Повышение энергонасыщенности лесных машин, увеличение рабочих скоростей выполнения технологических и транспортных операций влекут за собой интенсификацию труда оператора, работа которого сопровождается не только воздействием вибрации, шума, вредных примесей в воздухе, сильного мышечного и нервно-эмоционального напряжения, но и риском нанесения повреждений в случае опрокидывания управляемой им машины или падения на ее кабину спиленного дерева. С целью снижения риска нанесения повреждений оператору в подобных случаях, кабины лесозаготовительных машин оборудуются так называемыми устройствами защиты при опрокидывании (ROPS - Roll-over protective structures). Экспериментальная оценка эффективности такого устройства позволит на стадии проектирования определить соответствие ROPS нормативным требованиям безопасности [1].
Задачами данного исследования являлись построение зависимости «усилие - деформация» и определение энергии, поглощаемой устройством защиты при боковом нагружении. Действующие ГОСТы, регламентирующие порядок оценки защитных свойств ROPS [2-5], допускают проведение статических лабораторных испытаний. Испытания проводят на стендах при боковом и вертикальном нагружении, при этом деформация ROPS не должна допускать проникания своих элементов в объем ограничения деформации (DLV - deflection-limiting volume). Согласно [5], DLV - это фигура с прямоугольными очертаниями, по размерам приблизительно соответствующая антропометрическим данным оператора по ГОСТ Р ИСО 3411 (мужчина высокого роста в положении сидя в обычной рабочей одежде и защитном шлеме) и определяющая предельно допустимую деформацию ΔDLV. Объектом испытаний являлся макетный образец защитного каркаса кабины колесного трелевочного трактора ТЛК 4-01 производства Онежского тракторного завода. Модель испытуемого защитного каркаса, совмещенная с DLV, представлена на рис. 1.
Рис. 1. Модель защитного каркаса и DLV
Испытания проводились по программе-методике [6], разработанной на Лесоинженерном факультете Петрозаводского государственного университета (ПетрГУ). Изготовление макетных образцов защитного каркаса (выполнялись в уменьшенном масштабе М 1:4), а также приспособлений для их установки на стенде производилось в лаборатории сварки и лаборатории станков кафедры технологии металлов и ремонта ПетрГУ. Нагружения макетных образцов производились в лаборатории механики ПетрГУ. В перерывах между нагружениями не допускался какой-либо ремонт или правка деформированных деталей объекта испытаний. Макетный образец устройства защиты устанавливался на стенде с помощью специального приспособления, жесткость которого в вертикальной плоскости значительно превышала жесткость макета защитного устройства. Характеристики «деформация - усилие» определялись приложением боковой нагрузки к верхнему продольному элементу защитной рамы. В качестве испытательного стенда использовалась разрывная машина Р-5 (служит для определения механических свойств материалов, а также для испытаний деталей, сборочных единиц и изделий путём повреждения или разрушения), позволявшая регистрировать следующие параметры:
- усилие, прикладываемое к устройству защиты;
- линейные деформации в точке приложения нагрузки.
Нагрузка F при боковом нагружении прикладывается к верхнему продольному элементу макета защитного устройства и увеличивается до достижения предельного значения Fпр. Предельная нагрузка определяется по условию достижения каким либо элементом объекта испытаний или элементом крепления объекта испытаний предельного состояния, т.е. разрушения. Таким образом, имитируется процесс постепенного деформирования защитной рамы и элементов крепления при нагружении. При незначительной скорости приложения нагрузки деформацию устройства защиты при опрокидывании можно рассматривать как статическую. Значения усилий F и деформации Δ в точке приложения нагрузки регистрируются и наносятся на соответствующий график по мере увеличения деформации. Нагрузка на устройство защиты должна быть непрерывной. Полученная площадь под результирующей кривой «усилие - деформация» (диаграммой деформирования) равна поглощенной энергии (рис. 2). Площадь заштрихованной фигуры соответствует энергии UDLV, поглощенной конструкцией до достижения предельно допустимой деформации ΔDLV. При расчете значений энергии используются фактические значения деформации по линии действия прилагаемого усилия.
Рис. 2. Диаграмма деформирования
Обоснование числа опытов n. В основу определения числа опытов было положено стремление уменьшить суммарную случайную ошибку исходя из допущения о нормальности ее распределения. Поскольку среднеквадратическое отклонение неизвестно, следует воспользоваться квантилем распределения Стьюдента. Тогда из теории планирования эксперимента необходимое число измерений [7] составит:
где t(1-p)/2 (k) - квантиль распределения Стьюдента; p - доверительная вероятность, p = 0,95; k - число степеней свободы, k = n - 1; ε - относительная погрешность.
В данном случае, поскольку квантиль распределения Стьюдента зависит от числа степеней свободы, расчет проводится методом последовательных приближений. Так, в первой итерации задавая k = 10; ε = 0,65; t(1-p)/2 (10) = 2,23 [8], получим:
Во второй итерации, задавая k = n1 - 1 = 11; ε = 0,65; t(1-p)/2 (11) = 2,20:
Поскольку полученные значения в первой и второй итерациях практически совпадают, принимаем n = 12.
Нормальный закон распределения определяется двумя параметрами: математическим ожиданием mU и среднеквадратическим отклонением σU. Число измерений n всегда ограничено, и поэтому найти истинные значения этих параметров не представляется возможным. В этом случае используем оценки:
- выборочная средняя (оценка математического ожидания) поглощенной энергии
где Ui - результат i-го опыта;
- оценка дисперсии поглощенной энергии
- оценка среднеквадратического отклонения поглощенной энергии
По полученным оценкам определим границы доверительных интервалов для математического ожидания
и среднеквадратического отклонения поглощенной энергии
Здесь 
, 
- квантили распределения Пирсона.
Опытные данные, а также результаты их обработки представлены в таблице.
Результаты экспериментальных исследований энергии деформирования, Дж
|
№ п/п |
Ui |
|
Границы доверительного интервала для mU |
SU |
Границы доверительного интервала для σU |
Uст |
|
1 |
20687 |
20150 |
Верхняя граница, (t (1-p)/2 = 2,20) 2278 |
1193 |
Верхняя граница, ( = 3.82) 7013 |
19890 |
|
2 |
27064 |
|||||
|
3 |
26405 |
|||||
|
4 |
25739 |
|||||
|
5 |
18890 |
|||||
|
6 |
19127 |
|||||
|
7 |
19784 |
Нижняя граница, (t (1-p)/2 = 2,20) 1753 |
Нижняя граница, ( = 21.9) 2929 |
|||
|
8 |
16963 |
|||||
|
9 |
16594 |
|||||
|
10 |
15690 |
|||||
|
11 |
19634 |
|||||
|
12 |
15283 |
Примечание. *Uст -значение энергии деформирования, рекомендованное стандартом [2].
Вывод: экспериментальным путем определена величина потенциальной энергии деформирования защитного каркаса кабины трелевочного трактора. Определены доверительные интервалы для математического ожидания и среднеквадратического отклонения поглощенной энергии. Полученные значения удовлетворяют требованиям действующих стандартов.
Рецензенты:
Патякин В.И., д.т.н., профессор, зав. кафедрой технологии лесозаготовительных производств ГОУ ВПО «Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им. С.М. Кирова», г. Санкт-Петербург;
Заика Ю.В., д.ф.-м.н., профессор, зав. лабораторией моделирования природно-технических систем Института прикладных математических исследований Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск.
Работа поступила в редакцию 02.06.2011.