Меню
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Кабины трактора

Выбор режима нагружения при сравнительных стендовых испытаниях металлоконструкций кабин

При разработке методики стендовых испытаний, проводимых с целью сравнительной оценки прочности и долговечности металлоконструкций, работающих в условиях случайного нагружения, важно обосновать выбор режимов нагружения. Эти режимы должны быть достаточно простыми и экономичными, удовлетворяя вместе с тем требованиям сохранения общей эксплуатационной картины напряженно-деформированного состояния и условий накопления повреждений. При выборе программы нагружения следует учитывать, что одинаковые эксплуатационные воздействия в одном и том же элементе конструкции в зависимости от применяемых материала и технологии вызывают различные по значению напряжения. Для разработки программы ускоренных ресурсных испытаний натурных конструкций, расчета их долговечности и выявления закономерностей нагружения необходимо располагать данными о статических законах и параметрах распределений амплитуд эксплуатационных напряжений. Известно [52, 103], что параметры и виды законов этих распределений зависят от метода схематизации процессов нагружения. Использование различных методов схематизации приводит к получению разных значений расчетной усталостной долговечности элементов конструкций и затрудняет разработку программ ускоренных ресурсных испытаний. Наиболее часто применяют методы максимумов, размахов, укрупненных размахов и полных циклов (парных размахов).

При анализе распределений амплитуд напряжений отдельно взятое среднее квадратическое отклонение - один из основных статических параметров - не дает представления о рассеянии распределений. Более удобный параметр, характеризующий разброс случайных величин около их средних значений, - коэффициент вариации V. При известных законах распределений амплитуд напряжений и стабильных величинах V можно существенно упростить программирование испытаний и расчеты усталостной долговечности, в частности преобразовать распределения. Рассмотрим подробнее коэффициенты вариации распределения амплитуд напряжений при схематизации процессов по методам максимумов, размахов и укрупненных размахов. Эти обобщения выполнены на основании тензометрирования в эксплуатационных условиях различных деталей (при одноосном напряженном состоянии) металлоконструкций колесных и гусеничных тракторов К-700, Т-150К, Т-4, МТЗ-50, прицепов ШТС-9, ЗПТС-12, автомобилей КРАЗ-255Б. Просмотрено около тысячи реализаций процессов нагружения.

(узкополосный процесс) распределение Раиса совпадает с распределением Рэлея. На рисунке 7-6 нанесены также экспериментальные точки, полученные в результате непосредственной схематизации по максимумам процессов эксплуатационного нагружения несущих систем исследуемых машин.

=0,24. Небольшой диапазон изменения объясняется тем, что при таком методе отбрасывается значительное число малых амплитуд. Распределения укрупненных размахов удовлетворительно описываются логарифмически нормальным законом. При построении поля корреляции коэффициентов вариации и средних значений а распределений амплитуд напряжений при схематизации по укрупненным размахам выявлена настолько малая корреляционная связь, что можно считать их практически независимыми.

сблизились. Коэффициенты вариации распределений укрупненных размахов изменились незначительно, поскольку отбрасывание малых амплитуд, как указывалось, заложено в самой сути метода. Для сравнительных испытаний кабин наиболее целесообразна схема нагружения, обеспечивающая воспроизведение входных воздействий (усилий, ускорений, перемещений и т. п.), соответствующих эксплуатационным режимам. В этом случае одинаковые внешние воздействия позволяют сохранить идентичность условий стендовых испытаний различных вариантов конструкций и эксплуатационных. Для контроля программы нагружения нет необходимости оценивать уровень действующих напряжений Однако часто приходится испытывать элементы конструкций, режимы работы которых определяются значительным числом параметров, иногда не поддающихся количественной оценке. В этих условиях для определения уровней нагружения в эксплуатации и на стенде необходимо измерять напряжения.

С целью обеспечения сопоставимости результатов сравнительные стендовые испытания деталей в различных вариантах исполнения следует также проводить на разных уровнях напряжений. При формировании блоков нагружения нужно учитывать степень опасности разных амплитуд напряжений, которая определяется как значением напряжений, так и вероятностью появлений их в эксплуатационном спектре.

и приближенным воспроизведением эксплуатационного распределения амплитуд напряжений. Проведение таких испытаний на низком уровне неэкономично, а на высоком уровне возможно искажение общего характера повреждений [67]. Поэтому в процессе сравнительных испытаний уровень напряжений должен быть близок к уровню, при котором в эксплуатационных условиях происходит наибольшее накопление повреждений. В этом случае даже при незначительном числе ступеней нагружения на стенде воспроизводится наиболее характерная часть спектра реальных нагрузок. Рассматривая с этих позиций вопрос выбора уровней напряжений при испытаниях с малым числом ступеней нагружения, определим относительные повреждения, создаваемые различными амплитудами (с учетом значения предела выносливости испытываемой детали), и диапазон амплитуд, оказывающих наибольшее повреждающее действие. Примем следующие допущения, возможность применения которых для большинства элементов металлоконструкций мобильных машин с достаточной степенью точности подтверждена экспериментальными данными.

1. Случайные процессы изменения напряжений в эксплуатации представляют собой нормальные стационарные функции времени.

- параметры кривой усталости.

3. Накопление повреждений при действии переменных случайных нагрузок происходит в соответствии с гипотезой линейного суммирования повреждений.

, повреждающего действия не оказывают. Оценим меру относительного повреждения, создаваемого в эксплуатации напряжениями некоторого уровня в диапазоне от предела выносливости до максимального их значения.

среднее в единиц

среднее число пересечений нулевог уровня) с достаточной степенью точности описывается законом Реле.

.

процесса нагружения величина элемента];

, повреждающего действия не оказывают.

разбивали на 10 ступеней и подсчитывали относительные повреждения, создаваемые амплитудами в пределах каждой ступени.

Очевидно, что диапазон амплитуд напряжений, оказывающих наибольшее повреждающее действие, так же, как и относительное повреждение, создаваемое амплитудами в пределах каждой ступени, зависит от значения предела выносливости. Полученные выражения позволяют дать количественную оценку зависимостей.

. При изложенном выше подходе к выбору амплитуд напряжений обеспечивается сопоставимость результатов, поскольку в любом случае амплитуду выбирают из диапазона, который в условиях эксплуатации формирует около 50 % суммарного повреждения. Аналогичный подход с положительными результатами реализован при проведении ускоренных сравнительных испытаний серийных и опытных образцов кабин трактора Т-4А [33]. Для испытаний использован вибрационный стенд с инерционным возбуждением и резонансным усилением нагрузок (рис. 7.10). Кабину устанавливали на испытательную раму 7, закрепленную с помощью специальных опорных устройств 2 и 3 на плите железобетонного виброизолированного фундамента 4. На раме устанавливали жесткую поперечную балку 5, на одном конце которой размещали механический двухвальный вибратор 6 направленного дейст вия, на другом -противовес 7. Вибратор приводили в действие электродвигателем постоянного тока, закрепленным в средней части балки.

При испытаниях общий характер эксплуатационного нагружения задавали по виброскорости, представляющей собой отношение ускорения к частоте, и усилиям в узлах крепления. Согласно результатам тензометрирования между виброскоростью колебаний и напряжениями может быть принята линейная связь. Режим испытаний корректировали по амплитудам напряжений. Варьирование уровня и характера нагружения на стенде достигалось изменением скорости вращения и массы грузов вибратора, а также перемещением вибратора и противовеса по поперечной балке (для изменения плеча вынуждающей силы относительно продольной оси). Сравнительные стендовые испытания кабин проведены при нагружении с постоянной деформацией, уровень которой выбирали так, чтобы амплитуды напряжений в наиболее нагруженных элементах кабины при стендовых испытаниях составляли примерно 80 % максимальных амплитуд напряжений, замеренных в одном из тяжелых эксплуатационных режимов (транспортное движение по полю с бороздами от предыдущей вспашки). В таблицах 7.4 и 7.5 сопоставлены параметры нагружения усовершенствованной кабины на стенде и в условиях эксплуатации при дви

жении трактора без плуга со скоростью 2 м/с по полю с бороздами от предыдущей вспашки. Амплитуды напряжений при стендовых испытаниях составили 78...87 % эксплуатационных. Вертикальные усилия в узлах крепления при эксплуатации и испытаниях на стенде различаются не более чем на 25 %, а средние квадратические отклонения виброскорости основания не более чем на 20 %. При испытаниях контролировали наработку, частоту нагружения, амплитуды деформаций и напряжений в наиболее нагруженных элементах кабины, вид разрушения, длину трещин. Кабины снимали с испытаний при достижении ими предельного состояния, характеризуемого наличием трещины основания у опор крепления длиной свыше 100 мм; поломкой усиливающих элементов

(для серийной кабины угольника, а для усовершенствованной специального профиля); в том числе шайб, приваренных к основанию в узлах крепления. Появление и развитие трещин контролировали визуально через каждые 20 тыс. циклов. Повреждения серийных кабин и последовательность их появления при испытаниях на стенде и в эксплуатации совпали. Например, повреждения основания в зоне переднего узла крепления при ускоренных испытаниях наблюдались в среднем через 1560 тыс. циклов нагружения, обрыв точечной сварки в месте соединения листа, закрывающего нишу под топливный бак, с усиливающим угольником - через 1900 тыс. циклов. Аналогичные повреждения возникали соответственно после 1800 и 2000 ч эксплуатации трактора. На основании результатов стендовых испытаний с целью увеличения ресурса серийных кабин разработан ряд конструктивных мероприятий, внедренных в производство на усовершенствованной кабине. В частности, изменена конструкция основания, узлов крепления, форма усиливающих профилей. Для увеличения жесткости элементов кабины применены объемные П-образные профили, профилированные выштамповки на панелях. С целью уменьшения концентрации напряжений в местах переходов увеличены радиусы скруглений. Чтобы определить эксплуатационный ресурс кабин следует знать коэффициент перехода от наработки при стендовых испытания к наработке в эксплуатации до появления одинаковых повреждений. Авторами для анализа типичных повреждений кабин использованы результаты эксплуатационных наблюдений за 80 тракторами в Оренбургской области. Типичными отказами второй группы сложности оказались трещины основания и листа ниши под топливный бак. Значения средней наработки кабины на отказ, определенные по методике НАТИ [28], даны в таблице 7.6. Так как режимы испытаний серийных и опытных кабин соответствуют одному и тому же эксплуатационному режиму, для приближенной оценки ресурса элементов усовершенствованной кабины можно использовать те же коэффициенты перехода. В таблице 7.7 сопоставлены наработки до появления трещин длиной 50 мм соответствующих элементов серийных и усовершенствованных кабиК. Средняя наработка до появления повреждений элементов усовершенствованной кабины в 2,6...3,1 раза выше по сравнению с серийной. Для принятых критериев предельное состояние серийных кабин в среднем достигалось после 2 млн циклов нагружения. При испытаниях усовершенствованных кабин на базе 8 млн циклов предельное состояние не достигнуто, т. е. повреждения, характерные для элементов серийной кабины (основание и усиливающие его элементы в зоне задних узлов крепления), не зафиксированы. Приведенные испытания позволили в короткие сроки оценить средний ресурс усовершенствованной кабины, эффективность мероприятий по усилению основания, а также выявить наиболее нагруженные элементы, лимитирующие долговечность кабин.

А Разработана типовая методика ресурсных испытаний кабин тракторов на вибрационных стендах, основные положения которой следующие.

Тензометрические исследования нагруженности кабин на типичных для тракторов эксплуатационных режимах необходимо проводить по программе, разрабатываемой на основе статистических данных. Регистрируемые параметры нагружения:

напряжения в элементах кабины; ускорения центра пола кабины (в случае капсульного ее исполнения), центра крыши кабины в двух направлениях (продольном и поперечном) или остова трактора по центру кабины в трех направлениях (продольном, поперечном, вертикальном); перемещения кабины относительно остова трактора в точках ее крепления (вслучае упругого крепления кабины к остову). При статистической обработке процессов нагружения кабины следует использовать метод полных циклов или укрупненных размахов. Должны быть построены плотности распределения процессов нагружения, а для процессов изменения ускорений элементов кабины дополнительно спектральные плотности и корреляционные функции. Параметры колебаний системы определяются скоростью вращения и массой грузов вибратора, положением вибратора и противовеса на поперечной балке, схемой крепления испытуемой рамы к плите фундамента. Схемы крепления испытательной рамы к плите фундамента показаны на рисунке 7.11. Эти схемы позволяют в широких диапазонах варьировать значения амплитуд напряжений, ускорений и перемещений,

а следовательно, характер деформаций различных элементов кабин. При изменении схемы крепления меняются также соотношения между максимальными амплитудами ускорений в различных плоскостях. При выборе схемы нагружения следует стремиться к тому, чтобы напряжения в узлах испытательной рамы были возможно меньшей величины. Так, при испытаниях кабины трактора ДТ-75М, установленной на его раме (рис. 7.11, а), амплитуды напряжений в элементах рамы не превышали 10 МПа.

Режим стендовых испытаний выбирают на основании изложенных выше положений. По датчикам ускорений устанавливают соотношение между максимальными значениями продольных, поперечных и вертикальных ускорений пола и крыши, а также максимальные значения амплитуд этих ускорений. Корректируют режим по датчикам напряжений (розеткам тензодатчиков), установленным в наиболее нагруженных элементах, а также по усилиям в узлах крепления кабины.

Режим испытаний контролируют по датчикам перемещений поперечной балки и по датчикам напряжений, установленным в наиболее нагруженных элементах кабин. Частоту вращения грузов вибратора определяют по тахометру, а наработку по счетчику циклов. Появление и развитие трещин контролируют известными методами дефектоскопии (визуальным, ультразвуковым, проникающими жидкостями и т. д.) с периодичностью: до наработки 100 тыс. циклов через 10 тыс. циклов; после наработки 100 тыс. циклов через 20 тыс. циклов.

Прогнозируемый средний эксплуатационный ресурс определяют по формуле

Прогнозируемый гамма-процентный эксплуатационный ресурс

- функция коэффициентов вариации V распределений ресурса, выбираемая по таблице 7.8.

Реклама