Моделирование напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза UzTE16M Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

90

Современные технологии - транспорту

news/public/ru?STRUCTURE_ro=2&layer_id= 4069&id=150202 (дата обращения 12.05.2014).

2. Palm, B. Hydrocarbons as refrigerants in small heat pump and refrigeration systems - a review // Int. J. Refrigeration. - 2008. - N 31. - P. 552563.

3. Mohanjraj, M., Muraleedharan, С., Jayaraj, S. A review on recent developments in new refrigerant mixtures for vapour compression-based refrigeration, air conditioning & heat pumps units / M. Mohanjraj // Int. J. Energy Res. - 2011. - N 35. - P. 647669.

4. «Honeywell» инвестирует в расширение производства ГФО-1234yf в США [Электронный ресурс]. - URL : http://www.ozoneprogram.

ru/novosti/honivell_investiruet_gfo_1234yf (дата обращения 10.02.2014).

5. Environmental impact of Solstice yf refrigerant / Fact sheet. 2014 [Электронный ресурс]. -URL : http://www.1234facts.com/solstice-yf-refri gerant/#environmental-impact (дата обращения 10.02.2014).

6. Хладагенты и окружающая среда / О. Б. Цветков // Холодильная техника. - 2013. -№ 1. - С. 20.

7. Способы повышения эффективности режима «тепловой насос» в пассажирских вагонах железнодорожного транспорта : дис. ... канд. техн. наук / А. В. Михайлов. - Санкт-Петербург : ПГУПС, 2013. - 129 с.

УДК 629.4.023 Х. R Косимов

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАМЫ ТЕПЛОВОЗА UZTE16M

Безопасная эксплуатация транспортного средства определяется остаточной прочностью деталей, узлов и конструкций. Статья посвящена моделированию и анализу напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза. Определены наибольшие напряжения в сечениях рамы тепловоза типа UzTE16M.

подвижной состав, рама тепловоза, срок службы, несущие конструкции, прочность.

Введение

В связи с увеличением скоростей движения на железнодорожном транспорте, а также массы поездов (грузонапряженности) возрастают нагрузки на элементы экипажной части локомотивов, в том числе на рамы тепловозов. Структура элементов металлоконструкции механической части железнодорожного подвижного состава сложна. Эти элементы представляют собой ряд пространственных

конструкций с большим количеством разнообразных по конфигурации соединений и концентраторов напряжений, воспринимающих широкой спектр эксплуатационных нагрузок. Их размеры и форма определяются усилиями, деформациями и напряжениями в них, а также другими характеристиками состояния, которые формируются под действием нагрузок различного вида и характера, определяемых параметрами, назначением и условиями

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

91

эксплуатации подвижного состава. В зависимости от этих показателей данные элементы рассчитываются на прочность и жесткость при статических и динамических нагрузках [1]. Необходимые несущая способность и надежность конструкции должны обеспечиваться при возможно меньшей массе. Расчетная модель должна достаточно полно отражать и учитывать фактический спектр эксплуатационных нагрузок, строиться и решаться с учетом сочетания технических, экономических и других требований. Одна из особенностей рам тепловоза - работа при переменных напряжениях, в связи с чем они должны рассчитываться на усталостную прочность. Доминирующей формой расчета является проверочный расчет, связанный с определением коэффициента запаса прочности. Для таких расчетов необходимо располагать значениями действующих статических и динамических напряжений. Статическое напряжение определяется для всех основных нагрузок: массы кузова с установленным оборудованием, тяговых и тормозных усилий, усилий при вписывании в кривые [2]. Основным направлением совершенствования расчетных методов оценки ресурса несущих конструкций является более достоверный учет их нагруженности и особенности поведения материала в локальных, наиболее напряженных зонах упругопластической области. Конструкция рамы тепловоза сварная. Основу рамы образуют две хребтовые двутавровые балки и усиливающие накладки, изготовленные из стали Ст3 сп, а остальные детали рамы - из стали Ст3 кп. Все детали и узлы рамы соединены между собой сваркой. Топливный бак обычно подвешен к раме на болтах. С каждой стороны рамы к боковым кронштейнам приварены ящики для аккумуляторных батарей. Опоры рамы обычно представляют собой сферические пяты с каждой стороны рамы. Они опираются на сферические подпятники с роликовыми возвращающими устройствами, укрепленными на раме тележки. Тяговое усилие передается от тележки к раме через центральные шкворни, вокруг которых поворачиваются тележки в кривых участ-

ках пути, отверстия и посадочные места под дизель-генератор и оборудование тепловоза.

Расположение хребтовых балок над тележками тепловоза сопряжено с ограниченными возможностями развития их высоты (до 500 мм) и появлением значительных эксцентриситетов при приложении продольных тяговых усилий (350-500 мм). Чтобы преодолеть эти трудности, создаются проекты рам с боковыми продольными элементами большой строительной высоты [2].

Отказы сварных деталей тепловозов в эксплуатации чаще всего обусловлены хрупкими разрушениями, которые берут свое начало от развивающихся усталостных трещин. При этом долговечность деталей определяется, главным образом, случайным характером появления дефектов в наиболее нагруженных зонах. Как установлено в ходе исследований [2], усталостное разрушение несущих конструкций происходит в результате развития микропластических деформаций, перерастания их в трещину и распространения этой трещины. Можно отметить, что усталостное разрушение металла происходит при определенной интенсивности микропластических деформаций, уровень которой зависит от степени однородности структуры материала, а также его характеристик прочности и пластичности. В силу этого к несущим конструкциями подвижного состава предъявляются высокие требования как при их создании, так и при эксплуатации и модернизации.

В целях продления срока службы наиболее нагруженные части металлоконструкций необходимо усиливать. В связи с этим расчет и оценка остаточного ресурса и модернизации приобрели большую практическую значимость.

1 Схема нагружения рамы тепловоза

Прочностные и весовые показатели рам тепловоза определяются конструктивными и технологическими факторами. Это, прежде всего, принципиальная схема тепловоза,

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

92

Современные технологии - транспорту

определяющая систему сил, действующих на раму, конструктивное исполнение основных несущих элементов рамы и узлов соединения этих элементов друг с другом, а также допустимый уровень концентрации напряжений.

Расчетная схема рамы принята в виде консольно-балочной системы на четерех опорах в местах опирания на шаровые опоры тележек.

Основные геометрические размеры рамы тепловоза ТЭ10 М [3]:

• расстояние между осями шкворней 16 969 мм;

• длина 15 940 мм;

• расстояние между осями шкворневых опор тележки 1850 мм.

Загружение рамы выполнено по данном развески тепловоза (табл. 1) сосредоточенны-

ТАБЛИЦА 1. Развеска тепловоза UzTE16M (ось Z проходит через переднюю автосцепку)

Узел Масса, кг Плечо, мм Момент, кг-мм

Дизель

Рама дизеля Р1 А Р1 • L

Блок цлиндров Р2 L2 Р2 ^ L2

Комплект втулок Р3 L3 Р3 • L3

Комплект поршней Р4 L4 Р4 ^ L

Коленчатый вал Р5 L5 Р5 ^ L5

Турбокомпрессор Р6 L6 Р6 ^ L6

Приводной нагнетатель Р7 L7 Р7 ^ L

Масляный насос Р8 L8 Р8 ^ L8

Водяной насос охлаждения дизеля Р9 L9 Р9 ^ L9

Водяной насос холодного контура Р10 L10 Р10 ^ L10

Регулятор Р11 L11 Р„ L11

Неучтенная масса Р12 L12 Р12 ^ L12

Генератор ГПЗ11 Б Р13 L13 Р13 ^ L13

Муфта Р14 L14 Р14 ^ L14

Двухмашинный агрегат Р15 L15 Р15 ^ L15

Компрессор КТ7 Р16 L16 Р16 ^ L16

Рама тепловоза Р17 L17 Р17 ^ L17

Фильтр грубой очистка масла Р18 L18 J~0 00 00

Задний редуктор Р19 L19 Р19 ^ L19

Карданные валы Р20 L20 Р20 ^ L20

Передний редуктор Р21 L21 Р21 ^ L21

Вентилятор передней тележки Р 22 L22 Р22 ^ L22

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

93

Окончание табл. 1

Узел Масса, кг Плечо, мм Момент, кг-мм

Вентилятор задней тележки Р23 Р23 Р23 ^ L23

Вентилятор тягового генератора Р24 L24 Р24 ^ L24

Топливный бак Р25 L25 Р25 ^ L 25

Водяной бак Р26 L26 Р26 ^ L26

Теплообменник Р27 L27 Р27 ^ L27

Воздухоочиститель Р28 L28 Р28 ^ L28

Сцепное устройство переднее Р29 L29 Р29 ^ L29

Сцепное устройство заднее Р30 L30 О о

Холодильник

Камера холодильника Р31 L31 Р31 ^ L31

Секции холодильные нормальные Р32 L32 Р32 ^ L32

Секции холодильника укороченные Р33 L33 Р33 ^ L33

Вентилятор Р34 L34 Р34 ^ L34

Кабина Р35 L35 Р35 ^ L35

Кузов над двигателем с обшивкой Р36 L36 Р36 ^ L36

Аккумляторная батарея Р37 L37 Р37 ^ L37

Камеры высоковольтные Р38 L38 00 00

Неучтенная масса тепловоза Р39 L39 Р39 ^ L39

ми силами и распределенными нагрузками, которые сгруппированны в зависимости от их расположения (табл. 2).

Расположение действующих сил на раму и расчетная схема загрузки приведены на рис. 1.

Положение центра тяжести над тележеч-ным строением относительно условной оси тепловоза определяем по формуле

у-I м

-YP'

где ЕР - приведенные сосредоточенные силы.

Часть приведенных в табл. 2 сосредоточенных сил в расчетной схеме

ЕР = R1 + R17 + R2 + R15 + R3 + R4 + R29 +

+ R4 + R5 + R6 + R7 + R8 + R34 EM0 = -Rip -

- R17 P2 - R2P3 - R15 P4 - R3P5 - R4P6 -

- R29P7 - R4P8 - R5P9 - R6 P10 - R7P11 -

R8 P12 - R34 P1,

тогда X -

EMo EP '

Для приведения суммарной массы к середине тепловоза справа от условной оси на расстоянии подвешивания 6,51 м укладываем балласт весом 770 кг, тогда EP = 90 300 кг.

Реакции в шаровых опорах будут одинаковыми, что обусловливается сбалансированным рессорным подвешиванием, и составят

Р1 = Р2 = Рз = Р4, кг.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

94

Современные технологии - транспорту

ТАБЛИЦА 2. Приведенные сосредоточенные силы

Обозна- чение Вес, кН Плечи относительно условной оси, м Плечи относительно концов рамы, м Сумма сил в узле (по табл. 1)

Ri 24,53 7,15 0,82 P29, P35

R15 6,60 5,73 2,24 P15

R2 25,00 4,75 3,22 P P P P P 16 21 22 24 38

R13 89,00 2,96 5,01 P13

R3 9,50 2,26 5,71 P7, P14

R25 20,00 0,085 7,88 P25

R4 404,73 0,0 7,97 P P P 17 37 39

R5 204,42 0,012 7,96 P P P P P P P 3 4 5 2 12 28 36

R6 23,44 -2,27 5,70 P P P P P 1 8 9 10 11

R7 15,65 -4,0 3,97 P P P P P 19 20 23 26 27

R8 66,81 -6,51 1,46 P P P P P 18 31 32 33 34

R30 11,35 -7,51 0,64 P30

Часть приведенных в табл. 2 сосредоточенных сил для более точного построения эпюры изгибающих моментов, учитывая характер их приложения к раме, заменяем распределенными нагрузками: собственную массу рамы Р , кг, и неучтеную массу тепловоза Р39, кг, распределяем на длине всей рамы L = м:

р7 + P39

я^—т~ •

тогда величина равнодействующей R4 уменьшится и составит

R4

Ro - R.

Собственная масса рамы Р дизеля распределяется по длине Lpfl:

Я2 =

JL

LP4

Вес деталей дизеля и другие силы, входящие в силу R3, распределяем по длине части рамы дизеля [4] Lpfl

Яз =

R_

LP4

Масса топливного бака Р25 на длине между его креплениями к раме тепловоза Lpfl

Я 4 =

P25

LP4

В связи с тем, что геометрические формы данных деталей весьма сложны, а габариты значительны, стендовые испытания реальных конструкций становятся металло- и трудоемкими и дорогостоящими. На сегодня разработаны программы, с помощью которых можно сделать многовариантный анализ расчетов с учетом всех нагрузок для получения достаточно точных результатов.

Большой вклад в разработку методик исследований в этой области внесли сотрудники ВНИИЖИТ и ВНИТИ [5].

В большинстве расчетов рама кузова тепловоза принималась в виде стержневой системы. Как показала практика, в зонах сопряжения балок рамы, в местах присоединения крон-

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

а

Современные технологии - транспорту

95

'З'

'З'

°ч

со

Ф

со

S

сЗ

Си

сЗ

И

X

5

6 2

02

Н

О

>Я

о

П

«

О

со

Си

Он

. . сЗ

Ь и

§ сЗ сЗ ^

Л s

сЗ X И о

х S

STO нн

& 2

2 g

I'8 s &

’§ <o

и о

£ N

И 3

CS Я

s g а я 8 2

3 2 сЗ d

а н

H HH

U hQ tr *3 о сЗ CLh

40

c3 O.

". >a

н О

. a

O ffl

a

CLh

c3

5

Э-

to

S

c3

c

i»

s

и

о

1»

№

s

э-

to

s

о

to

Oh

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

в) эпюра моментов инерции поперечных сечений

96

Современные технологии - транспорту

штейнов, накладок и в других узлах сложной формы определить напряжения с помощью стержневой схемы нельзя [4]. В связи с этим целесообразно применение современных программ и методов расчета, в первую очередь, метода конечных элементов (МКЭ). МКЭ считается одним из наиболее эффективных способов решения задач механически деформируемого твердого тела, накоплен положительный опыт его применения в различных областях машиностроения. В настоящее время МКЭ является мощным численным методом, применимым к различным физическим задачам, при этом наибольшее распространение он получил в решениях задач теории упругости и в анализе несущей способности конструкций, его можно назвать одним из основных методов анализа напряженно-деформированного состояния конструкций. Применение этих методов позволит повысить точность расчетов и определить напряжения в элементах сложной формы, в первую очередь, в узлах соединения балок и в зонах присоединения отдельных деталей к несущим элементам.

2 Моделирование напряженнодеформированного состояния рамы кузова

Конечно-элементные модели главных рам, кабин и кузовов тепловозов позволяют не только выполнить прочностной статический расчет конкретного варианта конструкции, но и найти способ модернизации этих конструкций. Цель модернизации - оптимизация параметров модернизированных узлов при сохранении их габаритных характеристик. На

первом этапе моделирования после построения конечно-элементной модели производится статический расчет конструкции рамы тепловоза.

Для анализа напряженно-деформированного состояния применялся МКЭ, реализованный в программном комплексе SolidWorks Simulation, в редакторе которого и создавалась расчетная модель. Программа ориентирована на подготовку полноценной конечноэлементной модели с максимальными возможностями с учетом особенностей геометрического, силового характера и различных видов расчетов. Расчетная модель рамы кузова и приведена на рис. 2.

При статическом расчете в качестве нагрузки принята сила R = 120 кН, воздействующая на каждую опору через резинометалические элементы. Разделение расчетной схемы на конечные элементы и расчет напряжений осуществлялись на ЭВМ. Анализ результатов соответствовал требованиям отраслевых норм прочности (табл. 3).

Расчет силовых факторов, действующих на раму, производился согласно [5]. При генерации сетки конечно-элементной идеализации объекта исследования использовались объемные конечные элементы в виде тетраэдра. Идеализированный вариант рамы тепловоза по МКЭ приведен на рис. 3. Модель состоит из 46 155 элементов и 90 893 узлов.

Результаты расчета величины напряжений в раме тепловоза при статическом нагружении представлены на рис. 4.

Напряжения не превышают норм [5], коэффициент запаса прочности по результатам расчетов на ЭВМ n = 2,3, что соответствует требованиям.

Рис. 2. Расчетная рама кузова тепловоза UzTE16M

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

97

ТАБЛИЦА 3. Иследования данные для расчета напряжений рам тепловоза

Элемент Материал Допустимое напряжение, МПа

Шкворень рамы тепловоза Сталь 20 Л 140

Остальная часть рамы тепловоза Сталь 3 сп 150

Имя модели: КАРКАС РАМА ЛИТЕ 03 (II) Имя исследования: Исследование 4 Тип сетки: Сетка на твердом теле

Рис. 3. Идеализированный вариант рамы кузова тепловоза

Рис. 4. Расчетная величина напряжений в раме кузова тепловоза при статическом нагружении

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2014/3

98

Современные технологии - транспорту

Заключение

С помощью программного обеспечения была построена конечно-элементная модель рамы кузова тепловоза, которая позволяет определять и анализировать перемещения, напряжения и деформации, рассчитываемые в данной конструкции. Рассмотренная расчетная модель рама кузова тепловоза типа UzTE16M позволяет исследовать их напряженно-деформированное состояние, дать оценку возможным изменениям при их модернизации, определить эффективные способы усиления при ремонте. При сравнении данных статического расчета с требованиями [5] можно сделать вывод, что расчетная схема была выбрана правильно. На следующем этапе производится динамической расчет, по результатам которого можно судить о долговечности конструкции.

Библиографический список

1. Оценка остаточного ресурса рам тележек тепловозов : дис. ... канд. техн. наук / Н. С. Зай-ниддинов. - Санкт-Петербург, 2010. - 169 с.

2. Повышение надежности экипажной части тепловозов / А. И. Беляев, Б. Б. Бунин, С. М. Голубятников и др. ; под ред. Л. К. Добрынина. - Москва : Транспорт, 1984. - 248 с.

3. Теория и конструкция локомотивов / В. А. Симонов ; под ред. Г. С. Михальченко. - Москва : Маршрут, 2006. - 584 с.

4. Тепловоз 2 ТЭ116 / С. П. Филонов, А. И. Ги-балов. - Москва, 1985. - 328 с.

5. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - Москва : ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.

УДК 656.2

В. А. Кудрявцев, А. А. Светашев

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

ПРОЦЕСС НАКОПЛЕНИЯ ВАГОНОВ НА СОСТАВЫ ПОЕЗДОВ

Для расчета плана формирования поездов по направлениям необходим параметр «среднесуточные затраты вагоно-часов на накопление». В статье приведен детальный анализ процесса накопления вагонов на состав поезда в сортировочном парке станции на основе усредненного графика накопления вагонов. Предложены новые формулы для определения среднесуточных затрат вагоно-часов на накопление. Приведен расчет и определены среднестатистические значения исследуемых величин. Показано, что нормирование параметра накопления должно быть основано на результатах обработки статистических данных.

параметр накопления вагонов, средняя величина остатка, замыкающая группа, поступающая группа, группа вагонов, период накопления, затраты вагоно-часов.

Введение

На сортировочных станциях выполняется массовое расформирование и формирование

поездов. Простой вагонов под накоплением составов является существенной частью основного качественного показателя работы сортировочной станции - простоя транзит-

2014/3

Proceedings of Petersburg Transport University