Разработка конструкции карликового светофора из полимерных конструкционных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Разработка конструкции карликового светофора из полимерных конструкционных материалов

о ы

а

а

«

а б

Дынина Алена Владимировна

заместитель начальника испытательной лаборатории ООО «Завод по переработке пластмасс имени «Комсомольской правды», afka88@mail.ru

Целью выполнения данной работы была разработка конструкции карликового светофора в корпусах в сборе с фундаментом и трансформаторным ящиком выполненных из полимерного конструкционного материала с применением компьютерного моделирования. Проведение инженерных расчётов карликового светофора, сравнение результатов для различных типов конструкций, изготовленных из различных полимерных материалов. В процессе работы была построена трёхмерная модель карликового светофора в сборе с фундаментом и трансформаторным ящиком, трёхмерная модель карликового светофора в сборе с металлической рамкой, выполнены инженерные расчёты сборок, показаны результаты анализов, приведено сравнение с пределом текучести стали. Данная работа была выполнена при поддержке федерального государственного бюджетного учреждения «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» в рамках программы «Умник», направленной на поддержку коммерчески ориентированных научно-технических проектов молодых исследователей.

Ключевые слова: карликовый светофор из полимерного конструкционного материала, полимерные конструкционные материалы, автоматика и телемеханика, моделирование поведения изделий в условиях эксплуатации, 3^ модель.

В настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» находятся в эксплуатации конструкции карликовых светофоров, в которых корпуса, крышки и противосолнечные козырьки изготовлены из металла. Применение таких материалов несёт с собой ряд существенных недостатков: чугунные корпусы - тяжёлые, подвержены коррозии, имеют много брака при отливке, алюминиевые - являются дорогостоящими. Кроме того, наличие бликов при подаче сигналов оказывает влияние на организацию движения и маневровую работу.

Широкий спектр имеющихся сегодня на рынке полимерных конструкционных материалов позволяет заменить металл на полимерный материал, поэтому существует необходимость разработать и поставить на производство карликовые светофоры со светодиодными светооп-тическими системами, с корпусом из негорючего, химически стойкого и вандалоустойчивого полимерного конструкционного материала.

Проектирование изделия и технологической оснастки осуществлялось в программном комплексе SolidWorks (рис.1). Данный программный комплекс имеет наибольшее распространение среди проектировщиков изделий из пластмасс и технологической оснастки для изготовления изделий из пластмасс в России. Трехмерное моделирование существенно превосходит по преимуществам линейное проектирование. Программа SolidWorks позволяет увидеть будущее изделие в объеме с разных сторон и придать ему реалистичности отображения в соответствии с избранным материалом для пробной оценки дизайна.

В процессе моделирования прочностных расчётов конструкции карликового светофора было проведено два типа анализа: без учёта внешних нагрузок и с учётом их влияния на результаты исследования.

Рисунок 1 - Эй-модель изделий карликового светофора, спроектированного в SolidWorks

Для получения более точных результатов расчётов был проведён линейный статический анализ с имитацией натяга на крепёжных деталях сборки (рис 2).

Рисунок 2 - Эпюры напряжения по Мизесу линейного статического анализа

Гармонический анализ показал, что у модели наименьшее напряжение по Мизесу на металлическом фундаменте (240,9 МПа). Этот показатель находится на границе предела текучести стали, поэтому для уменьшения нагрузок были выполнены изменения конструкции: была включена металлическая рамка, поддерживающая трансформаторный ящик; была увеличена толщина металлического фундамента с 4 мм до 7 мм; трансформаторный ящик был уменьшен до минимально возможных размеров.

Исследование модели с использованием поддерживающей металлической рамки выявило снижение напряжения до 140 МПа, что входит в предел текучести стали. Расчёт конструкции с увеличенной толщиной стенки фундамента показал уменьшение напряжения по Мизесу до 180 МПа, что также не превышает предел текучести стали. Анализ сборки карликового светофора с уменьшенным трансформаторным ящиком показал напряжение, равное 240 МПа, что входит в предел, текучести стали. Таким образом, для наибольшей надёжности светофора целесообразно использовать конструкцию с поддерживающей рамкой.

Заключение

Использование возможностей частотного анализа методом конечных элементов в программе Solidworks Simulation позволлило провести проверку влияния материала, используемого при изготовлении корпуса светофора и самой конструкции корпуса на устойчивость к вибрационному воздействию, что дает возможность сократить затраты на изготовление дополнительных опытных образцов и их проверку.

Резонансные явления способствуют разрушению карликового светофора при вибрационном воздействии и при замене традиционно используемого для изготовления корпусов металла на полимерный материал необходимо повысить собственную частоту колебания светофора с корпусами из полимерного материала.

Увеличение собственной частоты колебания корпуса светофора достигается за счет увеличения жесткости всей конструкции, которая в свою очередь достигается как за счет изменения геометрии корпуса, так и использования материала для изготовления корпуса с высоким значением модуля упругости при растяжении (не менее 16000 МПа), а также введением дополнительных элементов в конструкцию при сборке и креплении корпусов карликового светофора между собой.

Предложенный железнодорожный карликовый светофор характеризуется тем, что корпусные изделия, а именно противосол-нечный козырек карликового светофора, корпус, крышка карликового светофора, а также корпус трансформаторного ящика вы-

О В

I»

£

55 т П Н

о ы

а

полнены из композиционного конструкционного полимерного материала на основе сплава поликарбоната и АБС-пластика.

Одновременно для конструкции корпуса головки карликового светофора была проверена и новая конструкция установочной поверхности, площадь которой в 1,7 раз больше по сравнению с теми, что применяются в силуминовых корпусах и в первоначальной опытной партии. Такая установочная поверхность содержит 4 крепежных винта, и это позволило более чем в 5 раз поднять жесткость межкорпусного соединения.

Корпуса в головке соединены друг с другом посредством клеевого соединения с последующим отверждением сборки на поверхности поверочной плиты не менее 2 класса точности.

Такое совместное изменение типа материала и геометрии корпуса, метода крепления корпусов между собой позволило обеспечить требуемую жесткость светофора с высокой собственной резонансной частотой продольных колебаний (не менее 60+5 Гц), а также гарантирует качество поверхностей для установки как линзовой, так и светодиодной светооптической системы на многозначных головках карликовых светофоров, которые должны иметь допуск по параллельности плоскостей между собой не более чем 0,7 мм (на диаметре 256 мм) по ТУ 32 ЦШ 2019-94.

Литература

Компьютерное моделирование. Учебно-методическое пособие для студентов / Белова И.М. - М., МГИУ, 2007.

Физико-химия полимеров. / Тагер А.А. - Издательство "Химия". М., 1968, 536 с.

Технические свойства полимерных материалов: Учебно-справочное пособие.-2-е изд., испр и доп. / Крыжановский В. К., Бурлов В. В., Пани-матченко А. Д., Крыжановская Ю. В. - СПб-Профессия, 2005, 248 с

SolidWorks Russia [электронный ресурс]. URL: http://www.solidworks.ru

Development of the design of the dwarfish traffic light from polymeric structural materials

Dynina A.V.

Laboratory of Komsomolskaya Pravda Plastics Processing Plant LLC

Development of a design of the dwarfish traffic light in cases assembled with the base and a transformer box made of polymeric structural material with application of computer modeling was the purpose of performance of this work. Carrying out engineering calculations of the dwarfish traffic light, comparison of results for various types of the designs made of various polymeric materials. In the course of work the three-dimensional model of the dwarfish traffic light assembled with the base and a transformer box, three-dimensional model of the dwarfish traffic light assembled with a metal frame was constructed, engineering calculations of assemblies are executed, results of analyses are shown, comparison with a steel fluidity limit is given. This work was performed with assistance of federal state budgetary institution "Fund of Assistance to Development of Small Forms of the Enterprises in the Scientific and Technical Sphere" within the program «Umnik» directed to support of commercially focused scientific and technical projects of young researchers.

Keywords: the dwarfish traffic light from polymeric structural material, polymeric structural materials, automatic equipment and telemechanics, modeling of behavior of products under operating conditions, 3-D model.

References

1. Computer simulation. Teaching guide for students / Belova IM

- M., MGIU, 2007.

2. Physical chemistry of polymers. / Tager A.A. - Publishing "Chemistry". M., 1968, 536 p.

3. Technical properties of polymeric materials: Teaching reference manual.-2 nd ed., Corr. And add. / Kryzhanovsky V. K., Burlov V. V., Panimatchenko A. D., Kryzhanovskaya Yu. V. - St. Petersburg - Profession, 2005, 248 p.

4. SolidWorks Russia [electronic resource]. URL: http://www.solidworks.ru

5

«

a

6