CC BY
32
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
УДК 629.463.65.02 - 047.37
О. В. ФОМ1Н1*
1 Каф. «Рухомий склад залiзииць», Донецький iнститут з^зничного транспорту Украшсько! державно! академн з^зничного транспорту, вул. Артема, 184, Донецьк, Украша, 83122, тел. +38 (067) 813 97 88, ел. пошта fomin1985@list.ru, ОЯСГО 0000-0003-2387-9946
АНАЛ1З ДОЦ1ЛЬНОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ ШЕСТИГРАННИХ ПОРОЖНИСТИХ ПРОФ1Л1В ЯК СКЛАДОВИХ ЕЛЕМЕНТ1В НЕСУЧИХ СИСТЕМ НАШВВАГОШВ
Мета. Дослвдження спрямоване на представления особливостей та результатiв проведених робгг iз визна-чення доцiльиостi впровадження шестигранних порожнистих профiлiв у якосп складових елеменпв сучасних несучих систем залiзничних иапiввагоиiв. Методика. При проведенш дослiджеиня використана ранiше розро-блена автором методика впровадження рiзних профшв як альтернативи iсиуючим виконанням несучих елеме-нпв модуля кузова вантажного вагону. Вона орieнтоваиа на зниження матерiалоeмностi дослвджувано! конс-трукци вагону при забезпеченш вимог мiцностi та експлуатацшно! надiйностi. Розроблена методика включае процедури розрахунку допустимих значень момента опору перерiзу впроваджуваного шестигранного порож-нистого профiлю та визначення оптимальних (характеризуються мiнiмальною матерiалоемнiстю при виконан-нi умов мiцностi) значень висоти та мшмально! товщини стiнки профшю в умовах конструкцiйних обмежень. При цьому допустимi моменти опорiв розраховуються як таю, що дорiвнюють значенням iснуючого виконан-ня несучого елементу або як визначений з урахуванням надлишкових конструкцiйних резервiв. У данш роботi застосований перший напрямок. Результата. В результат проведених дослвджень виявлено доцiльнiсть впровадження шестигранного порожнистого профiлю в якосп вертикальних стшок стiн бокових та горизонтальних пояав стш торцевих напiввагонiв, визначенi оптимальш параметри таких замiн. Наукова новизна. У робот вперше розглянуто питання доцiльностi використання шестигранних порожнистих профшв в якосп несучих елементiв кузовiв напiввагонiв. Для вирiшения цього питання розроблено математичш моделi, як1 описують залежшсть основних мiцнiстних та масових показник1в в1дпов1дних профiлiв ввд варшвання геометричних параметрiв, а також допомгжний графiк. Практична значимiсть. Практичне впровадження результата проведених дослвджень для утверсальних напiввагонiв дозволить знизити !х тару та ввдповвдно тдвищити ванта-жопiдйомнiсть майже на сто кшограшв при виконаинi вимог мiцностi та експлуатацшно! надшносп. Це (з урахуванням масовосп парку) забезпечить значний економiчний ефект при !х виготовленнi та експлуатаци. Розробленi та представленi у статп матерiали можуть бути використаш при розглядi та вирiшеннi аналопчних завдань для других типiв вантажних вагонiв, а також iнших засобiв транспортного машинобудуваиия. За результатами виконаних робiт подано заявку на винахвд Укра!ни.
Ключовi слова: нашввагони; складовi елементи несучих систем; шестигранний порожнистий профiль
Вступ
Ефектившсть функцюнування та конкурен-тоздатшсть зашзничного транспорту значною м1рою залежить вщ р1вня експлуатацшних ви-трат на рухомий склад. При цьому переважну бшьшють рухомого складу затзниць Укра!ни (як i в шших кра!нах СНД) складае парк вантажних вагошв, який, в свою чергу, бшьш нiж на третину сформовано морально та фiзично заста-рiлими нашввагонами. Тому до прiоритетних напрямкiв розвитку затзничного транспорту, якi визначено в основних положеннях Стратеги розвитку затзничного транспорту на перiод до 2020 року (розпорядження Кабiнету Мiнiстрiв Укра!ни вiд 16 грудня 2009 року № 1555-р.) та
Комплексно! програми оновлення залiзничного рухомого складу Укра!ни на 2008-2020 роки (розпорядження Кабшету Мiнiстрiв Укра!ни вiд 14 жовтня 2008 року № 1259) вщнесено зниження початково! вартостi та пiдвищення коеф> цiента тари напiввагонiв. Вирiшити поставлене завдання можливо шляхом модернiзацi! юную-чих базових моделей напiввагонiв чи впровадження у виробництво принципово нових !хнiх конструкцiй.
Розроблення та впровадження у виробництво ново! моделi нашввагошв е дуже вiдповiдальний та важливий етап у вирiшеннi проблеми перспективного розвитку залiзничного транспорту. Тому концепцп проведення науково-технiчно!
Наука та прогрес транспорту. ВГсник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
полГтики в област створення нових конструкцш натввагошв (так само, як i шшого рухомого складу) зумовлюе ix розробку на основi за-стосування альтернативних пiдxодiв [1, 2] з ви-конанням аналiзу рiзниx варiантiв рiшень, тобто створення конкурентного середовища не тiльки пiд час виробництва вагонiв, а i на проектуваль-них та передпроектувальних стадГях. Сказане аргументуе актуальнiсть та важливють здшснен-ня науково-дослiдниx та дослщно-конструктор-ських робiт з вiдшукання потенцшних теxнiчниx рiшень для удосконалення конструкцш натвва-гонiв. У xодi виконання таких робiт було про-анашзовано [8-10] накопичений досвiд виршен-ня аналогiчниx питань у iншиx галузях транспортного машинобудування. Результати анатзу вказали на перспективнiсть вiдшукання альтернативних виконань несучих систем натввагошв iз сталевих порожнистих профiлiв.
В рамках виконання таких робгт автором була форматзована методика [9] впровадження рiзниx варiантiв виконань несучих систем ван-тажних вагонiв, ключовi моменти яко' наведено нижче. У xодi попереднix дослiджень з впровадження порожнистих профшв [8-10] як несучi елементи конструкцiй напiввагонiв були роз-глянутi круглi, прямокутнi та D-подiбнi труби (рис. 1, а, б).
б - b
г _
--- \ %
Y
в - c г - d
Рис. 1. Перерiзи дослвджуваних порожнистих профшв:
а - кругла труба; б - прямокутна труба; в - напштруба (Б-подабна труба); г - шестигранний порожнистий профшь
Fig. 1. Cross sections of hollow profiles under study
Результати таких робгт вказали на доцшь-нiсть подальшого розвитку напрямку впровадження порожнистих профшв. Наступним ета-пом виконання робгт е розгляд перспективной! впровадження шестигранних порожнистих профшв (рис. 1, г), як характеризуются зручшстю i'x з'еднання з шшими елементами конструкцш напiввагонiв за рахунок юнування зовшшшх плоских граней, а також покращеними мщню-ними властивостями за рахунок круглого внут-ршнього перерiзу. Проте аналiз значно' кшькос-т вадповадно' до дослiджуваного питання лГте-ратури вказав на необхщшсть розроблення ма-тематичних залежностей (моделей), яю описува-тимуть залежнють основних мщшсних (моменти опору Wx та Wy) та масового (погонна маси тпог) показниюв таких профшв вгд варГювання гео-метричних параметрГв h та S (рис. 1, г).
Мета
В статп подано особливосп та результати виконаного анатзу доцшьност застосування шестигранних порожнистих профшв як скла-дових елеменпв несучих систем натввагошв.
Методика
У загальному виглядГ процедуру впровадження шестигранних порожнистих профшв можна подати такими ключовими етапами:
1 етап - визначення допустимих значень мо-менпв опору перерГзу впроваджуваного шестигранного порожнистого профшю, що здшсню-еться за допомогою одного Гз нижче наведених методГв [4]. Метод перший включае визначення Wx та Wy юнуючого виконання несучого елеме-нту, на основГ чого визначаються [Wx], [Wy]. Другий метод е бшьш перспективним, тому що направлений на визначення та ефективне вико-ристання розрахункових резервГв мщносп з вщ-повщним зниженням матерГалоемносп дослГ-джуваного елементу. Для реалГзацн другого напрямку необхщно комплексно дослщжувати роботу елементу [3, 5, 7, 6], що розглядаеться у сприйнятп експлуатацшних навантажень (вщ-повщно до I, II та III розрахункових режимГв Норм). Зазначене на сучасному рГвш доцшьно здшснювати шляхом дослщження вадповадно' адекватно' розрахунково' скГнченно-елементно' моделГ кузова нашввагона. При виявленш розрахункових резервГв мщносп конструкцп (визна-
// ш
VA
j /
fsd
\
а - а
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
чаються як ствыдношення отриманих максимальных експлуатацшних характеристик мщносп з !х допустимими значеннями), розраховуються допустим показники мщносп [Wx], [Wy].
2 етап - включае виконання робгг з визначен-ня оптимальних (характеризуются мшмальною матер1алоемн1стю при виконанш умов мщносп) значень висоти h* (рис. 1, в) та мшмально! тов-щини стшки S* профшю, в умовах конструкцш-них обмежень. На сьогодш для устшно! реатза-цл таких робгг необхщно розробити та сумюно дослщити математичт модел^ яю описують зм> ну моменпв опору перер1зу натвтруби Wx, Wy та погонно! ii маси тпог вщ вардавання h та S. Для визначення математичних моделей та вщшукання за !х допомогою оптимальних геометричних па-раметр1в h* та S* доцшьно використовувати роз-роблений алгоритм визначення оптимальних геометричних параметр1в складових елеменпв вантажних вагошв на основ! узагальнених математичних моделей [4] або розробити допом1жний графш р1вних значень [11-13].
Результати
Пщ час дослщження як [Wx], [Wy] були взят значення юнуючих виконань несучих елеменпв. Як дослщжуваш несуч1 елементи натвва-гошв обрано (рис. 2 та рис. 3):
- обв'язування верхне, яке виконано ¡з гнутого профшю прямокутного перер1зу розм1ром 140^110x7 мм, звареного по перер1зу у коробку;
- вертикальш стшки стш бокових i горизонталью пояси та стшки середнi стiн торцевих, якi виконано iз профiлю вагонно! стiйки (про-фiль ГОСТ 5257.6-90);
- хребтову балку, яку виконано з двох зва-рювальних мiж собою Z-подiбниx профiлiв № 31 (ГОСТ 5267.3);
- шворневу балку коробчастого перерiзу;
- лобову балку коробчастого перерiзу;
- промiжну балку iз листового металу.
Рис. 2. Загальний вигляд кузова нашввагона Fig. 2. General view of the open car body
doi 10.15802/stp2014/33403
Рис. 3. Загальний вигляд рами нашввагона
Fig. 3. General view of the gondola car frame
У табл. 1 наведет визначеш рашше [8-10] значення основних характеристик вищеперел1-
чених елеменпв.
л о С
Таблиця 1 Table 1
я и
к о И я и
3 к
г
Щ
s
U
н
U
1снуюче виконання обв'язувань вер-xнix стш бокових та торцевих напiввагонiв
(профшь 140x110x7 мм)
Аналог 1з шестигранного профь лю (h = 144,5 мм, S = 0,4 мм)
Вагонна стшка
Аналог 1з шестигранного профь
лю (h = 143,5 мм, S = 0,4 мм)
^ m
л S
я S
4 0
2 2
,4
09
^ m
л S я S
,4 21
5 0
7,
es В
Я Я
п ^
is § с
4 2
\о
2
00
2
2
о К « о
S
К и
Й es
а к
is
го
5 4
5 4
1
2
3
4
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
Зак1нчення табл. 1 End of Table 1
10
11
12
я
и
^
&
о К о И CS И
3 к
г
Щ
s
<U
н
U
Два зварюваль-них м1ж собою Z- под1бн1 профь л1 № 31
Аналог i3 шестигранного профь лю (h = 425 мм, S = 0,4 мм)
Лобова балка (сер.)
Аналог i3 шестигранного профi-
лю (h = 275 мм, S = 0,4 мм)
Шворнева балка (сер.)
Аналог i3 шестигранного профь лю (h = 360 мм, S = 0,4 мм)
Промiжна балка
Аналог i3 шестигранного профь
лю (h = 209 мм, S = 0,4 мм)
Момент опору елементу, см3 Момент опору елементу, см3
,3 19,
,4 9 9 19
1 =
= £
,5 ,2 01 2 = 1743
=
4 ,7 6 ,3
,9 61 = ,2 0 =
691,7 = 599
=
1 356,31 = 445,44
=
,3 ,5
,5 5 3 71
1
= =
9 ,8 ,2 3 3 = 44,08
=
336,24 291,2
=
и «
„ и
СЗ О
а«
S о
es ES
Я О
п ^
is § с
4 0
4
5
4
6
4
2 ,0
Os
4,
6,
CK 00
,6 3
4
о К « о
s
К и
Й es
cä К
is
го
6
,6 ,2
4 2
4 2
клад рис. 4) були визначеш оптимальнi значення висоти И* та мшмально! товщини 5* для до-слiджуваних елеменпв несучих систем. Отри-манi дат занесенi до табл. 1. В результат роз-гляду отриманих значень з'ясовано, що впрова-дження шестигранного порожнистого профiлю доцiльно як вертикальш стiйки стiн бокових та горизонтальних поясiв i стiйок середнiх стш то-рцевих. В такому випадку буде досягнуте зни-ження матерiалоeмностi загально! конструкци при виконаннi вимог мiцностi. В шших випад-ках аналоги юнуючих виконань несучих елемен-тiв iз шестигранних профiлiв будуть важчими.
Наукова новизна та практична значимкть
Ввщповщно до вищезазначених етапiв були визначеш математичш моделi варiювання ос-новних показниюв (моменти опору перерiзу шестигранного порожнистого профшю Жх, Жу та його погонно! маси тпог) вщ змiни геометри-чних параметрiв (висоти И* (рис. 1, в) та мшмально! товщини стiнки 5*):
тпог = -(1,777Е - 08) + (3,900Е - 09)И --(3Е - 08)5 + 0,06289И2 -
-2,4504452 + 2,4504И5; (1) Жх= 171,774 - 30,814И -115,565 +
+1,5836h2 - 28,6643S2 + 20,042hS; (2) W= 148,779 - 26,691h - 100,08S +
+1,37163h2 - 24,8238S2
17,357hS. (3)
В подальшому за допомогою розроблених математичних моделей (формули 1-3) [4] та аналiзу вiдповiдних допомiжних графiкiв (при-
Результати перевiрки адекватностi вищена-ведених математичних моделей вказали на !х адекватнiсть та можливiсть подальшого засто-сування.
На основi визначених математичних моделей 1-3 було розроблено допомiжний графш (рис. 4) для визначення оптимальних значень змiнних параметрiв.
Для перевiрки працездатностi впроваджува-них техшчних рiшень була розроблена комп'ю-терна геометрична просторова модель прототипу напiввагона (рис. 5). При И створенш було прийнято до впровадження виконання стiйок вертикальних стiн бокових та горизонтальних
5
6
7
8
9
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
пояс1в 1 ст1иок середн1х стш торцевих 13 шестигранного порожнистого профшю.
Рис. 4. Допом1жний графж до визначення оптималь-них значень перер1зу шестигранного порожнистого профшю:
_ _ _ _ . лши р1вних значень тпог = f (к, S) ;
лши р1вних значень Wx = f (к, S); _ . . __ лши р1вних значень Wy = f (к, S)
Fig. 4. Auxiliary graph to determine the optimal values of hexagonal hollow profile section
Рис. 5. Просторова геометрична комп'ютерна модель прототипу натввагона з несучою системою iз шестигранних порожнистих профiлiв
Fig. 5. Spatial geometric computer model of the gondola car prototype with the supporting system with hexagonal hollow profiles
Результата анашзу наведено! та представлено! на рис. 5 комп'ютерно! моделi засвщчили доцшьнють виконаних робiт та перспектившсть !х подальшого розгортання. Так було з'ясовано, що впровадження наведеного на рис. 5 виконан-ня конструкцп напiввагона дозволить знизити його тару майже на 100 кг з вщповщним шдви-щенням вантажопiдйомностi при забезпеченш умов мiцностi та експлуатацшно! надiйностi.
Висновки
Результати виконаних та поданих у статтi до-слщжень пiдтверджують доцiльнiсть викорис-тання як несучих елементiв вантажних вагонiв порожнистих профшв. Так впровадження роз-глянутих у статтi, як приклад, техшчних рiшень дозволить знизити собiвартiсть виготовлення та експлуатацi! залiзничного напiввагона, за раху-нок зниження його матерiалоeмностi, i вщповщ-ного збiльшення вантажошдйомносп при вико-наннi умов мщносп та експлуатацiйно! надшно-стi, що з урахуванням масовостi !х парку забез-печить значний економiчний ефект при !х виготовленнi та експлуатацп.
За результатами робiт подано заявку на ви-нахвд.
Наведенi матерiали можуть використовува-тися пiд час виконання аналогiчних робiт з удо-сконалення несучих систем iнших тишв вантажних вагонiв та засобiв транспортного машино-будування. Вони е основою для виконання по-дальших науково-дослiдних та дослщно-кон-структорських робгг з реалiзацi! розглянутого актуального та важливого для залiзничного транспорту Укра!ни напрямку полiпшення тех-нiко-економiчних показниюв вантажних вагонiв.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Горобец, В. Л. Модель выносливости материалов и конструкций с учетом эволюции их механических характеристик / В. Л. Горобец, Ю. И. Саввин // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Дншро-петровськ, 2008. - Вип. 21. - С. 7-15.
2. Горобец, В. Л. Оценка коэффициентов запаса выносливости и эквивалентных по разрушающей способности циклических напряжений по данным натурных испытаний подвижного состава / В. Л. Горобец // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. -Дншропетровськ, 2003. - Вип. 1. - С. 116-122.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
3. ГОСТ 26725-97. Полувагоны четырехосные универсальные магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Общие технические условия. - Киев : Госстандарт Украины, 1999. - 13 с.
4. Ермаков, С. М. Математическая теория оптимального эксперимента / С. М. Ермаков, А. А. Жи-глявский. - Москва : Наука, 1987. - 320 с.
5. НБ ЖТ ЦВ 01-98. Вагоны грузовые железнодорожные. Нормы безопасности. МПС Россия. - Москва : ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1998. - 17 с.
6. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - Москва : ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1983. - 260 с.
7. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - Москва : ГосНИИВ -ВНИИЖТ, 1996. -354 с.
8. Фомш, О. В. Алгоритм визначення оптималь-них геометричних параметрiв складових еле-ментш вантажних вагошв на основi узагальне-них математичних моделей / О. В. Фомш // Наука та прогрес трансп. Вкн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. - 2013. - № 6 (48). -С. 140-146.
А. В. ФОМИН1*
1 Каф. «Подвижной состав железных дорог», Донецкий институт железнодорожного транспорта Украинской государственной академии железнодорожного транспорта, ул. Артема, 184, Донецк, Украина, 83122, тел. +38 (067) 813 97 88, эл. почта fomin1985@list.ru, ОЯСГО 0000-0003-2387-9946
АНАЛИЗ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ШЕСТИГРАННЫХ ПОЛЫХ ПРОФИЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ СОСТАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ПОЛУВАГОНОВ
Цель. Исследование направлено на представление особенностей и результатов проведенных работ по определению целесообразности внедрения шестигранных полых профилей в качестве составных элементов современных несущих систем железнодорожных полувагонов. Методика. При проведении исследования использована ранее разработанная автором методика внедрения разных профилей как альтернативы существующим исполнениям несущих элементов модуля кузова грузового вагона. Она ориентирована на снижение материалоемкости исследуемой конструкции вагона при обеспечении требований прочности и эксплуатационной надежности. Разработанная методика включает процедуры расчета допустимых значений моментов сопротивления сечения внедряемого шестигранного полого профиля и определения оптимальных (характеризуются минимальной материалоемкостью при выполнении условий прочности) значений высоты и минимальной толщины стенки профиля в условиях конструкционных ограничений. При этом допустимые моменты сопротивлений рассчитываются как такие, которые равняются значением существующего выполнения несущего элемента или как определенные с учетом избыточных конструкционных резервов. В данной работе применено первое направление. Результаты. В результате проведенных исследований обоснована целесообразность внедрения шестигранных полых профилей в качестве вертикальных стоек стен боковых и горизонтальных поясов стен торцевых полувагонов, определены оптимальные параметры таких замен. Научная новизна. В работе впервые рассмотрен вопрос целесообразности использования шестигранных полых профилей в качестве несущих элементов кузовов полувагонов. Для решения этого вопроса разработаны математические модели, которые описывают зависимость основных прочностных и массовых показателей соответствующих профилей от варьирования геометрических параметров, а также вспомогательный
9. Фомш, О. В. Дослщження дефекпв та пошко-джень несучих систем залiзничних нашвваго-шв : монографiя / О. В. Фомш. - Кшв : ДЕТУТ, 2014. - 299 с.
10. Фомш, О. В. Оптишзацшне проектування елеме-нпв кузов1в затзничних натввагошв та оргаш-заця ix виробництва : монографiя / О. В. Фомш.
- Донецьк : Дон1ЗТ УкрДАЗТ, 2013. - 251 с.
11. Damage calculation and fatigue life prediction for freight car body / F. Zhao, J. Xie, Y. Yuan, X. Shi // Advanced Materials Research. - 2013. -Vol. 652-654. - P. 1357-1361. doi: 10.4028/ www.scientific.net/AMR.652-654.1357.
12. Konyukhov, A. D. Properties of welds of sheets, made of 1565ch (1565) alloy, applied to the bodies of freight cars / A. D. Konyukhov, A. M. Drits, A. K. Shurtakov // Tsvetnye Metally. - 2014. -№ 3. - P. 71-76.
13. Zhao, F. Influence of small stress cycles on the fatigue damage of C70E car body / F. Zhao, J. Xie // J. of Mechanical Engineering. - 2014. - Vol. 50.
- Iss. 10. - P. 121-126. doi: 10.3901/jme.2014. 10.121.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету з^зничного транспорту, 2014, № 6 (54)
график. Практическая значимость. Практическое внедрение результатов проведенных исследований для универсальных полувагонов позволит снизить их тару и соответственно повысить грузоподъемность почти на сто килограммов при выполнении требований прочности и эксплуатационной надежности. Это с учетом массовости парка обеспечит значительный экономический эффект при их изготовлении и эксплуатации. Разработанные и представленные в статье материалы могут быть использованы при рассмотрении и решении аналогичных заданий для иных типов грузовых вагонов, а также других средств транспортного машиностроения. По результатам выполненных работ подана заявка на изобретение Украины.
Ключевые слова: полувагоны; составные элементы несущих систем; шестигранный полый профиль
0. V. FOMIN
1 Dep. «Rolling Stock of Railways», Donetsk Institute of Railway Transport of Ukrainian State Academy of Railway Transport, Artem St., 184, Donetsk, Ukraine, 83122, tel. +38 (067) 813 97 88, e-mail fomin1985@list.ru, ORCID 0000-0003-2387-9946
APPLICABILITY ANALYSIS OF HEXAHEDRAL HOLLOW PROFILES AS COMPONENT ELEMENTS OF SUPPORTING SYSTEMS FOR GONDOLA CARS
Purpose. The purpose of work is presentation of features and results of the conducted works on determination of introduction expedience of hexahedral hollow profiles as the component elements of the modern supporting systems of railway freight gondola cars. Methodology. During the research an introduction methodology of different types of profiles as alternative to the existent supporting elements of the body module for freight car was used. This methodology had been developed by the author before. It is oriented to the reduction in material consumption and providing of strength requirements and operating reliability of the car design under study. The developed methodology includes the procedures of admissible values calculation of the resistance moments of the section of the hexahedral hollow profile, which is being introduced. It also includes the determination of optimum (i.e. characterized by the minimum material consumption when meeting the durability requirements) values of height and minimum thickness of profile in the conditions of construction limitations. At the same time the admissible resistance moments are calculated as such, which are equal to the value of existent implementation of supporting element or as such that are determined taking into account the surplus design reserve. The first direction is applied in this work. Findings. As a result of the conducted research the introduction expedience of hexahedral hollow profiles as vertical rods of the lateral and latitude belts of the walls of the butt-end freight gondola cars is grounded and the optimum parameters of such replacements are determined. Originality. The problem of the use expedience of hexahedral hollow profiles as the supporting elements of the freight gondola cars bodies was first considered in the article. To solve this problem the mathematical models describing the dependence of basic strength and mass indexes of the proper profiles on varying the geometrical parameters, as well as the auxiliary graph are developed. Practical value. Practical implementation of the results of conducted research for universal freight gondola cars will reduce their empty weight and accordingly increase their lifting capacity for almost 100 kg. upon the implementation of durability and operating reliability requirements. This taking into account the large scale of their park will provide a considerable economic effect at their producing and operation. The materials developed and presented in the article can be used for consideration and solution of analogical tasks for other types of freight cars, and also for other facilities of the transport engineering. According to the results of the work an invention application of Ukraine was applied.
Keywords: gondola cars; component elements of supporting systems; hexahedral hollow profile
REFERENCES
1. Gorobets V.L., Savvin Yu.I. Model vynoslivosti materialov i konstruktsiy s uchetom evolyutsii ikh mekha-nicheskikh kharakteristik [Durability model of materials and structures, taking into account the evolution of their mechanical characteristics]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho trans-portu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2008, issue 21, pp. 7-15.
2. Gorobets V.L. Otsenka koeffitsientov zapasa vynoslivosti i ekvivalentnykh po razrushayushchey sposobnosti tsiklicheskikh napryazheniy po dannym naturnykh ispytaniy podvizhnogo sostava [Evaluation of durabity factors and equivalent cyclic stresses according to destroying ability on the field tests of rolling stock]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bul-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 6 (54)
letin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2003, issue 1, pp. 116-122.
3. GO ST 26725-97. Poluv agony chetyrekhosnyye universalnyye magistralnykh zheleznykh dorog kolei 1520 mm. Obshchiye tekhnicheskiye usloviya [State Standard 26725-97. Four-axle universal gondola cars of the mainline railroads with the track 1520 mm]. Kyiv, Gosstandart Ukrainy Publ., 1999. 13 p.
4. Yermakov S.M., Zhiglyavskiy A.A. Matematicheskaya teoriya optimalnogo eksperimenta [Mathematic theory of optimal experiment]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 320 p.
5. NB ZhT TsV 01-98. Vagony gruzovyye zheleznodorozhnyye. Normy bezopasnosti. MPSRossiya [NB ZhT TsV 01-98. Railway freight cars. Safety Regulations. Ministry of Transportation in Russia]. Moscow, VNIIV-VNIIZhT Publ., 1998. 17 p.
6. Normy dlya rascheta i proyektirovaniya novykh i moderniziruyemykh vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh) [The rules for calculation and design of new and modernized railway cars Transportation Ministry with the track 1520 mm (non-self propelled)]. Moscow, VNIIV-VNIIZhT Publ., 1983. 260 p.
7. Normy rascheta i proyektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh) [The rules for calculation and design of railway cars of Transportation Ministry with the track 1520 mm (non-self propelled)]. Moscow, GosNIIV-VNIIZhT Publ., 1996. 354 p.
8. Fomin O.V. Alhorytm vyznachennia optymalnykh heometrychnykh parametriv skladovykh elementiv vantazhnykh vahoniv na osnovi uzahalnenykh matematychnykh modelei [Algorithm for determining the optimal geometric parameters of the constituent elements of freight cars based on generalized mathematical models]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 6 (48), pp. 140-146.
9. Fomin O.V. Doslidzhennia defektiv ta poshkodzhen nesuchykh system zaliznychnykh napivvahoniv [The study of defects and damages of bearing systems of gondolas]. Kyiv, DETUT Publ., 2014. 299 p.
10. Fomin O.V. Optymizatsiine proektuvannia elementiv kuzoviv zaliznychnykh napivvahoniv ta orhanizatsiia yikh vyrobnytstva [Optimization design of the body elements of railway gondolas and organization of their production]. Donetsk, DonlZT UkrDAZT Publ., 2013. 251 p.
11. Zhao F., Xie J., Yuan Y., Shi X. Damage calculation and fatigue life prediction for freight car body. Advanced Materials Research, 2013, vol. 652-654, pp. 1357-1361. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.652-654.1357.
12. Konyukhov A.D., Drits A.M., Shurtakov A.K. Properties of welds of sheets, made of 1565ch (1565) alloy, applied to the bodies of freight cars. Tsvetnye Metally, 2014, no. 3, pp. 71-76.
13. Zhao F., Xie J. Influence of small stress cycles on the fatigue damage of C70E car body. Journal of Mechanical Engineering, 2014, vol. 50, issue 10, pp. 121-126. doi: 10.3901/jme.2014.10.121.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. Г. Пузирем (Украгна); д.т.н.,
проф. С. В. Мямл1ним (Украта)
Надшшла до редколегп: 20.08.2014
Прийнята до друку: 23.10.2014
