Upload
others
View
14
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
OPTIMIZAREA CONSTRUCTIVĂ A SUPORTULUI MOTOARELOR
HIDROSTATICE UTILIZATE PENTRU DEPLASAREA CU VITEZE
REDUSE A AUTOVEHICULELOR MULTIFUNCȚIONALE
CONSTRUCTIVE OPTIMIZATION OF THE HYDROSTATIC ENGINE SUPPORT
USED FOR LOW-SPEED DRIVING OF MULTIFUNCTIONAL MOTOR
VEHICLES.
Polifron - Alexandru Chiriță, drd. ing. Liliana Dumitrescu, drd. ing.
Cătălin Dumitrescu, dr. ing. Corneliu Cristescu, dr. ing.
Ștefan Mihai - Șefu, ing.
Institutul de Cercetare pentru Hidraulică și Pneumatică - INOE2000
E-mail: [email protected]
Rezumat: Optimizarea topologică structurală (OTS), denumită pe scurt optimizare topologică, este o metodă
relativ nouă de optimizare a structurilor ce are ca scop maximizarea performanței unei structuri sau a unei
componente structurale. În cele ce urmează, se prezintă rezultatele unui studiu ce se folosește de metoda
amintită mai sus, pentru a optimiza parametrii structurii metalice a suportului unui motor hidrostatic. Aceasta
este motivată de resursele limitate, impactul asupra mediului și de concurența tehnologică, care cere structuri
ușoare, ieftine și de înaltă performanță. Proiectarea optimală a structurilor are ca scop realizarea unor
construcții la prețuri mici și consum mic de materiale, respectând cerințele de siguranță, funcționalitate și
exploatare.
Cuvinte cheie: optimizare topologică, structură metalică, autovehicule multifuncționale.
Abstract: Structural Topology Optimization (OTS), shortly referred to as Topology Optimization, is a relatively
new method of optimizing structures that aims to maximize the performance of a structure or structural
component. In the following, we present the results of a study using the above mentioned method to optimize the
parameters of the metal structure of a hydrostatic engine support. This is motivated by limited resources,
environmental impact and technological competition, which require light, cheap and high-performance
structures. Optimal design of structures aims to achieve some structures at low prices and low consumption of
materials complying to the requirements on safety, functionality and operation.
Keywords: topology optimization, metallic structure, multifunctional motor vehicles.
1. INTRODUCERE
Autovehiculele multifuncționale sunt camioane pe care se implementează echipamente
tehnologice, cu care se realizează lucrări, în general legate de drumuri, cum ar fi: îndepărtarea
zăpezii de pe carosabil, împrăștierea materialelor anti-alunecare, măturarea și stropirea
străzilor, cosirea acostamentului drumurilor sau tăierea arborilor etc. Aceste echipamente sunt
prezentate în figura 1.
Figura 1. Autovehicule multifuncționale dotate cu diverse echipamente tehnologice [1]
Aceste autovehicule au două moduri de deplasare: rapid și lent. În modul de mișcare rapidă,
vehiculele se deplasează la viteză mare pe șosea de la o locație la alta iar cuplul pe roțile
motoare este mic și viteza este ridicată.
În modul de deplasarea lentă, autovehiculul se deplasează cu o viteză mică (maxim 5 km / h)
impusă de echipamentul tehnologic. Cuplul motorului este ridicat și viteza este scăzută. În
acest sens, o cerere a venit de la o societate ce comercializează utilaje de întreținere a
drumurilor, pentru o transmisie specială ce permite viteze reduse în timpul operațiunilor de
lucru și un sistem hidraulic de alimentare cu energie pentru echipamente tehnologice eficiente
din punct de vedere energetic. Produsul este dezvoltat ca parte a unui proiect de cercetare
între o companie și INOE2000-IHP.
2. CONTEXTUL TEHNIC
În figura 2 este prezentată soluția tehnică de integrare a motorului hidrostatic în transmisia
mecanică, se poate observa ca motorul hidrostatic conectează cutia de viteze la diferențial, cu
ajutorul a două transmisii cardanice ce sunt prezentate in figura 4.
Figura 2. Poziționarea motorului hidrostatic [2]
Figura 3. Motorul hidrostatic CDM-222 [2]
Motorul hidrostatic, prezentat în figura 3, cu masa de 120 kg, are capacitatea de 1000 cm3/rot,
ceea ce îi permite să dezvolte un cuplu de 6684 N*m la presiunea maximă de 420 bar.
Figura 4. Articulațiile cardanice
Motorul hidrostatic este montat incastrat pe suportul metalic, cu 4 șuruburi M20, acesta se
conectează la șasiul autocamionului cu ajutorul a două rânduri de câte patru șuruburi pe
fiecare parte, in total 16 șuruburi M12.
Figura 5. Suportul motorului hidrostatic
Suportul motorului este realizat prin sudură, din oțelul S235, pentru structuri metalice cu limita
minimă la curgere de 235 MPa. Tabla are grosimea de 20 mm, întăriturile au grosimea de 10 mm iar
masa suportului este de 72 kg.
3. ANALIZA TOPOLOGICĂ A SUPORTULUI MOTORULUI HIDROSTATIC ÎN
VEDEREA OPTIMIZĂRII CONSTRUCTIVE
Discutând despre un utilaj mobil, masa este un factor important, fiind de preferat ca aceasta
să fie cât mai mică. Masele tuturor componentelor suplimentare, se adaugă la masa inițială a
camionului, micșorând capacitatea de transport a acestuia.
Pentru transformarea într-un autovehicul multifuncțional, pe acesta se montează motorul si
pompa hidrostatică, împreună cu accesoriile transmisiei în circuit închis, precum și o pompă
cu Load Sensing de capacitate mare, ce face parte din instalația hidraulică de alimentare a
echipamentelor din dotarea utilajului. Toate componentele amintite mai sus, au nevoie de
accesorii de montaj si unele dintre ele au nevoie și de suport. Una dintre masele
componentelor ce se mai pot modifica, este masa suportului motorului hidrostatic, ce este
supradimensionat, dorindu-se reducerea masei acestuia la jumătate.
Pentru realizarea acestei analize s-a realizat modelul 3D al suportului.
Figura 6. Modelul 3D al suportului cu masa de 72 de kg
Figura 7. Discretizarea modelului 3D
Figura 8. Aplicarea solicitărilor
Figura 9. Rezultatele analizei cu element finit
Din analiza cu element finit, prezentată în figura 9, reiese că solicitarea maximă la care este
supus suportul motorului hidrostatic, este de 22 MPa, iar valoarea maximă a deformației este
de 0,034 mm; în condițiile în care oțelul S235 ar suporta solicitări de până la 235 MPa fără a
se deforma plastic.
În urma analizei se poate concluziona ca structura metalică este supradimensionată, iar pentru
redimensionarea sa, este utilă o analiză topologică care va pune în evidență porțiunile de
material nesolicitate mecanic.
Pentru analiza topologică au fost păstrate condițiile de la analiza cu element finit, adăugându-
se o condiție de conservare a suprafețelor ce intră în contact cu motorul hidrostatic și șasiul
camionului, precum și cerința de a optimiza masa fără a avea deformații mai mari de 0.1 mm.
Figura 10. Suprafețele conservate
Figura 11. Rezultatul analizei topologice
Din analiza topologică, prezentată în figura 11, reies următoarele:
• Masa de material se poate reduce de la 72 până la 20 de kg, în condiții de siguranță;
• Deformația maximă este de doar 0,109 mm;
• Aproximativ 20% din volumul întăriturilor este nesolicitat mecanic;
• Se poate renunța la rândurile superioare de șuruburi ce leagă suportul de șasiul
camionului.
Ținând cont de concluziile analizei cu element finit și topologice, prezentate anterior,
suportul motorului a fost redimensionat, operându-se următoarele modificări:
• S-a redus grosimea tablei de la 20 la 10 mm;
• Forma și dimensiunile nervurilor au fost modificate;
• S-a redus numărul de șuruburi de prindere pe șasiu de la 16 la 12;
• O parte din materialul ce nu prelua încărcări a fost eliminat.
Figura 12. Modelul 3D al suportului redimensionat cu masa de 32 de kg
Figura 13. Discretizarea modelului 3D
Figura 14. Rezultatele analizei cu element finit
În urma analizei cu element finit, prezentată în figura 14, a noului suport al motorului hidrostatic,
putem observa următoarele:
• Coeficientul de siguranță luat în calcul pentru proiectarea suportului este 3, acesta fiind
confecționat din oțelul S235.
• Solicitarea maximă a suportului este de 76 MPa, fiind concentrată în zona de prindere a
șuruburilor motorului hidrostatic.
• Aproximativ 25% din masa de material este solicitată de valori între 15 și 76 MPa, restul de
75% fiind solicitată foarte puțin.
• Deformația maximă a modelului este de doar 0.3 mm.
În final, a mai fost efectuată o nouă analiză topologică structurală, în condiții similare cu cea inițială.
Aceasta a avut scopul de a ne indica zonele în care materialul este inutil.
Figura 15. Rezultatul analizei topologice
4. CONCLUZII
Din practica industrială, se observă, că atunci când se echipează un utilaj mobil cu
mecanisme suplimentare de lucru, o atenție deosebita trebuie să se acorde asupra efectelor
statice și dinamice asupra autovehiculelor.
Prin adăugarea de echipamente suplimentare este influențată comportarea statică, mărind
masa și schimbând poziția centrului de greutate, iar din punct de vedere al comportării
dinamice, va fi influențată viteza și accelerația.
În ceea ce privește aspectul static, o importanță mare o are creșterea masei autovehiculului,
pentru care merită analizată fiecare componentă în parte. In acest studiu, pentru optimizarea
suportului motorului hidrostatic au fost folosite componentele avansate de modelare și
simulare ale softului SOLIDWORKS, iar in urma analizei am obținut următoarele rezultate:
• O reducere a masei cu mai mult de 50%, de la 72 la 32 de kg;
• O utilizare mai eficientă a oțelului, prin distribuția mai uniformă a solicitărilor.
ACKNOWLEDGMENTS
Această lucrare a fost dezvoltată în INOE 2000 - IHP, cu sprijinul financiar al Unității
Executive pentru Finanțarea învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării
(UEFISCDI), prin Programul 2 din PNCDI III: Creşterea competitivităţii economiei
româneşti prin cercetare, dezvoltare şi inovare Subprogramul 2.1 – Proiect de transfer la
operatorul economic (PTE-2016), titlul proiectului: “ Echipamente electrohidraulice (EEH)
cu eficienta energetica ridicata (EER) pentru autovehicule multifunctionale (AMF) -
ECHIPEFEN”, contract nr. 11PTE/2016.