CC BY
31
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ
РАМЫ ДЛИННОБАЗНОЙ ПЛАТФОРМЫ 1 2 Фомин А.В. , Федосов-Никонов Д.В.
Email: [email protected]
1Фомин Алексей Викторович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедра «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный университет инфраструктуры и технологий, г. Киев; 2Федосов-Никонов Дмитрий Вячеславович - старший научный сотрудник, Государственное предприятие Украинский научно-исследовательский институт вагоностроения, г. Кременчуг,
Украина
Аннотация: в статье рассмотрен вопрос относительно выполнения расчетов элементов рамы на усталость с использованием вычислительного комплекса, реализующего метод конечных элементов (МКЭ), проверки прочности конструкции длиннобазных платформ, применение теоретического и экспериментального методов исследований.
После усовершенствования конструкции рамы был произведен расчет на соответствие платформы нормированным требованиям по первому и третьему расчетным и ремонтному режимам нагрузок и на соударение. Расчетные и экспериментальные напряжения во всех элементах длиннобазного вагона-платформы от всех эксплуатационных нагрузок, согласно нормированным требованиям, не превышают допустимых значений. Сходимость результатов расчетов и испытаний удовлетворительная, что свидетельствует о правильности проведенных расчетов.
Ключевые слова: прочность элементов, длиннобазные платформы, коэффициент запаса сопротивления усталости, расчетные и экспериментальные напряжения.
SCIENTIFIC AND PRACTICAL STUDY OF STRENGTH FRAME
OF LONG-BASED PLATFORM 12 Fomin O.V.1, Fedosov-Nikonov D.V.2
1Fomin Olexij Vicktorovich - Ph.D., Associate Professor, Professor, DEPARTMENT "CARS AND CARRIAGE FACILITIES", STATE UNIVERSITY OF INFRASTRUCTURE AND TECHNOLOGY, KIEV; 2Fedosov-Nikonov Dmitry Vjacheslavovich - Senior Researcher, STATE ENTERPRISE UKRAINIAN RESEARCH INSTITUTE OF WAGON BUILDING, KREMENCHUG,
UKRAINE
Abstract: the paper considers the issue of calculating the elements of the frame for fatigue using a computer complex that implements the finite element method (FEM), testing the strength of the construction of long-platform platforms, and the application of theoretical and experimental research methods.
After the design of the frame was improved, the platform was calculated for the compliance of the platform with the standardized requirements for the first and third design and repair modes of loads and for impact. Calculated and experimental stresses in all elements of the long-platform platform car from all operational loads, according to the standardized requirements, do not exceed the permissible values. The convergence of the results
calculations and tests is satisfactory, which indicates the correctness of the calculations performed.
Keywords: strength of elements, long platforms, fatigue resistance factor, calculated and experimental stresses.
УДК [629.45-592::621.313.12J.001.5:001.891.5
Постановка проблемы.
Недостаточная прочность элементов конструкции длиннобазной платформ требует доработки конструкции с применение специальных методов как теоретического, так и экспериментального характера.
Анализ последних исследований и публикаций.
Проблемы прочности подвижного состава рассматривались в работах М.Б. Кельриха, С.В. Мямлина В.М. Бубнова и других ученых. Однако, с появлением большого количества новых моделей длиннобазных платформ различного конструктивного исполнения, возникает много вопросов относительно прочности их элементов и конструкции в целом.
Цель статьи. Определение оптимальных методов усовершенствования конструкции длиннобазной платформы с целью повышения прочности элементов ее конструкции. Для исследования прочности несущих элементов длиннобазных платформ требуется применение специальных методов как теоретического, так и экспериментального характера. Один из таких методов исследования с применением математической модели, адекватно отображающей конструкцию и нагрузки, действующие на нее, приведены в статье.
Начиная с 2000-х годов, особенно остро вырос спрос на длиннобазные платформы, позволяющие существенно расширить номенклатуру перевозимых грузов. Для удовлетворения спроса предприятия-производители одновременно с модернизацией имеющихся моделей платформ, начали производить и новые, имеют конструктивные и качественные различия.
Отсутствие опыта конструирования таких единиц подвижного состава выявило ряд существенных недостатков, основными из которых является низкая прочность при действии динамических (знакопеременных) нагрузок, и как следствие, долговечность и надежность. Наиболее опасным для эксплуатации длиннобазных платформ стало появление усталостных трещин в нижних полках и стенках продольных балок рамы -хребтовых и боковых, а также в узлах соединения конструкции.
Появление трещин в рамах длиннобазных платформ в течение непродолжительного периода эксплуатации (пробег составил от 8 тыс. до 190 тыс. км., срок эксплуатации - от 1 до 9 месяцев) обусловило принятие решения о запрете эксплуатации многих моделей как в СНГ, так и в Украине. По обобщенным данным российского Инженерного центра вагоностроения повреждения обнаружены у 13% конструкций новых длиннобазных платформ. Анализ выявленных повреждений показал несоответствие конструкций новых платформ требованиям нормативной документации [1-3].
Пример трещин усталостного характера приведен на рисунках 1-4.
Рис. 1. Трещина в хребтовой балке длиннобазного вагона-платформы
Рис. 3. Трещина в хребтовой балке длиннобазного вагона-платформы
Рис. 2. Разрушение боковой балке в среднем сечении рамы
Рис. 4. Трещина на сварном шве накладки усиления боковой балки
Рис. 5. Трещины в хребтовой и шкворневой балках длиннобазного вагона-платформы
Такая ситуация была обусловлена низкой прочностью указанных единиц подвижного состава. Анализ разрушений и повреждений рам длиннобазных платформ свидетельствует, что причиной этого являются динамические нагрузки, обусловленные неровностями как рельсового пути, так и конструктивными особенностями платформы.
Расчет элементов рамы на усталость проводился при действии на платформу максимально допустимых нагрузок для сечений с высоким уровнем напряжений (рисунок 5).
Рис. 6. Схема расположения сечений с максимальными напряжениями на универсальной
длиннобазной платформе
Расчет выполнен с использованием вычислительного комплекса, реализующего метод конечных элементов (МКЭ) на ЭВМ стандарта IBM-PC, при этом использовалась пластинчатая конечно-элементная модель и конечные элементы типа SHELL 63. Конечные элементы имеют квадратичные функции формы и шесть степеней свободы в каждом узле: перемещения вдоль осей x, y, z и повороты вокруг этих осей. В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы была выбрана права, декартова система с центром на продольной оси вагона в плоскости нейтральной оси лобовой балки.
Ось X системы координат направлена вдоль продольной оси вагона, ось Y -вертикально вверх. Нагрузка собственным весом проводилось путем задания плотности материала модели, с последующим приложением к каждому узлу расчетной схемы ускорения 9,81 м/ вдоль вертикальной оси "Y". Расчетная схема приведена на рисунке 6.
При выборе расчетной схемы были учтены факторы, влияющие на динамику и прочность конструкции, рассмотренные в работах [4-9].
Рис. 7. Расчетная схема платформы
Оценка усталостной прочности проводилась по сопротивления усталости по формуле [1]:
п = ^ >[п]
коэффициенту запаса
(1)
где: <JaN - предел выносливости (по амплитуде) для контрольной зоны при
симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов N0 =107;
< аэ - величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного
цикла, приведенная к базовому числу циклов N0, эквивалентная повреждающий действию реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы;
[n] - минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости за выбранный срок службы.
Статические напряжения от силы тяжести брутто вагона были получены с применением метода конечных элементов.
При проведении расчета напряженно-деформированного состояния, а также построения модели били учтены рекомендации и наработки [9-16] таких ученых как Лазарян В.А, Шапошников Н.Н., Блохин Е.П., Мямлин С.В. Расчет проводился для двух вариантов загрузки, при которых расчетными исследованиями было получено наибольшие изгибающие моменты (рисунки 7 и 8).
Рис. 8а. Два 40 футовых контейнера
НЕОЛкН'и
Рис. 8б. Четыре 20 футовых контейнера
Напряженно-деформированное состояние вагона от действия статической вертикальной нагрузки (брутто) приведено на рисунке 9.
Рис. 9. напряжения от действия статической вертикальной нагрузки 2^ 40-ка футовых
контейнеров
Результаты расчета коэффициента запаса сопротивления усталости при загрузке платформы двумя 40-футовыми контейнерами приведены в таблице 1.
Таблица 1. Коэффициент запаса сопротивления усталости при загрузке двумя 40-футовыми
контейнерами
Элемент сечение точка № узла модели Результаты расчета
Ост ОаЭ (ч OaN n
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Хребтовая балка I-I т.1 6948 83,2 46,383 4,5 41,293 0,89
Хребтовая балка I-I т.3 43015 93,4 52,069 4,0 46,455 0,89
Хребтовая балка I-I т.4 40158 83,4 46,494 4,5 41,293 0,89
Хребтовая балка III-III т.5 39428 86,8 48,390 4,5 41,293 0,85
Хребтовая балка III-III т.6 6179 87,4 48,724 4,5 41,293 0,85
Хребтовая балка V-V т. 7 39523 65,4 36,459 3,0 61,940 1,70
Хребтовая балка V-V т. 8 6274 65,8 36,682 3,0 61,940 1,69
Хребтовая балка VI-VI т. 9 48292 10,1 5,631 3,0 61,940 11,00
Хребтовая балка VI-VI т.10 15179 10 5,575 3,0 61,940 11,11
Шкворневая балка I-I т.21 22937 58,9 32,836 4,0 46,455 1,41
Шкворневая балка I-I т.17 10504 29,5 16,446 4,5 41,293 2,51
Элемент сечение точка № узла модели Результаты расчета
Ост ОаЭ (ч OaN n
Шкворневая балка I-I т.19 22893 28,4 15,833 4,5 41,293 2,61
Шкворневая балка 01-01 т.22 56272 58,9 32,836 4,5 41,293 1,26
Шкворневая балка 01-01 т.18 43684 29,5 16,446 4,5 41,293 2,51
Шкворневая балка 01-01 т.20 56228 28,5 15,888 4,5 41,293 2,60
Балка боковая 0-0 т.23 23455 98,8 55,079 4,0 46,455 0,84
Балка боковая 0-0 т.24 504 68,8 38,355 4,0 46,455 1,21
Балка боковая I'-I' т.27 90821 93,3 52,013 4,5 41,293 0,79
Балка боковая I'-I' т.28 94116 91,1 50,787 4,5 41,293 0,81
Балка боковая I'-I' т.30 126001 91,1 50,787 4,5 41,293 0,81
Балка боковая I'-I' т.29 122580 93,3 52,013 4,5 41,293 0,79
Балка боковая II-II т.31 59382 111,2 61,992 4,0 46,455 0,75
Балка боковая II-II т.32 26006 111,4 62,104 4,0 46,455 0,75
Балка боковая III'-III' т.33' 66644 76,3 42,536 4,5 41,293 0,97
Балка боковая III'-III' т.35' 52273 2,9 1,617 4,5 41,293 25,54
Балка боковая III'-III' т.34' 33092 76,1 42,425 4,5 41,293 0,97
Балка боковая III'-III' т.36' 23918 93,1 51,902 4,5 41,293 0,80
Балка боковая IV-IV т.34 410 69,6 38,801 4,0 46,455 1,20
Балка боковая V-V т.35 66121 56,6 31,554 4,0 46,455 1,47
Балка боковая V-V т.36 32578 56,5 31,498 4,0 46,455 1,47
Балка боковая VI-VI т.37 60111 6,9 3,847 4,0 46,455 12,08
Балка боковая VI-VI т.38 26732 6,9 3,847 4,0 46,455 12,08
Балка боковая VII-VII т.39 58800 0,9 0,502 4,0 46,455 92,59
Балка боковая VII-VII т.40 1661 3,5 1,951 4,0 46,455 23,81
Как видно из таблицы 1, коэффициент запаса сопротивления усталости элементов рамы платформы, загруженной двумя 40-футовыми контейнерами, ниже допустимого значения [п] = 1,5. Это подтверждается результатами стендовых испытаний. Разрушения были обнаружены в двух зонах. В сечении 1-1, в зоне окончания накладки, и в сечении Ш-Ш хребтовой балки на проемы для горизонтального рычага автотормоза. Напряженно-деформированное состояние этих зон при загрузке двумя 40-футовыми контейнерами показано на рисунках 10 и 11.
Результаты расчета коэффициента запаса сопротивления усталости в этих зонах представлены в таблице 2.
Рис. 10. Напряженно-деформированное состояние в зоне шва накладки в центре боковой балки до предлагаемой доработки
Рис. 11. Напряженно-деформированное состояние в зоне окна горизонтального рычага хребтовой балки до предлагаемой доработки
Таблица 2. Коэффициент запаса сопротивления усталости в зонах разрушений при загрузке
двумя 40-футовыми контейнерами
Элемент Сечение № узла модел и Результаты расчета
аст ОаЭ aaN n
Боковая балка I-I 34553 66,1 27,3 5,0 37,2 1,36
Хребтовая балка III-III 64578 78,3 32,3 5,0 37,2 1,15
Как следует из таблицы 2, значения коэффициента запаса сопротивления усталости ниже допускаемого [n] = 1,5. Следовательно, эти зоны нуждаются в усилении. Для зоны разрушения в сечении I-I было предложено исключить накладку на нижнем поясе, что позволило удалить концентратор возле шва и снизить коэффициент концентрации (k | с 5,0 до 2,5. Для зоны разрушения по окну, в сечении Ш-Ш, предлагается
V ст/к
перенести стыковой шов усиливающего обода в зону с более низкими напряжениями, что позволило снизить уровень напряжения с 66,1 МПа до 5,1 МПа. Напряженно-деформированное состояние указанных зон после конструктивных изменений показаны на рисунках 12 и 13, а результаты расчета приведены в таблице 3.
Рис. 12. Напряженно-деформированное Рис. 13. Напряженно-деформированное
состояние в зоне шва накладки в центре состояние в зоне окна горизонтального
боковой балки после предлагаемой рычага хребтовой балки после
доработки предлагаемого доработки
Таблица 3. Коэффициент запаса сопротивления усталости в зонах разрушений после доработки, загрузки 40-футовыми контейнерами
Элемент сечени е № узла модел и Результаты расчета
аст ОаЭ ( К). aaN n
Боковая балка I-I 34553 71,4 2,1 2,5 37,2 17,67
Хребтовая балка III-III 64578 5,1 29,5 1,6 116,1 3,94
Как видно из таблицы 3, усталостная прочность рамы обеспечивается на весь срок эксплуатации, для схем нагрузки четырьмя 20-ти футовыми и двумя 40-ка футовыми контейнерами.
Вывод. После усовершенствования конструкции рамы был произведен расчет на соответствие платформы требованиям [1] по I, III и ремонтным режимами нагрузок и на соударение. Расчетные и экспериментальные напряжения во всех элементах длиннобазного вагона-платформы от всех эксплуатационных нагрузок, согласно [1], не превышают допустимых значений. Сходимость результатов расчетов и испытаний удовлетворительная, что свидетельствует о правильности проведенных расчетов.
Список литературы /References
1. «Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ-ВНИИЖТ. Москва. 1996. Изменения и дополнения».
2. Kelrykh М. Perspective directions of planning carrying systems of gondolas / М. Kelrykh, О. Fomin / Scientific and technical journal «Metallurgical and Mining Industry». 2014, № 6. P. 64-67.
3. РД 24.050.37-95 Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. М.:ГосНИИВ, 1995. 102 с.
4. Годыцкий-Цвирко А.М. Взаимодействие пути и подвижного состава железных дорог / Годыцкий-Цвирко А.М. - М.: Гострансиздат, 1931. 214 с.
5. Марье Г. Взаимодействие пути и подвижного состава / Марье Г. М.: Госжелдориздат, 1933. 338 с..
6. Винокуров М.В. Исследование колебаний и устойчивости вагонов / М.В. Винокуров // Научн. тр. ДИИТ, 1989. Вып. 12. 292 с.
7. Лазарян В.А. Динамика вагонов / Лазарян. В.А. М.: Транспорт, 1964. 256 с.
8. Фомин О.В. Розробка методики впровадження рiзних профшв в якосп складових елеменпв несучих систем вантажних вагошв [Текст]/ О.В. Фом^/ Вюник Нацюнального техшчного ушверситету «ХП1». - Харшв. - 26'2012 С.29-33
9. Вершинский С.В. Динамика вагона / С.В. Вершинский // Технический справочник железнодоожника. М.: Трансжелдориздат, 1952. Т.6. С. 651-712.
10. Лазарян В.А. Применение математических машин непрерывного действия к решению задач динамики подвижного состава железных дорог / Лазарян В.А. М.: Трансжелдориздат, 1962. 220 с.
11. Fomin O. Development and application of cataloging in structural design of freight car building / O.V. Fomin, O.V. Burlutsky, Yu.V. Fomina / Scientific and technical journal «Metallurgical and Mining Industry». 2015, No. 2 - P.250-256.
12. Шапошников Н.Н. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / Н.Н. Шапошников, Н.Д. Тарабасов, В.В. Петров, В.И. Мяченков. М.: Машиностроение, 1981. 333 с.
13. Блохин Е.П. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания) / Е.П. Блохин, Л.А. Манашкин. - М.: Транспорт, 1982. 222 с.
14. Блохин Е.П. О возможности понижении порядка системы дифференциальных уравнений движения поезда при возмущениях, распространяющихся вдоль его длины / Е.П. Блохин, Л.Г. Маслеева // Межвуз сб. науч. тр. Днепропетровск: ДИИТ, 1978. Вып. 199/25. С. 47-54.
15. Фомин О.В. Математичш моделi змши основних показниюв базових несучих елеменпв кузовiв нашввагошв / О.В. Фомш, О.А. Логвшенко, Р.Ю. Дьомш, Г.П. Бородай, В.В. Фомш, О.В. Бурлуцький // Науково-практичний журнал «Залiзничний транспорт Украши». Кшв: ДНДЦ УЗ, 2013. № 5/6(102/103). С. 95-104.
16. Мямлин С.В. Программа моделирования пространственных колебаний подвижного состава / С.В. Мямлин // Залiзничний транспорт Украши. 2000. № 3. С. 52-54.
