В статье рассматривается напряженно-деформированное состояние рамы навесного плуга, полученное в программном комплексе ANSYS.
Ключевые слова: плуг, рама, прочность, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние.
Рама является несущим элементом плуга, воспринимающим все нагрузки, возникающие при его движении, и служит основанием для крепления узлов и деталей. Рама должна обладать высокой изгибной и крутильной жесткостью и прочностью при ограниченной массе, а также рациональной конструкцией, позволяющей наилучшим образом разместить и закрепить узлы и детали.
Расчетным и экспериментальным исследованиям рам плугов и других сельскохозяйственных машин посвящены работы Синеокова Г. Н., Панова И. М. [1] и др. Широко применяемые в настоящее время экспериментальные исследования статической и динамической прочности машиностроительных конструкций связаны, как правило, со значительными затратами временных, людских и материальных ресурсов. В последние годы получили распространение численные методы теории упругости. Одним из наиболее эффективных численных методов для расчета машиностроительных конструкций является метод конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ при расчетах тонкостенных пространственных конструкций позволяет в рамках единого подхода получать распределения как сил и напряжений, так перемещений и деформаций [2]. С помощью МКЭ можно исследовать конструкции практически любой формы и оценивать напряженно-деформированное состояние всей конструкции и отдельных элементов.
Решение задачи МКЭ в статической постановке в конечном итоге сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, которые в матричном виде могут быть записаны следующим образом:
{P}= [K]{U},
где {P} — матрица-столбец заданных внешних сил и моментов; [K] — квадратная симметричная матрица жесткости конструкций; {U}- матрица-столбец неизвестных перемещений.
Объектом исследования в данном случае являлась рама навесного плуга ПЛН-5–35. Эта работа была выполнена в связи с необходимостью улучшения качества работы плуга, что требует внесения изменений как в отдельные элементы рамы, так и в конструкцию в целом.
Плуг ПЛН-5–35 предназначен для вспашки почв с удельным сопротивлением почвы до 9 Н/см2 на глубину до 30см. В полной комплектации плуг имеет 5 корпусов. Рама плуга представляет собой треугольник, сваренный из полых труб прямоугольного сечения. Во время работы плуга рама опирается на колесо, изображенное на рисунке 1 в виде опоры, жестко связанной с продольной балкой рамы. На опору наложено ограничение, запрещающее перемещения по вертикали. Усилие на плуг со стороны трактора передается через кронштейны навески, нижние из которых изображены на схеме в виде опор, которым запрещены все перемещения, а действие вертикальной тяги — в виде ограничения вертикальных перемещений поперечной балки. Стойки представляют собой вертикальные брусья, присоединенные к раме с помощью горизонтальных косынок. Все стойки параллельны линии движения агрегата. Вес плуга равномерно распределен по конструкции. Сопротивление рабочих органов плуга изображено в виде усилий, приложенных к нижним концам стоек. При прямолинейном движении агрегата эти силы должны быть направлены в сторону, противоположную движению. Силы рассчитывались для сопротивления почвы, равного 7 Н/см2, т. е. меньше предельно допустимого.
Рис. 1. Расчетная схема плуга
Расчет выполняли методом конечных элементов при помощи программного комплекса ANSYS. Рама была смоделирована набором объемных элементов, а разбивка на конечные элементы проводилась автоматически.
В результате расчета при статическом действии нагрузки были получены численные значения и эпюры внутренних силовых факторов, действующих в конструкции; карта эквивалентных напряжений и перемещений в раме; распределение напряжений по поперечным сечениям элементов рамы (рис. 2 и 3).
Рис. 2. Карта эквивалентных напряжений по Мизесу
Наиболее нагруженными оказались верхние стороны балок, испытывающие сжимающие напряжения, вызванные стремлением рабочих органов выглубиться. При этом максимальные их значения не превышали 129 МПа. Одновременно выяснилось, что элементы рамы испытывают значительные деформации. Главный брус рамы, на котором закреплены корпуса, скручивается, причем деформации увеличиваются в направлении от первой к пятой, последней стойке, достигая величины в 3,8 см. Стойки корпусов изгибаются вместе с рамой.
Рис. 3. Карта деформаций рамы плуга
Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния рамы плуга при статическом действии нагрузок позволили оценить чувствительность модели к действующим нагрузкам: при работе в не самых тяжелых условиях плуг не обеспечивает требований агротехники к равномерности глубины обработки почвы. Разница в глубине хода первого и пятого плужных корпусов достигает 3,4 см. Таким образом, расчеты показывают, что плуг ПЛН-5–35, многие годы серийно выпускаемый, имеет конструктивные недостатки, которые могут отрицательно сказываться на его эксплуатационных характеристиках.
Литература:
1 Синеоков Г. Н., Панов И. М. Теория и расчет почвообрабатывающих машин. — М., 1977. — 328 с.
2 Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. — М., 1973. — 278 с.
