Меню
www.casinogamblingslotmachine.com no deposit play craps blackjack roulette no download games
Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Кабины трактора

Расчет кабин тракторов

Требования по защите оператора при опрокидывании трактора

В большинстве развитых стран, в том числе и в СССР, принято требование об оснащении колесных сельскохозяйственных тракторов кабинами, способными предохранить оператора от тяжелого травмирования или гибели при опрокидывании машины. В СССР это требование распространяется и на гусеничные узкогабаритные виноградниковые тракторы, а в США и Великобритании на гусеничные сельскохозяйственные тракторы, на которых работают наемные рабочие. Кабины или каркасы, которые при ударе о грунт в результате опрокидывания трактора деформируются, поглощая часть энергии, но внутри их остается зона для размещения оператора, названы первоначально безопасными, а затем защитными. Международными и разработанными на их основе национальными стандартами установлены размеры зоны свободного пространства (безопасности) для размещения оператора. В эту зону не должен проникать ни один элемент кабины в процессе ее деформации при ударе о грунт. Для сельскохозяйственных тракторов зона свободного пространства представляет собой объем, в котором находится оператор, держащийся за руль с наклоном на угол естественного отклонения в сторону, противоположную удару кабины о грунт. Зону свободного пространства определяют по отношению к вертикальной продольной плоскости симметрии трактора, проходящей через точку отсчета сиденья (ТОС) и центр рулевого колеса. Чтобы найти точку отсчета, сиденье необходимо установить в крайнее заднее положение по горизонтали и в верхнее положение по вертикали, а также отрегулировать по массе в среднем положении.

Допускается смещение зоны свободного пространства вместе с кабиной, имеющей эластичную подвеску. При определении зоны свободного пространства трактор устанавливают на горизонтальную поверхность, а его рулевое колесо в среднее для управления положение. Эта зона ограничена следующими поверхностями:

горизонтальной плоскостью AiBxB2A2 (рис. 3.1), проведенной на расстоянии 900 мм над ТОС; наклонной плоскостью GlG2I2Il9 перпендикулярной вертикальной продольной плоскости симметрии и включающей заднюю точку спинки сиденья и точку, лежащую выше ТОС на 900 мм; цилиндрической поверхностью A А2121, проведенный радиусом 120 мм перпендикулярно вертикальной продольной плоскости симметрии касательно к плоскостям A i ВХВ2А 2 и G х G2121; цилиндрической поверхностью B1CiC2B2, проведенной радиусом 900 мм из точки, лежащей впереди ТОС на расстоянии 150 мм, перпендикулярной вертикальной продольной плоскости симметрии и касательной плоскости AiBxB2A2 длина этой поверхности по горизонтали 400 мм; наклонной плоскостью C1D1D2C2, перпендикулярной вертикальной продольной плоскости симметрии, вверху соединяющейся с поверхностью ВСС2В2, а внизу проходящей на расстоянии 40 мм впереди 0т крайней передней точки рулевого колеса; вертикальной плоскостью D1ElE2D2, перпендикулярной к вертикальной продольной плоскости симметрии и проходящей на расстоянии 40 мм от крайней передней точки рулевого колеса; горизонтальной плоскостью EiFxF2E2, проходящей через ТОС; поверхностью (или плоскостью) GiFxF2G2, параллельной спинке сиденья и соединяющей плоскости GG2I2I и EE2F2Fi; вертикальными плоскостями JiExFiGiHi и J2E2F2G2H2, проведенными параллельно и на расстоянии не менее чем 250 мм от вертикальной продольной плоскости симметрии. Расстояние должно быть равно диаметру рулевого колеса плюс 40 мм с каждой стороны. Если этот размер менее 500 мм, ширину зоны принимают равной 500 мм; двумя параллельными плоскостями AiBiCiDiJiHxIi и A2B2C2JD2J2Н2 12, проведенными таким образом, чтобы расстояние от вертикальной продольной плоскости до одной из них вверху со стороны удара было не менее 100 мм.

Ниже приведены размеры зоны свободного пространства по

ИСО 3463-84 и ИСО 5700-84. Аналогичные размеры указанной зоны регламентированы и Международной организацией труда.

Для землеройных машин зоной свободного пространства называют объем ограничения деформации, оконтуривающий прямо сидящего оператора (рис. 3.2). Размеры этого объема определяются антропометрическими данными 95 % операторов рассматриваемой группы.

Расчет статической прочности кабин

Дйя сокращения сроков постановки на производство новых кабин, создания конструкций оптимальной металлоемкости в инженерной практике широко применяют расчетные методы оценки прочности и долговечности. Расширению области применения прикладных расчетов способствуют успехи, достигнутые в области теоретических исследований, накопление статистических данных о характере нагружения и поведения конструкций в процессе эксплуатации, а также развитие вычислительной техники. После определения конструктивной схемы кабины, удовлетворяющей нормальной зрительной деятельности и удобному расположению оператора в кабине, необходимо рассчитать сечения несущих элементов кабины для обеспечения требования по безопасности оператора при опрокидывании машины.

Анализ методов расчета защитных кабин и устройств. Несущая система защитных устройств, в том числе защитной кабины, представляет собой, как правило, пространственную раму. При расчете прочности и жесткости пространственных конструкций в строительной механике используют методы сил, перемещений и смешанный, являющийся их комбинацией. Сначала определяют степень статической неопределимости конструкции и выбирают соответствующую этой степени статически определимую основную систему. Затем вычисляют значения коэффициентов системы канонических уравнений и решают эту систему. Причем ранее ЭВМ использовали лишь для решения системы уравнений, а всю подготовительную работу проводили вручную. Область применения этих методов ограничена расчетами конструкций, работающих в упругой стадии и при малых деформациях. Для упрощения расчета стержневых конструкций в упругопластической стадии применяют принцип пластических шарниров. При этом предполагают, что материал идеальный упругопластический, а процесс изменения деформаций соответствует диаграмме Прандтля. Суть принципа пластических шарниров сводится к линеаризации зависимости нагрузка деформация для отдельного сечения. Предполагают также, что каждое сечение конструкции работает в упругой стадии до тех пор, пока оно не окажется полностью охваченным пластической деформацией. В действительности такое сортояние не может быть реализовано, так как для этого угол поворота сечения должен быть неограниченно большим. Однако погрешность при таких допущениях незначительна и приемлема для практических расчетов. Эффективность принципа пластических шарниров подтверждена опытом использования его в расчетной практике. Одно из развитых направлений расчета стержневых конструкций с использованием ЭВМ и принципа пластических шарниров базируется на определении с помощью средств математического программирования действительного механизма разрушения конструкции [59] и соответствующей ему предельной нагрузки для заданного случая. Такой расчет применяют для большинства строительных сооружений, где возможные упругие деформации невелики и правомерна жесткогшастическая модель. Вследствие специфики защитных конструкций тракторов необходим метод расчета, пригодный также и при значительных упругих деформациях, так как соотношение упругих и пластических деформаций для вновь проектируемых конструкций кабин неизвестно и может изменяться в широких пределах. Возможен также расчет стержневых конструкций в упругопластической стадии с помощью метода последовательного образования пластических шарниров, широко применяемый в отечественной и зарубежной практике. Наиболее существенное ограничение этого метода заключается в том, что в расчетной схеме трудно учесть влияние продольно-поперечного изгиба и возможной потери устойчивости сжатых стержней [17]. Поэтому метод применим для определенных стержневых конструкций, где эти факторы не оказывают существенного влияния. При разработке защитных конструкций тракторов необходимо решать вопросы устойчивости стержней, так как одним из стандартных расчетных случаев является приложение сжимающей нагрузки. Наиболее точно смоделировать работу упругопластических стержневых конструкций можно в результате решения систем дифференциальных уравнений в частных производных [41]. Однако даже при использовании современных ЭВМ решение такой задачи весьма трудоемко. Принимаемые упрощающие предположения, учитывающие специфику конструкции определенного типа, не позволяют рекомендовать этот метод в качестве универсального для оценки прочности защитных конструкций. Так, в методике расчета пространственных рам, разработанной в Центральном научно-исследовательском институте строительных конструкций им. Кучеренко (ЦНИИСК), не учтено влияние кручения стержней в упругопластической стадии. Такое упрощение приемлемо для строительных сооружений. В защитных же тракторных кабинах согласно опубликованным результатам зарубежных исследований возможно пластическое разрушение отдельных стержней, работающих на кручение. Широкое использование ЭВМ при определении прочности и жесткости конструкций привели к появлению новых методов расчета, из которых наиболее распространен метод конечных элементов [16]. При расчете стержневых конструкций по данному методу получают точные результаты, совпадающие с результатами расчетов по классическим методам. Это универсальный метод, применимый также для расчета больших перемещений, при работе конструкций за пределами упругой стадии и п]ж ее динамическом нагружении.

Метод конечных элементов рассматривают как один из общих численных методов решения краевых задач механики сплошных сред, к которым относится подавляющее большинство задач строительной механики. Преимущества данного метода по сравнению с классическими: исключается необходимость предварительного анализа степени статической неопределимости стержневой конструкции и выбора основной статически определимой системы; автоматически вычисляются коэффициенты системы канонических уравнений; упрощается процесс подготовки исходных данных для ввода в ЭВМ; при расчете одной конструкции можно использовать различные элементы (стержни, пластины и т. п.). Для учета геометрической и физической нелинейностей конструкции кабины удобно использовать алгоритм шагового нагружения [41], когда внешняя расчетная нагрузка разбивается на небольшие части, которые прилагаются последовательно. При этом на любом последовательно выполняемом шаге расчета нагрузка ступенчато возрастает и на последнем достигает заданного предельного значения. На каждом таком шаге поведение конструкции считают линейным; на стадии приближения к предельной нагрузке упругопластические характеристики материала корректируются в соответствии с диаграммой растяжения сжатия. Процесс получения решения для заданной нагрузки в отличие от других методов решения нелинейных задач имеет простую физическую интерпретацию - имитируется процесс постепенного деформирования конструкции при статическом нагружении. Поэтому здесь не представляет трудностей расчет энергии деформации, необходимый для оценки защитных свойств конструкции.

Для описания упругопластической работы материала в алгоритм вводят матрицы жесткости, полученные с помощью принципа пластических шарниров. Чтобы учесть влияние продольно-поперечного изгиба и проверить устойчивость стержня, необходимо в матрицу жесткости стержня ввести поправки в виде матрицы геометрической жесткости [41]. При таком варианте расчета объем вычислений значительно меньше, чем при учете реального распределения упругопластических деформаций в сечениях по длине стержня. Основные этапы расчета упругих конструкций с помощью метода конечных элементов: ввод исходных данных о конструкции, условиях закрепления и нагружения; вычисление упругопластических матриц жесткости отдельных элементов; составление матриц жесткости конструкции в целом; ввод в матрицу жесткости заданных граничных условий; решение системы уравнений относительно узловых перемещений; расчет параметров напряженно-деформированного состояния конструкции. На основании анализа существующих методов расчета кабин мобильных машин в тракторостроении разработана отраслевая методика, предусматривающая проверку соответствия прочности принятого конструктивного решения и размеров сечений защитной конструкции стандартизованным условиям нагружения [49]. При составлении алгоритма и программы расчета приняты следующие допущения: 1) нагружение защитной конструкции при опрокидывании трактора считается квазистатическим, т. е. эквивалентным статическому нагружению (значение эквивалентной статической нагрузки берут из стандартов ГОСТ 12.2.002-81, ИСО 5700-82);

2) основные показатели оценки прочности защитных конструкций тракторных кабин - значения нагрузки и энергии при наибольших допустимых деформациях, соответствующих стандартным условиям статического нагружения;

3) расчетная схема защитной конструкции представлена в виде пространственной рамы;

4) стержни защитной конструкции прямолинейные, постоянного сечения по длине. Нагрузки на конструкцию сосредоточенные, приложенные в узлах;

5) пластические деформации развиваются по жесткопластической схеме, образуя пространственные пластические шарниры в наиболее нагруженных сечениях стержней. Первое допущение вызвано условиями проведения испытаний защитных конструкций. Третье допущение вполне естественно, так как наиболее перспективное, а для мощных тракторов и единственное решение применение каркасных кабин.

Четвертое допущение позволяет существенно упростить математическую модель конструкции, не снижая ее общности, так как криволинейные и переменного сечения стержни легко аппроксимировать набором прямых стержней. Подобным же образом распределенные нагрузки можно имитировать набором сосредоточенных нагрузок. При необходимости приложения нагрузки к одной из точек по длине стержня эту точку описывают как узел конструкции. Принцип пластических шарниров позволяет наиболее просто учесть упругопластический характер работы стержней конструкции. Он обеспечивает минимальный по сравнению с другими методами объем вычислений при удовлетворительной точности результатов расчета, а также простоту анализа и интерпретации расчетных данных. Последнее допущение позволяет рассматривать процесс упругопластического деформирования пространственной стержневой конструкции как суперпозицию упругого и жесткопластического деформирования и использовать для описания пластической составляющей положения теории предельного равновесия конструкций. Выражения, описывающие условия текучести стержней, зависят от формы сечения, поэтому в целях снижения трудоемкости и повышения универсальности расчета применяют приближенные зависимости:

Для расчета процесса деформирования конструкции использование соотношений, основанных на ассоциированном законе пластического течения по сравнению, например, с деформационной теорией пластичности, позволяет лучше моделировать большие деформации, которые могут возникать в защитных конструкциях. При ширине защитной кабины 1200...1500 мм в этом направлении допускается деформация до 500 мм. Основные расчетные соотношения. Конструкцию рассматриваем как совокупность отдельных частей элементов, взаимодействие которых характеризуется силовыми факторами. Последние эквивалентны внутренним усилиям, действующим в особых точках узлах конструкции. При выборе расчетной схемы в качестве конечных элементов приняты стержни. На рисунке 3.3 дан пример конечно-элементной модели каркаса защитной кабины, содержащей 17 элементов и 12 узлов. В качестве узлов рассматриваем точки, расположенные по концам стержней. Например, стержень II имеет узлы 1 и 3, стержень X - узлы 5 и 7. Каждый узел пространственной рамной конструкции представляет собой материальную точку, имеющую шесть степеней свободы и описываемую шестью координатами в принятой для данной конструкции системе. В примерах используется пространственная декартова система

она имеет блочную структуру:

Для однозначного определения перемещения всех точек конструкции под действием заданной нагрузки необходима модификация выражения (3.1) с учетом условий закрепления конструкции или заданных перемещений. При использовании метода шагового нагружения уравнение (3.1) выполняется не для полных значений нагрузок и перемещений, а лишь для их приращений на -шаге, т. е. для

жесткости конструкции от шага

линейны. Следовательно, максимальные значения внутренних усилий достигаются на концах элементов стержней, где в связи с этим возможно возникновение пластических шарниров. Выражение упругопластической матрицы жесткости удобнее выводить в локальной системе координат, в которой вектор нагрузок

элемента представляет собой внутренние усилия в концевых сечениях стержня.

Компоненты вектора |е2^

Например, упругопластическую матрицу жесткости элемента с двумя пластическими шарнирами найдем из выражения

Вектор Ф( определим следующим образом:

предельные значения соответственно крутящего и изгибающих моментов в сечении.

в сечении был перпендикулярным поверхности текучести в пространстве внутренних усилий. Алгоритм и программа расчета. Блоксхема алгоритма расчета, реализующего приведенные выше соотношения, показана на рисунке 3.6. Исходные данные для расчета структура и геометрические параметры конструкции, ориентация стержней, характеристики материала, условия нагружения и закрепления. Число шагов нагружения выбирают из следующих соображений: приращения нагрузки на каждом шаге должны быть достаточно малые; погрешности, связанные с реализацией предположения о линейном поведении конструкции, не должны превышать допустимого значения. Результаты расчетов показали, что задаваемое число шагов до достижения предельных значений нагрузок должно составлять 50...60. Программа расчета написана на алгоритмическом языке ФОРТ-PAH-IV и реализована на ЭВМ ЕС-1022 с объемом оперативной памяти 256 килобайт. Программа содержит около 1200 операторов исходного языка и состоит из основной программы и 20 подпрограмм. Модульный принцип организации программы облегчает ее модификацию при необходимости внесения каких-либо изменений. Применение при вычислениях векторного способа размещения массивов данных в оперативной памяти позволяет наиболее рационально ее использовать и повысить размерность решаемых задач при минимальных затратах машинного времени [53]. Кроме того, при изменении размерности Решаемых задач исключается корректировка текста программы, так как заменяются только вводимые исходные данные. Максимальная размерность решаемых задач зависит от сочетания значений параметров конструкции и ее можно указать лишь ориентировочно. Примерные значения параметров, при которых обеспечивайся приемлемый уровень точности расчетов для существующих конструкций защитных каркасов, следующие: число узлов 50, число эле

ментов 75 (при полуширине матрицы жесткости 40). Время решения задачи предельной размерности при быстродействии ЭВМ (90 ООО операций в секунду) составляет около 1,5 ч. Требуемый объем оперативной памяти и время счета.существенно зависят от ширины ленты матрицы жесткости, поэтому узлы конструкции необходимо нумеровать в определенном порядке, обеспечивающем минимальную ширину ленты. Прочность и жесткость защитного каркаса кабины трактора рассчитывают следующим образом. Вначале строят конечно-элементную модель защитного каркаса, представляющую собой совокупность прямолинейных стержней постоянного по длине сечения. Если в конструкции каркаса содержатся элементы криволинейные или переменного сечения, их аппроксимируют набором прямолинейных стержней. Точки соединения различных стержней считают узлами конструкции. При построении модели в качестве узлов необходимо также принять места приложения нагрузок, точки закрепления конструкции. Узлы и элементы полученной модели необходимо пронумеровать в произвольном порядке. Однако при этом следует учитывать, что ширина ленты матрицы жесткости пропорциональна наибольшей (по всем элементам) разности номеров узлов, принадлежащих одному элементу, и должна быть минимальна. Затем выбирают прямоугольную пространственную систему координат и в ней фиксируют значения координат всех узлов конструкции в недеформированном положении. Начальные угловые координаты узлов можно полагать нулевыми. Единицы измерения линейных размеров, определяющие значения координат узлов, выбирают произвольно; единственное требование согласованность размерностей нагрузок, характеристик материала, геометрических параметров элементов и их сечений. Далее подсчитывают число материалов, из которых изготовлены элементы конструкций, и число различающихся по размерам сечений элементов; каждому такому сечению и материалу присваивают определенный номер. Каждый элемент стержень идентифицируют, указывая номера его узлов, материала, сечения. Узел, необходимый для ориентации главных осей инерции сечения стержня, предполагают лежащим в плоскости XOY локальной системы координат, связанной с данным стержнем. Определяют также общее число закрепленных узлов и нумеруют их. Таким узлам задают коды закрепления в виде шестизначных чисел. Каждая из цифр кода закрепления обозначает наличие или отсутствие закрепления по направлению одной из координат, соответствующей позиции (местонахождению) этой цифры в шестизначном коде (порядок нумерации координат показан на рис. 3.3). При этом наличию закрепления соответствует цифра 1, отсутствию цифра 0. Для ввода данных о характеристиках поперечных сечений стержней рассчитывают заранее все требуемые параметры (площадь сече-68 ния; момент инерции при кручении и изгибе в двух плоскостях; пластические моменты сопротивления при кручении и изгибе). Для сечений наиболее часто встречающихся типов (трубчатых, круглого или прямоугольного профиля) можно задать только размеры. Основные их характеристики рассчитываются автоматически по программе. При этой следует указать тип сечения. Требуемые для расчета характеристики каждого из материалов конструкции включают модуль упругости, коэффициент Пуассона и предел текучести. Задаваемое при расчете число режимов нагружения определяется условиями, которые необходимо имитировать. Для каждого режима указывают число узлов с определенными нагрузками или компонентов заданных перемещений и их значения. Эти режимы нагружения реализуются последовательно, т. е. конечное состояние конструкции после приложения нагрузок некоторого режима является исходным для следующего за ним режима. Так как материал предполагается идеальным упругопластическим без упрочнения, то для конструкции существует некоторая предельная нагрузка, которая заранее не известна. Поэтому нагрузку предпочтительно задавать в зависимости от перемещений, так как имитируемое при этом состояние конструкции в процессе шагового нагружения всегда физически реализуемо. Для расчета защитных каркасных кабин тракторов целесообразно принимать такие предельные значения перемещений, чтобы в процессе деформирования достигалось состояние до начала нарушения зоны свободного пространства. Точки приложения и направление действия нагрузки должны определяться условиями нагружения при испытаниях таких конструкций.

Достижения требуемых значений характеристик безопасности еще до прове. дения испытаний. Дальнейшее развитие метода расчета защитных кабин направлено на учет разброса характеристик материала, технологических факторов сварки и сборки кабин, т. е. на создание вероятностного статического расчета защитных конструкций и уточнение коэффициентов перехода от динамического воздействия нагрузок на кабину к статическому.

Реклама