Почему рама самосвала трескается у кронштейнов, а не посередине? Гони машину по гребенке, ставь колесо на камень и в яму, меняй жесткость рамы и смотри, где лонжерон краснеет.
Все узлы самосвала висят на раме: кузов с грузом, двигатель, кабина, баки. Сама рама опирается на четыре цилиндра подвески. Под весом груза лонжероны изгибаются, как балки на двух опорах с длинными консолями. Пока дорога ровная, это почти все. Но стоит переднему колесу наехать на камень, и четыре колеса уже не лежат в одной плоскости. Машина опирается по диагонали, и рама скручивается винтом. Изгиб и кручение складываются, а повторяются они миллионы раз за срок службы. Поэтому рамы ломаются не от одного удара, а от усталостных трещин в местах, где сила входит в лонжерон. Как сила доходит до рамы, показано в теме «Путь силы через самосвал», а как делится вес между колесами, в теме «Колеса и оси».
ⓘ Рама обобщенного самосвала класса 90 т из темы «Путь силы через самосвал». Ты смотришь на правый борт, камень или яма под передним правым колесом 2. Напряжения учебные: модель показывает, как складываются изгиб и кручение, а не заменяет расчет завода.
Как строится эпюра изгибающего момента, разобрано в теме «Эпюры», балка на изгиб в теме «Балка и прочность», кручение в теме «Кручение вала». Здесь те же формулы применены к раме самосвала, числа берутся из опыта.
Какое напряжение дает изгиб?
Изгибающий момент растягивает волокна с одной стороны лонжерона и сжимает с другой. Чем выше и толще сечение, тем больше W и тем меньше напряжение при том же моменте.
Насколько закручивает раму камень?
Камень поднимает один угол на высоту w. Перекос делится между подвеской с шинами и рамой, как между двумя пружинами подряд. Сила ΔF, которая догружает диагональ, на плече колеи B закручивает раму.
Где рама треснет первой?
Изгиб и кручение складываются в эквивалентное напряжение. Там, где к лонжерону приварен кронштейн или поперечина, сечение резко меняется и напряжение собирается в точку. Это учитывает коэффициент концентрации Kt.
Камень поднял колесо на 25 см. Эти 25 см должны куда-то деться: часть сожмет подвеску и шину, часть закрутит раму. Это две пружины, поставленные подряд. Сила в них одна и та же, а перекос делится обратно жесткости: мягкая пружина берет больше хода.
Если рама гибкая, она сама закручивается на заметный угол и берет на себя часть перекоса. Сила в углах машины растет немного, все четыре колеса остаются на дороге, а напряжения в раме умеренные. Если раму сделать очень жесткой, она почти не крутится, перекос целиком уходит в подвеску, сила ΔF растет почти вдвое. Колесо на противоположной диагонали быстрее отрывается от дороги, а стыки рамы получают большое кручение.
Поэтому раму карьерного самосвала делают из лонжеронов коробчатого сечения, которые хорошо держат изгиб, а поперечины ставят так, чтобы рама в целом оставалась податливой на кручение. Жестким оставляют только узел у задней подвески, где сходятся самые большие силы.
На каждом плановом ТО раму моют и осматривают места, которые краснеют в опыте: кронштейны подвески, стыки поперечин, переходы сечения. Подозрительную краску зачищают до металла и проверяют магнитным порошком или ультразвуком, потому что ранняя трещина тоньше волоса.
Конец трещины засверливают, чтобы она не бежала дальше, трещину разделывают и заваривают с подогревом, иногда ставят накладку. Плохой шов сам становится новым концентратором. Почему так и как сварной узел работает на усталость, разобрано в теме «Усталость сварных конструкций».
Камень под колесом и гребенка закручивают раму сильнее любого перегруза. Грейдер, который каждый день ровняет дороги и убирает просыпь, продлевает жизнь рамам, шинам и подвескам всего парка. Гребенку проезжают медленно, ниже резонансной скорости.
Самосвал стоит под экскаватором, и на него падает по 20–30 т за ковш. Если под одним колесом камень, рама уже закручена и получает удары в таком состоянии. Бульдозер или погрузчик держит площадку у экскаватора ровной и чистой.
Цилиндр подвески с потерянным азотом садится на упор и перестает быть пружиной. Тогда в схеме из двух пружин подряд одна становится жесткой, и весь перекос и все удары идут в раму. Давление азота и высоту цилиндров проверяют по графику ТО.
Усталость считает не тонны, а циклы напряжений. Каждые 10 % перегруза повышают напряжение на 10 %, а ресурс сварного узла падает на 25–30 %. Бортовые весы и правило 10/10/20 защищают раму так же, как и шины.
Рама длиной 8 м от 2 м за задней осью до 6 м перед ней, опоры на цилиндры подвески в 0,3 и 4,3 м перед задней осью. Нагрузки: рама 10 т равномерно, двигатель с кабиной 19 т от 3,6 до 6 м, кузов 14 т с грузом через палец сзади (−1,75 м) и подушку (2,75 м). Изгибающий момент на всю раму делится поровну на два лонжерона, W одного лонжерона 4000 см³.
Толчки на ровной дороге: kд = 1 + 0,004 · v. Гребенка: волны 2 м, машина на подвеске с собственной частотой 1,5 Гц и демпфированием 0,35, добавка к kд по резонансной кривой. Камень и яма: удар по формуле из темы «Путь силы через самосвал». Перекос w делится между четырьмя углами с жесткостью 1500 кН/м и рамой с жесткостью 400, 1000 или 5000 кН/м. Кручение действует только между осями, касательное напряжение τ = T / Wк считается одинаковым по длине.
Эквивалентное напряжение по энергетической теории, коэффициенты концентрации и допустимое напряжение 280 МПа учебные. Настоящая лестничная рама при кручении еще и изгибает лонжероны в разные стороны и закручивает поперечины, это учтено только через Kt.