CC BY
80
УДК 621.869.33
ДОРОЖНЫЕ МАШИНЫ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ГРЕЙДЕРНОГО ОТВАЛА НА НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В ОСНОВНОЙ РАМЕ
АВТОГРЕЙДЕРА ДЗК-251
В.А. Шевченко, доцент, к.т.н, А.А. Резников, аспирант, В.В. Крецул, студент, ХНАДУ
Аннотация. Получены экспериментальные зависимости нормальных напряжений от скорости движения машины, выноса отвала в сторону и угла установки отвала в плане.
Ключевые слова: экспериментальное исследование, основная рама автогрейдера, положение отвала, нормальные напряжения.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦ1НКА ВПЛИВУ ПОЛОЖЕННЯ ГРЕЙДЕРНОГО В1ДВАЛА НА НАВАНТАЖЕННЯ, ЩО Д1ЮТЬ В ОСНОВН1Й РАМ1
АВТОГРЕЙДЕРА ДЗК-251
В.О. Шевченко, доцент, к.т.н, О.О. Резников, астрант, В.В. Крецул, студент, ХНАДУ
Анотаця. Отримано експериментальм залежност1 нормальних напружень в1д швидкост1 руху машини, в1д виносу в1двала у сторону i в1д кута установки в1двала у плат.
Ключов1 слова: експериментальне до^дження, основна рама автогрейдера, положення вiдвала, нормальт напруження.
EXPERIMENTAL ESTIMATION OF GRADER BLADE ATTITUDE INFLUENCE ON FORCES AFFECTING DZK-251 SELF-PROPELLED GRADER MAIN FRAME
V. Shevchenko, Associate Professor, Candidate of Technical Science, O. Reznikov, Postgraduate, V. Kretsul, student, KhNAHU
Abstract. Experimental dependencies of simple stress on the grader driving speed, reach of the blade and the setting angle of the blade in the plane are obtained.
Key words: DZK-251 self-propelled grader, experimental research, main frame of self-propelled grader, blade attitude, simple stress.
Введение
Опыт эксплуатации автогрейдеров показывает, что из-за непредвиденных отказов не полностью реализуются их возможности. Существенную роль в общем балансе надежности автогрейдеров играет надежность их металлоконструкций.
Методы расчета металлоконструкций автогрейдеров, применяемые в настоящее время, не в полной мере учитывают случайный характер изменения нагрузок во времени и не позволяют достаточно объективно учитывать в расчетах показатели надежности.
Анализ публикаций
Методологические основы поведения экспериментальных исследований землеройно-транспортных машин изложены в работах [1, 3]. Авторами рассмотрены пути планирования и проведения экспериментов с использованием различного измерительного оборудования.
В работе [2] раскрывается вопрос обработки полученных данных.
Цель и задачи исследования
Цель работы - представить и проанализировать результаты экспериментального исследования влияния положения грейдерного отвала в пространстве на нагрузки, действующие в основной раме автогрейдера.
Задачами являлось: разработать методику и провести экспериментальные исследования на натурном образце автогрейдера, выполнить анализ зависимостей нормальных напряжений от скорости движения машины, величины выноса отвала в сторону и угла установки отвала в плане.
Решение проблемы
Одним из характерных отказов автогрейдеров различных модификаций и классов является образование усталостных трещин в зонах концентрации напряжений в металлоконструкции основной рамы автогрейдера, а именно:
- в зоне крепления к хребтовой балке кронштейнов гидроцилиндров подъема-опускания основного отвала;
- в передней части лонжеронов подмоторной рамы.
Для оценки влияния положения грейдерного отвала на нагрузки, действующие в металлоконструкции основной рамы автогрейдера, были проведены полевые эксперименты в условиях испытательного полигона ХНАДУ. В качестве объекта исследований был выбран автогрейдер ДЗК-251 Крюковского вагоностроительного завода.
В процессе разработки методики проведения полевых испытаний было принято решение рассмотреть влияние различных положений грейдерного отвала на напряжения, возникающие в металлоконструкции основной рамы автогрейдера. В частности в процессе
полевых испытаний варьировались следующие параметры:
- вынос тяговой рамы в сторону (0 м, 0,3 м, 0,6 м);
- вынос грейдерного отвала в сторону (0 м, 0,35 м, 0,7 м, 1,05 м, 1,4 м);
- угол установки отвала в плане (40°, 65°, 90°, 115°, 140°);
- скорость движения машины (0,66 м/с, 1,01 м/с, 1,21 м/с, 1,4 м/с, 1,57 м/с).
Эксперименты проводились на суглинке П-Ш категории, при средней температуре окружающей среды 18-24 °С.
В процессе экспериментов были реализованы следующие рабочие операции: резание грунта всем отвалом и его кромкой (рис. 1). Для повышения надежности результатов экспериментального исследования опыты проводились с трехкратным повторением [1].
1 I 1 ! 1 1
1=Ж-
и=о
© ©
¡¡=105- „ а=65"
а=90"
Рис. 1. Схема проведения эксперимента
В процессе реализации полевых экспериментов проводились замеры деформаций в металлоконструкции с помощью тензодатчиков.
Для получения полной информации о действующих главных напряжениях в зонах ожидаемого появления усталостных трещин датчики клеились в форме прямоугольной тензометрической розетки (рис. 2).
Для регистрации экспериментальных данных была использована информационно-измерительная система, включающая в себя два параллельно работающих 8-канальных аналого-во-цифровых преобразователя (рис. 3). Таким образом, параллельно велась запись 16 каналов, из которых 9 каналов - тензодатчи-ки для определения деформаций рамы, 6 каналов - датчики давления в гидроцилиндрах подвески основного отвала, 1 канал - датчик крутящего момента на центральной полуоси балансирной тележки.
а б в
Рис. 2. Наклейка тензометрических розеток на основную раму автогрейдера: а - схема размещения тензометрических розеток на основной раме; б - наклеивание тензодатчиков в зоне крепления к хребтовой балке кронштейна гидроцилиндра подъема-опускания основного отвала; в - схема размещения датчиков в форме прямоугольной розетки
Перечисленный набор измерительных каналов позволяет на основе полученной информации определить дополнительно тяговое усилие, развиваемое машиной в процессе реализации каждого эксперимента, а также внешние нагрузки, действующие на рабочее оборудование автогрейдера.
Рис. 3. Размещение измерительного комплекса в кабине автогрейдера
Градуировка тензодатчиков проводилась с помощью балки равного сопротивления. Полученные результаты подтвердили линейность характеристик измерительной системы.
Нормальные напряжения в зонах наклейки тензометрических розеток рассчитывались как косвенные измерения по зависимости (1) [2]
а пр = -у/сТ7"с|^о7чс7 ,
(1)
териала основной рамы, ее деформации и рассчитывались по зависимости (2) [3]
1,2
Е Че 0 + 8 90 ± Е Ч 1 ^
1 - т 2 1 + т 42
^ >/(£ 0 - 8 45 ) + (£ 45 - 8 90 ) ; _ (2 45 - 8 0 - 8 90) ;
(2)
где Е и т - модуль Юнга и коэффициент Пуассона материала металлоконструкции соответственно; а - угол отклонения главных напряжений от продольной оси датчика; 81,8 2, е з - измеряемые деформации металлоконструкции.
Нормальные напряжения рассчитывались по зависимостям (3,4) [3]
а х = а 1Ч^2 а + а 2 Чsin2 а; (3)
а у = а 1 Чsin2 а ;
(4)
Касательные напряжения рассчитывались по зависимостям (5,6) [3]
_ й (а 1 - а 2 ) Щ.
т _ т
х у ух
й (а 1 -а 2 ) % •
21 Ъ^т2а
(5)
(6)
т
2
2
где а 1 и а 2 - главные напряжения.
Главные напряжения а 1 и а 2 в точках наклейки розеток зависят от характеристик ма-
Типичные осциллограммы изменения во времени измеряемых параметров приведены на рис. 4.
Рис. 4. Типичные осциллограммы измеряемых величин: Мкр - крутящий момент
на центральной полуоси, кНм; ° -напряжения, МПа; р - давление жидкости в нагруженной полости гидроцилиндра подъема-опускания отвала; f - плотность вероятности
На представленных графиках явно выделяются два характерных участка. Начальный участок, на котором происходит нелинейное возрастание измеряемого силового параметра, соответствует моменту заглубления рабочего органа автогрейдера в грунт. Второй участок - участок установившегося стабильного резания. На этом этапе регистрируемые процессы характеризуются как стационарные стохастические.
Случайное изменение силовых факторов объясняется случайным распределением свойств грунта по длине копания, особенностями фрикционного взаимодействия пневматических движителей с опорной поверхностью, неровностями опорной поверхности. Сама машина, будучи сложной нелинейной
динамической системой, при случайном изменении внешних воздействий также способна перейти в режим движения, характеризуемый как динамический хаос.
Измерительная система в процессе проведения эксперимента обеспечивала фиксирование информации, получаемой с датчиков, в виде табличных цифровых данных на лабораторном ноутбуке. Это позволило применить классические методы теории математической статистики для обработки информации на этапах стабильного резания. При выполнении этих расчетов определялись математическое ожидание и дисперсия каждого из силовых параметров. В частности, были построены графические зависимости значений математического ожидания главных напряжений в основной раме автогрейдера от варьируемых в эксперименте факторов.
Результаты анализа представлены на рис. 5, 6, 7.
Рис. 5. График зависимости изменения нормальных напряжений от угла установки отвала в плане
Рис. 6. График зависимости изменения нормальных напряжений от скорости движения машины
Рис. 7. График зависимости изменения нормальных напряжений от величины выноса отвала в сторону
Предварительные расчеты показали, что в пределах допустимой погрешности экспериментальные данные могут быть аппроксимированы линейными зависимостями.
Внешний вид представленных графиков показывает, что увеличение каждого из варьируемых в эксперименте параметров приводит к росту нормальных напряжений.
Наиболее существенное увеличение напряжений вызывает рост рабочей скорости автогрейдера и угла установки отвала в плане. Изменение величины выноса отвала в сторону вызывает меньшее влияние на действующие напряжения.
Вывод
Во время выполнения машиной планировочных, профилировочных операций, а также резания грунта с его одновременным перемещением в сторону в металлоконструкции машины действуют переменные напряжения случайного характера.
В рабочем режиме машины явно могут быть выделены два этапа: зарезания отвала в грунт, характеризующийся нелинейным возрастанием силовых факторов, и установившийся режим резания грунта.
При реализации стационарных стохастических процессов резания грунта наиболее полную информацию об исследуемых процессах можно получить, используя расчетные методы теории математической статистики.
При увеличении скорости от 0,66 м/с до 1,21 м/с главные напряжения в среднем возрастают в 3,2 раза.
При увеличении угла захвата отвала в плане от 40 до 80 градусов действующие напряжения также возрастают в 3,8 - 4,1 раза.
Смещение отвала в сторону от центрального положения до 1,4 м приводит к росту нормальных напряжений на 10-15 %.
Литература
1. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента
при поиске оптимальных условий : учебник / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский. - М. : Наука, 1976. -280 с.
2. Чихладзе Э.Д. Сопротивление материалов:
учебник / Э.Д. Чихладзе, М.А. Вереви-чева. - Харьков : ХНАДУ, 2005. - 524 с.
3. Сухарев И.П. Экспериментальные методы исследования деформаций и прочности / И.П. Сухарев. - М. : Машиностроение, 1987. - 216 с.
Рецензент: Е.С. Венцель профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 19 апреля 2010 г.
