дипломная работа. Буксовый узел
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
2.6 Материал буксового узла тепловоза 2ТЭ116 Буксовый узел работает в неблагоприятных атмосферных условиях, его окружает: запыленная в сухую погоду и заснеженная или влажная( при осадках) среда, с большим диапазоном перепадов температуры окружающего воздуха. Условия работы предъявляют высокие требования к буксовым узлам тепловозов. Они должны быть надежными в эксплуатации, экономичными в изготовлении, текущем обслуживание и ремонту. В таблице 2.1 представлены используемы материалы для изготовления буксового узла. Таблица 2.1 Материалы используемые для изготовления буксового узла Название детали Кол-во деталей на одном узле, шт Материал 23 Корпус 1 Сталь 25Л Лабиринтное кольцо 1 Сталь 15 Задняя крышка 1 Сталь 15 Роликов в подшипнике 15 Сталь ШХ15 Кольцо внутренее 2 Сталь ШХ15 Кольцо наружнее 2 Сталь ШХ15 Сеппаратор 2 Латунь Кольца дистанционные 2 Сталь ВСт3пс Передняя крышка 1 Сталь 20Л Поводок 2 Сталь 35Л Для произведения расчетанеобходимы коэффициенты и различные модули данных материалов такие как: модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, массовая плотность, предел текучести. Таблица 2.2 Параметры материалов Материал Модуль упругости, Н/мм^2 Коэффициент Пуассона Модуль сдвига, Н/мм^2 Массовая плотност ь, кг/м^3 Предел текучести, Н/мм^2 Сталь 25Л 200000 0,3 80000 7830 240 Сталь 15 201000 0,21 83000 7850 215 ШХ15 211000 0,31 80000 7812 390 Латунь 100000 0,33 85000 8500 239 Сталь 20Л 201000 0,29 78000 7850 220 Окончание таблицы 2.2 Материал Модуль упругости, Н/мм^2 Коэффициент Пуассона Модуль сдвига, Н/мм^2 Массовая плотност ь, кг/м^3 Предел текучести, Н/мм^2 24 Сталь 35Л 212000 0,29 82000 7830 280 ВСт3пс 213000 0,29 80000 7900 245 3. ПОСТРОЕНИЕ 3D МОДЕЛИ БУКСОВОГО УЗЛА 3.1 Описание программы SolidWorks SolidWorks – программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Обеспечивает разработку изделий любой степени сложности и назначения. Работает в среде Microsoft Windows. Система SolidWorks стала первой САПР, поддерживающей твердотельное моделирование для платформы Windows. Решаемые задачи: Конструкторская подготовка производства (КПП): • 3D проектирование изделий (деталей и сборок) любой степени сложности с учётом специфики изготовления. • Создание конструкторской документации в строгом соответствии с ГОСТ. • Промышленный дизайн. • Реверсивный инжиниринг. • Проектирование коммуникаций (электрожгуты, трубопроводы и пр.). • Инженерный анализ: прочность, устойчивость, теплопередача, частотный анализ и другое. • Экспресс-анализ технологичности на этапе проектирования. • Подготовка данных для ИЭТР. • Управление данными и процессами на этапе КПП. Технологическая подготовка производства (ТПП): • Проектирование оснастки и прочих средств технологического оснащения. 25 • Анализ технологичности конструкции изделия. • Анализ технологичности процессов изготовления (литье пластмасс, анализ процессов штамповки, вытяжки, гибки и пр.). • Разработка технологических процессов по ЕСТД. • Материальное и трудовое нормирование. • Механообработка: разработка управляющих программ для станков с ЧПУ, верификация УП, имитация работы станка. Фрезерная, токарная, токарно- фрезерная и электроэрозионная обработка, лазерная, плазменная и гидроабразивная резка, вырубные штампы, координатно-измерительные машины. • Управление данными и процессами на этапе ТПП. Управление данными и процессами: • Работа с единой цифровой моделью изделия. • Электронный технический и распорядительный документооборот. • Технологии коллективной разработки. • Работа территориально-распределенных команд. • Ведение архива технической документации по ГОСТ. • Проектное управление. • Защита данных. ЭЦП. • Подготовка данных для ERP, расчет себестоимости. Для прочностного расчета мы будем использовать пакет из семейство дополнительных модулей инженерного анализа, а именно SolidWorks Simulation. SolidWorks Simulation – Расчет на прочность конструкций (деталей и сборок) в упругой зоне. 3.2 Построение деталей модели буксового узла Для построения 3D моделей мы используем чертежи взятые с производства. Что бы построить объемные модели частей нашего узла, использовался пакет инструментов для чертежей, а так же для построения 3D моделей. В итоге были построены следующие модели деталей: 26 1. Корпус буксового узла (рисунок 3.1). Рисунок 3.1 – 3D модель корпуса буксового узла: а – вид сбоку; б – вид спереди; в – вид сверху 2. Лабиринтное кольцо (рисунок 3.2). а б в 27 Рисунок 3.2 – 3D модель лабиринтного кольца: а – вид сбоку; б – вид спереди; в – изометрический вид 3. Задняя крышка (рисунок3.3). Рисунок 3.3 – 3D модель задней крышки: а – вид сбоку; б – вид спереди; в – изометрический вид 4. Передняя крышка (рисунок 3.4). Для улучшения дальнейшего расчета передняя крышка упрощена. а б в а б в 28 Рисунок 3.4 – 3D модель передней крышки: а – вид сбоку; б – вид спереди; в – изометрический вид 5. Роликоподшипник (рисунок3.5 а), который состоит из пятнадцати роликов (рисунок 3.5 г), сепаратора ( рисунок 3.5 б), внутреннего и наружного колец (рисунок3.5 в и рисунок 3.5 д). Рисунок 3.5 – 3D модель: а – роликоподшипник в сборке; б – сепаратор; в – наружное кольцо; г – ролик; д – внутреннее кольцо 6. Наружное и внутреннее кольца(рисунок 3.6 а и рисунок 3.6 б). а б в г д 29 Рисунок 3.6 – 3D модель: а – Наружное кольцо; б – Внутреннее кольцо 7. Буксовый поводок(рисунок 3.7). Рисунок 3.7 – 3D модель буксового поводка: а – вид сверху; б – вид сюоку; в – изометрический вид а б а б в 30 3.3 Сборка модели буксового узла После построения всех деталей модели буксового узла в программе SolidWorks производится сборка модели буксового узла тепловоза 2ТЭ116. Сборка производится в соответствии с нормативами сборки буксового узла при ремонте. На лабиринтное кольцо одевается задняя крышка, далее к задней крышке прилегает роликоподшипник, после которого надеваются дистанционные кольца, потом еще один роликоподшипник. После чего на два роликоподшипника и наружное дистанционное кольцо одевается корпус буксы до задней крышки. Далее с торца корпуса буксы одевается передняя крышка. На рисунках 3.7-3.9 предоставлена модель буксового узла в разных проекциях. Рисунок 3.7 – 3D модель сборки буксового узла вид спереди 31 Рисунок 3.8 – 3D модель сборки буксового узла вид сбоку Рисунок 3.9 – 3D модель сборки буксового узла 3.4 Разрезы сборки буксового узла тепловоза 2ТЭ116 Разрезы сборки буксового узла мы создаем для наилучшего визуального понятия как выглядит данная модель. На рисунке 3.10 показаны сечения А-А, Б-Б и В-В. 32 А А А-А Б-Б Б Б В В Рисунок 3.10 – Сечения буксового узла: а – простой фронтальный разрез; б – простой горизонтальный разрез; в – простой профильный разрез Изучив сечения буксового узла тепловоза 2ТЭ116, на рисунке 3.10, можно сделать вывод что данная модель полностью соответствует реальному буксовому узлу и можно производить анализ прочности под статическими и динамическими нагрузками. 4 ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ 3D МОДЕЛИ БУКСОВОГО УЗЛА ТЕПЛОВОЗА 2ТЭ116 4.1 Постановка условий задач для исследования В данном исследовании будет поставлено три основных задачи: 1) Движение по прямому и без стыковому пути (рисунок 4.1); а б с 33 P P F тяг F тяг Рисунок 4.1 - Схема нагрузок на буксовый узел при движение по прямому и без стыковому пути 2) Движение в прямой, на стыке рельсов (рисунок 4.2); P 130% P 130% F тяг F тяг Рисунок 4.2 - Схема нагрузок на буксовый узел при движение в прямой, на стыке рельсов 3) Движение в кривой, на стыке рельс (рисунок 3). P 130% P 130% F тяг F тяг У У 34 Рисунок 4.3 - Схема нагрузок на буксовый узел при движение в кривой, на стыке рельс Статическая нагрузка - это действующий вес P тепловоза на буксу, которая действует вертикально на данный узел. Нагрузку P мы принимаем 95 кН. Данная сила прикладывается на плечи корпусов. При прохождении локомотивом по прямому, стыковому пути из стыков между рельсами статическая сила возрастает на 20 - 30 %. На рисунке 4.4 предоставлен график зависимости веса локомотива от времени при прохождению стыков рельсов в различных состояниях. 60 80 100 120 140 160 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 P, кН 123,5 кН 133 кН 142,9 кН t, сек Рисунок 4.4 - График зависимости P(t) Динамические силы - это силы действующие в продольно горизонтальном направление данного узла, а именно сила тяги Fтяг и обратная сила, сила торможения B торм . В исследование будет использована сила тяги, которая равна 30кН. Силы устанавливаем в месте крепления поводков с тележкой. Так же проводится закрепление деталей буксового узла, которые напрессовываются на ось колесной пары, а именно: два внутренних кольца роликоподшипника, внутреннее дистанционное кольцо и лабиринтное кольцо. Буксовые поводки тоже подвергаются закреплению жесткой заделкой, для того 35 что бы ограничить их свободное перемещение. Так же создаём набор контактов, взаимодействующих между друг другом деталей. Далее создаётся сетка высокой точности на основе кривизны. 4.2. Анализ полученных результатов После того как были занесены все параметры в наше исследование в программе был произведен расчет трёх задач, для буксового узла тепловоза 2ТЭ116. На рисунке 4.5 и рисунке 4.6 предоставлены результат исследования движения буксового узла по прямому без стыковому пути. На данных рисунках видно что максимальное напряжение равно 316 МПа, возникающие на своде между корпусом буксового узла и одного из плеч. Рисунок 4.5 - Исследование движения модели буксового узла по прямому и без стыковому пути 36 Рисунок 4.6 - Исследование движения модели буксового узла по прямому и без стыковому пути Второй задачей было исследование движения буксового узла в прямой в момент проезда по стыку рельс. Результаты предоставлены на рисунке 4.7 и 4.8. В данном случае большие напряжения возникают в том же месте, что и в первом случае, но только разница в величине. При условие движения буксового узла по прямому пути во время наезда на стык между рельсов напряжение составляет 417 МПа, что в 1.3 раз больше чем в первом случае. 37 Рисунок 4.7 - Исследование движения модели буксового узла в прямой в момент проезда по стыку рельс Рисунок 4.8 - Исследование движения модели буксового узла в прямой в момент проезда по стыку рельс Третье условие исследования было прохождение буксового узла по кривому пути на стыке рельс. Результат исследований предоставлен на рисунке 4.9 и 4.10. 38 Рисунок 4.9 - Исследование движения модели буксового узла в момент прохождения кривой на стыке рельс Рисунок 4.10 - Исследование движения модели буксового узла в момент прохождения кривой на стыке рельс Так же на рисунке 4.11 и 4.12 предоставлена деформация и перемещение частей деталей, соответственно, данной модели. 39 Рисунок 4.11 - Деформация модели буксового узла Рисунок 4.12 - Перемещение деталей модели буксового узла Произведя анализ исследования можно сделать вывод: 1. Основная деталь которая подвержена критическим напряжениям, это корпус буксового узла. Одна из главных причин этого - статическая нагрузка, так как именно из-за неё появляются критически максимальные напряжения на своде корпуса буксы и его плечами. Коэффициента прочности у буксового узла 40 нет, но из-за того что литьё корпуса буксы по технологическим нормам производится в тигеле, в корпусе буксы не должно быть ни каких примесей, пористости. Именно из-за этого корпус буксы выдерживает такие напряжения и не деформируется. Плечи буксового узла подвержены перемещению, максимальное значение которое равно 2 мм (рисунок 4.12). Так же, на рисунке 4.11, видны места потенциальной деформации. В данных местах, при больших нагрузках чем те которые приняты в исследование, возможна деформация корпуса буксового узла. 2. Роликоподшипники сделаны из высокопрочного металла, который имеет большой запас прочности. Нагрузка создающая напряжение на роликоподшипниках является рамным усилием. Но роликоподшипник сделан таким образом что бы выдерживать большие нагрузки. 3. В данной модели имеются детали, в которых не возникает ни каких напряжений, а именно: лабиринтное кольцо и задняя крышка. 4.3 Модернизация буксового узла тепловоза 2ТЭ116 4.3.1 Анализ исследуемого объекта по повышению надежности узла Буксовый узел и колесная пара, является неподрессоренной частью тепловоза. Так как через буксовый узел передаются статические и динамически нагрузки на колесную пару, а через колесную пару на путь, то можно сделать вывод, что масса буксы и оси непосредственно влияют на железнодорожный путь и полотно. Основная задача модернизации буксового узла заключается в уменьшение массы, для уменьшения воздействие неподрессоренной части тепловоза на железнодорожное полотно, и при этом ни как негативно не повлиять на пробег данного узла и срок его службы, а так же укрепление мест максимального напряжения. На корпусе буксы имеются места с малыми внутренними напряжениями. В данных местах возможно изменить геометрию, для уменьшения массы всего узла. 41 Основная задача буксового поводка заключается в том что бы передавать силу тяги и силу торможения от рамы тележки на буксовый узел. Проведя исследование видно что поводок в среднем сечение имеет большой запас прочности. Роликоподшипники, дистанционные кольца, задняя крышка и лабиринтное кольцо будут оставлены без изменения, так как при изменении их геометрии место посадки на колесную пару будет изменено, а из этого следует что геометрию оси колесной пары нужно перестраивать для эксплуатации. 4.3.2 Модернизация модели Исходя из данного исследования и опыта произведенного во ВНИТИ, можно наблюдать что на своде корпуса буксового узла и одного из его плеч возникает самое большое напряжение, рисунок 4.13 выделено красным цветом. Рисунок 4.13 - Место максимального напряжения Для уменьшения данного напряжения изменяется форма и радиус свода буксового узла. Необходимо изменить свод так что бы предотвратить вмешательство в работу пружины. По этому меняем геометрию свода до уровня подставки для пружины с помощь параболы, рисунок 4.15. Так же на рисунке предоставлены его размеры. 42 Рисунок 4.14 - Размеры свода между корпусом и плечом буксового узла Делаем проверку произведя три анализ с измененной геометрией на своде, рисунок 4.15 - 4.17. Рисунок 4.15 - Исследование модернизированной модели буксы при движение по прямому и без стыковому пути 43 Рисунок 4.16 - Исследование модернизированной модели буксы при движение по прямому и стыковому пути Рисунок 4.17 - Исследование модернизированной модели буксы при движении в кривой и стыковому пути Из данных анализов видно, что в месте свода напряжение уменьшилось. Так же видно что на другом плече возникает другое максимальное напряжение 44 равное 335 МПа при движении в кривом участке стыкового пути и по прямому стыковому пути. Далее модернизация будет заключаться в устранении высокого напряжения со стороны верхнего плеча буксового узла, которое находится между подставкой под пружину и опорой, снизу данной подставки. Данное изменение геометрии показано на рисунке 4.19. Рисунок 4.19 - Размеры опоры под верхним плечом буксы На приведенных рисунках 4.20-4.22, представлены исследования модели буксовых узлов с измененной геометрией на своде между корпусом буксы и нижнего плеча, и между опорой и подставкой для пружины. Рисунок 4.20 - Исследование модернизированной модели буксы при движение по прямому и без стыковому пути 45 Рисунок 4.21 - Исследование модернизированной модели буксы при движение по прямому и стыковому пути Рисунок 4.22 - Исследование модернизированной модели буксы при движение в кривой и стыковому пути 46 Можно сделать окончательный вывод, что по сравнению с анализами исследований модели оригинального буксового узла с моделью после изменения геометрии частей корпуса напряжение уменьшилось в 1.59 раза. 4.3.3 Облегчение модели буксового узла с повышенной надежностью В дальнейших исследованиях будет использоваться буксовый узел с повышенной надежностью. Задача заключается в уменьшение массы модели буксового узла. В данном расчете облегчение будет производиться за счет уменьшения массы корпуса буксового узла и поводков буксы. Места крепления поводка буксы с тележкой и самим буксовым узлом останется неизменным. Изменяться геометрия будет в среднем сечение поводка. После изменения геометрии, буксовый поводок будет иметь вид предоставленный на рисунке 4.23. На корпусе буксового узла были произведены операции (рисунок 4.24): изменение высоты стенок на верхнем плече до 88 мм, уменьшение размеров ребра жесткости возле свода между самим корпусом и нижнем плечом, а так же была произведена расточка отверстия радиусом 50 мм до более сложной фигуры. Далее были изменены размеры отверстий на подставках для пружин со Рисунок 4.23 - Размеры буксового поводка после модернизации 47 100 мм до 54 мм (рисунок 4.25). Было изменена толщина месте крепления поводка буксового узла к корпусу с 45 мм до 30 мм (рисунок 4.25), так же уменьшение размера было произведено и на нижнем крепление под поводок. После чего было уменьшение радиуса наружных стенок буксового в среднем сечение, сверху до радиуса 158.5, а снизу до 153.75 (рисунок 4.26). Рисунок 4.24 - Облегчение корпуса буксового узла Рисунок 4.25 - Облегчение корпуса буксового узла 48 Рисунок 4.26 - Облегчение корпуса буксового узла Буксовый узел имеет следующий вид, после операций по облегчению, с помощью удаления материала, который предоставлен на рисунке 4.27, рисунке 4.28 и рисунке 4.29. Рисунок 4.27 - Облегченная модель буксового узла с повышенной надежностью вид спереди |