Оглавление
Стр.
Введение....................................... .................... ^
Раздел 1. Обзор состояния вопроса, постановка цели и задач
исследования...............................* ..... . 7
1.1. Пути получения информации о надёжности элементов металлоконструкций. ... ......... 7
1.2. Исследования режимов нагружения........................... 8
1.3. Обзор и анализ исследований механических характеристик конструкционных сталей..................................................................... . 15
1.4. Вероятностные методы расчёта элементов металлокон^ струкций. ........... i .....f.. * . . 80
1.5. Цель и задачи исследования. ............. 86
Раздел 2. Метод вероятностной оценки надёжности и ресурса
элементов металлоконструкций...............................89
2.1. Рациональная методика сбора оригинальной информации о надёжности металлоконструкций строительной техники и
её конструктивных элементов* . . . ....................89
2.2. £ероятностно-статистический анализ показателей надёжности. ...................................................... 31
2.3. Предложения по оценке показателей надёжности и ресурса элементов металлоконструкций строительной Техники. * . 43 Выводы по разделу 2.
Раздел 3. Методика определения надёжности и ресурса строительной техники на базе информации о нагрушенности и прочности её металлоконструкций. ................................. ..........
3.1. Экспериментальные исследования нагруженности элементов металлоконструкций....................... .....................^3
3.1.1. Особенности методики экспериментальных исследований 63
3.1.2. Оценка и анализ экспериментальных результатов. . .. 30
3.2. Применение статистических характеристик для оценки приведённых напряжений в произвольном элементе металлоконструкций. ................. 91
3.3. Экспериментальные исследования прочностных свойств сталей 15ХСНЛ и 20. ... *...........................102
3.3.1. Методика экспериментальных исследований......... .102
3.3.2. Обработка, оценка и анализ полученных результатов Ю5
3.4. Рекомендации по определению механических свойств сталей по твёрдости. , . . , ИЗ
3.5. Вероятностный метод расчёта ресурса элементов металлоконструкций. из
Выводы по разделу 3. .... .......................... 1^
Раздел 4. Вероятностный способ расчёта с применением метода
МонтегКарло. ....... .................... ... 12*
4.1. Суть предлагаемого способа вероятностного расчёта элемента. 127
4.2. Численная иллюстрация способа вероятностного
расчёта элемента металлоконструкций....... . 13С
Выводы по разделу 4 .....................
Основные выводы. * .............. . 1^2
Литература. . . » • > . > . •« •. .............. 1^
Приложения. ......................... ^
4
Введение
В последние годы вероятностные и статистические методы и подходы находят широкое применение при премировании металлоконструкций.
Повышение надёжности элементов металлоконструкций относится к числу важных задач развития науки и техники.
Приоритетное значение для выполнения этих задач имеет прикладная теория надёжности металлоконструкций. Эта область характеризуется интенсивным техническим прогрессом в теории конструктивных форм и методов расчёта металлоконструкций.
Для экономии металлов в настоящее время широко применяются вероятностные методы. Основы этих методов были заложены в работах И.о. Хоциэлоеэ, И.С. Стрелецкого, А.Р. Ржаницына, 6.В. Болотина. Большой вклад в развитие этих методов внесли 1*.А. Биргер, Б.И. Беляев,
Д.М. Беленький, Л.М. Грошев, A.C. Гусев, С.С. Дмитриченко, В.П.Жаров, В.Л. Когаев, В. Е. Касьянов, С.В. Сервисен, Д.П. волков и др.
По данным отделов надёжности ряда заводов большое количество отказов строительной техники приходится на элементы металлоконструкций.
В результате эксплуатации строительной техники накапливается информация о ресурсе элементов металлоконструкций, характере их нагружения, видах отказов.
В связи с этим актуальной и важной представляется задача разработки методов, позволяющих прогнозировать конструкции заданной надёжности.
Так, например, информация о ресурсе элементов металлоконструкций несёт в себе скоытье значения параметров нагруженности и прочности.
При изменении конструкции элемента (сечение, прочность стали) можно использовать значение ресурса для сравнительной оценки надёжности.
5
Проведение экспериментальных исследований сталей и нагруженное-ти элементов металлоконструкций позволяет проводить оценку ресурса с применением вероятностных методов, которые требуют совершенствования.
Однако в некоторых случаях информация о нагруженности и прочности носит неполный характер (небольшое количество данных, полученных экспериментально, противоречивые значения из литературных источников и т.д.). В этом случае, в связи с развитием применения ЭВМ, возможно использование численных методов, которые позволяют без небольших затрат получать статистические ряды значений ресурса элементов металлоконструкций и давать заключение о принятых рекомендациях по увеличению надежности.
На основании вышеизложенного была сформулирована цель исследования- разработка системы инженерных методов для оценки и прогнозирования усталостной прочности элементов металлоконструкций строительной техники и ее экспериментальная проверка на конкретном примере одноковшовых экскаваторов.
На основе поставленной цели настоящей работы были сформулированы соответствующие задачи исследования:
1) разработать методы прогнозирования ресурса элементов металлоконструкций строительной техники:
- на основе любого произвольного закона распределения ресурса;
- на базе достоверной статистической информации о параметрах нагруженности и прочности элементов;
- с использованием вероятностно-статистической оценки изменения всех внешних и внутренних факторов, влияющих на ресурс (метод Монте-Карло);
2) установить взаимосвязь между разработанными методами прогнозирования ресурса; дать рекомендации по-их применению в каждом конкретном случае, обобщив и сведя их в систему;
3) провести экспериментальные исследования работы элементов металлоконструкций для определения их параметров нагружения и напря-жённо-деформируемого состояния в целом;
4) сбор оригинальной экспериментальной информации и оценка уро&я надёжности элементов металлоконструкций строительной техники;
5) выполнить исследования и определить механические свойства и параметры предела выносливости сталей 15ХСНД и 20;
6) потверлить точность, достоверность и надёжность разработанных методов прогнозирования ресурса элементов металлоконструкций строительной техники на основе сопоставления экспериментальных и теоретических результатов.
Для решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования по оценке ресурса элементов металлоконструкций, определению прочностных характеристик сталей 15ХСНД и 20, а также параметров нагруженности элементов.
На защиту быносятся следующие результаты:
1. Экспериментальные исследования параметров нагружения элементов металлоконструкций строительной техники.
2. Экспериментальные исследования законов распределения механических свойств и твёрдости сталей 15ХСМД и 20.
3. Методы прогнозирования ресурса элементов металлоконструкций строительной техники:
- на основе любого произвольного закона распределения ресурса;
- на базе достоверной статистической информации о параметрах нагруженности и прочности элементов;
- с использованием вероятностно-статистической оценки изменения всех внешних и внутренних факторов, влияющих иа ресурс (метод Монте-Карло).
Основные результаты работы внедрены на Донецком экскаваторном заводе.
7
Раздел 1. Обзор состояния вопроса, постановка цели и задач исследования
1,1, Пути получения информации о надёжности элементов металлоконструкций.
Источники информации о надёжности элементов металлоконструкций можно в основном разделить на три группы: рачёты, стендовые испытания, эксплуатация.
Расчёты позволяют произвести прогноз надёжности. Точность прогноза зависит от совершенства расчётных методов и достоверности определяемых параметров, входящих в расчётную формулу.
Испытания металлоконструкций на стендах относятся к трудоёмкому дорогостоящему источнику получения информации о надёжности. Ввиду не совершенства стендов, невозможности воспроизведения всех внешних факторов, стендовые испытания в основном применяются для сравнения рекомендаций по увеличению надёжности. Эксплуатация конструкций позволяет получить наиболее полную, объективную и достоверную информацию об отказах элементов. Однако е данном случае доляша быть чёткая система сбора и обработки информации. Сбор информации об отказах осуществляется предприятиями-разработчиками, заводами и эксплуатирующими организациями / 93,94 /.
Основными методами сбора информации о надёжности в эксплуатации в настоящее время является метод хронометража, метод периодических наблюдений и метод, основанный на анализе технической документации, имеющейся в строительных организациях.
Из проведённого краткого анализа методов оценки надёжности металлоконструкций видно, что оценку можно получить в период эксплуатации. Получение количественной и качественной информации об отказах е эксплуатации даёт возможность для принятия решений по увеличению
а
надежности элементов металлоконструкций.
• Стендовый и расчётный методы целесообразно использовать для оценки рекомендаций по увеличению надёжности металлоконструкций.
Наиболее дешёвым методом оценки надёжности металлоконструкций в условиях серийного производства является расчётный метод. 8 связи с тем, что основой расчётов является сравнение параметров нагруженное-ти и прочности, далее проводится анализ методов их оценки, а также краткий обзор формул, позволяющих определить ресурс элементов металлоконструкций.
1.2. Исследования режимов нагружения.
В обшем комплексе повышения надёжности элементов металлоконструкций строительной техники занимает место исследование режимов их нагружения.
Первые исследования нагрузок на металлоконструкции рабочего обо рудования были проведены Н.Г. Ломбровским / 60,62,63 /. В этих иссле дованиях изучались однозначные функциональные зависимости нагрузок от различных факторов.
Определению зависимости составляющих сопротивления грунта копанию различными рабочими органами от типа режущих кромок, группы грун тов и т. д. посвящены работы А.Н. Зеленина /70/,Ю.А. Ветрова / 33,34-35 /.
Впервые статистические методы при исследовании нагрузок в рабочем оборудовании и механизмах экскаваторов применены К,С. Гаевской / 40,4-1 /. Основной задачей исследования являлось определение относительной частоты возникновения различных по величине усилий и напря жений в наиболее нагруженных узлах и сечениях металлоконструкций рабочего оборудования. Установление.законов распределения случайных величин нагрузок позволило использовать их для расчёта на выносливость металлоконструкций.
Динамика одноковшовых экскаваторов наиболее глубоко теоретически и экспериментально исследована Д.П. Волковым / 37,38 /. Им проведены большие экспериментальные исследования режимов нагружения, описание действующих внешних сил, определение максимальных динамических нагрузок.
Ю.А. Ветровым совместно с В.В. Власовым / 34 / было обращено внимание на то, что одна из основных характеристик распределения уси лия резания ( коэффициент вариации ) зависит от параметров срезаемой стружки.
Статическому исследованию режимов нагружения посвящена работа В.А. Ряхина и др. / 98 /. Исследования показали, что большинство параметров не противоречит гипотезе нормального распределения.
Однако всеми авторами не учитывался Фактор времени. Обычно нагрузки, действующие на детали машин, являются, как правило, случайными процессами /54,58,104,107 /*
Для извлечения из осциллограмм текзометрирования, записанных в условиях эксплуатации, информации, необходимой для оценки уровня на-груженности при расчётах деталей на усталость, применяют методы, основанные на замене реального случайного процесса нагружения некоторым схематизированным процессом, который по уровню накопленного 8 детали усталостного повреждения должен быть эквивалентен реальному процессу. При этом используют различные методы схематизации (.методы экстремумов, максимумов размахов, укрупненных размэхов, полных циклов и т.д. ).
При этом применяют два способа получения количественных оценок нагруженнссти.
Первый способ основан на непосредственном определении по осциллограммам или магнитным лентам чисел циклов действия различных ампли туд, выделяемых тем или иным способом из случайного процесса.
10
Второй способ основан на корреляционной теории случайного процесса /23 /. Согласно этой теории по имеющимся реализациям случайного процесса изменения нагрузок находят эмпирические оценки корреляционных функций и функций спектральной плотности мощности.
Развитие второго способа в исследовании землеройных машин принадлежит Д.И. Федорову,Б.Л. 5ондэровичу,е.й. Перепонову / 1С7 /.
Авторами в полном объеме исследованы нагрузки землеройных машин как случайные процессы.
Классификация случайных процессов нагрузок производилась по следующим свойствам: стационарные, нестационарные, эргодические, не-эргодические, по випу распределения мгновенных значений усилий. Исследовались три группы машин: непрерывного, циклического и непрерывно-циклического действия.
Результатам исследования машин циклического действия посвящена работа И.А. Недорезова,Б.А. Бондаровича,Й.И. Фёдорова / 89 /. Функции математического ожидания тяговых ( подъёмных ) усилий одноковшовых экскаваторое в основном не имеют участков с постоянным значением У драглайна функция математического ожидания тягового усилия монотонно возрастает. У прямой лопаты функция математического ожидания подъёмного усилия после достижения максимума имеет спад. Изменение тягового усилия у обратной лопаты занимает промежуточное положение между двумя последними рассмотренными Функциями, в большей степени соответствуя функции математического ожидания тягового усилия драглайна. В процессе анализа исследовались лишь числовые значения нагрузок на участке копания, имеющих по сравнению с другими участками цикла относительно большие амплитуды и частоту колебаний.
Зкспериментальные исследования режимов нагружения экскаватора с прямой лопатой проводились М.Д. Церлюк и др. / 115 /.
Авторами установлено, что закон распределения плотностей вероятностей процессов входа ( усилий канатов ) имеют явно выраженную
11
положительную асимметрию, приближаясь к распределению Релея, а для процессов выхода ( напряжений в металлоконструкциях ) закон распределения соответствует нормальному* Это объясняется тем, что величина выхода зависит не только от параметров входа, но и от положения ковша относительно стрелы, а также от сочетания задающих усилий входа.
Анализ показал, что случайные процессы нагрузок одноковшовых экскаваторов относятся к классу настационарных неэргодических про-цессов, но могут быть представлены в виде суммы детерминированной Функции математического ожидания и случайных стационарных колебаний ' с постоянной дисперсией и частотой, распределённых по нормальному или релеевскому закону.
Отсутствие методики анализа нестационарных случайных процессов ведёт к различным упрощениям: вырезанию пауз, здесь учитываются лишь участки, кторые являются стационарными, центрирование случайного процесса детерминированной функцией. Однако эти упрощения приводят к
значительным погрешностям при получении статистических характеристик и предъявляют требования к большому объёму информации.
В дальнейшем S.A. Бондаробичем и др. / 27 / был предложен метод обработки и анализа нестационарных случайных процессов, который состоит в выделении тренда ( рис.1.1 ), нормировании случайных флюктуаций путём деления процесса X(t) на ХтСЪ) и дальнейшего раздельного анализа процессов [&р(Ц+<] и X-r(t) .
Учитывая стационарность и эргодичность процесса Х<рШ-Н , можно получить его статистические характеристики временным осреднением минимально необходимой исходной информаци и
Анализ тренда производится по специально/, методике.
Если представить временный тренд е виде импульсной функции вида
V
XtIw-AуСч , то при известных статистических характеристиках амплитуды А , ФУНКЦИИ J’(t) и момента появления импульсов во времени статистические характеристики функции Хт№ могут быть найдены ана-
\
12
литически. Закон появления импульсов во времени можно получить, ис пользуя основные положения теории потоков.
Хф
Хт^)
«) \ААААДЛААММАЛЛл
Рис. 1.1. ‘'сходный нестационарный случайный процесс (а), тренд (б), флюктуации (б).
Для определения статистических характеристик случайной амплитуды необходимо функцию ХтСЦ привести к относительному времени цикла путём изменения масштаба времени внутри каждой реализации (рис.1.2). Тогда получим случайную Функцию времени Хт(]^) .
Статистические характеристики в каждый фиксированный момент определяются статистическими характеристиками амплитуды А .
Далее по оси относительного времени делается несколько сечений, находится средняя функция в каждом из них и мгновенное значение каждой реализации делится на эту функцию
Хт(]и) I Хт(]и) в этих сечениях. Получаем реализации нормированной функции, не зависящей от времени
13
Рис. 1.2. Приведение тренда к относительному времени:
а - ансамбль реализаций тренда; б - приведён-
I * "Ь
ныи тренд; 1 , I, К/ * реализации тренда;^^^,
где "Ь - текущее значение времени; - время цикла копания.
%
и равной нормированным случайным значениям амплитуды СО со средним ОС и средним квадратичным отклонением, равным коэффициенту вариации амплитуды.
^мея ансамбль нормированных значений амплитуды СО и Функцию
цию временного импульса. При этом число измерений амплитуды будет равно произведению числа реализаций на число сечений в интервале относительного времени одной реализации. Тогда объём реализаций может определяться необходимой точностью математического ожидания, а не дисперсии. Статистические данные флюктуаций и тренда позволяют получить практически все основные статистические характеристики синтезированного процесса изменения нагрузок рабочего оборудования, а также прогнозировать статистические характеристики новых землеройных машин / 28,108 /.
Обзор работ в области исследований режимов нагружения одноковшовых экскаваторов показал:
1) режимы нагружений однокоешовых экскзваторое в разных грунтах изучены достаточно полно, они являются случайными нестационарными процессами;
2) получены числовые характеристики случайных процессов нагружения металлоконструкций экскаваторов;
3) не проведено сравнение результатов значений напряжений, оп~ пределённых непосредственным тензометрированием в сечении элемента и методом статистической динамики, т.е. через статистические характеристики внешних нагрузок;
А) для некоторых элементов металлоконструкций нельзя ограничиться только определением напряжений при операции копания, поэтому необходимо проведение экспериментальных работ по опредению нагрузок при повороте, выгрузке и возврате в исходное положение.
можно получить закон распределения случайной амплитуды и функ-
- Київ+380960830922