Содержание к диссертации
Введение
2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 9
2.1. Методы определения параметров шахтных вагонеток 9
2.2. Существующие методы и направления в изготовлении шахтных вагонеток. Беспрессовые способы штамповки элементов кузова и выбор схемы 18
2.3. Сопряжение кузова с ходовой частью средств шахтного рельсового транспорта и влияние его параметров на характеристики движения и прочность кузова 26
2.4. Постановка задач исследования 34
3. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГРУ30НЕСУЩЕГ0 КУЗОВА СРЕДСТВ ШАХТНОГО РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА ПРИ ДОЮТВИИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК 40
3.1. Общие сведения 40
3.2. Напряжения; в стенке кузова и определение ее размеров 41
3.3. Напряжения в плоском днище кузова и определение
его размеров Ы
3.4. Определение размеров цилиндрического днища кузова 57
3.5. Определение размеров днища из условия его устойчивости 71
3.6. Выводы 80
4. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГРУ30НЕСУЩЕГ0 ДНИЩА ПРИ ДЕЙСТВИИ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК 83
4.1. Общие сведения 83
4.2. Переменные напряжения в элементах кузова и определение его параметров , 84
4.3. Определение параметров дниша при действии продольной ударной нагрузки 101
4.4. Влияние нерегулярного нагружения кузова на его эксплуатационные показатели 116
4.5. Выводы 131
5. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШТАМПОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВА .133
5.1. Обшие сведения 133
5.2. Определение параметров бес прессовой штамповки «элементов кузова 134
5.3. Оценка состояния штампованных элементов кузова вагонетки 166
5.4. Зависимость параметров кузова вагонетки от технологических напряжений 189
5.5. Выводы 210
6. ИССЛЕДОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РАЩОНАЛЬНОГО ВИДА СОПРЯЖЕНИЯ КУЗОВА И ХОДОВОЙ ЧАСТИ 213
6.1. Обшие сведения 213
6.2. Определение параметров сопряжения кузова и ходовой части 214
6.3. Влияние параметров ходовой части средств шахтного рельсового транспорта тележного типа на устойчивость колебаний 233
6.4. Определение параметров сопряжения ходовой части и кузова по условию вписывания 243
6.5. Экспериментальное обоснование параметров рационального вида сопряжения кузова и ходовой части 252
6.6. Выводы 264
7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 267
8. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ., 271
9. П Р И Л О Ж Е Н И Я 294
- Методы определения параметров шахтных вагонеток
- Напряжения; в стенке кузова и определение ее размеров
- Переменные напряжения в элементах кузова и определение его параметров
- Определение параметров бес прессовой штамповки «элементов кузова
- Определение параметров сопряжения кузова и ходовой части
Введение к работе
Основные задачи, поставленные перед промышленностью ХХУІ съездом КПСС, состоят в том, чтобы поднять эффективность производства, его технический уровень, улучшить структуру, систематически и быстро внедрять технически новые методы производства.
Важнейшей задачей машиностроительной промышленности, в частности горного машиностроения, при конструировании и изготовлении новых машин и оборудования является: уменьшение веса при одновременном повышении их качества и высоких надежности и долговечности, экономия расхода металла, внедрение современных способов получения заготовок, обеспечиваюших наиболее близкое приближение их к формам и размерам готовых деталей.
Несмотря на повышение уровня конвейеризации, основным видом транспорта по горизонтальным горным выработкам на шахтах нашей страны остается рельсовый транспорт, подвижной состав которого является наиболее массовым видом продукции горного машиностроения. Так, только в угольной промышленности примерно 70 % грузопотока приходится на электровозный транспорт У 183 У, а на угольных шахтах в эксплуатации находится более 700 тыс.вагонеток, среди которых большегрузные составляют А/ 35 %.
Существующий уровень конструкторских и технологических разработок, методы определения параметров средств шахтного подвижного состава обусловливают создание конструкций, характеризующихся значительными металлоемкостью и запасами. Параметры средств подвижного состава шахтного рельсового транспорта определяют, в основном, рядом грузоподъемностей, технико-экономическими показателями и габаритными ограничениями. Вместе с тем, при визуально наблюдаемой прочности и надежности вагонетка обладает сравнительно непродолжи-
5 тельным сроком службы. Это объясняется не только тяжелыми условиями эксплуатации,но, с одной стороны, неопределенностью действующих нагрузок, а с другой - крайне приближенным характером расчетных схем, затрудняющим достоверную оценку параметров отдельных элементов вагонетки.
Поэтому разработка методов определения параметров средств шахтного подвижного состава малой металлоемкости является крупной научной проблемой горного машиностроения, имеющей важное народнохозяйственное значение.
В последнее время на угольних и рудных шахтах находят применение варианты безрамных вагонеток или с облегченными рамами (ВГ 3,3 - 900, ВГ - 8 и др.).
В известных конструкциях вагонеток ВГ-4.0у, 10 ВГ-Ім и др. кузов прямоугольный в плане с плоским днищем характеризуется недостаточной устойчивостью, для обеспечения которой применяют различные усиливающие элементы без выполнения предварительных расчетов на устойчивость. Это приводит к увеличению массы кузова и в определенной мере снижает преимущества безрамных вагонеток.
Уточнение параметров вагонеток из условий прочности ведется по приближенным схемам сопротивления материалов, которые дают заниженные напряжения по сравнению с эксплуатационными.
Известна роль штампованных элементов в различных конструкциях, которые решают задачу снижения металлоемкости при сохранении достаточно высоких прочности и устойчивости. Особенно важньм конструктивным элементом для кузова безрамной вагонетки является днище, выполнение которого штампованным придает конструкции кузова ряд существенных технологических, коне тру кторев:их и эксплуатационных преимуществ. В настоящее время, из-за отсутствия прессового оборудования большой мощности, изготовить днище кузова вагонеток можно беспрес- совыми методами с помощью зарядов взрывчатого вещества. Отработка технологических параметров и создание: оснастки требует определения нагрузок и энергетических затрат при штамповке.
В безрамном транспортном средстве кузов является грузонесу-щим элементом, поэтому для обеспечения его продолжительного срока службы необходимо создание вида сопряжения кузова и ходовой части, обеспечивающего равномерное распределение нагрузок на кузов и исключающего крутящий момент относительно горизонтальной продольной оси. Такой вид сопряжения - трехточечное опирание кузова на ходовую часть и введение балансирной оси.
Цель работы: создание малометаллоемких средств подвижного состава шахтного рельсового транспорта на основе совершенных методов расчета параметров кузовов, технологии их изготовления и рациональных видов сопряжения кузова и ходовой части.
В диссертации разработаны методы и решены задачи определения параметров средств шахтного подвижного состава рельсового транспор та , обеспечивающие создание конструкций малой метал лоемкости и высокой надежности и долговечности. Научные положения и основные результаты работы проверены в созданной безрамной ваго нетке BMIG-I, металлоемкость которой снижена по сравнению с вагонет кой такой же грузоподъемности на 25 %, а также использованы при: составлении технического задания на секционные поезда и вагонетки с донной разгрузкой, в которых за счет снижения металлоемкости мо жет быть получен годовой экономический эффект в размере 220 тыс.руб лей, серийном производстве секционных поездов ПС-3,5-900 (Дружков- ский машиностроительный завод) и большегрузных рудных вагонеток ВГ-9 и ВГ-Ю (Днепропетровский завод горно-шахтного оборудования). Экономический эффект от внедрения результатов работы по вагонеткам ВГ-9 и ВГ-Ю составит 181 тыс.рублей.
Научные положения диссертационной работы: параметры кузова средства шахтного рельсового транспорта малой металлоемкости, как пространственной конструкции, задаются функциями напряженно-деформированного состояния, определяемыми в соответствии с основными соотношениями линейной теории пластинок и оболочек для элементов, на которые мысленно кузов расчленяется, при этом выделяют нагрузки, приложенные к рассчитываемому элементу, а его граничные условия задают в соответствии с характером соединения рассчитываемого элемента с отброшенными; состояние элементов кузовов, снижающих их массу, описывается характеристиками их внутренних свойств, в частности остаточными напряжениями, компоненты которых определяются в соответствии с обобщенной формой закона Гука и закономерности которых задаются параметрами технологии изготовления элементов; выбор вида сопряжения между Азовом и ходовой частью средства подвижного состава шахтного рельсового транспорта и его описание для механической системы с упругими и неголономными связями производится с учетом обеспечения статической определимости вертикальных нагрузок на кузов и повышенной устойчивости движения.
На зашиту вынесены: метод определения параметров малометаллоемких кузовов средств подвижного состава шахтного рельсового транспорта по их характеристикам напряженно-деформированного состояния; основные зависимости технологии изготовления элементов кузова, обладающих остаточными напряжениями, обеспечивающими повышенные прочность и жесткость при малой металлоемкости; метод выбора параметров сопряжения кузова и ходовой части средства подвижного состава шахтного рельсового транспорта, обеспечивающий повышенную устойчивость движения и малые силы сопротивления в кривой.
Диссертация содержит введение, пять глав, выводы и рекоменда-
8 ции, перечень литературы и приложения. В первой главе приведен обзорный материал и задачи, решаемые в диссертации. Вторая глава посвящена разработке и проверке метода определения параметров кузова при действии статических нагрузок, третья - разработке метода определения параметров при переменных нагрузках. В четвертой главе дано обоснование технологии штамповки элементов кузова средства подвижного состава, разработана и проверена оснастка для штамповки и проведена оценка конечного состояния днищ по результирующим деформациям и остаточным напряжениям. В пятой главе обоснован метод выбора параметров рациональных видов сопряжения кузова и ходовой части.
Основные результаты работы защищены 15 авторскими свидетельствами.
В 1975 г. вагонетка ВШС-І эспонировалась на ВДНХ СССР и награждена бронзовой медалью, а в 1979 г. - на Международной выставке в г.Будапеште.
Работа выполнена при активной поддержке сотрудников кафедры прикладной механики ДГИ, за что приносим им благодарность.
2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Методы определения параметров шахтных вагонеток
Несмотря на повышение уровня конвейеризации шахт, основным видом транспорта по горизонтальным выработкам остается рельсовый транспорт: 70 % всего грузопотока угольных шахт / 183 / и 100 %-рудных шахт приходится на локомотивный транспорт. Совершенствование конструкций средств рельсового шахтного транспорта связано, в частности, с созданием большегрузных вагонеток. Такая же тенденция проявляется и в зарубежной угольной промьшшенности / 7,227/.
Параметры вагонеток, в основном, определяют рядом грузо-подъемностей и габаритными ограничениями на подвижный состав рельсового шахтного транспорта. Большинство конструкций, особенно для рудных шахт, характеризуется значительной металлоемкостью, о чем говорят высокие численные значения технического коэффициента тары / 183 /, приведенные в табл.2.I.
Значение технического коэффициента тары для угольных вагонеток вычислены для горной массы с объемным весом Y = 1,8 т/м3, а для рудных У" = 2,5 т/м3.
В настоящее время на многих рудниках страны эксплуатируют оригинальные безрамные или усиленные облегченными профильными элементами вагонетки, разработанные институтом ВНИШрудмаш / 21, 115 /. Однако, несмотря на существенные преимущества их, имеют место потери устойчивости кузова и прочности отдельных элементов, что можно объяснить не разработанностью методов их расчета.
Различные и крайне сложные условия эксплуатации вагонеток в Кривбассе приводят к следующим основным видам разрушения кузовов:
I) потери устойчивости (выпучиванию) кузова и боковых стенок
2) большим пластическим деформациям в области опор;
3) отрыву кузова от ходовой части по сварным швам;
4) износу боковых и лобовых стенок кузова;
5) отрыву отбортовочной полосы по сварке;
6) разрушению сварных швов.
Так, на шахте им.Артема I рудоуправления им.Кирова при эксплуатации вагонеток ВГ-8 в областях опор имели место прогибы кузова, достигающие 50-60 мм, а в отдельных случаях до 100 мм. Это приводит к заклиниванию кузова и тележки через скользуны, неповороту тележки относительно кузова, что вызывает частые случаи схода вагонеток с рельс.
В процессе эксплуатации вагонетки элементы кузова испытывают различные виды деформации, среди которых превалирующими являются деформации изгиба и кручения, определяющие большие численные значения напряжений. Экспериментальные исследования по измерению напряжений, возникающих в кузовах безрамных вагонеток, выполненные сотрудниками отделов надежности и долговечности горных машин и транспорта института ВНИПИрудмаш, подтверждают большие значения напряжений ( 1062 10 — ) и указывают на необхо м димость в проведении прочностных расчетов при создании надежной конструкции вагонетки.
Напряжения; в стенке кузова и определение ее размеров
Как уже отмечалось, увеличение грузоподъемности вагонеток является одним из направлений в совершенствовании организации транспорта. В настоящее время для транспортирования горной массы применяют большегрузные вагоны (ВГ -9, ВГ-10 и др.), обладающие достаточно высокой металлоемкостью. Увеличение грузоподъемности связано с развитием размера кузова по длине, что обусловливает назначение больших толщин стенок кузова или ужесточение их различными профильными элементами. С увеличением размера по длине боковой стенки кузова растет на нее и нагрузка. Кроме того у что приводит к неполному использованию прочностных характеристик металла. Так» существующие конструкции узла сопряжения сцепного устройства с кузовом частично используют или совсем не иеполь-зуют резерв напряженности боковых стенок по передаче продольных нагрузок. Напряжение в стенке определяют только от веса транспортируемого материала. Передача продольных нагрузок боковыми стенками позволяет исключить или облегчить раму вагонетки.
С целью установления параметров стенки определим напряжения в наиболее нагруженном сечении ос-а. # На стенку кузова с размерами 2 ж 6 ж толщиной & действует поперечная нагрузка от веса сыпучего материала в кузове, задаваемая в виде / 133 / где f - объемный вес горной массы в кузове;
Переменные напряжения в элементах кузова и определение его параметров
Дальнейшее совершенствование конструкций средств подвижного рельсового транспорта, в частности вагонеток, связано ео снижением их металлоемкости, одним из путей достижения которого является разработка безрамных конструкций. В безрамном варианте вагонетки или в вагонетке с облегченной рамой кузов является грузонесущим элементом конструкции. Поэтому обеспечение работе способности таких вагонеток может быть достигнуто несколькими путями: снижением динамических нагрузок путем выбора рационального сопряжения кузова и ходовой части, как это, например, еделано в вагонетке» описанной в/работах /10,76,77 116 129/ /,точностью задания расчетных нагрузок и решением задач о напряженно деформированном состоянии элементов кузова и.др. Наиболее напряженным в кузове является днище, которое испытывает изменяющиеся по сложному закону динамические нагрузки, передаваемые через площадки размещения узлов амортизации. Эти нагрузки вызывают в различных областях днища переменные напряжения» от параметров и структуры циклов которых зависит ег усталостная прочность, которая при известных параметрах напряженно-деформированного состояния может быть определенным образом / 89 / рассчитана.
Характер напряженно деформированного состояния днища зависит не только от его режима нагружения, но и от конфигурации. Известно, что днище в виде пологой оболочки характеризуется большей прочностью по сравнению с плоским при незначительном уменьшении использования кузовом габаритных размеров.
Определим компоненты переменных напряжений, возникающих в цилиндрическом днище безрамной вагонетки размерами в плане Л , толщиной - и радиусом . На днище действуют удельная поперечная нагрузка ср от массы транспортируемой в кузове и по площадкам загружения, в местах установки амортизаторов, удельные реакции, изменяющиеся во времени р ( ). Расчетная схема приведена на рис.4.1. Площадки загружения размерами с {d«. с) и ( 2«/) х ( - ) благодаря накладкам из листов толщиной h1 и кривизной, совпадающей с кривизной днища, имеют жесткость отличную от жесткости днища вне площадок. Поэтому напряженно-деформированное состояние днища описываем двумя системами уравнений: для днища в области площадок и вне их.
Определение параметров бес прессовой штамповки «элементов кузова
Для изготовления деталей больших размеров и сложного очертания из листовых заготовок применяют беспрессовые методы штамповки, в которых нагрузка создается действием импульсного источника энергии (взрыв заряда, электрический разряд и др.)/ І6Я /. С помощью беспрессовых методов могут быть изготовлены днища, торцевые и боковые стенки кузова с одновременным получением и подкрепляющих ребер в виде выштамповок, отбортовок и др. Днища,возникшие при подобном приложении нагрузок к листовым заготовкам, образуются в результате развития в металле пластических деформаций, которые связаны с потерей устойчивости листовой заготовки.
Одним из важных параметров бес прессовой технологии является величина давления импульсного источника, которая должна быть не меньше той нагрузки, которая переводит листовую заготовку в пластическое состояние.
Для оценки предельных нагрузок,переводящих состояние листовой заготовки из упругого в пластическое, когда при импульсном нагружеяий процесс формообразования не требует последующего приложения сил, для описания поведения металла можно принять модель идеально-пластического тела. Но величине предельной или критической нагрузки определяются такие параметры источника энергии, как давление, его расположение относительно заготовки.
Днище грузонесущего кузова является наиболее напряженным и ответственным элементом. Размещение днища в конструкции обуславливает его получение из листовых заготовок, защемленных по прямоугольному или эллиптическому контуру.
Решим задачу определения давления, переводящего листовую заготовку размерами & (большая сторона), б (меньшая сторона) и толщиной п. в неустойчивое состояние. Выберем координаты так, что плоскость хои совмещена со срединной плоскостью листовой заготовки и ось направлена вдоль 2 , у. вдоль и положительное направление оси 2 совпадает с выпуклостью днища. Начало координат совмещено с одной из вершин заготовки. Перемещения точек срединной поверхности вдоль осей -", и % обозначим через U % V \ ЬГ , соответственно. Уравнение движения, составленное относительно внутренних усилий, действующих на мысленно выделенный элемент листовой заготовки и вызванных поперечной нагрузкой Q ( - , , 2г ), без учета инерционных членов вращения элемента
Определение параметров сопряжения кузова и ходовой части
В периодической отечественной и зарубежной литературе содержится обширный материал, относящийся к описанию поведения рудничных вагонеток, чаще рамной конструкции. Решены задачи, относящиеся к определению геометрических положений вагонетки, размещаемой в различных условиях относительно рельсового пути /104,140/, произведена оценка "устойчивости" из одномоментной картины распределения действия сил на вагонетку или из условия равновесия / 169 /, а в некоторых случаях и с анализом некоторых уравнений движения / 105 /, проведен анализ некоторых крайних условий движения вагонетки / 51, 100 /»
У большинства конструкций вагонеток кузов сопрягается с ходовой частью непосредственно, без введения упругих связей. При движении вагонеток такой конструкции по рельсовому пути переменного профиля не достигается равномерное распределение нагрузок между колесами, что затрудняет построение уравнения движения таких систем и анализ их устойчивости. Этим, очевидно, и определяется характер работ, на которые выше была сделана ссылка.
В последних типажных конструкциях большегрузных рудных вагонеток (ВГ-4.0у, ВГ-8) и угольных вагонеток сопряжение ходовой части с кузовом выполнено с помощью упругих связей, наличие которых позволяет с привлечением разработанного аппарата и методов расчета / 106, 5,1,147 / описать динамику вагонеток. Однако характеристики и состояние рельсовых путей горных выработок шахт имеют такие параметры, которые при принятых конструкциях упругих связей исключают устойчивое движение вагонеток и затрудняют описание их поведения при больших амплитудах колебаний.
С целью обеспечения устойчивого движения вагонетки по рельсовому пути описанного характера и возможности оценки ее поведения в этих условиях, была предложена и разработана конструкция сопряжения кузова с ходовой частью в трех точках (одна из осей -балансирная)/П6,77,76,64/ рис.б. I, 6.2).
Рассмотрим малые колебания кузова такой вагонетки при ее движении с целью установления области устойчивого движения и опре деления параметров упругих связей. Последние являются своего рода регуляторами, обеспечивающими нахождение параметров возмущенного состояния колебающегоея кузова в пределах, сохраняющих устойчивое движение.
Так как на малые колебания такой конструкции наложены неин-тегрируемые связи, обусловленные конструкцией упругих связей, то для описания ее движения может быть реализован аппарат динамики неголономных систем / 147 /, для которых, как известно, движение, в силу кинематических обстоятельств, стеснено не интегрируемы ми дифференциальными связями.
Похожие диссертации на Научно-технические основы и разработка малометаллоемких средств подвижного состава шахтного рельсового транспорта
