авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 |

«Федеральное агентство по образованию ГОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» С.В. Мельник, В.П. Расщупкин, ...»

-- [ Страница 2 ] --

При математическом моделировании определены элементы, ко торые позволяют наиболее эффективно влиять на изменение механи ческих свойств стали. Установлено значение интегрального пара метра уровня легирования zy=0,5…0,6 для высокомарганцовистой стали, которому соответствуют увеличение концентраций ограни ченного числа таких элементов, как никель-молибден и никель-хром или микролегирование одновременно несколькими элементами – никелем, молибденом, ванадием, ниобием, титаном и редкоземель ными металлами. С помощью интегрального параметра уровня леги рования разработаны новые составы стали для различных условий эксплуатации гусеничных машин.

5.2. Наноматериалы Наноструктурные материалы (НМ) – это разновидность материа лов, которым именно присутствие наноразмерных элементов (мор фологических единиц) придает желаемые свойства. Данное опреде ление также требует некоторого комментария.

Общеизвестно, что любое вещество – это совокупность атомов или молекул, которые представляют собой распространенные в при роде нанообъекты. Однако констатация этого факта не очень конст руктивна в обсуждаемом контексте, поскольку не может служить основанием для отнесения материала к НМ. Иначе любые материалы пришлось бы считать наноструктурными. В качестве НМ целесооб разно выделить лишь те, которые содержат специфические группи ровки атомов (молекул) нанометровых размеров, благодаря чему и создается качественно новый объект, существенно отличающийся по свойствам от не имеющих таковых структурных единиц (даже если химический состав первых и вторых полностью тождествен). В це лом наноструктурные материалы должны удовлетворять всей сово купности требований, предъявляемых к обычным материалам. Вме сте с тем по мере развития нанотехнологий накапливается все больше специфических условий, пожеланий, подходов и проблем.

В течение веков принципиальной основой материаловедения слу жило представление о том, что свойства материала определяются главным образом тремя параметрами:

- химическим составом;

- технологией получения, т.е. реальной структурой;

- температурой и другими факторами окружающей среды: ее хи мическим составом, оптическими, радиационными, электрическими и магнитными полями.

В последние десятилетия к ним добавился характерный размер частицы или элемента структуры. Отчасти это объясняет некоторые причины и мотивации появления отдельной дисциплины – наномате риаловедения – и ее основных отличительных особенностей:

1. Уменьшение характерных размеров R морфологических еди ниц (отдельных частиц, зерен поликристаллов, пустот, включений других фаз и т.д.) в область R 100 нм ведет к сильному изменению всех физических свойств вещества, причем уменьшение R на поря док: от 100 до 10 нм, затем от 10 до 1 нм и, наконец, до отдельных атомов (~ 0,1 нм), каждый раз создает новую ситуацию и влечет за собой новые причины дальнейшего нарастания отличий от макро скопических образцов того же самого вещества.

В этом кроются большие резервы модификации известных мате риалов и создания совершенно новых из фактически хорошо извест ного и доступного сырья. В результате материаловедение превраща ется из эмпирической суммы знаний, технической дисциплины во все более фундаментальную науку, которая добивается наивысших дос тижений тогда, когда использует в качестве базиса классическую и квантовую физику, химию, биохимию, молекулярную биологию.

2. Оперирование нанообъектами, создание наноструктурных ма териалов и изделий, их аттестация и контроль вызвали к жизни спе цифические подходы, приемы, технические решения, которые полу чили обобщающее название нанотехнология (НТ). Общая тенденция такова, что чем меньше объект, тем большую роль играют диффузи онные и миграционные процессы, самоорганизация структуры, само сборка. Таким образом, целесообразно, раскрывая закономерности наномира и поведения объектов в нем, идти навстречу природе и использовать ее созидательный потенциал в смысле поддержания условий для поатомной самосборки необходимых структур.

3. Преимущества использования наноматериалов и нанотехноло гий многообразны и многоплановы и не всегда могут быть спрогно зированы. Так, удается из обычного и вполне доступного сырья соз давать принципиально новые продукты, добиваться от них свойств и эффектов, недоступных в традиционном материаловедении и техно логиях. Причем эти изделия могут революционизировать не только многие отрасли индустрии (электронику, вычислительную технику, телекоммуникационные системы), но и медицину, экологическую безопасность, оборонную сферу, образование, быт, развлечения и др.

При этом растет востребованность знаний о природе, качественного естественно-научного образования, устойчивость и динамичность экономики, которая все больше базируется на интеллектуальных ресурсах, а не на сырьевых, энергетических, климатических и т.п.

Глобально в области физического материаловедения от НТ ожи дают создания принципиально новых материалов, способных сфор мировать новые потребности и обеспечить их удовлетворение.

В табл. 2 приведены основные виды дефектов и их количествен ная оценка в оборудовании и конструкции.

Таблица Причины выхода из строя металлических деталей в машиностроении Оборудование, Конструкция, Виды дефектов % % Коррозия 29 Усталость 25 Хрупкое разрушение 16 Перегрузка 11 Высокотемпературная коррозия 7 Коррозионная усталость 6 Ползучесть 3 Износ (абразивный) 3 Из приведенных в табл. 2 данных следует, что двумя главными техническими причинами аварий являются различные виды устало сти и коррозии. Отсюда можно сделать заключение о первоочеред ных задачах борьбы за надежность воздушных судов и авиационного оборудования. Учитывая, что в конструкции, например, самолета «Боинг» имеется около 3 млн отверстий и около 0,5 млн болтов, упрочнение в области концентрации напряжений – одна из самых актуальных задач авиационного материаловедения.

НТ может предложить ряд перспективных решений: объемное и поверхностное упрочнение за счет перевода традиционных материа лов в наноструктурное состояние, разработка новых нанокомпозици онных материалов и покрытий, микроэлектромеханических уст ройств для навигации и управления полетами и многое другое. Так, лабораторные испытания показывают, что введение нанотрубок в размере 5 % от массовой доли увеличивает прочность некоторых алюминиевых сплавов вдвое, а специальные антикоррозионные и износостойкие покрытия и смазочные средства увеличивают сопро тивляемость коррозии и износу в несколько раз.

В то же время передовая авиационная наука сама по себе является генератором новых идей и технологий, которые могут быть реализо ваны методами НТ. В частности, разрабатываются специальные покрытия для снижения:

- трения в газообразных и жидких средах;

- теплопередачи;

- льдообразования;

- отражения электромагнитных лучей (обнаружения радаром или инфракрасными головками наведения).

В русле НТ находятся предложения по управлению режимами об текания с помощью микросенсоров и управляемых через микропро цессоры пьезоактуаторов, устанавливаемых с малым шагом на по верхности фюзеляжа и крыльев. Продление таким способом лами нарного обтекания конструкции самолета до более высоких скоро стей сулит немалую экономию топлива. Посредством исполнитель ных механизмов, управляемых по командам от сенсоров, можно перераспределять и оптимизировать нагрузку во время полета и выполнения маневров. Материалы с памятью формы, возможно, помогут создать самолеты с изменяемой геометрией крыла, которые не будут нуждаться в специальных механизмах для их привода.

Следует также заметить, что, несмотря на громадное значение ме таллов и сплавов для современной цивилизации (особенно сталей), их роль и доля в производстве материалов неуклонно падает, а доля полимерных, композиционных, керамических и биоматериалов воз растает. Это приводит к снижению производства черных металлов при некотором росте производства цветных, особенно алюминиевых, сплавов на фоне увеличения совокупного мирового продукта.

При этом уменьшается давление на окружающую среду, снижает ся себестоимость продукции, улучшаются ее потребительские каче ства. Общая тенденция в целом такова, что доля сырья и материалов, а также энергии (в несколько меньшей степени) в себестоимости готового продукта падает, а доля предварительных исследований, проектирования, разработки технологии, самого процесса производ ства увеличивается. Возвращаясь к наноматериалам и их классифи кации, напоминаем, что для отнесения объекта к наномиру достаточ но хотя бы одного размера, лежащего в нанометровом диапазоне.

Выделяются всего три класса НМ: наночастицы;

нанослои, плен ки, приповерхностные структуры;

объемные наноструктурные мате риалы:

- биосовместимые/биодеградирующие материалы;

- дисплейные и материалы;

- материалы для топливных и гальванических элементов;

- магнитные материалы;

- материалы для тонкопленочных технологий и микроэлектрони ки;

- материалы для литографических процессов;

- наноматериалы;

- материалы для фотоники и оптики;

- мелкодисперсные и керамические материалы для электроники;

- реагенты для электроники.

Разумеется, следует отдавать себе отчет, что любые классифика ции и границы между отдельными группами материалов весьма условны. Так, фуллерены, нанотрубки, биомолекулы, мицеллы мож но считать наночастицами, но очень специфическими;

нанокомпози ты могут быть приготовлены и по керамической, и по биотехнологии и т.д. Однако междисциплинарные границы и исторические условно сти, традиции, терминологические предпочтения и тому подобные соображения часто играют решающую роль в отнесении конкретного объекта к тому или иному классу.

Например, в донанотехнологическую эпоху для обозначения на ноструктурных сред использовали термины «субмикронные» и «ультрадисперсные». Для ориентира весьма приблизительно под первыми понимали структуры с характерными морфологическими единицами в диапазоне R от 300...500 нм до 1 мкм, а под вторыми – от десятков до сотен нанометров.

В химии под наночастицами часто подразумевают такие образо вания, у которых отношение числа атомов (молекул), лежащих на поверхности, к объемным 1. Легко видеть, что при таком определе нии наночастицами низкомолекулярных веществ считаются объекты с размерами от десятых долей до ~ 10 нм, а для высокомолекулярных – от единиц до сотен нанометров (при сфероидальной их форме). В физическом материаловедении частицы с размерами ~ 1 нм и менее часто называют кластерами, а материалы с такими морфологически ми единицами – кластерными. Наиболее типичны и интересны сейчас наноструктуры с характерными размерами от единиц до десятков, редко до сотен нанометров.

5.2.1. Совершенствование технологических процессов на основе нанотехнологий Современное производство предъявляет все более высокие требо вания к качеству металла, применяемого для создания машин и обо рудования. Детали и узлы их должны выдерживать большие нагрузки не только в обычных условиях, но и в широком диапазоне темпера тур, хорошо противостоять коррозии, износу, усталости. Кроме того, важно выпускать металл такого сортамента, который позволял бы изготовлять детали машин и строительные конструкции легкими и прочными, снижать потери проката.

При достигнутом уровне производства металла главное направ ление дальнейшего развития черной металлургии – не столько коли чественный ее рост, сколько коренное улучшение качества и расши рение сортамента металлопродукции. Имеются широкие возможно сти нанотехнологий в области порошковой металлургии. За этим направлением большое будущее. Ведь каждая тысяча тонн изделий порошковой металлургии дает стране более полутора миллионов рублей экономии. Здесь создан серьезный научный и конструктор ский задел. Есть установки, которые позволяют распылять расплав ленный металл в мельчайшие гранулы, разработаны головные образ цы оборудования для прессования гранул. Важно в короткие сроки наладить серийное производство таких установок, объединить в одних руках производство порошков, а в машиностроительных от раслях организовать серийный выпуск изделий.

Еще большие возможности связаны с производством конструкци онной стали на основе нанотехнологий. В монографии разработана технология производства высокомарганцовистой стали для изготов ления траков гусеничных машин с применением нанотехнологий в виде ультрадисперсных порошков.

Выделение карбидов в модифицированном сплаве на ранней ста дии кристаллизации изменяет состав твердой фазы, кристаллизую щейся позже, и вызывает образование эвтектической фазы. Количе ство упрочняющей фазы увеличивается на 5–7 %, изменяется ее состав, что отрицательно влияет на стабильность структуры при температуре более 900 0С. Кластерный механизм образования цен тров кристаллизации графита в расплаве чугуна позволяет повысить механические свойства.

Компьютерный эксперимент проводили на ЭВМ по разработан ным алгоритмам и программам. Расчет квазиравновесных концен траций пластинчатых и сферических центров кристаллизации графи та проводили по методу Бринкли. В качестве базовой модели была взята эвтектика Fe – С, содержащая 4,3% С, к которой добавляли микролегирующие добавки щелочноземельных металлов (Mg, Са, Ва) и лантаноидов.

Рис. 7. Механизмы образования центров кристаллизации Расчеты показали, что наиболее вероятен механизм образования центров кристаллизации, приведенный на рис. 7, где I – пластинча тый центр кристаллизации;

II – интеркалят;

III – полеарен;

IV – «сэн двич» – соединение;

V – сферический центр кристаллизации или полиэдран;

VI – карбиды металлов;

М – атом железа, Щ3М или лан таноида. На основе значений потенциалов Гельмгольца все эти со единения располагаются в следующие ряды при T 1150...1200 С и p 100...300 кПа: для эвтектики Fe–C–M, где M – ЩЗМ:

V IV ~ II III I VI, для состава Fe–C–M, где M –лантаноид:

V IV II I ~ III VI.

Полиэдраны со структурой типа V должны быть стабильными частицами (ареновые и сэндвичевые комплексы могут служить вре менными соединениями, образующимися и распадающимися в про цессе образования и роста центра графитизации). В этом случае они могут наблюдаться в реальных расплавах эвтектики Fe–C. Действи тельно, расчет квазиравновесных концентраций соединений I – V выявил p – T области наиболее вероятного обнаружения зародышей кристаллизации со структурой полиэдранов V.

Для натурных испытаний выбрали чугун, микролегированный 0,058% Се. Из литого образца по стандартной методике выделяли графитовые включения, которые сепарировали по мелкости путем их взбалтывания в 10%-ном водном растворе глицерина. Мелкие части цы, плавающие на поверхности раствора, декантировались, отделя лись от раствора на стеклянном фильтре и сушились при комнатной температуре. Химический анализ показал, что выделенный продукт содержит 85,73% С и 13,98% Се, что отвечает составу C71,4Ce0,99. С выделенного вещества были сняты рентгеновский и ИК-спектры на приборах ДРОН-2, ИКС-29. Сопоставление этих спектров со спек трами графита показало наличие существенных строений выделенно го вещества и пластинчатого. Наличие поглощения в области 1000 1200 см-1 в ИК-спектре говорит о существовании пятичленных цик лов в выделенном веществе (в пластинчатом графите эти циклы и отвечающие им поглощения в ИК-спектре отсутствуют). Тем самым натурные испытания подтвердили данные численного эксперимента.

Полученные результаты позволяют проводить целенаправленный подбор микролегирующих добавок к чугунам в зависимости от усло вий плавки металла, скорости охлаждения отливки, ее массы и усло вий термообработки.

5.2.2. Формирование структуры сплавов на основе нанотехнологий Выяснение механизма образования центров кристаллизации гра фита в расплаве чугуна является важным, но до сих пор нерешенным вопросом. В настоящей монографии исследовали механизм образо вания центров кристаллизации графита на молекулярном уровне в рамках термодинамической модели кванторавновесных систем на основе теории информации, теории графов и статистической термо динамики. Измерения состояли из двух частей – компьютерного эксперимента и натуральных испытаний.

Численный эксперимент проводили по алгоритмам и программам, описанным в работах. Расчет квазиравновесных концентраций пла стичных и сферических центров кристаллизаций графита проводили по методу Бринкли. В качестве базовой модели была взята эвтектика Ре-С, содержащая 4,3 % С, которой добавляли микролегирующие добавки щелочноземельных металлов (Mg, Са, Ва) и лантаноиды.

Расчеты показали, что наиболее вероятен механизм образования центров кристаллизации (см. рис. 7), где I – пластичный центр кри сталлизации;

II – интеркалят;

III – полеарен;

IV – «сэндвич» соединение;

V – сферический центр кристаллизации или полиэдран;

VI – карбиды металлов, М – атом железа, ЩЗМ или лантоноида. На основе значения потенциалов Гельмгольца все эти соединения рас полагаются в следующие ряды при Т =1150/1200 oС и p 100... кПа: для эвтектики Pe–C: 14;

….23 16, для состава Pe–C–M, где M – лантоноид: 5421–36.

Полиэдраны со структурой типа V должны быть стабильными частицами (ареновые и сэндвичевые комплексы могут служить вре менными соединениями, образующимися и распадающимися в про цессе образования и роста центра графитизации). В этом случае они могут наблюдаться в реальных расплавах эвтектики Fе - С. Действи тельно, расчет квазиравновесных концентраций соединений I–IV выявил р–Т области наиболее вероятного обнаружения зародышей кристаллизации со структурой полиэдранов V.

На рис.8 изображены зависимости максимальных вероятностей обнаружения, соответствующих квазиравновесной концентрации соединения V (2:3,8%), от давления и температуры расплава при следующих концентрациях микролегирующей добавки: 0,01;

0,05 и 0,1% (кривые 1–3 соответственно).

Из рис. 8 видно, что оптимальными металлами для образования сферических центров кристаллизации являются Mg, Са, Ва, Y, La, Се, Si и Gd.

Для натурных испытаний выбрали чугун, микролегированный 0,058% Се. Из литого образца по стандартной методике выделяли графитовые включения, которые сепарировали по мелкости путем их взбалтывания в 10% -ном водном растворе глицерина. Мелкие части цы, плавающие на поверхности раствора, деконтировались, отделя лись от раствора на стеклянном фильтре и сушились при комнатной температуре.

Рис. 8. Зависимости максимальных вероятностей обнаружения элементов от давления и температуры расплава Распространенные методы модифицирования стали и сплавов до бавками щелочноземельных и редкоземельных металлов повышают пластичность метала и незначительно увеличивают прочность. Дей ствие комплексных модификаторов, содержащих карбидо- и нитри до- образующие элементы, сочетает модифицирование с микролеги рованием, обеспечивая измельчение зерна, твердорастворное и дис персионное упрочнение при термообработке. Введение модификато ров в жидкий расплав является сложной технической проблемой.

Данную задачу удалось решить, применяя принцип нанотехнологии.

Во-первых, была решена проблема получения наночастиц и, во вторых, был найден технологический способ ввода частиц путем вдувания или в виде прессованных таблеток.

Установили, что стали и сплавы интенсивнее упрочняются при введении наночастиц в виде ультрадисперсных порошков (УДП) тугоплавких соединений, частицы которых являются мельчайшими кристаллами размером 0,01…1 мкм, а также комплексными модифи каторами, упрочняющими сплавы на нескольких структурных уров нях. На структурном уровне кристаллических решеток такие части цы, равномерно распределенные внутри зерен и имеющие межфаз ные границы, служат стоками вакансии и атомов примесей, которые в отсутствие частиц снижают силы межатомного взаимодействия в кристаллических решетках и прочность матрицы сплава.

Так, в стали 110Г13Л, модифицированной 0,02% (массы распла ва) карбонитридом [Ti(CN)], на частицах кристаллизуется эвтектика, содержащая 28–30% Fе, Мn, 7–8,7% Р и С, размеры включений кото рой 1 мкм. Частицы УДП делят матрицу сплава на блоки за счет полей напряжений вокруг них, препятствуя движению дислокации и способствуя их зарождению, что повышает предельное напряжение разрушения. Граница зерна в модифицированной стали огибает час тицы и имеет вид ломаной линии. Частицы УДП оказывают влияние на топографию и морфологию избыточных фаз, являясь центрами их кристаллизации, и препятствуют выделению эвтектики, что вызывает инверсию структуры.

6. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СРЕДСТВА ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАШИН Надежность машин в эксплуатации может быть обеспечена в ре зультате решения двух основных задач: первая состоит в выборе до пустимых для данной системы характеристик загружения и среды, вторая – в назначении оптимальных регламентов эксплуатации и дос тижении высокого качества технического обслуживания и ремонта.

Первая задача предусматривает выбор оптимального типоразмера машины, обеспечивающего требуемые показатели надежности при заданных характеристиках загружения и среды (повторности вклю чений и выключений, характера изменения нагрузки, динамических характеристик привода и технологического процесса, температуры, агрессивности среды, наличия абразивов и т. п.).

Эффективность решения этой задачи зависит от степени досто верности методов прогнозирования надежности при переменных воздействиях и совершенства методов и средств технической диагно стики в процессе эксплуатации.

Вторая задача включает: выбор оптимальной системы обслужи вания, в частности технических уходов, ремонтов, транспортирова ния и хранения;

разработку системы контроля, технической диагно стики, сбора и обработки информации о качестве функционирования изделий в процессе эксплуатации;

принятие оптимальных с точки зрения технико-экономических критериев различных этапов эксплуа тации машин;

повышение качества машин при восстановлении.

При эксплуатации машин различают два этапа – до и после капи тального ремонта. Различная прочность элементов современных машин вызывает большие трудности при оптимальном планировании технических уходов и ремонтов и часто приводит к преждевремен ным капитальным ремонтам.

6.1. Обеспечение надежности при проектировании и изготовлении Надежность строительных машин определяется конструктивной схемой сочетания деталей и сборочных единиц машины, техниче скими и эксплуатационными параметрами, а также условиями и режимами работы.

При проектировании строительных машин оценка надежности позволяет определить, достаточно ли отработана данная конструкция для ее использования в заданных условиях эксплуатации. Если ис пользуемые методы предварительной оценки надежности показыва ют, что результирующая надежность машины ниже требуемой, то уже на ранней стадии проектирования, выявив причины недостаточ ного уровня надежности, нужно принять необходимые меры для устранения этих причин.

Большую помощь в прогнозировании надежности может оказать использование методов подобия и моделирования как рабочих орга нов, так и среды. Это особенно важно, когда в сжатые сроки требует ся оценить эффективность прогнозируемого решения. В этой области ведутся работы и имеются разработки. Например, разработаны мето дики для проведения исследований на моделях строительных машин как в естественной среде, так и в измененной, с пересчетом значений величин усилий и напряжений применительно к натуральным образ цам. При составлении задания на проектирование и при проектиро вании машины должны быть точно определены требования к ней в соответствии с условиями эксплуатации и режимами работы.

На стадии задания на проектирование определяют ее предпола гаемую стоимость и расходы, связанные с эксплуатацией. При созда нии новой машины или аналогичной, уже существующей, а также при модернизации эксплуатируемой машины рассматривают надеж ность сборочных единиц и деталей, комплектующих машины. При нимают более совершенную схему унификации и агрегатирования блоков и сборочных единиц, на которые разбивается машина данной конструкции, устанавливают расчетные сроки службы основных деталей и сборочных единиц с увязкой их с предполагаемыми ре монтными циклами.

Даже в том случае, когда машина спроектирована с оптимальны ми параметрами, изготовлена с соблюдением технических условий и правил эксплуатации, использование ее в условиях и режимах, для которых она не предназначалась, приводит к преждевременному выходу ее из строя.

На этапе задания на проектирование машины разрабатывают тре бования к надежности сборочных единиц и деталей, влияющих на работоспособность машины. Технические требования по надежности к сборочным единицам и деталям строительных и дорожных машин разрабатывают в соответствии с методикой, предложенной ВНИИСтройдормашем, и с нормируемыми показателями надежности на машину в целом.

При разборке требований на надежность необходимо тщательно проанализировать соответствие исходных данных реальным услови ям, отражающим специфику работы машины, ее сборочных единиц и деталей. Показатели надежности, включаемые в техническое задание и технический проект, обеспечиваются вероятностными методами расчета при рабочем проектировании и контролируются при ресурс ных испытаниях сборочных единиц опытных образцов и в подкон трольной эксплуатации серийных изделий.

Расчет показателей надежности на стадии технического проекта проводится с целью определения требований надежности на детали, согласования их с требованиями к сборочным единицам и вычисле ния показателей надежности. Поскольку ресурсные показатели сбо рочных единиц определяют их наработку до полной переборки, то каждая деталь сборочной единицы должна иметь такую величину вероятности безотказной работы до замены, которая обеспечит рабо ту сборочной единицы без необходимости ее полной переборки с заданной вероятностью.

При создании новой машины, аналогичной уже существующей, или при модернизации машины необходимо рассмотреть надежность элементов предшествующих аналогов.

Повышение надежности при конструировании обеспечивается за счет применения более качественных материалов, технологичности и точности изготовления и сборки, способов упрочнения, использова ния в производстве передовых технологических методов и серийно сти производства.

Повышение надежности строительных машин можно осущест вить путем упрощения конструкции машины и повышения ее сопро тивляемости внешним воздействиям. Это достигается за счет выбора более простых схем машины с ограниченным числом сборочных единиц, деталей и их рациональной конструкции, а также за счет применения материалов с более высокой прочностью, износостойко стью, антикоррозийностью, хладостойкостью, за счет применения более совершенной технологии изготовления и ее стабильности.

Нестабильность технологических процессов, когда материал, из которого изготовляют машину, ее сборочные единицы и детали, может отклоняться от заданных технических условий изготовления и когда изменяются физико-химические свойства, размеры и взаимное положение обрабатываемых поверхностей, точность обработки, допуски и посадки и т. п., приводит к преждевременной потере рабо тоспособности машины. Повышение надежности достигается за счет улучшения ремонтопригодности машины и применения более рацио нальных методов технического обслуживания и ремонтов, примене ния более эффективных мер защиты машины, сборочных единиц и деталей от воздействия абразивных материалов, запыления и загряз нения поверхностей, более эффективных способов уплотнения узлов трения, применения антикоррозионных покрытий. Весьма эффектив ным является применение автоматического регулирования режимов работы, реагирования ее на внешние возмущения и автоматического восстановления утраченных машиной функций.

Практика показывает, что наиболее часто неисправности конст рукций строительных машин происходят из-за разрушения ходовых рам в местах приварки поперечных балок к продольным балкам рам, в местах сварки стержней металлических конструкций ферм и остова машин и т.п. Причинами этих разрушений являются как недостатки самой конструкции, так и низкое качество сварных швов. Для повы шения надежности сварных ходовых рам строительных машин необ ходимо обеспечивать снятие напряжений, возникающих в процессе сварки, избегать жестких сварных конструкций, не применять сварку для металлов разной структуры. В сварных конструкциях ходовых рам и поворотных платформ следует избегать острых углов и резких переходов, а также добиваться сокращения числа свариваемых эле ментов за счет примененья специальных профилей и штампованных деталей. Повышенный износ беговых дорожек и роликов из-за нару шения технологического режима закалки сферы дорожек приводит к преждевременному выходу из строя опорно-поворотных устройств.

Для повышения долговечности опорно-поворотных кругов рекомен дуется беговые дорожки подвергать закалке токами высокой частоты с предварительной объемной закалкой и высоким отпуском.

Несмотря на то, что поворотные круги шариковой конструкции имеют преимущества перед конструкцией с опорными роликами, все же в машинах, где опорно-поворотные круги воспринимают динами ческие нагрузки, для снижения удельного давления следует приме нять роликовые поворотные конструкции. Применяемые в настоящее время решетчатые и балочные конструкции остовов кранов и других машин из горячего проката не являются лучшим решением. Более совершенные конструкции остовов машин изготовляются из холод ного проката и труб, что позволяет значительно снизить массы кон струкции и стоимость изготовления. Особое внимание уделяется применению прогрессивных заготовок горячих и холодных штампо вок, горячекатаных профилей периодического сечения, гнутых про филей из литья повышенной точности.

Неисправности рабочего оборудования строительных машин наи более часто происходят от разрушения стрел, рукоятей, ковшей у экскаваторов и погрузчиков, отвалов и толкающих брусьев у бульдо зеров, ножей у автогрейдеров. Здесь излом происходит в местах концентрации внутренних напряжений, возникающих после сварки.

Наибольшее разрушение рабочего оборудования наблюдается в зим ний период при низких температурах, что объясняется повышенной хладноломкостью металла. Для повышения надежности рабочего оборудования, кроме приведенных выше мероприятий, рекомендует ся применять штампованные элементы вместо сварных с ограничен ным числом деталей и специальные профили проката. Для повыше ния сроков службы ножей автогрейдеров их следует закалять или изготовлять с наплавкой твердыми сплавами.

Испытания серийных образцов на работоспособность и надеж ность включают: испытания на работоспособность при выпуске каждого изделия с завода, периодические выборочные контрольные испытания на надежность, систематические наблюдения за работой изделий в эксплуатации.

Испытания на работоспособность проводятся заводом изготовителем по специально разработанным и утвержденным тех ническим условиям. Периодические контрольные испытания на надежность проводятся заводом-изготовителем систематически в сроки, установленные отраслевыми техническими условиями.

При оценке качества изделий и проведении модернизации необ ходимо учитывать данные по надежности, полученные из реальных условий эксплуатации. Для этого проводят наблюдения за работой серийно выпускаемых машин в условиях эксплуатации.

Для обеспечения надежности и качества изделий в процессе изго товления во многих отраслевых научно-исследовательских институ тах и на предприятиях созданы отделы и службы надежности. Они осуществляют анализ изделий по результатам испытаний на надеж ность;

анализ отказов и неисправностей, выявленных в процессе производства и эксплуатации;

разработку основных направлений для обеспечения надежности изделий;

координацию работ с научно исследовательскими и отраслевыми институтами.

Для выполнения этих работ на крупных предприятиях имеется инженер по надежности. Он собирает информацию об отказах и неисправностях, заполняет информационные карты, проводит пер вичный анализ информации, определяет виды отказов и причины их появления, ведет учет всех испытаний, проводимых в цехе, раз в квартал информирует на производственном совещании о надежности испытываемых в цехе изделий, контролирует своевременность разра ботки и внедрения мероприятий по повышению надежности изделий, принимает участие в разработке программ испытаний изделий на надежность.

Контроль и регулировка гусеничного хода заключается в провер ке в нем натяжения путем замера расстояния между задним поддер живающим роликом и поднятым над ним полотном у многоопорных рамных гусениц и расстояния между планкой, приложенной в ниж ней грани поддерживающих роликов, и низкой точкой провисшей ветви безрамных гусеничных ходов, которые регламентируются заводской инструкцией. В среднем провисание гусеницы должно быть в пределах 0,1…0,2 от расстояния между опорами, а разница в длине двух гусеничных лент не должна превышать 10 % шага ее звена. При этом каждый ее шарнир должен вращаться под действием собственной массы.

Недостаточное натяжение гусениц приводит к сбросу их во время движения, особенно при разворотах. Чрезмерное натяжение влечет увеличенный расход мощности и повышение износа деталей гусе ничного хода. При движении в вязких, мерзлых и каменных грунтах, а также по обильному снегу натяжение гусениц следует ослаблять, а при значительном износе деталей гусеничного хода натяжение реко мендуется увеличивать. Регулировку гусеничного хода производят с помощью натяжных приспособлений, добиваясь, чтобы натяжение правых и левых гусениц и цепей было одинаковым. Данные о пре дельных износах (в мм), допускаемые в элементах гусеничного хода промышленных тракторов, приведены в технической документации на трактора.

Несмотря на указанные ограничения, с целью обеспечения досто верности результатов рекомендуется стремиться к использованию наибольшего числа объектов наблюдений, различных технологиче ских партий исследуемого типа машин, изготовленных в различное время. Основные правила отбора единиц приведены в ГОСТ 18321 88. Основные положения сбора и обработки информации и планиро вание наблюдений приведены в ГОСТ 17510-89, где дано определе ние минимального объема наблюдений и числа объектов наблюдений для оценки показателей надежности.

6. 2. Применение моделей системного анализа при проектировании движителя гусеничных машин Рабочие процессы гусеничных машин могут быть интенсифици рованы при условии обеспечения опережающих темпов научных изысканий и разработок, на основе которых производство могло бы постоянно и непрерывно совершенствоваться. Участие и взаимодей ствие в технологических процессах большого количества машин и оборудования различного назначения и принципа действия, а также операторов и обслуживающего персонала увеличивает сложность задач, связанных с оптимизацией производственных процессов и систем управления. Создание и оптимизация режимов и параметров сложных систем осуществляются методами системотехники, иссле дования операций и анализа систем.

Независимо от способа представления объекта в виде модели или оригинала, области его существования, содержания и характера основным вопросом при решении проблем, связанных с созданием и оптимизацией систем, является выбор варианта, зависящий от спо собности оценить эффективность каждого объекта или группы объ ектов. Широкая и универсальная методология решения проблем названа «системным анализатором».

Система определяется заданием объектов, свойств и связей. Во всякой системе существуют три различных по своей роли процесса:

основной процесс, обратная связь и ограничение. Основной процесс преобразует вход в выход. Обратная связь сравнивает выборку выхо да с моделью выхода и выделяет различие, оценивает содержание и смысл различия, вырабатывает решение, сочлененное с различием, формирует процесс ввода решения (вмешательство в процесс систе мы) и воздействует на процесс с целью сближения выхода и модели вывода. Ограничения состоят из цели (назначения) системы принуж дающих связей, которые должны быть совместимы с целыми.

Система состоит из подсистем. Всякая система является подсис темой некоторой более общей системы. Всякая система является подсистемой некоторой более общей системы. Постулируется, что любая система может быть описана терминами системных объектов, свойств и связей. Решение находят путем операций последовательно го приближения и установления идентификации условия, цели и возможностей. Представление объектов в виде сложной системы позволяет создать структуру формального подхода к решению про блем, что дает возможность решения проблемы рассматривать как цель, а ограничения – как принуждающие связи. При анализе систем необходимо построить модель проблем. Модель дает возможность манипулировать одним параметром.

Развитие и успехи математического и симуляционного моделиро вания на базе широкого применения ЭВМ вызывают большой инте рес к методам физического и физико-математического моделирова ния. Последнее объясняется тем, что в условиях решения поисковых задач, когда структура и состав уравнений, описывающих протекание процессов, не выявлены достаточно четко, надежное решение может быть в некоторых случаях получено методом физического моделиро вания в лабораторных или производственных условиях. Методы физического моделирования рассматриваются как приближенные методы анализа процессов. Они открывают широкие возможности при решении разнообразных задач и, прежде всего, для получения исходной информации по количественным и качественным характе ристикам процесса, для отработки схем механизма протекания про цесса с целью составления математической модели явления, а также для проверки соответствующих аналитических и машинных реше ний.

6.3. Стенд для испытания гусеничных цепей Цель разработки стенда – расширение диапазона испытаний пу тем введения дополнительных схем нагружения. Это достигается тем, что механизм имитации неровностей грунта выполнен в виде двуплечих рычагов, каждый из которых одним концом опирается на опорную поверхность испытуемой гусеничной цепи, а другим взаи модействует с приводом нагружения.

Рис. 9. Стенд для испытания гусениц На рис. 9 изображен стенд для испытания гусениц. Испытуемая гусеничная цепь 1 лежит на опорном катке 2, который неподвижно установлен на основании стенда. Один конец цепи шарнирно соеди нен с основанием, второй связан с механизмом 3 натяжения, который представляет собой гидроцилиндр с системой управления.

С опорной поверхностью трака контактируют элементы, имити рующие неровности грунта, которые представляют собой двуплечие рычаги 4 с регулируемыми контактами 5. Свободные концы рычагов связаны с гидроцилиндрами 6, которые имеют единый блок управле ния, связанный с программным устройством или генератором слу чайных сигналов. Таким образом, опорный каток и рычажные эле менты имитации неровностей грунта с приводом образуют устройст во для загружения катковой нагрузкой.

Стенд работает следующим образом. Механизм 3 натяжения по средством гидроцилиндра нагружает гусеницу растягивающим уси лием. При этом использование электроуправления позволяет модели ровать как статические, так и динамические составляющие растяги вающих усилий в гусеничном обводе. Одновременно в соответствии с заданной программой циклически работает устройство для загру жения катковой нагрузкой. При этом в каждом цикле гидроцилиндры 6 с помощью управляющего устройства создают заданные усилия, которые посредством рычагов 4 и контактов 5 передаются на опор ную поверхность испытуемого трака.

Таким образом, за счет введения электрогидравлического приво да, нагружающего заданными усилиями опорную поверхность трака при помощи системы рычагов, имитирующих неровности грунта, и управляемого механизма натяжения гусеничной цепи создается воз можность с достаточной точностью имитировать нагружение трака гусеничной цепи в опорной ветви и тем самым сделать более точную оценку усталостной долговечности гусеничной цепи при относитель но малой металлоемкости и габаритах.

6.4. Выбор оптимальных параметров нагружений ведущих участков гусеничных цепей Дальнейшее совершенствование конструкции гусеничных тяго вых и транспортных средств (ТТС), связанное, в частности, с умень шением нагруженности деталей гусеничного движения и, как следст вие, снижение колебаний, вибраций и шума требует уточнения рас четных моделей, позволяющих на стадии проектирования машин решать задачи оптимального выбора параметров ведущих участков гусеничных цепей и характеристик элементов подвесок.

Рассмотрены вопросы кинематики ходовой части гусеничной ма шины, предложены методы формирования динамических моделей ведущего участка гусеничного движителя, трансмиссии, колебаний остова трактора. Однако в предложенных моделях в силу различных причин сделаны допущения, оказывающие существенное влияние на формирование кинематических и динамических возмущений на ведущих участках гусеничных цепей. В частности, в некоторых из них не учтены перемещения заднего опорного катка (ЗОК) и измене ние относительно него положения ведущего колеса под влиянием колебаний остова и крюков нагрузки.

Как показывают исследования, один из самых мощных источни ков возмущений, вносящий наиболее значимый вклад в общую кар тину вибраций гусеничной машины, – ведущий участок гусеничного обода. В связи с этим проблема снижения вибраций гусеничной машины за счет выбора оптимальных параметров ведущих участков гусеничных цепей и создания для этой цели адекватных расчетных моделей весьма актуальна.

Кинематические возмущения на ведущих участках гусеничного обвода должны быть смоделированы с учетом двух факторов:

- изменения положения осей валов ведущих звездочек ЗОК и уг лов поворота звездочек вследствие изменения положения остова трактора и наезда последнего опорного катка на неровность;

- кинематического несоответствия скоростей перемотки гусеницы звездочкой и ее выхода из-под ЗОК.

Мгновенное положение оси вала звездочки правого борта относи тельно центра масс остова определяется координатами, для нахожде ния которых используют кинематические соотношения работы. При рассмотрении второй составляющей функции звенчатости необходи мо учитывать кинематическое несоответствие мгновенных скоростей перемотки гусеничной цепи ведущей звездочкой и освобождение цепи из-под ЗОК. При этом исходим из предложения, что гусеничная цепь неразрывна и нерастяжима. Процесс обматывания звеном гусе ницы ЗОК определяется геометрическими инерционными парамет рами ходовой системы, свойствами грунта, скоростью трактора, а также мгновенным положением его состава. При исследовании этого процесса используем метод расчета динамического взаимодействия гусеничного движения с деформируемым опорным основанием.

Метод основан на предположении, что в процессе взаимодействия все силы, действующие на звено гусеницы, находящейся в контакте с ЗОК, в том числе и силы инерций, уравновешиваются реакцией поч вы при каждом положении ЗОК на траке. При этом на равновесие активного звена АВ влияет и соседнее звено ВС (2/3 этого звена), поскольку оно также участвует в передаче давления на почву.

Для рассмотрения равновесия звена АВ необходимо действие зве на ВС заменить реакцией R.

Равновесие звена АВ опишем уравнениями M B M R M Pk M R 21 0 ;

X X X FX PK FT 1 R21 0, где M R – момент от нагрузки, действующей со стороны катка на звено АВ;

M Pk – момент от касательной силы тяги на ведущем участ ке;

МR21– момент от реакции почвы, действующей на звено АВ.

На предварительном этапе в условия равновесия звеньев введены также силы их веса и инерции. При рабочих скоростях тракторного агрегата (максимум 5 м/с) силы инерции незначительны по сравне нию с нагрузкой на звено со стороны катка и реакцией почвы. Силы тяжести, действующие на детали гусеничного движителя, также не влияют ощутимо на динамику их загружения. Поэтому в условия равновесия звена АВ в окончательном виде эти силы не были вклю чены.

Положение звеньев на ведущем участке в каждый момент време ни, обеспечивающее выполнение условий, находим с помощью мно гопараметрового симплексного метода оптимизации: деформации Х грунта под шарниром опорного звена при обкатывании его по по следнему катку и угол наклона звена к горизонтали.

Исследования показали, что поверхность отклика имеет несколь ко локальных экстремумов. Разделом между ними является момент, когда угол меняет знак с «+» на «-». Поэтому поиск оптимума на чинают из двух вершин первичного симплекса, а затем из найденных значений выбирают наиболее близкие к оптимальным. После нахож дения действительных значений определяют реальное положение звеньев на ведущем участке, прежде всего углы наклона звена и участка гусеницы, входящего в зацепление со звездочкой радиусом R.

Флуктуация, в свою очередь, определяет флуктуацию каса тельной силы тяги, возникающей на ведущем участке: PK C, где C – угловая жесткость валов трансмиссии, приведенная к оси ведущей звездочки. Описанный алгоритм определения кинематиче ских возмущений на ведущем участке гусеничного обвода справед лив для любого положения ЗОК на звене, кроме момента перехода катка на следующее звено гусеницы.

В этом случае предлагается другая схема расчета, не предусмат ривающая рассмотрение силового баланса под ЗОК. В качестве до пущения принято, что угол 2 не изменяется до тех пор, пока не произойдет отрыв катка от звена АВ. Ниже приведены кинематиче ские соотношения, которые позволяют определить положение звень ев гусеницы в переходный момент:

3=arctg(RЗОК/(R2+1/cos2));

1=23 – 2, где R2 – участок звена, находящийся под ЗОК в момент касания им следующего звена. Условием полного перехода опорного катка на звено ВС является равенство углов и 1.

Особо следует остановиться на моменте перехода с одной модели на другую. Шаг интегрирования по времени, который дает адекват ные результаты на остальных этапах расчета модели, оказывается слишком велик для процесса перехода ЗОК с звена АВ на соседнее. В этот момент модель возвращается на шаг назад и проходит этот же участок с более мелким шагом интегрирования.

Надо отметить, что при монотонном характере поверхности от клика точность нахождения экстремума определяется ребром сим плекса. При изменении на порядок величины ребра значение в переходный момент изменяется в 5 раз. Повышение же точности расчета за счет уменьшения ребра симплекса приводит к существен ному увеличению времени выполнения программы. Это может зна чительно усложнить решение оптимизационных задач. Поэтому была предложена методика определения дополнительного угла поворота звездочки в момент касания ЗОК второго звена при различных вели чинах ребра симплекса.

Представляется целесообразным в моменты перехода ЗОК на ка ждое следующее звено, не уменьшая шага оптимизации, определять угол поворота звездочки на основе полученной зависимости, что вполне допустимо для постановленной задачи.

Для оптимизации параметров подвески гусеничных машин про ведено исследование систем подрессоривания и ходовой с помощью разработанного программного комплекса для ЭВМ, включающего в себя подпрограмму, моделирующую кинематические возмущения на ведущих участках гусеничного обвода. Последнее позволило более подробно исследовать влияние на уровень возмущений перемещения остова в различных плоскостях, смещения фаз поворота правой и левой звездочек, геометрических параметров ведущего участка.

Для трактора ВТ-100 уменьшение вертикальной координаты оси звездочки на 35 мм приводит к снижению максимального возмуще ния при скорости 2 м/с на ~30%, что подтверждает адекватность модели формирования кинематических возмущений на ведущих участках гусеничного обвода. В этом случае и максимальные ускоре ния центра масс остова, возникающие при рассматриваемой скоро сти, случайном профиле дороги и номинальной крюковой нагрузке, снижаются примерно в таком же соотношении.

Уменьшение длины звена гусеницы позволяет приблизиться к оп тимальным параметрам ведущего участка. Однако при I зв 0,15 м увеличение трака за счет его изнашивания приводит к значительному повышению вибрации, тогда как при стандартной гусенице (0,17 м) этого не происходит.

Методика позволяет оптимизировать параметры ведущего участ ка гусеничных тракторов. В частности, для ВТ-100 виброактивность ведущего участка снижена на ~30%. В результате уменьшены нагру женность прежде всего элементов трансмиссии и деталей сцепного устройства, а также потери мощности двигателя на колебания.

7. ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРИ РАСЧЕТАХ НА ПРОЧНОСТЬ 7.1. Повышение конструктивной прочности на основе создания высокопрочного структурного состояния металла В связи с развитием дорожно-строительных машин, для которых характерно применение сложных конструкций, высоких напряжений и скоростей, комбинируемых схем нагружения при соблюдении высокой удельной прочности, встала задача создания высокопрочно го структурного состояния металлических сплавов.

Основными конструкционными материалами в машиностроении являются металлические сплавы, способные претерпевать большую деформацию без разрушения. Важной особенностью стали в высоко прочном состоянии является склонность к хрупкому разрушению.

Это определяет пониженную конструктивную прочность, недоста точную надежность работы в сложных условиях эксплуатации и накладывает определенное ограничение при использовании высоко прочных сталей на практике. Иногда приходилось поступиться высо кими «абсолютными значениями» прочности, характерными для этого структурного состояния, и ограничиться невысокими ее значе ниями (получаемыми после высокого отпуска) для предотвращения возможного неожиданного хрупкого разрушения. Однако все уже сточающиеся условия службы объектов новой техники настойчиво требовали, чтобы металловеды и конструкторы всё же вернулись к высокопрочным сталям. При этом следовало решить сложную зада чу: при высоких показателях сопротивления пластической деформа ции обеспечить и высокое сопротивление разрушению, особенно хрупкому.


Для определения возможности использования в реальных конст рукциях металлических сплавов, находящихся в высокопрочном состоянии, применение традиционных стандартных методов оценки механических свойств оказалось недостаточным.

Логичным следствием создавшейся ситуации явилась разработка новых критериев оценки работоспособности высокопрочной стали, которыми можно оценить сопротивление разрушению в наиболее жестких условиях нагружения и которые реализуются в случае пло ской деформации. Определение новых критериев, получивших на звание параметров вязкости разрушения, позволило существенно расширить наши представления о возможности надежного примене ния металлических сплавов, находящихся в высокопрочных состоя ниях.

В основе методик, использующих положения механики разруше ния, лежат статические и динамические испытания образцов с ост рыми трещинами, в вершине которых при соответствующих разме рах образца создаются условия, близкие к плоскодеформированному состоянию. Испытание образцов с трещинами обосновано ещё и тем, что в промышленно используемых металлах и сплавах всегда имеют ся металлургические дефекты, которые либо непосредственно пред ставляют собой трещины, либо так же, как они, влияют на процесс разрушения в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, при эксплуатации в условиях стесненного развития пластической дефор мации могут образоваться микронесплошности и трещины, которые резко меняют поведение материала под нагрузкой.

Методы, которые позволяют определить параметры вязкости раз рушения, занимают все большее место наряду с уже давно сущест вующими методиками оценки статической и динамической прочно сти по данным традиционных испытаний на растяжение, усталость, ударную вязкость при различных температурах. Однако следует помнить, что если параметры вязкости разрушения являются кон стантами материалов, то определяемые при традиционных испыта ниях величины сопротивления разрушению в большой степени зави сят от размеров и формы конкретного лабораторного образца.

Вместе с тем возникшее в последнее время мнение о том, что су ществующие методы определения механических свойств в случае высокопрочных сталей должны быть заменены испытаниями образ цов с трещинами, так же неправильно, как и взгляды прошлых лет, в соответствии с которыми традиционные методы испытания механи ческих свойств должны использоваться для характеристики механи ческого поведения стали, находящейся в высокопрочном состоянии.

Только комплексный подход к этой сложной проблеме – оценке работоспособности стали в многообразных условиях эксплуатации – может способствовать решению задачи о прогнозировании поведения материалов, повышении надежности и долговечности их при работе в машинах и механизмах сегодняшнего дня. Причем необходимо, чтобы при выборе комплекса методов оценки механических свойств учитывался вид и характер нагружения, использущиеся при эксплуа тации конкретных изделий. Чем сложнее задача, тем шире должен быть арсенал используемых при решении этой задачи методов.

Таким образом, когда в современной технике говорят о повыше нии прочности, то понимают под этим в широком смысле повышение сопротивления деформации и разрушению при различных напряжен ных состояниях и схемах нагружения, т.е. в таких условиях, при которых может произойти образование и рост хрупкой трещины, вызывающей преждевременное разрушение. Тогда само собой разу меется, что необходимым условием для реализации высокой прочно сти является обеспечение определенного запаса пластичности и вязкости, т.е. характеристики пластичности и вязкости являются как бы составными элементами прочности при действительно физиче ской трактовке этого термина. Необходимо проводить сравнение эффективности различных упрочняющих обработок не по приросту предела прочности, а по комплексу механических свойств, вклю чающему сопротивление малым и большим пластическим деформа циям, пластичность и вязкость при различных температурах, сопро тивление разрушению при наличии трещин. Теория и практика соз дания высокопрочных металлических сплавов свидетельствует о перспективности использования комбинированных способов воздей ствия на процессы структурообразования.

7.2. Радиационная надежность конструкций Материалы и конструкции под действием облучения испытывают структурные превращения, которые приводят к нежелательным из менениям свойств в эксплуатации. Наиболее сильное влияние оказы вает нейтронное облучение.

В работах авторов (27) имеются данные исследований по повы шению радиационной стойкости материалов, которые применяются в конструкциях дорожно-строительных машин на гусеничном ходу.

Дорожно-строительная техника находит все больше применение в самых разнообразных условиях. Условия её эксплуатации все более носят экстремальный характер. До настоящего времени не придава лось большое значение радиационным условиям эксплуатации. Тем не менее данная техника используется на рудниках и в зонах радиа ционной зараженности. Поэтому назрела необходимость проведения глубоких исследований по радиационной надежности техники. В этом случае конструктивная надежность в первую очередь определя ется оценкой радиационной стойкости материалов, которые исполь зуются в той или иной конструкции.

Среди научно-технических проблем одной из наиболее важных является проблема радиационной стойкости конструкционных мате риалов. Наиболее важны для практики явления физики радиационно го повреждения материалов. В основном конструкционные материа лы выходят из строя под облучением в результате вакансионного распухания, ускоренной радиационной ползучести, низкотемпера турного и высокотемпературного охрупчивания, сдвига критической температуры хрупкости. К ряду повреждающих факторов для мате риалов следует добавить явления поверхностной эрозии. Для каждо го вида излучения существуют явления, которые наиболее удобны или, наоборот, непригодны для изучения при использовании данного излучения. Например, с помощью ускоренных ионов углерода, желе за, хрома, никеля радиационное повреждение материала в 100– смещений на атом можно получить менее чем за 1 сутки. Однако из за малой длины пробега тяжелые ионы воздействуют лишь на тонкий приповерхностный слой материала, что делает оценку механических свойств материала очень затруднительной или ненадежной.

7.3. Долговечность ходовой системы гусеничной машины на основе математической модели Повышение технического уровня и разработка новых высокоэф фективных машин требуют фундаментальных исследований на базе математического моделирования и применения современных числен ных методов. Это позволит на стадии проектирования машин обеспе чить современный уровень главных показателей качества, техниче ских, экологических, эргономических, безопасности эксплуатации и обслуживания и других, что обеспечит их конкурентоспособность и эффективную эксплуатацию.

Для проведения таких исследований необходимо разработать комплекс математических моделей, позволяющих с помощью вычис лительной техники моделировать функционирование систем «маши на–среда», устанавливать характер и степень влияния всей совокуп ности факторов, отражающих воздействие как внешней среды на машину, так и ее конструкционных особенностей.

Начиная проектирование машины, задаемся характером нагрузок на ходовую систему и, варьируя основными параметрами, с исполь зованием метода конечных элементов в прикладных компьютерных программах получаем форму сечений и массу несущих деталей ходо вой системы, которые обеспечивают заданную долговечность уже на этапе проектирования. Для этого разработана соответствующая ме тодика.

Первый её этап содержит анализ нагрузочного режима несущих деталей ходовых систем при движении машины с различной скоро стью по заданному микропрофилю пути с возможностью варьирова ния геометрических размеров и точек подвески ходовой системы к раме и опорных катков к рычагам и балансирам. На втором этапе расчетную схему гусеничной машины реализуем в виде локальных конечно-элементных математических моделей, позволяющих произ водить оценочные расчеты усталостной прочности и износостойко сти несущих элементов ходовой системы.

В методике применен метод конечных элементов на основе паке тов прикладных компьютерных программ (SolidWorks, Visual Nastran Desktop, Ansys/DesignSpace, CosmosWorks, MathCAD Professional), позволяющих на стадии проектирования сократить время на разра ботку конструкторской и технической документации, создание опыт ного образца машины, проведение испытаний. Точность расчета методов конечных элементов существенно зависит от размеров, формы элементов и других факторов. Пакеты Ansys/Designer и CosmosWorks дают возможность выполнить анализ сходимости решения в зависимости от размеров (и соответственно количества) используемых конечных элементов.

Методика позволяет моделировать движение машины по местно сти с пробоями подвески, но такие режимы как при натурных испы таниях, так и в реальной эксплуатации рассматриваются как малове роятные при правильном выборе параметров системы подрессорива ния.

Метод анализа долговечности ходовой системы гусеничной ма шины складывается из метода конечных элементов и реализации уравнений кинематических связей гусеничного движителя с опорны ми катками при движении по различным профилям пути с возмож ным пробоем подвески. Предложен комплекс математических моде лей, позволяющих синтезировать движение вне дорог гусеничных машин с различными вариантами конструкции ходовой системы. При этом учтены неголономные связи движителей с опорной поверхно стью, включая кинематику и динамику движения как по микропро филю поверхности, так и при переезде через единичное препятствие.


Метод синтезирования дорожных условий представлен в виде от дельной реализации микропрофиля пути. С помощью математиче ской модели совместной динамики ходовой системы и силовой уста новки гусеничной машины при её движении по профилю пути и через препятствия находим нагрузки, действующие на элементы проектируемой ходовой системы, в функции времени. Затем, исполь зуя прикладные пакеты компьютерных программ, рассчитываем долговечность.

7.4. Критерии долговечности На рис. 10 представлена структурная схема критериев долговеч ности.

Рис. 10. Структурная схема критериев долговечности Основные (общетехнические) параметры долговечности:

1. Физико-механические свойства материала.

2. Коэффициент вязкости разрушения.

3. Состав материала (целесообразность легирования сплава таки ми элементами, которые уменьшают энергию активации микропла стической деформации и увеличивают подвижность дислокации, уменьшая склонность к хрупкому разрушению).

4. Износостойкость.

5. Сопротивление трещинообразованию.

6. Параметры эксплуатации (t °С, VqB, среда, Pнагрузки ).

7. Соотношение между пределом текучести материала и напря жением разрушения ( T разр. );

8. Ресурс службы.

На основе физики твёрдого тела природа долговечности может быть представлена следующими параметрами:

1. Запас упругой энергии. Величина предельной деформации.

2. Взаимодействие дислокации с атомами внедрения. Закрепление дислокации атомами углерода. Распределение дислокаций. Повыше ние плотности дефектов кристаллического строения.

3. Миграция атомов, примесей к дислокациям при объёмных из менениях в упругоискажённых зонах.

4. Уменьшение упругих искажений решётки и уровня остаточ ных микронапряжений (в результате миграции атомов, примесей).

5. Предельная концентрация атомов внедрения для сплава (~3·10-4%), при которых все дислокации оказываются неподвижными (упругая деформация до 10-3).

6. Зависимость склонности к разрушению по мере увеличения содержания примеси.

7. Сопротивление распространению трещины как функции струк туры материала и значений прочности. Уменьшение величины кри тического раскрытия трещины.

7.4.1. Факторы, определяющие надежность работы движителя Гусеничный движитель работает в условиях высоких динамиче ских нагрузок, поскольку непосредственно воспринимает все возму щающие воздействия со стороны грунта на машину. Воздействия эти самые разнообразные: это и большая сила тяги при преодолении тяжелых участков местности, и высокие динамические нагрузки в обводе при движении по дорогам с твердым покрытием на повышен ных скоростях, и значительные ударные нагрузки во всех элементах движителя при преодолении неровностей дорожного профиля, и нагрузки, возникающие при маневрировании (поворотах) машины.

Высокий уровень динамической нагруженности движителя опреде ляет и относительно высокую металлоемкость ходовой части. У транспортных гусеничных машин масса только гусениц составляет 12–15% массы машины, а масса ходовой части иногда достигает 30%.

Однако обеспечение достаточной усталостной прочности – зада ча, не являющаяся особо сложной на современном этапе развития техники. Она успешно решается в различных областях, в том числе и применительно к гусеничным машинам. В настоящее время ресурс основных деталей гусеничного движителя по усталостной прочности практически не ограничивает его долговечность.

Определяющими факторами в проблеме надежности гусеничного движителя являются износостойкость гусеничных цепей, износо стойкость гусеничного зацепления, стабильность взаимодействия гусеничного обвода с элементами, оформляющими его контур, осо бенно с ведущими колесами.

Необходимо отметить, что кинематическая нестабильность рабо ты обвода (нарушение его взаимодействия) может быть следствием как конструкции движителя, так и влияния первых двух факторов – износов гусеницы и зацепления.

В наибольшей степени на надежности гусеничного движителя сказывается долговечность гусеничных цепей, срок службы которых у большинства машин в 1,5–2 раза меньше срока службы остальных агрегатов ходовой части. До последнего времени на отечественных гусеничных транспортно-тяговых машинах использовались преиму щественно гусеницы с открытым шарниром, основным недостатком которых является незащищенность шарнирного соединения от про никновения частиц грунта в зону трения. В результате этого взаимо действие элементов шарнирного соединения происходит в присутст вии абразивной среды. Чем больше абразивных частиц в грунте, тем интенсивнее изнашивается шарнир и быстрее выходит из строя гусе ница.

В результате износа шарнирных соединений шаг гусеничной цепи увеличивается. Это приводит к уменьшению натяжения в обводе и большему провисанию участков обвода в пролетах между катками, вызывающему увеличение вероятности сбрасывания гусеницы.

Уменьшение натяжения может быть компенсировано изменением хода натяжного механизма путем последовательного удаления из гусениц траков, если хода натяжного механизма недостаточно.

Однако при значительном увеличении шага гусеничной цепи на рушается взаимодействие гусеницы с ведущим колесом. Это прояв ляется или в проскакивании зацепления, или в его распоре. Проска кивание вызывает значительные ударные нагрузки в элементах трансмиссии и потерю управляемости машины, а распор создает опасность серьезных поломок, так как в этом случае обе ветви, охва тывающие ведущее колесо, нагружаются чрезмерными растягиваю щими усилиями, которые могут привести даже к поломкам бортовой передачи или ведущего колеса. Поэтому для каждой машины уста навливается предельно допустимое минимальное число траков в гусеничной цепи, меньше которого эксплуатация гусеничной маши ны недопустима.

По достижении минимально допустимого числа траков гусенич ная цепь подлежит замене, хотя по прочности и запасу на износ дру гих элементов она могла бы еще работать.

У большинства машин при использовании гусеничных цепей с открытыми шарнирами ресурс гусеничного движителя определяется именно износостойкостью шарниров гусениц. В ряде случаев огра ничивающими факторами являются износостойкость и надежность взаимодействия гусеничного зацепления. Особенно это относится к машинам с тянущим принципом цевочного зацепления, при котором скольжение цевок на входе в зацепление происходит под полной тяговой нагрузкой, что приводит к интенсивному изнашиванию венцов ведущих колес.

Поскольку открытые шарниры гусениц и элементы зацепления работают в условиях свободного доступа в зону трения (скольжения) абразивной среды, а эффективность воздействия последней опреде ляется наличием большего или меньшего количества частиц грунта высокой твердости, то срок службы гусениц до выхода из строя в значительной степени зависит от состава грунта, т. е. от характера дорожных условий, в которых эксплуатируется гусеничная машина.

На песчаных грунтах, где преобладают абразивные частицы высокой твердости (кварц), изнашивание наиболее интенсивное, на чернозем ных грунтах и снегу, где твердых частиц почти нет, изнашивание шарнирных соединений существенно ниже, чем на песчаных.

На грунтах промежуточных типов интенсивность изнашивания меньше, чем на песчаных, но больше, чем на черноземных и лессо вых. На абразивных грунтах интенсивность изнашивания в несколько раз выше, чем на неабразивных. Отсюда и срок службы гусениц на этих грунтах в несколько раз меньше.

Подобная картина характерна и для других гусеничных машин.

При этом независимо от массы машины и конструкции гусеничной цепи количественные показатели интенсивности изнашивания шар ниров (удлинение шага в миллиметрах за определенный пробег в километрах) у всех машин почти одинаковые. Это обусловлено тем, что гусеницы быстроходных транспортных машин мелкозвенчатые, т.е. их шаг примерно одинаков, а износостойкости материалов, ис пользуемых для изготовления траков и пальцев, существенно не различаются. Удельные нагрузки на проушины также в среднем равны у всех машин, хотя последнее обстоятельство при абразивном трении на изнашивании сказывается незначительно. Поэтому из всех факторов, влияющих на изнашивание шарнирного соединения, при определившихся конструктивных размерах гусениц, материалах и технологических приемах изготовления, главным является состав абразивной среды.

Проблема создания надежного гусеничного движителя является актуальной в основном для тех районов нашей страны, где преобла дают песчаные, супесчаные и суглинистые грунты. Для северных и восточных районов, в которых преобладают снежные дороги и цели на или болотистая местность с органическим верхним покровом, задача повышения долговечности гусениц не имеет такой остроты.

Интенсивность изнашивания контактирующих элементов гусе ничного зацепления также зависит от условий эксплуатации машины.

На абразивных грунтах она значительно выше, чем на неабразивных, но различие интенсивности изнашивания элементов зацепления на разных грунтах меньше, чем относительного изменения шага гусе ниц. Поэтому если на грунтах с высокой абразивной активностью работоспособность гусеничного движителя лимитируется в основном износом шарниров, то на грунтах средней абразивной активности – в равной степени износостойкостью и шарниров, и зацепления, а на безабразивных грунтах – чаще износостойкостью зацепления.

Следует отметить, что работоспособность зацепления в процессе эксплуатации (во всех условиях) можно частично восстанавливать перестановкой венцов ведущих колес с одной стороны на другую.

После такой перестановки рабочим профилем становится тыльный, износ которого всегда значительно меньше переднего.

Повышение износостойкости шарнирного соединения достигает ся в результате выполнения ряда конструктивных и технологических мероприятий, основными из которых являются: совершенствование открытого шарнира путем выбора более оптимальных соотношений размеров проушины траков и пальцев гусениц, применения более стойких материалов (поверхностных покрытий) или технологических процессов, позволяющих повысить износостойкость трущихся по верхностей при абразивном трении;

применение закрытых шарниров, т.е. обеспечение условий безабразивного трения в шарнире;

исклю чение вообще внешнего трения в шарнирных соединениях и исполь зование принципиально новых конструкций шарниров с внутренним трением, обеспечивающих поворот траков (звеньев, плиц) гусениц друг относительно друга за счет деформации упругого элемента, связывающего траки.

7.4.2. Способы повышения долговечности гусениц с открытыми шарнирами Получившие широкое распространение на гусеничных машинах цепи с открытым шарниром обладают существенными преимущест вами перед другими типами гусеничных цепей: они просты по уст ройству, так как включают только две детали – трак и соединитель ный палец;

дешевы и технологичны в производстве, поскольку траки обычно изготовляют литьем, а пальцы (головки) – штамповкой из проката, при этом помимо калибровки проушины, по существу, не требуется никакая другая обработка траков после литья;

в эксплуата ции гусеницы не нуждаются в уходе или обслуживании, за исключе нием периодического контроля натяжения.

Предпринималось много попыток повысить долговечность этих гусениц, сохранив простоту их конструкции. Практически все по пытки преследовали одну цель – уменьшить износ шарнирного со единения или каким-нибудь способом скомпенсировать его.

В качестве одной из возможных мер повышения износостойкости шарнирного соединения рассматривался способ фиксации соедини тельного пальца. Если палец в шарнирном соединении плавающий, то скольжение и изнашивание происходят во всех проушинах.

При закреплении пальца в проушинах одной стороны трака скольжение и изнашивание будут происходить только в проушинах другой стороны. В этом случае износ пальца и проушины, где они соединены неподвижно, будет равен нулю.

Значительное количество работ в последнее время было посвяще но повышению износостойкости открытого шарнира применением в трущейся паре материалов высокой твердости. Сущность этих работ состоит в следующем: необходимо трущимся поверхностям придать твердость, более высокую, чем твердость абразивных частиц, тогда влияние абразива будет сведено к нулю, поскольку он будет являться индифферентной средой.

Твердость абразивных частиц (кварцевого песка) достигает 750…850 кгс/мм2 (на приборе ПМТ-3 при нагрузке 100 кгс), поэтому твердость трущихся поверхностей должна быть еще выше. Материа лы, применяемые для изготовления траков и гусениц, не позволяют обеспечить такую твердость. Отказаться от их использования и пе рейти на другие, более твердые, практически невозможно, так как получившие распространение для изготовления траков гусениц мар ганцовистые стали обладают наилучшей стойкостью к воздействию ударных нагрузок. Это является непременным требованием к мате риалу трака. Выход заключается в применении твердых втулок или технологических способов упрочнения трущихся поверхностей.

Установка твердых втулок в проушины траков неэффективна из за выкрашивания втулок, обусловленного разной твердостью мате риала трака и втулки. Этот способ не получил распространения.

Более рациональным является технологическое упрочнение поверх ностного слоя проушин и траков на небольшую глубину (0,2…0, мм). Трущиеся поверхности упрочняются, как правило, путем по верхностного насыщения пальцев и проушин химическими соедине ниями, обладающими высокой твердостью (например, борирование).

Поверхностная твердость в результате этого может быть получена значительно более высокой (1500…1800 кгс/мм2), чем твердость абразивных частиц грунта. При такой твердости трущихся поверхно стей износостойкость пары «проушина-палец» в абразивной среде существенно повышается.

Экспериментальные исследования показали, что наибольший эф фект от поверхностного упрочнения достигается в том случае, когда упрочнению подвергается только палец, а проушины трака не упроч няются. По-видимому, это следует объяснить тем, что марганцови стая сталь после упрочнения теряет склонность к наклепу от дейст вия высоких контактных давлений (характерных для случая абразив ного изнашивания) и, следовательно, становится менее износостой кой. Для этой цели упрочнение, по существу, не дает повышения фактической твердости в микрозонах, где происходит взаимодейст вие абразивных частиц с металлом, поэтому не является эффектив ным.

При эксплуатации гусеничных машин в разных районах на раз личных грунтах одна и та же конструкция гусеницы с упрочненными пальцами имеет различную износостойкость. Так, в условиях кварце вых песков износостойкость гусениц при использовании упрочнен ных пальцев повышается на 60-65% по сравнению с обычными гусе ницами, в условиях грунтов умеренной абразивной активности – в среднем на 20-30%, а при эксплуатации на дорогах с твердым покры тием, на снегу и неабразивных грунтах (чернозем, лессовые пески) эффект от применения упрочненных пальцев вообще отсутствует.

Это является результатом того, что износ упрочненного слоя не зависит от наличия и характера среды, в которой работает шарнир.

Упрочненный слой изнашивается в среднем на всех грунтах за один и тот же пробег. Поэтому интенсивность изнашивания гусениц в пер вый период, когда на пальце сохраняется твердый поверхностный слой, очень мала в любых дорожных условиях и находится в среднем в пределах 0,4…1,9 мм/тыс. км (по шагу гусеницы) для разных ма шин. Во втором периоде, после того как упрочненный слой полно стью износится, интенсивность изнашивания и, следовательно, уве личения шага гусеничной цепи резко возрастает. В этот период темп увеличения шага примерно соответствует темпу у обычной неупроч ненной гусеницы. Так, на грунтах со средней и высокой абразивной активностью он составляет 3,6…9,1 мм/тыс. км, что находится на уровне серийных гусениц с открытыми шарнирами.

Сравнивая интенсивность суммарного изнашивания упрочненно го слоя пальцев и проушин с интенсивностью изнашивания обычных шарниров в безабразивной среде, можно видеть, что они примерно одинаковые. Следовательно, если гусеницы с упрочненными поверх ностями трения эксплуатируются в начальный период на безабразив ных грунтах (или на грунтах с низкой абразивной активностью), то срок службы их практически не увеличивается. Если же начальная эксплуатация происходит в условиях сильного абразивного воздейст вия, то обеспечивается прирост срока службы гусениц.

В этих условиях начальная интенсивность изменения шага упроч ненных гусениц может быть в 8…10 раз меньше, чем у обычных. В результате общая долговечность гусениц повышается. Такой харак тер изнашивания упрочненных шарниров не позволяет однозначно оценивать, насколько возрастает износостойкость гусениц в относи тельных цифрах. Для этого способа повышения долговечности более показательными являются цифры абсолютного увеличения срока службы. В среднем при эксплуатации в смешанных дорожных и климатических условиях срок службы гусениц быстроходных машин при использовании упрочненных пальцев увеличивается на 20…25%.

Практически применение поверхностного упрочнения с точки зрения увеличения ресурса гусеничного движителя равноценно ис пользованию второго комплекта пальцев. При этом следует отметить, что в отдельных случаях для обеспечения использования упрочнен ных пальцев требуется некоторое изменение конструкции траков для того, чтобы предусмотреть необходимый запас толщины проушин на износ. Последнее обусловливается тем, что соотношение износов проушин и пальцев при использовании упрочненных пальцев в гусе ницах с открытыми шарнирами изменяется в сторону относительного увеличения износов проушин.

Рассмотренные способы повышения долговечности движителя с обычными гусеницами (с открытыми шарнирами) позволяют не сколько увеличить его срок службы, но не решают проблему прин ципиально, так как работоспособность гусениц по-прежнему остается ниже, чем остальных агрегатов, и, кроме того, изменяется в зависи мости от дорожно-климатических условий, ввиду того что износо стойкость открытого шарнира определяется характером среды, в которой он работает. Все это свидетельствует о том, что кардинально решить проблему создания долговечных гусеничных цепей для транспортных машин общего назначения можно лишь применением шарниров принципиально новых конструкций. Наиболее перспек тивными из них являются резинометаллические и закрытые.

7.5. Метод оценки надежности и долговечности имитационным моделированием Опыт проектирования и эксплуатации конструкций свидетельст вует о том, что уже на первом этапе для обоснования принятых ре шений целесообразно использовать сравнительные оценки надежно сти конструкций и проанализировать влияние различных конструк тивно-технологических вариантов на их долговечность.

Многообразие случайных факторов и сложный характер протека ния различных стадий усталостного разрушения конструкций не позволяют в настоящее время построить полную аналитическую модель этого процесса. Более перспективным является использова ние метода имитационного моделирования, создающего широкие возможности для анализа реальных ситуаций, возникающих как в ходе изготовления конструкций, так и во время их эксплуатации.

Этот метод базируется на основе использования общих принципов имитационного моделирования, методики прогнозирования кинетики разрушения соединений и расчетной модели для оценки параметров их надежности.

Базой для построения имитационной модели должны служить ре зультаты экспериментов, в которых в максимальной степени сохра нены технологическое подобие образцов, а также схема их загруже ния применительно к реальной конструкции. Математическая модель должна наиболее полно отражать особенности кинетики разрушения на стадиях зарождения трещины и ее развития.



Pages:     | 1 || 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.