Стендовые испытания важный этап в процессе разработки и изготовления карьерной техники ОАО «БЕЛАЗ»

С.А. Испеньков, канд. техн. наук

Первостепенной и одной из наиболее сложных задач при создании новых образцов карьерной техники ОАО «БЕЛАЗ» является обеспечение заданных показателей прочности и ресурса в условиях повышения действующих на элементы конструкции нагрузок, вызванного увеличением скорости движения автомобилей, грузоподъемности и одновременным снижением собственной массы. В настоящее время большинство проверок в автомобилестроении при проектировании выполняется с использованием виртуальных моделей и систем моделирования. Компьютерное моделирование на стадии проектирования опытной техники активно применяются на ОАО «БЕЛАЗ», в том числе с помощью программного комплекса ANSYS осуществляется прочностной расчет основных несущих узлов карьерной техники.

Применение современных компьютерных технологий проектирования и инженерного анализа позволяет значительно повысить качество конструкторских разработок, однако полностью заменить испытания реальных опытных образцов невозможно по ряду причин.

Несмотря на возможность современных компьютеров определения с высокой точностью напряженно-деформированного состояния конструкции с геометрией любой сложности численным методом конечных элементов на практике достоверность результатов расчетов значительно снижается по причине несоответствия граничных условий расчета реальным эксплуатационным нагрузкам конструкции и отсутствия единых для всей компонентов конструкции и их локальных зон критериев оценки прочности и особенно долговечности. К сожалению, большинство программных комплексов инженерного анализа имеют ограниченную базу данных свойств материалов, а постоянная гонка за уменьшением собственной массы разрабатываемой техники толкает производителя на использование оригинальных соединений и сочетаний материалов, свойства которых отличаются от типовых соединений с известными свойствами. В результате, проведение полного комплекса расчетов не гарантирует соответствия опытного образца машины ожидаемым техническим показателям ресурса. Требуемый ресурс опытной техники достигается в дальнейшем на наиболее затратном и длительном этапе доводки конструкции по результатам полигонных и эксплуатационных испытаний.

Этап доводки опытной конструкции карьерной техники в эксплуатации может длиться несколько лет, однако существуют способы его значительного сокращения в перспективе путем кропотливой экспериментальной работы с реальными узлами и деталями на испытательных стендах.

Экспериментально-исследовательские работы, проводимые в стендовых условиях в научно-техническом центре ОАО «БЕЛАЗ», в последнее время большей частью нацелены на помощь расчетчикам в решении задачи по созданию и дополнению базы данных механических свойств применяемых материалов и их разнообразных соединений. В конечном итоге результаты этих экспериментов используются для верификации компьютерных моделей отдельных узлов и целых автомобильных систем, которые в совокупности воплощают в себе систематизированные знания и опыт инженеров в проектировании конкретного вида техники.

Традиционные для грузовых автомобилей общего назначения пробеговые испытания для карьерных самосвалов требуют больших затрат на топливо и техническое обслуживание машин, строительство и содержание специального полигона. Учитывая современные требования по ресурсу самосвала в 1 млн км, пробеговые испытания могут затянуться до 8–10 лет. Подготовка и испытания полнокомплектного карьерного самосвала большой грузоподъемности на симуляторе дороги также являются слишком затратными, сведения в литературных и других источниках о проведении подобных испытаний и изготовления для испытаний карьерных самосвалов мощных симуляторов дороги полностью отсутствуют. Недостаток наиболее достоверной информации о надежности узлов, получаемой обычно при пробеговых испытаниях и, реже, при стендовых испытаниях на симуляторах дороги, для карьерного самосвала может быть восполнен приемлемыми по затратам стендовыми испытаниями отдельных деталей, узлов и агрегатов.

В настоящее время в научно-техническом центре БЕЛАЗа совместно с ОИМ АН Беларуси ведется разработка системного подхода к проектированию и испытаниям новой техники, который представляет собой комплекс методик компьютерного моделирования, полигоных и стендовых испытаний, взаимодополняющих друг друга. При данном подходе компьютерное моделирование и результаты исследований в полигонных условиях используются для более глубокого исследования взаимодействия узлов и систем между собой, определения нагрузок, действующих на узлы и детали, для их последующего воспроизведения в стендовых условиях. Для крупногабаритных узлов, проверка которых на стенде затруднена, разрабатываются методики виртуальных испытаний с использованием экспериментальных данных о свойствах материалов и их соединений, полученных на универсальных испытательных машинах.

Освоение компьютерных программных комплексов инженерного анализа также привело к формированию нового круга задач для стендовых испытаний, значительно повышающих требования к точности воспроизведения системой управления нагрузок и перемещений приводов испытательного оборудования, к достоверности получаемых результатов. В перечень новых задач для стендовых испытаний входит определение исходных параметров для расчетов и определение критериев оценки результатов расчетов: определение статической и динамической жесткости, частотных характеристик и характеристик демпфирования деталей и узлов, определение характеристик сопротивления усталости материалов и их соединений.

Для решения поставленных задач в последнее время научноисследовательский центр БЕЛАЗа развивает свою экспериментальную базу путем обновления и глубокой модернизации существующего собственного уникального испытательного оборудования, а также обучения специалистов, работающих на данном оборудовании. Обновление системы управления на базе компьютерных технологий позволяет существенно повысить характеристики и возможности испытательного оборудования. Безусловно, для управления, наладки и обслуживания современных испытательных стендов на предприятии требуются высококлассные специалисты.

Рис. 1 Испытания образцов сварных соединений стали на усталость на универсальной испытательной машине

Рис. 1 Испытания образцов сварных соединений стали на усталость на универсальной испытательной машине

Рис. 1 Испытания образцов сварных соединений стали на усталость на универсальной испытательной машине

Одной из успешных работ в этой области следует отметить модернизацию многофункционального испытательного комплекса, произведенного и смонтированного на БЕЛАЗе в далеком 1986 г. широко известной в прошлом западногерманской фирмой Karl Schenck AG. В состав комплекса изначально входило 13 сервогидравлических приводов, из которых 10 линейных цилиндров с максимальной силой от 100 до 4000 кН, преобразователь давления для испытаний гидравлических узлов с максимальным давлением 300 бар, цилиндр для приложения крутящего момента с максимальной величиной 16 кН*м и универсальная испытательная машина с максимальной нагрузкой 1000 кН. Питание данных приводов осуществляется через трубопроводы объединенной гидросистемы 8 гидравлическими станциями, с максимальной подачей масла до 350 л/мин. Водяное охлаждение масла осуществляется трехступенчатой системой с автоматическим управлением двух контуров охлаждения и градирни.

Для монтажа этого уникального комплекса внутри цеха было возведено целое строительное сооружение, включающее отдельное помещение для гидростанций, бетонный канал для трубопровода с системой автоматического отключения станций в случае утечек масла, два огромных виброизолированных бетонных основания с закрепленными по всей поверхности пазовыми плитами. Уникальная конструкция сервогидравлических цилиндров и централизованной системы их питания, произведенных западногерманскими инженерами, позволяет и сегодня добиваться эффективных результатов в процессе испытаний.

В 2012–2013 гг. российской компанией НОВАТЕСТ была произведена глубокая модернизация испытательного комплекса, «вдохнувшая в него новую жизнь». В ходе модернизации комплекса был расширен диапазон мощностей и увеличено количество приводов за счет комплектующих фирмы Instron Structural Testing Systems GmbH (IST). В настоящее время в состав комплекса входит 19 приводов, из которых 16 линейных цилиндров с максимальной силой от 10 до 4000 кН, новый преобразователь давления для испытаний гидравлических узлов с максимальным давлением 500 бар, новый цилиндр для приложения крутящего момента с максимальной величиной 64 кН*м. Особо востребованной частью комплекса стала универсальная испытательная машина INSTRON 8805 с максимальным усилием в 1000 кН, которую в ближайшем будущем дополнит модернизированная универсальная испытательная машина SCHENCK. Практически круглосуточная загрузка универсальной испытательной машины связана с увеличением объема испытаний по определению характеристик сопротивления усталости металлов и их сварных соединений (рис. 1). Благодаря уникальной конструкции силовой рамы универсальной машины значительно сокращаются сроки испытаний и затраты на изготовление оснастки при испытаниях компонентов и материалов. Помимо своих специфических задач универсальная испытательная машина используется для калибровки и поверки датчиков силы остальных цилиндров.

Рис. 2 Испытания цилиндров подвески карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т

Рис. 2 Испытания цилиндров подвески карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т

Современная система управления комплекса, построенная на основе контроллеров Labtronic 8800 и программного обеспечения, объединила все сервогидравлические цилиндры в четыре группы. Каждый из четырех контроллеров управляет группами от двух до шести цилиндров, на базе которых может быть собрано несколько стендов с различной комбинацией приводов внутри группы в зависимости от поставленной задачи испытаний. Система управления может с минимальными затратами времени перестраиваться, позволяет персоналу оперативно менять конфигурацию стендов, подключать дополнительные датчики для управления или контроля за ходом испытаний и т.д. Существенное расширение функциональных возможностей при управлении испытательным комплексом было достигнуто также за счет полного комплекта модульного программного обеспечения RS LabSite modulogiс, включающего модуль RS TWR, служащий для воспроизведения на стенде записей нагрузок и других параметров на полнокомплектном автомобиле в условиях полигона или эксплуатации.

Успешный запуск в эксплуатацию обновленного испытательного комплекса позволил за последнее время, помимо разнообразных одноосевых стендов, собрать несколько многоосных стендов для испытаний на долговечность ответственных узлов карьерной и специальной техники: опытной стойки тяжеловоза, рамы, балки передней оси и гидроцилиндров рулевого управления карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т. Стендовые испытания балки передней оси проводились в рамках государственных научно-исследовательских программ совместно с БНТУ и ОИМ НАН РБ. По результатам испытаний совершенствовались схемы нагружения узлов несущих систем самосвалов на стенде, методики стендовых статических и динамических испытаний по определению жесткостных, прочностных характеристик ответственных узлов, а также испытаний на долговечность.

В настоящее время на новом стенде, собранном на базе модернизированного испытательного комплекса, проводятся испытания цилиндров подвески карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т. Уже получены уникальные результаты исследований свойств цилиндра передней подвески (рис. 2). Возможности программного модуля RS TWR и мощность существующих сервогидравлических приводов позволили воспроизвести записи давлений и ходов штока, полученных на заводском полигоне.

Рис. 3 Стенд испытания рамы карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т на долговечность

Рис. 3 Стенд испытания рамы карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т на долговечность

Особо следует отметить уникальный стенд для испытаний рамы карьерного самосвала грузоподъемностью 130 т на усталостную долговечность, не имеющий аналогов в мире (рис. 3). Изготовление данного стенда явилось результатом многолетних экспериментальных исследований нагруженности рам карьерных самосвалов на полигоне и расчетных исследований динамических свойств самосвала и его несущей системы. Уникальные возможности данного стенда заключаются в значительном ускорении испытаний на долговечность с частотой нагрузки до 5 Гц за счет использования резонансного режима работы стенда и сервогидравлических приводов относительно небольшой мощности.

Таким образом, в результате модернизации испытательного комплекса, обучения и успешной работы высококлассных специалистов научно-технический центр БЕЛАЗа значительно расширил свои возможности проведения ресурсных и различного рода исследовательских стендовых испытаний несущих узлов (рамы, картера заднего моста, балки передней оси), узлов подвески карьерных самосвалов грузоподъемностью до 130 т. Полученный опыт позволит в будущем охватить стендовыми испытаниями ответственные несущие узлы карьерных самосвалов более высокой грузоподъемности для обеспечения и повышения их ресурса и соответственно качества выпускаемой карьерной техники.

Ключевые слова: БЕЛАЗ, Стендовые испытания, проверки, ANSYS, расчет основных узлов

Журнал "Горная Промышленность"№4 (146) 2019, стр.74