CC BY
29
УДК 629.4.022.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-534-541
АНАЛИЗ ПРОЦЕССА РАЗГРУЗКИ НА ВАГОНООПРОКИДЫВАТЕЛЕ И РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА
И.В. Чепурченко, С.В. Коркина
В статье проведен анализ процесса разгрузки полувагона на вагоноопрокидывателе, исследованы динамические нагрузки на элементы кузова при разгрузке и их влияние на сохранность вагона. Приведены результаты прочностных расчетов кузова полувагона при воздействии уточненных динамических нагрузок от истекающего груза, которые показывают, что запаса прочности несущих элементов кузова вагона недостаточно при критических углах поворота ротора вагонопрокидывателя. Исследования проведены с применением современных методов компьютерного моделирования, используемых при разработке проектов грузовых вагонов нового поколения. Внедрение полученных результатов на стадии проектирования инновационных конструкций кузовов полувагонов позволит прогнозировать эксплуатационные параметры несущих конструкций. Представленные исследования направлены на повышение сохранности и эксплуатационной надежности грузового вагонного парка.
Ключевые слова: роторный вагоноопрокидыватель, сохранность вагонного парка, запас прочности, динамические нагрузки, проектирование вагонов.
Основной задачей вагонного хозяйства ОАО «РЖД» является обеспечение перевозок исправным подвижным составом. Значительное влияние на эффективность работы вагонного парка оказывает уровень сохранности парка. В связи с этим собственники вагонов нацелены на обновление парка, закупку инновационных вагонов. Авторами [1] рассмотрены недостатки конструкции эксплуатируемых грузовых вагонов, отмечены технические характеристики инновационных вагонов, приведены экономические приоритеты обновления вагонного парка операторов подвижного состава на принципах инновационного развития, реализация которых учитывает рыночные условия в части удовлетворения современных требований и потребностей клиентов [1].
Одним из направлений развития вагоностроительной отрасли является создание таких конструктивных решений - инновационного подвижного состава, которые позволят снизить дефицит вагонного парка, оптимально использующего провозную способность железных дорог, имеющуюся инфраструктуру отрасли [2]. Уже на протяжении нескольких лет ведутся исследования в направлении оптимизации технико-экономических параметров инновационного подвижного состава с учетом условий эксплуатации вагонного парка и инфраструктуры [3]. Использование высокопроизводительного инновационного подвижного состава при перевозках грузов на выделенных направления, применение современных материалов и конструктивных решений позволит увеличить провозную способность железных дорог, повысить экономическую эффективность перевозок.
Разработки и исследования проводятся в направлении совершенствования конструкции грузовых вагонов различных типов и моделей [4-6].
Высокий уровень повреждаемости вагонов в местах массовой выгрузки является одной из важнейших проблем современного вагонного парка. Наиболее распространенной причиной повреждаемости конструкции вагона является применение грейферной выгрузки [7]. Использование современных средств механизации при проведении погрузочно-разгрузочных работ в местах массовой переработки насыпных грузов, например, в железнодорожно-водном сообщении, позволяет повысить эффективность и производительность различных видов транспорта, обеспечить сохранность груза и подвижного состава.
Наиболее распространенным способом разгрузки полувагонов в портах, на горно-добывающих предприятиях, ТЭЦ и т.д. является использование специальных роторных вагоноопрокидывателей (ВП) [8,9]. В настоящее время на крупных промышленных предприятиях энергетической, химической, горнодобывающей промышленности, в речных и морских портах нормативными документами допускается разгрузка насыпных грузов исключительно способом опрокидывания. Наиболее распространены конструкции ВП следующих производителей: Thyssenkrupp, Heyl & Patterson, ПензаТехноМаш и др.
Однако, следует отметить, при несомненном преимуществе разгрузки способом опрокидывания по сравнению с грейферной, результатом истечения груза являются возникающие значительные повреждения несущих элементов конструкции кузова разгружаемого полувагона. Наиболее распространенными являются деформации верхней обвязки, излом и деформации обшивки, обрыв и изгиб стоек и
др. [10,11].
Причинами указанных повреждений являются как воздействие на узлы вагона элементов ваго-ноопрокидывателя, так и нагрузки от истекающего груза [12]. Причем, нагрузки возрастают при разгрузке слежавшегося насыпного груза. Кроме того, имеют место выпадения элементов автосцепного устройства, рессорных пружин тележек, чек тормозных колодок. Необходимо также отметить, что в случае разгрузки способом опрокидывания, сохранность вагона в значительной мере зависит от технического состояния элементов вагоноопрокидывателя - исправности верхних упоров ВП и армирования привалоч-ной плиты [13].
Основной причиной возникновения значительных повреждений кузова является тот факт, что при проектировании конструкции вагонов и самих вагоноопрокидывателей не учитываются динамические нагрузки на несущие элементы вагона от движения сыпучего груза, которые возникают при критических углах поворота ВП [14,15].
В связи с вышеизложенным, исследование прочности элементов кузова полувагона в процессе разгрузки на ВП представляется актуальным.
Необходимо отметить, что рассматриваемая в статье проблема исследована недостаточно.
Для дальнейшего изучения и моделирования динамической системы «вагон-ВП» в программном комплексе может быть применена методика, предложенная авторами [16], разработанная для исследования схемы аварии легкового автомобиля. Указанная методика позволяет с достаточно высокой точностью определить ударные и статические нагружения от элементов вагоноопрокидывателя на несущую конструкцию кузова вагона.
Разработанная методика [17] определения вертикальных и горизонтальных ускорений в системе «колесо-рельс» позволяет использовать предложенное авторами компьютерное моделирование. Результаты расчетов с использованием различных скоростей движения исследуемой единицы подвижного состава показывают амплитуды колебаний в динамической системе, что позволяет также применить такой подход при определении сил, действующих на вагон при опрокидывании.
Авторами [18] предлагаются методы разработки и обоснования инновационных решений в создании проектов перспективных конструкций вагонов-цистерн. В исследовании использованы прочностные критерии, целью разработок является оптимизация технических характеристик проектируемых конструкций.
Авторами [19] проведен анализ полученных теоретических и экспериментальных исследований, направленных на улучшение динамических характеристик локомотивов. Основываясь на полученной информации, авторы сформулировали задачи дальнейших исследований по улучшению ходовых качеств локомотива. Показанные авторами расчетные схемы действия сил позволяют их применить к решению задачи определения сил и ускорений в процессе опрокидывания кузова вагона.
Важность исследования производительности механизированных систем для обработки транспортных единиц в местах массовой выгрузки отражена в работе [20]. Предложенный подход интегрирования математической модели с целью сведения к минимуму времени оборота грузовых единиц за счет оптимизации технологических операций в морском порту. Данная методика позволяет оптимально использовать портовую инфраструктуру, в том числе и вагоноопрокидывателей, для обработки грузовых вагонов с целью соблюдения технологии выгрузки грузов и обеспечения сохранности вагонного парка [20].
Приведенные работы не затрагивают динамический процесс разгрузки вагона на вагоноопро-кидывателе, который сопровождается нагружениями в несущих элементах кузова, что при превышении допустимых значений напряжений, приведенных в [21], могут привести к повреждениям кузова.
Рассмотренные в [22] усилия, действующие на кузов вагона, не учитывались при исследовании напряженно-деформированного состояния вагона а, что не может в полной мере отразить зоны концентрации с максимальными напряжениями.
При проведении расчетов роторного ВП в процессе опрокидывания авторами [8] не рассматривались действующие на вагон динамические нагрузки. В связи с этим приведенные в [8] расчетные схемы доработаны и уточнены. В схемы введены дополнительные силы реакции и нагружения, действующие на элементы кузова, которые возникают на различных этапах процесса разгрузки (рис. 1, 2).
Истечение (высыпание) груза при использовании стационарного роторного ВП начинается при достижении равенства фх > фд , т.е. когда угол поворота становится равным или большим угла естественного откоса груза [9].
С изменением угла поворота разгрузка происходит неравномерно, скорость истечения груза возрастает с увеличением угла опрокидывания. Угол полной разгрузки (высыпания) груза, согласно опыту эксплуатации ВП, составляет 135°-140°. В случае слежавшегося или смезшегося груза, когда имеет место налипание или примерзание к стенкам вагона максимальный угол поворота для вагонов колеи 1520 мм может возрасти до 180 °.
В начале процесса опрокидывания, как показано на рис. 1, а, действующими на кузов силами будут: Г - силы распора и 02, 04 - силы тяжести груза и кузова соответственно. При последующем вращении система «люлька ВП - кузов вагона» смещается на расстояние К. Вагон прижимается к боковой стене ВП при возрастании значения угла поворота растет от 0 до ф (рис. 1, б). Поворот люльки ВП происходит с некоторым ускорением, что приводит к удару кузова вагона о привалочную плиту ВП. Именно этот удар может привести к возникновению остаточных деформаций кузова (листов обшивки). Причиной возникновения повреждений может стать и то, что боковая стенка вагона не всей плоскостью опирается на привалочную плиту (нарушение геометрии взаимодействия) вследствие расжимания пружин рессорного подвешивания тележки.
Разгрузка вагона начинается с угла поворота, равном углу естественного откоса насыпного груза. Процесс истечения груза приводит к нагружению привалочной плиты от кузова вагона (боковой стенки). Угол фх возрастает при этом от значения угла естественного откоса груза в движении фд до ф2
(рис. 2, а). Площадь поперечного сечения насыпного груза в кузове полувагона представлена в виде соприкасающихся прямоугольника и треугольника.
При достижении угла поворота ротора вагоноопрокидывателя значения в 56° на верхнюю обвязку кузова оказывается ударное воздействие от передних и задних упоров ВП. Далее до полного поворота ротора ВП кузов вагона остается в том же положении.
При последнем этапе разгрузки угол поворота фх увеличивается до конечного угла поворота ф. Объем груза теперь представляется в форме треугольной призмы (поперечное сечение - треугольник), как показано на рис. 2, б. Несущие элементы конструкция вагона при заключительной фазе разгрузки испытывают действия значительных по величине сил тяжести 02, 03, 04.
Таким образом, результаты анализа положений вагона при разгрузке на ВП позволили сделать вывод, что в методике [8] не были учтены следующие факторы и процессы, которые приводят к значительным повреждениям несущих элементов конструкции вагона: нарушение геометрии взаимодействия кузова вагона с привалочной плитой ВП вследствие расжатия пружин рессорного подвешивания тележек; нагрузки от веса люльки ВП на верхнюю обвязку кузова; дополнительные нагрузки на кузов, которые возникают при разгрузке монолитного (смерзшегося или слежавшегося) груза.
а б
Рис. 1. Начальный этап процесса опрокидывания вагона при разгрузке: а - исходное положение
вагона (0°); б - положение вагона в момент соприкосновения с привалочной плитой (9+16°): ДРЛ - сила реакции рельсов; Дпп. - сила реакции, действующая со стороны привалочной плиты,
возникающая в результате ударного воздействия кузова (Дп п.1 и Дп.п.2 - изменяющиеся силы реакции, которые определяются степенью неравномерности привалки боковой стенки кузова при распрямлении рессорных пружин подвешивания); 01,02,0з,04 - силы тяжести ротора ВП, истекающего груза, люльки ВП и самого полувагона соответственно; Н - высота кузова вагона; В - ширина кузова вагона; Ж - сила распора, возникающая в результате воздействия груза на боковую стенку вагона; ф - угол поворота системы «вагон-вагоноопрокидыватель»; К - величина
смещения люльки ВП по отношению к ротору; Р1г, Р2г, Р4г - горизонтальные составляющие О1, О2, О4, которые определяют нагрузку от ударного действия боковой стенки кузова о привалочную
плиту ВП, Руд^р. и Рув1°1(2)
Процесс ударного взаимодействия вагона с привалочной плитой ВП исследован посредством построения конечно-элементной модели кузова и дальнейшего моделирования физики процесса. При составлении расчетной схемы введены кинематические крепления (ограничения на перемещения).
Составлена система уравнений относительно углов поворота и перемещений узловых точек, построены матрицы жесткости конечных элементов. Определение перемещений узлов представляет задачу нахождения зависимостей при условии стационарности функционала потенциальной энергии
Для узлов кузова, в соответствии с методом Ритца, поля перемещений имеют вид:
536
со
í=i n
= ^jví yÍ(x,y,z);
í=i n
(1)
где p, y, - интерполирующая перемещении; u,, v, ю, - перемещения узлов, м.
б
Рис. 2. Завершающие стадии разгрузки: а) начало движения груза, взаимодействие кузова с упорами ВП: б) завершение процесса опрокидывания: ДВУП - сила реакции упоров (величина ДВУП.1 и ЙВ УП 2 определяется положением центра масс системы); фх - угол поворота системы «вагон-вагоноопрокидыватель»; Ру0ц2) - нагружение верхней обвязки, возникающее от действия верхних упоров; й2А - вес высыпаемой части груза; Рд£2) - нагрузка от вибрации ВП (170-175°)
Эти выражения для ЛСК в матричной форме записывается в виде:
■<Р1
гит
= L(x,y,z)
W .
I
= L(x,y,z) • а
(2)
гдеа = [а1,а2,-.. «12^- транспонированная матрица интерполяционных полиномов при выполнении равенства а1 = \срь
Тогда матрица узловых перемещений в глобальной системе координат (ГСК) имеет вид:
Ъ = [г1,г2,г3,г4]Т
где г? = [(Р1, V вектор перемещений узла по ЛСК.
После математических преобразований, перемещения узла в ГСК определяется как:
гит
Z(xyz) =
v
LO)J
= L(x,y,z)L 1 •z
(3)
где а = L1 •Z.
С целью определения матрицы жесткости всей конструкции составлены уравнения вида:
а
- Г11 Г±2 " ' Г1р " ■ г1т '
р} Г±2 Г22 " ' Г2р " ' г2т
Рр - = кр1 кр2 " Ъ IVрр .. к "-рт • < , (5)
р 1 т' -гт1 Гт2 ' Ттпр ^пт -
где г - матрица жесткости конструкции кузова вагона; Р и 2 - узловые силы и перемещения соответственно.
Система решена методом Гаусса. Построены поля деформаций с применением формулы Коши: е = [ех,еу,е2;уху,уу2,у2х\=р = В • /Г1 (6)
где ¥ - матрица уравнений Коши; В - дифференцированная матрица Ь (х у 2); е, у - для узловых точек относительные деформации и углы поворота.
Поля напряжений строятся по полю деформаций с использованием закона Гука:
а = Б • В • 1Г1 •!, (7)
где Б - обратная матрица для объемного напряженного состояния.
Расчетная схема кузова при повороте на 56° имеет вид, приведенный на рис. 3.
Рис. 3. Пример полученной расчетной схемы (при повороте на 56°) Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния кузова приведены на рис. 4.
Рис. 4. Максимальные эквивалентные напряжения, кПа (угол поворота 56°)
Аналогичные диаграммы по протоколам расчетов построены для других углов поворота платформы вагоноопрокидывателя.
Анализ расчетов показывает, что наибольшие эквивалентные напряжения возникают при различных углах поворота платформы в местах соединения стоек кузова с обшивкой боковой стены и в средних и конечных секциях кузова - в средней части листов обшивки.
Полученные по результатам расчетов математической модели процесса разгрузки графические зависимости напряжений и перемещений от угла поворота системы (пример приведен на рис. 5) показывают, что наибольшие напряжения в боковой стене достигают 853 МПа (при допустимых 275-295 МПа) в момент, когда угол поворота платформы достигает 90°. Наибольшие значения перемещений достигают
538
76 мм, также при повороте на 90°. Увеличение угла поворота приведет к деформации конструкции кузова. Аналогично рис. 5 построены зависимости: напряжений и перемещений в раме, в концевом пролете боковой стены кузова, в верхней обвязке кузова вагона от угла поворота платформы ВП.
Рис. 5. Зависимость напряжений и перемещений в среднем пролете боковой стены
от угла поворота платформы ВП
Приведенные исследования направлены на обеспечение сохранности и повышение эксплуатационной надежности грузовых вагонов.
Сохранность грузового вагонного парка в местах интенсивных погрузочно-разгрузочных работ массовых сыпучих грузов может быть обеспечена только при разгрузке способом опрокидывания. Наиболее распространенным устройством для такой разгрузки является роторный вагоноопрокидыва-тель, от технического состояния и конструкции которого зависит повреждаемость вагонов при разгрузке.
Проведенный анализ разработок в данной области показал, что при построении расчетной схемы динамического взаимодействия вагона с ВП не учитывались внешние факторы: нарушение геометрии взаимодействия, особенности конструкции ВП и вагона.
Исследования напряженно-деформированного состояния вагона в процессе разгрузки, анализ возникающих нагружений показали, что при различных углах поворота на элементы несущей конструкции могут действовать нагрузки, превышающие запас прочности узлов кузова. Разработана математическая модель напряженно-деформированного состояния кузова вагона, проведены расчеты напряжений и перемещений, которые показали, что существующего нормативного запаса прочности элементов кузова может быть недостаточно для обеспечения эксплуатационной надежности и сохранности вагонов [23].
Результаты разработки могут быть использованы при проектировании кузовов грузовых вагонов нового поколения с усилением несущей конструкции кузова. Кроме того, их применение целесообразно при совершенствовании конструкции вагоноопрокидывателей для адаптации к параметрам кузовов разгружаемых вагонов [24,25].
Список литературы
1. Филин А.Е., Сибагатулин В.Г., Подсорин В.А. Обновление вагонного парка операторов подвижного состава на принципах инновационного развития // Современные проблемы управления экономикой транспортного комплекса России: конкурентоспособность, инновации и экономический суверенитет: Международная научно-практическая конференция, посвящается 85-летию института экономики и финансов МИИТа, Москва, 28-29 мая 2015 года / Московский государственный университет путей сообщения, Институт экономики и финансов. М.: Московский государственный университет путей сообщения Императора Николая II, 2015. С. 251-253. EDN UHZDPT.
2. Параметры и конструктивное исполнение высокопроизводительного подвижного состава / А.В. Смольянинов, В.Н. Филиппов, И.В. Козлов, А.Н. Давыдов // Транспорт Урала. 2013. № 1(36). С. 4649. EDN PYSUXJ.
3. Сергеев К.А., Кривич О.Ю., Садыкова О.И. Конструкции инновационных грузовых вагонов. М.: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет транспорта", 2021. 91 с. EDN WNHRQX.
4. Нахабина М.С. Инновационная конструкция крытого грузового вагона для перевозки сборных грузов // Новые горизонты: Материалы Международной конференции-конкурса, Брянск, 18 марта 2015 года. Брянск: Брянский государственный технический университет, 2015. С. 47-49. EDN VMIQOD.
5. Ворон О.А. Особенности конструкции универсального кузова для инновационных изотермических вагонов // Вестник Брянского государственного технического университета. 2021. № 8(105). С. 77-86. DOI 10.30987/1999-8775-2021-8-77-86. EDN SOIACU.
6. Зайнитдинов О.И. Конструирование съемного кузова с раздвигающимися боковыми стенами и крышей // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2021. Т. 18. № 1. С. 62-71. DOI 10.20295/1815-588X-2021-1-62-71. EDN UWPEDX.
7. Сендеров Г.К., Лосев П.Р., Другаль С.А. Сохранность вагонов при погрузочно-разгрузочных и маневровых работах. М.: Транспорт, 1984. 158 с.
8. Носырев Д.Я., Чепурченко И.В., Коркина С.В. Определение инерционных динамических нагружений, действующих на кузов полувагона при выгрузке на роторном вагоноопрокидывателе // Транспорт Урала. 2018. № 4(59). С. 63-67. DOI 10.20291/1815-9400-2018-4-63-67. EDN YWYYNN.
9. Носырев Д.Я., Чепурченко И.В., Коркина С.В. Уточнение динамических составляющих в расчетных схемах при разгрузке кузова полувагона на вагоноопрокидывателе // Наука и образование транспорту. 2018. № 1. С. 53-58. EDN YZAFUL.
10. Цвик Л.Б., Тармаев А.А. Компьютерные технологии расчета и проектирования подвижного состава: учебное пособие. М.: Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2022. 240 с. EDN ICRNWW.
11. Динамика и прочность специализированных грузовых вагонов / Д.Я. Носырев, С.В. Коркина, А.Н. Балалаев [и др.]; Под редакцией доктора технических наук профессора Д.Я. Носырева. Самара: Самарский государственный университет путей сообщения, 2021. 143 с. EDN ADAUVR.
12. Chepurchenko I.V. State of open wagon body when loading on a rotary car dumper / I.V. Chepurchenko, S.V. Korkina // Nexo Revista Científica. 2021. Vol. 34. No 6. P. 1667-1676. DOI: 10.5377/nexo.v34i06.13127. EDN RUBTRH.
13. Коркина С.В., Чепурченко И.В. Влияние конструкции и технического состояния вагоно-опрокидывателя на сохранность полувагонов // Наука и образование транспорту. 2021. № 1. С. 51-53. EDN JQAUFV.
14. Чепурченко И.В., Коркина С.В. Оценка показателей надежности полувагонов различных типов в эксплуатации // Наука и образование транспорту. 2020. № 1. С. 84-87. EDN XEESXI.
15. Петров Г.И. Адаптация математической модели полувагона а к условиям разгрузки кузова способом опрокидывания / Г.И. Петров, И.В. Чепурченко, О.И. Паначев // Транспортное дело России. 2017. № 1 (128). С. 138 - 142.
16. Kostek R., Aleksandrowicz P. Simulation of car collision with an impact block. In Proceedings of the 11th International Congress of Automotive and Transport Engineering, Pitesti, Romania, 8-10 November 2017. P. 1-6.
17. Dizo J., Steisunas S., Blatnicky M. Simulation analysis of the effects of a rail vehicle running with wheel flat. Manuf. Technol. 2016. 16. P. 889-896.
18. Chepurnoy A.D., Sheichenko R.I., Graborov R.V., Tkachuk N.A., Bondarenko N.A., Grabovsky A.V., Luniov E.A. Numerical research into freight car. J. NTU KhPI 2017, 23, P. 47-55.
19. Gorbunov M., Pistek V., Kovtanets M., Nozhenko O., Kara S., Kucera P. Research to improve traction and dynamic quality of locomotives. In: Ibroengineering Procedia, 2017 VOL. 13. P. 159 - 164.
20. Freight Wagons. Strength and Dynamic Quality Requirements; GOST 33211-2014; Standartin-form: Moscow, Russia, 2014.
21. Чепурченко И.В. Использование теории оптимального проектирования для усовершенствования конструкции кузова глуходонного полувагона / И.В. Чепурченко, Д.Я. Носырев, С.В. Коркина // Вестник транспорта Поволжья. 2018. № 3(69). С. 28-32. EDN YASFVR.
22. Чепурченко И.В. Исследование эксплуатационных нагружений крышки Люка универсального полувагона и пути совершенствования ее конструктивного исполнения / И.В. Чепурченко, С.В. Коркина, И.Ю. Крошечкина // Наука и техника транспорта. 2019. № 4. С. 41-45. EDN OYNMKY.
23. Коркина С. В. Конструктивные особенности и направление совершенствования кузова специализированного полувагона нового поколения / С.В. Коркина, И.В. Чепурченко // Инновационные технологии на железнодорожном транспорте. Труды XXV Всероссийской научно-практической конференции КрИЖТ ИрГУПС. В 2-х томах, Красноярск, 28-30 октября 2021 года. - Красноярск: Красноярский институт железнодорожного транспорта - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования Иркутский государственный университет путей сообщения, 2021. С. 50-54. EDN UDYFRX.
24. Направление совершенствования кузова глуходонного полувагона для перевозки сыпучих грузов / И.В. Чепурченко, Д.Я. Носырев, С.В. Коркина, М.В. Анахова // Вестник транспорта Поволжья. -2019. № 1(73). С. 28-35. EDN WIDNFE.
25. Чепурченко И.В. Особенности конструкционного исполнения специализированного полувагона с повышенной осевой нагрузкой до 27 т / И.В. Чепурченко, С. В. Коркина, Д. Я. Носырев // Наука и образование транспорту. 2019. № 1. С. 105-110. EDN LTEBNS.
Чепурченко Илья Вадимович, канд. техн. наук, доцент, ilyadrums@rambler.ru, Россия, Казань, Иннополис, Автономная некоммерческая организация высшего образования «Университет Ин-нополис»,
Коркина Светлана Владимировна, канд. техн. наук, доцент, korkina70@mail.ru, Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения
ANALYSIS OF THE UNLOADING PROCESS ON THE CAR DUMPER AND CALCULATION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE GONDOLA CAR BODY
S.V. Korkina, I.V. Chepurchenko 540
The article analyzes the process of unloading a gondola car on a car dumper, examines the dynamic loads on the body elements during unloading and their impact on the safety of the car. The results of strength calculations of the gondola car body under the influence of refined dynamic loads from the expiring cargo are presented, which show that the safety margin of the bearing elements of the car body is insufficient at critical angles of rotation of the rotor of the car-thrower. The research was carried out using modern computer modeling methods used in the development of new generation freight car designs. The implementation of the results obtained at the design stage of innovative structures of gondola car bodies will make it possible to predict the operational parameters of load-bearing structures. The presented studies are aimed at improving the safety and operational reliability of the freight car fleet.
Key words: rotary car dumper, safety of the car fleet, safety reserve.
Chepurchenko Ilya Vadimovich, candidate of technical sciences, docent, ilyadrums@rambler.ru, Russia, Kazan, Innopolis, Autonomous non-profit organization of Higher Education «Innopolis University»,
Korkina Svetlana Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, korkina70@mail.ru, Russia, Samara, Samara State University of Railways
УДК 629.4.016.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-541-544
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ
УСТАНОВКИ ЛОКОМОТИВА
Н.В. Гребенников
В статье рассматривается задача определения коэффициента полезного действия выпрямительной установки локомотива в условиях эксплуатации. В связи с тем, что большую часть времени локомотивы эксплуатируются с неполной нагрузкой, то для объективной оценки энергоэффективности локомотивов возникает необходимость учитывать влияние недоиспользования мощности выпрямительных установок на процесс преобразования энергии.
Ключевые слова: коэффициент полезного действия, выпрямительная установка, энергоэффективность, мощность, потери.
Тяговые преобразователи применяются на автономных локомотивах с электрическими передачами мощности переменно-постоянного и переменно-переменного тока [1] и служат для преобразования (выпрямления/инвертирования) тока и напряжения. Выпрямительная установка (управляемая/неуправляемая) служит для преобразования переменного трехфазного тока, вырабатываемого трёхфазным синхронным тяговым генератором, в постоянный, для питания звена постоянного тока или тяговых электродвигателей постоянного тока [1].
Особенностью работы выпрямительной установки на тепловозе является большой диапазон токовых нагрузок [2], в широком диапазоне регулирования напряжения синхронного тягового генератора, что является особенностью систем управления электрической передачей мощности локомотива. Исследования опыта эксплуатации локомотивов показывают преобладание режимов работы тягового оборудования с неполной нагрузкой в диапазоне от 0,25 до 0,75 номинальной мощности [3], что снижает энергоэффективность перевозочного процесса [4,5].
Известно, что коэффициент полезного действия выпрямительной установки в основном зависит от потерь в вентилях от прямого тока нагрузки и от добавочных потерь, включающих потери от обратных токов вентилей, потерь в предохранителях и ошиновки, коммутационных потерь, потерь в сигнальной и защитной аппаратуре [6]. Основную долю всех потерь в выпрямителе составляют потери в вентилях от прямого тока нагрузки.
На тепловозах применяются выпрямительные установки с высоким коэффициентом полезного действия, который находится в диапазоне от 0,98 до 0,995. При этом следует отметить, что у управляемых выпрямительных установок, коэффициент полезного действия немного ниже, чем у неуправляемых, что обусловлено выбором другой элементной базы. Пример зависимости коэффициента полезного действия выпрямительной установки от тока приведен на рис. 1.
541
