Оценка долговечности и совершенствование несущих систем мобильных машин на стадии проектирования тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Cfl[V!T0BCK¡i3 оряояа Трудового Красного Знамени государственная технический ушверонтет

ОЦЕНКА ДОЛГОВБ'ШОСТН И СОВЕЕНШСТБОВАИШ НЕСУЕЩ СИСТЕЛ «ОБИЛЬНЫХ МАШИН НА СТАДИИ 1Р0ЕКШШЕАНКЯ

Ссопде.тьпость 01.02,03 - Дааамяка, прочность иашш, приборов и аппяратурл

Авто р о ф о р я ™

диссоргацлл га concitarme ученой степэгга достсра "технических паук

На правах рукописи

Саратов 1994.

Работа выполнена в Саратовском государственном техническом университете.

■ Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Диитриченко Сергей Сеиеновнч

Официальные оппонент - доктор технических наук, профессор

Цыбин B.C.

Ведущая организация - завод специальных автомобилей (г. Эн-

[ри

Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, уя. Политехническая, 77.

доктор технических наук, доцент И|урш К.В.

доктор технических наук, профессор Овчинников Й.Г.

гельс)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного технического университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированно: д.?.н..профессор

В.К.Иноземцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуаяъность пооблемн. Одной из сложных научно-технических проблем современного машиностроения является повышение долговечности элементов машин при одновременном снижении металлоемкости. Увеличение мощностей, скоростей движения, Грузоподъемности я пас-заяировместимости'автомобилей, автобусов, троллейбусов.и, связанный с этим, рост напряженности элементов конструкций затрудняют решение указанной проблемы.

В связи с достижениями современной науки-о прочности сложных тонструкций, особенно в связи с созданием современных методов рзс-тетов деталей машин на основе метода конечных элементов, приобретает важное значение стадия проектирования конструкций и отработал первых опытных образцов. Ршениэ этой крупной научяо-техшгеас-той проблемы требует выявления реалышх условий нагружения конструкции, проведения теоретических и экспериментальных исследований зтатической и динамической прочности ее элементов, отвечающей современному уровню. Поскольку указанная проблеяла решена не полностью, тема диссертации является актуальной.

Разработка я совершенствование методов и средств сцепки долговечности элементов несуиих систач транспортных гиапотн соответст-зугт прогревам бывших Министерств автомобильной промышленности I тракторного и сельскохозяйственного машиностроения СССР, а такяе гланам НИР троллейбусного завода им. Урицкого в 1980-1993 тт.

Цель работы - разработка методов оценки долговечности и совер-¡енствованяя несущих систем мобильных машин на стадиях проектиро- . >ания и доводки конструкций (на примере пространственных несущих ¡истем троллейбусов).

Нятчная новизна работн:

- статистические закономерности типичного эксплуатационного гагружения и скоростей движения по различным типам дорог, в том гисле представительные данные о вероятности действия отдельных ¡оставляющих нагрузок;

- методика оценки статистических характеристик микропрофилей юрог, учитывавшая скорость движения машин и максимально учиты-¡аемув длину неровностей для' получения приемлемых решений основной адачи статистической динамики спектральным методом применительно

: тщёйным моделям движения "машин по неровннгл дорогш; ;

о

о

« расчетные схеш пространственных несущих систем троллейбусов дня оценки методом конечных элементов напряиенно-дефордированного состояния конструкций о учетом установленных закономерностей нагру-¡кеншс и отрахешем в конечно-элементной модели этих особенностей;

- статистические закономерности распределения эксплуатационной долговечности элементов несущих систем по данным представительных обследований в городах Россия;

- метод ускоренного' определения параметров степенного уравнения кривых усталости, основанный на скорректированной гипотезе линейного накопления повреждений н выявленных закономерностях сопротивления усталости при ступенчатом ногружешш натурных образцов;

- методика оценки долговечности элементов несущих систем на стадие: изготовления первых опытных образцов, вклзчающая тензомот-рярование в условиях, приближениях к эксплуатационным, и расчетную оценку долговечности с использование?.! установленных весовых коэффициентов (с учетом распределения нагрузок,'скоростей и типов дорог) к характеристик сопротивления усталости сварных узлов.

Праитпческая пеннодт.ь работ?} состоит в следующем:

- созданы стендн и метода для статических и динамических ис-шгаинй натурных несущих систем троллейбусов, учитывающие установленные закономерности эксплуатационного нагрукения и обеспечивающие оценку напряненно-деформированного состояния на стадии изготовления первых опытных образцов е своевременное выявление повреждений элементов конструкций, а'йалагнчнн.т.экспдуагацпошым;

- определены параметры "стедашагх уравнений кривых усталости таловых сварных узлов несущих систем на большом числе патурпнх образцов, положенные в основу уточненных методов расчетной оценки долговечности и рекомендованные для использования при проектировании а доводке других мобильных калин в качестве априорной информации;

- разработаны рекомендации по совершенствованию конструкций несущи систем (рам, подрамников, кузовов) троллейбусов, направленные на обеспечение требуемой долговечности, снижение материалоемкости и концентрации напряжений.'

Реллкзапкя результатов исследования. Разработанные стендн, методы испытаний и расчетов использованы на АО "Троллейбусный завод" при разработке конструкций, доводке и постановке па производство несущих систем троллейбусов ЗиУ-682Б, ЭгУ-6823, ЗиУ-68ЭБ,

ЗиУ-682Г. Так, в практику исследований, испытаний и совершенствования несущих систем внедрены: методика исследования статической прочности несущей системы на стадии проектирования и экспериментальной оценки напрягенно-деформировашюго состояния элементов; методика проведения динамических испытаний машины в условиях, приближенных к эксплуатационным; метод ускоренного определения параметров кривых: усталости по малому числу образцов; методика оценки долговечности элементов конструкции на стадии проектирования и изготовления первых опытных Ъбразцов.

Обоснованные в исследовании рекомендации по совершенствованию конструкций рам, подрамников и кузовов внедрены в серийное производство троллейбусов, что позволило получить экономический эффект 1,53 млн руб. в ценах I991 г.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на научно-технических конференциях "Проблемы снижений материалоемкости силовых конструкций" (Горький, 1989 г.), "Наука - производству" (Набережные Челны, 1990 г.), "Проблема теоретической и прикладной механики" (Москва, 1991 г.), "Концепция развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств" (Оренбург, 1993 г.), на семинаре "Снижение материалоемкости машин и экономия материалов" (Москва, 1987 г.), на расширенном заседании научно-технического совета государственного троллейбусного завода им. Урицкого (Энгельс, 1985 г.), на заседании Ученого совета машиностроительного факультета Саратовского политехнического института (Саратов, 1989 г.), на научно-технических конференциях Саратовского политjxhotеекого института (Саратов, Î974-I993 гг.), на расширенном заседании кафедр "Строительная механика и теория упругости1; "Сопротивление материалов", "Теория механизмов и детали машин" СИУ (Саратов, 1993 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 36 научных статьях, в числе которых 8 отчетов о.НИР, одно авторское свидетельство.

Структура и объем диссертация. Диссертация состоит из введения, 5 гяав^, общих выводов, списка литературы (173 наименования) и при-тоженил. Работа включает259- стр. машинописного текста, 46 иллюстраций, 38 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и основные научные полоаения, которые выносятся на защиту.

В первой главе рассмотрены исследования по тиле диссертации, отмечены перспективные, направления по решаемой проблеме, сформулированы вывода по обзору и частные задачи исследования. Отмечено, что в решение крупной научно-технической проблемы обеспечения требуемой статической прочности и усталостной долговечности элементов металлоконструкций машин, работающих при нагрузках, .переменных во времени, внесли своими трудами большой вклад ученые: Г.Г. Баловнев, В.В. Болотин, Б.В. Бойцов, Н.Ф. Бочаров, Р;К. Ва-фин, В, Вейбулл, Ы.Э. Рарф, Е. ЗЗасснер, Ф.Р. Геккер, Б.Б. Гелыф-гат, М.М. Гохберг, Н.И. Грнпенко, A.C. Гусев, А.П. Гусешюв, С.С, Ддатриченко, Л, Д&онсон, Б.П. Когаев, A.A. Лапин, В.А. Мирки-танов, H.A. Махуtob, В.А. Ошноков, Б.К. Почтенный, Г.С, Писарепко,

A.A. Ракипкий , В.Л, Райхер, Д.Н. Решетов, С.Б, Серенсен, B.C. Стре-яяев, В.А. Светлицкий, А.ф. Селихов, С. Свенсон, Д.А. СосновскиЙ,

B.В. Спиченков, M.G. Степнов, В.М. Сурзя, В.Т. Трощенко, В.И. Тру-фяков, Э.Й. Филатов, .U.C. Цитовпч, B.C. Цыбин, Л.А. Шефер, К.В. Щу-рлн, М.Б. Школьников, H.H. Яценко и др.

На основе обзора сформулированы оледупдяе частные задачи исследования:

- совершенствование методики экспериментального исследования статических напряжений в элементах конструкций несущих систем с использованием современной тензометрической аппаратуры в программных комплексов для анализа напряженно-деформированного состояния деталей; . •

- внедрение в практику расчэтов на стадии проектирования несущих систем машин оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций методом конечных элементов;

- выявление статистических закономерностей нагрукения несуидах систем ыавшн в типичных условиях эксплуатации (нагрузки, скорости, дороги);

- создание комплекса методов и стендов для статических и ресурсных испытаний на усталость натурных конструкций и их элементов;

- определение статистических закономерностей распределения

эксплуатационных ресурсов элементов несудах систем, основных характеристик разрушения конструкций (места возникновения и траектории развития трещины в связи с концентрацией напряжений);

.- создание новой методики оценки статистических характеристик микропрофилей дорог для повышения точности решения основной задачи статистической динамики спектральным методом;

- обоснование метода ускоренного определения параметров степенного уравнения кривых усталости натурных-образцов элементов несущих систем;

- оценка параметров уравнений кривых усталости типичных сварных узлов несущих систем;

- разработка и внедрение обоснованных рекомендаций по совершенствованию сварных конструкций несущих систем троллейбусов,

В главе 2 "Типичные условия нагружеиия элементов несущей сис-темн троллейбуса в эксплуатация" представлены результаты исследования нагрузок от пассажиров, полученные в условиях эксплуатации, а такзе обоснована методам обработки какропрсфглей дорог. Показано, что точность оценки долговечности элементов конструкций па стадии проектирования определяется достоверность!) величия весовых коэффициентов (по нагрузкам, дорогам, скоростям), используемых при расчетах. С целью выявления статистически достоверных значений весовых коэффкцпанов выполнены эксперименты по определению параметров распределения нагрузил от пассажиров на маршрутных линиях г. Саратова на пробеге, равном 48Б0 км. Методикой предусмотрено фиксирование двух параметров: вотпгвшц дсйствутазой гагрузки и соответствующего пробега. Изучены тякпэ составляющие общей нагрузки, дейст-. вувдие на передний и задний мосты троллейбуса, на правый а левый борт, и соответствувкций пробег. Статистическая обработка данных позволила получить значения весовых коэффициентов (табл. I).

Установлено, что больиуи часть пробега троллейбус совершает с нагрузками,. меньшими номинальной (номинальная по ГОСТ 23772-79 составляет Гном = 61160 Н из расчета 5 человек на! м~ свободной площади салона машины). Так, пробег с нагрузками (0;..0,50)РНОМ составляет 72,8 %, с нагрузками (0...0,75)РНОМ - 94,60 %\ в то же время максимальная нагрузка в эксплуатации не превышает 1,37РН0М; центр

тяжести нагрузки в эксплуатации с ее увеличением смещается в сто-'

рону заднего моста машины и правого борта, прячем траектории сме-

?

цента центров тяжести нагрузок - экспериментальной и норг,шруемоЙ по :ГОСТ 23772-79 - не совпадает; при нагрузках от 0 до 0,75РНОЦ !

наг11узка в эксплуатации распределяется неравномерно по площади салона и, что особенно важно, большая ее часть приходится на площадку заднего свеса машины. Ток> коэффициент перераспределения нагрузки по отношению к номинально*'для заднего овееа составляет 1,6, а для средней части машины - 1,2.

Таблица I

Уровни нагрузок Г в долях от номинальной Р,,,.,

_____НОь!____

Коэффициенты К^*

передний!задний! левый ! правый «троллейбус мост ! мост ! борт ! борт !в целом

(0...0,25)Р

ном

(0,25...0,50)Р

ном

(0.50...0,75)Рнои (0,75...1,00)?ВОМ (1,00...1,25)Р

ном

(I ,?.5.. ,1,50)Г

ном

(1,50.. Д,75)Р

ной

(1,75...2,00)Р.

ном

0,7220 0.0950

иг

0,0910

эх.йо

0,0510

ТОГ 0.0210 д&Ж" 0.0100 дат

0.0020 уу.ёи

•0.0040

1би,и

0.2720 2^,20

0.4920 Т&Ж" 0.1810 У0О

0.0510 0.0038 0.0002

0.5430

ь4,зи

0.2810 82,41)

0.1330

95,70

0.0390

0.3140 У1,4и

0.4130

72; 70

0.2050

зЗтаг

0.0550

0.038 98,У8"

0.0010 . 0.0010

0.0100 95,71)

1би,0 ■ д§7НГ

0.0010 дат

0.0010

0.4250 4Й,Ьи

0.3530 7

0.1628

0.0480 99,4(3

0.0057 "99757" 0.0003

Штсг

Примечание; К^^ = коэффициент относительной продол-

жительности действия нагрузки на I км пробега; - пробег троллейбуса с нагрузками -Ь -уровня; ^ - суммарный пробег троллейбуса за время эксперимента.

На основе обобщения результатов исследований эксплуатационных нагрузок, полученных в НАШ и другими авторами для автобусов и троллейбусов, определены параметры распределения интенсивности нагрузок в сетке ВеКбулла:

ш

где $ - параметр масштаба; - параметр формы {8= 7,53; 8" = = 0,671).

Используя (I) и зная величину средней нагрузки автобуса или троллейбуса, можно получить соответствующее распределение нагрузки.

По результатам исследований координат центров тяжести эксплуатационной нагрузки получены вероятные величины нагрузок, действующих на разных площадках салона машины. Стендовые статачеокие испытания и расчета напряжений в элементах конструкций методом конечных элементов показали, что неучет реального распределения нагрузки по площади салона приводит к отличию экспериментальных величин напряжений от расчетных на 30 %.

Дальнейшее совершенствование конструкций транспортных машин невозможно без знания данамичеоких нагрузок, возникающих: от неровностей дорог. Современные метода расчета металлоконструкций, основанные на теории статистической динамики, позволяют для реальных условий эксплуатации оценивать с приемлемой точностью долговечность несущих систем некоторых видов мобильных машин. Серьезным препятствием в применения этих методов являлось описание и задание возмуиаядах функций, то есть микропрофялей дорог.

Анализ предложенных методов измерений я обработки зафиксированного микропрофиля показал, что по критерии среднеквадратическо-го отклонения оди." и тот «в участок дорога можно отнести к асфальту. "хорошему", к асфальту "разбитому" и к булыжной мостовой. Поэтому разработав новый метод определения параметров микропрофилей дорог, в основе которого лежит исключение длинноволновых составляющих продольных микропрофалей о учетом -скоростей движения машины'.

С целью обоснования предложенного метода для ряда элементов несущих систем выполнено исследование, включавшее олэдувдие этапы;

1. Экспериментальное определение- статистических характеристик случайных процессов напряжений и ускорений на "выходе" и ординат продольного микропрофиля новым методом на "входе" плоской динами-че жой линейной модели движения троллейбуса по4 неровной дороге;

2. Расчетное определение статистических характеристик случайных процессов напряжений методами статистической динамики через передаточную функцию' динамической системы.

3. Сравнительный анализ входных и выходных случайных процессов напряжений к ускорений по величинам числа нулей и экстремумов, эффективного, периода, . коэффициента'нерегулярности.■

Экспериментальные этапы задачи решали следующим образом. Для двух выбранных участков асфальтовой дороги разной степени изношенности длиной 200 м измерены ординаты микропрофилей методом нивелирования на базе, равной длине участка, с шагом 0,5 м по двум колеям с лоследузощим осреднением. Случайные процессы напряжений я ускорений в сечениях лонжеронов рамы записаны при движении троллейбуса с полезной нагрузкой''30 кН по этим яе участкам дорог со скоростями 10 , 20 , 30 км/ч.

Амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) процессов напряжений (при раздельном возбуждении вертикальных колебаний подрессоренных масс переднего и заднего мостов троллейбуса) для этих же сечени* лонжеронов определены на барабанном стенде, оборудованном бедовыми барабанами с синусоидальными неровностями. Раздельное возбуждение колебаний основано на предположении малой связи колебаний подрессоренных масс над передним и задним мостами (расчетные коэффициенты подрессоренных масс троллейбуса для нагрузок 0,5; 1,0; 2,0Рноы от номинальной статической нагрузки в салоне соответственно равны 1,17; 1,25; 1,33, что подтверждает приемлемость методики определения АН). При выполнении расчетных этапов исследования спектральные плотности случайных процессов напряжений для исследус.шх сечений лонжеронов троллейбуса определены дауш методами: по общеизвестной-методике без исключения длинноволновых составляющих, из микропрофялп и до предложенной методике (с исключением длинноволновых составляэднх с учетом скорости движения машины).

Результаты расчетов и экспериментов представлены на рис. I, отношение параметров статистических характеристик случайных процессов на "входе" и "выходе" динамг—еской снст<"щ - в табл. 2.

В табл. 2 д^ны величины отношений эффективных периодов

Те, "Т*е/Те^в|Г/^) и Те2&Те/Те(€=25)

чисел нулей

П04*По/Поа=(Г/^) и Яо2 а пв/ П0(1 = 25)

и экстремумов

процессов 1змененг напряжений к те?л жх параметрам микропрофиле"

Тб2 , Пог . Пэг, статистические характеристики которых определены без

исключения из профиля длинноволновых составляющих (£ = 25), и эти же величины , , Пд^ при обработке микропрофиля на длине сглаживания • Параметры процессов изменения напряжений

и шкропрофиля рассчитаны по зависимостям:

эффективный^период

Те =2х[/5х(оо)^ю/ (2)

число экстрег.даов . ^ у

Уа

где спектральная плотность процесса; и> - круговая час-

тота процесса.

Таблица 2

Сечение !(Г» \т/ч

I —

[Те/1

Отношенш! пщ«мет£рв пр^ц^соод _

I * ! 91 ! Ъ п

Т ! 1 И ( «I

, ег \по-( | Пог. | -Щл ! "

Сечение # I (датчик № I), задний свес

10

20

30

Сечение Я 2 (датчик 10 & 5), передний свес

20

0,908 1,104 1,045 1,4

0,818 0,328 1,222 3,058 1,009 0,878 2,0

1,135 0,881 0,944 2,8

1,023 0,977 0,761 2,8

0,820 0,408 1,219 2,449 0,876 0,615 3,6

0,740 1,352 0,962 4,2

0,930 1,073 0,942 '3,6

0,879 0,310 1,135 3,214 0,966 0,907 4,2

0,785 1,271 0,997 5,8

0,796 1,255 1,206 1,4

0,719 0,288 1,388 3,471 1,163 1,010 2,0

0,997 I, ЭО 1,088 2,0

0,947 1,055 1,084 2,8

0,759 0,378 1,316 2,644 ^,275 0,895 3,6

0,685 1,460 1,403 5,8

Анализируя результаты расчетов (рис. I), следует отметить лучшее совпадение кривых спектральных плотностей, полученных экспериментально и расчетом по формуле при сглаживании микропрофиля на длине ^ = Анализ результатов расчетов (табл. показал

существенное расхождение значений параметров Те ,П„ , Щ для

puo. I. Спектральные плотности напряжений в сечении донхерона раин троллейбуса (датчик # 5, = .= 30 км/ч), расочитанные: I - по записи в эксперименте; 2 - upa длине сгяашзвания микроодофияя I 25 и; '3 - при длине сглаживали^ «f/jú'

процвссов изменения напряжений и микропрофияей дорог, обработан-шх по методике без исключения длинноволновых составляющих, и удовлетворительное совпадение этих величин при сглаянвашш микро-' профиля на длине Так, отношешш часе), нулей л0 процес-

сов па "выходе" - напрягений и "входе" - микропро^иля дороги прк движении машины по участку "хорошего" асфзльта с = 20 км/ч рад-нц (табл. 2) дляречений: В I - 2,449; & 2 - 2,644. Отношения чисел экстромумов Пд ПрОЦвССОВ при ТОЙ £3 скорости ДВИЖеН"Я ДЛ^ сечений: й I - 0,615; 11 2 - 0,895. Значительные расхождения цги, этих величин наблюдаются и для микропрофиля участка "разбитого" асфальта (в таблице не приведет!). Этя аз значения для В = г.

2,8 м равны для сечения Л I - 0,977; й 2 - 1,055. Отношения од-сея экстремумов Щ для сечений: й I - 0,944; & 2 - 1,084. Олгдо-.¡рдтельно, при расчете статистических характеристик мшфопр//'л£И но предлагаемой методике обеспечивается удовлетворительной совпадение величин параметров процессов на "выходе" о веяичштури пара-, метров процессов га "входе*. '

На основе выполненных экспериментов и расчетов сформулирована ' следующая методика определения микропрофилей дорог: ' : I. Измеряют ординаты продольного микроирофидя участка дорога .

по двум колея?.! топографическим методом на базе, равной длине уча; стка, и осредшгот.

2. Определяет длины волн сглагивания для исследуемых скосос-г тей движения машины и низшей собственной частоты ее подвески по известной формуле

I«1Г/7н.

'„ где Ь - длина волны оглавЕвакия; V - скорость движения машцдо; собственная низшая частота подвески иаиянн.

3. Ординаты зафиксированного микропрофидя рассчитывают катодом скользящей средней с длинами сглаштаяля для выбранных серостей движения по формуле (3).

4. При единичной скорости двлнония шцшган вычисляют спекграль-•вне плотности для рассчитанных ординат микропрофидя и опредаляют спектральные плотности мвдропрофадей дороги для выбранных скоростей. .

В глава 3 "Оцадаа напряженного состояния ¡жемеьтов нейущэй системы конструкции троллейбуса, на «кадка проектирования прг деЗ-

тз.

ствии статической нагрузки" проанализировано напряженное состояние элементов несущей конструкции троллейбусов различных модификаций, полученное расчетом со методу конечных элементов (МКЭ) и экспериментом на стенде.

Разработаны новые расчетные схемы пространственных несудах систем троллейбусов для оценки ах статической прочности.

В теоретических исследованиях напряженно-деформированного состояния конструкций использован программный комплекс АЕША£, разработанный в ИВТУ и адаптированный к расчету пространственных стержневых конструкций методом конечных элементов.

Предварительные расчеты напрякенно-деформароваиного состояния несущих систем двух модификаций троллейбуса и сравнение результатов расчетов с данными эксперимента показали, что значительное влияние на распределение величин напряжений оказывает схема загру-еония и способ закрепления расчетной модели. Поэтому с целью повышения достоверности получаемых значений величин напряжений в последующих исследованиях большое внимание уделено схеме загрузки как в расчете, так и в эксперименте.

После многочисленных вариантов расчета (7 вариантов) напряжений в элементах конструкция при различных схемах загрукения и ' сравнения полученных величин напряжений с результатами зкснершвн- 1 та принята единая схема распределения внешней нагрузки по площади салона для расчета и эксперимента.

Б предложенной схеме распределения внесшей нагрузки собственный вес конструкции и вес пассажиров представлены в виде давлений, распределенных по площадкам пола и кршш, а так&е в виде систеш сосредоточенных сил, максимально имитирующих характер нагружения реальной конструкции. Схема полной загрузки троллейбуса при экспериментальных исследованиях а расчете представлена на рис. 2.

Основным принципом распределения нагрузки по элементам машины явдяется приложение нагрузки к тому элементу или узлу, где находится агрегат иди действует соответствующая величина этой нагрузки (вес от пассажиров, собственный вес конструкции). Исследования показали, что неучет даже небольших величин нагрузок (500 Н) приводит ж существенным искакениям результатов расчетов и эксперимента.

При отработке расчетных схем несущих систем троллейбуса решена задача нотации оцирания его на подвеску. Это связано с тем, что

расчете -1КЭ конструкция должна быть зафиксирована в простран-

стве относительно глобальных осой. Средства программного комплекса АШ1А2 позволяют закрепить несколько узловых точек конструкция (лишить их часта или всех степеней свободы). Степени свобода для узяов назначаются таким образом, чтобы зафиксировать от перемещения схему в целом, но не препятствовать ее деформации под действием прилоаенншс нагрузок. На рис. 3 дана принятая схема закрепления модели тягача, на которой закрепленные узлы А, В, С, Х> представлены в виде кинематических пар, обеспечивающих соответствующим узлам те зе степени свободы, что и дая реальной конструкции. Опирайте расчетной модели происходит в местах площадок пневмоэлемен-тов, что потребовало введения в расчетную схему коротких стераней Е, имеющих большую жесткость на растяявние-сяатие, не сопротивля-сщихся кручению относительно своей продольной оси и изгибу в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это достигается, заданием большой площади поперечного сечения стердяя и на несколько порядков' меньших величин моментов инерции сечения относительно локальных осей.

Передняя и задняя площадки ппошоэлемептов ведущего моста (левого борта а отдельно — правого) связаны друг с другом при помощи стеряиешх конструкций, ¡алеющих вид равноплечего рычага с закреплением в середине по оси моста. Характеристики этих стержней назначены таким образом, чтобы обеспечить большую кеоткость во всех , направлениях. Такой .™о тип сечзния у стерзпей, слуяащях опорами площадок пновмоэлемептов переднего моста.

При расчета конструкций МКЭ не учитывались касательные и нормальные напряжения стесненного кручения в элементах несущей системы, так как практически все элементы имеют замкнутые профили се-■ чешй.

Опыт расчета подобных конструкций ЫКЭ в НАШ показал, что величина;,ш Г а ё, стесненного кручения в них можно пренебречь.

При расчетах напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов принято:

- коэффициент динамической нагрузки до результатам экспериментальных исследований на ряде троллейбусов равен К^а 1,37;

- нагрузки от веса раин и пассажиров . ■ равномерно распредояе -ны,_- по площади салона машины;

- длина всех элементов расчетной схемы намного больше любого поперечного размера элемента.

ш

ш ш /газ та

еоо 1 мо ¿ею 150& 900

Г

/еоо /з,

нсчЧхзЁпение дЁишенйя

£00

еоо,

та I

9оо |<гга|

Л

у г во

Рис. 2. Схема расчетной загрузи салона троллейбуса ЗиУ-682Г; а - распределенными нагрузками от веса пассажиров и собственного веса; б - нагрузками от веса боковин, агрегатов и частично от пассажиров

Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния несущей системы конструкции троллейбуса от действия статической нагрузки выполнены на специально разработанном стенде, позволяющем проводить испытания полнособранной машины. Стенд оборудован четырьмя механическими подъемниками, системой нагруже-нвя н позволяет многократно и единообразно нагружать конструкцию а процессе испытаний.

Величины напряжений фиксируются изыердтельно-твязометрической снстркой (Л'-'.Т-Й с выходом информации при помощи интерфейса на ШШ "Искрл-К'ЗО.П". Количество одновременно опрашиваемых кана-

лов системы - IOOO. К системе разработан пакет программS11Т Z, включающий в себя программы предварительной подготовки информации etatz.datz г, тарировки системы (511Т Н "fc), проведения испытана:! Sit г .Sitte , а такяе обработки iiit cl результатов и их вывода на печать. Кроме того, в пакет входят необходимее командные и рабочие файлы, другие версии программы.

Рис. 3. Схемы закрепления расчетных моделей тягача и прицепа. Троллейбус ЗиУ-683Б: а - модель тягача; б - модель прицепа; А, В, С,Ь - узлы с закрепленными степенями свободы; Е - элемент "сферический шарнир"

Большой опыт экспериментальны! исследований по определению напряженного состояния элементов конструкции троллейбуса позволих сформулировать некоторые основные подходы к проведению экспериые! та. Так, при общем числе элементов в конструкции машины порядка 1500 для выявления полной картины напряженного состояния элементов конструкции достаточно иметь информацию по 700 тензорезисто-рем. При этом значительное-внимание должно .быть уделено выбору сечений элементов конструкции, подлежащих тензометрированию. Выбор мест наклейки тензорезисторов диктовался необходимостью выявления общей картины напряженного состояния всех элементов конструкции, тогда как ограничение по числу тензорезисторов предопреде дяло неравномерное их размещение по лонжеронам, рамам, боковинам, крыша. Поэтому при выборе мест наклейки тензорезисторов в большей степени ориентировались на данные предыдущих исследований и эксплуатации.

Исследованияни установлено,что больная часть нагрузки, действующей на троллейбус, воспринимается рамой машины, а кроме того, эксплуатация ранее выпускаемых моделей показала также, что большая часть разрушений несущей системы конструкции связана с поломками элементов раш. Поэтому во воех экспериментальных исследованиях прочности элементов конструкции максимальное кодичеоз во тензорезисторов располагалось в сечениях элементов лонжеронов и поперечных рам.

Для модели троллейбуса ЗиУ~б82Г методика проведения экспериментального исследования величин напряжений в элементах конструкции была изменена. На предварительном этапе для несущей сйстеш машины выполнен раочет напряженно-деформированного состояния элементов конструкции МКЭ, по результатам которого и с учетом мест разрушения 9 эксплуатации назначены места наклейки тензорезисторс Экспериментальные исследования величин напряжений в элемента: конструкция троллейбуса ЗиУ-682Г выполнены при одинаковой схеме нагруженвягконструкции в расчетах и эксперименте.

В результате проведения эксперимента в 736 сечениях конструкции трол ейбуса получены величины нормальных напряжений: от полной загрузки троллейбуса; от собственного веса конструкции; отвеса пассажиров.

Анализ результатов расчета и эксперимента показал, что знак величин напряжений практически всегда совпадает; за исключением

сечений, имеющих малую величину напряжений. При этом величины напряжений, полученные в эксперименте, бливв к расчетным эквивалентным напряжениям. Наибольший интерес представляют веялчины расчетных и экспериментальных напряжений в сечениях, подверженных разрушениям, для аналогичных конструкций. Оценку величин напряжений соответствующей выборки по нескольким сечениям показала, что в подавляющем, большинство как знак, так п величина напряжений совпадают, однако имеются сечения, в которых при напряжениях более 40 ЫПа расхождения по величине составляют более 30 %. Но при этом следует отметить, что величины расчетных напряжений в подобных сечениях больше аналогичных величин, полученных в эксперименте.

С целью выявления причин, оказывающих влияние на несовпадение величин расчетных п экспериментальных значений напряяеппй, из расчетной схемы случайным образом были выбраны два элемента: мэя-оконная стойка и верхний и нлгляй пояса левого лонжерона в сродней части троллейбуса, район средней двери. Для выбранных элементов (рис. 4) по результатам расчетов п экспериментов построены эпюры нормальных напряжений. Анализ величин напряжений по граням рассматриваемых элементов показал, что напряяенпя, получснше в эксперименте, зафиксированные по сторонам граней элемента, изменяют не только свою величину, но и знак.

Другой причине"[ расхождения величин напряжений ыозет быть то обстоятельство, что места фиксации напряжений в расчетах и эксперименте различны. При расчетах величина напряжений определяется по концам средней лшшл элемента, которые.являются узловыми точками; в эксперименте напряжения фиксируются по граням сторон элемента и в сечениях, удаленпых на расстояние 20 мм от кромки присоединенного элемента.

Тактл образом, предложенная методика теоретико-эйсперимонтапь-ного выявления напряженно-деформированного состояния элементов несущей системы машины позволяет объективно оценить напряженное со гояние элементов конструкции на стадии проектирования и изготовления опытного образца машины. Taitse следует отметить, что в большинстве случаев сечения с максимальными величинами расчетных -эквивалентных напряжений совпадают с сечениями, подверженными разрушениям в эксплуатации. ■ ' •

В глаяе 4 "Разработка нового метода ускоренного определения параметре \ кривых усталости" излопея метод ускоренного оп,.эцэле-

■+Бв,8В ■

Рис. 4. Распределение теоретических — и экспериментальных -

напряжений по грашш эламентов; 643, 644 ... - номера тензодатчл-ков; +43,3; —16,5 - величины нормальных напряжений в ЬШа

ния предела выносливости элементов конструкция. Анализ известных методов определения предела выносливости показал возможность дальнейшего совершенствования методов при оценке параметров кривой усталости. Так, в исходных предпосылках к методам сумма относительных долговечностей /Н* принята равной единице, тогда как она может быть выбрана дифференцированно в зависимости от формы блока нагружения.

Не учитывается и тот факт, что функции, описывающие первичную и вторичную кривые усталости, - это разные функций.

В основу нового метода положена линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений в виде

1 ¿Т-пх

(Яр = 3 ■> (4)

где <Хр - величина накопленного усталостного повреждения;«^ - амплитудное значение напряжений > ¿-(к ); Л у- частость приложения напряжения ; ¿-к - среднее значение предела выносливости. первичной кривой усталости; - базовое число циклов нагружения, принятое при определении ¿-щ; Пг - показатель степени степенного уравнения первичной кривой усталости.

При этом считается, что при О-р = I возможно появление усталостной трещины, и в то яе время в статистическом смысле двукрат-.ные колебания Лр пе противоречат линейной гипотезе. Наибольшее соответствие линейной гипотеза получается в случаев когда все ашлитудн в блока нагружения превышают предел выносливости и нет больших кратковременных перегрузок. В общем случае нагружения при наличии в блоке больших кратковременных перегрузок при

^¿гаУ^чк* 1,5...2,0, а также пр^ значительной разнице между ¿■I . , когда часть амплитуд блока не превышает ,

¿№3* ЦПЧП ■ |Г4

при наличии в блоке <¿>¿^»¿>-1 к имеют место отклонения от линейной гипотезы. При этом величина СХр рассчитывается по формула

К ¿„К ^ (5)

^{пэх ~ К <о -1«

здесь

у _ V •

) '¿Г^ ТГ * Г1 ^тах ^

где - сроднее значение максимальной амплитуды блока при ре-

нтах . ■ <у

гулярном нагружошш ; К = 0,5 - коэффициент, ха-

рактеризующий влияние напряжений ниаэ'исходного предела выносливости, находящихся в пределах К4 ¿-к iNzщ- сушар-

ное число циклов нагруаения в блоке. Величина накопленного повреждения (Хр принимается по зависимости

ар = -1,45.^ - 0,45. ' (?)

. Параметры кривой усталости ( ¿-ж »^Т- ) определяются по результатам испытаний трех образцов при ступенчатом регулярном нагруке-шш с возрастающей амплитудой напряжения (до появления усталостной трещины) по следующей методике.

Величины ¿ч и считаются заданными по результатам испытаний образцов. По соотношению (6) определяется коэффициент формы блока наггувения, а по ?"рмуле (7) - величина повреждения С1р . Из фортлу лы (5) определяется величина ограниченного предела выносливости

По формуле (4) для каэдого из испытанных образцов имеем соотношения ...

¿1Ь ' ^"И'

Приравнивая знаменатели, уравнений (3) и перейдя к логарифмическим координатам, имеем уравнения для определения показателей степени^: Кл к и К?

-к—---:-> (10>

< V

П12. ^з - яалогич. з.

Значения показателей степени гтъ , рассчитанные по форму 1ац (10), принимаются в качества ориентировочных, при этом из трех принимается большее значение, соответствуйте наибольшей, скорости накопления повреждений и наибольшей сопротивляемости образца усталостному разрушению.

В дальнейшем производится уточнение параметра Ш, , которое сводится к отысканию минимума функционала с заданной точностью £ . функция трех переменных пт' , ш!.' , пЬ получена при совместном решении уравнений (6), (7). Так, имеет вид кг. „ |<5 ,„

аРлп I* ¿и -ы + аР-<5 £ ¿и '

I-----——ь-(II)

»4 т,

где & - малая заданная величина.

Из найденных значений параметра № для каждого иа функционалов принимаются максимальные, которые затеи осредшзгася по трем значениям. Из соотношения (4) определяется число циклов нагруле-шш, соответствующее ограниченному пределу выносливости

^ <¿>1 • "Н ' --- . (12)

0-р <о-1К

А = 1,00...1,56 - коэффициент, учитывающий увеличение вторичного предела выносливости по отношению к первичному.

С использованием степенного уравнения кривой усталости и рассчитывается значение предела выносливости на произвольной базе:

Апробирование предложенного метода выполнено на 5 образцах, представляющих собой часть натурной конструкции раш троллейбуса ЗиУ-682Б. Для сравнения параметры кривой усталости выбранного образца рамы определялись классическим методом.

Расчеты параметров кривой усталости, выполнены по результатам ускоренных испытаний трех и двух образцов при различной сочетании трех из пяти (табл. 3), двух из пятя (табл. 4).

Анализ результатов расчетов показал, что оценки параметров кривой усталости удовлетворительно согласуются с данными зкспо£Л1-

шшта. Отмечено, что некоторый разброс величин параметров кривой усталости - объясним фиксированным выбором значения коэффициента А - увеличения продела выносливости втори^ой кривой усталости по отношению к первичной. Также отмечено, что предложенный метод ускоренного определения предела выносливости натурных конструкций может быть с успехом использован при оценке параметров выносливости деталей ыашин по результатам ускоренных испытаний ограниченного числа образцов. Однако с целью уточнения изложенного метода при проведении экспериментальных исследоваыий начальные ступени нагруяения доданы быть различными, а скорость роста напряжений одинаковой при испытании одной группы образцов, в противном случае результаты испытаний будут описывать различные кривые усталости и возможна значительная погрешность в оценке параметров ограниченной выносливости.

Таблица 3

Обозначения !___________Вешщи&ы___________ (полученные _расчехшр^па.Ш.м£Т£0£ дгщ вадиан£0£ _ •классичес- ; т ! о ! о ! л Т ц 1ким методом| 1 - ! ^ ! ^ ! 4 ! а

При Ор / I

иг ! 3,89 ! 2,84 ! 2,55 ! 3,40 ! 3,53 ! 2,63

(¿>-1К. ИПа ! 24,2 • }22,4 »23,6 При 0|> = I !26,0 !34,3 !18,1

га ! 3,89 ! 2,79 ! 2,59 ! 3,09 ! 3,53 ! 2,65

, ЬШа ! 24,2 !1Ь,5 !19,1 120,1 !ЗХ,4 114,9

Следовательно, возможны дальнейшие совершенствования ускоренных методов определения положения наклонного участка кривой усталости и предела ограниченной выносливости.

В главе 5 "Испытания на усталость элементов несущих систем троллейбусов" изложена новая методика оценки долговечности элементов конструкции троллейбуса на стадии изготовления опытного образца цмпины. Оценка долговечности элементов несущей системы опытного ооразца выполняется по записям переменных напряжений.

С этой целью на базе результатов исследования типичных условий эксплуатации троллейбуса разработана программа режимов нагружения конструкции в условиях, максимальна приближенных к эксплуатационным (табл. 5). Переменные напряжения на всех режимах нагружения записываются ш данной программе на пробеге троллейбуса, равном одному километру. Таким образом, амплитудные напряжения фиксируются для каждого из наиболее нагруженных элементов консгрукции (порядка 10) на суммарном пробеге, равном 48 км.

Таблица 4

!__________В§личида_______. _____

Обозначения ; полученные \ ¿¡а^чатдых да^мв1шв_для_вариадт2в ¡классичес- т I о ! о ! л I ^ Тк ¡ким методоы| 1 I * ! * I 4 ! ь ! ь

Для ар ^ I

т • ! 3,89 ! 3,26 I 2»401 2,56! 2,69! 2789 7 1,56~

¿_(К , МПа 24,2 Ш,6~ ~!26,12121,49!21720!17731 717,ЗЗ-

ДяяОр = I

ГП ! ~3,89 "" ~Г 3,22 "Т^ТиГг, 62! 27751*2783 7 1,57~

Т'2^2 129,91 !20798!17,82!1в7б0!14748 7^.1,7б"*

Таблица 5

Скорость, I______Качество до^ош^го подрдакя_______

Ш'4 !______НЯГ]2УДКа £ £0ДЯ£ ОТ_НВД№ДЛЬН£Й_____

_____!_ 0,25_|.А5С) _!_0*75 _!_ 1,00_ _!_ ..1^25 _!_ _1~С0

20 21а* 21в~ 22а 22в Ш 24а Ш 25а 25в 26а

30 31а ЗГв 32а 32в 33а ЗЗв 34а ЗЗв 35а 35в 36а 35в

40 41а ЗТв 42а Ш 43а ЗЗв 44а 45а 35в 4. с а Ш

50 51а БГв 52а Б2в ЯР 54а Ш 55а 55в ББв

й В числителе - асфальт "хороший", в знаменателе - асфальт "разбитый".

- соответствует режиму: скорость (Г « 50 км/ч: нагрузка Р* » =» 0,75Р„о. ; качество дорожного покрытия - асфальт

Случайные процессы изменения переменных напряжений схематизируется с использованием ЗШ одним из известных методов: полных циклов; экстремумов; разиахов. Результатом обработки являются гистограммы величин напряжений для каждого из режимов нагругония машины - исходные данные, необходимые для оценки долговечности элементов.

Параметры кривых усталости, необходимые при расчете долговечности сечений элементов конструкции, определялись экспериментальным путем для соответствующего узда конструкции. Усталостные испытания натурных узлов-конструкции проводились на двух гидропудь-сационных машинах ГШ-1 п Р-50 с гидропуяьсатором ПГ-Т30/1А00.а тов на двух резонансных стендах.

Стенда представляют собой подрессоренные массы весом 6 и 20 т, на которые устанавливается вспомогательное оборудование: опоры, направляющие, колсода, испытываемый образец. В оборудовании стендов предусмотрены разные варианты опор, различное закрепление испытываемого образца. Двигательная установка вибратора применяется двух типов: в одном случае - двигатель постоянного тока и мотор-генератор, в другом случае - двигатель постоянного тока, управляемый тиристорнкм бкокса. Обе установил позволяют регулировать числа оборотов вибратора в широком диапазоне, в то же время вторая установка позволяет проводить испытания образцов по блок-программному нагругенЕю, воспроизводя реальную гистограмму нагругепия конструкции в эксплуатации. В качестве снловозбудитеяя используется набор двухваяьных вибраторов направленного действия с ''различными усилиями. Контроль режимов нагруаеняя осуществляется посредством тензорезисторов, наклеенных на испытываемые элементы в наиболее нагруженном сечении. Сигнал от тенэорезистора посредством тензоусилитедя передается на идейфовый осциллограф, по величине размаха луча которого контролируется рекам нагружения.

Все ресурсные и усталостные испытания элементов конструкции троллейбуса проводились по следующей методике:

- выбиралась величина максимальных амплитудных напряжений;

- намечалось сечение, подлежащее испытанию переменной нагрузкой, в котором наклеивались тензодатчшси;

- разрабатывалась схема закрепления образца;

- проводились пробные пуски и отрабатывался реши испытаний;

- запускался стенд после отладки реаина испытаний и окончательной тарировки регистрирующей аппаратуры.

Все испытания проводились до разрушения элемента конструкции в выбранном сечении.

Ресурсным испытаниям на вибростендах и гидропульсационных машинах подвергались натурные образцы, выполненные из толстолистовой стали и из труб 40x40x4 и 40x60x4. Испытания элементов подрамника, выполненного в виде балок коробчатого сечения из листового материала толщиной 8 и 10 мм, ■ проводились с целью уменьшения его веса.'.

Испытания выполнены в моноаыплитудном режиме нагруаения образцов напряжением, равным ¿у = 47 1Ша, при числах циклов до разрушения в сечении элемента от К1но = 1,7*10 до N^0 = 3,99.10®. По результатам выполненных исследований разработана и внедрена в производство конструкция подрамника с заданной долговечностью и меньшим (на 41 кг) весом.

Параметры кривых усталости для типичных узлов сочленения элементов конструкции троллейбуса получены при испытании натурных образцов, являющихся частью реальной конструкции машины. Натурные образцы представляют собой сварное соединенно в виде фермы, выполненное аз труб 40x40x4. Испытания на усталость проводились в соответствии с ГОСТ 25.502-79.

Для определения долговечности на стадии проектирования по результатам испытаний получены следующие параметры кривых усталости: для труб 40x40x4 т. = -3,89, = 24,2 Ша, '4,3.106; для случая сварного соединения двух труб 40x40x4, усиленных полосой 60x6, т. = -3,89, ¿_,д = 36,5 Ша, = 4,3-Ю6.

Оценки долговечности элементов конструкции, получаемые по предложенной методике, сравнивались с эксплуатационный ресурсом для этих же сечений подобных конструкций.

С цель» определения эксплуатационной долговечности конструкции троллейбуса продолжительное время проводится сбор и обработка данных о ресурсах элементов ее несущей системы в эксплуатационных условиях. При сборе эксплуатационных данных фиксируется место и характер поломки, траектория трещин, вероятная причина разрушения, ресурс. В процессе статистической обработки данных устанавливали типичные места поломок и характер разрушения; статистические характеристики распределения ресурсов, вероятные причины, сшисащсиа средний пробег до поломки.

Данныэ по разрушениям рам троллейбусов подучены в парках ; г. Саратова и ряда городов России. За время исследований зарегистрировано 340 случаев поломок элементов несущих конструкций троллейбуса ЗпУ-5 и шявлено 102 разрушения "на 173 наблюдаемых троллейбусах ЗиУ-9.

Исследованиями установлено, что типичными местами разрушения конструкции троллейбуса являются сечения лонжеронов в районах крепления опор рессор и пневмоэлементов. Во всех случаях началом зарождения трещины является концентратор напряжения в виде сварного шва или. отверстия под крепление оборудования.

Весь комплекс работ по оценке напряженно-деформированного состояния элементов конструкции на стадии проектирования и изготовления опытного образца машины заканчивается оценкой долговечности наиболее нагруженных элементов конструкции. Оценка долговечности . выполняется по предложенной автором методике, в основу которой положены данные исследований типичных условий нагружения троллейбусов в эксплуатации, результаты статических испытаний конструкции троллейбуса, результаты расчета напряжений в-элементах конструкции троллейбуса ЫКЗ, данные наблюдений за разрушениями элементов в эксплуатации, параметры кривых усталости по испытаниям образцов и нат^ ных конструкций.

Оценка долговечности для выбранных элементов выполнялась по записям переменных напряжений на двух участках дорог длиной I км с "хорошим" и "удовлетворительным" качеством дорожного полотна. Напряжения записывались по программе (табл. 5). Полученные запиои ; напрякений схематизировались тремя методами: полных циклов; экст^-ремуыов; разыахов. Оценка долговечности выполнена при следующих' допущениях:

1. Накопление уоталостного повреждения происходит прямо поо-аорционапьно числу циклов нагружаниа, то есть справедлива гиг^теза линейного накопление повреждений.

2. Дискретные эмпирические распределения амплитуд переменных напряжений с достаточной точностью характеризуют напряженность деталей.

Статическая составляющая напряжений в элементе не оказывает т- цпшя на долговечность сварных конструкций, изготовленных из ниакогэглровашшх сталей.

Оценка долговечности выполнялась о использованием формулы лн-

нейного..суммирования накопленных повреждений в виде, предложенном Л.Н.Реиетовыи: ^ _

* itv

Числитель формулы представляет собой величины переменных напряжений и их частости, записанные в процессе экспершлеитов для различных режимов нагружения на длине I км. В знаменателе находятся параметры кривой усталооти типичного образца конструкции, полученные экспериментальным путем. Суммарный пробег троллейбуса до появления усталостных разрушений в элементах конструкции определяется условиями эксплуатации, которые учитываются при вычислениях по формуле

где СЦ - доля пробега в обдем пробеге о определенной нагрузкой; bj -.доля пробега в общем пробега с определенной скоростью;С« -доля пробега по данному типу дороги в общем пробеге.

Как показал опыт оценки ресурса, формула (14) а учетом (15) дает величину среднего ресурса, хорошо согласующеюся с данными по разрушениям рам в эксплуатации

Разработанная а апробированная в течение 10 лет методика оценки долговечности элементов конструкция троллейбуса состоит в следующем:

1. Назначаются овченяя элемента для записи динамических напряжений при действия на конструкцию пазовых динамических нагрузок (наезд на препятствие, резкое торможение, переезд трамвайных путей и т.д.). Сечения выбираются по величинам нормальных напряжении, полученных в эксперименте от действия на конструкцию статической нагрузки, и по величинам эквивалентных напряжений, рассчитанных методом коиечных элементов.

2. Выбираются Ю сечений для длительного тензометрлроваиия в условиях, приближенных к эксплуатационным, по результатам ашлиза величин максимальных амплитудных напряжений и с учетом мест разрушений элементов в эксплуатации аналогичных малшя.

3. Записываются переменные напряжения для асфальта "хоро.лч>го" & "разбитого" не каждом из режимов нагружаняя (на длине 1т). .

2'J

4. Схематизируется каждый из записанных процессов переменных напряжений методаш: йодных циклов; экстремумов; размахов.

5. Выполняется оценка долговечности элемента для каждого из режимов нагружения о использованием данных по кривой усталости типичного элемента конструкции.

6. Выполняется комплексная оценка долговечности исследованных сечений с учетом веоовых коэффициентов по типичным условиям эксплуатации.

Величины расчетных долговачностей элементов конструкции троллейбуса ЗиУ-662Б для различных методов схематизации процесса даны в табл. 6.

Таблица 6

Методы (Долговечность в годах (числитель) ч отношение рас-^процесса1 |чатной долговечности к нормативной^знаменатель) !дщ ^едзадатзВДЩ._______, __________

{ & 41 & 5 ! & 9 .1 й 13 18 ! »19 ! №21

кг ¿££ ¿л № т Ы-- м-8»--" шщ -Л»

¡¡ж1*3- ы-

* нормативная долговечность по ГОСТ 23772-79 равна 14 лет.

Анализ результатов раочета дояговечностей элементов конструкции троллейбуса позволяет заключить, что расчетные долговечности некоторых исследованных сечений элементов конструкции превышают нормативные, например, в месте расположения тенэодатчнка £ 13 -в 4,18-98 раз; тэнзодатчика Л 19 - в 1,3-11,8 раз. В некоторых, сечениях долговечность ограничивается сроком меньше требуемого. Поэтому выполнен подробный анализ для каждого из исследованных сечений.

Текзодатчпк № 4 расположен на нижней поясе второй поперечно! Фермы. В исследуемой сечении нижняя ветвь фермы имеет разрыв,

что существенно снижает момент сопротивления фермы. В процессе движения на ферму передаются нагрузки от передней подвески машины, вызывая значительные амплитудные напряжения. При всех методах долговечность для данного сечения элемента получилась меньше требуемой или близкой к ней, от 0,211 до 1,023. Малая расчетная долговечность элемента подтвердилась практикой эксплуатации.

Тензодатчик 1з 5 расположен на никнем поясе третьей фермы. На эту ферглу передаются усилия от задней опоры передней подвески. Ферма не ослаблена, имеет небольшой уровень статических напряжений, и величины расчетных долговечностей находятся в пределах от 4,6 до 18,9 лот. Однако в эксплуатации наблюдаются частые разрушения этого элемента. Вероятной причиной разруие-ния в данном сечении моано назвать коррозию. Тал, наблюдения за разрушениями данного элемента в троллейбусных парках страны показали резкое уменьшение толщины элемента в процессе эксплуатации. Это связано с тем, что пространство меаду третьей и четвертой фермами занято ящиками с пусковыми сопротивлениями, излучающими в процессе эксплуатации значительное количество тепла, способствующего интенсивному корродировали» металла. ,

Тензодатчик & 13 расположен на верхнем поясе правого лонжерона в зоне поперечной фермы й 7. К ферме крепятся пневмобалло-яы подвески и соответственно передается нагрузка от задней подвески троллейбуса. Район лонжерона заднего свеса троллейбуса подвержен ча'стым поломкам в эксплуатации. В процессе испытаний установлены следующие величины напряжений: в. статике ¿> = 60,0 МПа; при динамических разовых испытаниях не было обнаружено амплитудных напряжений более чем <с> V = 20,0 1Ша. Расчетная долговечность данного сечения лонжерона равна: Ь. = 3,86-10^ юл - метод экстремумов; Ь. -- 1,0'Ю7 км - метод полных циклов; = 6,87-Ю7 - метод размахов.- Эксплуатационная долговечность составляет ¿л = = 319000 км пробега. Таким образом, расчетная долговечность в данном сечении лонжерона превышает требуемую, что указывает на достаточную как статическую, так и динамическую прочность сечения. Разрушения лонжерона в данном сечении можно объяснить ударными нагрузками, возникающими от пробоя подвески, на наличие которых указывают пластические деформации нижнего пояса лонжерона, обнаруженные при осмотре. - ,

Выбор размещения тензодатчика Мб.расположенного на усилении проема средней двери троллейбуса, обусловлен значительными статическими напряжениями.При действии статической нагрузки отмечены напряжения сжатия, равные ¿> =65,1 МПа. При динамических разовых испытаниях в данном сечзнии зафиксированы напряжения: при движении по асфальту "хорошему"= 61,6 МПа; при движении по асфальту "разбитому" ¿у = 72,8 МПа; при наездах троллейбуса на препятствие левым, правым бортом и двумя колесами<оу =,44,8 МПа, ¿V = 44,8 МПа, = 91.2 МПа соответственно. Однако расчетная долговечность элемента в данном сечении оказалась при всех методах схематизации значительной. Это объясняется тем, что к середине рамы троллейбуса переменные нагрузки от мостов затухают, вызывая в сечениях элемента минимальные переменные напряжения.

Основные результаты работы и выводы

1. Создан стенд для статических испытаний пространственных несущих систем троллейбусов, обеспечивающий т гократное воспроизведение выявленных эксплуатационных режимов натружения, о наиболее высоким уровнем напряжений в элементах рамы, подрамника я кузова при изгибе и кручемш несущей системы на неровных дорогат Стенд укомплектован высокоточным тензометричеекпм комплексом СИИТ-2 Усовершенствованные методики нагружают и измерения, а также разработанный пакет-прикладных программ позволили автоматизировать статистичаокиЛ анализ информации о составляющих суммарных напряжений, о величинах нормальных, касательных и эквивалентных напряжений, определять опасные для прочности зоны конструкция и принимать решения о конструкторских и технологических изменениях.

2. Разработан и внесен в практ. гу исследог чий я доводки несущих систем троллейбусов комплекс гидропуяьсационных стендов (с» задатчиками программ наг-ужения) для ресурсных испытаний на усталость натурных конструкций переменной нагрузкой при моноампдитуд-ном и блочном нагружении. Обоснованная методика динамических испытаний , отражающая установленные закономерности эксплуатационного нагруженая несущих систем, обеспечила совпадение мест возникновения и траектории развития трещин усталости в элементах конструкций выявлен:'.!« . ри эксплу тационных обследованиях и стендовых испыта-, нкях.

3. Установлены статистические закономерности эксплуатационного погружения троллейбусов по результатам исследований на четырех марпрутах г. Саратова в течение полных рабочих смен при общей длине пробега 5 тыс. км. Выявлено, что эксплуатационная нагрузка от пассажиров распределена по закону Бейбулла (среднее значение Г = 19,6 кН; коэффициент вариации (Г' = 0,63; максимальная нагрузка ^тзу = 78,1 кН). Получены представительные данные о вероятности действия отдельных составляющих нагрузок (в частности, на I км пробега). Определено, что: центр тяжести нагрузки смещается в сторону правого борта и заднего моста, троллейбуса па 12 см вправо и на 67 см назад с увеличением нагрузки в салоне от 0,25РНОИ до 1,25РИ0?Л; большую часта, пробега троллейбус проходит о

нагрузкамл, меньшими номинальной; при нагрузках, превышающих номинальную, пробег составляет меньше одного процента, однако повреждающее воздействие этих нагрузок существенно, в связи с чем рекомендуется их включать в программы статических и динамических испытаний, а также отражать в расчетах на прочность несущих систем.

4. Обоснована новая методика оценки статистических характеристик микропрсфилей дорог, учитывающая скорость двил-ения машин я максимально учитываемую длину неровностей, что позволяет получить приемлемое ранение основной задачи статистической динамики спектральным методом г._имешзтельно к линейной хлногомассовой модели движения троллейбусов по неровной дороге. Так, расчетные оценки параметров (среднего числа нулей, среднего числа экстремумов случайных нормальных процессов изменения напряжений и ускорений в единицу времени) и спектральных плотностей процессов па ьлходе динамических систем удовлетворительно совпадают с оценками, определенными по тензометрическим записям напряжений, а соотношения коэффициентов нерегулярности случайных процессов на входе я выгоде динамических систем близки к единице (0,91...1,11).

"5. Разработаны новые расчетные схемы пространственных несусь зистем троллейбусов для оценки статической прочности методом ко-1ечных элементов (ИКЭ), учитывающие установленные статистические шкономерности эксплуатационного нагружения я отражающие в коиеч-ю-элеыентной модели г кструктпвные особенности сложных деталей и гзяов (сочетанием балочных и различных пластинчатых конечных"эло-

ментов). Сопоставление результатов расчета ЫКЭ с экспериментальными данными тензометрических исследований на стенде показало, что разработанные методы расчета МКЭ и стендовых статических испытаний позволяют получать качественно и количественно совпадающие картины распределения нормальных и эквивалентных напряжений, в связи с чем эти методы и .расчетные схеш рекомендованы для использования при проектировании, расчетах и доводке несущих сиотем мобильных машин.

6. Выявлены закономерности распределения эксплуатационной долговечности элементов неоущах систем троллейбусов по результатам представительных исследований в троллейбусных парках г. Саратова

и других городов России (объем выборок составил 513 изделий). Установлено, что коэффициенты вариации распределений находятся в диапазоне 0,12 - 0,20 , а эмпирические распределения удовлетворительно согласуются о законом Вейбупла.

7. Сравнение зон разрушения элементов несущих систем, выявленных при эксплуатационных обследованиях в троллейбусных парках, с результатами расчетов МКЭ напряженно-деформированного состояния деталей и узлов позволило заключить, что уточненные методы расчета выявляют зоны последующего появления трещал усталости в несущих системах при достаточно широком диапазоне величин цробега в эксплуатации. Поэтому рекомендовано проведение усовершенствованных методов раочета ЫКЭ в качестве необходимого этапа в комплексе работ по проектированию и доводке несущих-оистем.

8. Предложен новый метод ускоренного определения параметров степенного уравнения кривых усталости, основанный на скорректировав ной гипотезе линейного накопления повреждений и выявленных закономерностях сопротивления усталости при ступенчатом нагрулешш образцов, проводимом по определенный правилам. Выведенные формулы для определения параметров кривых усталости по результатам испытаний 2-3 образцов позволяют получать оценки, отличающиеся в пределах 10 % от оценок параметров, подсчитанных по известным формулам стандартного построения кривой усталости по 5.образцам. Метод апробирован при испытаниях на усталость натурных образцов элементов несущих систем троллейбусов.

9. По результатам испытаний на усталость натурных образцов типичных элементов сварных несущих систем, проведенных по классической методике на созданных оригинальных стендах при достаточ-

но большой числе образцов (18...20) каадого варианта, определены параметры степенных уравнения кривых усталости! положенные в основу выбора рекомендованных конструкций типовых узлов и расчетной оценки долговечности. Величины параметра пг (котангенса угла наклона кривой усталости в двойных логарифмических координатах) находятся в диапазоне 2,55"...5,89 , практичоскй совпадавшем с величинами, полученными для различных сварных узлов на большом числе образцов в НАТЙ и ИЗО ил. Е.О. Платона. Это обстоятельство позволяет рекомендовать выявленные значения Ш- в качеотве априорной информация при расчетах и испытаниях на усталость.

10. Обоснована и внедрена новая методика оценки долговечности элементов несущих систем троллейбусов на стадии изготовления первых опытпых образцов, вкдотащая: а) тензометрирование в условиях, приближенных к эксплуатационным» по установленной программе, отражающей выявленные закономерности яагруленпя н необходимую длительность экспериментов (порядка 50 км на 48 режимах); б) рас-готную оценку долговечности о использованием определенных в исояе-ювании значений весовых коэффициентов (о учетом распределений нагрузок, скоростей и типа дорог) и параметров кривых усталости реповых сварных узлоз, - _

11. На базо выполненного комплекса работ по сценкам типичных гсиовай эксплуатационного нагруеения, статической прочности и уо-:алостной долговечности разработаны рекомендация по совершенство-5ании конструкций несущих систем, направленные на обеспечение трэ-¡уемой долговечности, снижение материалоемкости а концентрации иа-[вялений, в сварных узлах. Рекомендация внедрены в конструкции со-1Ийно выпускаема троллейбусов ЗаУ-682В» Вз7-682Г, ЗяУ-бЗЗБ, !иУ-6205. В частности, внедрены на троллейбусах ЗиУ-682В, ЗиУ-682Г, ¡йУ-бэЗБ подрамника, узлн дверных проемов кузовов, узды рам в зо-ах крепления мостов. Рекомендована принципиально новая конструк-дя несущей системы перспективной «аидян ЗиУ-6205. Общий эконоиа-еекпй эффект внедренных работ, подтвераденннх актами, составил ,53 млн руб. в ценах 1991 г.

Основные положения диссертации отражены в работах:

I. Анализ поломок рам троллейбусов // Некоторые вопросы исследования дорожных и строительных машин: Сб. науч. тр. / СШ. аратов, 1970. С, 62-68 (Ю.А. Пальм, А.Н.. Содянов, Ю.К. йурцев).

2. Некоторые результаты исследования микропрофиля дорог на маршрутных линиях троллейбусов г. Саратова // Тез. докл. ХХХШ науч.-техн. конф. Саратов, 1970. С. 51-54 (А.Н. Сонянов).

3. Влияние нагрузки, дороги и скорости движения на напряженное состояние рамы троллейбуса // Расчет пространственных систем в строительной механике: Сб. науч. тр. / СШ, С1У, Стройивдуст-рия. Саратов, 1972. С. 143-149 (Ю.А. Пальм).

4. Параметры распределения эксплуатационного ресурса рам // Автом. пром-сть. 1973. № 7. С. 17 (С.С. Дмитриченко, А.Н. Соля-нов).

5. Эксплуатационная нагрукенность троллейбусов // Исследование двигателей внутреннего сгорания и агрегатов транспортных машин: Сб. науч. тр. Выя. 60 / СПИ. Саратов, 1974. С. 131-133 (Б.С. Михайлов, А.Н. Солянов, В.А. Колокольцев).

6. Опыт прогноза реоурса по результатам незавершенных испытаний // Вестн. машиностроения. 1974. Й 3. С. 54-57 {С.С. Дмитриченко, С.К. Агзамов, А.Н. Солянов).

7. Экспериментальное исследование серийных кузовных конструкций типа троллейбусов ЗиУ на статический изгиб и кручение // Тез. докл. - ШШ науч.-техн. конф. Саратов, 1970. С. 48-51 (Ю.К. фурцев, Ю.А. Пальм, А.Н. Соляное).

8. Изменение прочности и жесткости кузова троллейбуса ЗиУ-5 при эксплуатации // Тр. 1СКБ по автобусам. Вып. 3. Львов, 1973. С. 169-177 (Ю.К. Фурцев, Ю.А* Пальм, А.Н. Солянов).

9.- Изменение иапряжошюг-о созтояння в элементах кузова троллейбуса ЗиУ-5 при испытаниях на разных этапах сборки // Тр. ПЖБ по автобусам. Выл. 3. Львов, 1973. С. 161-168 (А.Н. Солянов, Ю.А. Пальм, Ю.К. Фурцев).

10. Исследование статической прочности и жесткости экспериментального кузова ЗиУ-9 // Некоторые задачи прикладной теории упру~-гости: Сб. науч. тр. Вып. 66 / СПИ. Саратов, 1974. С. 135-139 (А.Н. Солянов, Ю.А. Пальм, Ю.К. фурцев).

11. Изгибная и крутильная жесткость секции кузова троллейбуса ЗиУ-9 // Некоторые задачи прикладной теории упругости: сб. иауч. тр. Вып. 2 / СШ. Саратов, 1974. С. 127-135 (А.Н. Солянов, Ю.А. Пальм, Ю.К.- Фурцев).

12. 1С ъшросу о Еуборе оптимальных размеров элементов подрам-

ника с учетом требуемого ресурса // Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций зданий и сооружений: Сб. науч. тр. / С1У, Саратов, 1974. С. 92-98 (В.А. Колокольцев,

B.C. Шаров).

13. Влияние условий эксплуатации на реоурс рамы троллейбуса // Эксплуатация автомобильного транспорта: Сб. науч. тр. /Вып. 74 СПИ. Саратов, 1974. С. 60-67 (В.А. Колокольцев, А.Н. Солянов, Ю.А. Пальм).

14. Расчет средней долговечности рам троллейбусов по результатам тензометрироваппя // Вест, машиностроения. 1975. Л 9. С. 79 (С.С. Дгдитриченко).

15. Исследование микроирофилей дорог для городского транспорта // Автом. пр01Л-сть. 1976. 1£ 5. С. 24-25 (С.С. Дматриченко, И.Н. Илинич, В.А. Колокольцев).

16. Метод оценки статистических характеристик микропрофзлей дорог для расчета долговечности несущи систем мобильных насип на стадии проектирования // Вост. машиностроения. 1281. JS 4,

C. 17-20 (С.С. Дмитричанко, В.А. Колокольцев).

Daitrichenko S.S..Colocolceu U.A..Borovskich U.E. fl solhod of assess inj the statistical characteristics of road aicrcprofils. // Soviet EnginerTina.Ressarch.iSBI.-tl 4.vol 11-15.

18. Исследование микропрофилей дорог с позиций оцешеи яагру-яеннооти несущих систем транспортных машин. Li., 1980 . 32 с. Деп. в НИИНАвтопром, № 8 (106-80) (В.А. Колокольцев).

19. К вопросу о классификации дорог. Н., I960. 24 о. Деп. в НИИНАвтопром, Я 6 (108-80) (В.А. Колокольцев).

20. Исследование эксплуатационной нагрузки троллейбусов. U., 1978. 12 с. Деп. в НИИНАвтопром, № 4 (78/Д/307) (В.А. Колокольцев).

21. Исследование надежности и прогнозирование долговечности несущих систем троллейбусов и автобусов типа рнУг отчет о НИР (Промеж.) / Сарат. политехи, нн-т; Руководитель В.Е. Боровских. II ГР 77032690. Инв. !Ь 5852901. Саратов, 1980. 28 с.

22. Разработка и конструирование оборудования для проведения ресурсных испытаний натурных конструкций. Отчет о НИР (Прдаея.) / Сарат. политехи, ин-т; Руководитель В.Е. Боровских.

й ГР 77032690. Инв. И 5857444. Саратов, 1980. 73 с.

23. Эксплуатационная загруженность пассажирских транспортних средств автобусов и трояяейбусов (Заклотитеяьный отчет): Отчет о ШР / Сарат. политехи, ин-т; Руководитель В.Е, Боровоких.

Л) ГР 01820071444} Инв. й 02830083350. Саратов, 1983. 37 с.

24. Статические испытания серийного троллейбуса ЗиУ-682Б: Отчет о НИР (Промеж.) / Сарат. политехи, ин-т; Руководитель В.Е. Боровских. Деп, во ШГОЩентре, № ГР 01820071444; Инв. й 02840012124.

. Саратов, 1984. 45 о.

25. Оценка долговечности элементов несущей системы конструкции троллейбуса на стадии проектирования // Вестн. машиностроения, I98S. & 2. С. 10-14 (С.С. Дыитриченко, В.А. Колокольцев).,

26. Динамические иопнтания серийного троллейбуса ЗиУ~682Б и расчет долговечности элементов конструкции (Заключительный отчет): Отчет о НИР / Сарат. политехн. ин-т; Руководитель В.Е, Боровоких, й EP 0I85C0I0285; Инв. В 0285005S83. Саратов, 1985. 163 с.

27. Современные конструктивные разновидности рам и кузовов пассажирских автотранспортных средств: Отчет о НИР (Промеж.) / Сарат. политехн. ин-т; Руководитель В.Е. Боровоких, Л ГР 01850010285; Инв. й 02870064521. Саратов, 1987. 35 о.

28. Разработка метода ускоренного определения предела выносливости конструкций: Отчет о НИР (Промеж.) / Сарат. политехн. ин-т; Руководитель В.Е. Боровскпх, № I? 018500102285;

Инв. й 02880060004. Саратов. 1987 . 35 с.

29. A.c. I53358I СОСР, Ш®3 01 >й 3/32. Способ определения предела выносливости материала / В.А. Колокольцев, В.Е. Боровских, И.Б. Сошш, П.И. Рубцов (СССР) У» 4347907/25-28; Заявлено 22.12.67; Опубл. 30.01.90, Бш. «4.

30. О факторах, влияющих на точность оценок долговечности элементоа несущей системы конструкции машины на стадии проектирования. 1991. 13 с. Деп. в НИИстандарт-автосельхозмаш

J® 2095ап-91 (В.А. Колокольцев, И.В. Сонян).

31. Прогноз напряженности элементов конструкции троллейбуса на стадии проектирования. М., 1985 . 29 с. Деп. в НШШАвтопроы

Ä П67ап-123 (И.В. Сонин).

32. Разработка методики определения статистических характеристик мекропрофплел дорог: Отчет о КИР (Промеж.) / Сарат, политехн. ин-т; Руководитель В.Е. Боровских, Уе ГР 0I850CI0285;

Инв. üISCCCOo-lIo. Саратов, 1988. 27 с. 30 ■

33. Оценка напряженного состояния элементов конструкции троллейбуса о учетом реальных условий эксплуатации на стадии его проектирования // Тез. докл. 23 Всесоюз. конф. "Проблемы снижения материалоемкости силовых конструкций". Горький, 1909. С. 17 (И.В. Сошш).

34. Метод отработки конструкции несущей системы троллейбуса // Тез. докл. реопубя. конф.,поев. 10-летиа КАМШ. Набережные Челны, 1990. С. 205 (И.В. Сонин)..

35. Метод конечных элементов для оценки прочностной надежноа»-ти несущей системы троллейбуса // Тоз. Д01сл. маздународя. науч.-тохя.'конф. "Концепция развития и высокио технология индустрии ремонта транспортных средств". Оренбург, 1933. (Е.О. Вдовин, И.В. Coma, У.В. Бороврких).

36. Статические испытания троллейбуса // Тез. докл. меадупародн. науч.-техн. конф. "Концепция развития и высокие технологам индустрии ремонта транспортных средств". Оренбург, IS93 (И.В. Сошш,

Е.Д. Вдовий).'