Исследование сварных конструкций корпусных деталей станков

Внедрение: 2010 г.

В статье специалистов МГТУ «МАМИ» в качестве основного метода для определения статических и динамических показателей качества базовых корпусных сварных конструкций металлорежущих станков рассматривался метод конечных суперэлементов (МКСЭ).

Для проверки адекватности разработанной методики были изготовлены сварные образцы-модули и аналогичные образцы без сварных швов. В данных образцах использовались сварные швы, которые чаще всего присутствуют в сварных базовых корпусных деталях металлорежущих станков. На рисунке 1 приведены экспериментальные образцы-модули.

Рисунок 1. Сварные и цельнометаллические модули-образцы.

На рисунке 2 представлены стенды для исследования деформации и собственных частот образцов. Измерение деформации образцов производилось с помощью динамометра. Для измерения собственных колебаний образцов применялась виброизмерительная система, состоящая из модуля АЦП E14‑440, усилителя LP‑03, вибропреобразователя AP97. Возбуждение исследуемого объекта выполнялось с помощью ударного молотка модели AU01.

Рисунок 2. Стенды для исследования модулей-образцов.

В соответствии с принятой методикой исследований, выполнено изучение перемещений от нагрузки для образцов-модулей со стыковым сварным швом и цельнометаллических образцов. Результаты приведены на рисунке 3.
 

Рисунок 3. Перемещения, возникающие в образце без сварного шва и со стыковым сварным швом под нагрузкой в 1500 Н.

Исследование частоты собственных колебаний и обработка данных для модулей-образцов выполнено по аналогии с рассмотренной ранее схемой. Виброграмма и спектр собственных частот, возникающих в образце со стыковым сварным швом в плоскости Х, представлены на рисунке 4. Результаты исследований представлены на рисунке 5.

Рисунок 4. Виброграмма и спектр собственных частот, возникающих в образце со стыковым сварным швом в плоскости Х.

Рисунок 5. Перемещения, возникающие в образцах без сварного шва и со стыковым сварным швом, на первой частоте собственных колебаний.

В качестве объекта исследований был выбран корпус, на котором установлены две вертикальные стойки, которые служат для базирования силовых столов с закрепленными на них шпиндельными бабками. При сварке корпуса использовались только тавровые и нахлестовые сварные швы. Для определения деформированного состояния корпуса был использован МКСЭ. Нагрузка прикладывалась к верхним платикам и составляла 20 кН. На рисунке 6 показана диаграмма значения полных перемещений, возникающих в корпусе.

Рисунок 6. Перемещения, возникающие в корпусе от действия приложенных сил.

На основании результатов выполненных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Статистический анализ данных моделирования и опытных данных показал адекватность применяемого метода расчета реальным процессам в модулях-образцах.
2. Применение метода конечных элементов в форме метода суперэлементов для расчета сварных базовых конструкций металлорежущих станков является мощным средством обеспечения максимальной точности решения сложных задач при минимальных затратах ресурсов вычислительной техники.
3. При моделировании технологической системы со сварными корпусными деталями нецелесообразно их аппроксимировать конструкциями без сварных швов, так как это приводит к существенным ошибкам.

Работа выполнена в рамках проведения НИР при реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009‑2013 гг.
 

Источник:
Михайлов В.А., Порхунов С.Г. К вопросу об особенностях проектирования и моделирования сварных конструкций корпусных деталей станков // Известия МГТУ «МАМИ». – Москва. – 2010. – № 1(9). – С. 126‑132.

Разработчик: Михайлов В.А., Порхунов С.Г. (Московский государственный машиностроительный университет «МАМИ»)