CC BY
42Перспективы инновационного развития угольных регионов России / Сборник трудов V Международной научно-практической конференции. Ответственные редакторы Пудов Е. Ю., Клаус О. А. - 2016. - С. 142147.
8. Влияние параметров образующей геликоида на форму ножевого исполнительного органа геохода / В.Ю. Садовец, Д.А. Пашков
// В сборник материалов XVI Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2016» 23-24 ноября 2016 г. Кемерово, 2016 г.
9. Тюканов А.С. Основы численных методов // СПб.: ГОУ ВПО Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Кафедра прикладной математики, 2007-2009
г. - 266 с.
10. Аксенов В.В., Садовец В.Ю., Бегляков В.Ю. Влияние динамических процессов, формирующихся в рабочих режимах, на силовые параметры ножевого исполнительного органа // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) = Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2009. Т. 10. № 12. С. 91-106.
11. Бегляков В.Ю. Обоснование параметров поверхности взаимодействия исполнительных органов геоходов с породой забоя. Дис. канд. техн. Наук. - Кемерово, 2012. - 139 с.
12. Горбунов, В.Ф., Аксенов В.В., Садовец В.Ю. Структурная матрица горнопроходческих систем // Служение делу. Кемерово: КузГТУ, 2006. С. 77-84.
УДК 621.73; 621.96.98
Проектирование эксплуатационных свойств крышки крепительной
буксы вагонных колес
С.В. Мишнев, к.т.н., доцент, В.Г. Березюк к.т.н., доцент, С.Л. Бусыгин, старший преподаватель, А.А. Безруких, старший преподаватель Сибирский федеральный университет политехнический институт 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79, тел. (3912)-91-25-62 E-mail: mishsv888@gmail.com
В сложившихся экономических условиях, при решении задач технологического инжиниринга, целесообразнее отдавать предпочтение разработкам технологий на основе моделирования конструкций изделий с заранее заданными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Указанные подходы при проектировании с элементами САПР, позволяют получить эффект за счет сокращения сроков проектирования изделий и увеличения их межремонтных сроков эксплуатации. В данной работе рассмотрена возможность увеличения межремонтного срока эксплуатации крышки крепительной буксы вагонных колес. Рассмотрена модернизация конструкции крышки с использованием новых материалов на основе исследования напряженного состояния в среде COSMOSXpress системы автоматизированного проектирования SolidWorks®. Ключевые слова: крепительная крышка, вагонная пара, напряженное состояние, букса, анимационная модель, CosmosXpress, SolidWorks®.
В буксах пассажирских и грузовых вагонов устанавливаются крышки крепительные (рис. 1). Работая в сложных условиях нагружения и изменяющихся температурных и погодных условий окружающей среды, буксы должны обеспечивать минимальное сопротивление вращению колесных пар, высокую надежность и безопасность движения вагона. Поэтому к их конструкции, техническому обслуживанию и ремонту предъявляют высокие требования, в особенности при повышении скорости движения поездов и росте нагрузок от колесных пар вагонов.
a)
б)
Рис. 1. Крышка крепительная буксового узла
колесной вагонной пары: а) букса в сборе; б) крышка крепительная УВ-32А (поз. 7)
Комплексное назначение крышки крепительной в первую очередь функционально направлено на пружинный поджим наружной обоймы блока подшипников буксы (рис. 2) от радиального смещения, возникающего при износе деталей блока подшипников во время эксплуатации и, как следствие, конструктивно дополняет корпус буксы для крепления смотровой крышки (поз. 10). Условиями эксплуатации предусматривается, что физико-механические, технологические и эксплуатационные свойства материала крышки крепительной и ее конструктивное исполнение, должны обеспечивать в сборе зазор между фланцевой поверхностью крепительной крышки, в зоне расположения ушков и торцевой поверхностью буксы -0,5-2,1 мм, при этом усилие затяжки не контролируется (рис. 2).
В процессе эксплуатации под действием статических и динамических нагрузок общая схема напряженного состояния вызывает остаточные деформации в зоне расположения ушков крышки крепительной, что вдвое снижает общий межремонтный ресурс буксового узла.
Рис. 2. Эксплуатационный зазор между торцевой поверхностью буксы и фланцевой поверхностью крышки крепительной в зоне
расположения ушков Согласно инструкции по эксплуатации межремонтный период крышки крепительной составляет 4 года. Фактический срок составляет 2 года, т.е. после двух лет эксплуатации при ремонте буксового узла, при его повторной сборке, не обеспечивается зазор 0,5^2,1 мм.
Цель работы: исследовать на основе моделирования условий эксплуатации, схемы
напряженно-деформированного состояния, возможные конструкторско-технологические решения выхода на регламентный межремонтный срок эксплуатации крышки крепительной буксового узла.
Авторами на основе исследования физико-механических свойств штатной крышки крепительной было предложено два пути решения задачи:
1. выбор материала с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами, без изменения конструкции крышки крепительной;
2. моделирование конструкции с учетом выбора материала, обеспечивающих межремонтный срок службы и эксплуатационные свойства крышки крепительной и буксового узла в целом.
Для получения экспериментальных данных по исследованию физико-механических свойств штатной, вышедшей из строя крышки крепительной, авторами был проведен анализ по определению химического состава стали, из которой изготовлена крышка крепительная. Анализ проводился на оборудовании центральной заводской лаборатории ООО «КЗК» отдела метрологии и химико-физического анализа. Результатами анализа определено, что сталь, из которой изготовлена крышка крепительная, соответствует маркам Сталь 20Л - 25Л, ГОСТ 979-88, данные приведены в таблице 1.
Таблица 1
Вид Процентное содержание, % Вид Процентное содержание, %
C 0.24 Cr 0.13
Si 0.62 P 0.029 |
Mn 0.86 - -
Заключение: Ст20Л - 25Л, ГОСТ 979-88
Допуск Si + 0.15 т.е. Si=0.52+0.15
Дополнительно, авторами были проведены исследования твердости в зонах расположения ушков крышки крепительной, получивших остаточные деформации. Экспериментально, по методу Бринелля было установлено, что твердость в указанных зонах соответствует НВ65,2 кГс/мм2, при отпечатке пятна на образце 0,24 мм.
В основу метода исследования модели напряженного состояния крышки крепительной взята программа COSMOSXpress - приложение, интегрированное в SolidWorks®. COSMOSXpress моделирует цикл проектирования и предоставляет информацию о возникающих напряжениях. При этом, отображаются критические области и уровни прочности для различных участков исследуемой модели.
COSMOSXpress использует критерий максимального напряжения von Mises для расчета распределения запаса прочности. Этот критерий точно определяет, что пластичный материал начинает растягиваться, когда эквивалентное
напряжение (напряжение von Mises) достигает_
предела текучести материала. Предел текучести (SIGYLD) определяется как свойство материала. Il'tt
COSMOSXpress рассчитывает коэффициент запаса прочности в какой-то точке как частное предела текучести и эквивалентного напряжения в данной точке. Оцифрованные результаты используются в технологии анализа проектных решений, которую COSMOSWorks использует для выполнения расчета напряжений.
Алгоритм исследования напряженного состояния крышки крепительной разрабатывался исходя из определения оптимального усилия затяжки без потери устойчивости материала, как в местах затяжки при сборке, так и в опорных местах при эксплуатации.
Алгоритм исследования:
Моделирование трехмерной анимационной модели буксового узла с разрезом (рис. 3, 4).
Моделирование трехмерной модели крышки крепительной УВ-32А (рис. 5).
Определение необходимого момента затяжки и преобразование этого момента затяжки (Н*м) в усилие затяжки (Н). (Необходимое условие для расчетов в COSMOSExpres).
Анализ напряженно-деформированное
состояние с разными усилиями затяжки.
Построение графика зависимости: усилие затяжки - зазор между фланцевой поверхностью крепительной крышки и торцевой поверхностью буксы.
Моделирование условий эксплуатаций для новых материалов.
Модернизация конструкции крепительной крышки, сравнение со штатной.
Моделирование условий эксплуатации новой крышки и с новым материалом.
Анализ и сравнение проведенных испытаний.
На рисунке 3 и рисунке 4 представлена трехмерная анимационная модель с разрезом буксового узла в сборе.
н '_ ■ И»......
Рис. 3. Трехмерная анимационная модель буксового узла
Рис. 4. Разрез трехмерной модели буксового узла
На рисунке 5 представлена трехмерная модель крышки крепительной с указанием мест воздействия усилий затяжки при сборке буксового узла.
Рис. 5. Трехмерная модель крышки крепительной с указанием мест воздействия усилий затяжки при сборке
В соответствии с анимационной моделью буксового узла (рис. 3) и дополнительных разрезов (рис. 4), определяем нагружаемые участки конструкции при эксплуатации, т.е. опорная поверхность крышки крепительной поджимает наружное кольцо подшипника (рис. 6, 7).
Рис. 6. Условия ограничения
Рис. 7. Моделирование нагрузки при эксплуатации
Решение задач по алгоритму исследования напряженного состояния представлено для штатной конструкции крышки крепительной УВ-32А, изготовленной из материала Сталь 20Л ГОСТ 4543-71, определенного по результатам химического анализа представленного в таблице 1.
После ввода исходных данных в программу CosmosXpress, для данной конструкции крышки крепительной с учетом материала, определены массовые характеристики:
- активная система координат: -- по умолчанию
- плотность = 0.01 граммов на кубический миллиметр;
- масса = 6329.69 граммов;
- объем = 809422.97 кубических миллиметров.
Результаты исследования в приложении CosmosXpress упругих деформаций, возникающих в изделии, представлены в отчете HTML:
напряжение: максимальное напряжение: 12,77 Н/м2*108 (рис. 8.);
перемещение: минимальное результирующее перемещение: 0 mm; максимальное результирующее перемещение: 0.804 mm (рис. 9);
деформация: показывает изменение детали при деформации на самых минимальных значениях (рис. 10);
проверка проектирования: показывает, что в детали нет зон, коэффициент безопасности которых менее единицы, а это означает, что деталь работоспособна и от прилагаемых усилий не разрушится (рис. 11).
Рис. 8. Напряжение в детали
Рис. 9. Результирующее перемещение
Рис. 10. Наглядная деформация
Рис. 11. Проверка проектирования
Описание:
Источник материала: Использованные материалы SolidWorks
Имя библиотеки материалов:
Тип модели материала: Линейный Упругий Изотропный
Имя свойства Модуль упругости Коэффициент Пуассона Массовая плотность Предел текучести
Значение 2е+011
0.3 7820
2е+008
Единицы измерения
^тл2
NA
кд/тлз N/mЛ2
Итоги анализа штатной крепительной крышки УВ-32А из материала Сталь 20Л представлены в таблице 2.
Таблица 2
Момент Усилие затяжки, Коэффициент запаса Уменьшение
затяжки,[Н*м] [Н] прочности величины зазора на, [мм]
50 7534 10,3 0,134
100 15069 5,16 0,268
200 30138 2,58 0,53
300 45207 1,72 0,804
400 60276 1,29 1,072
500 75345 1,03 1,34
600 90414 0,86 1,608
700 105483 0,73 1,879
800 120553 0,64 2,110
Момент занят / величина умевшеншшортмец^ фланцевой повершостъю крепительной крышки и торцевой поверхностью
буксы
2,5
Рис. 12. График зависимости момента затяжки на величину максимального перемещения
Таблица 3
Материал Момент затяжки, [Н*м] Коэффициент запаса прочности Уменьшение величины зазора на, [мм] Масса, [кГ]
Сталь 20Л 300 1,72 0,804 6,353
Сталь 25Л 1,8 0,806 6,337
Сталь 45Л 2,5 0,810 6,313
АМГ6 0,21 2,316 2,136
Сталь 10КП 1,9 0,866 6,358
Из таблицы видим, что целесообразно использовать момент затяжки от 200Н*м до 400Н*м, используем усредненное значение 300Н*м.
Минимальный момент затяжки по ОСТ 37.001.031-72: для болтов М20 составляет 196,13 Н*м. Коэффициент запаса прочности, подлежащий эксплуатации, допустим до затяжки до 400Н*м. Следовательно, для дальнейших испытаний выберем средний момент затяжки 300Н*м.
Ниже, в таблице 3, представлены исследования для штатной конструкции крышки,
используя другие материалы, момент затяжки 300 Н*м., в сравнении для материала Сталь 20Л.
Смоделировав условия эксплуатации для различных материалов, можно сделать вывод -наиболее удачный выбор материала Сталь 45Л, т.к. она обладает наивысшим запасом прочности при прочих равных условиях.
Авторами были исследованы возможные конструкторские решения крышки крепительной в среде SolidWorks. Так, на рисунке 13 представлена штатная крышка с указанием в цвете нагруженных участков по условиям эксплуатации.
В основу модернизации конструкции авторы
Рис.13. Наиболее нагруженные участки крепительной крышки
-б)
Рис.14. Модель №1:
а) увеличение объема «ушей»;
б) распределение напряжений
Рис.15. Модель №2: а) наращение металла в наиболее напряженных местах; б) распределение напряжений
Рис.16. Модель №3: а) Создание концентраторов напряжения, за счет смещения однородности; б) распределение напряжений
включили изменение геометрии крепительнои крышки и создание концентраторов напряжения.
Все модели исследовались для материала Сталь 20Л. Сводные результаты представлены в таблице 4, из которых видно, что наилучшие результаты достигаются моделью №1.
Таблица 4
Название модернизации Коэффициент запаса прочности Масса, [кГ] Максимальное возникающее напряжение, [Н/ м2]*108 Уменьшение величины зазора на, [мм]
Без модернизации 1,72 6,353 12,77 0.804
Модель №1 2,70 7,230 8,14 0,632
Модель №2 2,17 6,617 10,13 0,715
Модель №3 2,00 6,410 10,96 0,832
Смоделируем условие эксплуатации новоИ модификации крепительной крышки (Модель №1) с
Таблица 5
Название модернизации Коэффициент запаса прочности Материал Масса, [кГ] Максимальное возникающее напряжение, [Н/ м2]*108 Уменьшение величины зазора на, [мм]
Штатная 1,72 Сталь 20Л 6,353 12,77 0.804
Модель №1 3,90 Сталь 45Л 7,185 8,20 0,637
материалом Сталь 45Л. Результаты исследования представлены в таблице 5 в сравнении со штатной конструкцией для Стали 20Л и усилием затяжки 300Н*м.
Вывод
Из результатов табицы. 5 видим, что конструктивные особенности крышки крепительной по модели №1, с использованием материала Сталь 45Л при изготовлении, имеет существенно улучшенные служебные характеристики.
Список литературы
1. Алямовский А.А. SolidWorks/CosmosWorks Инженерный анализ методом конечных элементов. -М.: LVR Пресс, 2004. - 432с.: ил. (Серия «Проектирование»).
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. Т. 1. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 728 с., ил.
3. Писаренко Г.С., Агарев В.А., Квитка А.Л. и др. Сопротивление материалов / под ред. акад. АН УССР Г.С. Писаренко. - 4-изд. перераб. и доп. - Киев: Высшая школа, 1979. - 696 с.
