ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Методи прогнозування ресурсу несучих і функціональних систем бурякозбиральних комбайнів

Актуальність теми. Загальна тенденція розвитку складної мобільної сільськогосподарської техніки в напрямку інтенсифікації виконання технологічних процесів, яка приводить до неперервного збільшення енергосилових, кінематичних, габаритних та інших параметрів машин, вимагає нових підходів при створенні перспективних та модернізації існуючих машин. Це, у першу чергу, стосується потужних бурякозбиральних комбайнів. Базовою збірною одиницею комбайна є зварна несуча рама, від надійності якої значно залежить ресурс роботи машини.

Однією з основних причин недостатньої експлуатаційної надійності рам самохідних бурякозбиральних комбайнів є недосконалість існуючих інженерних методів до розрахунку цих конструкцій.

Більшість методів оцінки міцності та розрахунку ресурсу стосується бездефектних конструктивних структур. Зважаючи на високу концентрацію напружень в зонах зварних з'єднань, наявність технологічних дефектів, специфіку експлуатаційного навантаження, стадія живучості (розвиток дефектності від початкового розміру до критичного значення) у більшості випадків є визначальною при оцінці надійності основних несучих і функціональних систем і характеризує ресурс роботи комбайна в цілому.

Виходячи з напрацювань у цьому напрямку вітчизняних та зарубіжних вчених, створення ефективних несучих і функціональних систем, оптимальних за матеріаломісткістю та з прогнозованим ресурсом роботи, полягає у зміні постановки задачі і розробці алгоритму оцінки роботоздатності рамних конструкцій з врахуванням реальних умов експлуатації, технології їх виготовлення, застосуванні в інженерному проектуванні числових методів аналізу напружено-деформівного стану (НДС), використанні теоретичних моделей і методів механіки руйнування з врахуванням особливостей розвитку дефектності в статично невизначуваних системах.

Вирішенню такої актуальної науково-технічної проблеми і присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконана згідно з національною програмою "Програма виробництва технологічних комплексів машин та обладнання для агропромислового комплексу на 1998 - 2005 роки" (п. 3.12.5. Розробка бункерного бурякозбирального комбайна КБС-6 "Збруч"; п. 3.12.14. Розробка бурякозбирального комбайна КС-6Б-10).

Результати дисертаційної роботи пов'язані з науковими дослідженнями, що виконувались на кафедрі технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (теми "Створення основних несучих і функціональних органів машин, оптимізованих за матеріаломісткістю та з прогнозованим ресурсом роботи (д. р. 0193U039356), "Розробка методу критеріальної оцінки динамічної міцності мобільних сільськогосподарських машин (д. р. 0299U000944), "Оптимізація несучих систем замкнутого профілю важконавантажених сільськогосподарських машин" (д. р. 0106U000129).

Мета і задачі досліджень. Вирішення важливої науково-технічної проблеми, яке полягає у розробці аналітично - експериментальних методів прогнозування і підвищення ресурсу конструкцій рам бурякозбиральних комбайнів з врахуванням реальних умов експлуатації, особливостей навантаження та дефектності матеріалу, зокрема в зонах зварних з'єднань.

На основі аналізу і синтезу відомих у літературі аналітичних і експериментальних досліджень міцності і довговічності рамних конструкцій вирішення даної проблеми зведено до розв'язку наступних фундаментальних і прикладних задач:

    - розробка алгоритму комплексного підходу до прогнозування і підвищення ресурсу роботи конструкцій рам бурякозбиральних комбайнів; - формулювання методологічних особливостей оцінки ресурсу несучих систем, що враховує початкову дефектність, експлуатаційні навантаження, специфіку зародження і розвитку тріщин в статично невизначуваних конструктивних структурах; - розробка ефективних методів та засобів вимірювань динаміки навантаження бурякозбиральних комбайнів в умовах експлуатації; - побудова розрахункових моделей бездефектної несучої конструкції і дослідження НДС з врахуванням реальної динаміки навантаження; - оцінка початкової дефектності зварних з'єднань натурних конструкцій; - дослідження і опис явища зародження і розвитку дефектності в зонах зварних з'єднань; побудова математичних моделей трансформації дефектів в тріщини при експлуатаційному навантаженні; - побудова розрахункових схем зварних несучих систем з наскрізними тріщинами, що розвиваються в їх елементах; моделювання розвитку дефектності і визначення перерозподілу напружень в конструктивних системах; - розробка методів побудови аналітичних залежностей для опису НДС у зварних вузлах з тонкостінних профілів з наявною в них тріщиною, які враховують особливості навантаження (згин, стиснене кручення) та специфіку розвитку тріщин в статично невизначуваних системах (стисненість деформацій, перерозподіл навантажень між елементами системи); - визначення характеристик втоми зварних вузлів і тріщиностійкості зон зварних швів; - розробка алгоритму синтезу раціональних несучих конструкцій з гарантованим ресурсом роботи, оптимальних за металоємністю; побудова моделі і розробка методів оцінки ресурсу оптимізованих конструкцій.

Об'єкт дослідження - несучі системи бурякозбиральних комбайнів.

Предмет дослідження - ресурс тонкостінних зварних несучих систем бурякозбиральних комбайнів.

Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на методах теорії пружності, теорії втоми і механіки руйнування матеріалів, на сучасних уявленнях про механізми руйнування зварних з'єднань; методах теорії надійності машин і конструкцій, а також математичного моделювання фізико-механічних процесів при роботі бурякозбиральних комбайнів. Експериментальні дослідження НДС та динаміки навантаження несучих систем бурякозбиральних комбайнів в умовах експлуатації здійснювались з використанням розробленої універсальної вимірювальної системи; втомні випробування лабораторних зразків та напівнатурних зразків, що моделюють зварні з'єднання реальних конструкцій - на гідропульсаторах та експериментальних установках; НДС рам досліджувався методами тензометрії, НДС в зонах зварних з'єднань, що моделюють вузли несучих систем - методами малобазової тензометрії; дефектність конструкцій досліджували методами неруйнівного контролю. При побудові розрахункових моделей застосовувалось сучасне програмне забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів.

    - розроблено аналітично-експериментальні підходи до моделювання розвитку тріщин у зварних з'єднаннях на початковій стадії їх росту, в результаті чого встановлено зв'язок між розвитком дефектності та розміром початкової тріщини як характеристики дефектності технології зварювання і розвинуто аналітичний підхід до оцінки кінетики розвитку тріщини; - за результатами моделювання розвитку дефектності у складних статично невизначуваних системах встановлено закономірності перерозподілу зусиль в конструктивних стрижневих структурах при розповсюдженні тріщини; - узагальнено аналітичний підхід для визначення КІН на випадок тріщин, що розвиваються в близькошовних зонах зварних з'єднань тонкостінних профільних елементів, що враховує концентрацію напружень та їх перерозподіл і залишкові зварні напруження; - сформульована математична модель для визначення кінетики ламаних наскрізних тріщин, що розвиваються двома вітками, основана на енергетично стабільній формі розповсюдження тріщини, що дало змогу отримати розв'язки низки задач росту тріщин, вершини яких розвиваються в нерівномірно напружених полях тонкостінних профільних елементів; - розроблено методику та сучасні експериментальні засоби для визначення експлуатаційного навантаження рамних конструкцій; - за результатами проведеного математичного моделювання і експериментальних досліджень запропоновано системний підхід до прогнозування ресурсу і оптимізації складних зварних конструктивних структур.

Вірогідність основних положень і отриманих результатів Забезпечується коректним використанням аналітичного і числового апарату досліджень і адекватністю розрахункових результатів експериментальним даним; відповідністю висновків і отриманих результатів фізичній суті досліджуваних явищ, порівнянням деяких часткових рішень з відомими у літературі і отриманими іншими методами, зіставленням отриманих експериментальних результатів з даними інших авторів.

Практичне значення одержаних результатів.

    - запропоновані інженерні методи і отримані результати мають прикладне значення і дозволяють на стадії проектування провести розрахунок міцності та ресурсу рамних конструкцій. На основі проведених аналітичних і експериментальних досліджень здійснено модернізацію і впроваджено у серійне виробництво базові несучі конструкції бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 "Тернопіль"; - розроблені методики і результати досліджень дозволяють оцінити індивідуальний залишковий ресурс роботи конструкції при її експлуатації і виявленні в ній дефектів, що розвиваються. Такий підхід дозволяє вносити оперативні зміни в конструкцію нових машин даного класу та тих, що експлуатуються; - запропоновано науково обгрунтовані підходи до нормування дефектів зварювання на основі розрахунково - експериментальної методики отримання статистичного розподілу розмірів початкових тріщин, які можна розглядати як характеристику дефектності конкретної технології зварювання; - для ряду сталей і матеріалу зварних швів отримано комплекс характеристик міцності, втоми і руйнування (тріщиностійкості), що є основою при виборі матеріалів для відповідальних конструкцій машин, що працюють в умовах циклічного навантаження; - для широкого класу профілів відкритого і замкнутого перетину отримано поправкові функції для визначення коефіцієнтів інтенсивності напружень, що описують НДС в околі тріщин, які розвиваються в рамних конструкціях мобільних машин.

Отримані наукові і практичні результати, методики і рекомендації впроваджені на ВАТ "Тернопільський комбайновий завод" при проектуванні і виготовленні несучих рамних систем сертифікованих самохідних бурякозбиральних комбайнів КС-6Б-10 "Тернопіль" та дослідних взірців КБС-6 "Збруч"; ВАТ "Коломиясільмаш" при проектуванні найбільш навантажених вузлів самохідних навантажувачів; використовуються в навчальному процесі Тернопільського державного технічного університеті імені Івана Пулюя на кафедрі технічної механіки і сільськогосподарського машинобудування при вивченні навчальних курсів "Надійність та методи випробування сільсько-господарської техніки", "Пошукове конструювання сільськогосподарських машин", "Надійність та ресурс роботи сільськогосподарських машин".

Особистий внесок здобувача Полягає в постановці та розгляді проблеми роботоздатності базових несучих і функціональних систем бурякозбиральних комбайнів на сучасному теоретичному і експериментальному рівні, складанні алгоритму розв'язку задач прогнозування та підвищення ресурсу конструктивних структур, оптимізованих за матеріаломісткістю, формулюванні і розробці всіх основних положень, що визначають наукову новизну роботи, а також її практичне значення, в безпосередній участі в усіх етапах досліджень і впровадженні отриманих результатів у виробництво. Частина експериментальних і розрахункових результатів отримана за участю співробітників ТДТУ і ВАТ "ТеКЗ", яким автор висловлює глибоку подяку за допомогу в роботі. Особливу вдячність автор висловлює науковому консультанту д. т.н., проф. Т. І. Рибаку за допомогу в постановці задач, цінні зауваження і увагу до роботи.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Міжнародній науково-технічній конференції "Надежность машин и технологического оборудования" (Ростов - на - Дону, 1994 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Технология отделочно-упрочняющей обработки в машиностроении" (Мінськ, 1994 р.); 1, 3, 6, 8 - 11 науково-технічних конференціях Тернопільського приладобудівного інституту та Тернопільського державного технічного університету (Тернопіль, 1992 -2007 рр.); на 2, 6 - 8 Міжнародному симпозіумі українських інженерів - механіків у Львові (Львів, 1995 р., 2003 р., 2005 р., 2007 р.); International Conference "Dinamical systems. Modelling and stability investigation" (Kиїв, 1997, 1999, 2003, 2005 рр.); Міжнародній конференції "Теория и практика металлических конструкций" (Донецьк - Макіївка, 1997 р.); 4-му Міжнародному симпозіумі з трибофатики (ISTF4) (Тернопіль, 2002 р.); 3-ій Всеукраїнській науковій конференції "Математичні проблеми технічної механіки" (Дніпродзержинськ, 2003 р.); 3-ій Міжнародній конференції "Механіка руйнування матеріалів та міцність конструкцій" (Львів, 2004 р.); 4-му Міжнародному конгресі "Машиностроительные технологии '04" (Болгарія, 2004 р.); 10-ій Міжнародній науково - технічній конференції "Физические и компьютерные технологии" (Харків, 2004 р.); І-ій Міжнародній науково - технічній конференції "Динаміка, міцність і надійність сільськогосподарських машин (DSR AM-1)" (Тернопіль, 2004 р.); VІІ-ій Міжнародній науково-технічній конференції "Науково-технічні засади розробки, випробування та прогнозування сільськогосподарської техніки та технологій" (Дослідницьке, 2005 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Динаміка, міцність і ресурс машин та конструкцій" (Київ, 2005 р.); V-ій Міжнародній конференції "Проблеми конструювання, виробництва та експлуатації сільськогосподарської техніки" (Кіровоград, 2005 р.); 11-ій Міжнародній науковій конференції ім. академіка М. Кравчука (Київ, .2006 р.); ХІІІ - му Міжнародному колоквіумі "Механічна втома металів" (Тернопіль, 2006 р.); V-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки" (Харків, 2006 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва" (Харків, 2007 р.); Міжнародній науково-практичній конференції "Інноваційні технології в АПК" (Луцьк, 2007 р.).

Дисертаційна робота в повному обсязі доповідалась і одержала позитивну оцінку на розширеному засіданні міжкафедрального наукового семінару Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя (2007 р.); на розширеному засіданні секції "Методи оцінки нормування та випробувань при прогнозуванні та забезпеченні надійності" Міжнародної науково-практичної конференції "Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва" (Харківський національний технічний університет сільського господарства імені Петра Василенка, м. Харків, 2007 р.); на засіданні науково-технічного семінару факультету конструювання та дизайну сільськогосподарської техніки Національного аграрного університету (м. Київ, 2007 р.); на науково-технічній нараді з перспектив розробки сільськогосподарської техніки ВАТ "Тернопільський комбайновий завод" (Тернопіль, 2006 р.).

Універсальна вимірювальна система для вимірювання динаміки навантаження мобільних сільськогосподарських машин та результати досліджень були представлені на Міжнародних виставках "Агро-2005", "Агро - 2006" (м. Київ) і отримали схвальні відгуки спеціалістів.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи відображені у 53 публікаціях, з них 27 - статті, 2 - патенти, 24 - тези конференцій. Загалом 22 публікації [1-22] відповідають вимогам ВАК України, щодо публікацій результатів дисертаційних робіт у фахових наукових виданнях.

Результати роботи викладені одноосібно автором у 8 друкованих працях [2, 16, 19, 25, 30, 31, 33, 37]. У публікаціях [3, 4, 10, 11, 26, 29, 46, 49], що виконані у співавторстві, дисертантові належить наступне: сформульовано задачі та розроблено методику експериментальних досліджень експлуатаційного навантаження мобільної сільськогосподарської техніки, запропоновано принципову схему універсальної вимірювальної системи, проведено (спільно) випробування бурякозбиральних машин і комбайнів; [7, 9, 13, 18, 22, 24, 42, 45, 48, 50, 53] - сформульовано концепцію і отримано результати розрахунку рамних конструкцій на міцність і надійність з врахуванням особливостей навантаження, запропоновано підходи до проектування раціональних несучих конструкцій; [8, 17, 20, 21, 32, 35, 38, 39, 44, 51] - розроблено аналітично - експериментальні моделі зародження і розвитку тріщин в зонах зварних з'єднань, отримано експериментальні результати кінетики тріщин, характеристик циклічної міцності та тріщиностійкості матеріалів; [1, 5, 6, 14, 15, 23, 27, 28, 34, 36, 43, 47, 52] - сформульовано математичні моделі розвитку ламаних тріщин в неоднорідних напружених полях, проведено розрахунок КІН КІ для тріщин в профільних елементах за особливостей навантаження.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, 7 розділів, загальних висновків, переліку посилань із 342 найменувань та додатків. Загальний обсяг дисертації - 395 сторінок (основний текст - 308 машинописних сторінок, 139 рисунків, 26 таблиць).

Похожие статьи




ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ - Методи прогнозування ресурсу несучих і функціональних систем бурякозбиральних комбайнів

Предыдущая | Следующая