Opracowanie konstrukcji stalowej naczepy wywrotki typu
Transkrypt
Opracowanie konstrukcji stalowej naczepy wywrotki typu
Konstrukcje | Motoryzacja ARTYKUŁ SPONSOROWANY Opracowanie konstrukcji stalowej naczepy wywrotki typu half pipe przeznaczonej do pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych Rosnące wymagania i potrzeby klientów przyczyniają się do wprowadzania na rynek coraz to nowych produktów. Nie inaczej wygląda sytuacja w przemyśle motoryzacyjnym. W budowie naczep występuje tendencja do tworzenia coraz lżejszych wyrobów, przy zachowaniu wymaganej nośności i wytrzymałości. Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat masa własna naczep znacząco się zmniejszyła. Jest to głównie zasługą kreatywności inżynierów projektujących nowe rozwiązania konstrukcyjne, w których głównymi kryteriami optymalizacyjnymi są: masa oraz stosowanie nowoczesnych materiałów o wyższych parametrach wytrzymałościowych. Od pewnego czasu na rynku pojawiła się potrzeba stworzenia naczepy wywrotki o podwyższonej wytrzymałości, mogącej pracować w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Opracowana konstrukcja wywrotki stalowej stanowi odpowiedź firmy Wielton na to wymaganie. Maciej Kaczor, Piotr Wysota P odczas opracowywania nowych produktów można wyróżnić szereg etapów, począwszy od analizy rynku i badań potrzeb klientów, poprzez projektowanie, obliczenia metodą elementów skończonych (MES), aż do budowy prototypu i przeprowadzania badań rzeczywistych obiektów. Poniżej zamieszczono skrótowy opis tych etapów. a Od koncepcji do projektu Początkowym etapem procesu projektowania jest określenie wymagań, które musi spełniać produkt. W oparciu o nie określa się wytyczne, którymi należy się kierować projektując wyrób. W przypadku konstrukcji nośnej chodziło b Rys. 1 Wyniki dla ramy – rozkłady naprężeń redukowanych wg hipotezy Hubera [MPa] podczas: a) jazdy, b) początku podnoszenia skrzyni ładunkowej 30 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl | Konstrukcje Motoryzacja ARTYKUŁ SPONSOROWANY Rys. 2 Wynki dla skrzyni ładunkowej – rozkłady naprężeń redukowanych wg hipotezy Hubera [MPa] podczas: a) jazdy, b) rozładunku a Symulacje numeryczne b o znaczące zwiększenie wytrzymałości, tak aby mogła przenieść obciążenie od pojazdu, którego dopuszczalna masa całkowita wynosiła 51 ton (18 ton na siodło i po 11 ton na każdą oś). Należało również opracować takie rozwiązanie, aby można było bez przeszkód zamontować elementy układu hydraulicznego, pneumatycznego, elektrycznego oraz podzespoły wyposażenia. Innym ważnym etapem podczas projektowania było opracowanie rozwiązania skrzyni ładunkowej. Zdecydowano się na skrzynię typu HP – half pipe (ang. połowa rury) o przekroju zwiększającym się ku tuło- a wi – kształt typu konisch (niem. stożkowy). Jednocześnie projektowano i dobierano pozostałe elementy wyposażenia naczepy: układ zawieszenia, ogumienie, układ hamulcowy, siłownik hydrauliczny, układ oświetlenia, kosze kół zapasowych, podest, b skrzynka narzędziowa, zderzak itp. Po opracowaniu wstępnej postaci projektowej naczepy przeprowadzano analizy wytrzymałościowe oraz wyznaczano naciski na osie i siodło. W tym celu posłużono się kilkoma programami do obliczeń wytrzymałościowych. Na podstawie wyników uzyskiwanych z obliczeń modyfikowano projekt naczepy, tak aby wyeliminować miejsca potencjalnie zagrożone uszkodzeniem. Przed każdymi zmianami analizowano wyrób pod kątem technologicznym. Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono przykładowe rezultaty obliczeń. Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl Rys. 3 Rysunki złożeniowe: a) całej naczepy, b) podwozia 31 Konstrukcje | Motoryzacja ARTYKUŁ SPONSOROWANY Rys. 4 Wykonana naczepa wywrotka Końcową fazą tego etapu była budowa naczepy. Wykonaną wywrotkę przedstawiono na rysunku 4. Testowanie prototypu Następnie przystąpiono do badań wykonanej naczepy. Pierwszy etap to badania weryfikacyjne. Zostały one przeprowadzane na terenie zakładu i miały na celu sprawdzenie poprawności działania poszczególnych podzespołów oraz systemów. Po pozytywnym przejściu tego etapu nastąpiły testy właściwe – badania walidacyjne produktu. Te badania przeprowadzono w terenie, w skrajnie niekorzystnych warunkach pracy: Rys. 6 Przebieg zmienności naprężeń podczas rozładunku Postać konstrukcyjna Gdy model doprowadzono do postaci, w której nie występowały skupiska naprężeń ani odkształceń – nie było miejsc potencjalnie niebezpiecznych – przystąpiono do opracowywania dokumentacji technicznej do procesu wytwarzania oraz technologii produkcji. Na rysunku 3 przedstawiono wybrane rysunki z dokumentacji technicznej wywrotki. Ramę oraz większość podzespołów wykonano ze stali S700 (granica platyczności R0.2 = 700 MPa), a skrzynię ładunkową ze stali HB 450 (R0.2 = 950 MPa). Rys. 5 Tensometry zamontowane na naczepie: a) T1, b)T8, c) 13 32 Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl Rys. 7 Przebieg zmienności naprężeń przy przejeździe przez duże nierówności | Konstrukcje Motoryzacja ARTYKUŁ SPONSOROWANY Tab. 1 Naprężenia maksymalne uzyskane z pomiarów tensometrycznych oraz analiz MES Naprężenie maksymalne Miejsce pomiaru Tensometria MES T1 79,80 78,20 2,00 T2 103,90 106,20 2,21 T5 115,50 112,30 2,77 T7 88,90 90,40 1,69 T10 96,20 98,70 2,60 T14 113,80 116,20 2,11 T16 112,80 115,10 2,04 Różnica [%] w sytuacjach niebezpiecznych, przy znacznym przeciążeniu wywrotki. Podczas badań zastosowano czujniki tensometryczne do pomiaru stanu naprężeń i odkształceń w warunkach dużego przeciążenia naczepy. Na podstawie wyników analiz MES dobrano liczbę oraz lokalizację punktów pomiarowych. Przykłady zamontowanych tensometrów przedstawiono na rysunku 5. Badania przeprowadzono dla kilku wariantów obciążeniowych. W każdym przypadku mierzono wielkości podczas załadunku, różnych wariantów jazdy oraz rozładunku. W rezultacie otrzymano rozkłady naprężeń oraz odkształceń dla poszczególnych etapów badania. Przykładowe wyniki badań przedstawiono na rysunkach 6 i 7. W tabeli 1 podano wybrane wielkości zmierzone czujnikami tensometrycznymi oraz wyznaczone w symulacjach wytrzymałościowych (wyznaczając różnicę jako wielkość bazową przyjęto naprężenie pozyskane z tensometrii). Biorąc pod uwagę fakt, że naczepę wykonano z materiałów o wysokich własnościach wytrzymałościowych (R0.2 = 700 MPa oraz R0.2 = 950 MPa), występujące naprężenia są niewielkich wartości zatem nie zachodzi niebezpieczeństwo odkształceń trwałych ani tym bardziej uszkodzenia produktu. Podczas jazdy nawet po dużych nierównościach drgania nie były przenoszone na ramę. Na podstawie wyników analiz wytrzymałościowych oraz rezultatów badań testowych można stwierdzić, że naczepa może być bez przeszkód stosowana zgodnie ze swoim przeznaczeniem. W trakcie badań nie wykryto żadnych nieprawidłowości. Ponadto warto zwrócić uwagę na fakt, że w obu przypadkach (tensometry i MES) naprężenia wyszły zbliżone (różnice są poniżej 3%) co dowodzi poprawności przeprowadzonych obliczeń. Podsumowanie Celem opracowania nowej naczepy wywrotki było stworzenie uniwersalnego wyrobu, który z jednej strony połączy funkcjonalność i użytkowość wywrotek standardowych, a jednocześnie zapewni większą wytrzymałość, stabilność oraz możliwość pracy w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Dzięki współpracy specjalistów z wielu dziedzin stworzono produkt, który stanowi ciekawe rozwiązanie konstrukcyjne i może stanowić uzupełnienie oferty o ten typ wyrobów na rynku. Rys. 8 Jazda po dużych nierównościach Maciej Kaczor, Dyrektor Działu Badań i Rozwoju Piotr Wysota Specjalista ds. obliczeń wytrzymałościowych WIELTON S.A. Literatura Prochowski L., Żuchowski A.: Samochody ciężarowe i autobusy. WKiŁ, Warszawa 2011. E. Rusiński: Zasady projektowania konstrukcji nośnych pojazdów samochodowych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2002. SSAB Documentation, Guaranteed tensile properties of Hardox, 2012. VDI 2700: Securing of loads on road vehicles. Projektowanie i Konstrukcje Inżynierskie | listopad 2013 | www.konstrukcjeinzynierskie.pl 33