Технология снижения материалоёмкости сельскохозяйственных машин с помощью систем управляемых затяжек

На правах рукописи

Тюрин Евгений Александрович

ТЕХНОЛОГИЯ СНИЖЕНИЯ МАТЕРИАЛОЁМКОСТИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН С ПОМОЩЬЮ

СИСТЕМ УПРАВЛЯЕМЫХ ЗАТЯЖЕК

Специальность 05.20.01 – технологии и средства механизации

сельского хозяйства.

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Калуга 2007

Работа выполнена в ГОУ ВПО “Московский государственный технический университет” им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал (КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Астахов Михаил Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юдин Владимир Михайлович

кандидат технических наук

Сидоров Сергей Алексеевич

Ведущая организация: Московский Государственный Агроинженерный

Университет им. В.П. Горячкина (МГАУ)

Защита диссертации состоится в часов на заседании диссертационного совета Государственного научного учреждения “Всероссийский научно-исследовательский институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка” (ГНУ ГОСНИТИ) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ.

Автореферат разослан и опубликован на сайте http://gosniti.ru “_____” 200 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Р.Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В технических системах сельскохозяйственного назначения практически везде используются тонкостенные, оболочечные, рамные либо ферменные конструкции (например, рамы транспортных средств или остовы сельскохозяйственных сооружений), масса которых значительно выше по сравнению с зарубежными аналогами, в результате чего себестоимость отечественных изделий и их эксплуатационные расходы существенно завышены.

Одним из путей снижения материалоёмкости сельскохозяйственных конструкций, является применение дополнительных элементов – управляемых и неуправляемых затяжек, при помощи которых, напряжения в поперечных сечениях конструкции за счёт работы системы “конструкция – затяжка”, значительно понижаются. Применение неуправляемых (статических) затяжек для этой цели широко известно и рассмотрено ниже. Но в сельскохозяйственных машинах внешние нагрузки часто меняются во времени в циклическом режиме, что создаёт определённые трудности применения статических затяжек. В результате совместной работы системы “конструкция – управляемая затяжка”, основная конструкция испытывает напряжения гораздо меньшей интенсивности, чем конструкция без затяжки. Следовательно, основную конструкцию можно либо загрузить силой большей величины, либо снизить её материалоёмкость.

Для работы управляемой затяжки предполагается использование энергетического источника. Для упругих механических систем он может быть двух типов: внешний, представляющий энергетическую машину (машину – двигатель) и внутренний, использующий внутреннюю энергию упругого деформирования (упругую энергию) основной конструкции.

Таким образом, управляемой затяжкой (УЗ) можно назвать напрягающий элемент или систему элементов, создающий в напрягаемой (основной) конструкции в заданный момент времени внутренние силы, уменьшающие либо полностью компенсирующие внутренние силы от внешней нагрузки.

Реализация подобного подхода осуществлена автором на примере усовершенствования, с помощью УЗ с внешним энергетическим источником, конструкции ёмкости автокормовоза АСП–25 и разработки нового вида управляемых затяжек, использующих для своего функционирования энергию упругого деформирования разгружаемой системы, которая возникает в ней от действия внешних сил (работа проведена по тематике Гранта РФФИ и Правительства Калужской области № 05-01-96740 (2005г)).

Цель работы. Усовершенствование методов снижения материалоёмкости сельскохозяйственных машин с помощью управляемых затяжек.

Объект исследования. Ёмкость автокормовоза АСП – 25. Двухопорный балочный и консольный элемент рамы вибрационного копателя саженцев ВКС – 2. Консольный элемент рамы культиватора КФС – 2,7В, предназначенного для поверхностного рыхления почвы. Консольный элемент рамной системы агрегата для ухода за садами АСВ – 8.

Предмет исследования. Процесс изменения напряжённо – деформированного состояния систем “основная конструкция – управляемая затяжка” для элементов вышеназванных объектов исследования.

Задачи исследования.

1. Разработать методику проектирования и установить закономерности, при которых применение управляемых затяжек наиболее эффективно и значительно снижает уровень внутренних сил тонкостенных и стержневых конструкций.

2. Разработать конструкцию, методику расчёта и технологию применения продольной управляемой затяжки, необходимой для уменьшения меридиональных напряжений, возникающих в ёмкости автокормовоза АСП–25.

3. Разработать конструкцию, методику расчёта и технологию применения однопролётной двухопорной балки, работающей совместно с управляемой затяжкой, использующей для своего функционирования энергию упругого деформирования элементов рамы вибрационного копателя ВКС – 2.

4. Разработать конструкцию, методику расчёта и технологию применения консольной балки, работающей совместно с управляемой затяжкой, использующей для своего функционирования энергию упругого деформирования разгружаемых рам культиватора КФС – 2,7В и агрегата АСВ – 8.

Научная новизна.

1. Усовершенствована математическая модель и методика проектирования тонких цилиндрических оболочек сельхозмашин, при их совместной работе с продольными и поперечными управляемыми затяжками.

2. Разработана математическая модель управляемой затяжки, необходимой для создания рамных и ферменных конструкций остовов сельхозмашин, работающих в циклическом режиме, с целью снижения их массы.

3. Предложена система инженерных методов определения и регулирования уровня внутренних сил тонкостенных и стержневых агрегатов сельхозмашин, находящихся под воздействием переменных нагрузок.

Методы исследований.

Теоретические исследования проведены с использованием методов механико – математического моделирования напряжённо – деформированного состояния стержневых и тонкостенных систем сельхозмашин. При анализе моделей применялись методы механики деформируемого твердого тела и строительной механики с решением систем уравнений и построений трёхмерных графиков на ЭВМ.

Теоретические исследования однопролётных балок проводились при помощи метода конечных элементов.

Экспериментальные исследования выполнены с использованием отраслевых и частных методик способами электротензометрирования и измерения абсолютных деформаций.

Практическая значимость состоит в разработке новых квазимеханизмов (управляемых затяжек), позволяющих значительно снизить материалоёмкость сельскохозяйственных машин.

Пути реализации работы. Результаты исследования могут быть использованы на сельскохозяйственных машиностроительных предприятиях.

Внедрение результатов исследования. Разработанная конструкция управляемой затяжки использующей для своего функционирования энергию упругого деформирования основной системы: для двухопорной балки, внедрена на ООО “Промтехник” г. Воронеж, при проектировании рамы вибрационного копателя саженцев ВКС – 2 и рамы агрегата для ухода за садами АСВ – 8; для консольной балки, при проектировании рамы культиватора фрезерного КФС – 2,7В.

Материалы исследований используются в учебном процессе на кафедре “Агропромышленная инженерия” КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Апробация. Основные положения работы докладывалась и обсуждалась: на Всероссийских НТК “Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо – и машиностроении”, г. Москва, (2003, 2004, 2005 гг.), Всероссийской НТК “Наукоёмкие технологии в приборо – и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе”, г. Москва, (2006 г.), Региональной НТК “Прогрессивные технологии, конструкции и системы в приборо – и машиностроении”, г. Калуга (2004 г.), НТК “Региональный конкурс научных проектов в области естественных наук”, г. Калуга (2006 г.), Региональной НТК студентов, аспирантов и молодых учёных “Наукоёмкие технологии в приборо – и машиностроении и развитие инновационной деятельности в ВУЗе”, г. Калуга, (2006 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем – 140 страниц, в том числе: приложение на 7 страницах, 82 рисунка, 8 таблиц. Список использованных источников содержит 95 наименований, в том числе 6 на иностранных языках.

На защиту выносятся.

Результаты, перечисленные выше в рубриках “Научная новизна”, “Практическая значимость” и “Пути реализации работы”.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение

Отмечается, что снижение материалоёмкости сельскохозяйственных конструкций и машин является на сегодняшний день весьма актуальной задачей.

В качестве примера можно привести ёмкости автокормовозов, рамы транспортных средств, остовы сельскохозяйственных сооружений. Все они представляют собой либо тонкостенные системы типа оболочек и пластин, либо комбинированные системы, включающие элементы пространственных рам и ферм.

Взяв за объект исследования ёмкость автокормовоза АСП–25, предлагается использовать для конструирования с минимизацией по массе методику проектирования на основе принципов, соответствующих фундаментальным принципам теории управления, причём совокупностью управляемых координат считать внутренние усилия.

Путём исследования напряжённо – деформированного состояния верхнего пояса однопролётной и консольной балок, входящих в состав элементов рамы машин АСВ – 8, ВКС – 2 и КФС – 2,7В, предлагается применить управляемые затяжки, которые функционирует за счёт энергии деформирования основной системы, с целью получения конструкций рациональной массы.

1. Задачи исследования. Используемая литература

Неуправляемые затяжки применялись практически весь 20 век в строительстве и машинах для снижения материалоёмкости и увеличения надёжности, где в качестве затяжки применялись стержни, канаты и струны. Над их созданием работали авторы Е.И. Беленя, В.М. Вахуркин, А.А. Васильев, Н.П. Мельников, Б.А. Сперанский, Н.Н. Стрелецкий, И.М. Рабинович и др., которые снижали материалоёмкость конструкции при помощи неуправляемых затяжек.

Но в машинах, в частности сельскохозяйственных, работающих в циклическом режиме, неуправляемые затяжки показали свою слабую эффективность. В работах Астахова М.В. предложены некоторые конструкции управляемых затяжек, следящих за уровнем внутренних усилий и компенсирующие их с целью снижения материалоёмкости. Профессором Рассказовым М.Я. предложено применить такие затяжки для восстановления ресурса ремонтируемых сельхозмашин. Надёжность функционирования управляемой затяжки, а следовательно и самой конструкции, во многом зависит от надёжности внешнего энергетического источника, а также механизма обратной связи.

Одной из задач исследования является создание управляемых затяжек, использующих для своего функционирования энергию упругого деформирования разгружаемой системы, что позволит обойтись без внешнего энергетического источника.

Для достижения поставленной цели и решения этой задачи необходимо на ЭВМ смоделировать трёхмерную модель деформируемой основной конструкции, разработать алгоритм расчёта этой модели методом конечных элементов (МКЭ), а также провести эксперимент на основе тензометрирования и сравнить полученные результаты с теоретическими.

Второй задачей исследования является создание и разработка продольных управляемых затяжек для ёмкости автокормовоза АСП–25, которые необходимы для уменьшения меридиональных напряжений возникающих в обечайке ёмкости при её разгрузке, и имеющих максимальную величину в зонах действия поперечных затяжек.

Для решения данной задачи, необходимо построить математическую модель, и исследовать зависимость полученных выражений и , основываясь на которых, выбрать рациональную конструкцию таких затяжек.

Целью подобных исследований является получение конструкций, имеющих повышенную несущую способность при меньшей материалоёмкости.

2. Использование управляемых затяжек для снижения уровня

внутренних сил ёмкости автокормовоза АСП–25

В этой главе разрабатывается методика расчёта, конструкция и технология применения продольной управляемой затяжки. В зоне цилиндрической оболочки (автокормовоз АСП–25) прилегающей к поперечной управляемой затяжке, и находящейся под воздействием внутреннего давления , возникают окружные и меридиональные напряжения:

(1)

, (2)

где: – коэффициент Пуассона; – прикладываемая нагрузка от затяжки; – модуль Юнга; ; ; – продольная координата, отсчитываемая от плоскости крепления затяжки; – внутреннее рабочее давление в оболочке; – цилиндрическая жёсткость, – радиус срединной поверхности оболочки; – толщина оболочки.

Анализируя зависимости (1), (2) для цилиндрической оболочки ёмкости автокормовоза АСП–25, выполненной из листовой стали 09Г2С со следующими параметрами: ; ; (управление внутренними силами осуществлялось с помощью изменения внешней нагрузки в пределах от 0 до ), строятся графики и в зависимости от координаты , направленной от плоскости крепления затяжки вдоль образующей цилиндрической оболочки.

Рисунок 1 – График для анализа окружных (1) и меридиональных (2) напряжений: а) график зависимости ; б) расшифровка графика а) при

Как видно из графика (рис. 1) в зоне управляемой затяжки меридиональные напряжения в 2,2 раза превышают окружные напряжения, то есть происходит перераспределение напряжений и эффект от введения поперечной управляемой затяжки значительно уменьшается.

Ёмкость автокормовоза АСП–25 при выгрузке сыпучего груза, испытывает, кроме того, и растягивающую силу, величина которой равна:

, (3)

где: – площадь торцевой стенки; – внутреннее давление; – время.

Чтобы компенсировать часть этой силы, предлагается применить продольную управляемую затяжку, работа которой осуществляется на основе почти мгновенно изменяемой системы (рис. 2).

Применение почти мгновенно изменяемых систем, обусловлено возможностью создания на малых перемещениях и при небольших значениях управляющих сил весьма большие реактивные усилия и, как следствие, высокие напряжения в контрольных сечениях основной конструкции. Более того, особенностью таких систем, является то, что силы, прикладываемые извне к управляемым затяжкам и получаемые при этом управляющие нагрузки, могут находиться в одной плоскости, во взаимно перпендикулярных направлениях.

Малые перемещения в почти мгновенно изменяемых системах позволяют достаточно быстро реагировать на изменение амплитуды внешних сил, что, в свою очередь, даёт возможность отказаться от применения электроники при организации обратной связи и использовать механические системы с элементами пневматики и гидравлики.

Схема продольной управляемой затяжки, построенной на основе почти мгновенно изменяемой системы, представлена на рис. 2.

Рисунок 2 – Схема ёмкости автокормовоза АСП–25

с почти мгновенно изменяемой системой

На схеме рис. 2,а: 1 – диск крепления затяжек, 2 – диск крепления элементов почти мгновенно изменяемой системы, 3 – “плашка”, 4 – кожух, 5 – ёмкость автокормовоза АСП–25 (условно показана верхняя часть).

При достижении расчётного значения меридиональных напряжений, на “плашку” 3 (количество которых на ёмкости достигает (рис. 2,б) восьми) передаётся усилие с помощью троса, который натягивается управляющим механизмом, связанным с тормозной пневмосистемой тягача автокормовоза АСП–25, аналогичным механизму поперечной затяжки. Под действием этой силы “плашка” 3 будет перемещаться в центр торца ёмкости, создавая тем самым большие усилия в элементах почти мгновенно изменяемой системы. Величина этих усилий обратно пропорциональна тангенсу угла . Чем меньше угол , тем больше усилие в затяжке.

Вся система закрывается кожухом 4.

Управляющее усилие здесь создаётся в меридиональном направлении для цилиндрической оболочки, что позволяет продольно “стягивать” обечайку при возникновении внутреннего давления.

Циклическая работа управляемой затяжки, даёт возможность значительно снизить амплитуду внутренних сил и, тем самым, уменьшить массу ёмкости автокормовоза АСП – 25.

Напряжения, возникающие в обечайке от введения новой затяжки, будут иметь следующий вид:

, . (3)

Складывая (1), (2) и (3), получим, что суммарные окружные напряжения при совместной работе ёмкости с продольной и поперечной затяжками, остались без изменения, и не отличаются от (1), и графика (рис. 1,а), а меридиональные уменьшились на величину (3) и будут иметь следующий вид:

. (4)

Математической моделью для дальнейшего исследования конструкции затяжек можно считать выражения (1), (4).

График меридиональных напряжений с учетом (4), представлен на (рис. 3):