CC BY
15
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
УДК 629.46.02
О. В. ФОМ1Н1, А. А. СТЕЦЬКО2*, в. е. ОСЬМАК3
1Каф. «Вагони та вагонне господарство», Державний економ1ко-технолог1чний ушверситет транспорту, вул. I. Опенка, 19, Ки!в, Украша, 03049, тел. +38 (067) 813 97 88, ел. пошта fomin1985@list.ru, ORCID 0000-0003-2387-9946
2*Каф. «Вагони та вагонне господарство», Державний економжо-технолопчний ушверситет транспорту, вул. I. Опенка, 19, Кшв, Украша, 03049, тел. +38 (063) 243 97 47, ел. пошта stetsko.anton@mail.ru, ORCID 0000-0002-9232-2968
3Каф. «Вагони та вагонне господарство», Державний економжо-технолопчний ушверситет транспорту, вул. I. Опенка, 19, Кшв, Украша, 03049, тел. +38 (067) 220 27 56, ел. пошта vic5@ukr.net, ORCID 0000-0003-2459-554X
РОЗПОД1ЛЕНЕ ЗОВШШНе ПОВЕРХНЕВЕ ЗМ1ЦНЕННЯ ВАГОННИХ КОНСТРУКЦ1Й МЕТОДОМ НАВИВАННЯ
Мета. Робота передбачае висвплення особливостей та результатiв проведеного авторами дослвдження з визначення можливостi та доцшьносп створення попередньо напружено-деформованого стану вантажних вагонiв методом навивания з метою полшшення гх мiцнiсних характеристик. Також необхщним е представления теоретичного обгрунтування ефективностi застосування даного методу для вагонних конструкцiй та вщповщного прикладу для вагона-цистерни. Методика. Проведене дослвдження базуеться на результатах аналiзу ввдомих робiт iз теми, математичному обгрунтуваннi та комп'ютерному моделюваннi. При розраху-нках складових рухомого складу використаш сучаснi загальноприйнятi методики. Результати. Авторами з'ясовано, що метод навивання для створення попередньо напружено-деформованого стану е ефективним та доцшьним для застосування в конструкцiях рухомого складу залiзниць та, зокрема, у вантажних вагонах. Конструкци вантажних вагонiв iз попередньо напружено-деформованим станом характеризуються рядом мщшсних переваг, серед яких можна видiлити покращення роботи зi сприйняття експлуатацiйних наванта-жень та збереження ресурсу. Наукова новизна. Вперше запропоновано удосконалення несучо! здатностi конструкцiй вантажних вагошв шляхом створення И складових у спрямованому напружено-деформованому станi. Також вперше запропоновано застосування розподшеного зовшшнього поверхневого змiцнення методом навивання для створення попередньо напружено-деформованого стану конструктивних елеменлв вантажних вагошв. Розглянуто способи навивання для конструкцш вантажних вагонiв та гх впровадження. Практична значимiсть. В результатi проведених дослвджень розроблено ряд технiчних ршень iз удосконалення конструкцiй вантажних вагошв та контейнера-цистерни, що було запатентовано. В статп частково наведено вщповвдш ршення для вагона-цистерни. Практичне впровадження таких рiшень дозволить суттево полiпшити технiко-економiчнi та експлуатацiйнi показники вагонних конструкцiй.
Ключовi слова: залiзничний транспорт; вантажний вагон; спрямований напружено-деформований стан; несучi системи; навивання; контейнер-цистерна
Вступ
В1тчизняний зал1зничний транспорт вщграе виключну роль у нащотальнш економщ, е основою виробничих зв'язюв м1ж окремими реп-онами та крашами. Це визначае особлив1 вимо-ги [10-12] до сучасного рухомого складу, най-
бшьш чисельна та вагома частка якого нале-жить вантажним вагонам.
Головним несучим елементом вантажних вагошв е рама [5, 7, 9, 13], як основш складов1 елементи яко! можна видшити: хребтову, про-м1жш та поздовжш, шворнев1, лобов1 (кшцев1) балки. Результати анатзу перспективних для
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
вагонобудування профшв [5, 11] та досвщу шших галузей машинобудування [5, 10] вказа-ли на доцшьшсть розгляду питання впрова-дження труб круглого перер1зу як несучих складових вагошв.
У робот [12] наведет результата та особли-восп виконаних дослщжень з впровадження труб круглого перер1зу як складових елеменпв кузов1в вантажних вагошв, яю шдтвердили пра-вильнють та перспектившсть такого напрямку.
Проблемами полшшення несучих конструк-цш вагошв займалося багато наукових шкш та вчених (Лазарян В. А., Бубнов В. М., Манашкш Л. А., Блохш G. П., Данович В. Д., Савчук О. М., Богомаз Г. I., Науменко Н. Ю., Фшшов В. М., Горобець В. Л., Пшшько О. М., Барбас Й. Г. та rnmi).
Водночас одним з ефективних метод1в вдо-сконалення конструкци вантажних вагошв вва-жаеться створення попередшх напружень, що досягаються навиванням високомщного дроту, скловолокна або стр1чки на !х несуч1 елементи, що виконаш з порожнистих замкнутих профшв [2]. При цьому в стшках (несучих елементах) створюються зусилля, зворотш за знаком до робочих. У цьому випадку спостер1гаеться пе-рерозподш напружень, що можна корисно ви-користати при проектуванш зниженням товщи-ни стшки i створенш бшьш мщно! та з збшь-шеним ресурсом конструкци за рахунок вирiв-нювання кшьцевих i поздовжнiх напружень [3].
Спошб створення попереднiх напружень широко застосовуеться в апаратах високого тиску [1, 3, 4, 6]. Однак анатз лторатури свiдчить, що науково-техшчна проблема застосування попе-реднього напруження в несучi системи вантажних вагошв не обгрунтована та не дослщжена.
Мета
Мета роботи полягае в дослщженш можли-востi та доцшьносп створення спрямованого попередньо напружено-деформованого стану елементiв вантажних вагошв методом навивання з метою полшшення !х мiцнiсних характеристик.
Методика
Навивання дроту посилюе конструкцiю, тим самим тдвищуючи ефективнiсть И викори-стання за рахунок зниження собiвартостi виго-товлення та експлуатацil шляхом: зниження И
матерiалоемностi, пiдвищення вантажопiдйом-ностi, ремонтопридатносп та корозiйноl стiй-костi при виконанш умов мiцностi та експлуа-тацiйноl надiйностi.
Навивання обмотки на цилiндричнi оболон-ки найбiльш ефективна у випадках, коли обо-лонка сприймае внутрiшнiй надлишковий тиск. До того ж, при заданому робочому тиску за до-помогою вiдповiдного армування можна iстот-но знизити витрати металу. Як обмотка можуть застосовуватися високомiцний стальний дргг або стрiчка, а також склонитки, що навивають-ся в один або кшька шарiв. Внутрiшню оболон-ку можна виготовляти з лис^в сталi, алюмiнiевих або титанових сплавiв.
Основна iдея тако! конструкц^' - за допомо-гою високомiцноl попередньо розтягнуто! обмотки перерозподiлити зусилля в конструкци таким чином, щоб розвантажити внутршнш шар (зробити його бшьш тонким) iз менш мщ-ного матерiалу i в разi використання алюмiнiе-вих або титанових сплавiв - бiльш дорогого матерiалу.
Навивати дрiт або стрiчку можна або в кшь-цевому напрямку, або по страт пiд кутом до повздовжньо! осi оболонки. При навиванш напружено! арматури по спiралi зменшуються не тiльки кшьцев^ й повздовжнi навантаження у внутршнш оболонцi вiд розрахункових наван-тажень. Цей спошб доречний для котлiв ваго-нiв-цистерн та контейнерiв-цистерн, в яких од-ночасно можуть бути перенапружеш i сферичнi днища [2, 8], а також перспективних несучих систем вантажних конструкцш iз порожнистих замкнутих профшв. Внутрiшня оболонка може слугувати основою для навивання i мати мiнiмальну товщину, що визначаеться умовою забезпечення стшкосп li при навиваннi першо-го шару i корозiйною стiйкiстю матерiалу в разi агресивностi робочого середовища. Товщина обмотки при цьому вийде достатньо великою.
Технологiчно найбiльш простий спосiб кiльцевого навивання, коли витки вкладаються щiльно один до одного або розташовуються з деяким кроком. Але тодi зменшуються тшьки кiльцевi навантаження по внутрiшнiй оболонцi. Оскшьки в цилiндричному резервуарi при внутршньому тиску кiльцевi напруження в 2 рази бшьш^ нiж повздовжнi, то за допомогою кшьцево! обмотки можна отримати рiвномiцну
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^HinponeTpoBcbKoro Ha^oHanbHoro yHiBepcHTeTy 3ani3HHHHoro TpaHcnopTy, 2017, № 2 (68)
b o6ox HanpaMKax KoHcrpyK^ro. B цboмy Bunag-Ky MiHiManbHa TOB^HHa o6onoHKH BH3HanaeTbca ii M^mcrro b noB3goB^HboMy HanpaMKy, ocKinb-kh o6MoTKa b цboмy HanpaMKy He npaцroe. Heo6-xigHa ToB^HHa o6motkh Buxogurb 3HanHo MeH-me, h™ TOB^HHa o6onoHKH. I3 3a3HaneHoro mo-^Ha 3po6uTH bhchobok, ^o k№^bhm HaBHBaH-HaM Mo^Ha 3MeHmHTH Bary BHyTpimHboi o6onoHKH b 2 pa3H (He BpaxoByronu Bary o6mot-kh). Einbmoro e^eKTy Mo^Ha gocarru, aK^o o6onoHKa 6yge BHKoHaHa 3 Marepiany 3 MeHmuM MogyneM npy^Hocri, h™ o6MoTKa.
Po6oTy цнniнgpнннol o6onoHKH 3 HaBHBaHHaM, aK i po6oTy 6ygb-aKoi nonepegHbo-Hanpy^eHoi KoHcrpyKuji, Mo^Ha po3ginHTH Ha gBa eTanu. ne-pmuM BH3HanaeTbca nonarKoBHMH Hanpy^eHHaMH, ^o 3'aBnaroTbca b o6onoH^ nicna HaBHBaHHa Ha Hei o6motkh 3 nonepegHiM Hanpy^eHHaM. flpyruM eTan xapaKTepu3yeTbca po6oToro nonepegHbo-Hanpy^eHoro pe3epByapa Ha BHyTpimHiM thck.
Po3paxyHoK TaKoi KoHcrpyK^i nonarae y Big-noBigHoMy nig6opi $i3HKo-MexamnHHx xapaKTe-phcthk MarepianiB o6ox mapiB i lx tob^hhh, a Ta-ko^ Bu6opy BenuHHHH nonepegHboro Hanpy^eHHa (i, y pa3i noTpe6u, KyTa HaMoTyBaHHa), ^o6 npu gocarHeHHi po6onoro TucKy y Bcix eneMernax KoHcTpyK^i 6yB 3a6e3neneHHH 3agaHHM 3anac Mi-цнocтi npu MimManbHm BapTocTi KoHcrpyK^i [2].
Po3rnaHeMo Hanpy^eHHH cTaH цнniнgpнннol o6onoHKH 3 o6motkom, ^o niggaeTbca gii BHyTpimHboro TucKy p Ha 6inHy noBepxHro i no-B3goB^Hboi cunu Nx (puc. 1) (gna 3aMKHyToro pe3epByapa BoHa BH3HanaeTbca thckom Ha gHH-^e). ToB^HHa o6onoHKH nocriMHa no goB^HHi. 06MoTKa piBHoMipHo po3nogineHa B3goB^ TBip-hoi. Po3paxyHKoBa TOB^HHa ii BH3HanaeTbca nno^ero nonepenHoro nepepi3y BHTKiB, ^o npu-xogaTbca Ha ogнннцro goB^HHH o6onoHKH (a6o KinbKocTi MaTepiany Ha 1 cm2 noBepxHi o6onoHKH npu KociM нaвнвцi). nepeg6anaeTbca, ^o tob^h-Ha o6onoHKH i o6motkh Mani nopiBHaHo 3 pagiycoM, ToMy KoHcrpy^iro Mo^Ha BBa^aTH ToHKocTiHHoro [2, 8].
BBoguMo TaKi no3HaneHHa: r - pagiyc o6onoH-kh; 51 - ToB^HHa o6onoHKu; 52 - ToB^HHa o6-motkh, piBHa 5 2= ft, ge f - nno^a nonepenHoro nepepi3y BHTKa; t - KpoK BHTKiB; E1, ^ - Mogynb npy^Hocri i Koe^i^eHT nyaccoHa MaTepiany o6onoHKu; E2 - Mogynb npy^Hocri MaTepiany o6-motkh.
Puc. 1. Po3paxyHKoBa cxeMa цнniнgpнннol o6onoHKH 3 o6motrom
Fig. 1. Diagram of cylindrical shell with winding
^k^o Ha o6onoHKy HaBHBaTH gpiT 3 3agaHHM (KoHTponboBaHHM) Hanpy^eHHaM <rk , to nicna HaBHBaHHa Hanpy^eHHa b HiM BuaBHTbca MeHmuM BHacnigoK npy^Hoi ge^opMa^i o6onoHKH. Ha-npy^eHHa b кoнcтpyкцil BHyTpimHbo ypiBHoBa-^eHi - ^ 3ycunna, ^o npuxoguTbca Ha ogнннцro goB^HHH o6onoHKH, piBHi i npoTHne^Hi 3a 3Ha-kom BignoBigHoMy 3ycunnro b o6мoтцi. nepeg6a-naeTbca, ^o nig giero o6motkh b o6onoH^ bhhh-KaroTb TinbKH npy^Hi ge^opмaцil.
Bupi^eMo gBoMa кinbцeвнмн i gBoMa noB3go-B^HiMH nepepi3aMH oguHHHHHH eneMeHT o6onoH-kh i no3HanuMo 3ycunna, ^o giroTb b HboMy b 3a-ranbHoMy BunagKy nicna HaBHBaHHa TaK, aK noKa-3aHo Ha puc. 2.
npu Kinb^BoMy HaBHBaHHi Mo^Ha 3anucaTH
N01 - N02 = 0 a6o
°0151 - O0252=0,
ge N01 i N02 - Kinb^Bi 3ycunna b o6onoнцi i o6-мoтцi; o 01 - Kinb^Be Hanpy^eHHa b o6onoнцi; o 02 - Hanpy^eHHa b o6мoтцi.
Puc. 2. OguHHHHHH eneMeHT, Bupi3aHHH i3 цнniнgpнннol o6onoHKH 3 o6motrow
Fig. 2. A single element cut from cylindrical shell with winding
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
В загальному випадку сшрального навивания обмотки в оболонщ з'являються початков! зу-силля в кшьцевому i повздовжньому напрямках:
N01 - N02 = 0)
Nxi - N2 = 0j
При одношаровому навиваннi напруження в оболонщ досягають заданого значення попе-реднього навантаження о 01, якщо напруження в шарi обмотки вщповщно до (1) буде дорiвню-вати:
0021 " 00
5,
(1)
розтяг. В обмотщ напруження вiд внутршнього тиску додаються до початкових розтягуючих. Повздовжиi зусилля при кiльцевому навиванш сприймаються тiльки оболонкою.
Вважаючи, що оболонка попередньо-напружена кiльцевою обмоткою навантажена рiвномiрним внутрiшнiм тиском р на бiчнiй по-верхиi i повздовжньою розтягуючою силою Nx (рис. 1), то отримаемо рiвняння рiвноваги сис-теми в кiльцевому i повздовжньому напрямках:
о151 + о252 = рг ;
Nx
0x 51 =
2пг
(2) (3)
де о01[ - напруження в оболонщ при навиванш першого шару обмотки; о02[ i 5 21 - напруження i товщина навитого шару обмотки.
Розглянемо процес навивання одного шару (/ = 1). Складемо рiвняння, в якому потенщаль-на енерпя деформацп попередньо розтягнуто! обмотки до li навивання прирiвнюеться до по-тенщально1 енерги металево! оболонки першого шару шсля навивання:
К ] ^ 5 ^ 52
01. г.
'-51 .
2Е1 1
2Е2
2Е2
за
Виражаючи величину о011 через о021
рiвнянням рiвноваги (1), отримаемо формулу для визначення напружень в навитому шарi дроту залежно вiд створюваного (контрольова-ного) напруження [о021 ] :
°021="
[0021 ] = [о021 ]
1+ Е2 52
>/1+к '
ЕД
де 1/V1 + к - коефiцiент ослаблення напружень в дротi, що показуе величину втрат попереднь-ого напруження вщ пружного обтиску оболонки. Вш залежить вiд спiввiдношення жорст-кост оболонки i обмотки.
При ди внутрiшнього тиску оболонка i обмотка в кiльцевому напрямку працюють разом. В оболонцi попередне напруження (стиск) посту-пово зменшуеться до нуля, а поим з'являеться
де о1 i ох - кшьцеве i повздовжне напруження в оболонщ; о 2 - кiльцеве напруження в обмотщ.
Характер змши кшьцевих напружень в обо-лонцi i обмотцi зi збiльшенням тиску р наведений на рис. 3 [2].
Через те, що при ди внутршнього тиску оболонка i обмотка деформуються разом i деформацп !х пружнi, маемо умову рiвностi кшь-цевих деформацп обох шарiв:
[(01 - x ) - 001 ]ЕГ = (02 - 002 ) ,
р \ - "-/ р
(4)
(величини напружень беруться зi сво1ми знаками).
р 1 Щк
§
/ \Одплонка ' \одможа
/о /
% а,. Щ
Phc. 3. fliarpaMa po6oTH nonepegHbo-HaBama^eHoi o6otohkh nig BHyTpimHiM thckom b npy^mn cragii
Fig. 3. Diagram of the pre-loaded shell under internal pressure in the elastic stage
flo цнх piBHHHb n0Tpi6H0 gogara pIbhhhhh piBHOBarn o6onoHKH b K№^BoMy HanpaMKy b CTagii nonepegHboro Hanpy^eHHa
00151 + 00252 = 0 .
(5)
21
Шука та npo^ec тpaнcпopтy. Вкник Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2017, № 2 (68)
В peзyльтaтi cyмicнoгo poзв'язaння piвнянь (2)-(5) мoжнa визначити нeвiдoмi знaчeння ю-льцeвиx нaпpyжeнь в oбoлoнцi i oбмoтцi:
pr + ц
Nx m S2 ——m —
2nr Sn
Gi =-
S1 + mS 2
•- G 0
S/
Nx
mpr - ц——m _2nr
S1 + mS 2
(6)
(7)
дe m = Е2/Е1.
Для замкнутого peзepвyapa Nx = pnr2 фopмyли (6) i (7) матимуть вигляд:
pr
ц S2^
1 + — m—
2S
1 У
S1 + mS2
mpr V1 - 2 S1 + mS2
- G0
S1'
(8)
(9)
S1 - mS2 (1 - ц )
S1 + mS2
(9)
вий нeдoлiк вcix цилiндpичниx oбoлoнoк, y якиx при внyтpiшньoмy raœy кiльцeвi на-пpyжeння в 2 рази бiльшe, нiж y пoвздoвжнix.
Poбoтa кoнcтpyкцiï ввaжaeтьcя пpyжнoю дo мoмeнтy пoяви плacтичниx дeфopмaцiï в o6o-лoнцi. При цьoмy oбмoткa пpoдoвжye працюва-ти пpyжнo, вoнa, як пpaвилo, витону-
ет^я з бiльш мiцнoгo мaтepiaлy. Якщo в фop-мyлi (8) прийняти кiльцeвi нaпpyжeння в o6o-лoнцi piвними мeжi тeкyчocтi мaтepiaлy gt , тo мoжнa oтpимaти знaчeння внyтpiшньoгo тиcкy, щo вiдпoвiдae кшцю пpyжнoï poбoти oбoлoнки:
pt =-
S1 + mS2
1 ц S2
1 + —m— 2 S1
Як видвд з нaвeдeниx фopмyл, poзпoдiлeння нaвaнтaжeнь в шapax peзepвyapa i того мiцнicть зaлeжaть вiд 6ara^ox фaктopiв: cпiввiднoшeння тoвщин oбoлoнки i oбмoтки, мoдyлiв пpyжнocтi мaтepiaлiв m, як викopиcтoвyютьcя, roœpe-дньoгo нaвaнтaжeння (а тaкoж кута нaxилy вит-кiв дo oci peзepвyapa при cпipaльнiй oбмoтцi). Bиxoдячи з ^oro, мoжнa cпpoeктyвaти peзep-вуар таким чишм, щo при зaдaниx наванта-жeнняx кiльцeвi i пoвздoвжнi нaпpyжeння в oбoлoнцi будуть oднaкoвi. Ц дocягaeтьcя CTbo-peнням нeoбxiднoгo пoпepeдньoгo нaпpyжeння. Знaчeння йoгo мoжe бути oтpимaнe з фopмyли (8) вpaxoвyючи (6) i (8) за yмoви
В poзpaxyнкax пoпepeдньo-нaпpyжeниx тон-струкцш мeтoдoм гpaничниx cтaнiв нaпpyжeнь в ycix eлeмeнтax при poзpaxyнкoвиx наванта-жeнняx нe пoвиннi пepeвищyвaти poзpaxyнкo-виx oпopiв мaтepiaлiв, щo викopиcтoвyютьcя (у paзi пoтpeби з вpaxyвaнням кoeфiцieнтiв yмoв poбoти). Poзpaxyнкoвi oпopи лиcтoвoгo пpoкaтy, з якoгo виготовляють oбoлoнки, нaвe-дeнi у вiдпoвiдниx rüCTax. За poзpaxyнкoвий oпip poзтягнeнню виcoкoмiцнoгo cтaльнoгo дpoтy вiдпoвiднo дo CHиП Н-В.3-72 приймають знaчeння тимчacoвoгo oпopy poзpивy дpoтy, щo вcтaнoвлeнe ГüCTaми, poздiлeнe на кoeфiцieнт бeзпeки пo мaтepiaлy 1,6. Пoзнaчaeмo ïx вiдпoвiднo R1 i R2.
Ha ocнoвi вищeнaвeдeнoгo з виpaзiв (2)-(5) мoжнa oтpимaти фopмyли для визнaчeння пo-тpiбниx тoвщин oбoлoнки i oбмoтки при зада-нoмy внyтpiшньoмy тиcкy:
f.
к - m
S1 =
pr
\
V R1
1
цш
R1
R1
(10)
1 (к - m)
V R1
цш
R1
Якщo пoпepeднe нaпpyжeння пepeвищye вe-личину (9), то при задашму внyтpiшньoмy тж-ку oбoлoнкa виявитьcя бiльш нaпpyжeнoю в пoвздoвжньoмy напрямку, нiж в кiльцeвoмy.
Taким чинoм, тiльки за дoпoмoгoю пoпepe-дньoгo нaпpyжeння мoжнa зpoбити цилiндpич-ний peзepвyap piвнoмiцним i пoдoлaти важли-
S2 =
pr
R1
R1
(11)
1 (к - m)
-01 +1 V R1 У
цш
R1
дe к = R2 / R1.
Цi фopмyли дають за^жв^ть тoвщин вiд
r
G1 = Gx
G
01
G
01
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
попереднього напруження. Величину його на-значають виходячи з конкретних умов з враху-ванням потреб забезпечення стшкосп оболонки пiд час навивання. Якщо необхiдно отримати однакову мщшсть в кiльцевому i повздовжньому напрямках резервуара, тобто найбшьш економiчну, то попередне напруження iз (10) i (11) в припущеннi о х = R1 дорiвнюе:
О01 = к - m (1 - ц)
R1 к + m
i залежить вiд спiввiдношения фiзико-механiчних властивостей матерiалiв оболонки i обмотки.
Результати
Ефективнiсть впровадження зазначеного вище математичного апарату було використано та попередньо перевiрено для наведених на рис. 4 конструктивних складових рухомого складу. При цьому застосовувались сучасш за-гальноприйнятi методи та шженерне програмне забезпечення. Попередньо з'ясовано, що засто-сування запропонованого методу попередньо напружено-деформованого стану дозволить покращити динамiчнi та статичш мiцнiстнi якостi конструкцiй в середньому на 15 %.
е - f
Рис. 4. Схематичне ввдображення потенцшних м1сць застосування на модулях ходових частин та кузова розподшеного зовшшнього поверхневого зм1цнення методом навивання:
а, б - бокова та надресорна балки в1зка модел1 18-100; в - рама европейського в1зка модел1 Y25; г - рама тепловоза 2ТЭ70; д - контейнер-цистерна; е - вагон-цистерна
Fig. 4. Schematic representation of potential locations for application of distributed external surface hardening by
winding on modules of undercarriage and body:
a, b - lateral and bolster beams of a bogie, model 18-100; c - frame of a European bogie, model Y25; d - frame of a locomotive 2TE70; e - tank-container; f - tank-car
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
б - b
г - d
Рис. 5. Дослщження напружено-деформованого стану рами вагона-цистерни:
а - прикладення зусиль до рами без навивания; б - напружений стан рами без навивання; в - прикладення зусиль до
рами з навиванням; г - напружений стан рами з навиванням
Fig. 5. Study of stress-strain state of a tank-car frame:
а - application of efforts to a frame without winding; b - stress state of a frame without winding; c - application of efforts to the frame with winding; d - stress state of a frame with winding
Бшьш поглиблено авторами було виконано анал1з ефективносп впровадження попередньо напружено-деформованого стану зокрема до рами вагона-цистерни. Були виконаш ком-плексш дослщження напружено-деформо-ваного стану рами вагона-цистерни в сучасно-му програмному комплекс (рис. 5). При цьому моделювались р1зн1 експлуатацшш випадки роботи рами, i вщповщно, схеми прикладення навантажень.
Попереднш розрахунок вказав на мож-ливiсть отримати такi позитивш результати: тару вагона знизити на 20 %; вантажошдйо-мнiсть шдвищити на 20 %; трiщиностiйкiсть покращити на 30 %; вартiсть виготовлення та експлуатацп знизити на 5 %.
Отримаш результати оцiнювання впрова-дження спрямованого напружено-деформо-ваного стану для вагонних конструкцш не су-перечать ранiше вщомим (в тому числi [8]) для металоконструкцш.
На сьогоднi виконуються авторами роботи з експериментального пiдтвердження отрима-них теоретичних результатiв.
Наукова новизна та практична значимкть
Дослiджено можливють удосконалення несучо! здатностi конструкцiй рухомого складу шляхом створення И складових в спрямованому напружено-деформованому станi. Запропоно-вано застосування методу навивання для попе-редньо напружено-деформованого стану ван-тажних вагонiв. Систематизовано особливостi навивання для конструкцш рухомого складу i !х впровадження.
Розроблено низку техшчних рiшень з удосконалення конструкцш вантажних вагонiв, зокрема контейнера-цистерни, що було запатентовано. Практичне впровадження таких ршень дозволить суттево полшшити И технiко-економiчнi та експлуатацшш показники.
Висновки
В результап виконаного дослщження пiдтверджено запропоновану авторами гшотезу з ефективностi створення спрямованого напру-жено-деформованого стану вагонних кон-
в - С
а - a
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
струкцш методом навивання. Так застосування такого шдходу дозволить покращити динамiчнi та статичнi мiцнiстнi якостi вагонних складо-вих в середньому на 15 %.
При впровадженнi спрямованого напружено-деформованого стану до складових вантажних вагонiв доцiльно використовувати наведенi в робот математичнi описання. Запропонований метод також доцiльно використовувати як дiевий засiб подовження ресурсу вагонних конструкцш та iнших вщповщальних складових рухомого складу. Зазначене забезпечуеться суттевою позитивною боротьбою з втомою !х складових.
В подальшому плануються бiльш детальнi ро-зрахунки з врахуванням технологи виготовлення та розрахунок ресурсу. В цш робот наведенi по-
переднi результати економiчноl ефективностi, якi в подальшому плануються бшьш детально та грунтовно визначити в тому числi з визначенням показникiв ресурсу.
Також в подальшому необхщно отриманi результати теоретичного дослщження та комп'ютерного математичного моделювання пiд-твердити експериментальними натурними випро-буваннями.
Наведений метод покращення техшко-економiчних та експлуатацiйних показниюв вагонних конструкцiй за рахунок полшшення !х динамчно1 та статично1 мiцностi також доцiльно використовувати при виршенш аналогiчних за-вдань для iнших засобiв транспортного машино-будування.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Айнабеков, А. И. Работа надземных предварительно напряженных трубопроводов при эксплуатационных нагрузках / А. И. Айнабеков, Б. Р. Арапов, У. С. Сулейменов // Наука и образование Южного Казахстана. - 2003. - № 35. - С. 12-14.
2. Беленя, Е. И. Предварительно-напряженные металлические листовые конструкции / Е. И. Беленя, С. М. Астряб, Э. Б. Рамазанов. - Москва : Стройиздат, 1979. - 192 с.
3. Беленя, Е. И. Предварительно-напряженные несущие металлические конструкции / Е. И. Беленя. -Москва : Стройиздат, 1975. - 416 с.
4. Воеводин, А. А. Предварительно напряженные системы элементов конструкций / А. А. Воеводин. -Москва : Стройиздат, 1989. - 298 с.
5. Дослвдження мщносп контейнера-цистерни удосконалено1 конструкцп в умовах експлуатаци / А. О. Ловська, О. В. Фомш, А. М. Окороков, О. М. Мельничук // Наука та прогрес транспорту. -2015. - № 2 (56). - С. 180-188. doi: 10.15802/stp2015/42177.
6. Перспективы применения предварительного напряжения в металлических конструкциях нефтеперерабатывающей промышленности / У. С. Сулейменов, А. Б. Молдагалиев, Н. Ж. Жанабай, М. К. Укибаев // Наука и образование Южного Казахстана. - 2005. - № 3. - С. 51-53.
7. Тартаковський, Е. Д. Удосконалення процесу керування локомотивом шляхом використання систем тдтримки прийняття ршень / Е. Д. Тартаковський, О. М. Горобченко, А. О. Антонович // Вост.-Европ. журн. передовых технологий. - 2016. - Т. 5, № (3 (83). - С. 4-11. doi: 10.15587/1729-4061.2016.80198.
8. Экспериментальный анализ колебаний предварительно напряженных магистральных трубопроводов / А. И. Айнабеков, У. С. Сулейменов, К. В. Аврамов [и др.] // Проблемы машиностроения. - 2016. -Т. 19, № 1. - С. 21-27.
9. Analysis of syngas formation and ecological efficiency for the system of treating biomass waste and other solid fuels with CO2 recuperation based on integrated gasification combined cycle with diesel engine / A. Y. Pilatau, H. A. Viarshyna, A. V. Gorbunov [et al.] // J. of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. - 2014. - Vol. 36. - Iss. 4. - P. 673-679. doi: 10.1007/s40430-014-0166-7.
10. Determination of the dynamic characteristics of freight wagons with various bogie / S. Myamlin, L. P. Lingaitis, S. Dailydka [et al.] // Transport. - 2015. - Vol. 30. - Iss. 1. - P. 88-92. doi: 10.3846/16484142.2015.1020565.
11. Fomin, O. V. Increase of the freight wagons ideality degree and prognostication of their evolution stages / O. V. Fomin // Науковий вюник НГУ. - 2015. - № 3. - P. 68-76.
12. Fomin, O. V. Modern requirements to carrying systems of railway general-purpose gondola cars / О. V. Fomin // Metallurgical and Mining Industry. - 2014. - No. 5. - P. 31-43.
13. Formation of an automated traffic capacity calculation system of rail networks for freight flows of mining and smelting enterprises / S. V. Panchenko, T. V. Butko, A. V. Prokhorchenko, L. O. Parkhomenko // Науковий вюник НГУ. - 2016. - № 2. - P. 93-99.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
РУХОМИИ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
А. В. ФОМИН1, А. А. СТЕЦКО2*, В. Е. ОСЬМАК3
'Каф. «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта, ул. И. Огиенко, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (067) 813 97 88, эл. почта fomin1985@list.ru, ORCID 0000-0003-2387-9946
2*Каф. «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта, ул. И. Огиенко, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (063) 243 97 47, эл. почта stetsko.anton@mail.ru, ORCID 0000-0002-9232-2968
3Каф. «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта,
ул. И. Огиенко, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (067) 220 27 56, эл. почта vic5@ukr.net, ORCID 0000-0003-2459-554X
РАСПРЕДЕЛЕННОЕ ВНЕШНЕЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ ВАГОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ НАВИВКИ
Цель. Работа предполагает освещение особенностей и результатов проведенного авторами исследования по определению возможности и целесообразности создания предварительного напряженно-деформированного состояния грузовых вагонов методом навивки с целью улучшения их прочностных характеристик. Также необходимо представление теоретического обоснования эффективности применения данного метода для вагонных конструкций и соответствующего примера для вагона-цистерны. Методика. Проведенное исследование базируется на результатах анализа известных работ по теме, математическом обосновании и компьютерном моделировании. При расчетах составляющих подвижного состава использованы современные общепринятые методики. Результаты. Авторами установлено, что метод навивки для создания предварительно напряженно-деформированного состояния является эффективным и целесообразным для применения в конструкциях подвижного состава железных дорог и, в частности, грузовых вагонов. Конструкции грузовых вагонов с предварительным напряженно-деформированным состоянием характеризуются рядом прочностных преимуществ, среди которых можно выделить улучшение работы по восприятию эксплуатационных нагрузок и сохранение ресурса. Научная новизна. Впервые предложено усовершенствование несущей способности конструкций грузовых вагонов путем создания ее составляющих в направленном напряженно-деформированном состоянии. Также впервые предложено применение распределенного внешнего поверхностного упрочнения методом навивки для создания предварительно напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов грузовых вагонов. Рассмотрены способы навивки для конструкций грузовых вагонов и их внедрения. Практическая значимость. В результате проведенных исследований разработан ряд технических решений по совершенствованию конструкций грузовых вагонов и контейнера-цистерны, что было запатентовано. В статье частично приведены соответствующие решения для вагона-цистерны. Практическое внедрение таких решений позволит существенно улучшить технико-экономические и эксплуатационные показатели вагонных конструкций.
Ключевые слова: железнодорожный транспорт; грузовой вагон; направленное напряженно-деформированное состояние; несущие системы; навивка; контейнер-цистерна
O. V. FOMIN1, A. A. STETSKO2*, V. Y. OSMAK3
*Dep. «Cars and Carriages Economy», State Economic and Technological University of Transport, Ohiienko I. St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (067) 813 97 88, e-mail fomin1985@list.ru, ORCID 0000-0003-2387-9946
2*Dep. «Cars and Carriages Economy», State Economic and Technological University of Transport, Ohiienko I. St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (063) 243 97 47, e-mail stetsko.anton@mail.ru, ORCID 0000-0002-9232-2968 3 Dep. «Cars and Carriages Economy», State Economic and Technological University of Transport, Ohiienko I. St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (067) 220 27 56, e-mail vic5@ukr.net, ORCID 0000-0003-2459-554X
DISTRIBUTED EXTERNAL SURFACE HARDENING OF CAR DESIGN BY WINDING
Purpose. The paper involves coverage of features and results of the research conducted by the authors to determine the feasibility and establishment of pre-stressed-strained state of freight cars by winding in order to improve their strength characteristics. It is also necessary to present the theoretical justification for the effectiveness of the application of this method for car designs and an appropriate example for the tank-car. Methodology. The conducted study is based on an
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 2 (68)
analysis of known works on the subject, mathematical justification and computer modeling. At the calculations of rolling stock components contemporary conventional techniques were used. Findings. Authors found that the winding method for pre-stressed-strained state is effective and appropriate for use in the construction of railway rolling stock and, in particular freight cars. Freight car designs with the pre-stressed-strained state are characterized by a number of strength advantages, among which there is an improvement of the work on the perception of operational loads and resource conservation. Originality. For the first time it is proposed the improvement of bearing capacity of freight car constructions through the creation of its component in the directed stress-strained state. It is also for the first time proposed the use of distributed external surface hardening by the method of winding to create a pre-stress-strained state of structural components of freight cars. The methods for winding designs of freight cars and their implementation were considered. Practical value. The studies developed a number of technical solutions for improving the design of freight cars and tank-container, which has been patented. Corresponding solutions for the tank-car are partially presented. Practical implementation of such solutions will significantly improve the technical, economic and operational performances of car designs.
Keywords: railway transport; freight car; directed stress-strained state; bearing system; winding; tank-container
REFERENCES
1. Aynabekov, A. I., Arapov, B. R., & Suleymenov, U. S. (2003). Rabota nadzemnykh predvaritelno napryazhennykh truboprovodov pri ekspluatatsionnykh nagruzkakh. Science and Education of South Kazakhstan, 35, 12-14.
2. Belenya, Y. I., Astryab, S. M., & Ramazanov, E. B. (1979). Predvaritelno-napryazhennyye metallicheskiye listovyye konstruktsii. Moscow: Stroyizdat.
3. Belenya, Y. I. (1975). Predvaritelno-napryazhennyye nesushchiye metallicheskiye konstruktsii. Moscow: Stroyizdat.
4. Voevodin, A. A. (1989). Predvaritelno napryazhennyye sistemy elementov konstruktsiy. Moscow: Stroyizdat.
5. Lovska, A. O., Fomin, O. V., Okorokov, A. M., & Melnychuk, O. M. (2015). Research of a tank-container strength of improved construction using the computer simulation of operating conditions. Science and Transport Progress, 2(56), 180-188. doi: 10.15802/stp2015/42177
6. Suleymenov, U. S., Moldagaliev, A. B., Zhanabay, N. Z., & Ukibaev, M. K. (2005). Perspektivy primeneniya predvaritelnogo napryazheniya v metallicheskikh konstruktsiyakh neftepererabatyvayushchey promyshlen-nosti. Science and Education of South Kazakhstan, 3, 51-53.
7. Tartakovskyi, E., Gorobchenko, O., & Antonovych, A. (2016). Improving the process of driving a locomotive through the use of decision support systems. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5, 3(83), 4-11. doi: 10.15587/1729-4061.2016.80198
8. Aynabekov, A. I., Suleymenov, U. S., Avramov, K. V., Moldagaliev, A. B., Kambarov, M. A., Serikbaev, T. T., & Abshenov, K. A. (2016). Experimental analysis of prestressed pipelines vibrations. Problems of Mechanical Engineering, 19(1), 21-27.
9. Pilatau, A. Y., Viarshyna, H. A., Gorbunov, A. V., Nozhenko, O. S., Maciel, H. S., Baranov, V. Y., & Matus, A. (2014). Analysis of syngas formation and ecological efficiency for the system of treating biomass waste and other solid fuels with CO2 recuperation based on integrated gasification combined cycle with diesel engine. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 36(4), 673-679. doi: 10.1007/s40430-014-0166-7
10. Myamlin, S., Lingaitis, L. P., Dailydka, S., Vaiciunas, G., Bogdevicius, M., & Bureika, G. (2015). Determination of the dynamic characteristics of freight wagons with various bogie. Transport, 30(1), 88-92. doi: 10.3846/16484142.2015.1020565
11. Fomin, O. V. (2015). Increase of the freight wagons ideality degree and prognostication of their evolution stages. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 3, 68-76.
12. Fomin, O. V. (2014). Modern requirements to carrying systems of railway general-purpose gondola cars. Metallurgical and Mining Industry, 5, 31-43.
13. Panchenko, S. V., Butko, T. V., Prokhorchenko, A. V., & Parkhomenko, L. O. (2016). Formation of an automated traffic capacity calculation system of rail networks for freight flows of mining and smelting enterprises. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, 2, 93-99.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. П. Ткаченком (Украгна); д.т.н., проф. С. В. Мямл1ним (Украгна)
Надшшла до редколегп: 12.12.2016
Прийнята до друку: 23.03.2017
