В статье представлена разработка поворотного кронштейна стрелы экскаватора для многофункциональной гусеничной платформы «Танкоград Т-1500». В условиях необходимости импортозамещения и снижения производственных затрат предложен метод изготовления кронштейна с использованием сварных соединений вместо традиционного литья. Проведены расчеты напряжений и запаса прочности в программе Autodesk Inventor, выявлены критические зоны конструкции и предложены пути их усиления. Результаты работы могут быть применены в мелкосерийном производстве для повышения эффективности и адаптивности конструкции.
Ключевые слова: импортозамещение, экскаватор, многофункциональная платформа.
В современном мире возрастает значимость использования малогабаритной гусеничной техники в строительстве, сельском хозяйстве и других отраслях [1]. К ней предъявляются высокие требования по маневренности, надёжности и способности к работе в труднодоступных условиях [2].
Кронштейны стрелы экскаваторы является одним из наиболее нагруженных элементов конструкции. Традиционная технология изготовления подобных деталей методом литья, хотя и обеспечивает необходимую прочность, имеет ряд существенных недостатков: высокая стоимость, длительный цикл производства, необходимость изготовления большой партии.
Для решения этих недостатков малосерийные производства часто используют сварные конструкции, этот метод получается более экономически выгодным. Кроме того, производственный цикл литья требует значительных ресурсов и времени, что затрудняет оперативную модернизацию конструкции. Таким образом была сформулирована цель разработки.
Целью данной работы является разработка сварного аналога литого кронштейна, обеспечивающего снижение затрат и сокращение сроков производства при сохранении требуемых прочностных характеристик.
Конструкция кронштейна была адаптирована на основе анализа литого узла Kubota U15 (рис. 1). В процессе проектирования использовались стали, хорошо зарекомендовавшие себя в машиностроении: низколегированная 09Г2С для пластин и конструкционная Сталь 40 для цилиндрических элементов (втулок) (табл. 1) [3]. Это обеспечивает баланс между прочностью, свариваемостью и доступностью материалов.
Рис. 1. Поворотный кронштейн Kubota U15
Таблица 1
Использованные материалы
Детали |
Материал |
σ 0,2, Мпа |
Пластины |
09Г2С |
270 |
Втулки |
Сталь 40 |
320 |
Для подтверждения прочности конструкции был выполнен численный расчет методом конечных элементов в среде Autodesk Inventor Professional 2025. В качестве внешней нагрузки рассматривались статические усилия, возникающие при эксплуатации экскаватора: вертикальное усилие 10 000 Н и изгибающий момент 13000 Нм. Распределение нагрузок определялось с учетом расположения центра тяжести стрелы (рис. 2).
Рис. 2. Местоположение центра тяжести
Результаты расчетов подтвердили работоспособность предложенного решения: максимальные напряжения составили 139,8 МПа при допустимых 270 МПа, коэффициент запаса прочности варьировался от 1,79 в зоне крепления до 15 в ненагруженных участках, а прогиб под нагрузкой не превысил 0,039 мм (табл 2). Так же мы получили графическое изображение опасных зон (рис 3.).
Таблица 2
Результаты расчета
Имя |
Минимальная |
Максимальная |
Объем |
2544240 мм^3 | |
Масса |
19.7074 кг | |
Напряжение по Мизесу |
0.0328046 MПа |
139.829 MПа |
1-ое основное напряжение |
-18.632 MПа |
67.2193 MПа |
3-е основное напряжение |
-129.517 MПа |
16.8371 MПа |
Смещение |
0.000000131732 мм |
0.0392524 мм |
Коэфф. запаса прочности |
1.78789 бр |
15 бр |
Рис. 3. Расчет кронштейна
Проведённый анализ показал, что в большинстве зон, напряжения значительно ниже предела текучести используемых материалов, однако некоторые участки испытывают повышенные нагрузки. Это говорит, что в дальнейшем будет усилены эти зоны дополнительными ребрами жёсткости или увеличением тодщины сечений.
Для внедрения конструкции в производство разработан комплект конструкторской документации, включающий сборочный чертеж с габаритными размерами для интеграции с платформой «Танкоград Т-1500», спецификацией сварных швов и указаниями по допускам и посадкам критических узлов, таких как втулки. Дополнительно подготовлены деталировочные чертежи всех элементов кронштейна с указанием материалов (сталь 09Г2С для пластин, сталь 40 для втулок) и технологических требований, включая допуски на обработку и шероховатость поверхностей. Вся документация выполнена в соответствии с ЕСКД и адаптирована для оборудования, доступного на предприятиях (рис 4.) [4].
Рис. 4. Поворотный кронштейн: сборочный чертеж
- Разработан новый кронштейн стрелы экскаватора для многофункциональной гусеничной платформы «Танкоград Т-1500», который заменяет традиционное литьё на сварные соединения. Это решение снижает производственные затраты и ускоряет цикл изготовления, что особенно важно для мелкосерийного производства.
- Использованы оптимальные материалы: низколегированная сталь 09Г2С для пластин и конструкционная сталь 40 для втулок. Эти материалы обеспечивают баланс между прочностью, свариваемостью и доступностью.
- Проведены расчёты напряжений и запаса прочности в программе Autodesk Inventor. Результаты показали, что максимальные напряжения (139,8 МПа) не превышают допустимых значений (270 МПа), а коэффициент запаса прочности варьируется от 1,79 до 15, что подтверждает надёжность конструкции.
- Выявлены критические зоны, требующие дополнительного усиления. Для повышения прочности предложены меры, такие как добавление рёбер жёсткости или увеличение толщины сечений в этих участках.
- Подготовлена конструкторская документация, включая сборочные чертежи, что позволяет быстро внедрить разработку в производство.
Проведенные исследования подтвердили возможность замены литого кронштейна сварной конструкцией без потери прочностных характеристик. Предложенное решение позволяет снизить себестоимость и сократить сроки производства, что особенно актуально для мелкосерийного выпуска. Дальнейшие работы будут направлены на оптимизацию критических зон и испытания опытного образца.
Литература:
- Кряжков В. М., Годжаев З. А., Шевцов В. Г., Гурылев Г. С., Лаврон А. В., А. В. Парк тракторов: состояние и направление развития // Сельский механизатор. 2015. № 9. С. 3–5.
- ГОСТ 30067–93. Экскаваторы одноковшовые универсальные полноповоротные. Общие технические условия: межгосударственный стандарт: введен 1996–01–01 / Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. — Москва: Стандартинформ, 1993. — 24 с.
- Анурьев, В. И. Справочник конструктора-машиностроителя / В. И. Анурьев. — 8-е изд. — Москва: Машиностроение, 2001. — 920 c. — Текст: непосредственный.
- ГОСТ 2.109–73. Единая система конструкторской документации. Основные требования к чертежам. — М.: Стандартинформ, 2020. — 45 с.