Обеспечение эффективности функционирования зерноуборочных комбайнов за счет рационального конструирования несущих систем на стадии проектирования

Важнейшее место в производстве зерна занимают уборочные машины. Эти машины должны в оптимальные сроки убрать урожай зерновых культур, обеспечив качество продукта при минимальных затратах. Учитывая короткие сроки уборки, надежность машин имеет особое значение.

Создание зерноуборочных машин имеет тенденции, существенно влияющие на проблему обеспечения надежности:

• по способу агрегатирования с ходовой частью (самоходные, прицепные, навесные, стационарные установки);

• по схемному решению (классическая схема, роторного типа, оригинальные решения обмолота и очистки);

• по типажу (производительность, количество парка машин и их состав). В настоящее время возникает еще ряд проблем создания надежных и долговечных зерноуборочных машин, связанных с обеспечением показателей назначения, технологичностью изготовления, эргономическими показателями, стандартизацией и унификацией. Надежность остается острой проблемой в сельхозмашиностроении .

Создание новых высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов не только не сняло проблему надежности, но еще более ее обострило: усложнение конструкции, увеличение массы, габаритов, интенсификация нагрузок, повышение нормативного срока службы привело к увеличению длительности, трудоемкости и стоимости работ по обеспечению надежности.

Зерноуборочные комбайны повышенной производительности должны иметь ф не только высокие показатели надежности и долговечности, но и малую удельную материалоемкость. Эти требования являются определяющими для современных конкурентоспособных машин.

В диссертационной работе поставлена актуальная задача, состоящая в комплексном подходе к проблеме надежности на каждом этапе проектирования за счет сокращения сроков создания новой техники, повышения надежности, снижения металлоемкости.

Сложившаяся практика проектирования сельскохозяйственных машин, отсутствие комплексного подхода к проблеме надежности на каждом этапе проектирования противоречат требованиям по сокращению сроков создания новой техники в 3−4 раза, повышению надежности в 1,2−2 раза, снижению металлоемкости отрасли в 2 раза.

Противоречие между требованиями, предъявляемыми к современным конкурентоспособным машинам, и методами достижения цели в полной мере относятся к зерноуборочным машинам, одним из самых сложных машин массового производства, к их несущим конструкциям, составляющим 30−40% массы.

Анализ обзора литературы показал, что система научного подхода к проектированию несущих конструкций с заданным уровнем надежности еще не создана, процесс проектирования и исследований объекта в достаточной мере не автоматизирован, информационное обеспечение проектирования далеко от завершения. Отмечая глубокую научную проработку важнейших вопросов проектирования сельскохозяйственных машин, и в частности зерноуборочных машин, следует выделить и ряд нерешенных проблем. К ним относятся вопросы синтеза несущих конструкций, методов расчетного прогнозирования показателей надежности, создания обобщенных статистических моделей эксплуатационного нагружения и другие.

Цель исследования разработать метод синтеза пространственной несущей конструкции мобильной машины по критериям динамики и прочности на базе современных информационных технологий.

Решение поставленной задачи способствует выполнению важной народнохозяйственной программы повышения надежности снижения металлоемкости отрасли, сокращения сроков создания машин, внесет существенный вклад по созданию высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов мирового технического уровня.

Разработан метод синтеза рациональной структуры несущей системы на основе выделения теоретически оптимальной силовой схемы из проектной области размещения металла с использованием метода конечных элементов по критерию минимума массы металлоконструкции. Предлагаемый метод синтеза рациональных структур является новым в проектировании несущих конструкций сельскохозяйственных машин. Впервые для этих целей был применен расчетный модуль конечно-элементного анализа АРМ Structure 3D, входящий в систему АРМ Win Machine.

Определены методические основы и разработана методика проектирования несущих конструкций зерноуборочных комбайнов с минимальной металлоемкостью. Предлагаемый комплекс моделей, алгоритмов и информационного обеспечения, ориентированный на автоматизацию принятия решений, гарантирует проектирование несущих конструкций с минимальной металлоемкостью и необходимым и достаточным уровнем надежности.

В связи с исследованиями выбрано направление на оптимизационный поиск для наиболее уязвимой части сельскохозяйственной машины, определяющей надежность, как качественный анализ напряженно-деформированного состояния несущей системы. Это позволило определить, что необходимо и достаточно провести поиск некоторой структуры, в результате которого должна быть получена оптимальная конфигурация каждого из ее элементов в пределах определенного уровня надежности.

Созданая система проектирования несушей конструкции зерноуборочного комбайна которая позволяет объективно и оперативно определить очертания несущих элементов в пространстве, работающих с отсутствием безизгибных напряжений. Для достижения этих целей был применен метод конечно-элементного анализа АРМ Structure 3D входящий в CAD/CAE системы АРМ WinMachine. Разработанный принцип рационального конструирования несущей конструкции сельскохозяйственных машин из тонкостенного листового материала позволяет повысить эффективность рациональной конфигурации несущей системы. Впервые заложены принципы формирования новой технологии изготовления силовых элементов с лазерной резкой по выкройкам с последующей гибкой. Созданная оригинальная методика рационального конструирования несущей конструкции принята к использованию на АОМЗ в целях разработки несущих конструкций 3-х фазного комплекса свеклоуборочных машин.

1. ОБЩИЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Проблема надежности зерноуборочных машин.

В современном мире рыночных отношений, конкурентоспособность сложных мобильных сельскохозяйственных машин ставит перед проектировщиками задачу создания современных несущих конструкций, способных по своим решениям, дизайну и показателям надежности противостоять уже существующим машинам. При этом необходимым условием в настоящее время является более низкая цена машины, чем у аналогов преимущественно зарубежных фирм.

Наиболее приемлемым вариантом существенного уменьшения стоимости разрабатываемой машины, является сокращение сроков, а, следовательно, и расходов на создание сложной проектируемой системы.

В данный момент процесс создания нового изделия включает в себя следующие этапы: техническое заданиетехническое предложениеэскизное проектированиетехническое проектированиеконструкторская документация. Рассмотренные выше этапы создания сложных технических систем отличаются неодинаковыми затратами материальных средств и времени. Так, если все расходы, связанные с выполнением программы по созданию машины, составляют 100%, то на разработку технического задания, технических предложений и эскизное проектирование затраты обычно не превышают 5−10%, на техническое проектирование 10−20%, и, соответственно, на изготовление опытных образцов и испытания, затраты материальных средств и времени составляют 70−85% [2,7,15,76].

Практика экспериментальной отработки сложных систем подтверждает необходимость следующих видов испытаний (ГОСТ 16 504−81): предварительные (лабораторно-стендовые, ресурсные) испытания основных узлов, механизмов, сборочных единицпредварительные заводские испытания изделиямежведомственные испытания изделияресурсные испытания изделия.

Важность и необходимость испытаний при проектировании новых сложных систем диктует то, что до недавнего времени было сложно, а в некоторых случаях и невозможно предсказать поведение конструкции в целом при воздействии рабочих нагрузок и случайных возмущающих воздействий.

И, несмотря на жесткость проведения всех испытаний и проверок, потраченных средств и времени, сложные системы ведут себя непредсказуемо. Еще имеющие место в практике аварии и катастрофы различных систем и сооружений говорят о том, что существующие методы расчета конструкции не учитывают всего многообразия факторов, влияющих на их прочность устойчивость.

Аварии и катастрофы вновь и вновь заставляют инженеров и проектировщиков пересматривать состояние вопроса и вводить в расчеты коэффициенты запаса. Все это в какой-то мере уменьшает случайные явления, но не исключает катастроф вообще [4,5].

В течении последних двадцати лет произошли значительные изменения в способах расчета инженерных конструкций. Традиционные методы расчета, базирующиеся, в основном, на классических счетных методах, с учетом ограниченных их возможностей, уступают место современным методам численного анализа с применением ЭВМ. Благодаря развитию электронной техники созданы новые условия для анализа и расчета сложных инженерных конструкций. Это подтверждает возможность применения более точных теоретических разработок, которые основаны на выборе расчетной модели, охватывающей геометрию контурных условий, нагружения и других внешних воздействий. Кроме того, отмеченное позволяет точнее, быстрее и экономичнее анализировать принятую расчетную модель [2, 3, 6, 7, 10, 59].

С применением ЭВМ нелинейный анализ конструктивных систем, как значительно более точной, чем линейный, все чаще становится необходимым при напряженно-деформированном анализе и расчете действительных инженерных конструкций. С развитием новых численных методов, основанных на использовании ЭВМ, стал возможным общий прогресс в проектировании и сооружении многих инженерных конструкций [2, 18, 33,42,47].

В работах [26, 40, 60] классифицируются методы проектирования мобильных машин. Практика показывает, что этот процесс с трудом поддается классификации. Начало проектирования можно представить как аналоговый метод, для этого часто выбираются не лучшие образцы, затем выявляются невозможность и нецелесообразность строгого копирования, стремление «улучшить» проект. Продолжение проектирования носит интуитивный характер при выборе структуры (например, структуры несущей системы) проведением некоторых, необходимых по мнению лица, принимающего решение (ЛПР), расчетов. После изготовления опытного образца (макета) машины (или ее отдельного агрегата) проводятся оценки допущенных конструктивных ошибок, оценки возможностей функционирования и производятся прикидки прочности и жесткости конструкции. Материалы испытаний и их оценка служат основой для нового цикла конструирования или корректировки. С каждым циклом увеличивается количество испытуемых образцов, качество конструкции повышается.

Следовательно, процесс обеспечения требуемой прочности несущей конструкции начинается практически с экспериментальных исследований опытных образцов машины [5, 47, 48, 49, 52, 62]. Даже расчеты, как правило, проводятся после изготовления опытного образца. Это направление нашло отражение в работах Грошева JT.M. [18], Терликова В. А. [77], Андросова А. А. [2], Бугло Р. И. [14], Спиченкова В. В., Манынина Ю. П. [48, 73], Попова Д. Д. [60, 61] и других. При таком подходе конструкция может быть скорректирована только незначительно, без изменения общих концепций, схем, основных решений. Работа по повышению прочности ведется методом проб и ошибок в рамках произвольно принятых ограничений. Итак, низкое качество конструкций мобильных машин связано, прежде всего, с несвоевременным началом процесса прочностного анализа конструкции.

С появлением таких численных методов, как метод конечных элементов, они стали широко применяться для оценки напряженно-деформированного состояния сложных несущих конструкций в различных областях машиностроения. В области проектирования мобильных сельскохозяйственных машин метод конечных элементов нашел применение в работах Гукова А. И. [20, 21], Луконина Ю. А. [37], Рыбака Т. Н. [66], Шульгина Б. Д. [84] и др.

В энергетическом машиностроении применение МКЭ развивается в работах Угодчикова А. Г. и Малкова В. П. [46], в судостроении в работах Чувиковского B.C. [83], в авиастроении в работах Комарова В. А. [33]. Однако, за редким исключением, работы по реализации МКЭ посвящены оценочным расчетам готовых конструкций. Такой подход не позволяет эффективно использовать расчетные методы в проектировании несущих конструкций с заданным ресурсом. Кроме того, создание конечно-элементной модели (КЭМ) является всегда творческим, плохо формализуемым и, следовательно, весьма трудоемким процессом.

Среди современных методов численного анализа методу конечных элементов принадлежит особое место. Благодаря своим достаточно простым математическим формулировкам и очевидному физическому значению, МКЭ является эффективным и наиболее распространенным методом решения различных задач механики сплошной среды. Широкое распространение МКЭ можно объяснить как наличие большого числа общих программ для ЭВМ с высокой степенью автоматизации, генерирования сети конечных элементов, формирования и решения огромного числа алгебраических уравнений, так и благоприятной численной и графической интерпретацией полученных результатов [29].

Одной из важнейших составляющих процесса создания машин заданной надежности и минимальной массы является оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) ее силовых конструкций. Такие оценки производятся расчетными и экспериментальными методами [1, 9, 16]. При проектировании машины особо важными являются ранние оценки прочности, жесткости и долговечности силовых конструкций. Предпочтительней всегда проведение расчетных оценок по сравнению с экспериментальными. Главным преимуществом этих оценок являются: возможность проводить исследования, в том числе и поиск оптимальной структуры несущей системы, поиск оптимальных параметров силовых элементов, на самых ранних этапах проектирования, до изготовления макетов и опытных образцов, глобальность расчетных оценок, возможность сравнительной оценки множества вариантов конструкций и видов нагружений. Однако один недостаток расчетных оценок последнего времени ставил под сомнение все преимущества расчетов: необходимость при каждых оценках доказывать их адекватность реальным значениям, обосновывать правомерность принятых допущений.

В настоящее время эффективным методом расчетной оценки НДС таких сложных конструкций, как несущие конструкции наземных транспортных средств, технологических машин и оборудования и т. п., является использование вычислительных систем, реализующих МКЭ на современных ПЭВМ и рабочих станциях. Важнейшее достоинство МКЭ заключается в его инженерной ориентации. При расчете крайне нерегулярных конструкций пользователь (инженер-конструктор) оперирует естественными параметрами: геометрическими размерами элементов и их сечений, массами, жесткостными характеристиками и т. п. Пользователь избавлен от сложных математических выкладок, обоснований расчетных положений, допустимости упрощений системы и т. д.

Основой оптимизационного поиска для наиболее уязвимой части сельскохозяйственной машины, определяющей надежность, следует считать качественный анализ напряженно-деформированного состояния несущей системы. При этом необходимо и достаточно провести поиск некоторой структуры, в результате которого должна быть получена оптимальная конфигурация каждого из ее элементов в пределах определенного уровня нагруженности.

1.2. Анализ отказов несущих конструкций зерноуборочных машин.

Отказом считается такое состояние конструкции, при котором она теряет свою работоспособность. К полной потере несущей способности конструкции приводят поломки и недопустимые деформации, к частичной — ослабление резьбовых соединений. При введении понятия надежности как конструктивного параметра будем рассматривать отказы, физической сущностью которых являются излом (вязкий, хрупкий, усталостный), остаточная деформация, трещина. Хрупкое разрушение происходит при возникновении ударных нагрузок, остаточных напряжений в сварных соединениях, концентраций напряжений и т. п. Пластические деформации возникают при перегрузках деталей и проявляются в виде нарушения формы. Усталостные трещины возникают при длительном действии динамических напряжений.

В работах по надежности машин приводится классификация отказов [14, 42, 43, 49, 58, 65, 67]. Выделим наиболее важные для несущих конструкций признаки классификации.

По характеру возникновения отказы различают на внезапные и постепенные. Внезапные отказы происходят из-за нарушения условий прочности и жесткости, т. е. происходит внезапная поломка, остаточная деформация, потеря устойчивости. Постепенный отказ несущей конструкции наступает при полном использовании фактического ресурса за счет возникновения и развития усталостных повреждений.

Заключение

и общие выводы.

На основе теоретического обобщения исследований решены новые задачи оптимального проектирования несущих конструкций зерноуборочных машин на основе формализации процедур, синтеза конструкций и поэтапного анализа достижения цели. Потребность в проектировании новых систем связана с потребностью новых решений, базирующихся на улучшении характеристик уже существующей техники. Для зерноуборочных комбайнов в соответствии со степенью принадлежности к важным целям проблемы проектирования составляют ранжированную последовательность, где основное — это обеспечение надежности при уменьшении металлоемкости.

Решение научной задачи имеет важное хозяйственное значение для выполнения программы сокращения трудоемкости и сроков создания машин нового поколения, снижения удельной металлоемкости,.

На основании полученных результатов сформулированы основные выводы:

1.Впервые создана система математических моделей двухмерной иерархии для решения проблемы проектирования несущих конструкций зерноуборочных машин заданной надежности, которая интенсифицирует диалог ЛПР-ЭВМ в процессе проектирования машины и обосновывает принципы построения и развития механико-математической модели зерноуборочных машин как системы твердых тел с упруго-диссипативными связями.

Разработанные процедуры построения моделей проектной области размещения металла конструкции и эксплуатационной нагруженности несущей системы зерноуборочных машин, с учетом воздействия рельефа почвенного фона и разделением проектной области на два силовых контура в соответствии с характерными потоками эксплуатационных нагрузок, позволило создать систему эффективного использования металла в конструкции зерноуборочных машин и получить качественно новые результаты при их проектировании.

2.Разработанный метод синтеза рациональной структуры несущей системы зерноуборочных машин основан на выделении теоретически рациональной силовой схемы из проектной области размещения металла, что позволило применить МКЭ, реализованный на ЭВМ в пакетах прикладных программ прочностного расчета по критерию минимума массы металлоконструкций. Определены принципы построения модели нагружения несущей конструкции зерноуборочных машин на базе их загруженности по режимам эксплуатации. Исследования воздействий на зерноуборочные машины и их несущие конструкции позволили выделить и описать силовые факторы, определяющие их нагруженность. Установлено решающее влияние рельефа трасс движения. Разработана динамическая модель, отражающая весь спектр возможных воздействий, на основе аналитического описания стационарной части рельефов трасс со случайным вектором параметров аппроксимации.

3.Разработана процедура моделирования эксплуатационной нагруженности несущей системы машины при детерминированных и случайных воздействиях рельефа почвенного фона, в результате чего создана обобщенная модель нагружения, которая является основой информационного обеспечения синтеза конструкции.

4. Обоснован принцип двухконтурного представления модели проектной области размещения несущей конструкции зерноуборочного комбайна в соответствии с характером потоков эксплуатационных нагрузок. На базе этого принципа разработан метод синтеза рациональной структуры несущей системы на основе выделения теоретически оптимальной силовой схемы из проектной области размещения металла с использованием метода конечных элементов по критерию минимума массы металлоконструкции. При проектировании несущих конструкций высокопроизводительных зерноуборочных комбайнов получены качественно новые условия эффективного использования металла.

5.Впервые разработана блок-схема нахождения оптимальной геометрии сечения элементов несущих конструкций зерноуборочных машин, базирующаяся на методе конечного элемента, с использованием пакета АРМ Structure 3D, входящим в состав CAD/CAE/CAM/PDM системы АРМ WinMachine и представляющим собой альтернативу программам ANSYS, NASTRAN, COSMOS, но являющимся наименее стоимостным и хорошо адаптированным к российским базам данных продуктом,.

6.Для моделирования оптимальной пространственной несущей конструкции зерноуборочной машины предложена 9-я версия АРМ Structure 3D, использующая метод мембранных конечных элементов и позволяющая осуществить синтез параметров силовых элементов несущих конструкций путем стягивания силовых потоков и последовательным удалением мембранного слабонагруженного элемента. Используемые типовые режимы и их доля в эксплуатации приняты на основании многолетних фотографий рабочего дня ведущими организациями данной отрасли по каждой почвенно-климатической зоне и данных с эксперимента машины аналога.

7.0пределены методические основы и разработана методика проектирования несущих конструкций зерноуборочных комбайнов с минимальной металлоемкостью. Предлагаемый комплекс моделей, алгоритмов и информационного обеспечения, ориентированный на автоматизацию принятия решений, гарантирует проектирование несущих конструкций с минимальной металлоемкостью и необходимым и достаточным уровнем надежности.

8. На основании результатов численного эксперимента предложено конструирование несущей системы с применением новых технологий изготовления стержней с применением лазерной резки раскроя и гибки по длине с определенной конфигурацией поперечного сечения.

9.Получен прогноз уменьшения металлоемкости несущих конструкций по сравнению с предыдущими версиями ориентировочно на 30−40%, что дает уменьшение давления комбайна на почву на 10−12% и снижения выброса вредных веществ в атмосферу на 6−7%.