Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Кабины трактора

Конструктивные решения узлов защитных кабин и каркасов

Узловые соединения каркасных кабин. Каркас кабины выполняют, как правило, в виде пространственной рамы из тонкостенных стержней замкнутого поперечного сечения с высоким сопротивлением изгибу и кручению при относительно малом собственном весе. При проектировании каркасов необходимо рационально соединить концы стержней в узлы для обеспечения требуемой статической прочности, хорошей обзорности и надежной работы кабины в течение всего срока службы трактора. Кроме того, трудоемкость изготовления и металлоемкость узлов должны быть минимальные.

В узловых соединениях стержней каркаса кабины могут возникать усталостные трещины, вследствие которых защитные свойства кабины снижаются и она может не обеспечить защиту оператора при опрокидывании трактора задолго до окончания его срока службы [19]. Несмотря на актуальность вопросов проектирования узловых соединений каркасов кабин, в отрасли пока еще не разработаны окончательные рекомендации по их расчету, проектированию, экспериментальному исследованию и выбору. Нет также и каталогов существующих конструкций узлов. В связи с этим в НПО НАТИ проведены исследования в следующих направлениях: разработка конструкций узловых соединений, обеспечивающих достаточную статическую прочность; сравнительные прочностные испытания узлов различного конструктивного исполнения; определение характеристик сопротивления усталости узловых соединений; оценка эффективности применения низколегированных сталей;

разработка каталога типовых узловых соединений. Рассмотрим некоторые результаты, полученные при исследованиях в первых двух направлениях. Известные конструкции узлов каркасных кабин представляют собой сварные соединения двух, трех и более тонкостенных стержней замкнутого сечения. Для повышения прочности их усиливают дополнительными конструктивными элементами типа вставок, косынок и т. п. Узлы разнообразны по конструктивному исполнению, параметрам прочности и жесткости, технологичности й металлоемкости. Их можно классифицировать по различным конструктивным признакам: по числу соединяемых стержней - двух-, трех-, четырехлучевые и т. д.; по расположению стержней в пространстве плоские и объемные; по типу соединения стержней между собой разборные и неразборные; по наличию и характеру расположения усиливающих элементов без усиления и с наружными или внутренними усиливающими элементами. Практика проектирования каркасов кабин свидетельствует, что наиболее перспективны объемные трехлучевые узлы, в которых стержни расположены под прямым (или близким к нему) углом друг к другу. Такие соединения применяют в угловых стыках каркасов. Анализ процессов нагружения и деформирования кабин тракторов при опрокидывании показывает, что именно на эти узлы приходятся основные ударные нагрузки. Поэтому к таким узлам предъявляют особенно высокие требования по прочности. Для сравнительного анализа рассмотрим шесть конструкций сварных трехлучевых узловых соединений, применяемых в каркасах кабин тракторов: без усиления (рис. 5.16, а), с наружными плоскими косынками (рис. 5.16, б), с внутренней крестовой вставкой (рис. 5.16, в),

с наружными объемными вставками (рис. 5.16, г), с внутренней литой вставкой (рис. 5.16, д) и разборное с наружной пространственной косынкой (рис. 5.16, е).

сил не превышали 5 % суммарного напряжения. Таким образом, для наиболее опасных зон узловых соединений нагружение проводилось на изгиб. Это соответствует эксплуата-

ционному нагружению, при котором изгибающие моменты в сечениях стержней каркаса кабины обусловлены силами инерции масс эле мен. тов кабины. Напряжения в узловых соединениях измеряли с помощью фольговых тензодатчиков марки 2-ФПК-100-5. Их наклеивали на поверхности стержней и усиливающих элементов в продольном направлении с шагом по длине и ширине 15 мм. В местах концентрации напряжений шаг наклейки уменьшали до 7 мм. Сигналы с тензодатчиков регистрировались цифровой измерительной тензосистемой СИИТ-3, данные с которой поступали для дальнейшей обработки в микроЭВМ "Электроника ДЗ-28".

При испытании несимметричных конструкций узлов их нагружение на изгиб проводилось поочередно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: стойки и обвязочного элемента (основное нагружение) и только обвязочных элементов (дополнительное нагружение). Значение сил F выбирали таким, чтобы напряжения в узле не превышали предел текучести материала стержней От =400 МПа.

напряженное соетояние представляет собой наиболее опасное для прочности объемное всестороннее растяжение. Возникшие трещины беспрепятственно раз виваются по всему периметру поперечного сечения обвязочного эле. мента, что приводит к быстрому разрушению узлового соединения. Живучесть (способность конструкции работать с трещиной) рассматриваемого узла низкая. В его конструкции не предусмотрены резервные элементы, которые могут воспринимать часть нагрузки при разрушении сварных швов. Наибольшая концентрация напряжений (К 2) отмечается на внутренних участках сварных швов, т. е. на участке шва, соединяющего нижнюю горизонтальную поверхность обвязочного элемента со стойкой, при нагружении в плоскости стойки и обвязочного элемента (см.

рис. 5.18, а) и на участке шва, соединяющего боковые поверхности обвязочных элементов, при нагружении узла только в плоскости обвязочных элементов (см. рис. 5.18,5). Низкие статическая прочность и сопротивление усталости рассмотренной конструкции узла не позволяют полностью использовать потенциальные прочностные возможности стержней каркаса кабины. Для симметричного узлового соединения с наружными плоскими косынками (см. рис. 5.16, б) опасными участками также являются сварные швы, расположенные в зоне действия высоких напряжений и имеющие те же две точки пересечения, что и узел без усиления. Вблизи последних следует ожидать возникновения усталостных трещин. Живучесть соединения невысокая. В сварных швах косынок, особенно по краям у острых углов, наблюдается повышение напряжений на 20... 30 %по сравнению с напряжениями в стержнях (см. рис. 5.19,а).

(см. рис. 5.20), а коэффициент концентрации напряжений имеет значения 1,3...1,4. По сравнению с рассмотренными выше конструкциями это узловое соединение имеет большую прочность на изгиб в плоскости стойки и обвязочного элемента, обладает более высокой степенью статической неопределимости, а следовательно, и живучестью. Узел несимметричный. При нагружении в плоскости обвязочных элементов его нагрузочная способность значительно понижается, так как вставка в данном случае почти не влияет на снижение напряжений. К недостаткам рассматриваемой конструкции узла следует отнести сравнительно высокую трудоемкость изготовления. Узловое соединение, изображенное на рисунке 5.16, г, усилено двумя объемными элементами 8 корытообразного поперечного сечения и плоской накладкой 9, которая установлена с одной из наружных сторон узла и дополнительно усиливает соединение стойки 1 с обвязочным элементом 2. Высокая жесткость данного соединения способствует более равномерному распределению нагрузки по элементам металлоконструкции каркаса кабины и увеличивает ее общую жесткость. Сварные швы накладки 9 имеют две точки пересечения со швами объемной вставки 8, что снижает их сопротивление усталости.

, что объясняется концентрацией напряжений от углового перехода поверхностей и наличия сварного шва. Живучесть соединения близка к живучести узлового соединения с крестовой вставкой. По сравнению с ранее рассмотренными конструк. циями данное узловое соединение имеет более высокие металлоемкость и трудоемкость изготовления. Чтобы снизить пиковые значения напряжений во фланговых сварных швах, соединяющих объемные вставки со стержнями, и исключить имеющиеся точки пересечения швов, вставки следует сваривать поперечными швами, а фланговые швы выполнять прерывистыми.

. Уровень напряжений в косынке более чем в 3 раза ниже уровня напряжений в стержнях. Распределение напряжений в косынке носит неравномерный характер. Наблюдается снижение напряжений на концах установочных гнезд стержней и в центральной части пространственной косынки. При тензометрировании установлено, что уровень напряжений на торцевой поверхности граней косынки более чем в 40 раз меньше значений напряжений в стержнях. Следовательно, косынки данных размеров недогружены и можно снизить их металлоемкость. На эпюрах напряжений (см. рис. 5.23) в области средних участков установочных гнезд стержней (вблизи болтов) отмечено некоторое увеличение напряжений. Однако здесь нет заметной концентрации напряжений. Преимущества узлового соединения с пространственной косынкой разборность и возможность унификации. К недостаткам следует отнести очень высокую металлоемкость и трудоемкость изготовления. Узлы крепления защитных средств к остову трактора - наиболее важные элементы, обеспечивающие прочность и надежность работы защитной конструкции. Крепление защитных средств может быть жестким (резьбовое соединение, сварка) или через упругие элементы. Последнее позволяет снизить энергию удара, воспринимаемую каркасом при опрокидывании трактора, и уменьшить шум, передающийся через каркас в кабину. Жесткое крепление, когда защитный каркас болтами соединен с двумя полуосями трактора, показано на рисунке 5.1. Такое крепление применяют и в других конструкциях сельскохозяйственного назначения. Крепление же защитных средств болтами к основу машины чаще всего используют на промышленных тракторах. Рассмотрим соединение каркаса с опорными кронштейнами или с остовом трактора через упругие элементы. В одном из вариантов такого исполнения к стойкам основания каркаса 3 (рис. 5.24, а) прикреплены полые четырехугольные элементы 4, в которых установлены такой же формы упругие элементы 1. Размеры этих элементов несколько больше размеров установочной полости. В упругий элемент запрессована металлическая втулка, внутри которой проходит соединительный болт 2. В другом варианте конец стойки 2 (рис. 5.24, б) прикреплен

к глухой втулке 3, в которую установлен и закреплен болтом ; эластичный материал 4.

Два способа соединения каркаса с рамой, уменьшающего передачу вибрации с остова на каркас, показаны на рисунке 5.25. К нижнему концу каждой стойки 3 (рис. 5.25, а) приварен фланец 4, с которым жестко соединен клинообразный хвостовик 5. Последний имеет три вертикальные и одну наклонную плоскости. Хвостовик устанавливают в кожух соответствующей формы и закрепляют пальцем 6. Между пальцем 6 и стенками отверстий в кожухе размещают упругие шайбы 7.

Осевое смещение пальца 6 и шайбы 7 предотвращается металлическими кольцами 7, жестко прикрепленными к стенкам кожуха. Упругие шайбы 7 и эластичные прокладки 2 между хвостовиком и кожухом служат для компенсации небольших перекосов пальца относительно стенок кожуха и для гашения вибраций. Несколько иная конструкция опоры изображена на рисунке 5.25, б. Клинообразный хвостовик 3, имеющий три наклонные и одну

1-ную стойку 5 каркаса устанавливают на втулку. К кронштейнам 6 рамы машины приварены четырехугольные пирамидальные выступы 1 с фланцами. Во втулке 4, стойке 5, выступе 1 преду, смотрены прямоугольные пазы. Прокладку 2 из упругого материала размещают между фланцами втулки и выступа. Втулку с приваренной к ней стойкой крепят к выступу болтом 3. В зазор между болтом и стенками прорези вводят резиновый вкладыш. Соединение стоек кабины с остовом трактора может быть выполнено с помощью шаровых шарниров. В этом случае каждый кронштейн выполнен с шаровым выступом, на который опирается стойка. Между сопрягаемыми шаровыми поверхностями стойки и выступа размещается сферический упругий элемент. Представляет интерес исполнение узла соединения, предложенное в патенте Великобритании (N 1.444.596; кл. В7В). Защитная кабина закреплена в двух точках сзади у основания и в двух точках спереди на середине высоты рамы кабины. В местах крепления к кабине приварены проушины, а к раме - щеки, соединенные болтом. В проушине установлены упругие элементы, поглощающие вибрацию и смягчающие удчры при опрокидывании. Применение узла крепления кабины, который наряду с виброизоляцией при аварийных ситуациях выполняет функцию энергопоглощающсто элемента, позволяет уменьшить металлоемкость кабины. Отловная задача при проектировании узлов соединения элементов -это создание равнопрочного узла, равномерно передающего усилия при ударе кабины о 1рнт или при вибрационном нагружении от микропрофиля дорог или полей. Поскольку в сварных узлах находится наибольшее число концентраторов напряжений (по сравнению с другими элементами кабины), необходимо иметь достаточный объем данных по усталостным характеристикам узлов кабин. Для плоских рам накоплен большой опыт при проектировании узлов, обеспечивающих наибольшую "живучесть" металлоконструкций. Для пространственных же рам, работающих в условиях случайного нагружения, еще требуется провести определенный объем экспериментальных исследований, чтобы п0лучить требуемые усталостные характеристики сварных узлов с целью выбора оптимальных конструктивных решений. В практике тракторостроения применяют различные узлы соединения кабины с остовом трактора [24]. Основная задача таких узлов максимально изолировать кабину от вибрации, передаваемой двигателем и трансмиссией при сохранении кабиной защитных свойств. С ужесточением нормативов по уровню шума на рабочем месте оператора крепление кабины к остову трактора через упругие виброизоляторы должно быть повсеместным. Демпфирующие устройства в различных местах защитного каркаса необходимы для снижения его металлоемкости. Они поглощают значительную часть энергии удара, приходящейся на каркас во время опрокидывания трактора. Пока такие устройства не используют широко в практике, но в ближайшие годы возможно применение рациональных конструктивных решений демпфирующих устройств вследствие необходимости снижения металлоемкости машин и появления большого числа патентов на различные демпферы: сминаемые пластины, козырьки, пружинные амортизаторы по контуру кабины, выступающие части каркаса или кабины и другие. Часто в качестве демпфирующих устройств рекомендуют сминаемые пластины и козырьки, устанавливаемые на крыше. Предлагают также демпфирующие устройства выполнять в виде эластичного мешка, охватывающего защитный каркас. При достижении критического угла наклона машины эластичный мешок, наполняясь сжатым воздухом, смягчает удар оператора о грунт, защищая от ушибов. Сжатый воздух подается из ресивера через клапан, управляемый ртутным переключателем. Поглощение энергии удара может быть достигнуто за счет применения троса, закрепленного по наружному периметру защитной рамы. Защитная рама состоит из двух вертикальных и одного поперечного трубчатых элементов. Нижние концы вертикальных труб крепят к остову трактора, а верхние - через переходник к поперечному трубчатому элементу. Переходники имеют выступающие за пределы защитной рамы стержни с направляющими, через которые проходит трос, повышающий прочность защитной рамы. Запатентованы также демпфирующие устройства в виде двух поперечных верхних элементов 2 (рис. 5.28) защитного каркаса 5, концы которых выходят за габариты кабины. На элементах 2 выполнены ограничители хода 7. В случае опрокидывания и удара о грунт поперечные элементы на крыше кабины смещаются до упора ограничителей в каркас и далее энергии удара воспринимается основным защитным каркасом, который начинает деформироваться как жесткая конструкция. Такое исполнение позволяет в первый момент удара погасить часть энергии. Возможно применение энергопоглощающего устройства, выполненного в виде поперечины 8 (рис. 5.29), прикрепленной болтами к кронштейнам 7 и 6. Последние приварены с внутренних сторон к вертикальным стойкам 2 и 5. Поперечина 8 состоит из двух пластин 10 и 11, стянутых болтами 12. Между пластинами установлены распорные гильзы 9. С пластинами жестко соединены стержни 7, нижние концы которых прикреплены к корпусу заднего моста. При деформации каркаса гайка 3, шайба 4 на стержне сминаются и входят во внутреннюю полость между пластинами 10, 11. За счет деформации шайбы, а также трения шайбы и гайки о внутренние полости пластин поглощается значительная часть энергии удара.

Конструктивные решения по увеличению прочности несущих элементов каркасов и кабин. Для использования одного и того же каркаса на тракторах различной массы предусматривают возможность проведения некоторых конструктивных мероприятий, позволяющих повысить жесткость защитных устройств. Одним из примеров может служить защитное устройство, приведенное на рисунке 5.30. Стойки 1 замкнутой рамы полые. Их усиливают устанавливаемыми внутрь дополнительными профилированными элементами 2 и 3. Возможная форма поперечного сечения профилированных элементов окружность, прямоугольник, треугольник. В стойки можно вставлять один или два дополнительных элемента различного профиля.

В стойки каркаса можно встроить гофрированные элементы, причем выступ элемента должен входить во впадину.

Гофрированные элементы приваривают к продольным сторонам стойки. Расстояние между вершиной выступа и дном впадины должно быть не более величины упругой деформации, рассчитанной для стенок стойки, а ширина гофра равна ширине впадины на высоте этого зазора. При ударе о грунт стойки деформируются. Боковые грани гофрированных элементов, перемещаясь одна относительно другой и сминаясь, гасят энергию удара за счет сил трения, увеличивая при этом жесткость всей конструкции.

Некоторые фирмы для увеличения жесткости конструкции предлагают заполнение полости профиля песком, металлическими вставками или другими наполнителями. В патентуемой конструкции металлические вставки разной высоты вводят внутрь вертикальных стоек. Концы вставок срезаны с тем, чтобы уменьшить концентрацию напряжений при контакте со стенками и распределить нагрузку по боковой стенке стойки. В конструкции можно использовать как одну, так и несколько вставок.

Уплотнение оконных, дверных проемов и разъемных соединений кабины. Для повышения герметичности кабины и снижения уровня шума и вибрации особое внимание следует уделять конструктивному исполнению уплотнений дверных и оконных проемов, а также разъемных соединений элементов кабин таких, как съемная или приподнимаемая крыша кабины, аварийный люк, соединение передней стенки с Щитком приборов. На рисунке 5.31, я, б показаны способы установки губчатых резиновых уплотнителей дверных проемов. Уплотнители, устанавливаемые

на клею (рис. 5.31, я), широко применяют в отечественном и зарубежном автомобиле- и тракторостроении. Возможны два варианта их установки: в элементах каркаса кабины или кузова выполняют от-штамповки под уплотнитель (рис. 5.31, д, /); губчатый уплотнитель наклеивают на дверь по периметру (рис. 5.31, д, II). Дверь кабины, сжимая профиль, фиксируется защелкой или фиксатором в закрытом положении. Поскольку губчатый профиль находится в сжатом состоянии, исключается появление зазора в дверном проеме при вибрации закрытой двери. Применение для уплотнения дверного проема трубчатых губчатых резиновых профилей показано на рисунке 5.31, б. Крепят их механически, причем возможны два варианта: хвостовик трубчатого профиля зажимают между двумя пластинами двери (рис. 5.31, 6f I); трубчатый профиль прижимают к элементу металлоконструкции кабины через промежуточный зажим (рис. 5.31, б, II). Конструктивное исполнение уплотнителей стекол, помимо надежного их крепления, существенно влияет на степень герметичности кабин и уровень шума, создаваемого вибрацией стекол. На большинстве отечественных и некоторых зарубежных тракторах для установки стекол кабин применяют окантовку типа НТ-9 с распорным шнуром (рис. 5.32, а, б). Такое соединение обеспечивает надежное уплотнение сопряжения стекло панель, хорошо удерживает малые и средние по габаритам стекла и имеет небольшую материалоемкость. При эксплуатации отечественных тракторов выявлена недостаточ

ная долговечность данного уплотнения из-за быстрого выхода из строя распорного шнура НТ-8. Связано это с наличием предварительного на-пряжения уплотнителя при монтаже, растрескивания шнура под дейст. вием солнечных лучей, температурных изменений, влаги. В автомобилестроении и на некоторых зарубежных тракторах, например фирмы "Дир и К°", Для стекол малых и средних габаритов применяют уплотнение типа НТ-9А без распорного шнура НТ-8 (рис. 5.33, д, /). Эта конструкция также обеспечивает надежное уплотнение сопряжения панель стекло и упрощает монтаж стекла, но оно слабее удерживает последнее, чем уплотнение со шнуром (рис. 5.33, а, /7). Отличительная особенность уплотнителя, изображенного на рисунке 5.33, д, параллельная заделка кромки стекла относительно кромки панели по сравнению с уплотнителями типа НТ-9 и НТ-9А, где стекло расположено в одном вертикальном ряду с металлической стенкой кабины. Такой профиль более надежно удерживает стекла в проеме, занимает меньшую площадь поверхности оконного проема и обладает более высокими демпфирующими свойствами. Однако материалоемкость его высокая [30]. Комбинированный профиль, изображенный на рисунке 5.33, б, одновременно удерживает стекло 1 и термошумоизоляционную обшивку 2 Роль шнура выполняет замок специальной конструкции, вставляемый в гнездо 3. Профиль, показанный на рисунке 5.33, в, можно устанавливать непосредственно в каркасную конструкцию кабины (например, из прямоугольных труб) без промежуточных приварных панелей и пластин. Он обеспечивает надежную установку стекол увеличенных габаритов и максимальное поле обзора в сопряжении каркас стекло уплотнитель. Для применения этого профиля каркасная конструкция кабины должна быть выполнена с повышенной точностью. К недостаткам этого типа уплотнения следует отнести необходимость приварки в угловое соединение балок и стоек кабины дополнительных косынок для обеспечения непрерывного радиуса заделки и исключения щелей в углах. Такой профиль применен в кабине трактора ЮМЗ-6Л и кабинах фирмы "Секура".

Интересны конструктивные решения уплотнений соединения элементов кабины Кьюти-70, разработанной американской фирмой "Юнайтед Стейтс Стил" (США) [30]. Изоляция кабины обеспечивается уплотнениями: вдоль щитка пульта управления, двойным из губчатой резины в дверях, обычным резиновым для стекол, из губчатой резины между задними боковыми стенками и опорами внутренней обивки, а также резиновыми шайбами и втулками для болтов, ввинчиваемых в каркас. Совместно с эффективными шумозащитными материалами (покрытие из стекловаты боковых стенок и пульта управления изнутри кабины, пенистый пенополиуретан для потолка, виниловый коврик на полу, трехслойная звукоизоляция перед пультом управнения) облицовки панелей тонким листом, отштампованным с перфорацией и виброизоляцией от остова трактора, обеспечили разность 14 кБА в уровне шума снаружи и внутри кабины при работе двигателя на полную мощность.

Конструктивные решения обеспечения входа и выхода из кабины трактора. Основные конструктивные решения, широко применяемые в тракторостроении для облегчения входа и выхода из трактора: перемещение кабины вперед для увеличения ширины дверного проема; большой дверной проем; большая ширина и глубина подножек; уменьшение высоты первой подножки от уровня грунта; расположение входной лесенки не строго перпендикулярно, а под небольшим углом к вертикали; применение поверхности ступенек, препятствующих скольжению; расположение ступенек и поручней с учетом антропометрических особенностей человека; ровный пол кабины; группировка рычагов управления в эргономически обоснованных зонах и применение подвесных педалей. Для увеличения ширины дверного проема фирма "Рено" на тракторах серии ТХ сместила кабину вперед по сравнению с тракторами серии С. Аналогичное решение реализовала и фирма "Дэвид Браун Кейс" на тракторах моделей 1290, 1390, 1690, оборудованных кабиной фирмы "Секура". В тракторах серии ТХ вход облегчается за счет широких ступенек, протяженных поручней между щитком приборов и передними стойками кабины. Вход в кабину предусмотрен с двух сторон.

В тракторах Фаворит фирмы "Фендт" вход также с обеих сторон оборудован лесенками из ступенек, расположенных под углом к вертикали. Ровный пол кабины (его площадь 0,85 м2) освобожден от рычагов управления. Аналогично решен вход и в тракторах фирмы "Интернэшнл Харвестер". Так, лесенка трактора 1255 состоит из трех ступенек, а тракторов 685, 885 и 955 - из двух. Ширина ступенек 250 мм, глубина 135. В тракторах Лейланд 320 и Лейланд 200 фирмы "Ломбар-дини" эти размеры равны соответственно 340 и 140 мм. Хорошо конструктивно оформленный доступ на рабочее место и ровный пол имеют также тракторы фирм "Дэвид Браун Кейс", "Дир и К°". На тракторах серии 40 фирмы "Дир и К°" для облегчения доступа на рабочее место поручень укреплен на капоте двигателя. Интересно решен вопрос обеспечения доступа на рабочее место в кабине трактора Тайгер III (США) при входе и выходе из кабины с правой стороны пульт управления рычагами переключения передач откидывается назад, обеспечивая свободный проход к сиденью оператора.

Реклама