CC BY
0
Старший преподаватель кафедры «Локомотивы», ОмГУПС.
Тел.: +7 (3812)37-60-82.
E-mail: vitalik_noskov@mail.ru
Фоменко Валентин Константинович
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация
Кандидат технических наук, доцент кафедры «Локомотивы», директор Института повышения квалификации и переподготовки, ОмГУПС.
Тел : +7(3812)37-60-82.
E-mail: fomenkovk@mail.ru
Четвергов Виталий Алексеевич
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).
Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.
Доктор технических наук, профессор
Тел:+7(3812)37-60-82.
E-mail: ChetvergovVA@omgups.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Анализ эффективности работы искрогасителя грузового локомотива серии 2ТЭ10 и оценка вероятности возникновения пожара / В А. Минаков, В О Носков, В. К. Фоменко, В. А. Четвергов. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. -№4(56).-С. 2-9.
Senior Lecturer of the department «Locomotives», OSTU.
Phone: +7(3812) 37-60-82.
E-mail: vitalik_noskov@mail ru
Fomenko Valentin Konstantinovich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Locomotives», director of the Institute of Advanced Training and Retraining, OSTU.
Phone: +7(3812)37-60-82.
E-mail: fomenkovk@mail.ru
Chetvergov Vitaliy Alekseevich
Omsk State Transport University (OSTU).
35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, professor.
Phone:+7(3812)37-60-82.
E-mail: Chetvergov VA@omgups. ru
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Minakov V.A., Noskov V.O., Fomenko V.K., Chetvergov V.A. Analysis of the efficiency of the spark extinguisher of the 2TE10 series freight locomotive and assessment of the probability of a fire. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 4 (56), pp. 2-9 (In Russian).
УДК 629.039.58
А. А. Ковалев, А. В. Андрюков
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), г. Екатеринбург, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ В УСЛОВИЯХ ГОЛОЛЕДООБРАЗОВАНИЯ
Аннотация. Наибольшее количество отказов на контактной сети происходит из-за недостатков в эксплуатационной работе, отклонении в технических параметрах элементов системы. Значительная часть нарушении связана с внешними климатическими факторами, например, с гололедом, который существенно повышает нагрузку на провода. Гололед является основным препятствием в процессе передачи тока по контактным проводам. Несмотря на то, что его продолжительность в течение года невелика, серьезные последствия, которые могут возникнуть в результате гололедообразования, требуют тщательной подготовки к борьбе с ним. Гололедообразование на контактном проводе ухудшает токосъем, вызывая образование электрической дуги. В статье приведена классификация состояний контактной сети, которая позволит правильно оцепить работоспособность системы и обеспечит правильные условия эксплуатации устройств контактной сети. По классификационному признаку выделено три вида состояния: работоспособное, предотказное и неработоспособное. На основе метода «псевдосостояний» был рассмотрен процесс возникновения отказов контактной сети по причине гололедообразования в виде графа состояний и переходов, который позволит повысить надежность устройств контактной сети на участках железнодорожных магистралей и спланировать мероприятия по предотвращению гололедообразования на проводах контактной подвески. Предложена структурная схема надежности при токосъеме, отличающаяся тем, что предлагаемая математическая модель процесса отказов устройств контактной сети будет иметь ряд обоснованных допущении и упрощений, позволяющих решить систему уравнений. По разработанной математической модели
мая т ИЗВЕСТИЯ Транссиба 9
=
было составлено уравнение Колмогорова, которое позволит рассчитать работоспособное состояние контактной сети и предотказное состояние ее устройств, подвергшихся гололедообразоваиию.
Ключевые слова: контактная сеть, надежность, отказ, неисправность, повреждение, граф состоянии, железная дорога.
Alexey A. Kovalev, Alexander V. Andryukov
Ural State University of Railway Transport (USURT), Ekaterinburg, the Russian Federation
RESEARCHING THE RAILWAYS CONTACT NETWORK DEVICES OPERATION RELIABILITY UNDER ICE FORMATION CONDITIONS
Abstract. The largest number of failures on the contact network occurs due to deficiencies in operational work, deviations in the technical parameters of the system elements. A significant part of the violations is associated with externa! climatic factors, for example, with ice, which significantly increases the load on the wires. Ice is the main obstacle in the process of.transmitting current through the contact wires. Despite the fact that its duration during the year is small, the serious consequences that may arise as a result of ice formation require careful preparation to combat it. Ice formation on the contact wire worsens the current collection, causing the formation of an electric arc. The article presents a classification of the contact network states, which will allow to correctly assess the system performance and ensure the correct operating conditions of the contact network devices. According to the classification feature, three types of condition can be distinguished: operable, pre-failure and inoperable. Based on the "pseudo-states" method, the process of contact network failures due to ice formation was considered in the form of a graph of states and transitions, which will increase the reliability of contact network devices on railway sections and plan measures to prevent ice formation on contact suspension wires. A physical model of the elements of the contact network exposed to ice is proposed, characterized in that the proposed mathematical model of the failure process of the contact network devices will have a number of assumptions and simplifications that allow it to be solved. According to the developed mathematical model, the Ko/mogorov equation ю compiled, which will allow calculating the operational state of the contact network and the pre-failure state of its devices subjected to ice formation.
Keywords: contact network, reliability, failure, malfunction, damage, status graph, railway.
За надежную работу любой технической системы отвечают все этапы ее жизненного цикла. Возьмем за пример такой элемент тягового электроснабжения, как контактная сеть, на которую воздействуют токовые (тяговые), эксплуатационные, механические и климатические нагрузки. Контактная сеть должна обеспечивать бесперебойную эксплуатацию всех своих устройств, состоящих из последовательно и параллельно соединенных элементов, которые в процессе эксплуатации подвергаются старению, разрегулировкам и отказам. Элементы контактной сети, соединенные между собой последовательно, приводят к отказу всей системы при отказе одного из них, поэтому обеспечивать безаварийную работу контактной сети -комплексная задача для отрасли [1].
Устройства контактной сети подвержены гололеду. Образование гололеда на устройствах контактной сети влияет на отказ системы. Обрыв струн может привести к повреждению токоприемника и т. д. Обеспечение работоспособности и надежного взаимодействия устройств контактной сети между собой при образовании гололеда является одной из главных проблем в отрасли железнодорожного транспорта [2].
Рассмотрим виды состояния контактной сети и влияние ее надежности на работоспособность железнодорожной транспортной инфраструктуры, которая обеспечит требуемые условия эксплуатации устройств контактной сети (рисунок 1).
Для возможности последующего применения устройств контактной сети можно выделить три вида состояний: работоспособное, предотказное и неработоспособное состояние [3].
Работоспособным называется такое состояние контактной сети, при котором значения всех параметров, характеризующих ее способность выполнять все заданные функции, соответствуют требованиям нормативной документации, а именно:
1) равномерная эластичность контактной подвески и постоянная масса ее по длине пролета, отсутствие резких изменений уклонов контактного провода в вертикальной плоскости и сосредоточенных масс на контактном проводе;
10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ЦИ №4(56) 2023
2) постоянное контактное нажатие при движении токоприемника;
3) допустимая стрела провеса контактного провода и несущего троса в середине пролета [4].
Рисунок 1 - Виды состояния контактной сети
Для того чтобы поддерживать работоспособность и исправность всех элементов контактной сети при их эксплуатации, необходимо проводить своевременное техническое обслуживание. В ходе осмотра контактной сети оценивается состояние устройств с устранением повреждений при их обнаружении, а при проследовании электроподвижного состава во время обходов визуально оценивается качество токосъема [5].
Неработоспособным состоянием контактной сети называется такое состояние, при котором она не может выполнить хотя бы одну из требуемых функций, которые в нее заложены.
После отказа всей системы контактной сети должно производиться внеплановое техническое обслуживание и при необходимости ремонт (замена) проводов контактной подвески. Все работники, обслуживающие контактную сеть, должны ознакомиться с заявками машинистов о неисправностях контактной сети и устранять эти неисправности, а также выявлять степень износа контактного провода и наличия на нем надломов, проводить мероприятия по предотвращению возникновения гололеда [5].
Предотказным состоянием называется состояние контактной сети, характеризуемое повышенным риском его отказа. Существует несколько климатических важных факторов, которые вызывают предотказное состояние контактной сети:
1) минимальная и максимальная температура окружающей среды;
2)гололедообразование;
3) атмосферное давление;
4) относительная влажность воздуха;
5) количество выпавших осадков.
Сведения о климатических условиях структурных подразделений Трансэнерго уточняются с использованием карты районирования территории Российской Федерации по климатическим характеристикам. Для выбора параметров окружающей среды, при которых возможно образование льда, можно использовать данные метеостанций и метеодатчиков Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды [6].
Ликвидация повреждения, вызванного процессом перевода контактной сети из предотказного состояния в исправное работоспособное, производится путем технического обслуживания по восстановлению.
Существует такое предельное состояние контактной сети, когда ее дальнейшая эксплуатация недопустима, либо техническое обслуживание, восстановление его работоспособного состояния и ремонт также нецелесообразны. Переход в такое состояние приводит к полном)' отказу всей системы (отклонение параметров от норм, при котором использование данной системы невозможно).
Для оценки надежности работы системы используется участок железнодорожной магистрали. Данный участок как сложная система функционирует дискретно в пространстве состояний и непрерывно во времени. Назначение такой системы заключается в том, чтобы обеспечить работоспособное состояние контактной сети при образовании гололеда на ее устройствах. С помощью метода «псевдосостояпий» имеющий место в этом случае немарковский процесс сводится к марковскому, т. е. когда будущее поведение системы зависит от настоящего и не зависит от предыстории процесса при введении следующих допущений [7]:
1) потоки отказов и восстановлений элементов контактной сети ординарны (отказ или восстановление не более одного элемента);
2) функционирование устройств контактной сети является случайным процессом, т. е. интенсивность появления отказа элемента контактной сети зависит от времени и представляет собой значение, равное среднему числу событий, наступивших в единицу времени.
На рисунке 2 представлена математическая модель в виде процесса отказов устройств контактной сети по причине гололедообразования.
Опора
-А.
Контактная подвеска
#
Консоль
Изолятор
Фиксатор
Рисунок 2 - Граф состояний и переходов контактной сети в состояние отказа при наличии гололедообразования для участков железнодорожной магистрали
Система может находиться
- в исправном состоянии (0) и обеспечивать движение поездов на 100 %;
-работать с пониженной эффективностью из-за повреждения одного из элементов (состояния оранжевого цвета);
- в неработоспособном состоянии из-за полного отказа одного из элементов контактной сети (состояние красного цвета).
Переход из одного состояния в другое характеризуется отказом или восстановлением только одного устройства контактной сети. Каждый элемент характеризуется средним временем между его отказами Toi и интенсивностью отказов hj, средним временем восстановления Тв, и интенсивностью восстановления ц/(, где i - состояние элемента перед отказом (после восстановления); у-состояние элемента после отказа. Исходя из решения этой системы и знания средних значений времени между отказами элементов контактной сети и времени их восстановления могут быть рассчитаны основные показатели надежности:
л 1
О)
1 oi
где - интенсивность отказов,
и ^//=7"' (2)
1 в/
где - интенсивность восстановлений.
Для расчета надежности любых систем с целью определения наиболее эффективных режимов эксплуатации, стратегий технического обслуживания и ремонтов необходимо правильно составить структурную схему надежности - наглядное представление условий, при которых работает или не работает исследуемая система [7, 8].
На рисунке 3 представлен вариант последовательной структуры в виде работы элементов контактной сети при токосъеме, подвергающихся различным климатическим факторам, на основе которой будет выполнен расчет схемы надежности.
7
!№4<56) мая т ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13
щ
Рассмотрим работу устройств контактной сети. С точки зрения надежности все элементы контактной сети имеют последовательную структуру, т. е. последовательно соединяются элементы контактной сети, повреждение каждого из которых приводит к повреждению системы. Система состоит из восьми объектов. Повреждение системы наступает тогда, когда произойдет частичный отказ опоры контактной сети (8), консоли (7), фиксатора (6), изолятора (5), несущего троса (4), струны (3), контактного провода (2) и токоприемника (1).
Тогда граф состояний и переходов контактной сети в состояние предогказа в условия гололедообразования при последовательном соединении элементов будет иметь ветвящийся вид (рисунок 4).
Рисунок 4 - Итоговая математическая модель процесса отказов устройств в условиях гололедообразования
При расчете надежности математической модели с восстановлением необходимо учитывать некоторые особенности системы.
После включения питания контактная сеть должна безотказно работать заданное время и перерывы в работе недопустимы. Для системы с восстановлением рассчитывается вероятность непрерывной безотказной работы (условная вероятность безотказной работы).
При этом возможность обратных переходов из неработоспособного (поглощающего) состояния в исправное работоспособное не рассматривается [9].
Описать исследуемый процесс можно с помощью системы уравнений Колмогорова, которая включает в себя нахождение вероятностей в исправном работоспособном состоянии контактной сети и предотказном состоянии ее устройств, подвергшихся гололедообразо-ванию.
Составим такую систему уравнений (3) по следующим правилам:
слева от знака равенства в уравнениях системы (3) находится производная от вероятности
¿р^уж-
справа от знака равенства в уравнениях системы (3) стоит сумма произведений вероятностей всех переходов, входящих в состояние системы (входящие стрелки), на интенсивности состояния, умноженная на суммарную интенсивность переходов, выводящих из данного состояния систему.
14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба™"
dP.it
сН
+ Ми>Р dP.it
dt dp.it
а dp.it
л
dP.it
dt dP.it
dt
dP.it
dt dP.it
dt dP.it
сН
— ( Л(п Л02 Л03 Л04 Я05 Л06 Л07 Л08 )Р0 (7) +
О) + м20р2 (/ ) + мюРЛО + м40р4 О) + р5 о) + (/) + С) + /'80 А (0;
= д01р0(/)-//10р1(0; = я02р0 (0-/^(0;
= д03р0(0-//зо^з(0; = я04Р0(/)-//4ОЛ(0;
= д0Гр0 (0 -//7„р7(0;
= л08Р0(0-//8<Л(0-
(3)
Для решения системы (3) нужно добавить еще одно уравнение, которое определяет нормировочное условие, поскольку сумма вероятностей всех состояний системы равна единице:
р0«)+р1(0+р2м+р3(0+р4(0+р5«)+р6«) + р7«)+р,(0 = 1.
Начальные условия решения системы (3):
(4)
ДО = />(0) = ...= />(0).
(5)
В установившемся режиме эксплуатации г —> оо. Чтобы найти финальные вероятности состояний, в уравнениях Колмогорова отбросим первое уравнение и найдем Ро из последнего уравнения. Данная система принимает следующий вид:
Лм^оСО-
-^(0 = 0; т/20Д(0 = 0; //3„Р3(0 = 0; //4оР4(О = 0; /^(0 = 0;
■мМО = 0;
(6)
Предлагаемая модель процесса отказов устройств контактной сети при образовании гололеда позволит повысить надежность работы устройств контактной сети в условиях
образования гололеда и обеспечит нормальную совместную работу контактной сети с токоприемниками:
1) уменьшается вероятность снижения статического контактного нажатия на токоприемник;
2) уменьшается вероятность обрыва и пережога контактных проводов при наличии гололеда.
На основе графа состояний и переходов для соединенных между собой устройств контактной сети можно произвести следующее:
рассчитать вероятность безотказной работы системы, вероятности предотказного состояния устройств и построить график функции надежности за определенный период наблюдения;
по полученному графику определить финальную вероятность отказа контактной сети из-за гололедообразования на участках железнодорожных магистралей, тем самым уточнить предлагаемый расчет;
оценить риск появления гололеда на участке контактной сети, где потребуется планирование мероприятий по предупреждению гололедообразования.
Для верификации модели планируется провести дополнительные исследования с целью определения факта возникновения неблагоприятных условий на участке контактной сети, которые могут привести к образованию гололеда.
Список литературы
1. Марквардт, К. Г. Контактная сеть / К. Г. Марквардт. - Москва : Транспорт, 1994. -335 с. - Текст : непосредственный.
2. Бунзя, А. В. Разработка устройства удаления гололеда с двойного контактного провода импульсно-резонансным методом на основе управляемого преобразователя : специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Бунзя Андрей Вадимович ; Уральский гос. ун-т путей сообщения. - Екатеринбург, 2007. - 185 с. - Текст : непосредственный.
3. ГОСТ Р 27.102-2021. Надежность в технике. Надежность объекта. Термины и определения. - Москва : Стандартииформ, 2021. - 40 с. - Текст : непосредственный.
4. Ковалев, А. А. Оценка влияния стрел провеса контактного провода на возможность повышения скорости движения на участке контактной сети «Екатеринбург - Челябинск» / А. А. Ковалев, А. В. Андрюков. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. - 2023. -№ 1 (76).-С. 116-119.
5. Бутенко, Е. А. Совершенствование технологии обслуживания контактной сети / Е. А. Бутенко, А. Н. Смердин, В. М. Павлов. - Текст : непосредственный // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте : материалы науч. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2022. - С. 120-125.
6. Разработка вероятностной модели прогнозирования отказов в работе системы токосъема вследствие гололедообразования на проводах контактной сети / А. Н. Смердин, А. В. Тарасенко, И. Е. Чертков, А. С. Голубков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 2 (46). - С. 62-71.
7. Галкин, А. Г. Основы теории надежности / А. Г. Галкин, А. А. Ковалев. - Екатеринбург : Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2021. - 134 с. - Текст : непосредственный.
8. Галкин, А. Г. Применение контракта жизненного цикла для инфраструктурного комплекса системы токосъема / А. Г. Галкин, А. А. Ковалев, А. В. Микава. - Текст : непосредственный // Транспорт Урала. - 2012. - № 3 (34). - С. 85-89.
9. Исследование надежности системы контактной сети железных дорог как фактора экономического развития региона / А. А. Ковалев, А. М. Маслов, II. А. Аксенов,
16 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ни №4(56) 2023
А. Ю. Иванищев. - Текст : непосредственный // Транспортное дело России. - 2016. -№4 (124).-С. 52-56.
References
1. Markvardt К.М. Kontaktnaya set' [Contact network], Moscow, Transport Pubi., 1994, 335 p. (In Russian).
2. Bunzya A.V. Razrabotka ustroystva udalenia gololeda s dvoinogo kontaktnogo provoda impulsno-rezonansnym metodom na osnove upravlyaemogo preobrazovatelya (Development of a device for removing ice from a double contact wire by pulse-resonance method based on a controlled converter). Doctor's thesis, Ekaterinburg, USURT, 2007, 185 p. (In Russian).
3. National Standard 27.102-2021. Reliability in technology. Reliability of the object. Terms and definitions. Moscow, Standardinform Publ., 2021,40 p. (In Russian).
4. Kovalev A. A., Andryukov A.V. Assessment of the impact of the contact wire sag arrows on the possibility of increasing the speed of movement on the section of the contact network «Yekaterinburg - Chelyabinsk». Transport Ura/a - Transport of the Urals, 2023, no. 1 (76), pp. 116-119 (In Russian).
5. Butenko E.A., Smerdin A.N., Pavlov V.M. Improvement of the contact network maintenance technology. Innovacionnye proekty i tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte. Materia/y XVI nauchnoy konferencii, posvyaschennoy Dnyu Rossiisckoi nauki [Innovative projects and technologies in education, industry and transport. Materials of the XVI scientific conference dedicated to the Day of Russian Science], Omsk, 2022, pp. 120-125 (In Russian).
6. Smerdin A.N., Tarasenko A.V., Chertkov I.E., Golubkov A.S. Development of a probable failure prediction model in the operation of the current collection system due to ice formation on the wires of the contact network. Izvestia Transsiba - Journal ofTranssib Railway Studies, 2021, no. 2 (46), pp. 62-71 (In Russian).
7. Galkin A.G., Kovalev A.A. Osnovy teorii nadezhnosti [Fundamentals of reliability theory], Ekaterinburg, USURT Publ., 2021, 134 p. (In Russian).
8. Galkin A.G., Kovalev A.A., Mikava A.V. Application of the life cycle contract for the infrastructure complex of the current collection system. Transport Urala - Transport of the Urals, 2012, no. 3 (34), pp. 85-89 (In Russian).
9. Kovalev A.A., Maslov A.M., Aksenov N.A., Ivanischev A.Yu. Investigation of the reliability of the railway contact network system as a factor in the economic development of the region. Transportnoe delo Rossii - Transport business of Russia, 2016, no. 4 (124), pp. 52-56 (1 n Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ковалев Алексей Анатольевич
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация
Кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел.:+7 (343)221-24-78.
E-mail: akovalev@usurt.ru
Андрюков Александр Владимирович
Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС).
Колмогорова ул., д. 66, г. Екатеринбург, 620034, Российская Федерация.
Ассистент кафедры «Электроснабжение транспорта», УрГУПС.
Тел : +7(343)221-24-78.
E-mail: aandryukov@usurt.ru
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Kovalev Alexey Anatolievich
Ural State University of Railway Transport (USURT).
66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, the Russian Federation.
Ph D in Engineering, head of the department «Transport power supply», USURT.
Phone: +7(343)221-24-78.
E-mail: akovalev@usurt.ru
Andryukov Alexander Vladimirovich
Ural State University of Railway Transport (USURT).
66, Kolmogorova st., Ekaterinburg, 620034, the Russian Federation.
Assistant of the department «Transport power supply», USURT.
Phone: +7 (343)221-24-78.
E-mail: aandryukov@usurt.ru
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Ковалев, А. А. Исследование надежности работы устройств контактной сети железных дорог в условиях гололедообразования / А. А. Ковалев, А. В. Андрю-ков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба - 2023. -№ 4 (56). - С. 9 - 18.
УДК 629.463
Kovalev A.A., Andryukov A.V. Researching the railways contact network devices operation reliability under ice formation conditions. Journal of Transsib Railway Studies, 2023, no. 4 (56), pp. 9-18 (In Russian).
С. А. Гельвер, И. А. Дроздова
Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ХРЕБТОВОЙ БАЛКИ ГРУЗОВОГО ПОЛУВАГОНА ИЗ А ЛIOIVIИ И И Е В Б1X СПЛАВОВ МЕТОДОМ НЕЛИНЕЙНОГО СТАТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Аннотация. В статье рассматривается напряженно-деформированное состояние хребтовой балки грузового полувагона из алюминиевого сплава АМгб производства Уралвагонзавода (УВЗ) при воздействии на нее нормативных нагрузок. Для алюминиевых сплавов характерна нелинейная зависимость между напряжениями и деформациями (физическая нелинейность). Существующими нормативными документами для расчета грузовых вагонов па прочность учет этого явления не предусмотрен. Поэтому в работе решается задача оценки влияния физической нелинейности на напряженно-деформированное состояние хребтовой балки. В рамках решения поставленной задачи разработана математическая модель для исследования предельного напряженно-деформированного состояния балки, а также рассматривается возмож ность применения процедуры метода конечных элементов на основе программного комплекса ANSYS с использованием модели многолинейнон упругости, которая определяется опцией MF.LAS. Для достижения хребтовой балкой предельного напряженно-деформированного состояния, при котором можно наблюдать существенные отклонения от закона Гука (до И) -15 %), по I расчетному режиму в рамках разработанной математической модели предлож ена расчетная схема, позволяющая моделировать это предельное состояние. В качестве допустимого значения напряжения по I расчетному режиму принимается значение, равное условному пределу текучести. Для става АМгб эта величина составляет ¡40 МП а. Результат расчета в линейном приближении дает величину максимального значения напряжения в опасном сечении ¡51 МПа, что превышает предельно допускаемое значение (¡40 МПа). Результаты расчета в нелинейном приближении: максимальное значение напряжения -139 МПа, что не превысит предельно допустимого значения. Эта величина на 9 % меньше соответствующего значения, полученного при линейном расчете. Приведенный в работе алгоритм исследований позволяет выявлять скрытый резерв прочности конструктивных элементов грузового полувагона и создавать конструкции, оптимизированные по весовым и прочностным характеристикам.
Ключевые слова: полувагон из алюминиевого сплава, физическая нелинейность, многолинейная упругость.
Sergey A. Gelver, Ilga A. Drozdova
Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation
INVESTIGATION OF THE STRESS-STRAIN STATE OF THE SPINE BEAM OF ALUMINUM ALLOY CARGO GONDOLA USING THE NONLINEAR STATIC ANALYSIS METHOD
Abstract. The paper examines the stress-strain state under the impact of standard toads on the spine beam of a freight gondola made of AMg6 aluminum alloy produced by Uralvagonzavod (UVZ). Aluminum alloys exhibit a nonlinear relationship between stress and strain (physical nonlinearity). Existing regulatory documents for the strength calculation of freight cars do not consider this phenomenon. Therefore, the work addresses the task of assessing the influence of physical nonlinearity on the stress-strain state of the spine beam. Within the solution of this task, a mathematical modeI has been developed to study the ultimate stress-strain state of the beam. The possibility of applying the finite element method procedure based on the ANSYS software suite using the multilinear elasticity model, defined by the MELAS option, is also considered. To achieve the ultimate stress-strain state of the spine beam, where significant deviations from Hooke's law can be observed (up to 10-15 %), a calculation scheme was proposed within the developed mathematical model for the first calculation mode, allowing to simulate this ultimate state. As the allowable stress value for the first calculation mode, the value equal to the conventional yield limit is taken. For the AMg6 alloy this value is ¡40 MPa. The result of
