CC BY
8
IV ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621.185.532
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ОСНАСТКИ ЛЕСОВОЗНОГО
ТРАНСПОРТА
PROSPECTS OF USING HIGH-FREQUENCY LOADINGS IN THE STUDY OF STRENGTH OF WELDED JOINTS OF THE SUPPORTING STRUCTURE OF
THE TRAILER OF TIMBER TRUCK
Блохин А.В., Лось А.М., Сурус А.И., Ярмолик С.В.
(Учреждение образования «Белорусский государственный технологический университет», г. Минск, Республика Беларусь) Blakhin A. V., Los A. M., Surus A., Yarmolik S. V. (Belarusian state technological
university, Minsk, The Republic of Belarus)
В работе описана конструкция прицепа сортиментовоза. Особенностью прицепа является несущая сварная рама. Рассмотрена возможность использовать высокочастотные испытания для исследования характеристик усталости сварных швов.
This paper describes the design of the trailer short. A special feature of the trailer is the load-bearing welded frame. The possibility of using high-frequency tests to study the fatigue characteristics of welds is considered.
Ключевые слова: сортиментовоз, несущая рама, сварной шов, образец для испытаний, предел выносливости
Keywords: timber truck, carrying frame, weld, the test specimen, the endurance limit
При заготовке лесоматериалов важную роль в технологическом процессе играют операции связанные с транспортировкой хлыстов и полуфабрикатов различной глубины переработки круглого леса к месту отгрузки заказчику или дальнейшей переработки. Следует отметить, что в формировании конечной стоимости продукции транспортные операции вносят существенный вклад. Для повышения эффективности и снижения себестоимости таких операций авторами была предложена конструкция прицепа сортиментовоза [1]. Предложенная конструкция позволяет за счет изменения ее конфигурации осуществлять транспортировку заготовленных на месте валки хлыстов или две (в перспективе - более) пачки сортиментов. Это достигается за счет использования в качестве несущего элемента пространственной сварной рамы 1 (рис. 1) с подвижными промежуточными кониками 2, которые могут оперативно устанавливаться в необходимом положении, а также может меняться их количество. Для снижения стоимости изготовления несущей рамы было предложено использовать преимущественно сварные соединения [2]. Предварительная оценка возможности использования таких соединений бы-
ла дана на стадии проектирования методом конечных элементов [3-5]. В результате анализа построенных моделей были предложены элементы усиления наиболее нагруженных узлов и элементов конструкции, в результате чего авторы добились снижения действующих напряжений, а также концентрации напряжений в области сварных швов в 2-3 раза.
Рисунок 1 - Конструкция прицепа лесовоза-сортиментовоза: 1 - несущая рама, 2 - промежуточные коники, 3 - коник прицепа-роспуска
Работа большинства элементов несущей рамы прицепа связана с сочетанием статических, динамических и циклических нагрузок. Наиболее чувствительными к знакопеременным нагрузкам являются сварные соединения. В связи с этим представляется интересным разработка рекомендаций или технологий направленных на достижение более высокой долговечности таких соединений при использовании минимального числа дополнительных элементов, что связано со значительными материальными затратами на проведение большого объема усталостных испытаний.
Снижения трудоемкости усталостных испытаний можно достичь путем повышения частоты испытаний. При высокочастотном нагружении кон-сольно закрепленного образца использование резонансного режима работы установок способствует достижению повреждающих циклических напряжений в материале при минимальных энергетических затратах. Возможность использования ускоренных усталостных испытаний металлических материалов за счет повышения частоты нагружения показана в [6, 7].
Колеблющийся образец для испытаний представляет собой однородную консольно закрепленную балку, расчет которой можно проводить по технической теории стержней, причем дифференциальное уравнение движения упругой балки рассматривается без учета деформаций сдвига, вызванных действием поперечных сил и инерции вращения, что приводит к существенному его упрощению.
Напряжения в балке определяются по выражению:
а(х) = Ж0 ■ ^ ■ Г^1 (и(кх) + (кх)), ^ ^ к )
где Wo - прогиб образца для испытаний, р - плотность материала; h -толщина образца для испытаний; к - волновой коэффициент; в - коэффициент, зависящий от формы колебаний; и(х), У(х) - функции Крылова.
Из выражения видно, что максимальная величина напряжений достигает в заделке, т.е. там, где действуют такие трудно поддающиеся учету факторы, как эффекты от зажима, контактная коррозия и т.д. Поэтому для смещения места усталостного разрушения от заделки используются образцы с увеличенной площадью в месте крепления. Образцы, колеблющиеся по второй форме, имеют второй максимум напряжений, расположенный ближе к середине рабочей части, где и происходит усталостное разрушение. Необходимо учитывать, что на достоверность результатов усталостных испытаний образцов с фрагментом сварного шва на высоких частотах существенное влияние могут оказывать отличие физико-механических характеристик материала образца и шва (модуль упругости, плотность), а также различные дефекты сварки. С целью установления степени влияния сварного шва выполненного в поперечном направлении на плоском балочном образце на точность определения характеристик усталости была дана оценка неопределенности предела выносливости эмпирическим методом [8].
Нагружение образцов знакопеременным изгибом производилось с помощью специально разработанного магнитострикционного (18 кГц) резонансного стенда [9].
Образцы представляли собой консольные балочки из стали 20 толщиной h=2 мм со сварным швом, выполненным в зоне одного из максимумов напряжений. Для испытаний было подготовлено три партии образцов:
- со стыковым швом без дополнительной обработки зоны шва,
- со стыковым швом с обработкой зоны шва (удаление следов окалины, шлифование зоны шва с целью получения одинаковой толщины образца по всей его длине);
- с угловым швом с обработкой зоны шва.
Оценка неопределенности характеристик усталости полученных по результатам высокочастотных испытаний давалась в соответствии с [8, 10].
В результате было установлено, что для стыковых швов неопределенность результатов испытаний составляла 12-18%, а максимальное значения неопределенности предела выносливости получалось при испытании образцов с угловым швом - 45-65%, что было вызвано значительным разбросом результатов испытаний. Такой результат является вполне закономерным, т. к. отдельные элементы образца соединялись внахлест, что вместе со сварным швом вызывали дополнительные инерционные силы в узле колебаний.
Таким образом, было установлено, что использовать высокочастотное нагружение для исследования характеристик усталости образцов с угловыми швами не целесообразно, т.к. неопределенность полученных результатов сопоставима с самими результатами. В случае со стыковыми швами, оценка неопределенности результатов испытаний позволяет сделать вывод, что ме-
тоды высокочастотного нагружения применимы для выявления факторов влияющих на усталостную долговечность таких швов.
Список использованных источников
1. Вырко Н. П. Транспортное средство для вывозки заготовленных сортиментов. Пат. 9830 Респ. Беларусь, МПК (2006) В 60Р 3/40 ; заявитель УО «Бел. гос. технол. ун-т». - № а 20050339; заявл. 04.05.05.
2. Повышение эффективности проектирования оснастки лесовозного транспорта /
A. М .Лось [и др.] // Актуальные проблемы лесного комплекса : сборник научных трудов / под общ. ред. Е. А. Памфилова. Вып. 46. Брянск, 2016. С.142-144.
3. Лось А.М. Повышение надежности и долговечности сварных соединений элементов несущей рамы проектируемого сортиментовоза // Труды БГТУ. 2007. Сер. II Лесная и деревообраб. пром-сть. С.271-274.
4. Лось А. М. Напряженно-деформированное состояние элементов несущей рамы проектируемого сортиментовоза при дополнительном воздействии боковых внешних сил // Труды БГТУ. 2011. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С.72-74.
5. Лось А.М. Расчет параметров кониковых устройств проектируемого сортименто-воза / А. М. Лось, А. В. Блохин // Труды БГТУ. 2013. № 2: Лесная и деревообраб. пром-сть. С. 61-62.
6. Влияние амплитудно-частотных параметров циклического нагружения на кинетику физико-механических характеристик конструкционных материалов / С.Е. Бельский [и др.] // Трибофатика: тр. IV междунар. симпозиума, Тернополь, 23-27 сент. 2002 г.: в 2 т. / Тернополь. гос. техн. ун-т им. Ивана Пулюя; редкол.: В.Т. Трощенко [и др.]. Тернополь, 2002. Т. 1. С.407-410.
7. Довгялло И.Г. Разработка метода ускоренного определения характеристик усталости металлов и сплавов и его физическое обоснование / И.Г. Довгялло, С.Е. Бельский, Ф.Ф. Царук // Труды БГТУ, вып. II, Мн., 1994. С.80-85.
8. Качур С.А. Альтернативные подходы по оцениванию неопределенности измерения (на основании технического отчета EUROLAB, №1/2007) / С.А. Качур. Минск: Белорусский государственный институт метрологии, 2011. 70 с.
9. Блохин А.В. Развитие комплекса оборудования для усталостных испытаний конструкционных материалов // Труды БГТУ. Сер. II, Лесная и деревообраб. пром-сть. 2004. Вып. XII. С. 263-266.
10. Блохин А. В. Оценка неопределенности характеристик усталости алюминиевых сплавов из вторичного сырья по результатам высокочастотных испытаний / А. В. Блохин,
B. А. Симанович, А. И. Сурус, А. М. Лось // Вестник Белорусско-Российского университета. №1(58). Могилев, 2018. С.5-14.
