CC BY
13
ТРИБОЛОГИЯ
УДК 621. 878
ЗАКОНОМ1РН1СТЬ ЗМ1НИ РЕСУРСУ Р13АЛЬНИХ ЕЛЕМЕНТ1В
АВТОГРЕЙДЕРШ
С.С. Венцель, проф., д.т.н., О.В. Щук1н, доц., к.т.н., Харк1вський нацюнальний автомоб1льно-дорожн1й ун1верситет
Анотац1я. Розроблено математичну модель, що описуе 3aKOHOMipHOcmi зносу ножа i враховуе еплие pi3HUX режим1в експлуатацп автогрейдера при його po6omi з pi3HUMU грунтами з pi3HUM ступенем абразивност1. Отримано залежшстъ змти ресурсу ножа eid часу його контакту з грунтами тръох категорт.
Ключов1 слова: ресурс, безв1дмовна робота, зное, робоче обладнання, грунт.
ЗАКОНОМЕРНОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ РЕСУРСА РЕЖУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ
АВТОГРЕЙДЕРОВ
Е.С. Венцель, проф., д.т.н., А.В. Щукин, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет
Аннотация. Разработана математическая модель, описывающая закономерности износа ножа и учитывающая влияние различных режимов эксплуатации автогрейдера при его работе с различными грунтами с разной степенью абразивности. Получена зависимость изменения ресурса ножа от времени его контакта с грунтами трех категорий.
Ключевые слова: ресурс, безотказная работа, износ, рабочее оборудование, грунт.
REGULARITY OF CHANGE OF MOTOR-GRADERS CUTTING ELEMENTS
RESOURCE
Ye. Ventsel, Prof., D. Sc. (Eng.), A. Shchukin, Assoc. Prof., Cand. Sc. (Eng.), Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract. The mathematical model describing the regularities of blade wear and taking into account the influence of different modes of grader operation by working with various soils with different abra-siveness degrees has been developed. The dependence of changes in blade resource on time of its contact with soils of three categories has been obtained.
Key words: resource, no-failure operation, wear, working equipment, soil.
Вступ
Пщ час дослщження роботи автогрейдер1в выявлено, що значна кшьюсть вщмов пов'я-зана з виходом з ладу робочого обладнання. При цьому, як евщчать даш [1, 2 та ш.], до 90 % вщмов зумовлеш швидким зносом pi3a-льних елеменгав робочих оргашв (РО).
Як вщомо, експлуатащя автогрейдер1в вщбу-ваеться в р1зних умовах. При цьому окрем1 робоч1 операцп в1др1зняються одна вщ одно! схемами прикладання зовн1шн1х наванта-жень, тому по-р1зному формуеться наванта-жен1сть вузл1в. Отже, статистичн1 характеристики навантаженосп в загальному випадку можуть бути пост1йними. Разом з тим в1зь-
мемо до уваги, що в кожному випадку сума накопичених втомних пошкоджень не зале-жить вщ послщовност1 виникнення наванта-жувальних режим1в. Це дозволяе подати роботу автогрейдера такою, що складаеться з окремих типових режим1в навантаження, яю визначаються так само певними грунтовими умовами. Основна частина часу роботи автогрейдера припадае на режими, за яких його РО здшснюе вщносно повшьш вертикальш й кутов1 перемщення.
Aнaлiз пyблiкaцiй
Результати експериментальних дослщжень, що проводяться з РО автогрейдер1в в умовах зв'язних однорщних грушгв, показують сут-тев1 високочастотш коливання сил р1зання [3]. У реальних умовах шд час р1зання грунту широкими ножами наявний не один скол грунту, а послщовшсть вщкол1в, що вщбу-ваються одночасно. Пульсацп, що е причиною цього, не можуть бути виявлеш через !х демпф1рування масами робочого обладнання.
На числов1 характеристики (математичне очшування, дисперс1я та ш.) випадкового процесу сумарного навантаження ножа автогрейдера впливають тшьки числов1 характеристики мщшсних показниюв грунту. Через досить повшьну змшу мщнюних показниюв однорщних грунтов можна подати !х вплив дискретним набором характеристик. При цьому в кожному конкретному випадку па-раметри грунтових умов е незмшними.
Разом з тим вщомо, що РО автогрейдер1в працюють у вельми несприятливих умовах. При цьому найбшьш яскраво вираженим процесом, який впливае на довгов1чшсть РО, е зношування. У свою чергу, зное РО автогрейдер1в, головним чином, залежить вщ абразивносп грунтов, тобто !х здатносто змь нювати поперечний перер1з р1зальних елеме-нтов, що в кшцевому пщеумку призводить до проведения процедури з !х вщновлення або, в пршому випадку, - до вщколу р1зально! час-тини з подальшою замшою всього ножа. При цьому абразившеть грунтов зростае з1 збшь-шенням вмюту, розм1ру та закршлених квар-цових частинок (оксиду кремшю Si02) [3]. До того ж, як встановлено в [4], з1 збшьшен-ням щшьносто грунту зное РО може збшьши-тися в 5 раз1в (особливо за малого вмюту глинистих частинок), що негативно впливае на ресурс нож1в РО.
Мета i постановка завдання
Метою ще! роботи е визначення взае-мозв'язку ресурсу з1 зносом ножа робочого обладнання автогрейдера за р1зних динам1ч-них 1 знакозмшних навантажень.
Зaкoнoмipнicть змiни ресурсу р!зальних eлeмeнтiв робочих opгaнiв aвтoгpeйдepiв
Одними з основних показниюв надшносто РО автогрейдера е ймов1ршсть безвщмовно! роботи 1 ресурс.
Все експлуатацшне навантаження робочого обладнання автогрейдера можна розкласти на складов!, що класифшуються за характер-ними ознаками [5]. У першу чергу необхщно розглянути таю складов!: Р(Рдин) - ймов1ршсть безвщмовно1 роботи ножа, залежна вщ максимального навантаження, що д1е на крайку ножа; Р(кш) - ймов1ршсть, що залежить вщ вели-чини, на яку змшилася товщина ножа внасль док зношування;
Р(Рзн) - ймов1рнють, що залежить вщ знако-змшного навантаження.
Знаючи 1х вплив на ймов1рнють безвщмовно1 роботи всього робочого обладнання автогрейдера, з'являеться можливють внести пе-вш корективи на еташ проектування ножа.
Тод1, згщно з [5], знайдемо сумарну ймов1р-шеть безвщмовно1 роботи ножа автогрейдера
Рх= Р(РДИН) • Р(Ю • Р(РЗН). (1)
Насправд1 ж ¿мов1рносто Р(РДИН), Р(ИЗН) та Р(РЗН) взаемопов'язаш м1ж собою таким чином: при знос1 робочо! поверхш ножа на величину Иш змшюеться перер1з ножа, а отже, 1 його несуча здатнють. У свою чергу, вщ останньо! залежить максимальне значения зусилля на кромщ ножа, яке вш може витри-мати. Вщ несучо! здатносто залежить також ¿мов1ршсть Р(РЗН).
В результат! дослщжень процес1в р1зання, зар1зу, стопоршня й удару автогрейдера об перешкоду, що важко долаеться, було вико-нано оцшку навантаженосто РО. Кр1м того, було проведено дослщження впливу кута установки вщвала у плаш на величину максимального зусилля на кромщ ножа вщвала при удар1 об перешкоду, що важко долаеться.
На рис. 1 наведено отриманий нами розраху-нковим шляхом граф1к змши максимального зусилля Pmax=mкx(Rx) на кромщ ножа вщвала при удар1 об перешкоду, що важко долаеться, залежно вщ кута установки вщвала у плаш а для трьох категорш грунту.
кН
400
300
200
100
3 г 2
/
..."
JJ
20
40
60
80
Рис. 1. Залежнють Pmax вщ кута захвату вщ-вала а: 1 - I категор1я грунту; 2 - II кате-гор1я; 3 - III категор1я
Апроксимувавши залежнють Pmax=f(a), пода-ну на рис. 1, отримаемо
Pnax (а) = A • sin | B • ^ | + D, (2)
де коефщенти A, B, C i D отримаш на пщстав1 апроксимаци залежност1 Pmax=f(a), подано!' в табл. 1.
Таблиця 1 Значения коефщ1енлв A, B, C i D
Категор1я грунту A B C D
I 250 1,2 5 -10
II 305 1,25 10 20
III 380 1,4 12 50
Зпдно з [4] будемо розглядати перш1 700 годин роботи ножа у грунт!. Тод1 залежнють зносу ножа автогрейдера як випадкова функ-ц1я напрацювання в загальному випадку мо-же бути подана у вигляд1 ^Х)=аи^+Ьи (рис. 2). У цьому р1внянш при розрахунках були використаш статистичш даш, отримаш авторами пщ час експлуатаци автогрейдер1в. При цьому було взято, що показник Р=1/2, Ьи=0 [6].
1з графка на рис. 2 видно, що у перш1 50-100 годин роботи зное вщбуваеться штенсивно 1
лшшно. Дал1 зное поступово квазютабш-зуеться, а пот1м, теля 500-600 годин, почи-нае зростати з бшьшою швидкютю. Вщповь дно швидкють зношування ножа автогрейдера для кожно1 категорп грунту може бути визначена як v=dh3^/dt [7].
/г, м
8 10"
610"3
4-Ю"3
210-
3 e00tS /
"• 7 / /
jj ±J
200
400
600
U ГОД
Рис. 2. Графш залежносл величини зносу h вщ напрацювання X для трьох р1зних категорш грунту: 1 - I категор1я грунту; 2 - II категор1я; 3 - III категор1я
У ршнянш (1) перший множник, що стосу-еться ймов1рност1 безвщмовно1 роботи ножа \ залежить вщ максимального навантаження, був перетворений таким чином:
Р(Рдин) = 1 -
1
2nS а
б v
v R
б х
xj J e 0 0
(P - P )2 + v
2
2S
2o^
(3)
dPdv.
p(P )
0,8
0,6
0,4
0,2
V-. 1 Г
\ /
2 /
3 /
0 200 400 600
800 t
маш.-год
Рис. 3. Графш змши ймов1рност1 безвщмов-но1 роботи ножа автогрейдера Р(РДИН) вщ часу його роботи в абразивному середо-вищ1 t, год: 1 - I категор1я грунту; 2 - II категор1я; 3 - III категор1я
X
На рис. 3 показано залежносп ймов1рносп безвщмовно! роботи ножа автогрейдера Р(Рдин) вщ часу його експлуатаци в абразивному середовищ1, яю отримаш на тдстав1 застосування нормального закону розподшу
(3).
Падаюча характеристика графшв на рис. 3 свщчить про зниження ймов1рносп безвщмовно! роботи ножа Р(РДИН) у процеа експлу-атаци робочого обладнання автогрейдера.
У результат! апроксимаци залежносп ймовь рносп Р(РдИН) вщ часу роботи ножа в абразивному середовищ1 I (рис. 3) отримано залежнють
Р( Рдин) = 1 - 0,02 • Г
1/я
(4)
де 2 = 2,4; 2,13; 2 - для I, II 1 III категорш грунту вщповщно.
Розроблена математична модель сумарно! ймов1рносп (1) дозволяе отримати теоретич-ний опис змши ймов1рносп безвщмовно! роботи робочого обладнання автогрейдера у процеа виконання робочих операцш та опи-сати змшу ресурсу роботи ножа автогрейдера. Виходячи з узятих до уваги припущень, як було сказано вище, запропоновано розг-лядати ймов1рнють безвщмовно! роботи як мультиплшативну функщю ймов1рностей, кожен аргумент яко! залежить вщ аргументу шшо! ймов1рносп. Тод1 сумарна ймов1рнють безвщмовно! роботи ножа автогрейдера ста-новитиме
квадратичне В1дхилення меж1 р1знищ несучо1 здатносп й максимального навантаження.
У залежноси +Ьи розглянемо випа-
док граничного зносу. Для цього у формулу зносу замють пщставимо значения граничного зносу 1гр 1 розв'яжемо отримане р1в-няння вщносно t=T при Ьи = 0. Тод1 ресурс ножа буде мати такий вигляд
Т = Р
1„
гр
а,,
(6)
де /гр - граничний зное ножа.
На рис. 4 наведено графк-поверхню Р=(Р(Ртах), Рфзц)), побудовану з викорис-танням залежносп (1).
Ру.= Р(Рлии) X
I1 - 2
Ф
Р™ - т(Р ,) л/2 Д Р-1) I
Ф
-Ф
РЦп - т(Р |)
ТР - т(аи )
(5)
1 с - .
де Ф(х) = ,— I е 2 dt - функщя Лапласа, у/2к 0
Р-1 = Р(ы - Rх; Р0-1 - несуча здатнють за втом-ного навантаження; Rх - дшче навантаження на кромку ножа; т(Р-1) - математичне очшу-вання (середне значения) меж1 р1знищ несу-чо1 здатносп ножа автогрейдера 1 максимального навантаження; Е(Р.\) - середньо-
Рис. 4. Залежнють змши сумарно! ймов1рнос-п безвщмовно! роботи Р£ вщ Р(Ртах) 1 РЫ
Апроксимуючи залежнють сумарно! ймов1р-носп безвщмовно! роботи робочого обладнання Р£ вщ !мов1рностей Р(Ртах) \ Р(К„), було отримано:
РЕ = 0,2 + 1,08Р( Рцаб) + 0,24P(hзн ) --0,13Р( РЦах )2 0,08Р(^Н )2 +
+0,846Р( Ртах) P(hзн).
(7)
Таким чином, отримано залежнють ¡мов1рно-сп безвщмовно! роботи ножа, до яко! увшш-ли параметри зносу, динам1чне 1 знакозмшне навантаження (рис. 4). Слщ також мати на уваз1, що р1вняння регреси Р^=П(Р(Ртах), Рфзц)) е дшеним тшьки в межах тих дослщ-
X
2
t
них даних, зокрема величини зносу, на пщс-тав1 яких 1х було отримано. Якщо значения вийдуть за меж1 дослщних даних, то в цьому вииадку прогноз ¿мов1рносп безвщмовно! роботи ножа може мютити значш иомилки. Для розширення меж застосування р1внянь !х необхщно будувати на основ! даних за декь лькома або вс1ма сучасними моделями об'ек-т1в одного функцюнального призначення.
Знаючи сумарну ймов1рнють безвщмовно1 роботи, знайдемо ресурс ножа автогрейдера. Для цього необхщно розв'язати р1вняння (5) вщносно величини Т.
Функщя Лапласа обчислюеться тщьки за до-помогою спещально! таблиц!. Отже, р1вняння (5) не можна розв'язати аналпично. Тому, використовуючи оператори MATLAB егП(х), розв'яжемо чисельно це р1вняння для сумар-но1 ймов1рностг Беручи до уваги нелшш-шсть змши величини зносу ножа вщ часу роботи Изи={(Х) в абразивному середовищ1 пщ час виконання робочих операцш (рис. 2), одержимо ресурс роботи ножа робочого об-ладнання автогрейдера як функщю Т={(Х) (рис. 5) для трьох категорш грунту.
т, _
маш.-год
О 100 200 300 400 t. маш-год
Рис. 5. Залежнють ресурсу ножа Т вщ часу його роботи в абразивному середовищ1 X: 1 - I категор1я грунту; 2 - II категор1я; 3 - III категор1я
1з графтв на рис. 5 видно, що чим нижче категор1я грунту, тим вище ресурс роботи ножа в цьому групп.
Апроксимуючи залежнють ресурсу ножа вщ часу його роботи в абразивному середовищ1, отримаемо таку експоненцшну залежнють
Т (X) = х • е_Т6°, (7)
де коефщент х=447; 340; 260 - для I, II i III категорш грунту вщповщно.
Отримане р1вняння не суперечить класу pi-шень мультиплшативного р1вняння (5) для сумарно! ймов1рносп безвщмовно! роботи ножа РО автогрейдера.
Висновки
Законом1рн1сть змши ресурсу вщ зносу ножа РО автогрейдера носить експоненцшний характер. При цьому чим вище категор1я грунту, тим зное, а отже i ресурс, менше.
Лггература
1. Густов Ю.И. Повышение износостойкости
рабочих органов и сопряжений строительных машин / Ю.И. Густов // Механизация строительства. - 1996. - №5. -С.15-16.
2. Кравченко И.Н. Износостойкие материалы
для восстановления деталей рабочих органов строительных и дорожных машин / И.Н. Кравченко, В.Ю. Гладков, С.В. Карцев, В.П. Тростин // Строительные и дорожные машины. - 2004. - №5.
- С. 32-34.
3. Волков Д.П. Надёжность роторных тран-
шейных экскаваторов / Д.П. Волков, С.Н. Николаев, И.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 1972. - 270 с.
4. Рейш А.К. Повышение износостойкости
строительных и дорожных машин / А.К. Рейш. - М.: Машиностроение, 1986.
- 184 с.
5. Анилович В.Я. Надёжность машин в зада-
чах и примерах / В. Я. Анилович, A.C. Гринченко, В.Л. Литвиненко. - X.: Око, 2001. - 318 с.
6. Волков Д.П. Надежность строительных
машин и оборудования : учебное пособие / Д.П. Волков, С.Н. Николаев. - М. : Высшая школа, 1979. - 400 с.
7. Бареян А.Г. Повышение износостойкости
и долговечности ножей куттеров при самозатачивании: дисс. ... канд. техн. наук : 05.02.04 / Бареян Ананий Генри-кович. - Ставрополь, 2000. - 181 с.
Рецензент: 1.Г. Кириченко, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надшшла до редакцп 20 кв1тня 2016 р.
