CC BY
61
на рис. 3. Эпюра построена в серединной плоскости нижней половина пластины. Совмещение линий максимумов главных напряжений с трещинами, возникшими при сжатии пластины мы установили, что трещина появилась только у правого конца выреза. Очевидно, это связано с неравномерным распределением пор в структуре материала модели пластины, а также с тем, что машина МР-0,5-1 не позволяет идеально нагрузить модель по центру. Однако расстояние между правой линией максимумов главных напряжений и образовавшейся трещиной не превышает 1 мм (рис. 4).
Теоретический коэффициент концентрации напряжений в исследуемом образце составляет 3,7 [4]. Для того, чтобы он стал равен единице, необходимо увеличить толщину образца у краев выреза и по направлению линий максимумов главных напряжений в 1,92 раза.
Выводы. Таким образом, разработана методика расчета напряжений в зонах с их высокой концентрацией. Знание теоретических траекторий развития трещин (или наибольших пластических деформаций) в зонах с резким нарушением геометрии дает возможность при проектировании новых деталей повысить их прочность, например, путем увеличения толщины или податливости пластины.
Литература.
1. Максимов Л.М., Максимов П.Л., Максимов Л.Л. Полезные реализованные изобретения по устройствам для уборки корнеклубнеплодов: (техн. решения, расчет, конструкции): Монография. - Ижевск: Изд-во «КнигоГрад», 2009. - 136 с.
2. Максимов Л.М., Максимов П.Л., Потапов М.А., Струнов А.К. Комбайн из копателя КСТ-1,4 // Сельский механизатор. -2013.-№ 3. - С. 10-13.
3. Особов В.И. Механическая технология кормов. - М.: Колос, 2009. - 344 с.
4. Дородов П.В., Кулагин А.В. Исследование напряжений в окрестности плоского горизонтального выреза//Инженерный вестник Дона [Электронный ресурс].-2012. - №2. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/
5. Демидов С.П. Теория упругости: Учебник для вузов. - М.: Высш. школа, 1979. - 432 с.
6. Степин П.А. Сопротивление материалов. - СПб.: Лань, 2012. - 320 с.
7. Тихомиров В.М., Суровин П.Г. Развитие усталостных трещин смешанного типа в образцах из стали // Прикладная механика и техническая физика. - 2004. - Т.2. - №2. - С. 135-142.
THE STUDY OF STRESS CONDITION IN A PLATE DEPRESSED BY STRESS CONCENTRATOR P.V. Dorodov, I.G. Pospelova
Summary. The research of stresses near horizontal cutout in structural components of agricultural machinery is submitted in the article. Despite resistance of the component to look simple there is a combined stress with high stress concentration factor in areas with broken shape, it causes crack initiation or permanent deformation that means loss of functionality of the whole component. Solution is demonstrated with an example of flat square plate with horizontal cutout in the middle, while compressive load acts on tips of the plate. Formulas for assessment of stresses were obtained as infinite trigonometric series. Static test was done. There represented a distribution diagram of main stresses to a hundredth approximation constructed by the Maple software package for a model of 50x44x6 plate with 5 mm long and 1 mm deep cutout. Superposition of maximum main stresses lines and cracks formed during destruction of alabaster plate model has shown that mathematical model sufficiently describes stressed state in areas with high stress concentration and can be applied while designing of critical units and parts of agricultural machinery complying dynamic and static strength requirements. Thus, for the given model, it is offered to increase its thickness on the lines of action of maximum shear deformation 1,92 times.
Keywords: horizontal cutout, propagation of cracking, strength, stress, Fourier series, stress concentrator.
Рис. 4. Совмещение трещин, полученных при сжатии образца с горизонтальным вырезом и линий максимумов главных напряжений.
Эх
Эпюра главных напряжений <з2 и ее линии максимумов для нижней половины полосы изображены
УДК 631.372.004.14
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГУСЕНИЧНОГО ТРАКТОРА ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЕМ ЗАДАННОГО РЕСУРСА ХОДОВОГО АППАРАТА
Е.И. БЕРДОВ, кандидат технических наук, доцент Резюме. Применение в сельском хозяйстве гусеничных ВА АЛЯБЬЕВ аспирант тракторов двойного назначения (ТДН) даёт возможность
■' б глл повысить эффективность и качество использования машины
Челяоинская ¡АА благодаря лучшим, в сравнении с колёсными аналогами,
E-mail: [email protected] тягово-сцепным, топливо-экономическим и экологическим
параметрам, а также обеспечению круглогодичной загрузки. Однако ресурс ходового аппарата (ХА) гусеничного трактора двойного назначения, определяющий ресурс машины в целом, в зависимости от условий эксплуатации, не превышает 2...4 тыс. ч (в то время как ресурс остальных узлов и деталей составляет 8.10 тыс. ч). Приемлемая эффективность использования МТА в составе гусеничного ТДН достигается при ресурсе ХА не менее 4 тыс. ч. С целью определения степени влияния вариантов агрегатирования, вида выполняемой технологической операции и других условий работы на темп износа ХА собрана и проанализирована репрезентативная выборка материалов по надежности узлов и элементов ХА ТДН при выполнении сельскохозяйственных и дорожностроительных технологических операций. Составлена матрица наиболее вероятных вариантов эксплуатационной загрузки МТА в течение календарного года для среднестатистического сельскохозяйственного предприятия УралоСибирской зоны. На основе разработанной математической модели работы тракторного агрегата и факторного анализа предложена методика расчета остаточного ресурса ХА трактора и получены соответствующие расчетные зависимости, подтверждённые экспериментальными данными. Методика позволяет выбрать оптимальный объём и вид работ, выполняемых МТА в составе гусеничного ТДН, обеспечивая, во-первых, высокую степень загрузки в течение всего календарного года (включая зимний период) и, во-вторых, необходимый ресурс ХА (не менее 4 тыс. час).
Ключевые слова: трактор двойного назначения, гусеничный движитель, матрица вариантов годовой загрузки, факторный анализ, математическая модель, остаточный ресурс ходового аппарата.
зоны составляет 40...65 календарных дн. в году). Загрузку трактора в этом случае можно расширить путем агрегатирования не только с сельскохозяйственными орудиями, но и с дорожно-строительным, в частности, бульдозерным оборудованием.
Увеличение степени загрузки трактора в течение года путем агрегатирования его дорожно-строительным оборудованием предполагает повышенные тяговосцепные свойства тракторного агрегата (ТА), которое обеспечивается ТДН с гусеничным движителем.
Преимущества тракторных агрегатов на гусеничном ходу, в сравнении с колесными, продиктованы следующими обстоятельствами. Большая площадь опорной части гусеничных лент обеспечивает лучшее сцепление с почвой, что позволяет повысить тяговый КПД трактора (в среднем на 15,4...18,2 %) и, следовательно, тяговое усилие и тяговую мощность. Кроме того, это дает возможность снизить удельное давление на почву (до 0,05 ... 0,07 МПа, против 0,16.0,18 МПа у колесных тракторов) и получить более равномерную эпюру нормальных давлений на опорную поверх-
Таблица. Матрица вариантов годовой эксплуатационной загрузки и значения средних ресурсов ХА тракторов
Рост напряженности эксплуатации тракторов, работающих в АПК страны, вызванный сложившимися за последние годы устойчивым снижением их общей численности и высокой степенью износа, диктует необходимость увеличения эффективности использования выпускаемой отечественными заводами тракторной техники.
Сложившаяся несбалансированность между численностью тракторного парка и объемами планируемых к выполнению работ, а также ограниченность финансовых возможностей в сельскохозяйственном секторе привели к тому, что с начала 90-х гг. наблюдается рост заинтересованности в приобретении универсальных машин вместо шлейфа узкоспециализированной техники. К числу таких машин относятся и тракторы двойного назначения (ТДН). Целесообразность их использования обусловлена сезонностью полевых работ (общая их продолжительность, например, для Урало-Сибирской
Вид ТА на базе ТДН Вид выполняемых работ Тип почвы Время года Продол- житель- ность, дн. Средний ресурс ХА тракторов. ч.
МТА Чизелевание Целина (земли, ко- Весна, < 125 1600
(с.-х.) (глубокое рыхле- торые не распахива- лето
ние почвы тяже- лись)
лым культивато- Залежь (пашня, Весна, < 125 1800
ром - чизелем) необрабатываемая лето
длительный период
времени)
Вспашка (ме- Пашня (поверхност- Весна < 35 2600
ханическая об- ный слой почвы, Осень < 65 2600
работка почвы систематически
отвальными плу- обрабатываемый
гами) сельскохозяй-
ственными орудиями)
Стерня (поверхност- Осень < 30 2700
ный слой почвы вме-
сте с нижней частью
стеблей зерновых
культур, оставшихся
на корню после убор-
ки урожая)
Боронование Пашня Весна < 30 2700
(неглубокое рых- ранняя
ление почвы и Весна < 30 2800
уход за сельско- (перед
хозяйственными посевом
растениями) зер-
новых)
Лето (по- < 30 2900
сле по-
сева зер-
новых)
БА Бульдози- Суглинки легкие и Лето < 95 1400
рование средние
(строительно- Суглинки тяжелые Лето < 95 1200
дорожные и Скала разборная Лето < 95 1000
ирригационные Грунт мерзлый Лето < 95 1200
работы,закры- Осень, < 215 1100
тие влаги) зима,
весна
Бульдозирова- Осень, < 150 4700
ние (прокладка зима,
и расчистка весна
дорог от снега,
различные вспо-
могательные
хозяйственные
работы и т.п.)
30(0.0
aun [,х 3500.0
в)
Рисунок. Зависимости изменения среднего остаточного ресурса ХА ТА во времени от видов выполняемых работ: а) пахота (весна, осень); б) бульдозерные работы, суглинки легкие и средние; в) различные вспомогательные хозяйственные работы.
ность. Указанные преимущества позволяют снизить уплотнение почвы, повысить урожайность, увеличить производительность труда, снизить расход топлива на единицу обрабатываемой площади, улучшить качество выполняемых технологических операций [1].
К недостаткам гусеничного трактора следует отнести в первую очередь сложность конструкции ходового аппарата (ХА) и, как следствие, относительно небольшой ресурс гусеничного движителя. По данным реальной эксплуатации гусеничных тракторов [2] на ходовую систему приходится до 43,0 % всех отказов. При этом в работах [3,4] показано, что эксплуатация гусеничного трактора в АПК экономически выгодна при ресурсе ХА более 4000 ч.
С учетом изложенного, цель наших исследований -обеспечение ресурса ходового аппарата ТДН не менее 4-х тыс. ч при условии высокой степени загрузки тракторного агрегата в течение календарного года (включая зимний период).
Условия, материалы и методы. Ресурс ХА ТА зависит от ряда факторов, для изучения влияния которых были обработаны с применением метода факторного анализа данные об эксплуатации гусеничных ТДН в различных природно-климатических и технологических условиях [5,6].
Наблюдения осуществляли за группой тракторов (32 шт.) класса 8/10 производства ЧТЗ, выполнявших различные сельскохозяйственные (вспашка, чизелевание, боронование) и дорожно-строительные (бульдозерные,транспортные,рыхлительные,погрузочные) работы в Челябинской, Курганской и Тюменской областях.
К числу факторов, в определяющей степени влияющих на ресурс ХА, относятся три основных - буксование, тяговое усилие и корректирование траектории движения трактора по опорной поверхности.
По результатам факторного анализа были сделаны следующие заключения:
вычисленные величины показателей достоверности указывают на существенную (неслучайную) зависимость между изучаемыми факторами (тяговое усилие, Р; буксование, Д; корректировка траектории движения трактора, К) и ресурсом ХА ТА;
весомость факторов Р, Д и К составила для ТА, занятых на сельскохозяйственных работах, соответственно 64,09, 28,72 и 7,18 %; на дорожно-строительных работах - 59,1, 32,69 и 8,2 %.
В зависимости от агрегатирования и геологических условий (типов почв и грунтов) эксплуатации была составлена таблица типовых работ ТА в АПК с указанием календарного времени проведения технологических операций и их продолжительности (см. табл.).
Для нахождения зависимости среднего остаточного ресурса от интересующих факторов (показателей надежности, вариантов агрегатирования и видов выполняемых работ) мы провели анализ информации об отказах, собранных с мест эксплуатации гусеничных ТДН (Т-130, Т-170, Т-170М.01, Т-170М.03, Т-170. М1-03.53, Т-170.М1-03.54, Т-4А, Т-4АП2, ДТ-75М, ДТ-75МП). Сбор, обработку и анализ информации о надежности тракторов и их составных частей выполняли в соответствии с утвержденными в тракторной отрасли методическими указаниями [7].
На основе выполненного анализа экспериментальных данных по надежности гусеничных ТДН были получены оценки средних ресурсов их ХА (см. табл.).
Результаты и обсуждение. На основании полученных результатов мы построили графики, иллюстрирующие зависимости изменения среднего остаточного ресурса ХА ТА во времени от видов выполняемых работ (см. рисунок). Их анализ показывает, что изменение остаточного ресурса для всех рассмотренных вариантов носит аналогичный характер - он уменьшается с увеличением наработки по степенной зависимости от исходного значения до предельного износа.
Для решения поставленной в работе задачи увеличения ресурса ХА трактора мы использовали математическое моделирование.
Ремонтопригодность, безотказность и долговечность, составляющие надежность ХА и трактора, можно охарактеризовать таким комплексным показателем, как коэффициент технического использования:
Кт,0) =Кп.( + Кто.(+М(т"р). и М[(в {)]■ (1)
где Кп - коэффициент перевода моточаса в час; Кто -коэффициент, учитывающий простои объекта на ТО; М (Т.) - математическое ожидание времени устранения сложных (в том числе ресурсных) отказов; М [^)] - математическое ожидание времени устранения отказа.
С учетом случайного характера изменений математического ожидания числа отказов
Q(0= ja(t)dt
(2)
и потребности в устранении сложных (в том числе ресурсных)отказов
1 °
ЧЪ+ЯК'-т*
п
2-la,2
dt (3)
(Трі- средняя наработка (ресурс) между і-м и (¡-1)-м сложными отказами; Кр1 - коэффициент восстановления ресурса после устранения /-го сложного отказа; а -среднее квадратическое отклонение суммарной наработки в /-м интервале), можно рассматривать коэффициент технического использования, характеризующий долю времени нахождения объекта в работоспособном состоянии относительно эксплуатационного периода, как случайную величину.
Коэффициенттехнического использования,характеризующий работоспособное состояние ХА и трактора, можно использовать для определения изменения ресурса ХА в течение эксплуатации.
Для построения адекватной экспериментальным данным аналитической зависимости среднего ресурса ХА от интересующих факторов (показателей надежности, вариантов агрегатирования и видов выполняемых работ) мы провели анализ информации об отказах с мест эксплуатации гусеничных тракторов ТДН. На его основе были получены аналитические зависимости изменения среднего ресурса ХА трактора (МТА) во времени от типа почв (опорной поверхности) и видов выполняемых работ. Обобщением полученных зависимостей стала математическая модель изменения случайным образом комплексного показателя надежности Кти (?), текущее значение которого позволяет определить остаточный ресурс ХА:
Rocm=Rcp-
(і-ктЛ)>
Kn t
(4)
1 \
V
■ Кп ■ t+Кто • f+M(Tj.u(t)+ n(0- мш
где Кти(11) - коэффициент технического использования трактора в начальный момент времени; а - показатель степени.
Выводы. Предложенная математическая модель может быть положена в основу метода, позволяющего обеспечить заданный ресурс ХА трактора двойного назначения в зависимости от вариантов агрегатирования и видов выполняемых работ.
Литература.
1. Бердов Е.И. и др. Трактор двойного назначения для АПК // Тракторы и сельскохозяйственные машины. - 2001. -№ 9. - с. 14-17.
2. Исследование надежности тракторов в зависимости от различных почвенно-климатических условий / НТО ЧФ НАТИ. Арх. № 3060. Отв. исп. В.А. Алябьев. - Челябинск, 1987.
3. Киртбая Ю.К. Резервы в использовании машинно-тракторного парка: 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1982. -319 с.
4. Баженов С.П., Казмин Б.Н., Носов С.В. Основы эксплуатации и ремонта автомобилей и тракторов: учебник для вузов / под ред. С.П. Баженова: 5-е изд., стер. - М.: Академия, 2011. - 336 с.
5. Алябьев В.А., Бердов Е.И. Моделирование параметров остаточного ресурса элементов и узлов ходового аппарата гусеничного трактора двойного назначения для различных условий работы МТА // Материалы LIМНТК «Достижения науки -агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2012. - Ч. IV. - С. 170-173.
6. Бердов Е.И., Алябьев В.А. Взаимосвязь параметров надежности ходового аппарата с режимами работы трактора двойного назначения//Материалы L-й международной научно-технической конференции «Достижения науки - агропромышленному производству». - Челябинск: ЧГАА, 2011. - Ч. IV. - С.126-137.
7. Тракторы промышленные и промышленные модификации сельскохозяйственных тракторов. Надежность. Сбор и обработка информации: Методич. указания. - Челябинск: ЧФ НАТИ, 1986. - 94 с., ил.
INCREASING OF EFFICIENCY OF USING A CATERPILLAR TRACTOR BY DOUBLE-PURPOSE ENSURING A GIVEN RESOURCE OF SOUGHT-AFTER DEVICE
E.I. Berdov, V.A. Alyabjev
Summary. Using in agricultures caterpillar tractor double-purpose (TDP) enables greatly to raise efficiency and quality of the use the machine to account best, in comparison with wheel analogue, tractive-coupling, fuel-economic and ecological parameter, as well as provision whole year loading. However resource of the sought-after device (SD) of the caterpillar tractor double-purpose, defining resource of the machine as a whole, depending on conditions of the usages, does not exceed 2-4 thous. hour. (while resource of the rest nodes and details forms 8-10 thous. hour.). Underpossible efficiency of the use MTA in composition caterpillar TDP is reached at resource SD not less 4 thous. hour. For the reason determinations level variant units-рования, type executed technological operation and others conditions of the work on rate of the wear-out SD is collected and analysed representateveal sample material on reliability of the nodes and element SD TDP when performing by tractor agricultural and is cherished-building technological operation. Sostalena matrix the most probable variant working loading MTA for calendar year for average statistical agricultural enterprises Uralo-Siberian zone. On base designed mathematical model of the functioning(working) the tractor unit and factorial analysis is offered methods of the calculation of the remaining resource SD tractor and are received corresponding to accounting dependencies, confirmed experimental data. The Methods allows to choose the optimum volume and type of the work, executed MTA in composition caterpillar TDP, providing, first, high degree of the loading MTA for the whole calendar year (including winter period) and, secondly, necessary resource SD (not less 4 thous. hour.).
Keywords: tractor double-purpose, caterpillar propeller, the matrix variant annual loading, factorial analysis, mathematical model, remaining resource of the sought-after device.
