CC BY
48
УДК 630*:65.011.54
ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ РАМЫ ЛЕСОТРАНСПОРТНОЙ МАШИНЫ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ АМПЛИТУДНО - ЧАСТОТНЫХ НАГРУЗОК
Д.А. Черкасов
В данной статье рассматривается расчёт модели воздействия амплитудно-частотных нагрузок на раму лесотранспортного автомобиля, а также влияние различных факторов на появление усталостных трещин в элементах конструкции рамы. Определение зависимости появления усталостных трещин от нагрузочных режимов амплитудно-частотных нагрузок рамы, математическое описание факторов вибрации, влияющих на раму лесотранспортного автомобиля
Ключевые слова: рама, амплитудно-частотная нагрузка
При перемещении рамы в поперечной плоскости наиболее выгодный анализ пространственного перемещения рамы предложенный [2]. Рассматривается при принятии допущения о сложении относительного перемещения рамы (по отношению к осям колес) и перекосного перемещения осей колей по отношению к земле.
За центры поворота колесных осей принимаются пересечение линий,
соединяющей точки контакта шин с опорной поверхностью и продольной плоскостью симметрии автомобиля [4] - точки Оп и Оз на рисунке 1.
Кроме этого принимается допущение, что центры поворота сечений рамы относительно осей мостов не совпадают с ее плоскостью точки Оп1 и Оз1 на рис. 1, а продольной осью закручивания рамы является прямая Оп1 Оз1.
Черкасов Денис Анатольевич - ВГЛТА, ассистент, тел. 8908-135-66-47
Если возникает неровность при движении лесной машины, то угол перекоса рамы для общего случая можно выразить как:
а = а1 + а2 = у^ + у2/В2 (1)
Точки О'п и О'3 являются центрами
поворота осей колес на углы:
ао1 = а1 — 25вШ1/Ва (2)
ао2 = а2 — 25вш2/В2 (3)
где 5вш1, 5вш2 — вертикальные деформации передних и задних шин, соответственно.
Соответственно, поворот вокруг своих центров О'п1 и О'31 в плоскостях передней и задней осей произойдет на углы ар1 и ар2:
аР1 = ао1 — 25вд1/Ь1 (4)
аР2 = ао2 — 25вд2/Ь2 (5)
Как указано на рисунке 1, при заданных параметрах рама закрутится на угол:
ф = аР1 — аР2 (6)
Угол закручивания рамы будет полностью определять ее нагруженность от кручения:
Ф = а - 25 ші
25
ш 2
25
пі
25
п2
В -
Ьі
(7)
Ь2
В случае перемещения рамы в продольной плоскости за счет поворота вокруг центров О'п и Оз1 центры закручивания рамы Оп1 и Оз1 переместятся в горизонтальном направлении хо: хо = Н1ао (8)
хо2 = Н2ао2 (9)
Сечения рамы над осями за счет поворота вокруг своих центров О'п и О'з переместятся в горизонтальном направлении на величину хр:
хР1 = Ь1аР1 (10)
хР2 = Ь2ар2. (11)
Перемещение 5гр, вызывающее в раме деформации изгиба в горизонтальной плоскости, можно определить по величинам относительных перемещений переднего и заднего сечения рамы:
5гр = хР1 — хР2. (12)
Как указано в работе [4], величина 5гр позволяет оценить качественную сторону нагруженности рамы в горизонтальной плоскости. Однако, определенная таким способом она может приводить к завышенным значениям деформаций и напряжений, так как деформация рамы в горизонтальной плоскости зависит не только от перемещений переднего и заднего сечения рамы, а и от таких факторов, как величина зазоров и люфтов, кинематика подвески, деформации шин и рессор, о чем дает представление рисунке 2.
А = (- Ф
180°
2nR + 5'р) • G1 , Нсм
(15)
Рис.2. Перемещения рамы в плане при перекосе автомобиля.
Зная перемещения рамы и нагрузку, воздействующую на нее, можно определить работу деформирования, а, следовательно, и амплитудную нагрузку по следующим формулам.
Работа при кручении рамы будет определяться исходя из того, что нагрузка воздействует по окружности:
А = ф • 2пЯ • О, Нсм (13)
180 0
где А — работа деформирования, Н-см;
ф — угол закручивания рамы, град;
Я — радиус закручивания рамы, см;
О — сила тяжести, воздействующая на раму, Н.
В случае горизонтального перемещения работа будет определяться:
А = 5'рО Н-см (14)
где А — работа деформирования, Н-см;
О — сила тяжести, Н.
Для упрощения расчетов целесообразно пользоваться суммарным воздействием нагрузок:
Зависимость, определяющая прочность материала при влиянии внешних нагрузок будет иметь вид:
с = cmt + аа8т(2лй), МПа (16)
где с - внутреннее напряжение, МПа; ст - скорость возрастания средней нагрузки, МПа/с;
са - амплитудная нагрузка (деформация), МПа;
f - частота, Гц;
t - время воздействия вибрации, с.
Переходная формула, определяющая
влияние амплитудной нагрузки на внутренние
напряжения [3]:
£g A = a + bcm - сса (17)
где А - работа деформирования, Н-см;
коэффициенты а, b и с соответственно равны
1,927, 0,349 и 0,152.
1,927 + 0,349сm - 1gA ,10Ч
са = ----------------m----—, МПа (18)
0,152
Зная работу деформирования, по формуле (1.21) можно вычислить значения внутренних напряжений рамы:
О amt
f 1,927 + 0,349am _ ^Ас
0,152
ч ' /
*8Іп(2лй), МПа (19)
Влияние вертикальных и
горизонтальных перемещений можно принять как амплитудную нагрузку, а влияние ее будет производиться на участки, на которые воздействуют вертикальные, либо горизонтальные перемещения.
Интенсивность воздействия нагрузок на раму лесоперевозочной машины отображается на рисунках 3 и 4. В данном случае опасным частотным участком является промежуток
80...100 Гц. Максимальная амплитуда графика в данном промежутке наблюдается при 100 Гц. В дальнейшем, при частоте более 100 Гц, на интервале в 50 Гц возникает не более пяти колебаний, и максимальная амплитуда графика остается прежней.
Так на рис. 3 и 4 показаны зависимости внутренних напряжений рамы от частоты в течение часа при внешней нагрузке са = 30 МПа. Например при скорости возрастания нагрузки 0,03 МПа/с начальная нагрузка составляет 105 МПа, а опасный резонансный скачок 20 МПа. Такой же скачок
*
наблюдается и на рис. 4, на скорость
нагрузки 0,05 МПа/с и начальная нагрузка на графике 175 МПа.
При получении графиков внутренних напряжений с подстановкой других параметров можно определить, что наиболее интенсивный износ происходит при скоростном режиме
70...80 км/час при полной загрузке лесотранспортного автомобиля. Указанное обстоятельство свидетельствует о наступлении наиболее неблагоприятного нагрузочного режима.
_дф_
МПа
115
105
95
85
Рис. 3. Зависимость внутренних напряжений рамы от частоты в течение часа (ста = 30 МПа; стш = 0,03 МПа/с)
МПа 185
175
165
155
Рис. 4. Зависимость внутренних напряжений рамы от частоты в течение часа (ста = 30 МПа; стш = 0,05 МПа/с)
Влиянию вибрации в раме лесоперевозочного автопоезда наиболее подвержены места крепления кронштейнов опоры рессор, так как кронштейна опоры воспринимает все колебательные нагрузки от рессор. На рис. 5 и 6 изображена верхняя и боковая часть кронштейна опоры после пробега 300 тыс. км. Трещины в верхней части кронштейна (рис. 3.39) достигают 20 мм длиной и 1 мм шириной. В боковой части трещины достигают 10 мм длиной и 0,5 мм шириной. Объясняется это тем, что нагрузка направлена вертикально большей частью и наносит усталостные трещины в области вокруг кронштейна. На участке отдаленном от кронштейна трещины достигают 5. 7 мм длиной и 0,2 мм шириной. Сам кронштейн также подвержен усталостному износу и на нем образуются трещины до 10 см длиной и 0,2 см шириной. На 1 см2 кронштейна образовалось до 10 трещин.
Рис. 5. Верхняя часть кронштейна опоры рессор (2-х кратное увеличение)
Рис. 6. Боковая часть кронштейна опоры рессор (2-х кратное увеличение)
В работе Эйдельмана А. Л. [4] было отмечено, что рама несет вертикальную нагрузку в не меньшей степени, чем горизонтальную, и большую ее часть
воспринимают заклепки крепления поперечин и лонжеронам. На рис. 7 показана заклепка при увеличении, подтверждающая эти
исследования. На самой заклепке около ее края проходит трещина вдоль самой окружности.
Рис. 7. Край заклепки при 4-х кратном
увеличении
Также рядом с заклепкой трещины располагаются в основном вдоль ее окружности, что указывает на нагрузку, направленную на излом. Трещины на заклепке достигают 5 мм длиной и 0,5 мм шириной, рядом с заклепкой трещины значительно меньше. А трещины исходящие от заклепки по размерам не отличаются от трещин на соседних участках.
Литература
1. Баловнев, Г. Г. Выносливость сталей для рамных сварных конструкций; и связь ее со статическими характеристиками. Труды Всесоюзного научно-технического совещания “Новые материалы, примеряемые в отечественном и зарубежном машиностроении”. - М.: НАМИ, 1973. - 47 с.
2. Бочаров, Н. Ф. Расчеты автомобильных рам на прочность : сб. “Автомобили” - М.: Машгиз, 1965. - 232 с.
3. Кузменко, А. В. Усталостная прочность материалов и элементов конструкции при звуковых и ультразвуковых частотах нагружения Киев: Изд-во Наукова Думка, 1977. 250 с.
4. Эйдельман, А. Л. Исследование нагруженности и сопротивляемости разрушению автомобильных рам в стендовых условиях : дисс. канд. техн. наук , 1975. - 210 с.
Воронежская государственная лесотехническая академия RELIABILITY MARK OF SUBFRAME BY WOOD-TRANSPORTING TRUCK WITH TAKING INTO ACCOUNT AMPLITUDE-FREQUENCY LOADING INFLUENCE D.A. Tcherkasov
This article is devoted calculation amplitude-frequency loading coercion model of the truck subframe, so different factors influence for appearance fatigue cracks in their elements. Attributing of depending fatigue cracks cause loading factors and vibration influenceby wood-transporting truck. Study mathematics description of loading subframe factors by wood-transporting truck
Key words: subframe, amplitude-frequency loading
