Надежность технических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДГТУ

Кафедра ОКМ

НАДЁЖНОСТЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Конспект лекций

Составитель

проф. к.т.н. Андросов А.А.

Г. Ростов - на - Дону

2007 г.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время быстрыми темпами развивается машиностроение вообще и сельхозмашиностроение в частности. Создаются новые высокопроизводительные и дорогостоящие машины. Поэтому растут требования к качеству машин. Важнейшим показателем качества является надежность машин, от которой в значительной степени зависит эффективность использования.

Сельскохозяйственные машины работают в определенной среде, обслуживаются и управляются человеком, поэтому целесообразна системная оценка надежности с/х машин. При формальной оценке надежности с/х машин рассматривается, как система, переходящая из одного состояния в другое, что позволяет применить теорию массового обслуживания к определению различных характеристик надежности. При прогнозировании надежности на стадии проектирования рассматривается система человек - машина - окружающая среда. Факторы влияющие на надежность с/х машин, носят случайный характер. Случайны нагрузки, действующие на машину со стороны микрорельефа почвы, случайны нагрузки на рабочие органы машины, действующие со стороны технологического продукта и наконец, случайна несущая способность деталей с/х машин. В связи с этим основной метод изучения надежности - статистический. Для решения теоретических вопросов используется теория вероятностей. При изучении и расчёте эксплутационных нагрузок применяется теория случайных процессов, а при решении задач прочности - теория случайных выбросов.

Важными вопросами в теории надёжности с/х машин являются:

1) определение показателей надёжности машин в эксплуатационных условиях;

2) расчёт показателей надёжности элементов и систем при проектировании;

3) разработка мероприятий по повышению надежности этих машин.

1. При определении надёжности с/х машин в процессе эксплуатации рассматриваются потоки отказов и восстановлений машин. Но этот путь очень трудоёмкий, длительный и не может решить ряд других вопросов связанных с экономической стороной. Как правило, поток отказов может выявить слабое звено машины, а вопросы равнопрочности всех звеньев, а, следовательно, и вопросы металлоёмкости остаются неразрешёнными.

2. При расчете надежности элементов с/х машин в процессе проектирования определяется средний ресурс и вероятность безотказной работы по условию обеспечения циклической и статистической прочности. Важнейшее значение при этом имеет определение эксплуатационных нагрузок. Известны экспериментальные, аналитические и имитационные методы определения нагрузок и напряжений в механизмах и металлоконструкциях. Для расчёта надежности необходимо определение несущей способности деталей с учётом её естественного разброса. Использование вероятностных методов расчёта, учитывающих статистический характер нагрузок и несущей способности элементов, способствующих созданию с/х машин высокой надёжности при минимальной металлоёмкости.

В общем повышение надёжности с/х машин сводится к:

1) снижению уровня нагрузок и напряжений на узлы и детали;

2) упрощению конструкции самой детали и конструктивных схем машины;

3) применению резервирования.

1) Снижение уровня нагрузок достигается за счёт уменьшения коэффициента динамичности путем оптимального перераспределения массы машины по опорам, соответствующего подбора жесткостных и упруго-диссипативных параметров упругих элементов машины (шины, рессоры, амортизаторы). Важным условием при этом является создание комфортных условий для водителя (отсутствие галопирования, поперечных колебаний, уровень которых намного ниже по восприятию, чем вертикальных колебаний)

2) Снижение уровня напряжений в деталях достигается за счёт их рационального конструирования (отсутствие концентраторов напряжений).

3) Упрощение конструкции сводится к стремлению уменьшения числа деталей из которых собрана машина

Пример:

n	Р
12	0,99
100	0,36
200	0,13
500	0,06
2000	1,8·10-9

Если вероятность безотказной работы одной детали р=0,99 и таких деталей n=200, то вероятность безотказной работы машины Р_М=0,99²⁰⁰=0,135. если n=500, то Р_М=0,99⁵⁰⁰=0,06.

4) Повышение надёжности за счёт резервирования жизненно важных органов машины в сельхозмашинах не применяется. Это применяется на машина, поломка которых вызывает катастрофы человеческими жертвами (например, самолеты).

И так! Создание оптимальной конструкции и, тем более, создание оптимальной машины очень и очень сложный процесс и в рамках одного курса его осветить не возможно. Поэтому задачей настоящего курса является освещение только некоторых параметров качества, но наиболее важных при создании оптимальной конструкции.

1. ИСПЫТАНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН

1.1 Роль испытаний с/х машин

Повышение технического уровня, эффективности и особенно надёжности машин во многом зависит от качества проведённых испытаний.

Несовершенство испытаний приводит к тому, что машина передаётся на производство с массой недоработок, что задерживает внедрение новой техники и снижает эффективность её использования..

Испытания машин являются источником данных, необходимых для проверки технических решений как расчётными, так и стендовыми ресурсными и прочностными методами. К испытаниям привлекаются самые квалифицированные специалисты. Испытания требуют и самой большой доли средств, выделенных на опытно-конструкторские работы по созданию новых или модернизации существующих машин.

Надежность новой машины во многом зависит от творческого подхода к решению технических задач. И очень часто возникают ситуации, в которых необходимо принимать компромиссные решения.

В этих ситуациях основой для принятия правильного решения могут быть только проведенные испытания машины.

Для обеспечения достаточной надёжности оригинальных конструкций необходимо проводить длительные испытания в различных условиях. Для сельскохозяйственных машин такими условиями являются почвенно-климатические зоны, в которых предполагается эксплуатация. Для сравнения результатов этих испытаний разрабатываются отраслевые нормы. Существуют нормы, как на отдельные виды с/х машин, так и на отдельные виды самих испытаний.

Оценки надёжности базируются на:

1) экспериментальных оценках надёжности;

2) теоретических оценках надёжности;

3) информационном обеспечении на всех этапах проектирования.

Методы испытания на надёжность

Ресурсные испытания подразделяются:

1. Испытания, связанные с созданием и доводкой новой конструкции, а также модернизацией серийных машин. Сюда относятся доводочные, предварительные и приёмочные испытания.

2. Контрольные испытания, цель которых состоит в проверке соответствия серийной продукции требованиям технических условий, например заданному уровню надёжности.

3. Исследовательские испытания - это все сферы экспериментального изучения свойств изделия и факторов, влияющих на надёжность.

4. Эксплуатационные. Эксплуатация опытных партий изделий потребителем - это источник информации о надёжности.

Т.е. ресурсные испытания бывают:

1. Доводочные, предварительные, приёмные.

2. Контрольные.

3. Исследовательские.

4. Эксплуатационные.

Кроме того ресурсные испытания подразделяются по виду их проведения:

1. Стендовые.

2. Лабораторные (или поисковые).

3. Полигонные.

По продолжительности ресурсные испытания бывают ускоренные. В настоящее время для ускоренных испытаний используются три направления:

а) идеальное моделирование действительных условий эксплуатации (т.е. работа машины с полной нагрузкой в течении всего срока испытаний);

б) максимальное уплотнение рабочего времени (3-х сменная работа, работа в различных климатических условиях одной машины);

в) часть нагрузки осуществляется в нормальных полевых условиях, при этом определяются агротехнические показатели машины; оставшаяся нагрузка реализуется на стендах, которые обеспечивают характер износа и деформаций, близкий к тому, который возникает в эксплуатации.

На стендах проверяются такие показатели как жёсткость рамы, деформация корпуса редуктора, надёжность уплотнения и прочее. При этом имеется возможность выделения из целой машины одной детали. Для выявления наиболее прочных деталей испытания проводят на статическую прочность т.е. увеличивая.

Требования к проведению экспериментов

1. Всеобъемлемость - т.е. в результате проведения экспериментов должны быть получены все необходимые данные об объекте исследования, которые необходимы для его проектирования и модернизации.

2. Достоверность - т.е. эксперимент должен быть проведён в условиях реальной эксплуатации и точность эксперимента должна соответствовать необходимой точности конечного результата.

3. Автоматизированность - т.е. процесс сбора, обработки, накопления и восстановления информации должны осуществляться с высокой степенью автоматизации.

4. Активность - эксперимент должен быть не только управляем, но и иметь активный характер проведения по отношению объекта исследования (т.е. в процессе эксперимента возможен поиск лучших вариантов, способных более полно раскрыть протекающие процессы).

Информацию о надёжности машины от технического задания до постановки её на производство можно разделить на три уровня:

1. От начала проектирования до опытного образца (информация базируется на расчётном прогнозе, полученном по машинам аналогам или по моделям).

2. Исследования малого числа опытных образцов (информация базируется на экспериментальных данных об экспериментальной нагруженности, напряженного состояния и затем расчётными методами проводится прогноз надёжности)

3. Испытания большого числа образцов или партии машин (статистика отказов в эксплуатации).

1.2 Классификация испытаний

Настоящее время все испытания можно разделить на четыре группы:

- лабораторные испытания;

- полевые (заводские) испытания;

- ведомственные и государственные испытания;

- периодические испытания.

1). Лабораторные испытания.

Лабораторные или поисковые испытания проводятся в начальной стадии проектирования в стационарных условиях на специальных стендах. Лабораторным испытаниям подвергаются те сборочные единицы и рабочие органы, для которых проектное решение ещё не ясно или условия применения мало знакомы. При этом оцениваются надёжность, энергоёмкость, износоустойчивость и качество выполнения технологического процесса.

После таких испытаний конструктор может выбрать из возможных решений, решение наиболее оптимальное.

Лабораторные испытания организуются таким образом, чтобы полностью или частично воссоздать условия работы машины в реальных условиях. При этом могут испытываться как отдельные узлы и агрегаты машины (локальные стенды), так и машина в целом (обобщенные стенды).

Разновидностью лабораторных испытаний являются дорожные. Их проводят на специальных треках, имитирующих реальные условия дорог и полей. Такие испытания незаменимы для транспортных средств: комбайнов, тележек и т.д.

2). Полевые (заводские) испытания.

В процессе этих испытаний проверяется соответствие характеристик опытных образцов техническому заданию на проектирование машин.

Возникающие отказы подвергаются тщательному анализу, чтобы выяснить, является ли конструкция дефектной или же возникли ошибки в процессе изготовления машин.

Программа и методика полевых испытаний подготавливается и реализуется разработчиком машины.

На практике такие испытания проводятся научно-исследовательскими институтами, которые располагают научно-исследовательскими кадрами высокой квалификации по данной отрасли.

Часто испытания проводятся в экстремальных условиях и даже с разрушением образца машины.

Как правило, испытания проходят в два этапа:

- На первом этапе машину испытывают в типичных условиях эксплуатации в оптимальные агротехнические сроки.

- На втором этапе, образец, показавший удовлетворительные результаты, про ходит хозяйственные испытания. Объём наработки должен быть не менее 50%. На этом этапе определяется надёжность машины в хозяйственных условиях и рассчитывается её эксплуатационно-экономическая оценка. В результате испытаний составляется акт с предложениями о возможной доработке конструкции.

3). Ведомственные и государственные испытания.

Основная цель ведомственных и государственных испытаний состоит в том, чтобы отобрать для постановки на производство машину, наиболее полно отвечающую требованиям сельского хозяйства.

С этой целью испытывают одновременно новый образец и эталон - серийную машину.

Ведомственные и государственные испытания проводят специальные организации (МИС - машино-испытательные станции).

Для получения достоверных результатов за машинами устанавливается техническое наблюдение и хронометраж, фиксируются неисправности, отказы, расход горючего, запасных частей т.д.

По результатам Государственных испытаний новых машин принимается одна из рекомендаций:

1. Работы над машиной прекратить - т.е. машина не перспективна.

2. Продолжить работу по имеющемуся образцу. Рекомендации принимаются, если образец допускает внесение в него конструктивных улучшений.

3. Изготовить экспериментальные образцы (до 5 шт.). такая рекомендация принимается, если машина требует серьёзной доработки и проверки.

4. Изготовить опытную партию (несколько десятков машин). Такую рекомендацию принимают когда машина не требует серьёзной доработки, но нуждается в проверке в различных почвенно-климатических зонах.

5. Изготовить серию машин. Эта рекомендация является этапом освоения перспективной машины. (серия 100ч1500 шт.)

6. Рекомендовать к производству. В этом случае машины заказываются в количестве нескольких тысяч штук и выпуск рассчитывается на несколько лет.

4). Периодические испытания.

Периодические испытания проводят МИСы и служат они для проверки соответствия машины нормам. Для испытаний выбирается образец каждого 3-х месячного выпуска.

Периодические испытания проводятся в три этапа:

- техническая экспертиза (определяет и классифицирует производственные дефекты);

- обкатка машины (длительность ?12 часов);

- хозяйственные испытания проводят по объёму не меньшему, чем годовой.

После испытания проводится полная разборка машин, чтобы выявить скрытые дефекты и поломки, а так же износ.

По результатам испытаний принимается одна из рекомендаций:

1). Сохранить в производстве (иногда устранить технические недостатки).

2). Снять с производства (имеется лучшая машина, отпала необходимость в выполнении данной технологической операции).

3). Приостановить производство (в машине обнаружены крупные недостатки, выпускаемая машина хуже, чем образец).

1.3 Методика ускоренных испытаний

Целью ускоренных испытаний является получение информации о ненадёжности машин в более короткие сроки, чем в условиях рядовой эксплуатации

Ускоренные испытания форсируют процессы усталостного разрушения металла и износа машины. Это может осуществляться или за счёт увеличения нагрузок, или за счёт увеличения частоты воздействия. Но при этом коэффициент ускорения различен для различных деталей и его приходится определять экспериментальным путем.

В настоящее время для ускорения испытаний используются три направления::

1). Идеальное моделирование действительных условий эксплуатации (т.е. работа машины с полной нагрузкой в течении всего срока испытаний).

2). Максимальное уплотнение рабочего времени (3-х сменная работа, работа в разных климатических условиях одной машины).

3). Часть нагрузки осуществляется в нормальных полевых условиях, при этом определяются основные агротехнические показатели машины. Оставшаяся нагрузка реализуется на стендах, которые обеспечивают характер износа и деформаций, близкий к тому, который возникает в эксплуатации.

На стендах проверяются такие показатели как жёсткость рамы, деформация корпуса редуктора, надёжность уплотнения и прочее. При этом имеется возможность выделения из целой машины одной детали. Для выявления наименее прочных деталей испытания проводят на статическую прочность, т.е. увеличивая нагрузку на входе, ломают наиболее слабую деталь.

Сокращение времени испытаний на локальных стендах производят за счет усечения программы нагружения. Отсекается та часть нагрузок, от которых не происходит накопления усталостного повреждения (т.е. 0,5у_-1).

1.4 Оценки машин по результатам испытаний

При испытаниях проводится оценка:

- агротехнических и экономических показателей;

- надежности машин;

- условий труда водителей;

- эксплуатационно-технологические возможности машины.

Можно отметить, что оценка надёжности машины занимает более половины планируемых затрат по испытаниям.

Например: распределение затрат на испытание плугов (Нечернозёмная МИС):

- оценка надежности - 57%;

- техническая экспертиза - 64%;

- энергетическая оценка - 4%;

- агротехнические оценки - 16%;

- оценка условий труда;

- эксплуатационно-технологическая - 8%;

- экономическая оценка - 6%.

1.4.1 Агротехническая оценка

При агротехнической оценке определяют наиболее характерные показатели качества работы.

Агротехническую оценку проводят на типичных фонах и в оптимальные сроки уборки. При этом используют метод статистического анализа (оценки по среднему, по среднеквадратическим отклонениям, по дисперсии, по распределению и т.д.).

Большое влияние на достоверность агротехнических показателей оказывает правильное определение объёма выборки (число опытов, повторностей опытов и т.д.).

1.4.2 Энергетическая оценка

Для оценки мощностей необходимо по всему разветвлению потока промерить обороты и крутящий момент.

(кВт)

(л.с.)

где Т - НМ - крутящий момент;

n - об/мин - обороты рабочего органа.

Используются показатели энергетической оценки:

- мощность на самопередвижение машины;

- мощность необходимую для преодоления подъёма;

- тяговая мощность (для агрегатов);

- эффективная мощность АВС;

- потребная мощность гидродвигателя;

- мощность необходимая для выполнения полезной работы и на преодоление потерь.

Комплексными показателями являются:

- удельная мощность

,

где W - производительность машины за 1 час чистого времени (т, га и т.д.);

- удельное сопротивление

,

R - сопротивление передвижению машины, F - ширина захвата или др.;

- коэффициенты загрузки двигателя

,

где - номинальная мощность на двигателе, - номинальная паспортная мощность двигателя.

1.4.3 Оценка условий труда механизаторов

Оценка условий труда механизаторов это, прежде всего, оценка безопасности работы, оценка безопасности обслуживания машины и устранения технических и технологических отказов. Кроме того, удобство наблюдения за рабочими органами, приборами, ориентирами, электробезопасность и т.д.

Методом измерения оценивают:

- статическую устойчивость машины;

- люфт рулевого колеса;

- эффективность действия тормозов;

- размеры машины;

- обзорность с места оператора;

- шум и вибрация на рабочем месте;

- содержание пыли и загазованность воздуха в зоне рабочего места водителя.

С целью проверки безопасности рабочего места на высокоскоростных мобильных машинах применяют динамические испытания с использованием манекенов:

- удар в бетонный куб;

- наезд сзади на машину;

- опрокидывание машины.

При этом определяется возможность возгорания машины(т.е. определяется наиболее безопасное место для бака с горючим). На стенде защитные свойства кабины определяют ударами по ней маятниковым копром приложением вертикальной статической нагрузки.

1.4.4 Эксплуатационно-технологическая оценка

Данная оценка основывается на результатах работы машины в типичных и экстремальных условиях.

Основные эксплуатационно-технологические показатели:

- производительность и качество выполнения рабочей операции;

- удельный расход топлива (электроэнергии);

- количество обслуживающего персонала;

- коэффициенты характеризующие затраты времени для рабочих ходов, технологического обслуживания.

Основные коэффициенты:

1. Коэффициент технологического обслуживания:

,

где Т_осн - время основной работы машины, Т₂ - время технологического регулирования машины.

2. Коэффициент надежности технологического процесса:

,

где Т₃ - время на устранение технологических отказов (очистка режущего аппарата и т.д.).

3. Коэффициент использования сменного времени:

,

где Т_см -полное сменное (хол. переезды + время + отдых + получение наряда и т.д.).

4. Коэффициент использования эксплуатационного времени:

,

Где

Т_эк =Т_сп+Т₈+Т₉+Т₁₀,

Т₈- время переоборудования машины, Т₉ - время на сезонное обслуживание, Т₁₀ - время на устранение технических отказов по неисправностям.

1.4.5 Оценка надежности

Рассмотрим параметры надежности.

Причины недостаточной надёжности:

- недоработка конструкции;

- несоблюдение технической дисциплины при сборке;

- небрежная эксплуатация.

Оценки надёжности :

1). Наработка, т.е. наработка на отказ (различают 1, 2, и 3 группу сложности).

1 группа - требуется внеочередное обслуживание. Возможна замена внешних деталей.

2 группа - требуется раскрытие внутренних полостей агрегатов.

3 группа - требуется разборка основных агрегатов (двигателя, трансмиссии). Ремонт рамы, смена отдельных основных агрегатов.

2). Ресурс (наработка до капитального ремонта или списания).

3). Гамма-процентный ресурс (к моменту списания или капитального ремонта сохраняют работоспособность г процентов машин).

4). Коэффициент готовности машин

,

где - наработка в часах основной работы,

- суммарная продолжительность поиска и устранения отказов, возникшая за время .

5). Коэффициент технического использования машины

,

где - продолжительность технического обслуживания за время .

Уровень надежности изделия оценивается сопоставлением его фактических показателей с нормативными.

Для оценки надёжности в каждой зоне испытывают не менее 3-х машин.

1.5 Параметры качества

Номенклатура параметров качества машин включает следующие показатели: назначения, надёжности, технологичности, унификации, эргономические, эстетические, патентноправовые, экологические, безопасности, транспортабельности и экономические.

1). Показатели назначения обуславливают область применения машины и характеризуют свойства, определяющие её функции.

Они делятся на:

- классификационные, т.е. к какому классу отнести машину (например по производительности или ширине захвата и т.д.);

- функциональные, т.е. для какого вида операций она предназначена (например комбайн для уборки сахарного тростника);

- конструктивны, т.е. габаритные, массовые, присоединительные размеры и др.

- показатели надёжности

2). Показатели надёжности характеризуют свойства надёжности изделий в конкретных условиях их эксплуатации.

Они включают показатели:

- безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение заданного времени;

- долговечность - свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе ремонта и обслуживания;

- ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов и поддержанию работоспособности проведением технического обслуживания и ремонтов;

- сохраняемости - свойство объекта сохранять значение показателей безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования (модель повышения сохраняемости - консервация, применение защитных покрытий).

3). Показатели технологичности характеризуют эффективность использования труда, времени, материалов и средств при создании машины (трудоёмкость, материалоёмкость, себестоимость).

4). Показатели стандартизации и унификации характеризуют уровень использования в машине стандартных, унифицированных и оригинальных составных частей.

5). Эргономические показатели характеризуют систему человек-машина-среда. Сюда входят:

- гигиенические показатели (температура, запыленность, шум, вибрация, перегрузки);

- антропометрические показатели определяют соответствие рабочих мест форме, размерам и массе человека;

- физиологические и психофизиологические показатели характеризуют соответствие машины силовым, скоростным, зрительным, слуховым и осязательным возможностям человека.

Совокупность определённых условий труда в системе «человек-машина-среда» определяет уровень комфорта:

- зона высокого комфорта;

- комфортная зона;

- некомфортная зона;

- невыносимая зона.

Высокие эргономические показатели обеспечивают не только культуру и охрану труда, но и резко влияют на повышение производительности труда и надёжность работы машины.

6). Эстетические показатели характеризуют эстетические свойства продукции. Сюда входят: художественное своеобразие формы, графическое и цветовое решение конструкции, тщательность покрытий и отделки, чёткость исполнения фирменных знаков и т.д.

Эстетический уровень качества продукции часто оценивают по пятибалльной системе:

- 5 баллов - лучшие мировые образцы на уровне перспективных;

- 4 балла - лучшие мировые образцы;

- 3 балла - лучшие национальные образцы;

- 2 балла - для уровня внутреннего рынка;

- 1 балл - уровень ниже требований внутреннего рынка.

7). Патентно-правовые показатели характеризуют патентную защиту и патентную чистоту продукции.

8). Экологические показатели характеризуют уровень вредных воздействий на окружающую среду, возникающих при использовании машины (выброс вредных веществ, сохранение почв и т.д.).

9). Показатели безопасности характеризуют безопасность человека при эксплуатации машины (при хранении, использовании, транспортировании, монтаже, ремонте, и от механических, тепловых, электрических, химических воздействий и т.д.).

10). Показатели транспортабельности характеризуют приспособленность машины к подготовительным, транспортным и заключительным операциям.

11). Экономические показатели характеризуют затраты на создание (разработку и изготовление), эксплуатацию, а также экономическую эффективность от использования:

- народнохозяйственный экономический эффект;

- годовой экономический эффект;

- капитальные затраты;

- годовые текущие затраты;

- себестоимость машины;

- затраты на эксплуатацию;

- затраты на разработку и изготовление опытного образца и т.д.

2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА

При конструировании машины, прежде всего нас интересуют параметры качества, относящиеся к показателям надёжности. Основным параметром надёжности является долговечность.

Остальные параметры этой группы (безотказность, ремонтопригодность и сохраняемость) или взаимосвязаны с долговечностью, или легко выполняются при конструировании без дополнительных натурных испытаний. Поэтому в дальнейшем под параметрами качеств, прежде всего, будем понимать параметры надёжности машины.

В настоящее время параметры качества в основном определяют оптимальную конструкцию машины, т.е. её способность выполнять заданный процесс без поломок при наименьшей металлоёмкости конструкции. А с этим связаны её стоимость в изготовлении и эксплуатации.

Оценки конструкции можно провести тремя различными способами:

1. Расчетными методами.

2. Экспериментальным путем или натурными испытаниями.

3. Расчётно-экспериментальными методами.

2.1 Расчётные оценки конструкции

Существующие методы оценки конструкции расчётными методами предполагают наличие расчётных и динамических моделей.

Расчётные модели представляют собой пространственную схематизацию металлоконструкции машины (это в основном несущие системы), в которой расставлены силы со своим направлением и точками приложения.



Но эти силы могут быть определены только решением динамических моделей, которые в свою очередь требуют априорную входную информацию - это в основном параметры динамической модели и входные воздействия на систему. При этом критерием максимума являются условия нормального функционирования оператора. Эти условия могут быть приняты на основании санитарных норм. В качестве примера таких норм могут быть приняты нормы по ISO (международная организация по стандартизации), которые хорошо согласуются с нормами, разработанными в СНГ различными институтами.

Входные воздействия для динамических моделей должны отражать действительные условия эксплуатации проектируемой машины. Это параметры микрорельефа и среды. Причём, если машина работает в различных условиях, то в банке данных должны быть все условия. Сбор информации по фонам это трудоёмкий и длительный процесс, но отсутствие такого рода информации ведёт к неправильному определению будущих нагрузок, а как следствие этому - к неоптимальной конструкции. Сбор и организация этих данных является важным вопросом, и поэтому выделим его в обособленное рассмотрение.

Параметры динамической модели, такие как моменты инерции, жесткости упругих элементов, коэффициенты затухания этих же элементов, координаты центра масс и др. должны быть или заранее известны по машинам аналогам или рассчитываться по аналитическим выражениям, что явно несёт большую ошибку.

Всё сказанное даёт основание утверждать, что расчётными методами мы можем получить весьма приблизительные значения.

Далее. Для получения напряжений в металлоконструкции машины в последнее время используют метод конечных элементов. Результат во многом определяется допущениями, принятыми для расчётных моделей и априорный выбор этих допущений несёт заведомо неточный результат.

Поэтому, говорить о чисто расчётных методах оценки параметров качества не представляется возможным.

Расчётные методы могут дать хорошие результаты только при наличии определённых экспериментальных данных, т.е. при использовании расчётно-экспериментальных методов оценки.

2.2 Натурные испытания

Получение параметров качества натурными испытаниями это наиболее точный, но и наиболее дорогой способ.

Для проведения натурных испытаний необходимо иметь натурный образец машины и при этом не один. Длительная работа в нормальных условиях нескольких машин (по статистике не менее 50) даёт более или менее точные данные. Но при этом необходимо охватить все режимы и все зоны. Всё это выливается в многолетние испытания, которые затягивают сроки массовых производств испытуемых машин и оказывают негативное влияние на технический процесс. Поэтому в практике доводки образца используют натурные испытания усечённого типа, которые включают работу машины в реальных условиях с тензометрированием процессов и дальнейшей их обработкой расчётными методами. Такого рода натурные испытания проводят в лабораторных условиях и в поле.

В лабораторных условиях определяют все динамические параметры машины, которые в дальнейшем могут быть использованы для динамических моделей. На стенде сбрасывания или на треке определяют напряженное состояние конструкции и максимальные коэффициенты динамичности по отдельным агрегатам при условии выполнения санитарных норм для водителя. Эти данные могут служить отправной точкой при расчёте прочности отдельных деталей по условию нормальной эксплуатации.

Картина напряжений в конструкции позволяет отработать допущения к расчётной модели с учётом особенностей металлоконструкции.

В полевых условиях тензометрирование проводится в различных режимах. При этом могут быть выделены основные режимы:

1. Рабочие.

2. Транспортные.

3. Экстремальные.

Рабочие режимы - это режимы с выполнением технологических операций. Загрузка комбайна соответствует паспортной производительности. Скорость движения определяется урожайностью культуры. Желателен как можно больший охват различных рабочих режимов (различная урожайность, различные сорта тростника).

Транспортные режимы - это режимы, которые обуславливают необходимость скорейшей доставки машины от места паркования до поля. Скорость машины при этом ограничивается самим водителем в зависимости от его комфортного состояния. А это, в свою очередь, регламентируется условиями почвенного фона. Набор транспортных режимов должен быть представленным, т.е. использован весь диапазон возможных скоростей комбайна.

И последнее - это экстремальные режимы.

Экстремальные режимы - это такие режимы, вероятность появления которых крайне мала и, следовательно, они не могут влиять на ресурс конструкции. Но, поскольку нагрузки при этом могут достичь больших значений их необходимо определить с целью проверки прочности по предельным характеристикам материала конструкции.

К таким экстремальным режимам могут быть отнесены: резкие торможения машины, переезды больших неровностей, преодоление уклонов местности, реверс-ход и т.д. Набор экстремальных режимов устанавливается в зависимости от специфики используемой машины.

Получение достоверных оценок по нагруженности должно регламентироваться определенным соотношением транспортных и рабочих режимов, т.е. коэффициентом «веса» или коэффициентом доли участия режима W_j. Это соотношение определяется на основании массовых фотографий рабочего дня машины данного класса и назначения и является сугубо определённым. Оно определяет характер организации работ, специфику хозяйств и др. Получают этот коэффициент и затем уточняют путём многолетних исследований. Точность определения этого коэффициента во многом определит соотношение массы комбайна и его надёжности .

На основании статистических оценок нагруженности, различными приёмами схематизации и расчёта можно получить параметры качества конструкции.

Для получения такого параметра, как долговечность используют:

1. Расчётные оценки.

2. Стенды.

3. Полигоны.

Расчётные оценки долговечности определяются для мест где был наклеен тензорезистор и очень важным вопросом остается место его расположения. Как правило, это место определяется или на основании интуиции исследователя, или предварительными приблизительными расчётами Но, следует заметить, что далеко не всегда удаётся определить истинное место поломок. Поэтому для отработки таких конструкций или их частей используют стенды.

Стенды используют локальные или обобщённые. В настоящее время их очень и очень широко используют передовые производства. Они позволяют отработать конструкцию в лабораторных условиях, что ускоряет этот процесс. Но при этом остаются трудности формирования блока нагружения, соответствующего, по своему разрушающему воздействию, действительным условиям эксплуатации.

Обобщённые стенды - это стенды, где полнокомплектная машина имитирует реальную работу в натурных условиях. Такие стенды очень дороги и выявляют в машине только наиболее слабое звено.

На локальных стендах испытывается отдельная сборочная единица машины, но при этом обязательно необходимо учитывать взаимосвязь с другими частями. Поскольку любая деталь имеет разброс по размерам и по характеристикам материала, то испытание на стендах будет только тогда достоверным, когда будет испытано несколько десятков образцов, а отсюда и необходимость разобщения машины на мелкие сборочные единицы с целью уменьшения стоимости испытаний.

Полигоны, в общем-то, напоминают работу обобщённых стендов. В них так же очень удобно выявить слабое звено машины, т.е. проверить, способна ли машина обеспечить регламентированные параметры качества. Как правило, полигонные препятствия формируются на основании натурных полевых испытаний. Но для ускорения испытаний скорости движения могут быть такими, которые превышают санитарные нормы по условию комфорта водителя. При этом важно определить коэффициент ускорения испытаний и организовать автоматическое вождение машины по трассе на полигоне (человек не способен выдержать предполагаемые нагрузки).

Следует ещё отметить, что такие параметры, как - допускаемое напряжение выносливости детали; m - показатель кривой наклона характеристики усталости (4ч5); N₀ - базовое число циклов (10⁶ ч25·10⁷), могут быть получены для реальных конструкций только на локальных стендах. Ведь эти характеристики не только отражают качество материала, но также и культуру труда данного производства (это особенно важно для сварных конструкций, какими обычно являются несущие системы: рамы, балки, мосты машин и т.д.).

2.3 Расчётно-экспериментальные методы

Оценки параметров качества машины в современных условиях, как правило, проводят по объединённому расчётно-экспериментальному методу. Возможность использования этого метода во многом определяется техническим оснащением предприятия: наличием, прежде всего, мощных вычислительных машин, тензолабораторий и стендового хозяйства.

Решение динамических задач проводится по динамическим моделям, но параметры при этом определяются по опытному образцу. Наличие хорошего банка данных по условиям эксплуатации позволит «прокатить» модель по всем фонам. Полученные при этом нагрузки позволяют получить картину напряжённого состояния металлоконструкции машины по расчётным моделям, используя одну из программ метода конечных элементов. Здесь необходимо заметить, что поскольку расчётные схемы получаются довольно сложными (800ч1500 раз статически неопределимые системы), то напряжённая картина для каждого положения сил требует проведение большого количества математических операций. А если ещё и учитывать псевдодинамику, то становится понятным необходимость применения быстродействующих ЭВМ. Как уже указывалось, точность допущений для расчётных моделей необходимо отрабатывать по реальной машине. Но зато, после отработки модели, возможно проведение проверки решений при любых изменениях в металлоконструкции машины, что конечно невозможно проделать на опытном образце. Проведение расчёта различных вариаций конструкции позволит отобрать наиболее приемлемый вариант, который затем снова проверяется на конструкции на стендах или, в особых случаях, в полевых условиях.

В настоящее время этот метод оценки параметров качества машин даёт наиболее точные результаты. При наличии определённых банков (по фонам, по моделям, по программам и т.д.) этот метод является одном из самых быстродействующих. Но здесь остаётся архиважной задачей формирование банков и их постоянное пополнение. Это связано не только с увеличением статического материала, но и с изменением самих условий.

Константы тут быть не может. Деятельность человека и изменение климатических условий вносит корректировку в исходные данные. Характер изменения может дать только статистика. И в конечном итоге, даже возможно, в какой-то мере, сделать прогноз по входным параметрам.

Всё это, конечно, необходимо возложить на плечи ЭВМ. Нашей же задачей является создание качественного монитора, т.е. управляющей программы.

2.4 Измерительно-информационная техника, используемая при испытаниях

2.4.1 Измерительно-информационные системы (ИИС)

ИИСы служат средством получения информации о качествах объекта испытаний. Эта информация может быть в виде сигналов, чисел, таблиц, осциллограмм, магнитограмм и т.д. Возрастающая сложность испытуемых машин и повышение требований к качеству их работы приводят к необходимости увеличения объёма получаемой информации. При необходимости скорейшей обработки большого объёма информации возникает необходимость в автоматизации процессов измерения и обработки этого материала. Этим и занимаются современные ИИСы.

ИИСы - это комплекс устройств для получения, преобразования и выдачи измерительной информации.

ИИСы могут быть:

- одноканальные;

- многоканальные.

В зависимости от конструктивного исполнения могут выполнять различные функции:

- измерять мгновенное значение измеряемой величины;

- выдавать среднее значение;

- производить измерение, вычисление и выдачу информации производных величин (мощность, скорость, удельный расход и т.д.).



Пример: для того, чтобы определить нагрузки на ведущее колесо комбайна необходимо замерять три силовых компонента: Р - горизонтальную силу, Q - вертикальную силу, Т -крутящий момент .

Нагруженность ведущего колеса определяется величиной и положением в пространстве равнодействующей сил т.е.

где б - угол наклона равнодействующей;

е - эксцентриситет приложения равнодействующей R.

Все эти величины носят случайный характер, поэтому необходима одновременная регистрация P, Q, T, а затем при обработке ИИС выдаёт уже производные величины R, б, е. Кроме этого ИИСы могут выдавать информацию в аналоговой форме или дискретной.

Аналоговая форма результата - это непрерывный сигнал (например осциллограмма).

Дискретная форма результата - это множество отдельных значений выданных с определённым шагом квантования.

В с/х машинах используют ИИСы работающие по принципу электрических измерений неэлектрических величин.

Структурная схема ИИС (ИИК)

1- чувствительные элементы;

2- датчики;

3- нормализующее устройство (измерительный мост). Здесь происходит промежуточное преобразование сигнала, компенсация температурных изменений, масштабное преобразование и др.;

4- линия связи (токосъёмник, кабель, радиопередающая система);

5- измеритель;

6- функциональный преобразователь (усиление сигнала, кодирование, умножение, интегрирование и пр.);

7- регистратор (осциллограф, прибор, принтер и пр.);

8- пульт управления;

9- блок питания;

10- блок тарировки и контроля.

2.4.2 Тензоизмерения

По функциональным признакам датчики разделяются на:

- параметрические (пассивные);

- генераторные (активные).

В параметрических датчиках под воздействием измеряемой величины меняется их электрический параметр: омическое сопротивление, ёмкость или индуктивность.

К параметрическим датчикам относятся:

- потенциометрические и реостатные датчики (датчики линейных и угловых перемещений);

- тензорезисторы - изменяют омическое сопротивление при деформации;

- ёмкостные датчики - изменяют свою ёмкость под воздействием измеряемой величины;

- индуктивные датчики - меняется индуктивное сопротивление;

- датчики термосопротивления, фотосопротивления - изменяют сопротивление под воздействием температуры или силы света;

- трансформаторные датчики, ферромагнитные датчики, сельсины. В этих датчиках обмотка возбуждения питается переменным напряжением от блока питания и на выходе получают напряжение пропорциональное перемещению якоря.

В генераторных датчиках генерируется Э.Д.С. при вращении ротора или при воздействии температуры, давления т.п.

К ним относятся:

- тахогенераторы (для измерения угловой скорости);

- термопары;

- электрические датчики (гальванические).

Существенной характеристикой любого датчика является его линейность. В рабочем диапазоне измерения датчика должен иметь линейную статическую характеристику.

Выбор датчика определяется:

1). Задачами исследования.

2). Конструкцией исследуемой сборочной единицы.

3). Условиями работы измерительного устройства.

4). Характером измеряемой величины.

Тензометрические датчики сопротивления (тензорезисторы)

Тензорезисторы - это преобразователи измерительной деформации упругого элемента в электрический сигнал.

Существует три типа тензорезисторов:

- проволочные;

- фольговые;

- полупроводниковые.

Преимущество тензорезисторов:

- можно наклеивать непосредственно на деталь;

- имеют малый вес;

- практически безинерционны;

- малый размер;

- относительная дешевизна.

Проволочный тензорезистор:

1 - основа (бумажная подложка); 2 - решетка; 3 - спай; 4 - проводник (0,8мм).

Основными техническими характеристиками тензорезистора являются:

- активное сопротивление (ом);

- база (длина решётки) (мм);

- коэффициент тензочувствительности.

Материал - константан, нихром, магнанин Ш 0,02ч0,05мм; для фольговых - фольга толщиной 0,04ч0,012мм.

Номинальный рабочий ток:

- для проволочных - 30мА;

- для фольговых до 0,2а.

Маркировка.

Для проволочных: 2ПКБ(П)-20-200Х(Г)

П - проволочные;

К - константоновые;

Б - бумажная основа, П - пленочная;

20 база в мм;

200 сопротивление в ом;

Х(г) - холодная (горячая) наклейка.

Для фольговых: 2ФКПА-20-200Х(Г)

Ф - фольговые;

К - константновые;

П - прямоугольные, Р- розеточные, М - мембранные;

А - подтип по форме розетки.

Полупроводниковые тензорезисторы изготавливают преимущественно из кремня и германия. Тензочувствительность в 50ч60 раз больше, чем у проволочных. Но они очень малопрочны, с нелинейной характеристикой и большим разбросом электрических параметров.

Основное уравнение тензорезистора:

,

Где

- коэффициент тензочувтсвительности.

Для данного материала j=const.

Так для константана j=2,0ч2,1/

Т.к. тензорезистор деформируется одновременно с упругим стержнем, на который он наклеен, и эта деформация пропорциональна приложенной нагрузке то:

,

Где

;

Е - модуль упругости, т.е.

для изменения у необходимо изменить ДR.

2.4.3 Способы включения датчиков в измерительную схему

Электотензометрические, тензорезисторные, индуктивные и др. датчики включают в измерительный мост. Мостовая схема позволяет вычитать или складывать напряжения датчиков, включённых в мост, исключать мешающие напряжения, компенсировать напряжения, вызывающие дополнительные погрешности (например, температурные), обеспечивает повышение чувствительности всей измерительной схемы. Существует большое разнообразие мостовых схем. Однако в тензометрировании применяют в основном универсальный равноплечий мост Уитстона.

Принципиальная схема тензометрического устройства для измерения тяговых усилий

Здесь: 1 - упругое тяговое звено; 2 - рабочий тензорезистор; 3 - измерительный мост; 4 - регистратор (осциллограф).

Способ включения тензодатчиков в измерительный мост и способ их наклейки на деталь (упругий элемент) зависит от:

- вида измерительной деформации (растяжение, сжатие, кручение, изгиб, сложная деформация);

- типа тензорезистора;

- измерительной схемы (один или несколько тензорезисторов в плече моста, полумост, полный мост).

На тензочувствительность тензорезтстора сильно влияет изменение температуры детали, на которую он наклеен. Для компенсации температурной погрешности рабочего плеча моста используют тензорезистор соседнего плеча, в котором температурная компенсация имеет противоположный знак.

Растяжение-сжатие

Мост

Одно плечо и термокомпенсация

Два рабочих плеча и термокомпенсация

Полумост

Одно рабочее плечо, один рабочий датчик

Одно рабочее плечо, два рабочих датчика и термокомпенсация

а) Rпл =R1

б) Rпл =R1+ R3

б) Rпл =(R1+ R3)/2

Изгиб

- два рабочих плеча, два датчика без термокомпенсации

Сложная деформация

Регистрация только растяжения	Регистрация только изгиба
	Складываются т.к. в одном плече	R1+R2 -	Т.к. R1 и R2 находятся в разных плечах то разбаланс моста увеличивается.
	вычитаются	При растяжении R1+ и R2+, но т.к. и R1 и R2 в разных плечах, баланс сохранится
-	-
И общее сопротивление: R1+R2=RК+RК - баланс

Кручение

2.5 Техника проведения тензометрических измерений

2.5.1 Тарировки

Проведение качественного эксперимента во многом зависит от подготовки аппаратуры к измерениям. Все измерительные тракты проходят всестороннюю проверку и тарировку в лабораторных условиях. Подготовка тензорезисторов включает в себя:

1. Проверку и разбраковку тензорезисторов по сопротивлению.

2. Определение коэффициента тензочувствительности серии тензорезисторов.

3. Вычисление вероятной погрешности (разброса) чуствительности этих тензорезисторов.

Тарировка тензорезисторов проводится для каждой партии. Для тарировок берут 5 датчиков и наклеивают на балку равного сопротивления.

Балка нагружается тарировочным грузом F_T и с датчиков снимают показания напряжения с 3-х кратной повторностью.

,

где n - количество датчиков;

- среднее напряжение на каждом из датчиков.

, где к - количество повторностей;

- напряжение n-го датчика в i-том опыте.

Для проверки ошибки показания рассчитывают действительное значение , тогда

,

;

; ,

где b - ширина сечения балки, проведенного по центрам измерительной решётки датчиков;

h - толщина балки.

В целях проверки масштаба измерительного моста и его тензочувствительности параллельно одного из плеч включается тарировочное сопротивление R_Т=(0,5ч0,7)ДR, что равноценно соответствующему изменению сопротивления датчика при измерительном воздействии.

При соответствующем диапазоне усиления величина разбаланса может иметь свою строго фиксированную «цену». Так, например, для усилителя 8-АН4-7М величина разбаланса «К» соответствует:

- на 1 диапазоне усиления - 100 Мпа;

- на 2 диапазоне усиления - 250 Мпа;

- на 3 диапазоне усиления - 500 Мпа.

Настройка величины «К» осуществляется в специальных мастерских по эталонам

2.5.2 Измерения с использованием тензорезисторов

Измерения с использованием тензорезисторов включают в себя следующие виды работ:

а) установку тензопреобразователей в точках измерения;

б) монтаж измерительной схемы;

в) частные и общие проверки аппаратуры и предварительные таритовки и калибровки;

г) проведение измерений.

3. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ С/Х МАШИН

Цель:

1. Подготовка машины к полевым испытаниям.

2. Снятие характеристик машины с целью дальнейших расчётов.

Объём лабораторных работ определяется поставленными задачами исследований.

3.1 Исследование динамических характеристик

Цель: оценка параметров динамической системы:

а) массово геометрические параметры всей системы и отдельных её частей;

б) упруго-диссипативных характеристик связей между основными массами машины;

в) частот собственных колебаний.

Указанные параметры являются исходными данными для проведения динамических расчётов и служат материалом для первичного анализа динамичности нагрузок, действующих на всю машину или её части.

а) Массово геометрические параметры всей системы и отдельных её частей:

- масса машины и отдельных её частей;

- координаты масс машины и её частей.

Масса машины определяется на весах платформенного типа (лучше всего взвешивать одновременно по всем опорам машины). Возможно применение тензометрических весов - ладометров, которыми можно взвешивать и в полевых условиях.

, т

где Q₁….Q₄ - усилия по опорам машины, кН;

g=9,81м/с² - ускорение силы тяжести.

; , мм,

где Б - база машины;

(Q₃+Q₄) нагрузка на управляемый мост;

(Q₁+Q₂) нагрузка на ведущий мост;

положение координат центра масс жатки определяется из условия равновесия комбайна относительно оси ведущих колес:

, мм

где - нагрузка на управляемый мост без жатки (Кн);

- нагрузка на управляемый мост с жаткой (Кн);

- нагрузка на комбайн от жатки (Кн).

Для определения координаты ЦМ по вертикали, проводят развесовку комбайна по опорам при наклоне комбайна относительно горизонта.

,

где - нагрузка на управляемый мост в наклонном положении;

R₂ - радиус управляемого колеса;

Б - угол наклона;

- полная нагрузка на 4-х опорах.

б) Момент инерции машины

Момент инерции машины относительно поперечной оси определяется методом раскачивания машины на пружине известной жесткости С.

(ТМ²)

Где

,

где М - масса машины, т;

В - радиус качения ЦМ, м;

Б - расстояние от оси качения до пружины, м;

Т - период колебания, с.

В) Коэффициент жесткости определяется из выражения

кН/м,

Где ДQ - приращение нагрузки на упругий элемент (кН); Дд - величина приращения прогиба д

Вариант определения жесткости шины комбайна

г) диссипативные характеристики - отражают рассеивание энергии колебаний. Диссипативные характеристики определяются по записям свободных колебаний.

- коэффициент относительных затуханий.

Z_i и Z_i+2 - максимальное отклонение колебаний на промежутке времени равном периоду Т.