Методическое обеспечение стендовых испытаний на усталость узлов рамных металлоконструкций мобильных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Рассоха В.И.

МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТЬ УЗЛОВ РАМНЫХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ МОБИЛЬНЫХ МАШИН

Разработана схема нагружения для испытаний на усталость узла соединения участка лонжерона и участка поперечины сварной рамы транспортного средства. Выводятся выражения для определения размеров элементов узла и параметров силонагружателя испытательной установки, обеспечивающих подобие параметров процесса усталостного разрушения эксплуатационным.

Стендовые испытания на усталостную долговечность узлов рам мобильных машин в подавляющем большинстве случаев проводят при однокомпонентном нагружении - кручении поперечины знакопеременным моментом при жестком закреплении лонжерона. Реализация таких испытаний существенно искажает картину нагружен-ности узла в эксплуатации, включающую, кроме кручения поперечины, изгиб в двух плоскостях и растяжение-сжатие лонжеронов, и приводит к получению некорректных результатов.

Во многом удавшейся попыткой приближения стендового нагружения к эксплуатационному является реализация кручения поперечины и изгибов лонжерона в вертикальной и (от депланации концевых сечений поперечины) горизонтальной плоскостях на стенде, описанном в работе [I]. Однако и в этом случае не удается получить нагружения, адекватного эксплуатационному по компонентному составу, что объясняется отсутствием изгиба поперечины и невозможностью ее деплана-цией получить горизонтальный изгиб лонжерона достаточно большой величины.

С целью устранения указанных недостатков разработана схема нагружения* узлов, образованных участком лонжерона и участком поперечины, реализующая основные компоненты эксплуатационной нагруженности (рис. I).

Нагружение испытуемого узла осуществляется силой Р через рычаг длиной V под углом ф к оси поперечины, благодаря чему возникает крутящий момент на поперечине и две составляющие нагружающей силы - горизонтальная, параллельная оси поперечины, и вертикальная, перпендикулярная ей. Кроме того, закрепление участка лонжерона, разнесенное по длине V , обеспечивает возможность его вертикального и горизонтального изгиба в пролете между точками закрепления. При этом горизонтальный изгиб лонжерона создается

горизонтальной составляющей нагружающей силы, вертикальный изгиб - ее вертикальной составляющей, а стесненное кручение - совместным действием сосредоточенных крутящих моментов, образованных обеими составляющими нагружающей силы, линии действия которых проходят в общем случае не через линию центров изгиба профиля лонжерона. В предлагаемой схеме остаются нереализованными напряжения растяжения -сжатия лонжерона, однако данные работы [2] и исследования автора показывают, что их величина в рамах машин, эксплуатируемых без прицепов, незначительна.

4 3

испытаниях на усталость

Стендовые испытания на усталость должны вызывать разрушения рамы в качественном и количественном соответствии с эксплуатационными. Это обеспечивается на этапе подготовки расчетом и реализацией соответствующих параметров силонагружателя стенда и размеров испытуемых узлов.

Изложенная в работе [3] методика, а также результаты расчета узла сварной рамы трактор-

*Схема разработана совместно с доктором технических наук, профессором К.В. Шуриным.

ного прицепа хорошо согласуются с экспериментальными. Полученные соотношения справедливы для случая симметричного закрепления элементов, когда центр изгиба и центр тяжести концевого сечения поперечины лежат в одной горизонтальной плоскости с центром изгиба лонжерона.

Однако в рамах и других несущих системах мобильных машин, например, надрам-никах самосвалов, вертикальные эксцентриситеты осей центров тяжести (изгиба) поперечин относительно соответствующей оси лонжерона могут достигать в некоторых случаях 180 мм. При этом продольная сила и горизонтальный изгибающий момент поперечины создают дополнительное закручивание лонжерона. В настоящей работе рассмотрим именно такой - наиболее общий - случай крепления поперечины.

Исходной зависимостью для расчета является четырехзвенная формула для нормальных напряжений, предложенная В.З. Власовым [4]:

где а - нормальные напряжения в

произвольной точке несущей системы, являющиеся функцией четырех переменных - напряжений от изгиба в вертикальной а и горизонтальной аг плоскостях, стесненного кручения <7^ и растяжения-сжатия а ;

N Мх, Ми В - соответственно продольная сила, изгибающие моменты в двух плоскостях и бимомент;

xm,ym, - декартовы и секториальная

координаты точек действия приведенных напряжений.

Составляющие нормальных напряжений, вызванные вертикальным и горизонтальным изгибами лонжерона, определяются из выражения (I) как

<7„. a MY IL a PLY 14 L

<r a - my I / a - QLXI# Iv

У У <- -l У

где Р и Рг - соответственно вертикальная и горизонтальная составляющие нагружающей силы;

Ь - длина лонжерона между точками закрепления.

Тогда угол Ф который образует сила нагружающего воздействия с плоскостью, перпенди-

кулярной оси поперечины

Ф = аг^(Рг / Рв) = аг^( ъг11/ / <Уа11хХ)

В (2) геометрические характеристики профилей подставляются из сортамента, а значения составляющих нормальных напряжений а6„, и аг., - по результатам тензомет-рирования лонжерона натурной рамы. В каждом сечении лонжерона устанавливаются шесть датчиков, причем на краях полок по два: один - на верхнем, а другой - на нижнем волокнах. Такая схема (рис. 2) позволяет исключить влияние местного изгиба полки, достигающего в узлах рамы значительной величины. В расчетах учитываются средние значения напряжений на краю полки, например а = 0,5(СУ]6 + <з1м) .

Рис. 2. Схема размещения тензодатчиков по сечению лонжерона

Величины составляющих напряжений по результатам показаний тензодатчиков подсчитываются по формулам, приведенным в работе [5]:

a

а2-аз Р(аі-а4)

2(l + R)

2(l с —)

(3)

(4)

где <3f - значения напряжений в характерных точках сечения;

Р =

Ь -

Ь - ширина полки лонжерона;

- расстояние центра тяжести сечения от средней линии стенки;

duз - расстояние центра изгиба сечения от средней линии стенки.

Для дальнейшего расчета необходимо задаться длиной участка лонжерона Ьл между точками его закрепления. На практике эта величина определяется конструктивными особенностями испытательной установки.

Тогда максимальное значение нагружающей силы

Р =

4а Т,

(5)

Солчр Ь ус ОБ ф

Стесненное кручение лонжерона вызывается двумя бимоментами, возникновение которых определяется действием внешних сосредоточенных крутящих моментов, образованных соответственно:

- вертикальной составляющей нагружаЮщей силы Р , приложенной на расстоянии \1.'+а:,х) от линии центров изгиба профиля лонжерона;

- горизонтальной составляющей нагружающей силы Р,, приложенной с эксцентриситетом е относительно центра изгиба профиля лонжерона.

Лонжерон представляет собой тонкостенный стержень открытого профиля, имеющий на концах комбинированное закрепление, при котором опорное сечение не имеет угла закручивания (закреплено от поворота относительно оси z) и свободно может депланиро-вать из своей плоскости (по сечению отсутствуют секториальные продольные силы). Такое закрепление соответствует представлениям о шарнире для бимомента.

Граничные условия для поперечных сечений в плоскостях закрепления лонжерона имеют вид:

при z а О 0 а О, 7 а О';

при z а I 0 = О, В а О,

где 0 - угол закручивания, В- бимомент.

Для тонкостенного стержня открытого профиля с шарнирным закреплением на концах при действии на него в сечении z = ^ внешнего сосредоточенного крутящего момента Н = Р е (рис. 3), бимомент [4]

Р I ьЩ X /1)1 _ X .

В(") а Ре--------- ")

X ьЦХ) Г

где к - безразмерное характеристическое число, зависящее от отношения жесткости при чистом кручении

в свете теории Сен-Венана к ториальной жесткости, сящейся к стесненному кручению:

с е к -отно-

* а

ЕІ.

Для лонжерона в рассматриваемом случае (рис. 4, а) бимомент, вызываемый действием крутящего момента Н1 = Рв\Ь+а:,х), определяется выражением

к, иЦк,) ’

а бимомент, вызываемый действием крутящего момента Н2 =Рге- выражением:

Х: яИ^Х^) ’

где характеристическое число для лонжерона

X, = I

ег:

Крутящий момент Н1 отрицателен, так как он направлен против движения часовой стрелки со стороны значений 7 ^ > 0. Крутя-

щий момент Н2 при положительном эксцентриситете закрепления поперечины на лонжероне (рис.4, а), также отрицателен. Суммарный бимомент от их действия в соответствии с законом независимости действия сил

в/2) =в1(2) +в2(2) = 4рв(Ь„ +<; +Рге

ья зк*(кя/2) К

(6)

Рис. 3. Расчетная схема нагружения тонкостенного стержня силой, не проходящей через линию центров изгиба

Рис. 4. Расчетные схемы нагружения элементов узла рамы:

а) лонжерон; б) поперечина

Подставив (6) в формулу составляющей нормальных напряжений, вызванной стесненным кручением лонжерона

В/г)

— (7)

СУт„ =■

после некоторых преобразований получим выражение для определения длины поперечины узла

ас,ЛА,^.,>

- + etg Ф+ ах

(8)

определяемая в соответствии с гипотезой плоских нормалей [6] как со = + Ъпа

где ш0 - секториальная координата точки, лежащей на средней линии и на одной нормали с точкой, в которой определяются напряжения;

8 - расстояние по нормали между названными точками;

па - - расстояние от центра изгиба до нормали, проведенной через названные точки.

Стесненное кручение поперечины вызывается внешним сосредоточенным крутящим моментом, образованным вертикальной составляющей нагружающей силы Р, приложенной на расстоянии Ьр от линии центров изгиба профиля поперечины.

Поперечина узла представляет собой тонкостенный стержень, один конец которого жестко заделан (соединение с лонжероном), а к другому прикладывается нагрузка. Закрепление поперечины обеспечивает однородные граничные условия ее концевого сечения в соединении: препятствует поворотам сечения относительно стенки лонжерона (отсутствие угла закручивания 0) и его депланации (отсутствие 0 ’). Это чисто кинематические граничные условия

0 = 0, 0 ’ = 0 прыи z = О,

которые непосредственно определяют начальные параметры 0О а 0 и 0’О=О.

На свободном конце стержня отсутствуют статические факторы - продольная сек-ториальная сила и общий крутящий момент, следовательно, имеем чисто статические условия В = О, Н = О при z = I.

Составляя при помощи таблицы, приведенной в работе [4], выражения Н(1) и В(1) и приравнивая их нулю, получим систему уравнений, решение которой дает выражения для оставшихся начальных параметров Н0 и В0:

Н=Ре,

Р(1;А2(*,/2) ©

Величина составляющей нормальных напряжений, вызванной стесненным кручением лонжерона, подставляется в (8) по результатам тензометрирования лонжерона натурной рамы и подсчета по формуле [5]

_ аі +®з-®2 -®4 0X1 2(1 + $) ’

составляющие которой расшифрованы в комментарии к (3) и (4).

В (7) и всех последующих выражениях под а понимается полная секториальная координата, учитывающая депланацию сечения относительно контура средней линии и

й =Ре

I 8Ь(к/1)(1 - і) - БЦк)

к сЬ(к) '

Бимомент для общего случая тонкостенного стержня с одним заделанным и другим свободным концом при действии на него в сечении z = сосредоточенной поперечной силы Р, отстоящей от центра изгиба на расстояние е:

В( г) = В ск—г + Н —Бк—г ° / °к I

Для поперечины в рассматриваемом случае (рис. 4, б) это выражение принимает вид

* Ь

7,,(") = 70ск^Ь{, + Н

где 1Н - расстояние от заделки для бимомента (соединение поперечины с лонжероном) до точки на поперечине, в которой определяются напряжения при тензометрировании; характеристическое число для поперечины

Выражения для начальных параметров в рассматриваемом случае

на=-РвьР

В0=РвЬр^-1Ь(кИ)

^/I

где длина рычага приложения нагрузки

от центра изгиба профиля поперечины. Подставив их в (9) получим

Ь к к

В „(г) =РвЬр -^ЬИ(ск-^1Ь(к„)

Л // п п

откуда после подстановки в (6) и преобразований длина рычага приложения к узлу нагрузки определяется как

Значение составляющей нормальных напряжений сгш, подставляется по результатам тензометрирования поперечины натурной рамы и расчета, к примеру, для коробчатого сечения - по формуле

= ^ ^ где В и Т - соответственно ширина и высота профиля поперечины.

Таким образом, для реализации в условиях стендовых испытаний нагружения, адекватного эксплуатационному, для узла, имеющего заданный пролет лонжерона между точками закрепления Ьл и длину поперечины Ь , определяемую из выражения (8), необходимо обеспечить следующие параметры си-лонагружателя: силу максимального нагружающего воздействия на узел Р, угол ф между линией действия этой силы и плоскостью, перпендикулярной оси поперечины, и длину рычага Ь приложения нагрузки, определяемые соответственно по формулам (5), (2) и (10).

Список использованной литературы

1. Расчетно-экспериментальная оценка долговечности несущих систем / В.И. Миркитанов и др. II Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1988. №7. С. 44-45.

2. Миркитанов В.И., Щурин К.В. Повышение долговечности рам тракторных полуприцепов // Тракторы и сельхозмашины. 1987. № 5. С. 37-39.

3. Щурин К.В., Рассоха В.И., Филиппов В.Ю. Оценка параметров локальной модели и силонагружателя при стендовых испытаниях рам транспортных средств на усталость// Известия ВУЗов. Машиностроение. 1992. №1-3. С. 79-84.

4. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни.- М.: Физматгиз, 1959.- 568с.

5. Закс М.Н., Лельчук Л.М. Особенности кручения автомобильной рамы при смещении оси вращения из ее плоскости // Автомобильная промышленность. 1965. № 5. С. 33-35.

6. Синяговский И.С., Трофимов Г.С. Тонкостенные гнутые профили в сельскохозяйственном машиностроении: Основы проектирования рациональных форм.- М.: Машгиз, 1963.- 200 с.

Статья поступила в редакцию 20.07.99.