Содержание к диссертации
Введение
1. Элементная база прицепных транспортных средств (ПТС) как объект исследования и проектирования 21
1.1. Системы, механизмы и узлы ПТС 21
1.2. Критерии работоспособности и основы расчета элементов ПТС 26
1.3. Обзор исследований и направления совершенствования элементной базы ПТС 33
1.4. Цели, задачи и структура исследования 41
2. Исследование колебаний и силового нагружения автотракторного двухосного прицепного транспортного средства 45
2.1. Расчетная схема и вывод уравнений колебаний прицепа 2ПТС-4-793А 45
2.2. Методика численного решения уравнений колебаний прицепа при его движении 55
2.3. Исследование влияния массы легковесного груза в кузове на нагружение несущих,элементов конструкций прицепа 58
2.4. Методика численного решения уравнений силового нагружения рамы и несущих элементов кузова прицепа 77
3. Экспериментальные исследования движения и загрузки автотракторного двухосного прицепа 89
3.1. Методика и результаты тензометрических испытаний автотракторного прицепа 2ПТС-4-793 А 89
3.2. Методика и результаты испытаний прицепа 2ПТС-4-793А на динамическую прочность 99
3.3. Перспективы повышения надёжности и совершенствования конструкций прицепов для перевозки легковесных грузов 105
3.4. Комплекс мероприятий по совершенствованию процесса загрузки ПТС 138
4. Аналитические и экспериментальные исследования автомобильного полуприцепа 163
4.1. Методика аналитических исследований и результаты расчёта на прочность рамы полуприцепа ТМЗ-879М 163
4.2. Экспериментальные исследования колебаний и силового нагружения автомобильного полуприцепа ТМЗ-879М 177
4.3. Перспективные направления дальнейшего совершенствования конструкции автомобильных полуприцепов 187
Основные результаты и выводы 264
Библиография 268
Приложение 300
- Критерии работоспособности и основы расчета элементов ПТС
- Методика численного решения уравнений колебаний прицепа при его движении
- Методика и результаты испытаний прицепа 2ПТС-4-793А на динамическую прочность
- Экспериментальные исследования колебаний и силового нагружения автомобильного полуприцепа ТМЗ-879М
Введение к работе
Актуальность исследования. Эффективным способом повышения производительности автомобильных перевозок является применение прицепных автотранспортных средств (ПАТС), состоящих из тягачей с прицепами и полуприцепами различных типов и назначения. Совершенствование автопоездов связано с необходимостью увеличения скоростей движения и объема перевозимых грузов, обеспечением эксплуатационной надёжности и повышением сохранности грузов. Уровень технико-экономических показателей транспортных средств непрерывно возрастает, что во многом определяет потребность наличия их конкурентных преимуществ. При неустановившихся режимах движения ПАТС, вследствие изменения тяговых, тормозных и возмущающих сил от неровностей дорог возникают перемещения прицепных звеньев относительно друг друга в горизонтальной и вертикальной плоскостях их движения. Такие перемещения существенно сказываются на управляемости автопоездов, а также на прочности и надёжности их узлов и деталей. Характер колебаний звеньев автотракторных поездов сходен с колебаниями рельсового подвижного состава, и поэтому подходы изучения таких процессов и методик в целом одинаковы. В то же время известно, что все динамические нагрузки в движении автотракторных поездов воспринимаются не только опорно-сцепными их устройствами, но и подвесками рессорных комплектов, а, следовательно, и их рамными конструкциями и кузовами.
В процессе многолетнего опыта проектирования и эксплуатации тягачей и прицепов их рамы приняли определённые компоновочные формы но, не- смотря на это, они не отвечают всё возрастающим требованиям надёжности и снижения их металлоёмкости. Особые требования предъявляют к конструкции рессорного подвешивания и гасителям колебаний, устанавливаемых в ней.
Учитывая вышеизложенное, видно, что существующие конструкции автотракторных поездов ещё далеки до совершенства, методы расчета их конструктивных параметров не всегда позволяют установить их сложное напряжённое состояние и дать реальную оценку при выборе соответствующих конструкционных материалов и оптимальных геометрических характеристик узлов, деталей, а также несущих конструктивных элементов. Поэтому актуальность представленной работы заключается в разработке новых, неизвестных мировой практике создания и модернизации более совершенных конструкций автотракторных поездов, обладающих повышенной производительностью, необходимой плавностью хода, повышенной надёжностью, сравнительно невысокой металлоёмкостью, с использованием более простых и эффективных опорно-сцепных устройств, несущих систем шасси и конструкций самосвальных и стационарных кузовов, модернизации рессорного подвешивания за счёт использования торсионных рессор, простых по устройству гидравлических демпферов и т.д. Актуальность темы подтверждается выполнением с участием автора проблемных НИОКР с Ташкентским тракторным заводом, результатом которых является организация серийного производства тракторных самосвальных прицепов 2ПТС-4-793А и автомобильных полуприцепов модели ТМЗ-879М. Все разработки, созданные в процессе выполнения указанных исследований, защищены 295 патентами на изобретения. Ряд разработок, созданных на уровне изобретений, таких как «Кузов самосвального транспортного средства» А.С.СССР №715368 внедрён Казахстанским грузовым управлением Каз. ССР в 1982 г. и на Ташкентском тракторном заводе в 1985 г.; «Прибор для испытания автотракторных поездов» А.С.СССР, №511529 и №245725, и «Устройство для ускоренных испытаний автотракторных прицепов» №1204988 внедрены на Ташкентском тракторном заводе в 1979 г. и в 1983 г.
Цель и задачи работы. Цель-повышение эксплуатационных характеристик прицепных автотранспортных средств на базе созданных научных основ по оценке работоспособности и эксплуатационной надёжности новых и модернизированных в эксплуатации конструкционных элементов автотракторных прицепных средств. Для достижения цели поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:
проведение сравнительного анализа существующих конструкций прицепных автотранспортных средств и обоснование необходимости использования перспективных технических решений, разработанных на уровне изобретений, обеспечивающих повышение эффективности использования автомобильного транспорта;
проведение аналитических исследований с разработкой расчётных схем и обобщённых математических моделей, а также создание комплексов программ к ним, позволяющих с использованием ЭВМ производить численные расчёты рациональных кинематических и геометрических параметров конструкционных элементов автотракторного подвижного состава;
выполнение комплекса теоретико-экспериментальных исследований по моделированию переходных процессов, характеризующих нестационарные режимы напряжённого состояния несущих систем и ходовых частей прицепов и полуприцепов в зависимости от характера их движения и условий эксплуатации;
разработка практических рекомендаций по модернизации ряда узлов несущих систем и деталей кузовов, обладающих меньшей металлоёмкостью, повышенной эксплуатационной надёжностью и безопасностью движения автотранспортных средств;
обобщение и дополнение конструкторско-технологических и эксплуатационных принципов обеспечения работоспособности и эксплуатационной надёжности деталей и узлов перспективных конструкций в условиях широкого варьирования амплитудно-частотного спектра воспринимаемых колебаний от динамического воздействия со стороны различного типа дорог и бездорожья на ходовые части звеньев автотракторных поездов.
Объект исследования – прицепные автотранспортные средства и процессы улучшения их эксплуатационных характеристик на основе новых эффективных научно-технических решений.
Теоретико - методологическоие основы исследования. Диссертационное исследование проведено путём формирования новых положений и научной аргументации предложений на основе многочисленных трудов отечественных и зарубежных учёных в области улучшения эксплуатационных характеристик автоприцепных средств. При выполнении работы использован метод системного анализа, математического моделирования и взаимного влияния кинематических и геометрических характеристик предложенных конструкций автотракторного подвижного состава, а также численные методы, в том числе, аппарат дифференциальных и алгебраических уравнений с применением традиционных способов их решения на базе разработанных алгоритмов и компьютерных программ.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке, теоретическом обосновании, экспериментальной апробации и практической реализации комплекса принципиально новых технических решений, обеспечивающих повышение качеств, эксплуатационной надежности и управляемости прицепных транспортных средств, включающих устройства гашения колебаний, балансировки колес, систем торможения, несущих конструкций, гидравлического оборудования и опорно-сцепных устройств, отличающихся на теоретическом уровне возможностью учета в расчетных моделях динамики движения много массовых систем, влияния геометрических отклонений, упругости элементов и нестационарного силового нагружения, вызванного пространственными колебаниями прицепных автотранспортных средств.
Научные положения, выносимые на защиту:
1.Научно-методические и численно реализованные математические модели динамики движения ПАТС, представленные в виде системы нелинейных дифференциальных уравнений многомассовых систем автомобильных прицепов и полуприцепов, отличающиеся возможностью учета наличия зазоров, микро - и макроотклонений геометрии поверхностей опорно-сцепных устройств, инерционных и упругих свойств элементов конструкции, позволяющие определить параметры колебания и условия устойчивости движения ПАТС в эксплуатационных условиях.
2. Теретико-методологические положения, на основе которых разработаны принципиально новые эффективные технические решения систем торможения, амортизаторов, опорно-сцепных устройств, а так же инструментальных средств их проектирования, позволяющие обеспечить рациональные динамические характеристики и устойчивость движения ПАТС с учетом влияния геометрических, кинематических и силовых факторов, инерционных и упругих свойств элементов конструкций в реальных условиях эксплуатации транспортных средств.
3. Теоретическое обоснование предложенной совокупности инновационных технических решений, математических моделей и методик расчета опорно-сцепных устройств ПАТС обеспечивают повышение динамических качеств, устойчивости, безопасности движения и эксплуатационной надёжности.
4. Теория и новые методы осуществления автоматической балансировки колес безрельсовых транспортных средств за счёт использования подвижных тел качения исключают дисбаланс колёс вне зависимости от его возникновения и положения в эксплуатационных условиях относительно оси вращения ступицы колеса
5. Выявленные на основании теоретических и экспериментальных исследований закономерности влияния геометрических, кинематических силовых параметров и факторов состояния дорожного покрытия на колебания, устойчивость и безопасной эксплуатации ПАТС позволяют предложить рекомендации по совершенствованию устройств по стабилизации движения транспортных средств.
Практическая значимость результатов работы.
1. Дана оценка известных мировой практике несущих систем безрельсовых транспортных средств, а также обоснование конструктивных особенностей предложенных технических решений, способных повысить эффективность исследуемого автотракторного подвижного состава в условиях эксплуатации, что позволит выполнить:
- качественное ознакомление с результатами систематизации известных технических решений в области повышения плавности хода безрельсовых транспортных средств, примерами их конструктивного исполнения и рационального выбора конструктивных схем разработанных узлов, способствующих упрощению конструкции прицепных звеньев автотракторных поездов, снижению финансовых и временных затрат на их проектирование, доводку по установлению рациональных кинематических и геометрических параметров применительно к реальным условиям эксплуатации транспортных средств;
- устранение конструкционных недостатков существующего парка автотракторных прицепов и полуприцепов и различного рода вспомогательных устройств к ним, препятствующих ограничению амплитуд основных видов вынужденных колебаний, вызывающих перемещения как их кузовов, так и прицепных звеньев в целом, и силовое нагружение несущих систем за счёт использования предложений на уровне изобретений, повышающих безопасность и плавность хода с более низким порогом динамического нагружения не только рам несущих кузова, но и других узлов и деталей составных элементов конструкций.
2. Систематизированы в единый комплекс:
- методика оценки эксплуатационной нагруженности и надёжности узлов и деталей, образующих конструкцию прицепных звеньев автомобильного подвижного состава в целом;
- аналитические соотношения для оценки динамических нагрузок воздействующих на систему «тяговое транспортное средство - прицепное звено», а также их сопоставление с ожидаемыми при варьировании конструктивными характеристиками перспективных технических решений, входящих в конструкции прицепных звеньев;
- научно обоснованные рекомендации по расширению эксплуатационных характеристик по обеспечению работоспособности и безопасности движения при режимах торможения автотракторных поездов, движущихся с более высокими скоростями, исключая резонансные явления в системе «тяговое транспортное средство - прицепное звено»;
- наборы расчётных соотношений, необходимых для оценки кинематических и геометрических параметров предложенных технических решений применительно к известным типам и моделям безрельсовых транспортных средств, входящих в состав автотракторных поездов, имеющих различные габаритные и весовые показатели.
Указанный комплекс научно-технических решений обеспечит несущую и качественную способность перспективных конструкций прицепных звеньев за счёт рационального распределения динамических нагрузок в узлах их конструкционных элементов, решит вопросы устойчивости движения в составе поезда, обеспечит безопасность движения их с высокими скоростями, повысит грузоподъёмность и эффективность грузоперевозок.
Реализация результатов работы.
-
Основная часть результатов работы внедрена Ташкентским тракторным заводом (ТТЗ) в конструкцию автотракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А, предназначенного для перевозки различных грузов, и в конструкцию автомобильного полуприцепа модели ТМЗ-879М, поставленных соответственно на серийное производство в 1981 и 1988 г. Экономический эффект от использования указанных машин в производстве и эксплуатации по ценам 1988 г. составил более 20,0 млн. руб. в год. (Внедрение указанных машин подтверждается материалом, представленным в изданной автором монографии, см. раздел «Публикации»).
2. В период 2003-2006 гг. выполнена госбюджетная тема «Динамика прочность и надёжность транспортных машин и машин агропромышленного комплекса, используемых в Чернозёмном регионе РФ», а также комплекс НИР с заводами ОАО «Елецгидроагрегат», «Гидропривод» и рядом автотранспортных предприятий г. Ельца и Липецкой области. Разработаны 75 технических решений на уровне изобретений РФ перспективных конструкций автотракторных поездов и отдельных узлов, математические и программные модели, позволившие обосновать конструктивные характеристики ПАТС с последующей оценкой их экономической эффективности в эксплуатационных условиях.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на научно-технических и научно-практических конференциях различного уровня: Всесоюзный съезд по теории машин и механизмов, 1977 г., г. Алма-Ата; Всесоюзная научно-техническая конференция «Повышение агротехнических показателей, технического уровня и качества сельскохозяйственных машин для зоны орошаемого земледелия» 1984 г.,
г. Ташкент; Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике. Ташкент. 1986 г.; 1-ая Международная научно-практическая конференция. «Формирование и реализация стратегии технического и социально-экономического развития предприятий», Пенза 2003 г.; 2-я Всероссийская научно техническая конференция. «Состояние и перспективы развития сервиса», г. Самара. 2006 г.; 3-й международный симпозиум «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», г. Орёл 2006 г.; международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения». Основы проектирования и детали машин – 21 век, Орёл 2007 г.
Достоверность полученных научных результатов обеспечена корректностью постановки задач исследования, обоснованностью используемых теоретических построений, принятых допущений, применением апробированных аналитических и численных методов анализа, а также подтверждена качественным и количественным согласованием полученных результатов с собственными аналитическими и экспериментальными данными, в том числе полученными другими исследователями, и возможным внедрением в практику производственными структурами, занимающимися проектированием, конструированием, эксплуатацией, ремонтом и изготовлением автотракторных тягачей, прицепов и полуприцепов к ним.
Личный вклад автора заключается в разработке концепции и формировании идеи и цели работы, в постановке задач и их решении, в разработке теоретико-методологических и методических положений для элементов научной новизны исследования, новых методик, научно-технических решений, математических моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации. Вкладом автора в развитие науки является разработка на теоретическом уровне с учетом в исследуемых расчетных схемах и математических моделях по изучению колебаний и силового нагружения конструкционных элементов прицепных транспортных средств влияния геометрических отклонений масс, имеющих упругие связи между собой, изучение нестационарного силового нагружения и их колебаний, вызванных пространственными перемещениями прицепных звеньев автотракторных поездов.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 монографии; 23 статьи в центральных научных рецензируемых изданиях, входящих в «Перечень ВАК»; 245 - в материалах докладов на международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях и опубликованных в сборниках статей; получено 249 авторских свидетельств СССР и патентов РФ на изобретения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников из 340 наименований и приложения, содержит 334 страницы машинописного текста, 60 рисунков, таблиц 11.
Критерии работоспособности и основы расчета элементов ПТС
Известно [234,235], что работоспособность прицепных транспортных средств представляет собой базовое свойство, заключающееся в способности её выполнять заданные функции с установленными технологическими параметрами перевозочного процесса. В основу работоспособности положено понятие надежности, характеризующееся возможностью автомобильного и железнодорожного подвижного состава выполнения в течении заданного интервала времени или требуемой наработки свои функции и обусловленное безотказностью, долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью. В практике проектирования рельсовых и безрельсовых транспортных средств используют семь базовых критериев работоспособности это: прочность; жесткость; износостойкость; теплостойкость; вибро-устоичивость; жаропрочность; коррозийная стойкость. Рассмотрим несколько подробнее эти критерии»
Прочность-это способность детали выдерживать нагрузки без разрушения. В качестве силового нагружения элементной базы прицепных транспортных средств и тяговых машин к ним используют следующие нагрузки: статические, действующие в узлах и деталях ПТС; динамические, которые рассматривают в трех вариантах - с постоянными амплитудами в стационарно работающих ПТС; с переменными амплитудами в нестационарно работающих ПТС; и со случайными амплитудами, вызываемыми случайными колебаниями ПТС, вызванными микро и макро неровностями дороги и железнодорожного пути, воздействием процессов вызванных загрузкой или выгрузкой ПТС, режимами движения и торможения их и т.д.; ударные, возникающие в конструкционных элементах ПТС вследствие их сцепа и расцепа, роспуска подвижного состава с горок сортировочных станций и др. Разрушение узлов и деталей тягачей и ПТС происходит вследствие потери статической прочности и сопротивления усталости. Потеря статической прочности происходит тогда, когда значение максимальных рабочих напряжений превышает предел статической прочности материала (случайные перегрузки, скрытые дефекты материала), а потеря сопротивления усталости проявляется в результате длительного действия переменных напряжений, превышающих предел выносливости материала. Расчеты на прочность ведут по номинальным допускаемым напряжениям, коэффициентам запаса прочности (КЗП) или по вероятности безотказной работы [234-243].
Жесткость — один из важнейших критериев работоспособности, предусматривающий ограничение упругих перемещений деталей в пределах, допустимых для конкретных условий работы. Во многих конструкционных элементах автотракторных прицепов и полуприцепов напряжения, например, в их рамах,в случае увеличенной их крутильной жёсткости настолько велики, что отказы по ним наблюдаются уже в первые месяцы эксплуатации. Если же крутильную жёсткость снизить и позволить раме упруго воспринимать такой вид деформаций, то долговечность её резко возрастает. Обычно нормы жесткости таких конструкционных элементов устанавливают на основе практики эксплуатации и соответствующих расчетов их на стеснённое кручение.
Значение критерия жесткости возрастает в связи с тем, что совершенствование материалов происходит главным образом в направлении повышения их прочностных характеристик ап, n,J, а модули упругости Е и G изменяются незначительно или остаются постоянным. При этом чаще встречаются случаи, когда размеры детали, полученные из расчета на прочность, оказываются недостаточными по жесткости.
Требования к жесткости деталей тяговых и прицепных транспортных средств определяются такими показателями как: условиями прочности деталей и конструктивных элементов при неустойчивом- равновесии, а также при ударных нагрузках; условиями- работоспособности сопряженных деталей; условиями динамической устойчивости; технологическими условиями.
Износостойкость — способность материала рабочих поверхностей деталей сопротивляться изнашиванию. Она определяется видом трения (скольжения или качения), наличием смазочного материала, режимом трения (жидкостным, полужидкостным, граничным и сухим), уровнем защиты от загрязнений, материалом и твердостью трущихся поверхностей. Износостойкость — важный критерий работоспособности, так как около 90 % деталей ПТС и тяговых машин к ним, имеющих подвижные сопряжения, выходят из строя именно из-за износа. Износ ограничивает работоспособность автотранспортного и железнодорожного подвижного состава по следующим параметрам: по потере точности изготовления деталей; по снижению КПД в силовых установках автомобилей, тракторов и тепловозах; по снижению прочности вследствие уменьшения сечений элементной базы гидропневматического оборудования тягачей и ПТС: по возрастанию шума таких транспортных машин; по полному истиранию, которое делает детали непригодными к дальнейшей эксплуатации такие, например, как тормозные колодки, бандажи колёс, тормозные барабаны, сцепные устройства и т.д.. В практике виды изнашивания разделяют следующим образом: механическое изнашивание, которое в основном определяется, абразивным изнашиванием, т.е. изнашивание посторонними твердыми частицами. Абразивное изнашивание проявляется в виде усталостного разрушения при многократном повторном деформировании микро-выступов с малой глубиной взаимного внедрения; малоцикловой усталости при повторном пластическом деформировании микро выступов со средней глубиной внедрения; в микро резания при глубоком внедрении; молекулярно-механическое изнашивание (изнашивание при схватывании). Схватывание происходит вследствие молекулярных сил при трении. Схватывание в начальной форме проявляется в намазывании материала одной сопряженной детали на другую, а в наиболее опасной форме — в местном сваривании трущихся поверхностей с последующим вырыванием частиц одного тела, приварившихся к другому, при дальнейшем их относительном движении; коррозионно-механическое изнашивание, при котором механическое изнашивание сопровождается химическим или электрическим взаимодействием материала со средой (продукты коррозии стираются механическим путем).
Методика численного решения уравнений колебаний прицепа при его движении
Зная геометрические и жесткостные параметры модели (рис.2.1) и задаваясь частотой вынужденных колебаний системы в пределах от 0 до 50 рад/с, а также амплитудами кинематических координат [26, 27], на ЭВМ,, с использованием прикладных программ, вычислены значения динамических составляющих усилий и моментов, действующих на приведенные массы модели.
Амплитудно-частотный график серийного сцепа. В результате1 подстановки численных значений в уравнения (2.6) были получены амплитудные частотные графики, иллюстрирующие вынужденные колебания расчетных масс и резонансные области исследуемой математической модели. На рис.2.2 и 2.3 показаны наиболее характерные перемещения масс тракторного поезда в месте его сцепа соответственно без демпфера и с демпфером, характеризующие поперечно-угловые колебания в горизонтальной плоскости {cpf), поперечные колебания в горизонтальной плоскости (Xj), продольные колебания (Г/), продольно-угловые колебания в вертикальной плоскости (fli), колебания в вертикальной плоскости (Z/) и поперечно-угловые в вертикальной плоскости.
Колебания места сцепа весьма значительны (рис.2.2). Так, резонансная область поперечно-угловых колебаний прицепа в горизонтальной плоскости (влияние) составляет 4.5 рад/с и проявляется в диапазоне рабочих частот 20 рад/с, при этом амплитуда колебаний достигает 0,07 рад, что соответствует поперечному смещению прицепа на 129лш. Поперечные смещения сцепной петли (боковой снос) наибольших значений достигают вблизи 19 рад/с, что близко к рабочим частотам движения автотракторных поездов. На практике поперечные перемещения сцепной петли значительно не влияют на нагруженность сцепных устройств [18], однако резонансная область их Рис.2.2. Амплитудно-частотный график экспериментального сцепа. проявления довольно широкая. При продольных перемещениях прицепа (подергивание) в диапазоне рабочих частот от 18,5 до 21,5 рад/с наблюдается значительный рост амплитуд, причем резонанс наступает дважды с широкой областью проявления, поэтому возможно возникновение значительных нагрузок при движении тракторного поезда, воспринимаемых его несущими конструкциями.
Таким образом, для снижения амплитуд колебаний тракторного прицепа и силового нагружения его рамы необходима разработка эффективных демпфирующих устройств,, устанавливаемых в место сцепа прицепов и тягачей и обеспечивающих одновременное гашение нескольких видов колебаний. При этом демпферы должны обладать существенной простотой и отвечать требованиям ГОСТ 2349-75. Анализ многочисленных исследований [2, 3, 10, 12, 13, 17] позволил разработать демпфирующие устройства, обладающие способностью одновременного гашения поперечно-угловых колебаний в горизонтальной плоскости, продольных колебаний и поперечно-угловых колебаний в вертикальной плоскости прицепа [29, 30]. Результаты проведенных расчетов и график (рис.2.3), построенный с учетом установки демпфера [29, 30] в место сцепа, показывают, что резонансная область поперечно-угловых колебаний прицепа в горизонтальной плоскости лежит в узком диапазоне частот порядка 1 рад/с и проявляется на нерабочих частотах до 5 рад/с. При этом амплитуда колебаний составляет 0,055 рад, что соответствует отклонению прицепа на 95мм. При сравнении, амплитудно-частотных графиков (рис.2.2, 2.3) видно, что собственные частоты, мест сцепов экспериментального и серийного неодинаковы и лежат в разных областях. Так, если для сцепа с демпфером собственная частота для всех обобщенных координат лежит в пределах от 4,5 до \Ъ,5рад/с, то для серийного сцепа этот предел составляет от 9,5 до 22,2 рад/с.
По данным М. М. Щукина [17], верхний предел частоты собственных продольных колебаний может считаться допустимым в диапазоне 12,0—18,0 рад/с. По расчетным данным, собственная частота продольных колебаний с установкой демпфера составляет 12,8 рад/с, что подтверждает правильность подбора его жесткостных и конструктивных параметров. Вычислив по указанной методике амплитуды вынужденных- колебаний масс математической модели и зная жесткостные характеристики упругих связей, определили численные вероятностные значения динамических усилий, действующих на приведение массы тд, тк, тп, в процессе движения тракторного поезда по дорогам с характерным микро- и макропрофилем для условий эксплуатации подобных машин. Полученные значения динамических усилий позволяют провести прочностной расчет несущих элементов конструкций автотракторного прицепа 2ПТС-4-793А.
При движении автотракторного самосвального прицепа- 2ПТС-4-793А, загруженного легковесным грузом, например, хлопком-сырцом, из-за пространственных колебаний последнего несущие элементы кузова воспринимают значительное силовое нагружение, причем наибольшее влияние-на такое нагружение [31] оказывают поперечные линейные и угловые перемещения кузова совместно с расположенным в нем заранее уплотненным хлопком-сырцом. Для проведения аналитических исследований силового нагружения кузова такого прицепа разработана расчётная схема (рис.2.4), эквивалентная тракторному прицепу 2ПТС-4-793А,состоящему из \ шасси и кузова с откидными боковыми панелямиі открывающимися наружу кузова.
На модели прицеп представлен в виде четырех -массовой системы с приведенными массами тт (подкатная тележка с колесами), тк (рама прицепа и его кузов), т„ (собственная масса хлопка в кузове) и соответственно моментами инерции Jm, Jk и /„, соединенными между собой упругими связями с постоянными значениями коэффициентов линейной Ст С3 и крутильной Кк и Кп жесткостей от соединений массы прицепа с его платформой, платформы с надставными, бортами и надставных бортов с массой хлопка-сырца, расположенного в кузове.
Методика и результаты испытаний прицепа 2ПТС-4-793А на динамическую прочность
Известно [25, 42, 52-54], что полигонные испытания безрельсовых транспортных средств на динамическую прочность воспроизводят существенную часть эксплуатационных нагрузок от неровности пути с максимально возможной частотой. За счет увеличения частоты воздействия динамических нагрузок достигается ускорение производства усталостных испытаний в 18 раз и более. По данным [52-54], существенная часть амплитудного спектра динамических нагрузок от неровностей пути может быть приблизительно воспроизведена небольшим набором искусственных препятствий, расположенных последовательно и в шахматном порядке на треке полигона. Препятствия на треках полигонов выполняют съемными с целью перестройки дороги для расширения спектра испытаний. Например, на треке полигона КубНИИТИМ для испытаний тракторных прицепов на усталостную прочность применяют препятствия высотой 50, 70, 118 и 120 мм. Опыт, накопленный в результате проведения трековых испытаний транспортных машин на полигоне КубНИИТИМ, в том числе и тракторного прицепа 2ПТС-4-793 в 1968г [55], показал, что при установлении режимов испытаний возникает серьезное затруднение вследствие того, что различные участки трека оказывают неодинаковое воздействие на нагруженность узлов и деталей испытуемых машин. Поэтому при установлении режима трековых испытаний максимальные значения амплитуд переменных напряжений в исследуемых узлах машины не должны в основном превышать аналогичные в эксплуатационных условиях. Треки для проведения прочностных испытаний обычно являются составной частью полигона, представляющего собой сложный комплекс сооружений различного назначения.
Следовательно, для проведения усталостных испытаний вновь создаваемых и серийно выпускаемых машин на динамическую прочность их необходимо отправлять на один из имеющихся в стране полигонов НАТИ или КубНИИТИМ. Такое решение весьма неприемлемо для предприятий машиностроения, так как сроки согласования и проведения таких испытаний из-за отдаленности этих полигонов от последних увеличивают и без того значительный срок постановки транспортных средств на серийное производство или их модернизацию. Поэтому для подтверждения правильности представленных выше результатов теоретических расчетов и данных тензометрических испытаний, а также применённых в конструкции автотракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А новых технических решений были разработаны [56] устройства, позволившие в кратчайшие сроки провести усталостные испытания такого прицепа в местных условиях на базе ОПБ ПО Ташкентского тракторного завода.
Предложенное устройство состоит из трех имитационных неровностей (рис.3.4), закрепленных с помощью цепей и пружин на всех четырех колесах тракторного прицепа. Имитационные неровности имеют возможность регулирования их по высоте, что позволяет имитировать движение прицепа по дорогам с различным макропрофилем. В качестве критериев, определяющих напряженное состояние несущих элементов конструкции прицепа, выбраны следующие параметры: 1) высота неровностей, характеризующая напряжения, возникающие в элементах рамы и кузова прицепа; 2) частота преодоления неровностей, характеризуемая количеством неровностей, преодолеваемых колесом прицепа за определенное время; 3) скорость движения прицепа, характеризуемая отсутствием резонансных режимов колебаний прицепа при преодолении неровностей; 4) время проведения усталостных испытаний, характеризуемое общим пробегом прицепа, эквивалентным нормируемому сроку эксплуатации его в нормальных условиях; 5) характер появления отказов и развития трещин в элементах несущих конструкций.
В настоящее время отсутствуют достаточно обоснованные статистические данные о пробеге тракторных самосвальных прицепов по различным дорогам. Кроме того, в условиях эксплуатации масса перевозимого груза не соответствует грузоподъемности прицепа.
В автомобильной промышленности принято следующее распределение пробега, по видам и состоянию дорог при длительных контрольных испытаниях самосвальных прицепов сельскохозяйственного назначения от общего пробега [253: Таким образом, движение тракторных прицепов, работающих в сельхозпроизводстве, осуществляется в основном по дорогам с грубым покрытием (70—75%), причем 25—30% дорог от общего пробега находится в неудовлетворительном состоянии. С учетом этого при проведении полигонных испытаний за основу был принят микропрофиль дороги удовлетворительного качества.
Проведенные аналитические и экспериментальные исследования колебаний и силового нагружения несущих конструкций тракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А показали, что резервы в дальнейшем повышении его надежности и производительности ограничены, например, невозможностью повышения емкости кузова, транспортных габаритов, улучшения условий труда при его обслуживании ввиду отсутствия ряда технических решений, позволяющих выполнить такую задачу, и т.д. С учетом этого в период 1980-2006гг разработаны перспективные конструкции, часть которых прошла предварительные этапы синтеза и апробирована в хозяйственных условиях, причём на созданных макетных образцах показала удовлетворительную работоспособность. Опишем часть основных перспективных направлений, объединив их в следующие группы: 1. Перспективные кузова для перевозки легковесных грузов с изменяющимся объемом в процессе их загрузки. Анализ работы прицепа 2ПТС-4-793А показывает, что при полном раскрытии откидные панели становятся ниже торцевых надставных бортов, что при перегрузке хлопка из бункера хлопкоуборочной машины в кузов прицепа влечет к просыпи хлопка на землю. Для ликвидации такого недостатка предложены конструкции кузовов [57—61], принцип работы которых основан на автоматическом выдвижении дополнительных подвижных панелей и козырьков, расположенных в надставных торцевых бортах кузова и его откидных боковых панелях. В то же время уплотнение хлопка в кузове прицепа 2ПТС-4-793А откидными панелями происходит неэффективно, поэтому для повышения грузоподъемности прицепа за1 счет размещения в его кузове большего количества хлопка плотностью более 160кг/см3 предложено при проектировании кузовов использовать технические решения [62—64].
Экспериментальные исследования колебаний и силового нагружения автомобильного полуприцепа ТМЗ-879М
Для проверки: соответствиям теоретических расчетов действительному силовому нагружению несущих элементов конструкций- полуприцепа в; реальных условиях его эксплуатации в течение 1983і—1984 гг. на 01Шэ FCKB по машинам для; хлопководства- была поставлена серия;.дорожных опытовна натурном автопоезде, состоящем из седельного автомобиля-тягача ЗИЛ 130ВГ и перспективного полуприцепа хлопковоза ТМЗ-879М. В» качестве критериев, определяющих силовое нагружение несущих конструкций полуприцепа приняты, следующие параметры: статические и динамические поперечные горизонтально действующие нагрузки, возникающие в несущих конструкциях полуприцепа, вызывающие их продольный изгиб и способствующие появлению нормальных напряжений сгп; статические и динамические продольные горизонтально действующие нагрузки, возникающие в несущих конструкциях полуприцепа, вызывающие их продольный изгиб и способствующие появлению нормальных напряжений апр статические и динамические нагрузки, возникающие от действия тяговых усилий тягача, вызывающие продольные растяжения или сжатие несущих элементов и способствующие возникновению напряжений 6щ статические и динамические нагрузки, действующие на несущие элементы конструкции полуприцепа, вызывающие их стесненное кручение и способствующие возникновению напряжений ст„; сочетание перечисленных нагрузок, способствующих возникновению нормальных напряжений, аппроксимируемых зависимостью В. 3. Власова [19]; колебания полуприцепа в поперечной плоскости его движения, вызывающие напряжения кручения несущих элементов конструкции полуприцепа; колебания полуприцепа в поперечной горизонтальной плоскости его движения, способствующие увеличению габаритной ширины дорожного коридора.
Для проведения экспериментальных исследований и установления перечисленных параметров на опытный образец автомобильного полуприцепа ТМЗ-879М в агрегате с тягачом ЗИЛ-130В1 устанавливались следующие тензометрические конструкции устройства и аппаратура: тензометрическая рама шасси полуприцепа с наклеенными в ее сварных узлах 56 рабочими тензорезисторами типа 2ПКБ-5-100ГВ; тензометрическое основание платформы первого самосвального кузова с наклейными в ее сварных узлах 27 рабочими тензорезисторами типа 2ПКБ-5-ЮОГВ; тензометрические опорные кронштейны рессор с четырьмя рабочими тензорезисторами типа 2ПКБ-5-100ГВ; два рычажных потенциометра установленных в зоне рессор полуприцепа и один в зоне седельного устройства тягача, фиксирующие боковую качку и виляние полуприцепа: отметчик числа оборотов ведущего колеса автомобиля-тягача (Приложение. 7). Перечисленные тензометрические конструкции и приборы с помощью экранированных кабелей подключались к тензометрической аппаратуре, состоящей из магнитоэлектрического осциллографа Н-010М и полупроводникового усилителя ТУП-12М с блоками питания, расположенными на седельном тягаче ЗИЛ-130В1. Тензометрические испытания автопоезда проводили согласно рекомендациям работ, посвященных испытаниям автомобилей, автотракторных прицепов, сельскохозяйственных машин и тракторов [15—16, 36—42]. Испытания состояли из пяти этапов. 1. Автопоезд, оборудованный описанными тензометрическими конструкциями и приборами, загруженный хлопком-сырцом весом 7000кг, устанавливался на ровной площадке, где производилась имитационная выгрузка сырца с регистрацией силового нагружения шасси и основания платформы полуприцепа. 2. Автопоезд, оборудованный перечисленными тензометрическими. конструкциями- и приборами, загруженный хлопком-сырцом весом 7000 (кг, располагался на ровной площадке с последующей установкой его на опорное устройство с отрывом уступа его рамы от седельного устройства тягача. В таком положении полуприцепа фиксировались нагруженность его рамы и основания платформы. 3. Автопоезд, оборудованный тензометрическими конструкциями и приборами, загруженный хлопком-сырцом весом 7000кг, двигался поочередно с тремя скоростями по- четырем типам дорог, характерным для Среднеазиатского региона с регистрацией амплитуд колебаний и силового нагружения рамы и основания платформы полуприцепа. 4. Автопоезд, оборудованный вышеописанными тензометрическими конструкциями и приборами, а также снабженный устройствами и деталями, выполненными по [47, 48, 49, 51 98, 99, 100] (механизм управления запорными костылями, рама с опорным листом переменной жесткости, установка запасного колеса, убирающийся брызговик колес полуприцепа, следящая система открывания надставных боковых откидных бортов кузова, щитки, прикрывающие пространство между двумя самосвальными кузовами, механизированный тент, прикрывающий хлопок-сырец, находящийся в кузовах полуприцепа, гидравлический гаситель колебаний в рессорной подвеске полуприцепа), двигался подобно тому, как это описано в третьем этапе испытаний [50, 94, 101].
Обработка осциллограмм производилась известными методами математической статистики с установлением вероятностных значений исследуемых параметров. Ошибка обработки лежала в пределах 2,74%. Полученные данные сводились в таблицы, по которым осуществлялся сравнительный анализ колебаний и силового нагружения опытного образца полуприцепа и полуприцепа, снабженного рядом деталей и устройств. [47— 49,51,98—100].
Из рис.4.6 видно, что движение полуприцепа происходит с резким изменением тягового усилия, причем продольные нагрузки достигают значений Tj + Ti l,54-104if. Колебания полуприцепа в поперечной горизонтальной плоскости при его вилянии в целом невысокие и не превышают Ъ1мм. В то же время прогиб рессор друг относительно друга происходит на разницу в 28лш, что соответствует боковой качке полуприцепа в 0,18раЭ. Частота вынужденных колебаний при таких перемещениях полуприцепа не превышает \2,2рад/с. Однако напряжения, возникающие в элементах рамы, достигают высоких значений. Так, тензорезисторы 1, 2, 3, 4, 5 и 6, установленные на лонжероне и поперечине в зоне крепления заднего кронштейна рессор полуприцепа (V участок рамы см. рис.3.4) к его раме, фиксируют максимальные напряжения в 128,2М77а. Наличие таких напряжений связано с ужесточением рессорного узла за счет приварки опорного кронштейна к полкам лонжерона и установки в полость лонжерона дополнительной детали корытообразного профиля. В то же время в сварном узле дополнительно расположена поперечина, несущая опорные кронштейны механизма опрокидывания кузова, что еще более ужесточает эту зону рамы. На практике следует ожидать низкую долговечность этого участка рамы.
