CC BY
46
УДК 625.141.2
С. А. КОСТРИЦЯ, Б. М. ТОВТ (ДПТ)
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО СТАНУ НЕСУЧИХ ЕЛЕМЕНТ1В КОНСТРУКЦИ ПЛАНУВАЛЬНИКА БАЛАСТНО1 ПРИЗМИ СПЗ-5/UA
У статп наведено результати аналiтичних та експериментальних дослвджень напружено-деформованого стану (НДС) несучих елеменпв конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA. Аналiтичнi досль дження виконаш з використанням методу ск1нченних елеменпв (МСЕ). 1х результати використанi при про-веденнi ходових динамiчних випробувань на мiцнiсть. На основi аналiзу отриманих розрахункових та експериментальних даних виконано оцшку мiцностi конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA при до навантажень, як1 вiдповiдають рiзним експлуатацiйним режимам.
Ключовi слова: конструкщя планувальника баластно! призми, напружено-деформований стан, метод сш-нченних елементiв, ходовi динамiчнi випробування на мiцнiсть, експлуатацшний режим
В статье приведены результаты аналитических и экспериментальных исследований напряжённо-деформированного состояния (НДС) несущих элементов конструкции планировщика балластной призмы СПЗ-5/UA. Аналитические исследования выполнены с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Их результаты использованы при проведении ходовых динамических испытаний на прочность. На основе анализа полученных расчётных и экспериментальных данных выполнена оценка прочности конструкции планировщика балластной призмы СПЗ-5/UA под действием нагрузок, соответствующих разным эксплуатационным режимам.
Ключевые слова: конструкция планировщика балластной призмы, напряжённо-деформированное состояние, метод конечных элементов, ходовые динамические испытания на прочность, эксплуатационный режим
In the article the results of analytical and experimental studies of the stressed-and-strained state of load-bearing elements of structure of ballast prism planner of SPZ-5/UA are presented. The analytical research is performed using the finite element method (FEM). Its results are used during realization of performance dynamic tests on durability. On the basis of analysis of the calculation and experimental data obtained the estimation of durability of construction of ballast prism planner SPZ-5/UA under the action of loads corresponding to the different operating modes is executed.
Keywords: construction of ballast prism planner, stressed-and-strained state, finite element method, performance dynamic tests on durability, operating modes
Планувальник баластно! призми - колшна машина, призначена для планування i перероз-подшу свiжовiдсипаного баласту за вшх видiв ремонту та поточного утримання залiзнично! коли, а також при !! будiвництвi [1].
Загальний вигляд планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА виробництва ВАТ «Каховсь-кий завод електрозварювального обладнання» зображено на рис. 1.
Рис. 1. Планувальник баластно! призми СПЗ-5/UA
Планувальник баластно! призми СПЗ-5/UA мае три режими роботи: робочий, самохщний i
транспортний. У робочому (технолопчному) режимi машина виконуе технолопчш завдання; самохщний режим дозволяе машиш рухатися, як окремою транспортною одиницею ^ швид-юстю до 80 км/год) i буксувати причш максимальною масою до 270 т; у транспортному ре-жимi планувальник баластно! призми СПЗ-5/иА рухаеться у складi потягу зi швидюстю до 100 км/год.
Дослщження напружено-деформованого стану (НДС) несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА проводилося за п'ятьма видами навантажень:
■ навантаження вщ сил власно! ваги несучо! конструкци та встановленого на не! обладнання у транспортному режимi (режим статичного навантаження з ура-хуванням коефщенту динамши);
■ робочий режим «4» (робота двох бiчних i двох центральних плупв);
© Костриця С. А., Товт Б. М., 2011
■ робочий режим «В» (робота одного бiч-ного i двох центральних плугiв);
■ робочий режим «С» (робота одного бiч-ного плуга);
■ робочий режим «Б» (робота двох центральних плупв).
До сил тиску, ддачих у робочих режимах, належать повздовжш сили на рiзаки ¥г, сили на крила ¥р i сили на центр плуга ¥х. У табл. 1
показано значення цих сил за робочими режимами.
Таблиця 1
Значення повздовжшх сил тиску, дточих на
робочi органи машини у робочих режимах
Робочий Сили тиску на робоч1 органи машини СПЗ-5/UA, кН
режим Fr Fs
«А» 2 • 20 2-10 0
«В» 1-25 1-15 2 • 5
«С» 1-40 0 0
«D» 0 0 2 • 25
На рис. 2 показаш мюця прикладення повздовжшх сил тиску на po6o4i органи планува-льника баластно! призми СПЗ-5/UA.
тичш напруження сст з послщуючою оцiнкою коефiцieнту запасу втомлювально! мщносп пс.
Для проведення дослщжень несуча констру-кцiя дослщжувано! машини була змодельована скiнченними елементами - трьох- i чотирьох вузловими пластинками (рис. 3). Товщини пластинок обиралися вiдповiдно до розмiрiв попе-речних перерiзiв елементiв конструкци.
Рама планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА складаеться з двох основних повздовжшх балок 1 з профшю НЕВ 300, двох кiнцевих балок, що входять до складу буферних брусiв 2 та трьох промiжних поперечних балок 3 з труби 200 х 300 х10 ЕШ0210, двох поперечних балок 4 з труби 200 х 100 х 10 ЕШ0210. Зокрема, модель вмщуе буксовi вузли, зображенi шд номером 5.
к;
Fr
Рис. 2. Схема розташування мюць прикладання повздовжшх сил тиску на робоч1 органи
Метою дослiдження НДС несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA за методом сюнченних елементiв (МСЕ) е:
1. перевiрка вiдповiдностi конструкцi! умовам мiцностi;
2. визначення мюць встановлення тензо-метричних датчикiв для проведення хо-дових мщшсних випробувань машини;
Окрiм того, за результатами розрахунку несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA за МСЕ були визначеш ста-
Рис. 3. Скшченно-елемента модель рами планувальника баластно!' призми СПЗ-5/UA
Граничш умови задачi реалiзовувалися за допомогою введення до мiсць спирання рами вертикальних зв'язюв скiнченно! жорсткостi, причому сумарна жорсткiсть одного комплекту зв'язюв скiнченно! жорсткостi була взята рiв-ною жорсткостi одного комплекту ресорного шдвшування.
Для прикладу, на рис. 4. зображено схема навантаження скшченно-елементно! моделi рами планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA силами власно! ваги та встановленого на не! обладнання.
Проiлюструемо дослiдження НДС несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA за МСЕ у виглядi графшв розподшу за конструкцiею рами головних ст1 i екывален-тних напружень за енергетичною теорiею мщносп Губера-Мiзеса-Генкi. На рис. 5 - 6 щ гра-фши наведенi для режиму статичного навантаження.
Рис. 4. Схема навантаження сшнченно-елементно! модел1 рами планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА
силами власно! ваги та встановленого на не! обладнання
■ -г! 4Е 1.8! ?),)(
•гтд-пл НШ! И
■ -n.3H.i2 Ц 37,13 ¡$¿3
Рис. 5. Поля головних напружень у центральнш частиш несучо! рами. Режим статичного навантаження (МПа)
Рис. 6. Поля екв1валентних напружень у центральнш частинi несучо1 рами. Режим статичного навантаження (МПа)
На рис. 7 - 8 наведено графши розподшу за конструкщею рами головних c1 i екв1валент-них напружень для робочого режиму «D» екс-плуатацiï планувальника баластно! призми
СПЗ-5/UA. Наводиться саме робочий режим «D», тому що при ньому були отримаш найб> льшi значення напружень серед ушх можливих робочих режимiв.
Рис. 7. Поля головних напружень ст1 у центральнш частиш несучо! рами. Робочий режим «D» (МПа)
Дослщження НДС несучо! конструкцiï планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA вщ дiï статичного навантаження показало, що середня частина конструкцiï е найбшьш навантаженою частиною, що видно з рис. 5 - 6. Зона максима-льних напружень розташована у полищ основ-ноï несучоï повздовжньоï балки, поряд i3 мю-цем шдвшування середнього плуга у транспортному положенш. У зонi концентрацп напружень максимальне значення е^валентних напружень за теорiею мiцностi Губера-Мiзеса-Генкi з урахуванням коефiцiенту динамши, який приймався рiвним k = 1,5 [3], складае бли-зько 82,5 МПа, що е значно нижчим за допус-
тимi напруження, що становлять 155 МПа [2, 3].
У робочих режимах найбiльшi значення напружень спостерпалися у мiсцях кршлення б> чних i середнiх плупв. Саме робочий режим «D», при якому працюють два центральних плуги, виявився найбшьш несприятливим для конструкцп з помiж iнших робочих режимiв. Значення головних напружень ст1 у режимi «D» досягли 68 МПа, е^валентних напружень - 72 МПа. Як видно з рис. 7 - 8, зоною максималь-них напружень е центральна частина рами мiж поперечними балками кршлення середшх плупв.
Рис. 8. Поля екв1валентних напружень у центральнш частинi несучо!' рами. Робочий режим «D» (МПа)
Результати, отримаш у ход1 дослщжения НДС конструкци при ди р1зних експлуатацш-них режишв, зведеш до пор1вняльно! табл. 2.
Таблиця 2
Максимальш напруження у несучiй конструкци
планувальника баластноТ призми СПЗ-5/UA (у мкщ крiплення центральних i бiчних плугiв)
Значення напружень, МПа
Режим експлуатаци Головш с1 Еквшалентт за теор1ею Губера-М1зеса-Геню Допустим! [с]
Статичний 53 55 155
Транспортний 79,5 82,5 155
«А» 51 51
«В» 62 61 155
«С» 56 55
«D» 68 72
шсть були проведет зпдно програми-мето-дики, розроблено! на тдсташ Техшчного за-вдання i [4].
Мщшсш випробування планувальника ба-ластно! призми СПЗ-5/UA проводилися на пе-регонi зi швидкостями до 100 км/год у транспортному режима На несучу раму дослщного зра-зка машини були встановленi тензометричш резистори у мiсцях виникнення найбшьших напружень. Найбiльш навантаженi дiлянки несучо! конструкци були встановлеш зпдно ви-щенаведеного дослiдження НДС конструкци дослщно! машини за МСЕ.
Коефщент запасу втомлювально! мiцностi розраховувався за вщомим виразом [5]:
с
Галузевою науково-дослiдною лабораторieю динамiки та мщносп рухомого складу (ГНДЛ ДМРС) Дншропетровського нацiонального уш-верситету залiзничного транспорту iм. акад. В. Лазаряна були проведеш ходовi динамiчнi випробування на мщшсть дослiдно!' машини планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA. Метою випробувань були перевiрка вщповщ-ностi конструкцi! дослщного зразка машини СПЗ-5/UA та !! мiцнiсних показникiв вимогам Технiчного завдання, нормативних докуменпв, що визначають умови безпеки руху та експлуа-тацi!. Ходовi динамiчнi випробування на мщ-
n =-:-,
KcCa +^сСт
де с-1 - межа витривалосп гладкого лабораторного зразка за симетричного циклу для базово! довговiчностi;
ст - середне значення циклу напружень. Приймалося рiвним значенню напруження, отриманому згiдно розрахунку конструкци за МСЕ вщ дi! статичного навантаження сст, тоб-то с = с ;
т ст '
са - номiнальне значення амиттуди циклу змiни напружень;
- коефiцiент чутливостi й асиметри циклу;
Кс - сумарний коефщент, який враховуе вплив концентраци напружень, масштабного i технологiчного факторiв.
Схема розташування тензометричних дат-чимв, розроблена на основ1 досл1дження НДС несучо! конструкци за МСЕ, показана на рис. 9.
| | С1 РЗ ■ ■
С2 Р4
нг| Akyj 4
С5 сз Р5 pi
К2 I 1С7 06 С4 Асу Рв Р2 ■ ■
У
Ь
Рис. 9. Схема розташування тензометричних датчикш на несучш рам1 досл1дно! машини
У зведенш табл. 3 наведено значення коефь щенпв запасу втомлювально! мщносл за най-бшьш навантаженими елементами несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА для транспортного режиму.
Таблиця 3
Коефщенти запасу втомлювально! мiцностi у найбшьш навантажених елементах несучо! конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/иА. Транспортний режим
Датчик с , ст ' МПа V , км/год n
1 2 4
С1 48 35...45 5,66
46...55 3,89
56...65 3,44
66...75 3,48
76...85 3,56
86...95 3,49
96...105 3,75
С2 31 35...45 4,30
46...55 4,06
56...65 4,98
66...75 3,84
76...85 3,44
86...95 6,23
96...105 5,53
1 2 5 4
С4 38 35...45 3,58
46...55 3,70
56...65 3,88
66...75 2,84
76...85 3,09
86...95 3,94
96...105 4,53
Р4 33 35...45 4,62
46...55 5,15
56...65 6,47
66...75 3,77
76...85 4,81
86...95 6,94
96...105 6,52
Р5 33 35...45 4,94
46...55 4,82
56...65 6,33
66...75 4,47
76...85 4,00
86...95 7,00
Ощнка мщност несучо!' конструкци планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA для ро-бочих режим1в експлуатаци проводилася за до-пустимими напруженнями, для транспортного режиму навантаження - за допустимими на-пруженнями та коефщентами втомлювально! мщносл.
Втомлювальна мщшсть несучо!' рами досль дно! машини вважаеться забезпеченою, якщо в усьому дапазот швидкостей, для яких прово-дилися випробування, отримаш значення кое-фщенпв запасу втомлювально! мщносл не перевищують нормативного значення, яке зпд-но [2, 3] приймалося [n] = 1,5 .
В результат! обробки експериментальних даних м1н1мальне значення коефщенту запасу втомлювально! м1цност1 2,84 було отримано для точки С4, що не менше нормативного зна-чення.
Отримаш результати дають право ствер-джувати, що несуча конструкц1я планувальника баластно! призми СПЗ-5/UA мае значний запас мщносл. Так результати вказують на можли-в1сть оптим1заци конструкци несучо! рами до-сл1джувано! машини.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Соломонов, С. А. Путевые машины [Текст] / С. А. Соломонов. - М.: Желдориздат, 2000. -726 с.
2. Машины путевые. Нормы и требования безопасности, эргономики, санитарно-гигиенические и природоохранные. Основные положения. РД 32.65-96 [Текст] / ВНИИЖТ МПС РФ. - М., 1996.
3. Нормы прочности металлоконструкций путевых машин. ОСТ 32.62-96 [Текст] / ВНИИЖТ МПС РФ. - М., 1996.
4. Система испытаний подвижного состава. Организация и порядок проведения приёмочных и сертификационных испытаний тягового подвижного состава. ОСТ 32.53-96 [Текст] / ВНИИЖТ МПС РФ. - М., 1996.
5. Тимошенко, С. П. Сопротивление материалов [Текст] : т. II / С. П. Тимошенко. - М.: Наука, 1965. - 480 с.
Надшшла до редколегп 06.01.2011.
Прийнята до друку 12.01.2010.
