Проектные оценки долговечности и живучести рам карьерных самосвалов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 7 (2012 5) 760-765

УДК 539.3:624.04

Проектные оценки долговечности и живучести рам карьерных самосвалов

С.В. Доронина, Т.В. Донцова6*

а Специальное конструкторско-технологическое бюро

«Наука» КНЦ СО РАН Россия 660049, Красноярск, пр. Мира, 53 б Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 1

Received 07.12.2012, received in revised form 14.12.2012, accepted 21.12.2012

Рассмотрен методический подход к получению оценок долговечности и живучести рам автосамосвалов на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. Они основаны на моделях накопления повреждений многоцикловой усталости и кинетических уравнениях роста трещин.

Ключевые слова: рамы автосамосвалов, проектные расчеты, долговечность, живучесть.

Введение

Известно, что в настоящее время по тяговым, мощностным, топливным и другим характеристикам отечественные карьерные автосамосвалы находятся практически на уровне зарубежных («Катерпиллер», «Юнит Риг» и др.), однако пока они уступают им по ресурсу [1]. Проблема оценки и обеспечения ресурса как одного из важнейших показателей технического уровня автосамосвалов тесно связана с исследованиями надежности и живучести их базовых рамных металлоконструкций.

Недостаточные уровни надежности и живучести автосамосвалов, спроектированных на основе классических инженерных методов усталостной прочности, обусловлены затруднениями в учете сложного характера нагружения рам, а также тем, что при наличии повреждений в виде исходной технологической дефектности или возникшей в эксплуатации трещины естественные усталостные процессы протекают во много раз быстрее, приводя к низким значениям ресурса, преждевременным разрушениям несущих конструкций.

Исследования причинно-следственного комплекса формирования аварий и показателей надежности рам карьерных автосамосвалов показывают (рис. 1), что конструктивные формы рам, технологические условия их изготовления, свойства конструкционных материалов формируют потенциальный уровень прочности, надежности, обусловленный ими запас живучести. Возможность достижения этого потенциального уровня в значительной мере зависит от

* Corresponding author E-mail address: t.v.dontsova@gmail.com

1 © Siberian Federal University. All rights reserved

Условия эксплуатации, характеристики карьерных _автодорог_

Технологические особенности рамных конструкций

Рис. 1. Причинно-следственный ко мплекс формирования аварий и показателей надежности рам автосамосвалов

степени учета фактического режима нагружения при прогнозировании ресурса, ооределяюще-го применение тех или и ны1х приемов и технологий регулирования свойств рамныхх конструкций для исключвния разрушений в течение срока сложбыг машины.

1В этой с вязи актуальныы исследования, направленный на разроботец и апробацию методического подоода, позволяющего на этапе научно-исследоветельскоех и опыгтно-конструкторских работ посредством моделировании по лучивь оненеа нозможны>1х режимов еноружения рамнык конструкций и обусловленные има прогнозный оценок долговечности и живучести. Целесообразно получение и исполазование этих оценок для рнжима транспортирования самосвалами горно й массы>1 в предположении как неповрежденной рамые (долговечность), так и с учетом возможного наличия в метоллокннструкциях рам трещиноподобных дефектов технологического ини экспеуатационного повреждения.

Применяемые модели и алгоритмы

При оценке ресурса рассмнтривается нетольно феза зерожденин и образоеония устолост-ныех трещин, но и фаза развития макроскопичесоих трещин, то есть жи вучести.

Оценки усталостной долговечности рамые определяются в предположении ее линейной упругой раб оты>1 и развития процесса многоцикловой усталости. Количе стве нныге о це нки осно-вннын на уравнении кри вой усталости, записаннвм в виде [2]

' 1 <», Я а <Я-1 /

где - предел выносливости элемента конструкции; Ыв - число циклов, соответствующее точке перелома кривой усталости; т - параметр кривой усталости, и корректированной линейной гипотезе суммирования усталостных повреждений, уравнение предельного состояния согласно которой имеет вид

У _L =

> N

"a, ,

*' (2)

где п1 - число ц иклов повторения амплитуды зи весь срок службы; Ы; - число циклов по кривой усталости, полученной при регулярном нагружении, соответствующее амплитуде са; ав = 0,1... 1,0 - корректированное зничение суммы относительных долговечностей Еп;/Ы;, соответствующее предельному повреждению.

Прогнозная оценка живучести конструкции рамы, содержащей макроскопические трещины определенной длины, выполняется но базе положений линейной механики разрушения и применения одного из известных кинетических уравнений ро ста трещин, основанных на учете размаха коэффициента интенсивности напряжений ДК

Практические оце шеи живучести р ам выполняются с использованием кинетического уравнения Формана

¿1 -(АК)*

ак (1 -я)кс-ак ' ()

где А, п — эмпирические параметры; Я - иоэффициент асимметрии цикла; Кс - трещиностой-кость матери ала.

Отсюда

(1 - я)кС-Ак

= (-)—с-л (4)

а(ак к '

Выбираем некоторую начауьную длин;,' трещины И Подсчитываем прирост трещины от первого восиодящело размаха в блоке (АНУА/); тогда длина трещины 11 = 10 + (АШД)1 . Второй восходящий размах приводит к новой даине трещины 2 = Т + (АШДГ)2 и т.д. Этот процесс продолжается до конца блока нагружения Ье. Суммирование по всем циклам блока (за исклю-чанием сжимающих на-ряжений и АК; < АК>) дает прирост трещины на один блок А10 при началкной длине трещины /е Такие вычислен ия повторяем для ряда начальных длин трещин У(, в резулктате чаго определяем приращение ■^ртегщилавыы за один биок А Iс1 как функцию исходной д лины трещины ¡¡, 'т.е. А1,„-=ЧИЛ- Число блоков ЫБ, необходимое для уве личения длины трещины от начального значения 1о до конечного значения Д находим суммированием или, при очень большо м числе блоков, интегрированием

n б =

¡kfR.* (5)

Рассмотренные модели и алгоритмыв оцешеи усталостной долговечности и живучести апробированы для случая движения автосамосвалов по четырем участкам карьерной автодороги, для которой поаучены экапериментальные значения микропрофиля [3].

Праетические оцгнки усталоетной долговечности ром получены по формуле [2]

- ap ■ amld ■ ng

- = - <У„ ^ & i d (6)

VV&m v ' a¡ -1d'

где принята значения ca-ld= 9)0 МПа, Nm = 2 • 106, m = 8,8 , значения aai и viE вычисляют дополнительной обработкой функции распределения амплитуд эквивалентных напряжений, полу-

ченных моделированием динамическои системы автосамосвала при е го движении по участкам дорог и с определенными характеристиками микропрофиля [3]. Корректированное значен ие суммы ар находи ли по формуле

VБ - ka

а IБ а

ар = --к-, (7)

где ка = 0,5 - постоянное число, опреде ляющее нижнюю границу повреждающих напряжений.

Изучен также вопрос о влиянии перегрузок на усталостную долговечность и живучесть. Перегрузка варьировалась в диапазоне до 10 %-ной номинальной загрузки автосамосвала. Влияние перегрузки оценивается отношением Хп/Хном, где Хп и Хном - соответственно число блоков нагружения до вооникновения усталостной трещины или хрупко го разрушения при перегрузке и номинальной загрузке автосамосвала. Установлено, что перегрузки являются причиной резкого снижения показателей ресурса ром автосамосвалов.

Особенности получения инженерных оценок

Таким образом, разработанные методики и количественные оценки ресурса основаны на более точном учете условий нагружения рам автосамосвалов в условиях горного предприятия, которые, в свою очередь, устанавливаются в процеспе моделирования реакции динамической модели авто самосвала на воздействие дороги с определенными характеристиками микропрофиля. ПОри про ектировании расчеты рам выполняют на некоторые условные усредненные нагрузки, поскольку отсутствует принципиальная возможность учета на этом этапе фактических характеристик аоаодорог на горных предприятиях. При постановке звдачи проектирования с учетом фактических параметров автодорог аьи параметры следует руссматривать как проектные и, сле -довательно, подвергать регламентации. Это оказывается затруднительно сделать практически в силу их нестабильности во времени и зависимости от многих горно-технических, климатических, организационных и других групп факторов. В этой связи на первом этапе целесообразно накопление статистических данных и разработка ряда типовых характеристик микропрофиля, для которых необходимо получение проектных оценок долговечности и живучести.

Для решения этой задачи нужно экспериментально получать и обрабатывать информацию по статистическим характеристикам неровностей микропрофиля характерных участков автодорог в пределах горных предприятий. Далее в результате схематизации полученных реализаций случайных процессов необходимо оценивать расходование ресурса рамы при перемещении на 1 км со средней скоростью по различным участкам автодорог. С учетом маршрута отдельных самосвалов и длин участков пути с различными статистическими характеристиками следует получать прогнозные оценки ресурса рамы. Эти оценки соответствуют возможным моментам возникновения усталостной макротрещины, пока не представляющей непосредственной опасности в силу малой длины. Однако при общепринятых подходах к эксплуатации конструкций такие повреждения недопустимы и именно при их возникновении ресурс считается обычно исчерпанным.

Следует признать наличие двух факторов, снижающих точность оценок ресурса. Во-первых, статистические характеристики карьерных автодорог не являются неизменными во

времени, могут меняться длины участков с неровностями того или иного характера. Во-вторых, маршрут автосамосвала обычно не является жестко детерминированным и без жесткого учета фактически пройденного пути точность оценок ресурса падает. Однако можно утверждать, что эти оценки ресурса имеют максимально возможную точность с учетом всех возможных факторов.

Выводы

1. Оценки усталостной долговечности и живучести рам, полученные с использованием корректированной линейной гипотезы накопления усталостных повреждений и кинетического уравнения Формана роста трещин, при движении автосамосвалов по дорогам с различными характеристиками микропрофиля позволяют оценивать расходование ресурса рамы при перемещении на 1 км пути, что является необходимым условием рациональной эксплуатации парка автосамосвалов с учетом их технического состояния.

2. Полученные оценки могут быть использованы при определении эффективной структуры экскаваторно-автомобильного комплекса, характеризующейся наименьшими простоями включенных в комплекс машин.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 11-08-00945а).

Список литературы

[1] Кулешов А.А. Конференция "Карьерный транспорт 2003" на ПО "БелАЗ" // Горные машины и автоматика. 2003. № 4. С. 43-45.

[2] Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Машиностроение, 1993. 363 с.

[3] Доронин С.В., Донцова Т.В. Статистические модели микропрофиля дорог технологического транспорта // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 3. С. 202-208.

Design Assessment

for Dump Trucks Frames Durability

and Survivability

Sergey V. Doronina and Tatiana V. Dontsovab

a Special Design and Technological Bureau «Nauka» KSC SB RAS 53 Mira, Krasnoyarsk, 660049 Russia b Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041 Russia

A technical approach to acquisition assessments for dump tracks frames durability and survivability during scientific researches and experimental development. These ones are based on the damage accumulation models and kinetic equations of cracks propagation.

Keywords: trucks frames, design computations, durability, survivability.