7 - 2009

Методика геометрического моделирования, анализа напряженно-деформированного состояния и автоматизированного контроля корпусных деталей подвижного железнодорожного состава

А.М. Горленко, Ф.В. Медведев, И.В. Колмогорцев

Наиболее ответственными и сложными деталями грузового подвижного железнодорожного состава (ГПЖДС) являются «Рама боковая» и «Балка надрессорная». Эти крупногабаритные детали — основные элементы несущей конструкции железнодорожного состава. Геометрия деталей главным образом состоит из поверхностей второго порядка, а их сложная конструкция позволяет в составе полного изделия выдерживать высокие статические и динамические нагрузки. Данные корпусные детали получают гравитационным литьем в земляные формы с последующей механической обработкой контактных поверхностей резанием. Открытое акционерное общество «ПО Усольмаш» (г.Усолье-Сибирское Иркутской области) в 2005 году организовало опытное производство вышеуказанных деталей с перспективой сертификации и дальнейшего серийного выпуска продукции под собственной торговой маркой (рис. 1).

Рис. 1. Опытное производство корпусных деталей ГПЖДС на ОАО «ПО Усольмаш»: а — отливка детали «Балка надрессорная»; б — отливка детали «Рама боковая»

 

Рис. 1. Опытное производство корпусных деталей ГПЖДС на ОАО «ПО Усольмаш»: а — отливка детали «Балка надрессорная»; б — отливка детали «Рама боковая»

Рис. 1. Опытное производство корпусных деталей ГПЖДС на ОАО «ПО Усольмаш»: а — отливка детали «Балка надрессорная»; б — отливка детали «Рама боковая»

Изготовление литьевых форм на ОАО «ПО Усольмаш» было организовано по традиционной методике, включающей изготовление деревянных мастер-моделей шаблонно-плазовым методом вручную по двумерным чертежам. Главный недостаток такой технологии — низкая точность воспроизводства геометрии деталей повышенной сложности и, как следствие, большие отклонения размеров и формы профиля от исходного теоретического контура. Другой недостаток технологии — низкая производительность, а также невозможность создания двух и более одинаковых деревянных моделей или ее зеркальных элементов. Наряду с этим геометрический контроль готовых отливок первоначально выполняли традиционными измерительными инструментами на основе разрушающей технологии, что отрицательно сказывалось на точности измерений, производительности труда и рентабельности производства.

С целью разработки рекомендаций по совершенствованию технологии изготовления вышеуказанных деталей производственное объединение «Усольмаш» обратилось с заказом на выполнение научно-исследовательской работы в Иркутский государственный технический университет, обладающий 15-летним опытом работы в области автоматизации конструкторско-технологических работ, процессов и производств. Работа была выполнена с участием фирмы «Делкам-Иркутск», регионального офиса компании Delcam plc (Великобритания) — мирового лидера в области разработки CAD/CAM/CAI-систем и технологий.

В кратчайшие сроки был выполнен комплекс работ по автоматизированному проектированию, конечно-элементному анализу и автоматизированному контролю деталей «Рама боковая» (100.00.002-4) и «Балка надрессорная» (100.00.001-5) ГПЖДС с помощью специализированных программных комплексов и технологического оборудования.

Состав научно-исследовательской работы включал три основных этапа:

  • геометрическое моделирование корпусных деталей на базе CAD-системы Autodesk Inventor Series;
  • проверку точности изготовления отливок по отношению к их номинальной геометрии на базе специализированного программного обеспечения PowerINSPECT (разработка компании Delcam plc) и координатно-измерительной руки Romer;
  • конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния корпусных деталей на усталостную прочность и статическое нагружение на базе CAE-системы ANSYS.

На первом этапе НИР по чертежам заказчика были построены трехмерные твердотельные геометрические модели деталей «Рама боковая» (100.00.002-4) и «Балка надрессорная» (100.00.001-5) с использованием системы автоматизированного проектирования Autodesk Inventor (рис. 2). Модели деталей, характеризующиеся повышенной геометрической сложностью, были созданы с учетом требований CAE-систем для проведения дальнейшего инженерного анализа. Ввиду геометрической сложности изделия некоторые сопряжения поверхностей выполнены на основании аппроксимации базовых поверхностей. Полученные 3D-модели предназначены для конструктивных доработок, технологической подготовки производства и проектирования оснастки.

Рис. 2. Результаты первого этапа НИР: а — исходные чертежи деталей; б — CAD-модель детали «Рама» (100.00.002-4); в — CAD-модель детали «Балка» (100.00.001-5)

Рис. 2. Результаты первого этапа НИР: а — исходные чертежи деталей; б — CAD-модель детали «Рама» (100.00.002-4); в — CAD-модель детали «Балка» (100.00.001-5)

В рамках второго этапа НИР была разработана методика натурных измерений отливок деталей «Рама» и «Балка» с помощью системы автоматизированного контроля PowerINSPECT и координатно-измерительной руки Romer. На данном этапе НИР применялось два способа неразрушающего контроля корпусных деталей для определения отклонений размеров и формы профиля отливок по отношению к их номинальной геометрии.

Первый способ измерений, так называемый ручной контроль, ориентирован на проверку геометрии изделий в соответствии с исходной конструкторской документацией. В основу метода положен автоматический расчет контролируемых размеров элементарной геометрии (точек, дуг, плоскостей, цилиндров и др.), построенной на основе обмера отливки с помощью КИМ и системы PowerINSPECT. В этом случае наличие математической модели необязательно, геометрия снимается с обмеряемой детали. Также система PowerINSPECT позволяет определить отклонения формы профиля конструктивных элементов деталей (отклонение от плоскостности, округлости, цилиндричности и т.п.) и отклонения их взаимного расположения (перпендикулярность, соосность, параллельность и пр.).

В ходе работы была разработана и апробирована методика проверки размеров, включенных в аттестаты контролируемых размеров отливок деталей ОАО ПО «Усольмаш». С помощью исходных чертежей определены последовательности замеров контрольных точек на отливках деталей для формирования требуемых размерных цепей измерений, определены и построены необходимые вспомогательные элементы (рис. 3).

Рис. 3. Проведение измерений по второму этапу НИР

 

Рис. 3. Проведение измерений по второму этапу НИР

 

Рис. 3. Проведение измерений по второму этапу НИР

 

Рис. 3. Проведение измерений по второму этапу НИР

Рис. 3. Проведение измерений по второму этапу НИР: а — стенд измерений на базе системы автоматизированного контроля PowerlNSPECT и координатно-измерителъной руки Romer; б, в, г — построение вспомогательных объектов для расчета размерных цепей по аттестатам «Усольмаш»

Второй способ геометрического контроля ориентирован на автоматизированную проверку отклонений общего обвода контура наружных поверхностей деталей по отношению к номинальным CAD-моделям. Контроль производится путем автоматического совмещения и сравнения массивов точек, заданных с помощью КИМ, с номинальными CAD-моделями, построенными по чертежам заказчика в рамках первого этапа НИР. Протоколы измерений деталей, представленные на рис. 4, генерируются системой PowerINSPECT в табличной и графической форме. На основании этих данных легко получить график отклонений контролируемых точек на поверхности детали по отношению к заданному полю допуска.

Рис. 4. Определение отклонений точек наружного обвода контура деталей с использованием системы PowerlNSPECT: а — протокол измерений в табличной форме; б — протокол измерений в графической форме

 

Рис. 4. Определение отклонений точек наружного обвода контура деталей с использованием системы PowerlNSPECT: а — протокол измерений в табличной форме; б — протокол измерений в графической форме

Рис. 4. Определение отклонений точек наружного обвода контура деталей с использованием системы PowerlNSPECT: а — протокол измерений в табличной форме; б — протокол измерений в графической форме

Контроль размеров, превышающих максимально допустимые пределы измеряемой сферы КИМ, выполнили путем поэтапного перебазирования. При этом для системы координат КИМ, перемещаемой в новое положение, установлена привязка к базовой системе координат. Теоретически это позволяет производить измерения в одной координатной системе любых длинномерных конструкций.

Учитывая конструктивные особенности используемого координатно-измерительного оборудования, главным недостатком предложенной методики является затрудненный контроль внутренних полостей деталей. Однако это ограничение было согласовано с заказчиком и не повлияло на результаты исследования. Результаты второго этапа НИР оказались полезными для дальнейшей сертификации продукции заказчика и внедрения новой технологии неразрушающего геометрического контроля.

В рамках третьего этапа НИР с использованием CAE-системы ANSYS была разработана методика конечно-элементного инженерного анализа деталей в условиях статического и динамического нагружения. В качестве исходных данных для проведения инженерного анализа напряженно-деформированного состояния и усталостной прочности использовались:

  • геометрические модели, созданные средствами Autodesk Inventor;
  • методики проведения стендовых испытаний натурных литых надрессорных балок и боковых рам тележек грузовых вагонов, применяемые «Уралвагон»:

- статические испытания на прочность,

- испытания на усталость;

  • механические характеристики материала деталей — стали 20ГЛ:

- модуль упругости 200 ГПа,

- коэффициент Пуассона 0,3,

- предел текучести 274 МПа,

- предел прочности 451 МПа;

  • усредненная усталостная характеристика для сталей.

При автоматизированном моделировании статического испытания на прочность согласно методикам «Уралвагон» и анализе результатов (рис. 5) было установлено, что:

Рис. 5. Результаты конечно-элементного анализа деталей на статическое нагружение (распределение эквивалентных напряжений)

 

Рис. 5. Результаты конечно-элементного анализа деталей на статическое нагружение (распределение эквивалентных напряжений)

Рис. 5. Результаты конечно-элементного анализа деталей на статическое нагружение (распределение эквивалентных напряжений)

  • напряжения в телах деталей не превышают предела прочности материала и приближаются к пределу текучести материала в нескольких локальных областях — концентраторах напряжений (сопряжения ребер жесткости с поверхностями). Данные области выделены на расчетной модели красным цветом;
  • напряжение в более чем 90% объема деталей не превышает 160-170 МПа, что значительно меньше предела текучести материала.

При выполнении моделирования испытания на усталостную прочность деталей (рис. 6) в соответствии с методиками «Уралвагон» было установлено, что:

  • в теле боковой рамы имеется несколько областей вероятного разрушения:

- переход от меньшего радиусного перехода между наклонной и верхней гранями окна рамы к верхней грани окна;

- области концентрации напряжений, выявленные при анализе напряженно-деформированного состояния при моделировании статических испытаний;

  • разрушение боковой рамы начинается после 3480 циклов нагружения-разгружения;
  • разрушение надрессорной балки начинается после 2150 циклов нагружения-разгружения.

Рис. 6. Результаты конечно-элементного анализа деталей на усталостную прочность (распределение коэффициента запаса прочности)

 

Рис. 6. Результаты конечно-элементного анализа деталей на усталостную прочность (распределение коэффициента запаса прочности)

Рис. 6. Результаты конечно-элементного анализа деталей на усталостную прочность (распределение коэффициента запаса прочности)

При этом следует отметить, что методика испытаний «Уралвагон» разработана с учетом коэффициента запаса прочности деталей, равного 1,5. Результаты инженерного анализа, проведенные в рамках текущего исследования, показали фактическое увеличение запаса прочности деталей по сравнению с вышеуказанным показателем в 1,2-1,3 раза. Таким образом, номинальная конструкция деталей полностью удовлетворяет прочностным требованиям.

Разработанная методика CAE-анализа позволяет свести к минимуму натурные испытания изготовленных деталей. На основании созданных расчетных моделей можно производить оптимизацию прочностных, весовых и геометрических показателей, исходя из заданных критериев и требуемых технических характеристик.

Дополнительно по заказу ОАО «ПО Усольмаш» специалистами ИрГТУ подготовлены рекомендации по комплексной автоматизации предприятия, в том числе внедрению технологии автоматизированного изготовления технологической оснастки на фрезерных станках с ЧПУ и моделированию процессов литья, что позволит существенно повысить производительность и качество выпускаемой продукции.

САПР и графика 7`2009