CC BY
31
Точка Ап находится на пересечении прямой линии ay = ад и кривой подрезания зубцов колеса д^.
Положение точки Рп находится на пересечении прямой линии а. = а. . с кривой р.
'w tw mm r г
Значения качественных показателей зацепления являются функциями полученных значений обобщающих координат его крайних точек.
Зависимости для расчета геометро-кинематических показателей ортогонального цилиндро-конического зацепления приведены в [4].
Ниже представлены результаты исследования коэффициента перекрытия в^ (рис. 3, а), приведенного радиуса кривизны поверхностей зубцов рпв долях (в среднем сечении посередине рабочей высоты) (рис. 3,
б), их максимального коэффициента скольжения А " ^^ 4 ртах
(по крайним точкам ЛОСЗ) (рис. 3, в) и ширины зубчатого венца колеса Ь^в долях (рис. 3, г) для передачи дифференциала автомобиля "ВАЗ 2121" (z1 = 6, z2 = 22, тд = 0,045).
График зависимости z =f(a, ) имеет интерес-r ^ Y tw max' r
ную особенность: максимум коэффициента перекрытия с увеличением угла профиля аа смещается в сторону
меньших значений торцового угла зацепления а.
' ' 1 ^ tw max
Цель исследований заключается в нахождении такой области существования зацепления, в которой качественные показатели являлись бы оптимальными сточки зрения желаемых характеристик проектируемой передачи.
На рис. 4 представлена ООСЗ с нанесенными на нее изолиниями, соответствующими рациональным значениям геометро-кинематических показателей, причем кривая выровненных коэффициентов скольжения А^ = Л 2 построена для максимальных значений ширины колеса
b ..
w2
1
\АА ~ 1 г, = 0,5 , / л & V
\ Яр, = чГ-7*- \ \ \
\ \ \ \ \\
aj 60 40 20 0
Рис. 4. Рациональная часть обобщенной области
существования зацепления = 6, г~ = 22, т = 0,045)
1 ¿. а
ортогональной цилиндро-конической передачи дифференциала автомобиля "ВАЗ 2121"
Совокупность изолиний качественных показателей зацепления определяет рациональную часть обобщен-
ной области существования зацепления. Эта область ограничивается снизу и сверху кривыми г: = 1, слева — кривой gs и справа — делительной прямой ООСЗ (рис. 4). Последнее ограничение связано с обеспечением достаточной ширины зубчатого венца плоского колеса и коэффициента перекрытия по условиям прочности, то есть положение определяющей точки ЛОСЗ следует выбирать левее делительной прямой ООСЗ.
Таким образом, проектирование передачи с оптимальными геометрическими параметрами по комплексу качественных показателей зацепления при заданном критерии работоспособности может быть выполнено путем оптимизации значений обобщающих координат определяющей точки ЛОСЗ в пределах рациональной части ООСЗ.
Список литературы
1. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений.— М.: Наука, 1968.—
584 с.
2. Лопатин Б.А., Цуканов О.Н. Проектирование цилиндро-конических
зубчатых передач в обобщающих параметрах //Передачи и трансмиссии. — 1999,— № 2. — С. 24- 35.
3. Лопатин Б.А., Цуканов О.Н. Теоретические аспекты синтеза
цилиндро-конических зубчатых зацеплений в обобщающих параметрах//Известия вузов. Машиностроение. — 2002.— №2-3. — С. 37 - 43.
4. Цуканов О.Н., Лопатин Б.А., Калашников Д.Б. Проектирование
ортогональных цилиндро-конических зубчатых передач в обобщающих параметрах// Теория и практика зубчатых передач: Сборник докладов научно-технической конференции. — Ижевск: ИжГТУ, 2004. — С. 55- 58.
ТроценкоД. А., Давыдов А. К, Зайцев А. Н., Москвин П. В., Лисихин И. В. Курганский государственный университет, г. Курган
Управление Ростехнадзора по Курганской области, ООО «АСКОН - Курган»
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ МОСТОВОГО КРАНА
Представлены методология и результаты выявления слабых мест сварной металлоконструкции по критерию накопления усталостных повреждений в процессе эксплуатации крана, а также определение его остаточного ресурса с использованием датчиков деформаций интегрального типа.
Средний срок службы производственного оборудования в целом по России составляет свыше 26 лет, что в 2 раза больше нормативного. К настоящему времени у 80% парка грузоподъемных машин нормативный срок службы истек. Однако многие из них еще имеют эксплуатационный запас долговечности. В таких случаях Госгортех-надзор России обязывает владельцев определять остаточный ресурс кранов. Необходимость, требования и рекомендации по оценке остаточного ресурса изложены в материалах [1, 2, 3]. В этой связи, с целью предупреждения аварийных ситуаций, для кранов с истекшим нормативным сроком службы определение фактического остаточного ресурса металлоконструкции становится весьма важной задачей.
В настоящее время упомянутая задача решается расчетными методами [2, 3]. Их применение не обеспечивает точности оценки остаточного ресурса. Причиной такого положения является отсутствие важнейших исход-
ных данных по реальной нагруженности металлоконструкций в отдельныхлокальныхзонах, втом числе и в сварных соединениях. Расчетные методики не учитывают фактического состояния материала конструкции, в частности - степени усталости металла, зависящей от условий эксплуатации крана. В Курганском государственном университете разработана оригинальная экспериментально-расчетная методика [4] определения остаточного ресурса металлоконструкций с помощью датчиков деформаций интегрального типа (ДДИТ), которая лишена вышеуказанных недостатков и лежит в основе данной работы.
Объектом исследования являлась сварная металлоконструкция мостового двухбалочного крана ОАО «Втормет» регистрационный № К-1937-П, грузоподъемность 5 тс, год изготовления 1976, ввод в эксплуатацию-1977 год, режим работы крана - тяжелый (эксплуатируется под навесом). Основной материал конструкции -сталь Ст. 3 сп. Время работы крана - 9 часов в сутки.
Предварительно, для установления наиболее опасных мест в конструкции применяли портативный магнитометрический прибор ИКНМ-2ФП, предназначенный для выявления концентрации напряжений. Диагностирование сварных соединений осуществляли по методике, описанной в работе [5]. В одни и те же опасные места на расстоянии 15 - 20 мм друг от друга устанавливали два типа ДДИТ. Первый тип (с переменной чувствительностью) наклеивали на основной металл, а второй (с постоянной чувствительностью)-на сварные соединения. Схема мест установки датчиков представлена на рисунке 1. После наработки в течение 13 месяцев датчики были сняты и исследованы в лабораторных условиях. Определяли реакцию поверхности ДДИТ, снятых со сварных соединений, а также распространение границ первых «темных пятен» у датчиков с переменной чувствительностью. Поверхность датчиков исследовали с помощью микроскопа МБС-9 при 56-кратном увеличении. Изображение фиксировали цифровым фотоаппаратом. В результате было установлено: максимальная реакция, отображающая накопленное усталостное повреждение основного материала конструкции, зафиксирована датчиком первого типа, размещенного на внутренней стенке концевой балки у надбуксовой пластины (место М1, рис. 1). Аналогично датчиком второго типа обнаружено наиболее опасное сварное соединение - надбуксовой пластины с наружной стенкой другой концевой балки (место М9, рис.1). Реакция датчиков представлена на рисунках 2, 3.
Количественно реакцию датчиков оценивали по приросту относительной площади «темных пятен», определенному с помощью обработки гистограмм, отражающих спектр плотности Н изображения места оценки поврежденное™. Результаты оценки поврежденное™ опасных мест конструкции приведены в табл. 1.
Таблица 1
Место Распространение реакции наработанных ДДИТ, мм сред. Н Показатели обработки, соответствующие интервалу Н=0... 140
сред. Н % площади пиксели
Основной металл М1 24 142,59 131,50 37,69 15378
Сварной шов М9 - 114,85 104,06 78,37 31662
Эквивалентные напряжения и числа циклов нагру-жения основного металла и сварного соединения определяли совместным решением уравнений, связывающих уточненные аппроксимирующие зависимости начальной реакции ДДИТ от числа циклов нагружения и уровня напряжения при тарировочных испытаниях со смещением начальной реакции ДДИТ конструкции [4].
Обработка данных тарировочных испытаний (потемнения) алюминиевых ДДИТ на образцах по фотографиям (при Н - от 0 до 140) позволила получить следующую аппроксимированную зависимость:
5 =_ъ_
У 1 + ехрОа-с-Ь^№) ' (1)
где 5у - площадь (в %) «темных пятен» (при Н - от
0 до 140); С=0,02;
Ь =
30 + -
70
(<3-200^ Г Гст-200' Гст-200У|
е- - • е" - +е -
1 40 ) 1. 1 40 1 40 )\
, (а-61,25) а = ->-.
0,1335 - а '
С! = эквивалентные напряжения в МПа;
N1- эквивалентное число циклов нагружения ДДИТ.
Зависимость (1) совместно с уравнением, связывающим распространение Хс1 (мм) по длине ДДИТ (предварительно наработанного) [4]
Г=Г(ст,№,Хс1)1 (2)
позволяет решить задачу установления значений эквивалентного напряжения (Бе) и эквивалентного числа циклов нагружения (Ые), если после N1 часов работы крана с ДДИТ на его поверхности зафиксирована 5у и распространение Хс1 первых (наработанных) «темных пятен». В результате решения уравнений (1) и (2) при фиксированных 5у и Хс1 определяются величины (а ) и (Ые).
Для определения прогнозируемого ресурса работы крана (№е) при данных условиях используем уравнение кривой усталости в форме кривой Гатса при вероятности 0,99:
N.. = К •
1
ст„ -а.
(3)
где К = 6,618 -107, аГо =172 МПа,
<3Ь = 700 МПа.
Исходные данные для расчета по месту М 1: 5у =37,69 и Хс1=24 мм; время работы крана до установки датчиков Ын - 25,75 года (78795 часов); время работы крана с датчиками за 13 месяцев (N1)- 3315 часов. В результате совместного решения уравнений (1) и
(2) получены результаты: С7е=206,741 МПа, Ые=6471 цикл.
В результате совместного решения уравнений (1), (2), (3) получено: №е= 1\1прог.= 1,481410е циклов.
Определяем коэффициент эквивалентности Ке, имеющий размерность (цикл/час),
10
ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.
„ ^ 6471 , .
К =-5- =-= 1,95цикл/час
е N 3315
Время работы крана до установки датчиков 1\1н 25,75 года с интенсивностью 3060 часов в год:
= 25,75 • 3060 = 78795час,78795 • 2,05 =
= 161529,75цикл
Остаточный ресурс крана при вероятности разрушения, исходя из расчета 0,99, равен:
]ЧН = 25,75 • 3060 = 78795час,78795 • 1,95 = 15365 0,25цикл К0„ = - N. - кн = 2,358 • 106 - 6797 -161529,75 =
Остаточный ресурс крана по основному металлу при вероятности разрушения, исходя из расчета 0,99:
N -М = 1,481-10"-6471 -153650,25 =
ост прог е н > >
=1320878,75цикл
N ост— 1320878,75/1,95 = 677373,72 час=221,36 года
В связи с тем, что наработанные ДДИТ на основном металле и ДДИТ на сварных соединениях располагались рядом, можно считать их эквивалентную нагруженность одинаковой.
Известно, что при прочностных расчетах сварных соединений необходимо учитывать эффективный коэффициент концентрации напряжений, зависящий от типа сварного соединения. В расчетах учитывается эффективный коэффициент концентрации для углового и таврового типа соединений, где и располагали ДДИТ.
Эффективный коэффициент концентрации Кст для угловых соединений равен 1,31.
Значит, для углового сварного соединения:
ааго =
аго 172
Ка 1,31
= 131,29 МПа.
Для определения прогнозируемого ресурса работы крана (№е) при данных условиях используем уравнение кривой усталости в форме кривой Гатса при вероятности 0,99:
1
ст„ -а.
•(Рь-<0
(4)
прог
= 67473,25 цикл
1\1ост= 67473,25/2,05= 32913,78 час=9,92 года
Таким образом, наиболее вероятным местом разрушения металлоконструкции мостового крана является сварное соединение надбуксовой пластины со стенкой концевой балки. Ожидаемый остаточный ресурс по данному месту составлят около 10 лет при 45 часовой рабочей неделе и вероятности 0,99.
Список литературы
1. Котельников В. С., Еремин А. Ю., Зарецкий А. А., и др. Концепция оценки
остаточного ресурса металлических конструкций грузоподъемных кранов, отработавшихнормативныйсрокслужбы //Безопасность труда в промышленности. - 2000. - № 10. - С. 41 - 46.
2. РД24-112-5Р. Руководящий документ по оценке остаточного ресурса
кранов мостового типа. - М.: ВНИИПТМАШ, 2002.
3. Методические указания по определению остаточного ресурса
металлических конструкций грузоподъемных кранов. Краны мостового типа. - СПб: ЗАО СТЭК, 2002.
4. Сызранцев В. Н., Троценко Д. А., Котельников А. П. Экспресс-оценка
ресурса металлоконструкций машин. Материалы межд. науч. техн. конф.: Инновационные технологии в машиностроении и приборостроении. - Ижевск, 2002. - Ч. 2. - С. 305-312.
5. Дубов А. А. Диагностика котельных труб с использованием магнит-
ной памяти металла,- М.: Энергоатомиздат, 1995- С. 112.
ГончаровА.А.
Волгоградский государственный технический университет, г. Волгоград
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КЛИНОВЫХ МЕХАНИЗМОВ СВОБОДНОГО ХОДА С УЧЕТОМ СИЛ ТРЕНИЯ
где К = 6,618 -107, стГо =131,29 МПа,
<3Ь = 700 МПа.
Исходные данные для расчета по месту М 9 (сварной шов, ГС), рис.1: 5у =78,37; эквивалентное число циклов нагружения ДДИТ (с места № 11_Д5) N1=6797; время работы крана до установки датчиков 1\1н - 25,75 лет; время работы крана с датчиками за 13 месяцев (N1) -3315 часов.
В результате решения уравнения (1) получен результат: а =248,794 МПа. е
В результате решения уравнения (3) получено: №е= 1Мпрог.= 5,3584105 циклов.
Определяем коэффициент эквивалентности Ке, имеющий размерность (цикп/час),
N 6797
К =—- =-= 2,05 цикл/ час
е N 3315
Время работы крана до установки датчиков 1\1н -25,75 года с интенсивностью 3060 часов в год:
Клиновые механизмы свободного хода (МСХ) с дополнительной кинематической связью ведущего и ведомого элементов [1] по критериям быстродействия, нагрузочной способности, угловой жесткости и износостойкости относятся к числу наиболее перспективных для использования в высокоскоростных силовых приводах, в том числе и в бесступенчатых импульсных передачах, где МСХ работают в наиболее тяжелом режиме выпрямителя механических колебаний. Проблемы создания таких механизмов во многом связаны с исследованиями механики контактного взаимодействия их элементов - процесса, определяющего функционирование и эксплуатационные свойства конструкции.
Детальное исследование этого процесса и научно обоснованная методика проектного расчета могут быть построены на базе трехмерного динамического анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) МСХ как неконсервативной механической системы, поведение элементов которой зависит от истории нагружения. В достаточно строгой постановке при неизвестных областях касания тел и наличии сил трения задача является существенно нелинейной. Она не может быть сведена к классическим задачам теории упругости и решена классическими методами.
На стадиях активного приложения нагрузки (фазы
