Особенности расчета на прочность литых и сварных несущих конструкций тележки шлаковоза/чугуновоза Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.4.027.4

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ЛИТЫХ И СВАРНЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕЛЕЖКИ ШЛАКОВОЗА/ЧУГУНОВОЗА

1 9

© А.В. Кулешов1, В.К. Еремеев2

1ООО «ИЗТМ-Инжиниринг» (ОАО «ПО «Иркутский завод тяжелого машиностроения»), 664007, Россия, г. Иркутск, ул. Октябрьской революции, 1. 2Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Несущие детали ходовой тележки шлаковозов и чугуновозов, предназначенных для перемещения по путям промышленного предприятия и железнодорожным путям общего пользования, при серийном их изготовлении выполняются в виде литых конструкций из малоуглеродистых и низколегированных сталей. При мелкосерийном и единичном изготовлении, а также при отсутствии на машиностроительном предприятии металлургического передела возникает необходимость изготовления данных деталей в виде сварных металлоконструкций из аналогичных марок сталей с использованием стандартных профилей металлопроката. При переходе от литых конструкций к сварным важно обеспечить несущую способность последних с учетом напряженно-деформированного состояния при действии эксплуатационного нагружения. В статье рассматриваются варианты проектирования и изготовления сварных несущих конструкций взамен литых. Предложена проверенная методика сравнительного расчета прочностных характеристик литых и сварных несущих конструкций.

Ключевые слова: тележка ходовая; боковая рама; надрессорная балка; напряженно-деформированное состояние; запас прочности по пределу текучести; запас усталостной прочности.

STRENGTH CALCULATION FEATURES OF CAST AND WELDED BEARING STRUCTURES OF SLAG-POT AND HOT-METAL TRANSFERCAR CARRIERS A.V. Kuleshov, V.K. Eremeev

"IZTM Engineering" LLC (JSC PO Irkutsk Heavy Engineering Plant"), 1, Oktyabrskoi Revolyutsii St., Irkutsk, 664007, Russia. Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Bearing parts of slag-pot and hot-metal transfercar carriers designed for travelling along the rails of industrial enterprises and public railroads are manufactured in the form of cast structures made of low-carbon and low-alloy steels under mass production. Under small-scale or piece-work production when a machine-building enterprise lacks metal conversion a need arises to manufacture these parts in the form of welded steelworks from the steels of similar steel grades with the use of standard rolled metal profiles. In the transition from the cast to welded structures it is essential to ensure the bearing ability of the latter taking into account the stress-strain state caused by the action of the operating load. This article discusses design and production options for welded bearing structures to replace cast ones. A tested methodology for comparative calculation of strength properties of cast and welded bearing structures is proposed. Keywords: car truck; side frame; truck bolster; stress-strain state; yield strength safety factor; fatigue safety factor.

Постановка вопроса

Традиционно для ходовой части шлаковозов и чугуновозов при серийном изготовлении применяются литые несущие конструкции (боковая рама и надрессорная балка). Однако с учетом снижения трудозатрат при ограниченном индивидуальном изготовлении продукции предложена стратегия по переходу на сварные несущие конструкции, изготовленные из сталей по-

вышенной прочности (например, О9Г2С ГОСТ 19281-89 категории прочности 345 и выше). Соответственно предметом анализа выступают литые несущие конструкции с целью определения распределения напряжений в них под действием эксплуатационных режимов нагружения и дальнейшее проектирование сварных конструкций с учетом этого распределения. Также при проектировании преследовалась цель сни-

1Кулешов Алексей Владимирович, начальник конструкторского бюро (ведущий конструктор), e-mail: alex_kul@bk.ru

Kuleshov Aleksei, Head of the Design Office (Leading Designer), e-mail: alex_kul@bk.ru

2Еремеев Валерий Константинович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, e-mail: eremeev1940@bk.ru

Eremeev Valeriy, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, e-mail: eremeev1940@bk.ru

жения веса конструкции с сохранением запаса прочности, применялся принцип рав-нопрочности конструкции (более равномерного распределения напряжении по объему тела). В исследовании было применено следующее программное обеспечение: КОМПАС-30 v.15.1 фирмы АСКОН; Femap with NX Nastran Version 10.3.0 корпорации Siemens PLM Software; MSC Patran 2012 корпорации MSC.Software; SolidWorks Premium 2012 фирмы Dassault Systemes.

Расчет на прочность литых и сварных несущих конструкций тележки шлаковоза/чугуновоза

Характеристика тележки ходовой

В состав тележки ходовоИ шлаковоза/чугуновоза входят: комплект рессорный (2 шт.); установка скользуна (2 шт.); пара колесная (2 шт.); балка надрессорная (1 шт.); боковина (2 шт.); шкворень (1 шт.). Объемныи вид моделеи тележек ходовых с литыми и сварными несущими элементами представлен на рис. 1 и 2.

Массовые характеристики тележки ходовоИ: масса колесной пары - 2325 кг;

масса рамы боковой (литая) - 600 кг; масса рамы боковой (сварная) - 550 кг; масса балки надрессорной (литая) - 1250 кг; масса балки надрессорной (сварная) - 950 кг; масса тележки ходовой в сборе с литыми элементами - 7600 кг; масса тележки ходовой в сборе с литыми элементами -7200 кг.

Тележка ходовая применяется в составе: шлаковоза с чашей 11 м3; шлаковоза

«-» 'З

с чашей 16 м3; чугуновоза с ковшом г/п 100 т; чугуновоза с ковшом г/п 140 т.

Расчет нагрузок на несущие элементы ходовой тележки

При расчете нагрузок на несущие элементы тележки ходовой рассматриваются два случая: первый - неблагоприятное сочетание нагрузок при работе машины на путях промышленного предприятия (разгрузка чаши или кантование ковша); второй - неблагоприятное сочетание нагрузок при работе машины на железнодорожных путях общего пользования (движение в криволинейном участке с максимальной конструкционной скоростью) [1, 4].

Рис. 1. Тележка ходовая: литые несущие элементы

Рис. 2. Тележка ходовая: сварные несущие элементы в двух вариантах исполнения

Нагрузки по первому случаю приняты из реальных данных ОАО «ИЗТМ» по соответствующим подвижным единицам: для шлаковоза с чашей 11 м3; для шлако-воза с чашей 16 м3; для чугуновоза с ковшом г/п 100 т; для чугуновоза с ковшом г/п 140 т.

Нагрузки по второму случаю определены в соответствии с требованиями «Норм расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [2].

Расчетная схема несущих элементов по первому случаю приведена на рис. 3.

Расчетная схема несущих элементов по второму случаю приведена на рис. 4.

Суммарное нагружение боковой рамы определяется по формуле

p = Р + Р + Р + Р

1 1 ст 1 дин 1 бок 1 ик H = Нц + Нв

N = N„m

где Р - суммарное вертикальное нагружение боковины, кН (кгс); Рст - статическая нагрузка на боковину, кН (кгс); Рдин - динамическая нагрузка на боковину, кН (кгс); Рбок - вертикальная добавка от боковых сил на боковину, кН (кгс); Рик - вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова на боковину, кН (кгс); Н - суммарное горизонтальнее поперечное нагружение боковины, кН (кгс); Нц - центробежная нагрузка на боковину, кН (кгс); Нв - ветровая по-

перечная нагрузка на боковину, кН (кгс); N -суммарное горизонтальное продольное нагружение боковины, кН (кгс); Nит - продольная сила инерции массы тележки на боковину, кН (кгс).

Суммарное нагружение надрессор-ной балки определяется по формуле

p = Р + Р + Р — Р

1 п 1 ст 1 дин 1 ик 1 бок

P = Р

с бок

H = Н, + Н,

ц

N = N

где Рп - суммарное вертикальное нагружение подпятника надрессорной балки, кН (кгс); Рс - суммарное вертикальное нагружение скользуна надрессорной балки, кН (кгс); Рст - статическая нагрузка на надрес-сорную балку, кН (кгс); Рдин - динамическая нагрузка на надрессорную балку, кН (кгс); Рбок - вертикальная добавка от боковых сил на надрессорную балку, кН (кгс); Рик - вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова на надрессорную балку, кН (кгс); Н - суммарное горизонтальное поперечное нагружение надрессорной балки, кН (кгс); Нц - центробежная нагрузка на надрессорную балку, кН (кгс); Нв - ветровая поперечная нагрузка на надрессорную балку, кН (кгс); N - суммарное горизонтальное продольное нагружение надрессорной балки, кН (кгс); Nит - продольная сила инерции массы тележки на надрессорную балку, кН (кгс).

Рис. 3. Расчетная схема несущих элементов по первому случаю

Рис. 4. Расчетная схема боковой рамы по второму случаю

Расчет на прочность литой боковины ходовой тележки производится по двум случаям нагружения, в которых учитываются максимальные нагрузки на рассматриваемый элемент от наиболее нагруженной подвижной единицы [3, 5]. Разработанная геометрическая модель литой боковины представлена на рис. 5.

Массо-центровочные характеристики модели: материал - сталь 35Л ГОСТ 977-88; масса, М - 735,968 кг; площадь, в - 5,919 м2; объем, V - 0,094 м3;

кгм

2.

осевые моменты инерции, 14,395; ^=386,282; ^=280,605 Граничные условия модели боковой

рамы приведены на рис. 6.

Результаты анализа приведены на рис. 7. Цветовая шкала соответствует разным уровням эквивалентных напряжений по Мизесу (Па).

Расчет на прочность сварной боковины ходовой тележки производится по двум случаям нагружения, в которых учитываются максимальные нагрузки на рассматриваемый элемент от наиболее нагруженной подвижной единицы [3, 5]. Разработанная геометрическая модель сварной боковины (первое исполнение) представлена на рис. 8.

Рис. 5. Геометрическая модель литой боковины

а б

Рис. 6. Граничные условия модели: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

а б

Рис. 7. Напряженно-деформированное состояние модели боковой рамы: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

Рис. 8. Геометрическая модель сварной боковины (первое исполнение)

Массо-центровочные характеристики модели: материал - сталь по ГОСТ 19281-89; М=590,275 кг; 5=6,937 м2;

о

V=0,075 м3; осевые моменты инерции, кг м2: ^=96,128; ^297,860; Л=209,177.

Граничные условия модели приведены на рис. 9.

Результаты анализа приведены на рис. 10. Цветовая шкала соответствует разным уровням эквивалентных напряже-

ний по Мизесу (Па).

Расчет на прочность литой надрессорной балки ходовой тележки

производится по двум случаям нагружения, в которых учитываются максимальные нагрузки на рассматриваемый элемент от наиболее нагруженной подвижной единицы [3, 5]. Разработанная геометрическая модель литой надрессорной балки представлена на рис. 11.

а б

Рис. 9. Граничные условия модели: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

а б

Рис. 10. Напряженно-деформированное состояние модели боковой рамы: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

Рис. 11. Геометрическая модель литой надрессорной балки

Массо-центровочные характеристики модели: материал - сталь 35Л ГОСТ 977-88; М=1306,394 кг; 5=7,299 м2;

о

\/=0,167 м3; осевые моменты инерции, кг м2: Лх=126,409; Лу=692,673; ^г=610,728.

Граничные условия модели приведены на рис. 12.

Результаты анализа приведены на рис. 13. Цветовая шкала соответствует разным уровням эквивалентных напряже-

ний по Мизесу (Па).

Расчет на прочность сварной надрессорной балки ходовой тележки

производится по двум случаям нагружения, в которых учитываются максимальные нагрузки на рассматриваемый элемент от наиболее нагруженной подвижной единицы [3, 5]. Разработанная геометрическая модель сварной надрессорной балки первого исполнения представлена на рис. 14.

а б

Рис. 12. Граничные условия модели: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

а б

Рис. 13. Напряженно-деформированное состояние модели надрессорной балки: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

Рис. 14. Геометрическая модель сварной надрессорной балки первого исполнения

Массо-центровочные характеристики модели: материал - сталь по ГОСТ 19281-89; М=971,725 кг; 5=8,414 м2;

о

V=0,124 м3; осевые моменты инерции, кгм2: ^=89,519; Лу=545,671; Л=487,641.

Граничные условия модели приве-

дены на рис. 15.

Результаты анализа приведены на рис. 16. Цветовая шкала соответствует разным уровням эквивалентных напряжений по Мизесу (Па).

б

Рис. 15. Граничные условия модели: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

а

а б

Рис. 16. Напряженно-деформированное состояние модели надрессорной балки: а - первый случай нагружения; б - второй случай нагружения

Заключение

Анализ работы несущих элементов ходовой тележки шлаковоза/чугуновоза, а также рассмотрение технологического процесса их изготовления показывают целесообразность применения литых конструкций при крупносерийном производстве, а сварных конструкций - при единичном или мелкосерийном производстве. Изготовление литых конструкций сопряжено с большим количеством брака по дефектам литья. Изготовление сварных конструкций позволяет отказаться от металлургического передела

и обеспечивает более качественное изготовление. Оба способа изготовления требуют прогрессивной системы контроля не-разрушающими методами. При переходе от литых конструкций к сварным важно обеспечить несущую способность последних с учетом напряженно-деформированного состояния при действии эксплуатационного нагружения. Предложенная методика анализа применима и к другим транспортным крупногабаритным машинам.

Статья поступила 27.01.2016 г.

Библиографический список

1. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: справочник. М.: Машиностроение, 1979. 702 с.

2. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ, 1996. 319 с.

3. Применение компьютерных технологий для решения модельных задач механики вагонов: учеб.

пособие / Л.Б. Цвик, С.В. Михальчишин, А.В. Кулешов, А.А. Пыхалов. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2012. 132 с.

4. Райко М.В. Расчет деталей и узлов машин. Киев: Техшка, 1966. 500 с.

5. Рычков С.П. Моделирование конструкций в среде Femap with NX Nastran. М.: ДМК Пресс, 2013. 784 с.

References

1. Birger I.A., Shorr B.F., Iosilevich G.B. Raschet na prochnost' detalei mashin [Calculation of machine parts strength]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1979, 702 p.

2. Normy rascheta i proektirovaniia vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh) [Calculation and design norms for the wagons of 1520 mm rail gage of the Ministry of Transportation (unpowered)] Moscow, GosNIIV Publ., 1996, 319 p.

3. Tsvik L.B., Mikhal'chishin S.V., Kuleshov A.V., Pyk-halov A.A. Primenenie komp'iuternykh tekhnologii dlia resheniia model'nykh zadach mekhaniki vagonov:

ucheb. posobie [The use of computer technologies to solve model problems of wagon mechanics]. Irkutsk: IrGUPS Publ., 2012, 132 p.

4. Raiko M.V. Raschet detalei i uzlov mashin [Calculation of machine parts and units]. Kiev, Tehnika Publ., 1966, 500 p.

5. Rychkov S.P. Modelirovanie konstruktsii v srede Fe-map with NX Nastran [Modeling of structures in Femap environment with NX Nastran]. Moscow, DMK Press Publ. 2013, 784 p.