах и бамперных конструкциях, что приводит к снижению ударных нагрузок и энергозатрат, а также поломок узлов и деталей при авариях.

Аналогично принятой методологии получены теоретические зависимости для расчета различных пружинных элементов конструкций сельскохозяйственных машин.

Математическая модель расчета пружин с большим шагом витков рассматривает упругие элементы (пружинные звенья конструкций машин), которые испытывают деформацию растяжения или сжатия (рисунок 13).

Используя ранее принятые зависимости и проведя анализ полученных результатов, получим, что нормальные напряжения могут превышать касательные напряжения. С учетом этих составляющих можно перейти к любой из теорий прочности, например:

°тах = + 4Г2 < СГаЛп . (36) Отсюда следует, что полная деформация пружины при сжатии складывается из суммы двух деформаций: от сжатия и кручения, которые при определенном шаге витков Рисунок 13 - Конструктивная схема становятся величинами одного порядка, расчета пружины, где 5 = 2лт, что не учитывалось ранее

п-число витков поужины предложенными расчетами; полная

составляющая напряжений определяется суммой трех напряжений: от напряжений сжатия, кручения и среза.

Также были разработаны основы теории и методы расчета пружинных элементов различных конструкций и узлов сельскохозяйственной техники.

В третьей главе «Разработка методов расчета силовых пружинных узлов на прочность и колебания» изложены научные основы и критерии работоспособности пружин распространенных конструкций сельскохозяйственного машиностроения. Разработаны обобщенные физико-

математические модели с учетом спектра эксплуатационных нагрузок пружинных элементов, характеризующих работу сельскохозяйственных машин. Систематизированы отличительные особенности деформации пружин на промежуточной стадии нагружения и установлены критерии их работоспособности. Разработаны аналитические зависимости и порядок проектирования и расчета пружин по критериям продольной динамической устойчивости и прочности.

Отмечается, что пружинные узлы (ПУ) с составными пружинами, наряду с их высокой несущей способностью, обладают повышенной гибкостью. Показано, что гибкость системы с двумя концентричными цилиндрическими пружинами, превышает гибкость одной эквивалентной пружины на 35...46%. Данное обстоятельство обуславливает необходимость отстраивания ПУ от резонансов.

Разработанная методика отстраивания ПУ предусматривает определение собственных частот продольных колебаний, как составляющих пружин в отдельности, так и ПУ в целом с дальнейшим построением лучевой диаграммы. Расчет собственных частот по поперечным колебаниям носит проверочный характер.

На рисунке 14 приведена характерная лучевая диаграмма ПУ подвески жатки зерноуборочной комбайна New Holland FR9060.

i щ. к'1)

1 - собственная круговая частота продольных колебаний ПУ; 2 - собственная круговая частота продольных колебаний внешней пружины ПУ; 3 - собственная круговая частота продольных колебаний внутренней пружины ПУ; 4 - возмущающая круговая частота мотовил; 5 - возмущающая круговая частота скорости перемещения комбайна

Рисунок 14 - Лучевая диаграмма ПУ

ш

50

J С / К

1 X

г J т 1 \ ¥

А 'о

Ч* I

1 1 1 1 1

20

200

260

Ыц , /с 7

Круговые собственные частоты продольных колебаний элементов ПУ в совокупности с возмущающими частотами показывают опасные интервалы скорости вращения мотовил (точки А, В, С) и частоты возмущений от скорости перемещения комбайна, приведенных к ПУ (точки О, Е, К), где возникают резонансные эффекты, обусловленные совпадением собственных частот продольных колебаний пружин (точки А, В, Е), собственно самого ПУ (т. А, Б) с частотой возмущений, возникающих от движения комбайна (точки В, Е, С, К).

Предлагаемая методика расчета и отстраивания пружинных элементов существенно дополняет известные методики и расширяет их применительно к сельскохозяйственному машиностроению, позволяет вести расчет и подбор

пружинных элементов не только на стадии проектирования новых машин, но и при модернизации, ремонте и сервисном обслуживании эксплуатируемых машин. Применение настоящих рекомендаций позволяет повысить нагрузочную способность и ресурс работы пружинных элементов. Применимость настоящих рекомендаций не ограничивается сферой сельскохозяйственного машиностроения, разработанные методики могут быть использованы при расчете упругих элементов машин общего машиностроения.

В четвертой главе «Методика и результаты экспериментальных исследований» представлена программа экспериментальных исследований пружинных элементов и методика экспериментальных исследований пружинных элементов.

Экспериментальные исследования проводились в соответствии с проведенными в работе теоретическими исследованиями по установлению критериев продольной устойчивости силовых пружинных механизмов.

Целью настоящей главы являются экспериментальные исследования по определению количественных характеристик проведенных ранее теоретических исследований по повышению эксплуатационной надежности и ресурса работы силовых пружинных механизмов, в частности:

• исследование усталостной прочности пружин различных типоразмеров;

• разработка дополнительных технических мероприятий по повышению усталостной прочности пружин, в частности пескоструйной обработке;

• сравнительные испытания серийно выпускаемых пружин и дополнительно подвергнутых пескоструйной обработке;

• испытания пружин различных типоразмеров на динамическую устойчивость;

• обработка данных экспериментальных исследований и анализ результатов.

Усталостные испытания пружин проводились на стенде ТЬ8-81000011.

Результаты испытаний по усталостной прочности показали, что разрушения пружин в подавляющем большинстве (около 85%) происходили по второму и третьему виткам. Усталостные трещины развивались под углом 45° к продольной оси витка. У некоторых испытуемых пружин разрушение

произошло перпендикулярно данной оси. Характер изломов - усталостный, типичный для нагружения кручением, с ярко выраженным фокусом разрушения, зоной усталостного развития трещины и зоной долома. Типичный излом пружин представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 - Типичный излом пружины по 3-му витку

На рисунке 16 представлены кривые усталости пружин типа Велера для условий испытаний, которые имеют слабо наклонный участок в зоне после 6-Ю6 циклов. Нагружения и криволинейный участок в зоне начального периода циклов нагружения N< 4 -106 циклов, что может аппроксимироваться уравнением:

t^N = const,

где показатель степени с достаточной для инженерных расчетов точность может быть принят равным п = 5,3 для пружин, подвергнутых пескоструйной обработке в течение 5 минут и п = 4,9 - для пружин, без обработки.

Экспериментальные исследования по критерию динамической устойчивости проводились на том же стенде и по той же методике, что и испытания по усталостной прочности.

Modal

Рисунок 16 - Экспериментальные кривые усталости партий пружин

На рисунках 17... 22 представлены результаты экспериментальных исследований продольной устойчивости пружин.

№«•

8)0 ««

і і

■—У

____ ____

----

Рисунок 17 - Зависимости силы от степени сжатия F от т

Рисунок 18 - Зависимости силы от степени сжатия F от т

Рисунок 19 - Зависимости безразмерной частоты от степени сжатия котт

Рисунок 20 — Зависимости безразмерной частоты от степени сжатия к от т

/ \

/ \

V \

/ \

/ N

ч

Рисунок 22 - Зависимости/от т

Из результатов исследования следует, что при нагружении пружин расчетным усилием Ркр в диапазоне усталостной прочности, соответствующего рабочему сжатию на величину Хкр, боковое выпучивание наблюдалось у 2 пружин из 90, что составляет 2,22% от всех пружин; при превышении расчетного значения равно как и рабочего хода сжатия на 30%, боковое выпучивание наблюдалось у 31 пружины из 90, что составляет 34,44% от всех пружин; при превышении Ркр до полного сжатия пружин и соприкосновения витков боковое выпучивание наблюдалось у 70 пружин, что составляет 77,78% от всех пружин.

Установлено, что расчетный ресурс работы пружин обеспечивается заданием эксплуатационных параметров как по расчетной нагрузке так и по заданному рабочему ходу сжатия пружин Хкр.

Результаты экспериментальных исследований показали адекватность предложенной методики расчета пружинных узлов по критерию динамической устойчивости, что позволяет рекомендовать их для практического использования.

В пятой главе «Новые технические средства на основе спирально-винтовых пружин» приводятся конструкции устройств и машин, при разработке которых были использованы результаты теоретических исследований, изложенные в главе 2 диссертации.

Смеситель порошков (а.с. № 1748937) применяется для перемешивания различных материалов, в том числе при приготовлении кормов для сельскохозяйственных животных.

Дробилка с упругим трехпружинным валом (патент РФ № 88289) относится к технике измельчения и может быть использована в мукомольной, пищевой, медицинской, а также в производстве кормов и премиксов для сельскохозяйственных животных.

Винтовая борона-каток (патент РФ 122229) предназначена для измельчения комков, выравнивания поверхности поля, прикатывания при подготовке почвы к посеву.

Предназначение бороны ротационной мульчирующей (патент РФ №120314) заключается в обеспечении качественного крошения, выравнивания и создания мульчированного поверхностного слоя почвы.

Применение разработанного устройства для обработки междурадий пропашных культур (патент РФ №124523) позволяет увеличить степень крошения поверхностного слоя почвы, удалять сорняки, снизить энергозатраты на обработку почвы.

Устройство для отжима сока (патент РФ №122558) предназначено для использования в пищевой промышленности при отжиме соков из плодовоягодных культур и овощей.

Установка для получения растительной вытяжки (патент РФ №127322) может быть использовано для получения растительных вытяжек в сельском хозяйстве.

Также приведены описания стендов (патенты РФ 41360, 46578, 49987) для измерения различных деформаций звеньев пространственных механизмов.

В шестой главе «Расчет технико-экономических и энергетических показателей разработанных конструкций» приведена оценка экономической и энергетической эффективности предлагаемых технических решений. Реализация предложенных технических средств повышает эффективность сельскохозяйственного производства. Разработанные технические средства являются многоцелевыми, универсальными, обеспечивают снижение энергозатрат технологических процессов, эффективность использования в производстве и экологическую безопасность.

ВЫВОДЫ

1. Существующие методы расчета пружинных элементов в классической теории учитывают лишь частные граничные условия, что не позволяет проводить расчет указанных элементов с достаточно высокой степенью надежности. В разработанных методах расчета вводятся новые граничные условия, которые позволяют получить новые теоретические зависимости, учитывающие факторы в более общем виде.

2. На основе теоретического анализа известных технических решений разработана классификация видов нагружения, критериев расчета пружинных

элементов сельскохозяйственных машин, проведено теоретическое обоснование методов оценки надежности пружин и технических систем (машин), имеющих в своем составе пружины.

3. Получены математические модели расчета витых одинарных, одно-, двух- и многокоаксиальных пружин как классического, так и специального исполнения по критерию устойчивости, обеспечивающих надежность работы с учетом сжатия, кручения и сложного нагружения.

4. Разработаны аналитические методы расчета цилиндрических пружин ступенчатого изменения жесткости, пружин с большим шагом витков при сложных нагружениях, учитывающих напряжения сжатия, кручения, колебаний и среза.

5. Разработаны для пружинных элементов сельскохозяйственных машин: основы теории и статические методы расчета стержней с учетом влияний способов закрепления концевых сечений; основы теории деформированного и напряженного состояния стержневых систем при изгибе; аналитические методы расчета колебательных систем с сосредоточенными массами; новые методы математического расчета балок с поперечными колебаниями; теоретические основы методов расчета завитых и сжато-скрученных брусьев; методы расчета шарнирно-опертых валов с распределенными по длине крутящими моментами и основы расчета систем упругих элементов с учетом колебаний.

6. Выполнены лабораторные исследования новых конструкций пружин различного исполнения для подтверждения достоверности теоретических предпосылок расчета, в результате которых получено подтверждение адекватности математических моделей расчета пружин и пружинных элементов, а также методики расчета по критерию динамической устойчивости, что позволяет рекомендовать их для практического использования.

7. Проведены экспериментальные исследования по определению количественных характеристик проведенных ранее теоретических исследований по повышению эксплуатационной надежности и ресурса пружинных механизмов.

8. Разработана методика отстраивания пружинных узлов от резонансов путем построения лучевой диаграммы пружинного узла. Применение предложенных методов расчета позволяет повысить усталостную прочность пружин и их ресурс на 10... 15 %.

9. Существенным повышением усталостной прочности и ресурса работы пружинных узлов является пескоструйная обработка. Обработка в течение 5 минут в среднем повышает усталостную прочность на 15...18%.

10. На основе предложенных теоретических предпосылок разработаны новые конструкции сельскохозяйственных машин и стенды для измерения деформаций (а. с. №1245656, а. с. №1748937, патент РФ №41360, патент РФ №46578, патент РФ №49987, патент РФ №88289, патент РФ №122229, патент

РФ №120314, патент РФ №122558, патент РФ №124523). Разработанные новые технические средства на основе спирально-винтовых пружин охватывают широкий спектр технологических операций в сельскохозяйственном производстве.

11. Годовой экономический эффект от внедрения предложенных технических решений в производство составил при использовании пружинной бороны 65804 рубля на 1000 га пашни в ценах 2012 г. Коэффициент энергетических затрат для пружинной бороны составил 0,9, для пружинного культиватора - 0,87.

Публикации в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК

1. Мартьянов, А.П. К основам конструкторской надежности цилиндрических пружин переменного сечения по длине при сложных деформациях / А. П. Мартьянов, О. Ю. Маркин, С. М. Яхин, С. А. Мартьянов, Д.В. Напалков // Вестник Казанского ГАУ. - 2008. - № 4 (10). - С.152-155.

2. Мартьянов, А.П. Снижение несущей способности цилиндрических пружин кручения / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, C.B. Яковлев // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2008. -№ 7. - С. 43 - 44.

3.Мартьянов, А.П. К оценке надежности конструкций из цилиндрических пружин переменного сечения проволок по длине при сложных деформациях ! А.П.Мартьянов, С.М.Яхин, С.А.Мартьянов, Д.В. Напалков // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Актуальные проблемы машиностроения». - 2009. - С. 95 - 98.

4. Мартьянов, А.П. К оценке надежности конструкций с пружинными валами / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, Д.В. Напалков // Вестник Казанского государственного аграрного университета. -2009. - № 1 (11).-С. 158-162.

5. Мартьянов, А.П. Определение силовых параметров в коаксиальных цилиндрических пружинах / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, И.В. Максимов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. — № 1. — С. 37-38.

6. Яхин, С.М. Определение несущей способности дважды коаксиальных пружин сжатия/ С.М. Яхин, А.П. Мартьянов, A.A. Мартьянов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010. - Том 12, № 1(2). - С. 592-594.

7. Мартьянов, А.П. Определение надежности работы коаксиальных пружин при сжатии с кручением / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, A.A. Мартьянов // Техника в сельском хозяйстве. - 2010. - № 4. - С. 39-41.

8. Мартьянов, A.A. Практический расчет упругих элементов с большим шагом витков на прочность и жесткость при деформации сжатия/А.А.Мартьянов, АЛ. Мартьянов, С.М. Яхин //Вестник Казанского ГАУ. - 2010. -№ 4 (18). - С.117-119.

9. Мартьянов, А.П. К оценке конструкторской надежности цилиндрических пружин переменного сечения по длине при сложных деформациях /

А.П. Мартьянов, C.M. Яхин, О.Ю Маркин, Д.В. Напалков // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 2. - С.44-46.

10. Мартьянов, А.П. Расчет надежности цилиндрических пружин при сложном нагружении/ А.П. Мартьянов, О.Ю. Маркин, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов // Тракторы и сельхозмашины. - 2010. - № 1. - С.50-52.

П.Мартьянов, А.П. Определение критической силы сжатия коаксиальной пружины / А.П. Мартьянов, С.А. Мартьянов, С.М. Яхин, A.A. Мартьянов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2010. -№ 9. - С. 31-32.

12. Мартьянов, А.П. Упругие элементы с большим шагом витка при сжатии: ■расчет на устойчивость, прочность, жесткость и колебания / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, Д.В. Напалков, A.A. Мартьянов // Автомобильная промышленность. - 2010. — № 9. — С. 33-36.

13. Мартьянов, А. П. К оценке жесткости упругих элементов при простой деформации растяжения или сжатия / А. П. Мартьянов, С. М. Яхин, Д.В.Напалков, A.A. Мартьянов И Вестник Казанского ГАУ. - 2010. — № 2 (16). - С.106-108.

14. Мартьянов, А.П. О потере несущей способности пружин сжатия при боковых формах изгиба / А. П. Мартьянов, С. М. Яхин, С. А. Мартьянов, Д. В. Напалков // Техника в сельском хозяйстве. - 2009. — №6. - С.47-49

15. Яхин, С. М. Повышение надежности коаксиальных пружин кручения / С.М. Яхин, А.П. Мартьянов, A.A. Мартьянов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Том 13, № 1(3). - С. 707-709.

16. Мартьянов, А.П. Общая классическая теория колебаний стержней и её связь с колебаниями систем из упругих элементов / А.П. Мартьянов, Ю.И. Матяшин, А.Р. Валиев, С.М. Яхин, A.A. Мартьянов // Вестник Казанского ГАУ. - 2011. - № 3 (21). - С.90-94.

' 17. Мартьянов, А.П. Надежность дважды коаксиальных цилиндрических пружин при сложных деформациях / А.П. Мартьянов, С.А. Мартьянов, С.М. Яхин, A.A. Мартьянов // Тракторы и сельхозмашины. -2011. - № 3. - С.49-51.

18. Яхин, С.М. Совершенствование конструкции протравливателя семян барабанного типа / С.М. Яхин, Р.Ш. Марданов, И.И. Алиакберов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. - 2012. - № 2 (24). - С.80-84.

19. Сёмушкин, Н. И. К исследованию взаимодействия семян с роторным отражателем высевающего барабана зерновой сеялки / Н. И. Сёмушкин, С. М. Яхин, Б. Г. Зиганшин, А. В. Белинский // Вестник Казанского ГАУ. -2012. -№ 4 (26). - С.79-83.

20. Мартьянов, А.П. Упругие элементы с большим шагом витка при сжатии: расчет на устойчивость, прочность, жесткость и колебания / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, С.А. Мартьянов, Д.В. Напалков, A.A. Мартьянов // Автомобильная промышленность. - 2010. — № 9. — С. 33-36.

21. Яхин, С.М. Классификация видов нагружений и критериев расчета спирально-винтовых элементов сельскохозяйственных машин / С.М. Яхин, Н.И. Сёмушюш, Валиев А.Р.//Вестник Башкирского ГАУ. - 2012. - №3. - С.63-66.

22. Яхин, С.М. Расчет несущей способности консольных валов сельскохозяйственных машин с упругими опорами / С.М. Яхин, А.Р. Валиев // Вестник казанского аграрного университета. - 2012. - 3 (25). - С. 91-96.

23. Яхин, С.М. К расчету несущей способности вертикальных валов переменной жесткости. Вестник Казанского ГАУ. - 2012- №3 (25).-С. 96-101.

24. Яхин, С.М. Влияние завивки валов сельскохозяйственных машин на выносливость / С.М. Яхин, С.А. Мартьянов // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - 2012. -№ 3 (19). - С.135-138.

25. Яхин, С.М. Методика проектирования и расчета пружин сельскохозяйственных машин по критерию динамической устойчивости /С.М. Яхин, Б. Г. Зиганшин, Ф. А. Шамсутдинов // Нива Поволжья. -2012. - №3 (24). - С. 41-44.

Монографии

26. Мартьянов А.П. Теория и расчет конструкторской надежности сельскохозяйственной техники. / А. П. Мартьянов, С. А. Мартьянов, С. М. Яхин. - Казань: Казан, гос. ун-т, 2010. - 210 с.

27. Яхин С. М. Применение спирально-винтовых пружин в сельскохозяйственном производстве. / С. М. Яхин, Б. Г. Зиганшин, Н. И. Сёмушкин. -Казань: Казанский ГАУ, 2012. - 316 с.

28. Проектирование и расчет пружинных элементов сельскохозяйственной техники (практические рекомендации). -Казань: Казанский ГАУ, 2012. - 60 с.

29. Валиев, А.Р. Машины для предпосевной подготовки почвы и посева сельскохозяйственных культур (регулировка, настройка и эксплуатация) / А.Р. Валиев, Б .Г. Зиганшин, Н.И. Сёмушкин, С.М. Яхин - Казань: Казанский ГАУ, 2013.-156 с.

Учебно-методические пособия

30. Маркин, Ю. С. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин / Ю. С. Маркин, М. Г. Яруллин, С. М. Яхин, О. Ю. Маркин. - Казань.: Казан, гос. энерг. ун-т, 2008.-260 с.

Публикации в трудах международных, всероссийских и других конференций

31. Мартьянов, А.П. Оценка надежности работы коаксиальных пружин кручения / А.П.Мартьянов, С.МЛхин // Международный научный журнал МСХ РФ. - 2008. - № 3. - С. 33-36.

32. Мартьянов, А.П. О колебаниях и затратах энергии пружинных и сплошных валов / А.П.Мартьянов, С.М. Яхин С.А.Мартьянов // Международный научно-экономический журнал МСХ РФ. - 2008. - №3. - С. 76-79.

33. Яхин С.М. Оптимизация параметров и режимов работы пространственного шарнирного вибропогружателя / С.М.Яхин // Проблемы механизации сельского хозяйства. Казань. - 2000. — С. 325-327.

34. Яхин С.М. Проектирование пространственного шарнирного вибропогружателя / С.М. Яхин // 100 лет механизму Беннетга. - 2004. - С. 124-126.

35. Мартьянов, А.П. Оценка надежности работы. коаксиальных пружин кручения / А.П. Мартьянов, С.М. Яхин, // Международный научный журнал. -2008. -№3,- С. 33-36.

36. Яхин, С.М. О колебаниях и затратах энергии пружинных и сплошных балок / С.М. Яхин, А.П.Мартьянов, С.А.Мартьянов // Международный технико - экономический журнал. - 2008. — № 3. - С. 76-79.

37. Маркин, О.Ю. О минимизации затрат энергии в упругих элементах машин / О.Ю.Маркин, А.П.Мартьянов, С.МЛхин, С.А.Мартьянов // Международная научно - техническая конференция Энергетика 2008: инновации, решения, перспективы. - 2008. - С. 88-91.

38. Яхин, С.М. К расчету валов конусных инерционных кормовых дробилок / С.М.Яхин, И.В.Максимов, С.А.Мартьянов, С.В.Яковлев // Международная конференция молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии». -2008.-С. 153-154.

39. Мартьянов, А.П. К расчету коаксиальных пружин сжатия на потерю несущей способности / А.П. Мартьянов, С.А. Мартьянов, С.М. Яхин, Д.В. Напалков // Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики. - 2009. - С. 53-57.

40. Яхин, С.М. Определение внутренних силовых факторов в составных дважды коаксиальных пружинах сжатия / С.М.Яхин, А.П.Мартьянов, А.А.Мартьянов // Инновационное развитие агропромышленного комплекса. -Том 77, 4.2. - 2010. - С. 300-304.

41. Яхин, С.М. Особенности работы пространственного вибропогружателя в резонансном режиме / С.М. Яхин // Механика машиностроения, тезисы докладов. - 1997. - С. 62.

42. Яхин, С.М. Расчет ступенчатых сложнозагруженных валов сельскохозяйственных машин / С.М. Яхин, Б.Г. Зиганшин, А.Р. Валиев, Н.И. Сёмушкин, P.P. Гайнутдинов // Materialy viii mezinarodni vödecko-prakticka konference «Aplikovane v^decke novinky - 2012». - Praha: Publishing House «Education and Scince» s. r. o., 2012,104 s.

43. Яхин, C.M. Расчет валов сельскохозяйственных машин при сложном нагружении / С. М. Яхин, Б. Г. Зиганшин, А. Р. Валиев, Н. И. Сёмушкин, Л.МЛуриев // Materialy viii mezinarodni v6decko-prakticka conference «Predni vedecke novinki - 2012». - Praha: Publishing House «Education and Scince» s.r.o., 2012,96 s.

44. Галиев, И.Г. Обеспечение надежности сельскохозяйственной техники / И.Г. Галиев, С.М. Яхин, А.Р. Валиев, Р.К. Хусаинов, A.A. Мухаметшин //

Materialy viii mezinarodni vSdecko-prakticka conference «Predni vedecke novinki - 2012». - Praha: Publishing House «Education and Scince» s. r. o., 2012, 96 s.

45. Галиев, И.Г. Обоснование выбора критериев обеспечения надежности функционирования сельскохозяйственной техники / И.Г. Галиев, С.М. Яхин, А.Р. Валиев, А .А. Мухаметшин, Р.К. Хусаинов // Материали за VIII международна научна практична конференция «Новини на научния прогресс-2012». - София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2012, 96 с.

46. Галиев, И.Г. Обоснование дифференциации сельскохозяйственных работ по условию безотказности выполнения технологических операций / И.Г. Галиев, С.М. Яхин, А.Р. Валиев, А.А. Мухаметшин, Р.К. Хусаинов // Materialy viii miedzynarodowei naukowi-prakticznei konferenciy «Nauka: Teoria I praktyka -2012». -Przemysl «Nauka I studia», 2012, 80 s.

47. Яхин, C.M. К расчету плоских элементов рабочих органов сельскохозяйственных машин / С.М. Яхин, Б.Г. Зиганшин, А.Р. Валиев // Materialy viii miedzynarodowei naukowi-prakticznei konferenciy «Nauka: Teoria I praktyka - 2012». - Przemysl «Nauka I studia», 2012, 80 s.

48. Яхин, С.М. Расчет тонкостенных стержней открытого профиля / С.М. Яхин, Б.Г. Зиганшин, Н.И. Сёмушкин // Материали за VIII международна научна практична конференция «Новини на научния прогресс-2012». - София «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2012, 96 с.

49. Seomushkin, N.I. Mathematical model of interaction of seeds with the internal surface of sowing block of seed drill / N.I. Seomushkin, B.G. Ziganshin, S.M.Yakhin, B.A. Gayfullin, R.E. Vlasov // Science, Technology and Higher Education. - Westwood, Canada: «Strategic Studies Institute».-2012. - 531-535 pp.

50. Seomushkin, N.I. Research of influence of design factors of the sowing block on seeding quality / N.I. Seomushkin, B.G. Ziganshin, S.M.Yakhin, I. A. Vaskov, R.E. Vlasov, В .A. Gayfullin // Science and Education. - Materials of the II international research and practice conference, Vol. I, Munich, December 18th - 19th, 2012. -Waldkraiburg, Munich, Germany: «Vela Verlag». - 2012. - 217-222 pp.

51. Галиев, И. Г. Обеспечение работоспособности тракторов в аграрном производстве путем обоснования выбора варианта ремонтных воздействий / И. Г. Галиев, С. М. Яхин, Р. К. Хусаинов // Інноваційни проекти в галузі технічного сервісу машин. - Материалы международной научной конференции. - Харьков, Украина: - 2013. - 267-273 с.

52. Галиев, И. Г. Обеспечение надежности функционирования тракторов в аграрном производстве / И. Г. Галиев, С. М. Яхин, Р. К. Хусаинов // Ресурсозберігаючі технології, матеріали та обладнання у ремонтному виробництві. - Материалы международной научной конференции. - Харьков, Украина: - 2013. - 302-305 с. /

Патенты

53.А.С. № 1748937. Смеситель порошков / С.М.Яхин и др.; КСХИ им. М.Горького. 4787857; заявл. 03.02.1990; опубл. 22.03.1992.

54. Патент РФ № 41360. Стенд для измерения деформации кручения звеньев пространственных механизмов / Ю.С.Маркин, Л.Г.Наумов, С.М.Яхин, О.Ю.Маркин, А.Л.Наумова, Н.О.Маркина; Казань, откр. акц. общ-во «Казанск. пассажирск. автшранспортн. предпр. №1» 2004104815/20; заявл. 13.02.2004; опубл. 20.10.2004.

55. Патент РФ № 46578. Стенд для измерения деформаций звеньев пространственных механизмов / Ю.С.Маркин, ЮЛ.Петрушенко, С.МЛхин, О.Ю.Маркин, Ю.О.Маркина; Казань, казанск. гос. энерг. ун-т. 2005100103/22; заявл. 11.01.2005; опубл. 10.07.2005.

56. Патент РФ № 49987. Стенд для комплексного измерения деформаций звеньев пространственных механизмов / Ю.С.Маркин, Л.Г.Наумов, С.М.Яхин, О.Ю.Маркин, А Л.Наумова, Н.О.Маркина; Казань, откр. акц. общ-во «Казанск. пассажирск. автотранспорта, предпр. №1» 2005111882/22; заявл. 12.04.2005; опубл. 10.12.2005.

57. Патент РФ № 88289. Дробилка с упругим трехпружинным валом / А .П.Мартьянов, С.А.Мартьянов, С.М.Яхин, Д.В.Напалков; Казань. Казанский ГАУ. 2009115172/22; заявл. 21.04.2009; опубл. 10.11.2009.

58. Пат. 122229 РФ МПК А01В 49/04. Винтовая борона-кагок/Яхин С.М. и др.; заявитель и патентообладатель Казанский ГАУ;-№2012112072/13; заявл. 28.03.12.

59. Пат. 120314 РФ МПК А01В 49/04. Борона ротационная мульчирующая / Яхин С.М. и др.; заявитель и патентообладатель Казанский ГАУ; №2012119210/13; заявл. 10.05.12.

60. Пат. 122558 РФ /052281. Устройство для отжима сока / Яхин и др.; заявитель и патентообладатель Казанский ГАУ; №2012132971/13 заявл. 01.08.12.

61. Пат. 124523 РФ МПК А01В 39/00. Устройство для обработки междурядий пропашных культур / Яхин С.М. и др.; заявитель и патентообладатель Казанский ГАУ; № 2012134426/13 заявл. 10.08.12

62. Пат. 127322 РФ МПК ВОЮ 11/04. Установка получения растительную вытяжки / Яхин С. М. и др.; заявитель и патентообладатель Казанский ГАУ; №2012141204/05 заявл. 26.09.2012

******

Особая благодарность выражается д.т.н., профессору [Мартьянову А.ТГ1 за консультацию и поддержку при выполнении диссертационной работы.

Формат60x84/16 Тираж 100- Подписано к печати 30.09,2013г

Печать офсетная. Усл.п.л. 2,00 Заказ ¡¿19 <

Издательство КГАУ/420015 г.Казань, ул.К.Маркса, д.65 Лицензия на издательскую деятельность код 221 ИД №06342 от28.11.2001 г. Отпечатано в типографии КГАУ 420015 г.Казань, ул.К.Мпркса, д.65. Казанский государственный аграрной университет

ФГБОУ ВПО «Казанский государственный аграрный

университет»

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

05.20.03 - технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Зиганшин Булат Гусманович

На правах рукописи

Яхин Сергей Мирбатович

МОСКВА 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................7

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН.................................................................................................................14

1.1 Актуальность проблемы..........................................................................14

1.2 Классификация пружин...........................................................................34

1.3 Классификация современных сельскохозяйственных машин с

пружинными рабочими органами...........................................................36

1.3.1 Почвообрабатывающие машины...................................................37

ч 1.3.2 Транспортирующие машины.........................................................41

1.3.3 Гибкие валы.....................................................................................45

1.3.4 Измельчающие машины.................................................................46

1.3.5 Режущие аппараты..........................................................................47

1.3.6 Молотильно-сепарирующие устройства.......................................50

1.3.7 Очесывающие устройства..............................................................54

1.3.8 Соломосепараторы..........................................................................55

1.3.9 Устройства для уборки корнеклубнеплодов и овощей...............58

1.3.10 Устройства для сортировки..........................................................60

1.3.11 Перспективы применения пружинных рабочих органов в сельскохозяйственных машинах..................................................62

1.4 Состояние вопроса стабильности работы конструкций.......................65

1.5 Выбор критерия расчета пружинных элементов спирально-винтовых рабочих органов......................................................................66

1.6 Теоретическое обоснование надежности пружин.................................67

1.6.1 Обоснование применения положений теории надежности к

расчету показателей пружин...........................................................67

1.6.2 Методы оценки надежности коаксильных пружин.....................68

1.6.3 Надежность технических систем (машин), имеющих в своем составе коаксиальные пружины.....................................................78

1.7 Выводы по главе.......................................................................................83

1.8 Цель и задачи исследований...................................................................84

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПРУЖИННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ........................86

2.1 Классификация видов нагружения пружинных элементов по эксплуатационным условиям работы.....................................................86

2.2 Обзор современных методов и критериев расчета винтовых цилиндрических пружин.........................................................................88

2.3 Анализ классических положений теории расчета цилиндрических пружин.......................................................................................................92

2.3.1 Теоретические предпосылки расчета упругих систем................92

2.3.2 Статический метод расчета с учетом влияний способов закреплений концевых сечений....................................................100

2.3.3 Основы теории деформированного и напряженного состояния при изгибе.....................................................................105

2.3.4 Метод расчета колебательных систем с сосредоточенными массами............................................................................................113

2.3.5 Расчет колебательных систем с бесконечным числом степеней свободы...........................................................................116

2.3.6 Метод расчета балок с поперечными колебаниями....................124

2.3.7 Основы расчета завитых и сжато-скрученных брусьев..............127

2.3.8 Расчет шарнирно опертых валов с распределенными по длине крутящими моментами..................................................................133

2.4 Расчет пружинных цилиндрических элементов рабочих органов сельскохозяйственных машин (витых пружин)....................................137

2.4.1 Несущая способность одноцилиндрических пружин сжатия ....138

2.4.2 Одноцилиндрические пружины кручения....................................140

2.4.3 Расчет одноцилиндрических пружин сжатия с кручением........142

2.5 Аналитический метод расчета однокоаксиальных пружин.................144

2.5.1 Расчет коаксиальных пружин сжатия...........................................144

2.5.2 Математическая модель однокоаксиальной пружины кручения..........................................................................................146

2.5.3 Расчет сложнонагруженных однокоаксильных пружин.............151

2.6 Математическая модель расчета многокоаксиальных пружин в сельскохозяйственных машинах.............................................................158

2.6.1 Определение критической силы сжатия дважды коаксиальной пружины..........................................................................................158

2.6.2 Расчет трехпружинной (коаксиальной) пружины при

кручении..........................................................................................162

2.6.3 Модель коаксиальной пружины при сжатии с кручением.........167

2.7 Аналитический расчет специальных элементов пружинных конструкций при сложных нагружениях...............................................172

2.7.1 Расчет цилиндрических пружин ступенчатого изменения жесткости при сложных деформациях.........................................172

2.7.2 Математическая модель расчета пружин с большим шагом витков..............................................................................................179

2.7.3 Расчет систем упругих элементов с учетом колебаний..............183

2.7.4 Метод расчета пружинных элементов с большим шагом

витков с учетом колебаний...........................................................192

2.8 Выводы по главе.......................................................................................199

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА СИЛОВЫХ ПРУЖИННЫХ УЗЛОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ НА ПРОЧНОСТЬ И КОЛЕБАНИЯ..................................................................201

3.1 Методологические предпосылки к созданию методов расчета силовых пружинных узлов на прочность и колебания........................201

3.2 Классификация пружинных узлов по конструктивным параметрам .202

3.3 Методика проектирования и расчета пружин по критерию продольной устойчивости.......................................................................204

3.4 Методика расчета силовых пружинных узлов на базе составных коаксиальных пружин..............................................................................208

3.5 Методика расчета пружинных узлов на колебания..............................215

3.6 Порядок расчета пружинных узлов с учетом колебаний ее элементов...................................................................................................223

3.7 Выводы по главе.......................................................................................226

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................................................228

4.1 Цель экспериментальных исследований................................................228

4.2 Методика и порядок экспериментальных исследований усталостной прочности пружин различных типоразмеров.................229

4.3 Усталостные испытания пружин............................................................233

4.4 Испытания пружин по критерию динамической устойчивости..........239

4.5 Выводы по главе.......................................................................................243

ГЛАВА 5 НОВЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА НА ОСНОВЕ СПИРАЛЬНО-ВИНТОВЫХ ПРУЖИН...........................................................245

5.1 Смеситель порошков................................................................................245

5.2 Дробилка с упругим трехпружинным валом.........................................246

5.3 Винтовая борона-каток............................................................................248

5.4 Ротационная мульчирующая борона......................................................249

5.5 Устройство для обработки междурядий пропашных культур............251

5.6 Устройство для отжима сока...................................................................253

5.7 Установка для получения растительной вытяжки................................255

5.8 Установка для отжима сока.....................................................................257

5.9 Стенды для измерения деформаций упругих элементов.....................258

ГЛАВА 6 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ..............................260

6.1 Расчет энергетических показателей агротехнологий...........................260

6.2 Энергетический расчет и сравнение разработанной пружинной бороны с базовой конструкцией активной бороны NG 250 М4..........264

6.3 Энергетический расчет и сравнение разработанного пружинного культиватора с базовой конструкцией культиватора для междурядной обработки с активными рабочими органами ASA-LIFT ТСО WEEDER.......................................................................267

6.4 Расчет технико-экономических показателей эффективности использования разработанной конструкции пружинной бороны.......272

ВЫВОДЫ...............................................................................................................282

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................284

ПРИЛОЖЕНИЯ

315

ВВЕДЕНИЕ

Государственная программа развития сельского хозяйства РФ и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия на 2013 - 2020 годы предусматривает ускорение обновления технической базы агропромышленного производства на базе восстановления и развития российского сельскохозяйственного машиностроения.

При этом должны быть решены вопросы стабилизации к 2020 году имеющегося в агропромышленном комплексе парка техники, обновления его высокотехнологичными сельскохозяйственными машинами и оборудованием с последующим его увеличением для обеспечения дальнейшего развития сельскохозяйственного производства.

Повышение надежности сельскохозяйственной техники на основе разработки новых подходов к ее проектированию, изготовлению и эксплуатации, является неотъемлемым условием устойчивого развития сельскохозяйственного производства, снижения себестоимости продукции. Для сельскохозяйственных машин характерно как многообразие конструкций, так и широкий спектр условий их функционирования, поэтому вопросы, связанные с надежностью сельскохозяйственных машин и их отдельных агрегатов, являются актуальными и востребованными.

Одними из ответственных деталей агрегатов и узлов сельскохозяйственных машин являются пружинные элементы. Основное распространение в машиностроении, в том числе сельскохозяйственном, получили цилиндрические винтовые (спирально-винтовые), или, как их еще называют, витые цилиндрические пружины растяжения, сжатия и кручения. Форма сечения витков пружин может быть самой разнообразной.

В условиях аграрного производства винтовые пружины применяются в так называемых спирально-винтовых пружинных рабочих органах сельскохо-

зяйственных машин. Такие рабочие органы обеспечивают выполнение всего перечня технологических воздействий на объект обработки: деформацию, создание уплотненного слоя, разрушение, разделение на фракции, перемещение с одновременным выравниванием поверхности, резание, распределение, сепарацию, транспортирование, дозирование и др.

Основное преимущество спирально-винтовых (пружинных) рабочих органов заключается в том, что они могут совмещать обработку материала с его транспортированием. При этом характерно, что обрабатываемый материал может находиться как вне, так и внутри спирально-винтового рабочего органа. При расположении материала внутри рабочего органа спирально-винтовая поверхность является не сплошным трубопроводом и совмещает транспортирование с разрушением связей, деформацией материала и выделением мелких частиц через зазоры между витками. Что касается технико-экономических и эксплуатационных показателей, то здесь преимущества спирально-винтовых пружинных рабочих органов по сравнению с другими обусловлены простотой конструкции, меньшими габаритами, меньшей материало- и энергоемкостью, увеличением производительности, сокращением затрат на техническое обслуживание, уменьшением числа отказов и упрощением ремонта.

Очевидно, что такой спектр применения пружинных элементов требует больших затрат металла.

Действительно, производство прокатной стали в 2010 году в России составило 15 млн. тонн, в том числе пружинной стали только для автомобильной промышленности - более 250 тыс. тонн, или 18% от всей стали, потребляемой автомобильной промышленностью. Учитывая предполагаемый высокий рост потребления стали промышленностью (до 11% к 2015 г. - для автомобильной промышленности и до 9% - для сельскохозяйственного производства, можно считать задачу исследования пружин одной из приоритетных [6].

Как уже отмечалось ранее, пружинные элементы входят в состав огромного числа узлов технических систем, в том числе и в сельском хозяйстве, а на производство пружин тратятся значительные количества металла. Поэтому исследование возможностей повышения надежности пружин также является актуальным вопросом современности. Опытные данные по эксплуатации сельскохозяйственной техники показали, что отказы пружин являются достаточно распространенной причиной потерь работоспособности различных узлов машин. Так, например, 14% всех отказов топливной аппаратуры дизельных двигателей приходится на пружины топливных форсунок [27].

Очевидно, что отказы пружин приводят и к увеличению металлоемкости процесса производства продукции сельского хозяйства ввиду необходимости постоянной замены выводящих из строя пружинных элементов. На самом деле расчеты показывают, что даже незначительное уменьшение металлоемкости процессов, связанных с использованием пружинных элементов, позволит ощутимо снизить себестоимость продукции сельскохозяйственных производителей.

Проведенный в Казанском ГАУ опрос руководителей и инженерных работников крупных сельскохозяйственных предприятий Республики Татарстан с целью определения некоторых аспектов функционирования пружин в сельскохозяйственных машинах показал следующее.

По мнению более 50% опрошенных специалистов, в конструкциях сельскохозяйственных машин имеется большое количество пружин по сравнению с другими сложными деталями.

Большая часть опрошенных специалистов (83,3 %) считают, что такие показатели надежности пружин как сохраняемость и ремонтопригодность имеют среднюю степень влияния на общую эксплуатацию сельскохозяйственных машин. Меньшая часть опрошенных (16,7 %) считает, что степень влия-

ния вышеперечисленных показателей надежности пружин на общую эксплуатацию СХМ очень велика.

Объект исследования. Теоретические основы расчетных методов обеспечения надежности работы пружинных элементов сельскохозяйственной техники.

Предмет исследования. Пружинные элементы, как составная часть рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования.

Цель работы. Разработка теоретических основ расчета параметров деталей, сборочных единиц и агрегатов сельскохозяйственной техники на основе пружинных элементов, обеспечивающих повышение их надежности и долговечности.

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на законах теоретической механики, сопротивления материалов, строительной механики; использовались теории статики винтового бруса, упругой устойчивости, пространственных колебаний. Экспериментальные исследования проводились согласно общеизвестным и разработанным частным методикам с использованием современных приборов и установок.

Научная новизна. Научная новизна заключается в теоретическом обосновании методов расчета пружинных элементов сельскохозяйственной техники, обеспечивающих их высокую технологическую эффективность, конструкторскую и эксплуатационную надежность.

Актуальность работы. Актуальность работы определяется необходимостью исследования и решения важной научно-практической задачи, посвященной расчету и проектированию пружинных элементов сельскохозяйственной техники, в целях повышения их эффективности и надежности, разработке принципиально новых конструкций, соответствующих современному мировому техническому уровню.

Практическая ценность. Практическая ценность определяется разработкой апробированных методик и алгоритмов расчета, обеспечивающих заданные эксплуатационные параметры на стадии проектирования с возможностью проведения мероприятий по модернизации существующих пружинных узлов, используемых в современных сельскохозяйственных машинах; получением новых результатов, связанных с расчетом и анализом работы пружинных узлов различного назначения, типоразмеров и конструктивного исполнения; выдачей рекомендаций по рациональному проектированию и эксплуатации пружинных элементов сельскохозяйственной техники.

Апробация работы. Основные результаты и материалы диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научных конференциях Казанского ГАУ (1994...2012 гг.); на Республиканской научно-технической конференции КАМАЗ-КамПИ (Набережные Челны, 1990 г.); Региональной научно-технической конференции (Волгоград, 1988 г.); Республиканской научно-технической конференции «Вопросы механизации сельскохозяйственного производства» (Казань, 1988 г.); Международной научно-технической конференции «Энергетика - 2008: инновации, решения, перспективы» (Казань, 2008 г.); IX Международной конференции молодых ученых «Пищевые технологии и биотехнологии» (Казань, 2008 г.); V Всероссийской конференции «Проблемы и