Расчёт электротехнических изделий на прочность – неотъемлемый этап проектирования и обоснования прочности и надёжности объектов для дальнейшей эксплуатации. Расчёт на воздействия, возникающие при транспортировке, позволяет обеспечить безопасную транспортировку и сохранение работоспособности изделия.

Важно учитывать, что при транспортировке железнодорожным и автомобильным транспортом возникает множество нагрузок и воздействий, в том числе существенные ударные перегрузки, что приводит к выходу объектов из строя. 

Расчёт на воздействия, возникающие при транспортировке, в том числе позволяет разработать оптимальную конструкцию закреплений перевозимого объекта, а также выявить наиболее уязвимые места и определить усилия в опорах, кронштейнах, строповочных элементах и пр.

Нагрузки, возникающие при транспортировке электротехнических изделий, регламентируются ГОСТ 23216-78 [1]. Данный ГОСТ описывает требования для хранения, транспортирования, временной противокоррозионной защиты и упаковки изделий. ГОСТ распространяется на различные электротехнические изделия, такие как электромашины, электромеханизмы, трансформаторы, некоторые реакторы, электротермическое оборудование, электроустановочные и присоединительные изделия, светотехнические изделия, электрические источники света и электрокерамические изделия. 

В рамках данной статьи рассмотрено применение данного стандарта для расчётов прочности при транспортировании модельного объекта исследований – токопровода, с применением численного моделирования.

Токопровод

Токопровод — электротехническое устройство для передачи электроэнергии на малые расстояния [2]. 

Токопровода

Обычно токопровод включает в себя гибкие или жёсткие шины, изоляторы, защитные оболочки. 

 Геометрия рассматриваемого токопровода

Изоляторы крепятся к кожуху и удерживают шину.

Крепёжные хомуты фиксируют весь токопровод и предотвращают поворот и проскальзывание конструкции. Крепёжные хомуты соединены с опорами, которые фиксируются на транспортном средстве.

Расчёт на транспортировочные нагрузки

Используемые материалы

Токопроводящая шина и кожух обычно изготавливаются из алюминиевых сплавов, а крепёжные хомуты из стали.

Прочность изоляторов в данном расчёте не оценивалась, поэтому они смоделированы как абсолютно твёрдые тела. Плотность изоляторов выбрана таким образом, чтобы суммарная масса изделия соответствовала исходной.

Соответствие различных частей конструкции и материалов

Нагрузки и граничные условия

Вертикальные нагрузки

Согласно ГОСТ 23216-78 [1] ударные воздействия при транспортировании задаются ударным импульсом в виде полусинусоиды. Амплитуда и длительность воздействия выбираются в зависимости от массы изделия с упаковкой. 

Зависимость амплитуды и длительности воздействия от массы для вертикальных нагрузок

Масса изделия 885 кг. Тогда амплитуда пикового ударного ускорения составляет 80 м/с2 Длительность ударного воздействия составляет 20 мс. В качестве нагрузки здесь применяется ускорение, величина которого зависит от времени.

  Зависимость ускорения от времени

Горизонтальные нагрузки

Зависимость амплитуды и длительности воздействия от массы при воздействии горизонтальных нагрузок из ГОСТ 23216-78 [1] приведена на рисунке ниже.

Зависимость амплитуды и длительности воздействия от массы для горизонтальных нагрузок

В отличии от вертикальных нагрузок в стандарте отсутствуют данные для грузов массой более 200 кг. Но, для вертикальных нагрузок видна тенденция уменьшения пикового ускорения при увеличении массы груза. 

Поэтому консервативно для горизонтальных нагрузок в работе приняты ускорения как для груза массой до 200 кг. Тогда амплитуда пикового ударного ускорения составляет 80 м/с2. Длительность ударного воздействия составляет 20 мс. Ускорение имеет тот же вид, что и при вертикальном действии нагрузки.

Граничные условия

Опоры токопровода фиксируются на транспорте, который перевозит токопровод. Модель закреплена по всем степеням свободы, за места установки опор. В работе не рассматриваются элементы креплений, находящиеся на транспорте.

Закрепление модели

Критерий прочности для расчётов

Конструкция токопровода состоит из элементов, выполненных из различных материалов. Материалы имеют различные пределы текучести. Поэтому для оценки прочности всей конструкции использован коэффициент запаса.

Коэффициент запаса вычисляется, как представлено в формуле:

где – коэффициент запаса;

 – эквивалентное напряжение;

 – предел текучести для выбранного материала.

В рамках данной статьи, принято, что напряжения в конструкции не превышают допустимые и конструкция удовлетворяет критерию прочности при >1.

Результаты расчётов на воздействия в направлении oX

В работе рассматривается только случай нагружения – горизонтальное нагружение с действием нагрузки по оси oX показывающий худший случай по НДС.

В результате расчёта для горизонтальных воздействий в направлении оси X получено распределение перемещений и напряжений по Мизесу (далее напряжения) в конструкции, а также приведены коэффициенты запаса прочности.

На рисунке ниже представлена зависимость максимальных перемещений от времени.

  Зависимость максимальных перемещений от времени

Рассматриваются перемещения в момент времени 0,0225 с, когда достигается их наибольшее значение. 

Распределение перемещений в конструкции (изоляторы скрыты), мм

Также рассмотрена зависимость максимальных напряжений от времени. Как видно на рисунке момент времени, когда достигается максимум напряжений совпадает с моментом времени достижения максимальных перемещений в конструкции.

Зависимость максимальных напряжений от времени

Рассматриваются напряжения в момент времени 0,0225 с, когда достигается наибольшее значение. 

Распределение напряжений в конструкции (изоляторы скрыты), МПа

Распределение напряжений в конструкции (в опорах), МПа

Распределение коэффициента запаса в конструкции (изоляторы скрыты) 

Распределение коэффициента запаса в конструкции (в опорах) 

В случае воздействия по оси X наблюдаются значительные превышения допускаемых напряжений в области опор, в том числе превышения пределов текучести материала. Конструкция не удовлетворяет критериям прочности.

Видно, что столь «тонкие опоры» из листового металла не могут выдержать вес всей конструкции. Рекомендуется доработать их конструкцию, что рассмотрено далее.

Доработка конструкции опор

Применение технологий численного моделирования позволяет достаточно оперативно и без изготовления дополнительных образцов провести оценку примененных технических решений. Так для предотвращения поломок в конструкцию опор внесены следующие изменения: добавлены поперечные рёбра жёсткости.

Доработанная геометрия представлена на ниже. Также показаны конструкции двух опор для наглядности.

Геометрия с исправлениями

Сравнение конструкции опор, слева оригинальные опоры; справа доработанные

Для новой геометрии проведены проверочные расчёты, подтверждающие достаточность внесённых изменений. Представлены коэффициенты запаса, полученные в результате расчёта для горизонтальных воздействий в направлении оси X.

Распределение коэффициента запаса в конструкции при воздействии в направлении оси X (изоляторы скрыты)

Распределение коэффициента запаса в конструкции при воздействии в направлении оси X (в опорах)

Коэффициент запаса превышает единицу. Новая конструкция удовлетворяет критериям прочности и может выдерживать нагрузки при транспортировке без превышения допустимых напряжений.

Основываясь на полученных данных, можно сделать вывод о правильности выбора материалов и размеров элементов конструкции, а также эффективности принятых конструктивных решений.

Заключение

Расчёт различных конструкций при транспортировке – важная часть анализа прочности изделия. ГОСТ 23216-78 [1] позволяет определить нагрузки, воздействующие на конструкцию при транспортировке.

В статье рассмотрен пример расчёта прочности модельного объекта – токопровода при транспортировке.

Ударное воздействие задано согласно ГОСТ 23216-78 [1]. В ходе расчётов получены распределения перемещений и напряжений в конструкции. Для оценки прочности использован коэффициент запаса.

Расчёт позволил выявить наиболее нагруженные места, в которых возникали превышения допустимых напряжений.

Предложена доработка конструкции опор. В опорах дополнительно добавлены рёбра жёсткости. После проведен проверочный расчёт, показавший, что в конструкции полностью устранены все превышения напряжений.

Численное моделирование является важным инструментом в проектировании и анализе электротехнических изделий. Оно позволяет детально изучить поведение системы в различных условиях, в том числе при транспортировке, а также оценить прочность изделия без необходимости проведения натурных испытаний. Это может сократить временные и финансовые затраты на разработку продукта, так как позволяет избежать ошибок на ранних этапах проектирования и снизить риски возникновения аварийных ситуаций при транспортировке.

Список использованных источников

1. ГОСТ 23216-78 "Изделия электротехнические. Хранение, транспортирование, временная противокоррозионная защита, упаковка. Общие требования и методы испытаний". 1978.
2. Прохоров АМ, editor. Большая советская энциклопедия. 1969-1978.
3. ПНАЭ Г-7-002-86 Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Москва: Энергоатомиздат, 1989.
4. ГОСТ 23216-78 "Изделия электротехнические. Хранение, транспортирование, временная противокоррозионная защита, упаковка. Общие требования и методы испытаний". 1979.