CC BY
10
- угол поворота ведущего вала; а - угол между осями валов, соединенных, шарниром неравных угловыхскоростей.
<Р?-Ч>2
ч
3
г
1
*
о
-7
-г -з
-V -5
Рисунок 8 - Неравномерность вращения ведомого вала, соединенного шарниром неравных угловых скоростей
Ритмичные колебания крутящих моментов в приводе управляемых колес с шарнирами неравных угловых скоростей в поворотных устройствах тягачей КЗКТ отмечались лишь при движении по кругу на асфальтированной площадке с полностью повернутыми колесами (угол 290). Размахи колебаний составляли 5-10% от максимального момента, рассчитанного по сцеплению на сухой дороге (коэффициент сцепления 0,7). Буксование повернутых управляемых колес вызывало появление колебаний с размахом 10-12 % от максимального момента. С шарнирами равных угловых скоростей размахи колебаний момента в этих условиях практически отсутствовали.
При движении по кругу на грунтовой площадке размахи колебаний имели место как с шарнирами равных так и неравных угловых скоростей, причем заметной разницы в колебаниях не было. Если неровности на грунтовой площадке значительные, то размахи могут достигать и 30 и 50% от максимального момента по сцеплению независимо от того, какие шарниры в приводе. На грунтовых дорогах колебания момента в приводах к управляемым колесам могут превышать те, которые создаются шарнирами неравных угловых скоростей, и колебания момента, вызванные неравномерным вращением соединяемых шарниром валов, становятся не заметны.
Размахи колебаний зависят от скорости движения (чем больше скорость, тем больше размах) и состояния дороги. На дорогах с небольшими поворотами разницы в нагружении приводов с шар-
нирами равных и неравных угловых скоростей практически не наблюдалось.
Установлено, что создаваемые полуосевыми шарнирами неравных угловых скоростей колебания при повернутых колесах распространяется на главную передачу и карданный вал, соединяющий главную передачу и проходной редуктор. За проходным редуктором действие этих шарниров не заметно: запись моментов и оборотов велась одновременно на всех карданных валах, соединяющих эти агрегаты.
На устойчивость и управляемость тягачей шарниры неравных угловых скоростей не влияют.
Длительные ходовые испытания тягачей, в поворотных устройствах которых были шарниры неравных угловых дали положительный результат, что позволило рекомендовать заменить в поворотном устройстве шарниры равных угловых скоростей на шарниры неравных угловых скоростей.
За 30 лет эксплуатации двух- и четырехосных тягачей КЗКТ, в поворотных устройствах которых были установлены шарниры неравных угловых скоростей, замечаний к приводам не было. Как достоинство всегда отмечалась простота и надежность привода. Но использовать такой привод можно, если на автомобиле имеются колесные редукторы с достаточно большим передаточным числом, снижающем подводимый к управляемым колёсам крутящий момент, который не вызывает угловые колебания повернутых колес
Список литературы
1 Гост Р 52430- 2005. Автомобильные транспортные средства. Передачи карданные автомобилей с шарнирами неравных угловых скоростей.
2 Лукин П. П. и др. Конструирование и расчет автомобиля : учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Автомобили и тракторы». М.: Машиностроение, 1984. 376 с.
3 Автомобиль МАЗ-537 и его модификации. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. М.: Военное издательство, 1984. 459 с.
УДК 621. 791.
Д.А. Троценко, И.А. Тараторкин, И.В. Лисихин, А.К. Давыдов
Курганский государственный университет
исследование циклической работоспособности уширителей траков болотохода
Аннотация. Описана методика усталостных испытаний уширителей. Показано, что характер и стыки разрушения уширителей на стенде и в условиях эксплуатации совпадают. Приведены результаты испытаний уширителей, изготовленных по различным технологиям. Выданы рекомендации по повышению их работоспособности.
Ключевые слова: уширитель траков, сварные соединения, усталостные трещины, циклическая работоспособность.
D.A. Trotsenko, I.A. Taratorkin, I.V. Lisikhin,
A.K. Davydov
Kurgan State University
INVESTIGATION OF CYCLIC
performance TRUCKEE
WIDENERS OF SWAMp BUGGIES
Annotation. The article describes a method for wideners fatigue testing. It is shown that the nature and the destruction of wideners joints on the stand and in the operation activity are the same. Test results of wideners made with different technologies are presented in the article and given recommendations for improving their efficiency.
Keywords: track widener, welded joints, fatigue cracks, cyclic performance.
Введение
Повышение циклической работоспособности сварных конструкций всегда было и остаётся чрезвычайно актуальным. Оно обеспечивает увеличение эксплуатационного ресурса и снижение риска аварийных разрушений, становится экономически выгодным. Успешное решение данной проблемы во многом зависит от того, насколько полно и точно будут учтены технологические, конструктивные и эксплуатационные факторы, влияющие на циклическую работоспособность и долговечность сварных конструкций, а также поведение металла конструкции в процессе её эксплуатации.
Цель работы - изыскание возможности повышения эксплуатационной работоспособности сварной конструкции уширителей траков гусеницы болотохода.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Получить при стендовых испытаниях усталостное разрушение уширителей аналогичное эксплуатационному.
Выявить места и причины усталостных разрушений уширителей.
Рассмотреть эффективность некоторых технологических мероприятий при изготовлении уширителей на повышение их работоспособности.
Выдать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления уширителей.
1 КОНСТРУКЦИЯ УШИРИТЕЛЕЙ ТРАКОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ
Уширитель является составной частью траков гусеницы транспортной машины ТМ-1 производства ОАО «Курганмашзавод». Он служит для увеличения площади опоры болотохода. Его конструкция пространственная. Она состоит (рисунок
1) из уширителя-1, упора-2 и скобы-3 с внутренними отверстиями под пальцы для крепления с траком. Детали в конструкции располагаются в виде треугольника. В местах сопряжения они свариваются. На рис. 2 представлен внешний вид сварной конструкции.
Технические данные конструкции уширителя: толщина уширителя и упора - 6 мм; материал уширителя и упора - сталь 30ХГСА ГОСТ 11269-76;
материал скобы - сталь 38ХС ГОСТ 4543-71; масса изделия - 1,49 кг; габариты конструкции - 230х96х50 мм. Характеристика сварных соединений конструкции:
- соединения уширителя со скобой и упором - нахлёсточные;
- соединение упора со скобой - стыковое. Последовательность наложения сварных
швов согласно заводской (базовой) технологии: в начале к полностью обработанным скобам приваривались уширители с внутренней и наружной сторон, затем к уширителям приваривались упоры и в последнюю очередь осуществлялась односторонняя сварка соединения скоба-упор. После сварки производилась изотермическая закалка конструкции на твёрдость НВ 366...444, последняя контролировалась на скобе.
Сварные конструкции уширителей испытыва-лись непосредственно в эксплуатационных условиях на машине ТМ-1. В ходе заводских испытаний после пробега порядка 3000 км. в конструкциях уширителей, примерно в 30%, произошли поломки. Часть из них разрушились полностью, а некоторые частично. Разрушения в изломах носили явно выраженный усталостный характер. В качестве примера, на рисунке 3 показана фрактогра-фия излома упора уширителя, где видны следы развития усталостной трещины.
Рисунок 1 - Составные части уширителя
Ри сун о к 2 - Ко н струкция ушир ит еля тра ко в
Вестник КГУ, 2016. № 3
Рисунок 3 - Поперечный излом упора уширителя
трещина от концентратора
Рисунок 4 - Разрушение по соединению упор-уширитель
Установлено, что эксплуатационные разрушения конструкции уширителей происходят обычно со стороны упора уширителя. При этом, всегда разрушается сам упор в местах его приварки - по границам сплавления сварных швов или по основному металлу в непосредственной близости от последних, как это видно из рисунка 4.
Практически во всех случаях в соединении упор-скоба в изломах обнаруживался непровар корня шва порядка 2-3 мм (рисунок 3 - низ левой части излома).
Анализ преждевременных эксплуатационных усталостных разрушений конструкции уширителя транспортной машины ТМ-1 свидетельствует о необходимости совершенствования как самой конструкции, так и технологии её изготовления.
2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ УШИРИТЕЛЕЙ И ВАРИАНТЫ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
При разработке методики стендовых испытаний, моделирующих эксплуатационные нагрузки учитывались выявления характера усталостного разрушения уширителей и определения для этого требуемого уровня нагрузки.
В эксплуатационных условиях конструкции уширителей вопринимают нагрузки, приводящие к их изгибу. Поэтому, при стендовых испытаниях необходимо также испытывать уширители на изгиб. Усталостная машина МУП-50 позволяет получать изгиб уширителя путём одновременного испытания двух уширителей при приложении циклической нагрузки по середине между опорами. С целью получения симметричного спаренного образца два уширителя соединяли друг с другом с помощью двух коротких пальцев, запрессованных в отверстия скоб.
Рассматривали две возможные схемы циклического нагружения спаренного образца (рисунок 5). По первой схеме упоры уширителей располагал и п р и испытании св е рху, а п о вто ро й - снизу,
как показано соответственно на рисунке 5 а) и б).
Испытания образцов на усталость осуществляли с помощью приспособления, установленного и закреплённого на траверсе машины МУП-50 (рисунок 6).
Для определения уровня нагрузки по первой схеме наружения образцов проведены расчётно-экспериментальные исследования напряженности зоны сварного шва с непроваром соединения упора уширителя со скобой при действии катковой нагрузки машины ТМ-1 [1].
Шщхшль
1
Гттеи Ско5а Упор 1-320 Опора
Ушцритель
Палец Скаба У/юр 1-320 Опора
б
Рисунок 5 - Схемы нагружения образцов
Рисунок 6 - Приспособление для испытания уширителей на машине МУП-50
Результаты этих исследований свидетельствуют, что при катковой нагрузке в 1 т. напряжения сжатия в корне шва могут достигать 300 МПа, а среднее и амплитудное напряжение переменного цикла при пульсирующем характере катковой нагрузки достигают соответственно 50 и 150 МПа - без учёта коэффициентов концентрации напряжений в сварных соединениях. Расчёт долговечности показал, что при отработке методики усталостных испытаний уширителей целесообразно применять катковую нагрузку равной 1,5...2 тонны.
Циклическое нагружение двух пар ушири-телей по первой схеме (рисунок 5 а) при максим альг о й н а груз ке Р=2 0 к Н и миним а л ь н о й Р=2 кН
47
привели к разрушению не только сварного шва между упором и скобой, а также и самой скобы. Характер разрушения в этом случае не совпадает с характером разрушения уширителей в процессе эксплуатации.
Апробация второй схемы нагружения (рисунок 5 б) при частоте - 500 циклов в минуту максимальной нагрузке в циклах Р = 8,5 кН и минимальной Р = 1 кН показала, что харарктер аналогичен эксплуатационному (рисунок 3). Снижение уровня нагрузки по данной схеме, в сравнении с первой схемой, обусловлен учетом коэффициента концентрации напряжений от непровара корня шва в сварном соединении скоба-упор и влиянием инерционных сил от движения болотохода. В дальнейших исследованиях применяли только вторую схему нагружения уширителей.
Так как базовая технология изготовления уширителей не удовлетворяла по долговечности эксплуатационным испытаниям, дополнительно рассмотрено ещё три технологии их изготовления, направленные на повышение работоспособности уширителей:
- Первая технология (№ 1, базовая) описана в разделе 1.
- Вторая технология (№ 2) отличалась от №1 предварительным подогревом свариваемых деталей до 250°-300°С.
- Третья технология (№ 3) - уширитель, приваренный к скобе, упруго деформировался на 2 мм с помощью пластины, установленной между приспособлением и уширителем, затем приваривался упор к скобе и к уширителю. После снятия скобы с приваренными уширителем и упором с приспособления за счет упругих сил в сварных швах возникали предварительные напряжения сжатия.
При изготовления уширителей по технологиям № 2 и № 3 осуществляли заключительную изотермическую закалку согласно технологии № 1.
- Четвёртая технология (№ 4) - уширители, изготовленные по технологии № 1 (без закалки), подвергали дробенаклёпу по заводской технологии.
3 РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНЫХ УСТАЛОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ УШИРИТЕЛЕЙ
По методике, описанной в разделе 2 было испытано 30 уширителей разных технологий изготовления. Характер их усталостного разрушения полностью совпал с характером разрушения уширителей в эксплуатации. Результаты испытаний уширителей сведены в таблицу.
Из таблицы видно, что наиболее часто разрушается сварной шов между упором и скобой (19), реже происходит разрушение упора по отверстию около сварного шва между упором и уширителем (7), иногда происходит разрушение уширителя около сварного шва упор-уширитель (4). Долговечность сварного шва упор-скоба и упора (при разрушении по отверстию) примерно одинакова.
Разрушение сварного шва упор-скоба всегда начи н а ется и з н ут р и в местах н е спл а вл е н и я упо-48
ра со скобой. Эти места провоцируют зарождение усталостной трещины из-за высокой концентрации напряжений.
В соединении упор-уширитель усталостное разрушение носит двоякий характер. В первом случае разрушение упора происходило в районе начала (№ 3, № 1, № 4) и конца (№ 2) сварного шва. На всех образцах зарождение усталостной трещины начиналось в основном металле упора, с противоположной от сварного шва стороны напротив границы сплавления, с кромки упора. Затем, развиваясь нормально, она достигала границы сплавления сварного шва. Дальнейшее ее развитие происходило по всему поперечному сечению упора в направлении ближайшего отверстия (рисунок 4).
Во втором случае усталостное разрушение всегда начиналось по телу уширителя с границы сплавления сварного шва на некотором расстоянии от начала шва. Затем зародившаяся трещина развивалась по границе сплавления сварного шва в двух направлениях - к краю и к средней части уширителя по вогнутой поверхности.
В дальнейшем трещина доходит до края уширителя и выходит на его поверхность, образуя сквозную трещину, и продолжает развитие по ослабленному месту. В местах перехода от полуфлангового шва к лобовому она изменяет направление развития в сторону малого отверстия уширителя.
Причиной усталостного разрушения соединения упор-уширитель может быть высокая жесткость соединения и концентрация напряжений от наложения полуфлангового сварного шва.
Характер появления и развития усталостной трещины в соединении уширитель-скоба аналогичен второму случаю разрушения соединения упор-уширитель. Отличительной особенностью являлось то, что сквозная трещина развивалась только вдоль границы сплавления сварного шва.
Таким образом, слабым местом в конструкциях уширителя является граница сплавления сварного шва. Это объясняется наличием в ней высокой концентрации напряжений, остаточных сварочных напряжений и неоднородности свойств. Отрицательное влияние указанных факторов можно уменьшить за счет применения арго-но-дуговой обработки границ сплавления сварных швов [2].
Сравнение характера разрушения уширителей, изготовленных по различным вариантам показывает, что 50 % уширителей № 2 кроме разрушения сварного шва упор-скоба имеют усталостные трещины на упоре до большого отверстия (не у скобы). На остальных (№ 1, № 3, № 4) уширителях почти 100 % усталостных трещин возникает не у скобы, которые в некоторых случаях приводят к разрушению упора по большому отверстию. Разрушение упора уширителей № 4 происходит в большинстве случаев (3 из 5) по больш о м у отв е р с_т и ю н е у с кобы .
Таблица 1 - Долговечность уширителей до выхода из строя (тыс. циклов) по усталостным трещинам длиной 10 мм и от-лому элементов конструкции
№ образца По сварным соединениям
Упор-скоба Упор-уширитель Уширитель-скоба
Трещины по границе сплавления Отлом упора Трещины полуфлангового шва Отлом упора Трещины по границе сплавления шва с уширителем Отлом уширителя
со скобой с упором по упору по границе сплавления до отв. полный
Технология № 1
1 115 121 132
2 269 275 389 410 и 415 434
3 177 293 282 287 317 и 322 324
4 225 189 192 331 334 и 340 344
5 487 470 473 480 495 и 519 522
Технология № 2
1 352 562 582 и 591 596
2 834 856 918 834 856 924 и 926 930
3 311 398 420 440 449
4 59 108 167 189 и 193 196
5 377 394 404 426 428
6 177 246 170 219 309 316
7 215 266 297 222 255 301 317
8 293 357 381 384 и 388 401
9 110 110 113 171 171 и 175 187
10 24 156 40 173 и 176 178
Технология № 3
1 50 66 70 72
2 693 758 845 721 852 и 855 862
3 72
4 233 175 230 1300
5 290 310 329 248 270 331 336
6 410 523 1336
7 412 334 357 472 479 и 486 488
8 185 115 125 205 209 и 218 220
9 288 308 335 212 226 348 и 355 357
10 58 190 197 и 210 218
Технология № 4
1 146 165 100 111 177 182
2 447 529 626 634 637
3 447 537 548
4 337 413 302 307 414 422
5 97 231 313 323 и 330 341
Уширители № 1 обладают более низкой долговечностью, чем уширители № 2, однако диапазон изменения долговечности уширителей № 2 включает в себя диапазон уширителей № 1. Кроме того количество образцов уширителей № 1 недостаточно для корректной оценки его долговечности. Долговечность уширителей № 3 и № 4 примерно одинакова. Долговечность уширителей № 2 несколько ниже долговечности уширителей № 3 и № 4, однако глубина проплавления в месте зарождения усталостной трещины в сварном шве упор-скоба уширителей № 2, в основном, не превышает 3 мм, а уш и р и тел е й № 3 и № 4 сост а в л я е_т б о_л е е 3 м м .
Таким образом полученные результаты сравнительных усталостных испытаний уширителей не дают явных преимуществ ни одной из рассмотренных технологий их изготовления.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ УШИРИТЕЛЯ
На основании анализа мест и причин усталостных разрушений уширителей можно дать следующие основные рекомендации по повышению их циклической работоспособности.
П о л у ч и т ь п ол н о е п р о п л а в л е н и е к о р н я шва
соединения упор-скоба с использованием односторонней разделки по скобе под углом 50о . Наложение первого слоя шва в разделку сварного соединения предлагается осуществлять арногоду-говой сваркой на весу. В крайнем случае, для этой цели модно применить ручную дуговую сварку с обратным формированием шва на флюсовой подушке и пониженном режиме сварки. Ожидаемое повышение работоспособности примерно на 50-100%.
Целесообразно применить аргонодуговую обработку (переплав границ сплавления сварных швов) неплавящимся электродом, так как именно там возникают усталостные трещины. Эта операция способствует улучшению свойств металла, из-за снижения его неоднородности, в прилегающей к границе сплаления области, снижению концентрации напряжений (переход от сварного шва к основному металлу получается плавным) и остаточных сварочных напряжений (за счет термообработки основного шва аргонодуговой сваркой). Это может повысить предел выносливости конструкции на 20-30% и долговечность в несколько раз.
Процесс сварки соединений упор-скоба и упор-уширитель предлагается вести от середины к краям, что обеспечивает для соединения упор-скоба циклическую нагруженность середины стыкового шва в 2 раза меньше, чем у его краев.
Предлагается последним накладывать сварной шов на соединение скоба-уширитель со стороны выпуклой поверхности уширителя. В процессе нормальной эксплуатации уширителей такой шов подвергается сжатию, а остальные - сварочным напряжениям растяжения. Данное обстоятельство может привести к снижению циклической на-груженности соединения.
В условиях недостаточной податливости конструкции уширителя, для снижения неблагопроят-ных остаточных сварочных напряжений в сварных соединениях можно рекомендовать точечный нагрев деталей у конца сварных швов (на расстоянии 5-10 мм от края).
Список литературы
1 Отчёт о научно-исследовательской работе по договору № 5500 от 11.09.2000 г. Сравнительные испытания уширителей гусеницы ТМ-1 на усталостную прочность. Курган, 2001. 33 с.
2 Аснис А. Е., Иващенко Г. А. Повышение прочности сварных конструкций. Киев : Наук думка. 1978. 193 с.
УДК 631.3.004.67:620.179.18
С.Г. Тютрин, Л.Н. Сабуркин
Курганский государственный университет
РЕМОНТ ШАТУНА КОСИЛКИ КС-2,1 ПО РЕЗУЛЬТАТАМ КОНТРОЛЯ УСТАЛОСТНЫМИ ДАТЧИКАМИ
Аннотация. Описана технология повышения прочности шатуна косилки КС-2,1 при ремонте. Приведены результаты экспериментального определения опасных участков детали с помощью оловянной фольги. Построены вероятностные кривые усталости детали в базовом и отремонтированном вариантах. Работа нацелена на повышение надёжности косилок КС-2,1 при эксплуатации.
Ключевые слова: ремонт, надёжность, долговечность, усталостный датчик, косилка.
S.G. Tyutrin, L.N. Saburkin Kurgan State University
REPAIR OF CONNECTING ROD
OF THE MOWER
«KC - 2,1» ACCORDING TO
FATIGUE GAUGES CONTROL
RESULTS
Annotation. The article describes the technology of «КС-2,1» mower connecting rod strength increasingafterrepair. The results of anexperimental search of dangerous zones through the use oftin foil are represented. Probabilistic fatigue curves of detail in the basic and reconditioned options are built. The paper aimed to reliability growth of mower «КС-2,1» during exploitation.
Keywords: repair, reliability, durability, fatigue gauge, mower.
ВВЕДЕНИЕ
В приводе ножа косилки КС-2,1 используется клиноремённая передача, а для предотвращения разрушения деталей косилки при кратковременных перегрузках клиновые ремни не должны быть «туго натянуты» [1]. Но слабое натяжение ремней влечёт за собой заметное снижение производительности косилки и рентабельности производства. Повышение производительности косилки за счёт увеличения частоты работы режущего аппарата и снижения скольжения в ремённой передаче путём усиления её натяжения приводит к поломкам шатуна косилки. В процессе эксплуатации излом (рисунок 1) шатуна происходит через каждые 2...3 недели работы косилки, что при частоте 1200 об/мин составляет несколько миллионов циклов н а груже н и я .
