Наукове обґрунтування проектування несучих систем металургійних платформ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наукове обґрунтування проектування несучих систем металургійних платформ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

силовий деформований навантаження

Актуальність роботи. Вітчизняний та зарубіжний досвід показує, що значне місце у транспортному обслуговуванні технологічних ліній заводів чорної металургії займають транспортні засоби на пневмоколісному та залізничному ходу: це металургійні платформи для транспортування слябів зливків, виливниць.

Металургійні платформи бувають самохідні та пристосовані для експлуатації у складі поїздів; їх об'єднує загальна компоновка, але по силовому набору несучих систем їх можна поділити на два типи: дискретні та монолітні.

Металургійні платформи з дискретною несучою системою мають певно окреслені елементи поздовжньо-поперечного силового набору, складаються зварюванням або клепанням і являють собою плоско-просторові рамні системи. Монолітні несучі системи являють собою цільнолиті або зварені плити, підсилені регулярним набором поздовжніх і поперечних ребер жорсткості.

Самохідні металургійні платформи на пневмоколісному ходу, гнучкі у своєму застосуванні, створюють умови для зменшення площ, поліпшення планування підприємств, зменшення капіталовкладень, експлуатаційних витрат. Металургійні платформи у складі поїздів на залізничному ходу, прості і доступні, у межах існуючих підприємств є незамінимими транспортними засобами.

Ці два типи платформ не виключають, а доповнюють один одного. Разом з тим за деяких причин проектування металургійних платформ не відповідає сучасному рівню, конструкції їх значно переобважнілі. Металомісткість вітчизняних конструкцій на 20-30% більша, ніж аналогічних зарубіжних. Відповідно до цього постає питання розробки науково-методичних основ проектування платформ, які б враховували особливості дискретних та монолітних несучих систем, обумовлювали створення раціональних конструкцій, конкурентноспроможних, на рівні кращих зарубіжних зразків; і в цьому зв'язку актуальність запропонованих досліджень не викликає сумніву.

Зв'язок теми дисертації з науковими програмами, планами університету.

Робота виконана по науково-дослідному плану Дніпродзержинського державного технічного університету, є складовою частиною теми №221/86-20/86ТП «Дослідження керованості, безпеки та надійності спец-автотранспортних засобів особливо великої вантажопідйомності. - Етап ДІІ: Дослідження та обгрунтування параметрів несучих систем технологічного спецавтотранспорту», державна реєстрація №01860039095, а також теми №226/85/3-278а «Дослідження в умовах експлуатації та вдосконалення конструкцій пересувного вагонокантувача, платформ металургійних, пристроїв для завантаження доменних печей та іншого обладнання, а також по збору, аналізу та обробці даних по експлуатаційній надійності діючого устаткування ДЗМУ на металургійному комбінаті ім. Ф.Е. Дзержинського», державна реєстрація №01860039096.

Мета роботи. Наукове обґрунтування проектування несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу, яке забезпечує умови для створення конструкцій з раціональною металомісткістю.

Ідея роботи полягає у виявленні закономірностей утворення зовнішніх навантажень, діючих на несучі системи, розробці принципів конструювання, направлених на поділення функцій силових елементів, виборі розрахункових схем, найбільш повно відповідаючих справжній картині напружено-деформованого стану силових елементів конструкцій.

Методика досліджень. Вибір типу і кількості елементів поздовжньо-поперечного силового набору дискретних несучих систем виконується за критерієм мінімальної металомісткості при задовільненні умов міцності. Дослідження динаміки навантаження несучих систем будується на теорії коливань, виводі диференціальних рівнянь збуреного руху, їх аналізі та розв'язанні. Пошук розрахункових схем монолітних несучих систем відбувається шляхом переходу від підкріплених плит до плоско-просторових рамних систем. Перехід від монолітних несучих систем до дискретних будується на поділенні функцій силових елементів. Математична модель формування зовнішніх навантажень розроблена на основі характерних режимів руху з урахуванням компоновочних особливостей несучих систем. Визначення температурних полів теплоізоляції платформ побудовано на розв'язанні задачі одностороннього нагріву пластини, котра розв'язується на ЕОМ. В основу експериментальних досліджень напружень покладений тензометричний метод, в основу температурних вимірів - термоелектронний принцип.

Наукові положення, які виносяться на захист:

- використання відкритих профілів, скорочення шляху передачі зусиль, однорідне навантаження та розмежування функцій силових елементів у дискретних несучих системах металургійних платформ знижує металомісткість конструкцій;

- монолітні несучі системи металургійних платформ з поздовжньо-поперечними ребрами жорсткості по несучій здатності еквівалентні плоско-просторовим рамним системам;

- математична модель формування зовнішніх навантажень на несучі системи металургійних платформ базується на характерних режимах руху та урахуванні коливань конструкцій;

- при виборі параметрів стабілізаторів поперечної стійкості металургійних платформ з пружною підвіскою є рація виходити з розглядання кутових коливань конструкцій у поперечній вертикальній площині;

- визначення температури по товщині теплоізоляції металургійних платформ зводиться до задачі про одностороннє нагрівання необмеженої пластини при крайових умовах першого роду.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій обгрунтована:

- застосуванням перевірених методів теоретичної механіки та прикладної теорії пружності;

- достатнім співпаданням результатів теоретичних та експериментальних досліджень, розбіг не перевищує 27%.

Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- вперше отримані кількісні залежності між типом підвіски, типом профілів, кількістю елементів поздовжньо-поперечного силового набору та металомісткістю дискретних несучих систем, що забезпечує металозберігаючий напрямок у проектуванні металургійних платформ;

- вперше розроблена математична модель формування зовнішніх навантажень на несучі системи самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу з урахуванням пружного підвішування двигуна, спрямована на створення раціональних за металомісткістю конструкцій;

- вперше розроблена математична модель включення стабілізатора поперечної стійкості у динамічну систему металургійної платформи з пружною підвіскою, що стає основою вибору параметрів стабілізаторів та конструкцій платформ у цілому;

- вперше отримані аналітичні вирази, які пов'язують припустимі швидкості руху з власними частотами коливань платформ, що дає можливість впливати на власні динамічні характеристики металургійних платформ при проектуванні;

- вперше розроблені теорія та алгоритм розрахунку на міцність підкріплених плит монолітних несучих систем металургійних платформ, що апроксимуються рівноміцними плоско-просторовими рамами.

Практична цінність полягяє у:

- методиках проектування та розрахунку на міцність несучих систем традиційних та перспективних металургійних платформ;

- алгоритмах та програмах розрахунків на міцність монолітних несучих систем металургійних платформ;

- методиці вибору параметрів теплоізоляції настилу металургійних платформ при транспортуванні слябів та виливниць;

- методиці розрахунку стабілізаторів поперечної стійкості мета-лургійних платформ з пружною підвіскою.

Практична реалізація. Методики проектування несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу прийняті та впроваджені в Державному спеціальному конструкторсько-технологічному бюро транспорту металургії (ДСКТБ трансмет, м. Маріуполь); там же використані розроблені методичні основи проектування несучих систем при створенні понад 30 різних типів металургійних транспортних засобів на пневмоколісному та залізничному ходу.

Апробація роботи. Основні положення дисертації повідомлені та одержали підтримку на Всесоюзній конференції «Повышение долговечности и надежности машин и приборов» (м. Куйбишев, 1981 р.), на Рес-публіканській науково-технічній конференції «Теория и практика, надежность и качество изделий машиностроительных предприятий» (м. Краматорськ, 1990 р.), на засіданні технічної ради Державного спеціального конструкторсько-технологічного бюро транспорту металургії (ДСКТБ трансмет, м. Маріуполь, 1994 р.), на засіданні об'єднаного науково-технічного семінару в Національній гірничій академії України (НГА України, м. Дніпропетровськ, 1995 р.), на засіданні об'єднаного науково-технічного семінару в Державній металургійній академії України (ДМетАУ, м. Дніпропетровськ, 1996 р.), на засіданні об'єднаного науково-технічного семінару в Дніпродзержинському державному технічному університеті (ДДТУ, м. Дніпродзержинськ, 1998 р.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 3 одноосібні монографії та 22 статті у фахових наукових виданнях.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, дев'яти глав, висновків; викладена на 252 сторінках машинописного тексту, містить 88 рисунків, 22 таблиці, список використаної літератури з 113 найменувань та 7 сторінок додатків. Загальний обсяг роботи - 383 сторінки.

Робота виконана у Дніпродзержинському державному технічному університеті. При проведенні досліджень автору було надано допомогу з боку завідуючого кафедрою «Механічне устаткування металургійних заводів» Лєєпи І.І.

Зміст роботи

Металургійні платформи відомі на пневмоколісному та залізничному ходу, мають дискретні чи монолітні несучі системи. Самохідні металургійні платформи на пневмоколісному ходу практично не мають аналогів серед вітчизняних машин, тільки зараз починають впроваджуватись і досліджені надто мало. Великий внесок у теорію та практику проектування таких платформ зробили Лебедєв Г.Є., Колесник І.А., Корленштейн М.Е., Лепетова Г.Л., Вовк А.П., Пащенко В.М., Стеганцов В.Я.

Металургійні платформи на залізничному ходу з монолітними несучими системами мають використання на внутрішньозаводських технологічних лініях. Проектування таких несучих систем пов'язане з труднощами розрахунку підкріплених плит. Спроби розв'язання цих задач в одномірній постановці методами опору матеріалів дають незадовільні результати. У галузі проектування та досліджень металургійних платформ на залізничному ходу відомі роботи Іоліса А.Й., Гусєва І.І., Каурова В.В., Лєєпи І.І., Матюхіна А.В., Салова В.О., Сєдуша В.Я., Співака В.І., Учителя О.Д., Цапко В.К., разом з тим при розробці нових проектів домінує конструктивний підхід при відсутності надійних розрахунків.

В зв'язку з цим метою роботи є наукове обгрунтування проектування несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу, яке забезпечує умови для впровадження конструкцій з раціональною металомісткістю. Для досягнення цієї мети у дисертації поставлені та розв'язані слідуючі задачі:

- загальні статичні задачі проектування несучих систем металургійних платформ, у тому числі: визначення залежностей між типом профілів, кількістю елементів поздовжньо-поперечного силового набору та металомісткістю несучих систем; розробка математичної моделі теплофізичного процесу в шарі теплоізоляції платформ при транспортуванні високотемпературних вантажів;

- загальні динамічні задачі проектування несучих систем металургійних платформ, у тому числі: визначення залежностей між коефіцієнтами динамічності та параметрами силових елементів, визначаючими металомісткість несучих систем; визначення залежностей між типом підвіски платформ на пневмоколісному ходу та коефіцієнтами динамічності; вибір параметрів демпфіруючих пристроїв пружної підвіски, які забезпечують відомий ресурс несучих систем; вибір параметрів стабілізаторів поперечної стійкості платформ за динамічним критерієм;

- розроблення математичної моделі формування зовнішніх навантажень на несучі системи самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу з урахуванням пружного підвішування двигуна з устаткуванням;

- дослідження та обгрунтування параметрів несучих систем металургійних платформ-напівпричепів на пневмоколісному ходу;

- вибір розрахункових схем монолітних несучих систем металургійних платформ на залізничному ходу;

- пошук нових конструкцій несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу;

- експериментальні дослідження самохідної платформи на пневмоколісному ходу - дослідного зразка автослябовоза АСВ-70 вантажопідйомністю 70 тонн, самохідної металургійної платформи-папівпричепа на пневмоколісному ходу - автослябовоза МР-445 вантажопідйомністю 64 тонни та металургійної платформи на залізничному ходу ПМ-180-5500/1520У вантажопідйомністю 180 тонн.

- розробка методичних основ проектування дискретних та монолітних несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу.

Загальні статичні задачі проектування несучих систем металургійних платформ

При наїзді на нерівності самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу їх несучі системи підлягають закрученню, котре залежить від типу профілів силових элементів. Для дослідження цього питання розглянута несуча система металургійної платформи на пневмоколісному ходу з жорсткою підвіскою, де поздовжній силовий набір має два варіанти - з відкритим та закритим профілями, рис. 1. Поздовжні силові елементи різних типів мають рівні моменти опору вигину, однакову висоту поперечних перетинів, постійну товщину стінок. Для однозначності відкритий профіль розглядається у вигляді двотавра, закритий - у вигляді прямокутного тонкостінного перетину.

З умови рівності максимальних дотичних напружень отримана товщина стінки рівноміцного закритого профілю:

, (1)

де - товщина стiнки рiвномiцного закритого профiлю, м; - товщина вiдкритого профілю, м; s - довжина контуру поперечного перетину, м; - половина довжини рами, м; -коефiцiєнт радiальної жорсткостi шини, Н/м; -колiя, м; G - модуль пружностi другого роду, Па.

Для оцінки конструкцій по металомісткості утворені відношення площ поперечних перетинів рівноміцних профілів:

, (2)

де - відношення площ поперечних перетинів закритого та відкритого профілів відповідно.

Результати розрахунку по формулі (2) наведені у табл. 1, де використаний слідуючий числовий матеріал: , , ; s=0,6 м, 1,0 м, 1,4 м; l=3 м; Н/м, =2,4 м; МПа.

Металомісткість дискретних несучих систем металургійних платформ можна оцінювати по загальній площі поперечних перетинів силових елементів. Розглянуто силовий набір, котрий складається з n поздовжніх елементів - балок прямокутного перетину. З умови міцності при вигині отримані розміри перетинів:

, (3)

де b - ширина поперечного перетину, м; - розрахунковий згинаючий момент, Нм; a - відношення висоти поперечного перетину до ширини; n - кількість поздовжніх силових елементів; [] - допустиме напруження при вигині, Па.

, (4)

де h - висота поперечного перетину, м.

Після введення позначення загальна площа поперечних перетинів дорівнює:

. (5)

Безрозмірна величина, котра характеризує загальну площу поперечних перетинів силового набору:

. (6)

Визначення температури по товщині теплоізоляції настилів металургійних платформ при транспортуванні нагрітих слябів розглядається як задача однобічного нагріву необмеженої пластини при крайових умовах першого роду. Розв'язується задача методом кінцевих різниць, для чого теплоізоляція розбивається на n елементарних шарів і розглядається тепловий баланс j-го шару.

Приріст температури j-го шару визначається з виразу:

, (7)

де - густина матеріалу теплоізоляції при початковій температурі, кг/; - тепломісткість матеріалу теплоізоляції при початковій температурі, Дж/кгС.

tj(+)=tj()+tj. (8)

Послідовне визначення температури з виразу (8) через відрізки часу i дозволяє отримати розрахункову криву залежності температури теплоізоляції від часу.

На основі розробленого алгоритму складена програма розрахунку температурних полів теплоізоляції на мові БЕЙСИК, котра реалізована на ЕОМ СМ-1634. Як теплоізоляційний матеріал вжито шлак, у котрого С=750 Дж/кгС, =500 кг/; =0,15 Вт/мС. Температура нижньої поверхні нагрітого сляба =700 С; товщина шару шлаку h=0,15 м, 0,10 м, 0,05 м; початкова температура шлаку =20 С; час нагріву шлаку =0,5 години.

Загальні динамічні задачі проектування несучих систем металургійних платформ

Металомісткість несучих систем металургійних платформ пов'язана з динамікою навантаження, котра у межах поставлених задач характеризується коефіцієнтом динамічності. Силові елементи несучих систем в основному працюють на вигин, тоді потрібна площина прямокутних поперечних перетинів визначається з умови міцності при вигині:

, (9)

де F - потрібна площина прямокутного поперечного перетину,; =b/h - відношення основи до висоти поперечного перетину; - згинаючий момент, ; [] - допустиме напруження при вигині, Па; - коефіцієнт динамічності.

Відношення лінійних мас двох силових елементів, працюючих в умовах різної динаміки, дорівнює відношенню площин поперечних перетинів, рис. 2:

, (10)

де q₁ та q₂ - лінійні маси силових елементів, кг/м.

У тому випадку, коли , що відповідає квазистатичному навантаженню, відношення (10) отримує більш простий вигляд:

. (11)

Для різних профілів, у тому числі прокатних, рис. 3:

, (12)

де та - моменти опору вигину, які задовольняють умову міцності при коефіцієнтах динамічності та , .

Для порівнювальної оцінки жорсткої та пружної підвісок розглянуто збурений рух самохідної металургійної платформи на пневмоколісному ходу. При жорсткій підвісці тільки шини є пружними елементами, рис. 4. Рівняння збуреного руху отримані у формі рівняня Лагранжа другого роду, котрі при умові подвоєних коліс на кожній опорі мають слідуючий вигляд:

, (13)

де - загальна маса платформи, кг; - радіальна жорсткість однієї шини, Н/м; - амплiтудне значення апроксимуючої функції нерівностей, м; - швидкість руху, м/с; - довжина синусоїди, апроксимуючої функцію нерівностей, м; t - час, с.

, (14)

де Jc - загальний момент інерції платформи відносно поперечної горизонтальної осі, котра проходить через центр мас, кгм².

З рівнянь (13) та (14) отримані власні кругові частоти по узагальнених координатах y та відповідно:

; . (15)

При умові Jc=mcl2 y==, і розв'язок рівнянь (13) та (14) має наступний вигляд:

; (16)

, (17)

де i - фазові кути вимушених коливань, рад.

Коефіцієнт динамічності реалізується в опорах підвищенням навантажень при русі платформи і для жорсткої підвіски дорівнює:

, (18)

де - повний прогин шини, м; - статичний прогин шини, м.

Для кількісної оцінки динаміки навантаження реальної платформи прийняті слідуючі вихідні дані: кг; кг. м²; кН/м; l=3 м; км/г=2,78 м/с, 20 км/г=5,56 м/с, 30 км/г=8,34 м/с, 40 км/г=11,1 м/с, 50 км/г=13,9 м/с; =1,0 м, 1,5 м, 2,0 м; м.

Програма, що реалізує розрахунок коефіцієнтів динамічності, складена на мові ФОРТРАН, транслятор якого входить до складу ОС ЄС ЕОМ. Друкування результатів відбувалось кожну секунду на протязі 30 с руху машини.

При дослiдженнi самохiдної металургiйної платформи з пружною підвіскою для однозначностi прийнято, що пружні елементи передньої та задньої підвісок реалізуються чотирма пневмо-гідравлічними циліндрами на кожний міст, рис. 5. Рівняння збуреного руху виведені у формі рівняння Лагранжа другого роду.

(19)

Розв'язок частотного рівняння системи (19) дає слідуючі власні кругові частоти платформи: =8,82 ; =9,30 ; ==52,0 c^-1. Розв'язок системи (19) оснований на алгоритмі Рунге-Кутта, мо-дернізованому Фельбергом. Програма, реалізуюча вказаний алгоритм, складена на мові ФОРТРАН, транслятор якого входить до складу ОС ЄС ЕОМ. Результати фіксувались через кожну секунду на протязі 30 с руху машини. Отриманий розв'язок покладений в основу визначення ко-ефіцієнтів динамічності:

. (20)

Виключаючи резонансні зони, можна стверджувати, що пружна підвіска суттєво знижує динаміку навантаження і створює умови для зменшення металомісткості несучих систем металургійних платформ у 2-3 рази.

При русі по нерівностях технологічних доріг металургійні платформи навантажуються перемінними силовими факторами, коли мають місце вимушені та пов'язані з ними вільні коливання. Енергія, яку необхідно погасити демпфіруючому пристрою за перший напівперіод коливань:

, (21)

де U - втрачена за перший напівперіод енергія, Дж; С - коефіцієнт жорсткості пружного елемента, Н/м; A1 - амплітуда коливань у першому напівперіоді, м; - середній рівень напружень, Па; - межа витривалості елемента конструкції у небезпечному перетині, Па.

Амплітуда коливань A1 визначається з розв'язання диференційних рівнянь вимушених коливань, а середній рівень напружень m у небезпечному перетині береться з статичного розрахунку на міцність. По відомій енергії поглинання визначаються параметри демпфіруючих пристроїв металургійних платформ.

Для усунення черезмірних бокових кренів, а також розшатування металургійних платформ у поперечній вертикальній площині прислужують стабілізатори поперечної стійкості. Вибір параметрів стабілізаторів базується на включенні їх у розрахункову схему як пружних елементів з послідуючим отриманням деяких, наперед заданих власних динамічних характеристик.

Рівняння збуреного руху металургійної платформи отримані у формі рівняння Лагранжа другого роду. Це чотири звичайних диференційних рівняння, які утворюють дві незалежні системи:

; (22)

, (23)

де y - вертикальне переміщення підресореної маси, м; - вертикальне переміщення непідресореної маси, м; - кут повороту підресореної маси у поперечній вертикальній площині, рад; - кут повороту непідресореної маси у поперечній площині, рад; - момент інерції підресореної маси відносно відповідної поздовжьої осі, кгм²; - момент інерції непідресореної маси відносно відповідної поздовжьої осі, кгм²; - відстань між лівим та правим пружними елементами, м; - колія транспортного засобу, м; - характерний розмір стабілізатора поперечної стійкості, м, - коефіцієнт еквівалентної жорсткості стабілізатора поперечної стійкості, Н/м.

У загальному випадку:

, (24)

де Е - модуль пружності першого роду, Па; - характерні розміри стабілізатора, м; - коефіцієнт Пуассона;- момент інерції поперечного перетину стабілізатора, м⁴; Jк - еквівалентний полярний момент інерції поперечного перетину стабілізатора, м⁴.

У випадку круглого поперечного перетину:

, (25)

де d - діаметр поперечного перетину стабілізатора, м.

Після введення позначень:

,+,

,,

частотне рівняння системи (23) набуває слідуючого вигляду:

. (26)

Добуток входить у вигляді параметра в рівняння (26), активно впливає на власні динамічні характеристики системи у поперечних коливаннях і має назву жорсткісного фактору стабілізатора поперечної стійкості. За критерій працездатності металургійних платформ при поперечному розшатуванні приймається непопадання частот асиметричних зовнішніх збурень у 10-відсоткову полосу навколо j-ї власної частоти:

1,05ji0,95j, (27)

де _i - кругова частота зовнішніх збурень, с^-1; _j - j-а власна кругова частота, с^-1.

Розв'язок рівняння (26) сумісно з умовою (27) визначає раціональні значення жорсткісного фактору .

Дорезонансна зона:

(28)

(29)

Зарезонансна зона:

(30)

(31)

По раціональних значеннях жорсткісного фактору визна-чається еквівалентна жорсткість, вибираються конструктивні параметри стабілізаторів поперечної стійкості металургійних платформ.

Математична модель формування зовнішніх навантажень на несучі системи самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу

Характерним режимом роботи самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу є рух з вантажем по нерівній дорозі. Рама як плоско-просторова несуча система розподіляється на дві одномірні системи у вигляді двохопорних статично визначимих балок, параметри яких визначаються з умови міцності при вигині:

, (32)

де- момент опору вигинові поперечного перетину поздовжньої балки, ; - коефіцієнт динамічності, що належить першому розрахунковому випадку;- згинаючий момент у небезпечному перетині поздовжньої балки, Н.м; [] - допустиме напруження при вигині, Па.

При русі металургійних платформ на поворотах, вздовж крутих відкосів на них діють значні бокові навантаження. Найбільша бокова сила має місце у момент перевернення платформи. Цей розрахунковий випадок покладено в основу проектування силових елементів, передаючих бокові навантаження від підвіски до рами несучої системи. Ці силові елементи консольно кріпляться до рами, працюють на вигин, параметри їх визначаються з умови міцності при вигині:

, (33)

де - момент опору вигинові консольних силових елементів у поперечній площині, ; mc - маса навантаженої платформи, кг; g - прискорення земного притяжіння, ; Lк - колія платформи, м; Lc - довжина консольного силового елемента, м; n - кількість консольних силових елементів, передаючих бокові навантаження; H₀ - висота центру маси навантаженої металургійної платформи, м.

При блокованому диференціалі ведучого моста реалізується третій розрахунковий випадок: подолання перешкоди з місця наїздом однією колісною опорою при передачі сили тяги діагонально розташованою другою колісною опорою. Розрахункові навантаження мають слідуючий вигляд:

(34)

де - розрахункова поздовжня сила, діюча на одну колісну опору, Н;

- коефіцієнт динамічності, що належить третьому розрахунковому випадку; f - коефіцієнт зчеплення коліс з дорогою.

, (35)

де - розрахункова поперечна сила, яка діє на одну колісну опору, Н; lk - ширина рами, м; lб - довжина рами, м.

Цей розрахунковий випадок покладений в основу вибору параметрів поздовжніх і поперечних силових елементів рами проти складання її у своїй площині:

, (36)

де Wу - момент опору поперечних перетинів рами у її площині, .

Для виявлення зовнішніх навантажень на самохідні металургійні платформи на пневмоколісному ходу розглядаються коливання несучих систем платформ, рівняння збуреного руху виводяться у формі рівняння Лагранжа другого роду.

Поздовжня вертикальна площина:

; (37)

; (38)

, (39)

де у - вертикальне переміщення центра маси конструкції, м; - кут повороту рами у поздовжній вертикальній площині, рад; х - поздовжнє переміщення центра маси двигунної установки у збуреному русі, м; mк - маса конструкції без двигунної установки, кг; - маса двигунної установки, кг; Jк - момент інерції конструкції без двигунної установки відносно поперечної осі, кг. м²; - момент інерції двигунної установки відносно поперечної осі, кг. м²; hc - висота розташування центра маси конструкції без двигунної установки, м; - висота розташування центра маси двигунної установки, м; Сэ - коефіцієнт еквівалентної радіальної жорсткості однієї колісної опори, Н/м; Сх - коефіцієнт поздовжньої жорсткості вузлів кріплення двигунної установки, Н/м; - швидкість руху платформи, м/с.

Рівняння (37) незалежне, його розв'язок:

, (40)

де - початкові умови, м, м/с; - амплітудне значення середньостатистичної нерівності, м; L - довжина апроксимуючої сінусоїди, м; - фазовий кут, рад.

, (41)

де - власна кругова частота, с^-1.

Рівняння (38) та (39) утворюють систему:

, (42)

де ;

; ; ;

; ; ; ;

; .

Розв'язок системи (42):

, (43)

де ;

;

С₄ = C (с_2х - ² a_2x)/((c₁ - ² a₁) (c_2x - ² a_2x) - c₂ c_1x);

С₇ = - В с₂/((c₁ - ² a₁) (c_2x - ² a_2x) - c₂ c_1x);

С₉ = - C с₂/((c₁ - ² a₁) (c_2x - ² a_2x) - c₂ c_1x);

C₅ = (c_2x A - c_1x D)/(c₁ c_2x - c₂ c_1x);

C₁₀ = (c₁ D - c₂ A)/(c₁ c_2x - c₂ c_1x).

Вiдповiдне системі (42) частотне рівняння:

а₁ а_2х (²)² - (a₁ c_2x + c₁ a_2x) ² + c_2x (c₁ + c_1x) = 0. (44)

Це біквадратне рівняння, його розв'язок має слідуючий вигляд:

, (45)

де ₂, ₃ - власні кругові частоти несучої системи, с^-1.

Поперечна вертикальна площина:

; (46)

; (47)

, (48)

де J_к - момент інерції конструкції без двигунної установки відносно поздовжньої осі, кгм2; J_д - момент інерції двигунної установки відносно поздовжньої осі, кгм2; h₃, h₄ - підйом правих та лівих коліс на нерівностях дороги, м; Cz - коефіцієнт поперечної жорсткості вузлів кріплення двигунної установки, Н/м.

Рівняння (46) не залежить від рівнянь (47) та (48), до того ж співпадає з рівнянням (37). Тому є можливість скористатися розв'зком (40) та формулою (41). Рівняння (47) та (48) утворюють систему:

, (49)

де ; ; ;

; ; ; ; .

Розв'язок системи (49):

, (50)

де С₁₁=С₁₃=С₁₅=С₁₇=0;

;

;

;

.

Відповідне системі (49) частотне рівняння:

. (51)

Це біквадратне рівняння, його розв'язок має слідуючий вигляд:

, (52)

де ₄, ₅ - власні кругові частоти несучої системи, с^-1.

Площина руху металургiйної платформи:

; (53)

, (54)

де J_ку - момент інерції конструкції без двигунної установки відносно нормалі до площини руху, котра проходить через центр маси конструкції, кг. м²; J_ду - момент инерції двигунної установки відносно нормалі до площини руху, котра проходить через власний центр маси, кг. м²; n - кількість коліс в опорі; С_шz - коефіцієнт поперечної жорсткості однієї шини, Н/м; С - коефіцієнт крутильної жорсткості системи підвішування двигунної установки, Н.м; М₀ - амплітудне значення збурюючого моменту, Н.м.

Рівняння (53) та (54) утворюють систему:

, (55)

де = J_ку; = 4 n C_шz +; ; ;

=J_ду; .

Розв'язок системи (55):

, (56)

де С₁₉=С₂₁=0;

С₂₀ = М₀ (c_2b - W² a_2b)/((c_1a - W² a_1a) (c_2b - W² a_2b) - c_2a c_1b);

С₂₂ = - М₀ c_2a/((c_1a - W² a_1a) (c_2b - W² a_2b) - c_2a c_1b).

Відповідне системі (55) частотне рівняння:

. (57)

Це біквадратне рівняння, його розв'язок має слідуючий вигляд:

, (58)

де ₆, ₇ - власні кругові частоти несучої системи, с^-1.

Отримані розв'язки диференційних рівнянь збуреного руху використовуються для визначення зовнішніх навантажень та розрахунків на міцність основних силових елементів несучих систем. Зусилля у підвісці при наявності поздовжніх збурень розраховуються за формулою, отриманою за допомогою виразів (40) та (43):

, (59)

де N - зусилля у підвісці, Н; ус - статичний прогин підвіски, м.

Зусилля у підвісці при наявності поперечних збурень розраховуються за формулою, отриманою за допомогою виразів (40) та (50):

. (60)

На несучу конструкцію двигунної установки діють поздовжні та поперечні навантаження, котрі визначаються за допомогою виразів (43) та (50):

N_дх = С_х (С₇ sinWt + C₉ sin (Wt-y) + C₁₀), (61)

де N_дх - поздовжнє зусилля, діюче на двигунну установку, Н.

N_дz = C_z (C16 sinWt + C18 sin (Wt-y)), (62)

де N_дz - поперечне зусилля, діюче на двигунну установку, Н.

Якщо несуча конструкція двигунної установки вписується в розрахункову схему чотирьох консольно закріплених штанг, то ці силові елементи є під впливом складного вигину і повинні задовольняти слідуючій умові міцності:

, (63)

де - розрахункове напруження, Па; Wz, Wx - моменти опору вигину штанг у поздовжній та поперечній площинах відповідно, м3; - довжина штанги, м;- допустиме напруження, Па.

Основним джерелом коливань несучих систем металургійних платформ є нерівності доріг. Вимушені коливання характеризуються коефіцієнтом динамічності. Приймаючи розрахунковий , рівний 1.5, враховуючи наявність резонансних зон, для кожної власної частоти i є можливість отримати по два рівняння:

, (64)

де - межа швидкості руху в дорезонансній зоні, м/с.

, (65)

де - межа швидкості руху в зарезонансній зоні, м/с.

Після розв`язання рівнянь (64) та (65) отриманi слідуючі значення швидкостей:

; (66) . (67)

З виразів (66) та (67) слідує, що при , коеффіцієнт динамічності по відповідних узагальнених координатах не буде перевищувати 1.5. У даному разі отримано 7 власних частот несучої системи, і загальна умова для швидкості руху має слідуючий вигляд:

, (68)

де - найбільше значення швидкості з числа отриманих за формулою (67) при i=1,…, 7; - найменше значення швидкості з числа отриманих за формулою (66) при i=1,…, 7.

Рівняння (64) та (65) можуть бути використані для впливу на власні динамічні характеристики несучих систем металургійних платформ при розробці нових конструкцій, коли по відомих зовнішніх характеристиках руху належить визначити певні власні частоти.

Дослідження та обґрунтування параметрів несучих систем металургійних платформ-напівпричепів на пневмоколісному ходу

На прикладі автослябовоза МР-445 на базі тягача БілАЗ-548 розроблена математична модель формування зовнішніх навантажень на платформи-напівпричепи, отримані диференціальні рівняння збуреного руху платформ у формі рівняння Лагранжа другого роду для випадків пружної та жорсткої підвісок. Для середньостатистичних характеристик технологічних доріг металургійних заводів і характеристик режимів експлуатації отримані аналітичні вирази розрахункових навантажень, коефіцієнтів динамічності. Коефіцієнт динамічності для пружної підвіски в транспортному режимі при швидкості руху 30 км/год дорівнює 2,5, для жорстокої підвіски в транспортному режимі при швидкості руху 30 км/год дорівнює 3,2. Беручи до уваги отримані раніше залежності між коефіцієнтами динамічності, які визначають розрахункові навантаження, та металомісткістю конструкцій, робиться висновок про перевагу пружної підвіски для металургійних платформ-напівпичепів на прневмоколісному ходу.

Введений та розглянутий розрахунковий випадок, який пов'язаний з навантаженням пакета слябів клещатами. В основу визначення розрахункового навантаження покладені диференціальні рівняння коливань конструкції напівпричепа з пружною підвіскою, які отримані у формі рівняння Лагранжа другого роду.

Розв'язана задача вибору конструктивно-силових схем несучих систем платформ-напівпричепів, обґрунтування параметрів основних силових елементів поздовжньо-поперечного силового набору. Задача зводиться до розрахунку на міцність перехресних стрижневих систем з комбінованими опорами.

Несучі системи платформ-напівпричепів, призначених для транспортування слябів різних типорозмірів, нерівномірно включаються в роботу. Для виправлення цього становища рекомендується використання тимчасових силових елементів, котрі в залежності від розмірів та розкладки слябів мають різні параметри і певним чином встановлюються. Розв'язана задача вибору параметрів тимчасових поперечних балок для рівномірного включення в роботу всіх поздовжніх силових елементів несучих систем металургійних платформ при транспортуванні довгих слябів.

Пошук розрахункових схем монолітних несучих систем металургійних платформ на залізничному ходу

При визначенні параметрів монолітних несучих систем виникають складні проблеми розрахунку підкріплених плит, тому виникає необхідність вибору коректної схематизації, котра дозволяє перейти від підкріплених плит до більш простих розрахункових об'єктів. У цьому зв'язку проведений пошук розрахункових схем, найбільш суттєво описуючих монолітні несучі системи. Дослідження виконані на прикладі несучої системи типової металургійної платформи на залізничному ходу ПМ-180-5500/1520У вантажопідйомністю 180 тонн.

У числі апроксимуючих розрахункових схем прийняті слідуючі: 1) одномірна система типу двохопорної статично визначимої балки; 2) одномірна система типу двохопорної статично невизначимої балки; 3) плоско-просторова зовнішньо статично визначима система; 4) плоско-просторова зовнішньо статично невизначима система; 5) плоско-просторова система зі статично визначимою периферійною частиною; 6) плоско-просторова система з центральним силовим елементом типу статично визначимої двохопорної балки; 7) плоско-просторова система з центральним силовим елементом типу статично невизначимої двохопорної балки. Побудовані епюри згинаючих та крутячих моментів для 7 розрахункових схем, підраховані напруження у 12 характерних точках несучої системи.

Експериментальні дослідження металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу

На базі проведених автором теоретичних досліджень в Центральному проектно-конструкторському технологічному бюро транспорту металургії (ЦПКТБтрансмет, м. Маріуполь) розроблені, на заводі «Авторемгормаш» (м. Бєлгород) виготовлені дослідні зразки самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу - автослябовоз МР-445 на базі тягача БілАЗ-548 вантажопідйомністю 64 тонни та автослябовоз АСВ-70 вантажопідйомністю 70 тонн, котрі були випробувані з метою перевірки на адекватність деяких наукових положень, а також отримання висновків щодо їх експлуатаційної придатності. Експериментальні дослідження автослябовоза МР-445 були проведені на металургійному комбінаті «Азовсталь» (м. Маріуполь), автослябовоза АСВ-70 - на Західно-Сибірському металургійному комбінаті (м. Новокузнецьк).

В основу дослідження напружено-деформованого стану основних елементів поздовжньо-поперечного силового набору несучих систем металургійних платформ покладено тензометричний метод з залученням стандартної апаратури, пристосованої до живлення постійним струмом напругою 24В та 12В - осцилограф К-12-22 та підсилювач ТОПАЗ-3 відповідно. Для заміру напружень в елементах конструкцій використовуються тензорезистори типу 2ПКП-20-200Б з базою 20 мм і номінальним опором 200 Ом.

Для оцінки міцності несучої системи автослябовоза МР-445 проведені випробування дослідного зразка. Під час випробувань автослябовоз був завантажений на 125%, напруження у небезпечних перетинах приймали значення від 40МПа до 220МПа, що для сталі 10ХСНД, ГОСТ 5058-65, з котрої виготовлені основні силові елементи, задовольняє умову міцності.

Для перевірки міцності та оцінки практичної придатності автослябовоза АСВ-70 проведені випробування на міцність дослідного зразка. Отримані максимальні напруження (max=218 МПа; max=101 МПа) не перевищують допустимих значень для сталі 10ХСНД, ГОСТ 5058-65, з котрої виготовлені основні силові елементи несучої системи. Експлуатація дослідного зразка у технологічній лінії Західно-Сибірського металургійного комбінату продемонструвала працездатність та повну цільову придатність автослябовоза АСВ-70.

В основу визначення коефіцієнтів динамічності покладений однозначний зв'язок між напруженнями в конструкції та зовнішнім навантаженням. У згоді з таким уявленням коефіцієнта динамічності визначаються напруження в характерних перетинах несучої системи автослябовоза у статиці та в динаміці - при русі по нерівностях технологічних доріг. Розбіжність визначення коефіцієнтів динамічності по математичній моделі пружної підвіски не перевищує 8,2%, жорсткої підвіски - 26,3%.

При визначенні динаміки навантаження металургійних платформ на залізничному ходу напруження фіксувались у характерних точках несучої системи в умовах експлуатації навантаженої платформи. За результатами проведених замірів при визначенні розрахункових навантажень можна рекомендувати коефіцієнт динамічності Кд=1,3.

При перевірці на адекватність розрахункових схем монолітних несучих систем експериментальному дослідженню підлягала металургійна платформа, навантажена виливницями загальною масою 160 тонн; напруження фіксувались у відомих 12 точках несучої системи. Найбільш точно описують несучу систему четверта, п'ята та сьома розрахункові схеми, розходження не перевищує 14,9%. Для практичного використання можна рекомендувати п'яту розрахункову схему, яка має статично визначиму периферійну частину і тому більш просту.

В основу температурних замірів покладений термоелектронний принцип, котрий реалізовано застосуванням термоелектричних цифрових термометрів ТТЦ-1. Заміри температур настилу автослябовоза АСВ-70 проводились у 15 точках через півгодини після навантаження сляба 95001550250 при температурах його нижньої поверхні t1=4000C та 7000C, товщинах теплоізоляційного шару шлаку h=0,15 м, 0,10 м, 0,05 м у 15 точках. Середні значення температур tэ в трьох точках центральної зони настилу приймались за критерій оцінки на адекватність математичної моделі, розбіжність не перевищує 17.1%.

Заміри температур настилу платформи на залізничному ходу при транспортуванні виливниць проводились у чотирьох точках нижньої поверхні та в чотирьох точках верхньої поверхні настилу платформи під центрами піддонів з виливницями на протязі 6 годин через кожну годину. Доступ до верхньої поверхні має місце через просвердлений отвір. Заміри температур продемонстрували, що на протязі 6 годин нагрівання настилу максимальна температура не перевищує 219 оС, при котрій механічні характеристики сталі змінюються несуттєво, а перепад температур по висоті не перевищує 8оС, що практично свідчить про рівномірність нагріву настилу металургiйних платформ.

Пошук нових конструктивно-силових схем несучих систем металургійних платформ

На шляху стрижневої аппроксимації несучих систем розглянуті декілька варіантів конструкцій платформ. 1) Несуча система складається з центральної поздовжньої балки, котра спирається на підсилення у зоні п'ятникових вузлів, та двох периферійних поздовжнiх балок, формуючих зовнішній контур платформи. Периферійні балки спираються на попереч-но розташовані кінцеві силові елементи. 2) Несуча система складається з двох поздовжніх балок, розташованих таким чином, що центри мас піддонів з виливницями та центри мас поперечних перетинів балок знаходяться в одній вертикальній площині. Поздовжні балки спираються на шкворневі балки. 3) Несуча система складається з хребтової балки та кількох поперечних балок, розташованих з кроком, рівним поздовжньому габариту піддонів. 4) Несуча система має центральну частину, складену з двох рознесених балок, котрі спираються на підсилення у зоні п'ятникових вузлів. Периферійні зони мають по одній поздовжній балці, котрі спираються на поперечні кінцеві силові елементи.

Для кожної розрахункової схеми побудовані епюри згинаючих моментів, прийняті прямокутні поперечні перетини силових елементів. З умови міцності при вигині визначені параметри перетинів, підраховані маси розглянутих варіантів несучих систем:

; (69) ; (70)

; (71) , (72)

де mi - маса i-го типу несучої системи, кг; - густина матеріалу силових елементів, кг/м3; q - погонне навантаження, Н/м; - базовий розмір несучої системи, м; h - висота поперечних перетинів силових елементів, м; [] - допустиме напруження при вигині, Па.

Методичні основи проектування несучих систем металургійних платформ

В результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень розроблені методичні основи проектування несучих систем платформ, в тому числі методики, алгоритми, програми машинних розрахунків при проведенні проектувальних та перевірочних розрахунків на міцність традиційних та перспективних несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу. Розроблені автором методики проектування несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному и залізничному ходу прийняті в Державному спеціальному конструкторсько-технологічному бюро транспорту металургії (ДСКТБтрансмет), м. Маріуполь. Розрахунковий економічний ефект від впровадження цих методик у практику проектування складає 1,5 млн. карбованців у цінах 1992 року.

Висновки

В результаті теоретичних та експериментальних досліджень, проведених у дисертаційній роботі, одержано розв'язання актуальної наукової проблеми обґрунтування нових технічних рішень при проектуванні та створенні несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу, котрі враховують особливості компоновки, формування зовнішніх навантажень, напружено-деформованого стану основних силових елементів, що сприяє створенню раціональних конструкцій, зниженню металомісткості, підвищенню продуктивності; отримані наступні наукові та практичні результати:

1. Використання відкритих профілів та скорочення шляху передачі зусиль в дискретних несучих системах металургійних платформ знижує металомісткість конструкцій, раціональне проектування котрих пов`язане з однорідним навантаженням і розділом функцій силових елементів; на цій підставі вперше отримані кількісні залежності між типом профілів, кількістю елементів поздовжньо-поперечного силового набору та металомісткістю несучих систем, котрі демонструють можливість зниження металомісткості несучих конструкцій металургійних платформ у 2-3 рази при виборі відкритих профілів і зменшенні кількості поздовжніх силових елементів.

2. Розроблена математична модель формування зовнішніх навантажень на несучі системи самохідних металургійних платформ на пневмоколісному ходу при різних типах підвіски з урахуванням пружного підвішування двигуна з допоміжним устаткуванням, котра базується на характерних режимах руху та урахуванні кінематичних збурень; виведені диференціальні рівняння збуреного руху таких платформ, з котрих отримані математичні залежності між параметрами несучих систем, мікропрофілем дорожнього покриття та швидкістю руху, встановлено, що застосування пружної підвіски для платформ на пневмоколісному ходу дозволяє зменшити металомісткість несучих конструкцій у 2-3 рази.

3. При виборі параметрів стабілізаторів поперечної стійкості металургійних платформ з пружною підвіскою є рація виходити з розглядання кутових коливань конструкцій у поперечній вертикальній площині, тому вперше розроблена математична модель включення стабілізатора в динамічну систему для визначення параметрів як стабілізаторів поперечної стійкості, так і конструкцій платформ в цілому.

4. Монолітна несуча система металургійних платформ з поздовжньо-поперечними ребрами жорсткості по несучій здатності еквівалентна плоско-просторовим рамним системам, що покладено в основу вперше розглянутих теорії та алгоритму розрахунку на міцність підкріплених плит монолітних несучих систем металургійних платформ; виконаний пошук і знайдені розрахункові схеми плоско-просторових рам, найбільш повно ідентифікуючих роботу підкріплених плит несучих систем металургійних платформ на залізничному ходу.

5. Визначення температури по товщині теплоізоляції металургійних платформ приводиться до задачі про одностороннє нагрівання необмеженої пластини при крайових умовах першого роду; у згоді з таким уявленням розроблена математична модель теплофізичного процесу, який відбувається в шарі теплоізоляції настилу металургійних платформ при транспортуванні слябів та виливниць, котра дозволяє чисельними методами визначати температуру настилу та параметри теплоізоляції.

6. Проведені теоретичні та експериментальні дослідження дозволяють рекомендувати стрижневу апроксимацію монолітних несучих систем металургійних платформ на залізничному ходу, коли суцільний настил, підкріплений поздовжніми та поперечними ребрами жорсткості, замінюється на плоско-просторові рамні системи; несуча система при такому підході містить у собі певну кількість поздовжніх та поперечних силових елементів, раціональне розміщення котрих обумовлює зниження металомісткості та підвищення несучої здатності конструкцій.

7. Розроблені методичні основи проектування дискретних та монолітних несучих систем металургійних платформ на пневмоколісному та залізничному ходу забезпечують створення раціональних за металомісткістю конструкцій, досить універсальні, використані при виборі несучих систем, розробці конструкцій, проектуванні, виготовленні та дослідженнях понад 30 металургійних транспортних машин на пневмоколісному та залізничному ходу, що підтверджується відповідними актами впровадження.

Основний зміст дисертації опубліковано у наступних наукових працях автора

1. Бейгул О.А. Динамика и прочность самоходных платформ на пневмоколесном ходу. - К.: Институт содержания и методов обучения МОУкраины, 1996.-138 с.

2. Бейгул О.А. Несущая способность и расчеты на прочность металлургических платформ. - К.: Институт содержания и методов обучения МОУкраины, 1997. - 135 с.

3. Бейгул О.А. Основы проектирования и расчеты на прочность металлургических платформ. - К.: Институт содержания и методов обучения МОУкраины, 1997. - 277 с.

Статті

1. Бейгул О.А. О новом методе проектирования несущих конструкций металлургических платформ // Металлургическая и горнорудная промышленность. - Днепропетровск. - 1998. - №3 (188). - С. 95-97.

2. Бейгул О.А. Связь металлоемкости несущих конструкций грузовых платформ с динамикой нагружения // Исследование динамики и оптимизация параметров технологических процессов в машиностроении: Межвуз.науч.-техн. сб. «Системные технологии». - Днепропетровск: ГНПП «Системные технологии». - 1998. - Вып.2. - С. 97-99.

3. Бейгул О.А. Частотный аспект нагружения несущих систем платформ // Исследование динамики и оптимизация параметров технологических процессов в машиностроении: Межвуз.науч.-техн. сб. «Системные технологии». - Днепропетровск: ГНПП «Системные технологии». - 1998. - Вып.2. - С. 99-101.

...