CC BY
22
■а о-
В статті представлені особливості та результати оптимізаційного проектування елементів конструкції стіни торцевої піввагонів моделі 12-9745 за критерієм мінімальної матеріалоємності
Ключові слова: стіна торцева піввагону, оптимізаційне проектування
□----------------------------------□
УДК 629.463.65:629.4.01
ОПТИМІЗАЦІЙНЕ ПРОЕКТУВАННЯ КОНСТРУКЦІЇ СТІНИ ТОРЦЕВОЇ ПІВВАГОНУ МОДЕЛІ 12-9745 ЗА КРИТЕРІЄМ МІНІМАЛЬНОЇ МАТЕРІАЛОЄМНОСТІ
В статье представленные особенности и результаты оптимизационного проектирования элементов конструкции стены торцевой полувагонов модели 12-9745 по критерию минимальной материалоемкости
Ключевые слова: стена торцевая полувагона, оптимизационное проектирование
□ □
In the article the represented features and results of the optimization planning elements construction of wall freight gondola model a 129745 after the criterion of minimum materyalo-emkosty
Key word: wall freight gondola, optimization planning
■Q О
Постановка проблеми і аналіз результатів останніх досліджень
За оцінками фахівців понад 50% загального вантажообігу на мережах залізниць країн СНД виконується піввагонами (www.ukrstat.gov.ua, www.gks. ги), дефіцит яких на нинішній час складає 21% [1]. Поповнення інвентарного парку піввагонів здійснюється за рахунок їх виготовлення на вагонобудівних підприємствах України та країн СНД, а також пере-профільованих вагоноремонтних заводах (ВРЗ) Укрзалізниці.
На сьогоднішній день однією із найпоширеніших моделей піввагонів вітчизняного виробництва є модель 12-9745 - базова для перепрофільованих ВРЗ (Дарницький ВРЗ, ДП «Укрспецвагон», Попаснянсь-кий ВРЗ та Стрийський ВРЗ). Проведений авторами порівняльний аналіз техніко-економічних показників вітчизняних та закордонних піввагонів [2] засвідчив про наявність резервів удосконалення конструкції піввагонів моделі 12-9745 в напрямку зниження їх матеріалоємності (маси тари).
В. І. Мороз
Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри* Контактний тел.: (057) 730-10-51
О . В . Б р а т ч е н к о
Кандидат технічних наук, професор* Контактний тел. (057) 730-10-53
О . В . Ф о м і н
Аспірант* E-mail: fomin1985@list.ru *Кафедра «Механіка і проектування машин» Українська державна академія залізничного транспорту пл. Фейєрбаха, 7, м. Харків. 61050
Результати виконаних науково-дослідних робіт [3,4] показали, що одним із перспективних напрямків зниження матеріалоємності конструкції піввагону моделі 12-9745 є зниження маси стіни торцевої. Вирішення зазначеної задачі на сучасному рівні потребує проведення оптимізаційного проектування (ОП) елементів конструкції стіни торцевої за критерієм мінімальної матеріалоємності. Разом з тим у довідковій та спеціальній науково-технічній літературі з вагонобудування інформація щодо розгляду та вирішення таких важливих питань відсутня.
Мета статті та викладення основного матеріалу
У статті представлені особливості та результати оптимізаційного проектування елементів конструкції стіни торцевої піввагонів моделі 12-9745 за критерієм мінімальної матеріалоємності.
Конструкція стіни торцевої піввагону моделі 129745 висвітлена на рис. 1. Дослідження спрямоване на обґрунтований вибір форми профілів поперечних
Е
перетинів і їх відповідних геометричних параметрів для окремих конструктивних елементів (при їх незмінній довжині).
А-А, Б-Б в-В
(збільшено) (збільшено)
Рис. 1. Стіна торцева піввагону моделі 12-9745
В якості об’єктів ОП розглядались горизонтальні пояси №1, №2 і вертикальні стійки, які виконані з двох зварених між собою швелерів 14У-В (ГОСТ 5267.1 матеріал - сталь марки 09Г2). Це обґрунтовується наявністю для вказаних елементів суттєвих розрахункових резервів міцності [5], які характеризуються співвідношенням діючих максимальних експлуатаційних еквівалентних напружень з їх допустимими значеннями (табл. 1).
Таблиця 1
Основні характеристики досліджуваних елементів стіни торцевої існуючої конструкції
№ п/п Назва і-го елементу конструкції стіни торцевої Погонна маса ті , кг/м Довжина 1і, мм Розрахунковий резерв міцності елементу у, % Осьовий момент опору Wi, см3 й 0^2 А ' 'О °а^ ^ В £ 2 ° 1 1 НН и Д
1 Горизонтальний пояс №1 (і= 1) 37,525 2810 38 179,35 112
2 Горизонтальний пояс №2 (і= 2) 37,525 2810 55 179,35 79
3 Вертикальні стійки (і=3) 38,5 1640 63 196,29 73
Так, допустимі напруження для матеріалу 09Г2 складають [о]=280 МПа, в той же час максимальні
експлуатаційні еквівалентні напруження становлять: для горизонтального поясу №1 оетах = 174,8МПа, для горизонтального поясу №2 оетах = 125,54МПа, для вертикальних стійок оетах =103,65МПа. Тобто розрахункові резерви відповідно складають: 38%, 55%, 63%.
Для вирішення поставленої задачі були проведені пошукові дослідження [6] в ході яких варіювались різні геометричні форми та матеріали для виготовлення розглядаємих елементів конструкції. Було встановлено, що для виготовлення поясів та вертикальних стійок стіни торцевої доцільно використовувати гнутий швелер з рівними полицями, який відповідає ГОСТ 8278 (матеріал - сталь 09Г2). Виготовлення такого профілю з листа відповідної товщини може здійснюватись за технологіями, які засвоєні на виробничих базах та обладнанні вітчизняних ВРЗ. Це додатково забезпечить зменшення собівартості виготовлення цих елементів та конструкції кузова піввагону в цілому. Разом з тим використання таких профілів обґрунтувало необхідність проведення досліджень з вибору геометричних параметрів їх перерізу.
На рис. 2 показано поперечний перетин запропонованого профілю, основними геометричними параметрами якого є: 8 - товщина листа; Ь - ширина полиць; Ь - ширина стінки.
Рис. 2. Швелер стальний гнутий з рівними полицями ГОСТ 8278
Метою робіт є отримання оптимальних значень вищезазначених параметрів ( 8*,Ь*,Ь* ), при яких буде забезпечена мінімальна маса стіни торцевої ттТ'П' при виконанні умови міцності ( оетахі < [о] ).
В такій постановці ОП стіни торцевої піввагону моделі 12-9745 за критерієм мінімальної матеріаломісткості може розглядатися як задача багатомірної оптимізації з обмеженнями [7,8]:
тстт(Х) ^ тіп,
- (1) XєДх єД
-г-^ст.т. • •• / и
де т - маса стіни торцевої (основний критері-альний показник);
X - вектор керованих змінних параметрів, складовими якого розглядаються - 8і, Ьі і Ьі, інтервали варіювання яких визначають область можливих рішень Д, в якій функціональними обмеженнями [о;] виділяється область допустимих рішень Дх.
3_ст.т.
урахуванням того, що величина т визначається з урахуванням погонних мас кожного з виділених
—н —н —н
елементів нової конструкції (шстт- = ті + Ш2 + тз ), при
з
проведенні відповідних етапів дослідження їх доцільно розглядати як критеріальні показники. При цьому для полегшення виконання розрахунків в якості функціональних обмежень приймались значення допустимих осьових моментів опору ^^^^,^3] (див. табл. 1). Для всіх трьох елементів конструкції встановлені однакові інтервали варіювання керованих змінних: Ь=10..,14см; 8=0,4...0,8см (з урахуванням вимог до розташування внутрішніх кріплень штучних вантажів було прийнято h=const=12 см ).
Тоді для кожного з розглянутих елементів конструкції стіни торцевої математичний запис задачі ОП буде мати вид:
ШН(Ь*,б*) = ш|'п1п ,
Ь*,б* єДхЄД,
Дх ={ь, б|
0см<Ь<14см;0,4см<б<0,8см
Математичний план дослідження
№ режиму Ь,см 8, см —н т ,кг/м W, см3
1 14 0,8 26,81 124,05
2 14 0,4 15,81 84,73
3 10 0,8 21,78 112,19
4 10 0,4 13,3 68,06
5 12 0,6 19,55 92,04
6 14 0,6 21,44 108,91
7 10 0,6 17,67 95,34
8 12 0,8 24,29 109,44
9 12 0,4 14,55 69,17
Нижче представлені УММ для контрольованих показників у дійсних величинах змінних, які отримані для математичного плану за табл. 2. тн = 3,98 - 0,0325-Ь + 9,35-5 +
+0,00125-Ь2-3,25-52 +1,575-Ь-5 . о_= = 0.
(5)
W = 258,18-44,293■ Ь +155,43 8 + +2,052■ Ь2 -37,7182 -2,045^Ь 8
(6)
(2)
де Ь*, 8*- оптимальні значення параметрів Ь;,8;, при яких забезпечується мінімальна погонна маса і-го елементу; вибираються в зоні допустимих рішень Дхі, яка належить загальній області можливих рішень Д. Загальна область можливих рішень, що визначається інтервалами варіювання змінних параметрів 8;,Ь; має наступний вид:
Д ^ 110см<Ь<14см;0,4см<8<0,8см } (3)
Область допустимих рішень з урахуванням функціональних обмежень:
' (4)
Обґрунтований вибір оптимальних значень геометричних параметрів перерізів Ь*,8* досліджуваного елементу виконувався на основі сумісного аналізу відповідних узагальнених математичних моделей (УММ) виду т = ^Ь, 8) і W = ^Ь, 8), які було отримано з використанням методів математичного планування експерименту [8.10].
Нижче в табл. 2 наведений ортогональний математичний план другого порядку для двох змінних, що варіюються на трьох рівнях, складений з використанням відповідної матриці планування. При цьому для кожного з режимів математичного плану з використанням математичного описання_визначалися значення контрольованих показників т , W .
Таблиця 2
оW = ±0,728 см3.
Величини середньоквадратичних відхилень о_=
і оW для отриманих УММ свідчать про їх адекватність і придатність для використання в подальших дослідженнях з визначення раціональних геометричних параметрів перетинів розглянутих елементів конструкції.
На останньому етапі досліджень з визначення оптимальних параметрів Ь*, 8* будувались допоміжні графіки з ізолініями відповідних фіксованих значень контрольованих показників т , W . Для прикладу, на рис. 3 представлено такий графік для пошуку оптимальних значень параметрів поперечного перетину горизонтального поясу №2 - Ь2,82.
..т = ^Ь,8) _ Ж = ^Ь,3)
Рис. 3. Допоміжний графік до визначення оптимальних параметрів перетину нового профілю горизонтального поясу №2 стіни торцевої
Область допустимих рішень АБВГЕ:
' .}
Дх2 _{Ь’ ^ІШ^70 ™3
^ >79см 3 ;10см <Ь<14см ;0,4Л«5<0,8см І
З рис. 3 видно, що область допустимих рішень Дх2 (заштрихована зона графіку АБВГЕ) виділяється із області можливих рішень (область АБВД) ізолінією функціонального обмеження W = 79 см3, а також ізолініями граничних значень керованих змінних. Пошук, що здійснювався в області Дх2, дав можливість в якості оптимальних визначити такі величини зазначених параметрів - Ь2 = 12,5 см, 82 = 0,5 см (відповідають точці К на графіку). Таке рішення обґрунтовується встановленими ГОСТ 19903 нормованими значеннями листового прокату (8=4 мм;
Е
4,5 мм; 5 мм; 6 мм, 7мм, 8 мм...) і технологічними особливостями виготовлення стіни торцевої. Результати проведених розрахунків показали, що для прийнятих величин Ь2,§2 погонна маса горизонтального поясу №2 нової конструкції буде складати
--н —с
т2 = 17,48 кг/м ( т2 = 37,525 кг/м), а осьовий момент опору W = 80,6 см3 ( ^] = 79 см3).
Узагальнені результати дослідження для всіх трьох конструктивних елементів стіни торцевої представлено в табл. 3.
Таблиця 3
Результати оптимізаційного проектування елементів стіни торцевої за критерієм мінімальної матеріалоємності
№ п/п Назва і-го елементу конструкції стіни торцевої Ь; , см 8; , см Погонна маса —н ті , кг/м Розрахунковий осьовий момент опору Щ, см3 й н ^ и |> со ь [с ^ і £ а ° и Еї й § ом Дм
1 Горизонтальний пояс №1 (і= 1) 13,5 0,8 26,2 112,3 112
2 Горизонтальний пояс №2 (і= 2) 12,5 0,5 17,48 80,6 79
3 Вертикальні стійки (і= 3) 10,0 0,5 15,52 78,5 73
Практичне впровадження запропонованих технічних рішень з удосконалення конструкції стіни торцевої дозволить знизити масу тари піввагону моделі 12-9745 на 251 кг. Вже це дозволить перевозити додатково близько 15 т вантажу у складі поїзда з 60
- ти таких піввагонів.
Висновки і рекомендації щодо подальшого використання
Наведені у статті матеріали свідчать про доцільність впровадження запропонованого авторами підходу до оптимізаційного проектування елементів конструкції кузова вітчизняних піввагонів за критерієм мінімальної матеріалоємності. Його практична реалізація забезпечить досягнення суттєвого економічного ефекту при їх виготовленні та експлуатації.
Запропонований підхід може бути використаний для інших елементів кузова та конструкцій піввагонів.
Література
1 Цыган, Б.Г. Состояние и тенденции развития грузового вагоностроения [Текст] / Б.Г.Цыган, А.Б.Цыган // Вагонный парк. - 2008 - № 9-11.
2 Мороз, В.І. Визначення перспективних напрямків удосконалення конструкції напіввагонів виробництва ДП «Укрспецвагон» [Текст]/ В.І. Мороз, В.В. Фомін, О.В Фомін // Зб. наук. праць.- Харків: УкрДАЗТ, 2008.- Вип. 99.- С. 72-81
3 Мороз, В.І., Формалізоване описання конструкції залізничних вантажних вагонів [Текст]/ В.І. Мороз, О.В. Фомін, // Зб.наук.праць 107. - Харків: УкрДАЗТ, 2009.
- Вип. -С 173-179.
4 Мороз, В.І. Визначення структури матеріалоємності залізничного напіввагону з використанням блочно-ієрархічного описання його конструкції [Текст]/ В.І. Мороз, О.В Фомін // Зб. наук. праць. - Донецьк: ДонІЗТ, 2010.
- Вип.№. 21.
5 Мороз, В.І. Визначення розрахункових резервів міцності елементів конструкції стіни торцевої напіввагону моделі 12-9745[Текст]/ В.І. Мороз, О.В Фомін // Зб. наук. праць. - Луганськ: СНУ ім. В.Даля, 2010. - Вип.№.1(1-43) Ч.2.- С.118-124
6 Удосконалення конструкції напіввагонів виробництва ДП «Укрспецвагон» з метою поліпшення їх техніко-економічних показників: Звіт про НДР (заключний) [Текст]/ УкрДАЗТ. - № ДР 0109Ш01186. - К., 2008.
- 72 с.
7 Мороз, В.І. Математичний запис задачі оптимізаційно-го проектування напіввагонів за критерієм мінімальної матеріалоємності [Текст]/ В.І. Мороз, О.В Фомін // Зб. наук. праць.- Харків: УкрДАЗТ, 2009.- Вип. 111
8 Мороз, В.І. Основи конструювання і САПР [Текст]: навч. посібник / В.І.Мороз, О.В.Братченко, В.В.Ліньков
- Харків: Нове слово, 2003. - 194 с.
9 Мороз В.И. Математическое планирование исследования при оптимизации основных показателей турбопорш-невого дизеля [Текст]/ В.И. Мороз // В кн.: Двигатели внутреннего сгорания. - Харьков: Вища школа, 1976.
- Вып. 24. - С. 96 - 102.
10 Математическая теория планирования эксперимента [Текст]/ Под ред. С.М.Ермакова - М.: Наука, 1983.
- 392 с.
