Совершенствование методики расчета полувагонов при действии ударных нагрузок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.463.65

И. А. Хилов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ ПОЛУВАГОНОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ УДАРНЫХ НАГРУЗОК

Разработана расчетная модель полувагона без люков. Выполнен расчет прочности конструкции при действии статических и ударных нагрузок. Разработана методика и проведены испытания на соударения. Выполнено сравнение результатов напряжений в конструкции полувагона, полученных расчетным и экспериментальным путем при действии ударной нагрузки. Получено уточненное значение инерционной силы, действующей на торцевую стену полувагона при ударной нагрузке.

торцевая стена, полувагон, методика, испытания на соударения, инерция груза, результирующая сила.

Введение

Одним из документов, который содержит требования и рекомендации к конструкции и устройству основных узлов вагонов являются «Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» (далее - «Нормы») [1]. Этот документ также определяет эксплуатационные нагрузки, при которых оцениваются прочностные характеристики конструкции вагона. При этом в действующей редакции «Норм» содержатся некоторые требования к нагрузкам, которые не в полной мере обоснованы [2-4]. К таким требованиям может быть отнесено требование относительно нагрузки под действием сыпучего груза на торцевую стену. В соответствии с требованиями «Норм» торцевые стены полувагона должны рассчитываться по режиму I на равномерно распределенное по всей их площади динамическое давление насыпного груза, возникающее при соударении вагонов от действия силы инерции массы груза и равное 0,35 грузоподъемности вагона. Инерционная нагрузка на торцевую стену распределяется равномерно по всей высоте торцевой стены (рис. 1), а общая формула для вычисления силы инерции ^ингр, кН, имеет вид:

Дн.гр =0,35 -т1Г-а,

где а - ускорение вагона и груза, м/с2;

Шгр - масса груза, т.

Однако, как показывает практика проектирования полувагонов, расчетные значения напряжений при действии такой нагрузки превышают напряжения, регистрируемые при испытаниях.

Рис. 1. Характер действия инерционной нагрузки на торцевую стену при ударной нагрузке:

1 - торцевая стена; 2 - рама; 3 - боковая стена;

4 - верхняя обвязка боковой стены

Исследования эксплуатационной нагрузки на стены полувагона проводились ВНИИЖТ, ВНИИВ, УрГУПС (Нетеса А. Г., Пашарин С. И., Павлюков А. Э.). В работах этих авторов обосновывались нагрузки на торцевые стены и распределение нагрузок на поперечные балки рамы полувагонов, методики расчета торцевых стенок в зависимости от угла наклона стенки, методики расчета активного, пассивного и динамического давления на торцевые стены. Кроме того, был установлен равномерный характер усилий от сыпучего груза по высоте торцевой стены. К сожалению, результаты данных работ не в полной мере нашли свое отражение в «Нормах» и не были уточнены с учетом применения современного программного обеспечения, реализующего метод конечных элементов.

Для проверки обоснованности расчетных нагрузок от действия сыпучего груза на торцевую стену полувагона при ударных нагрузках была проведена серия расчетных и экспериментальных исследований. На первом этапе был выполнен расчет прочности полувагона при предельно допустимой ударной нагрузке 3,5 МН. Затем для сравнения с результатами расчета были проведены испытания на соударения. В результате были получены напряжения в элементах конструкции торцевой стены, в том числе и при силе соударения 3,5 МН. В заключение был определен поправочный коэффициент для расчетной нагрузки на торцевую стену при ударной нагрузке.

В качестве объекта исследований был выбран полувагон без разгрузочных люков модели 12-9869, представленный на рис. 2. Конструкция торцевой стены данного полувагона не имеет люков и дверей, как и большинство полувагонов, эксплуатирующихся на железных дорогах нашей страны.

Рис. 2. Объект исследований 1 Расчетные исследования

Для исследований была разработана расчетная схема, которая учитывала все основные конструктивные особенности кузова полувагона. Разработка геометрической модели производилась стандартными приемами метода конечных элементов с применением специализированного программного обеспечения. Расчетная модель полувагона в целом формировались из пластинчатых восьмиузловых конечных элементов. Для моделирования пятников использовались объемные десятиузловые конечные элементы.

Кроме силы инерции груза на торцевую стену ^ингр при действии ударной нагрузки, были также учтены следующие нагрузки:

S сила удара в автосцепку;

S сила распора груза;

S сила инерции кузова;

S сила инерции тележек.

Для анализа напряжений в элементах конструкции торцевой стены и хребтовой балки полувагона была разработана схема контрольных сечений и точек, представленная на рис. 3.

С помощью расчетной схемы были выполнены расчеты прочностных характеристик кузова полувагона, в результате которых были получены напряжения в контрольных точках.

Напряженно-деформированное состояние кузова полувагона под действием инерции сыпучего груза показано на рис. 4.

5

Вид снизу

Вид с торца

1 в

mi

Рис. 3. Схема расположения контрольных сечений и точек в элементах конструкции полувагона

Рис. 4. Напряженно-деформированное состояние полувагона при действии ударной нагрузки 3,5 МН

На рис. 4 видно, что в некоторых зонах балок торцевой стены напряжения превышают предел текучести.

Для оценки достоверности расчетной модели результаты расчета сравнивались с данными статических испытаний. Было установлено, что для основных несущих элементов конструкции отклонение разработанной модели от данных расчета не более 5-7 % от веса груза при действии вертикальной статической нагрузки. Такое расхождение в результатах позволяет в полной мере говорить об адекватности расчетной модели и возможности дальнейшего ее использования в данном исследовании. При анализе напряжений в конструкции под действием ударной нагрузки 10%-е расхождение результатов расчета и испытаний может быть признано удовлетворительным. Такая сходимость результатов была принята по результатам анализа предыдущих работ различных ученых [4].

Далее, для проверки выполненного расчета прочности конструкции полувагона была разработана методика испытаний и проведены испытания на соударения.

2 Методика проведения испытаний

Во время ударных испытаний полувагон был загружен углем до полной грузоподъемности, при этом объем полувагона был загружен полностью.

Испытания выполнялись путем соударения вагона-бойка и вагона, стоящего в подпоре, по схеме, представленной на рис. 5. Масса вагона-бойка была больше массы испытуемого вагона и составила 100 ± 3 т.

Рис. 5. Схема расположения вагонов при испытаниях на соударение (вагон в подпоре)

Для регистрации деформаций в качестве первичных датчиков были использованы тензорезисторы с базой 5-20 мм.

Режимы соударений при испытаниях вагона представлены в таблице.

Максимальная сила удара повышалась до тех пор, пока расхождение между напряжениями в элементах конструкции торцевой стены при расчетах и испытаниях не уменьшилось до 10 %, что является показателем удовлетворительной сходимости результатов при действии ударной нагрузки.

Сила соударения регистрировалась при помощи динамометрической автосцепки, которая была установлена на испытываемый вагон. Кроме того, величина силы соударения подтверждалась при помощи анализа скоростей набегания вагона-бойка и их сравнения с имеющимися данными ранее проведенных испытаний, а также при помощи анализа напряжений в хребтовой балке полувагона в сечении перед шкворневой балкой.

ТАБЛИЦА. Режимы соударений при испытании вагона, стоящего в подпоре

№ режима Диапазон сил ударов, МН Количество соударений Промежуточный осмотр

1 от 1,0 до 1,5 7

2 от 1,5 до 2,0 7 После третьего удара

3 от 2,0 до 2,5 7

4 от 2,5 до 3,0 7

5 от 3,0 до 3,5 3 После каждого удара

6 от 3,5 до 4,0 3

7 от 4,0 до 4,5 3

Схема расположения контрольных сечений и точек была идентична разработанной ранее на этапе расчета прочности (см. рис. 3).

3 Анализ результатов испытаний

Измеренные деформации в местах установки линейных датчиков пересчитывались в напряжения.

При достижении силы соударения вагона-бойка в 3,5 МН, которая является максимально допустимой в эксплуатации, был произведен анализ полученных напряжений и сходимости с результатами расчета. Анализ показал, что напряжения в хребтовой балке в целом соответствуют расчетным с принятым уровнем сходимости. При этом напряжения в торцевой стене полувагона значительно ниже расчетных. Расхождение с результатами расчета в среднем составило 20-25 %, в некоторых точках оно достигло 30 %, все расхождения имели одинаковый знак. Поэтому было принято решение продолжить ударные испытания, постепенно повышая силу соударения. После анализа напряжений, полученных при испытаниях, было отмечено, что напряжения в симметричных точках конструкции в основном симметричны, расхождения находятся в пределах 8-12 %. Напряжения в зависимости от нагрузки изменяются линейно, что видно из рис. 6, на котором представлены результаты испытаний для некоторых контрольных точек. На данном рисунке горизонтальными линиями показаны напряжения в этих же точках, полученные расчетным путем, при силе соударения 3,5 МН с учетом принятого уровня сходимости 10 %.

Рис. 6. Зависимость напряжений в элементах конструкции от силы соударения

На рис. 6 видно, что напряжения в хребтовой балке (точка 15) при силе соударения 3,5 МН, полученные в результате расчета и испытаний, хорошо коррелируются. Однако для точек торцевой стены (точка 3) сходимость расчета данных, полученных при силе соударения 3,5 МН, с испытаниями достигается только при силе соударения на испытаниях 4,34,5 МН. Результаты исследования показывают, что для достижения сходимости результатов расчетов и испытаний при действии ударной нагрузки необходимо снизить величину инерционной нагрузки от сыпучего груза до 24-26 % от грузоподъемности на торцевую стену. Исходя из этого, согласно проведенным исследованиям, формула для вычисления силы инерции ^ингр, кН, должна иметь вид:

Дк.П. =0’25-"Va-

Такое расхождение с нормативной документацией может быть связано с тем, что требования «Норм» к отдельным элементам (боковым и торцевым стенам) предназначались для применения отдельных расчетных схем, а не кузова целиком. В настоящее время вагоностроительные заводы и исследовательские организации практически все расчеты выполняют с применением единой расчетной схемы кузова. В этом случае требования нормативной документации должны быть уточнены и приняты на основе результатов испытаний и данных по эксплуатации полувагонов, а также с учетом возможностей современной компьютерной техники.

Теоретическое обоснование уточнения нагрузки на торцевую стену должно базироваться на фундаментальных исследованиях теории сыпучих сред, которые до настоящего времени не проводились. Поэтому формирование модели эксплуатационных нагрузок на торцевую стену производилось на основании экспериментальных данных.

Заключение

Исследования показали, что при расчете конструкции полувагона целиком приложение к торцевой стене инерционной нагрузки в размере 35 % от грузоподъемности при ударной нагрузке завышено и не отражает реального взаимодействия сыпучего груза с торцевой стеной полувагона. Это приводит к завышению расчетных напряжений в торцевой стене и, как следствие, к увеличению массы конструкции.

В результате проведенной работы было обосновано расчетное значение инерционной нагрузки от груза на торцевую стену, которое обеспечивает сходимость результатов расчета и испытаний. Для подтверждения полученных результатов рекомендуется проведение подобных испытаний на других моделях полувагонов, в том числе и с разгрузочными люками, а также выполнение уточняющих расчетов с учетом динамического взаимодействия сыпучего груза с торцевой стеной.

Библиографический список

1. Нормы для расчета на прочность и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 317 с.

2. Анализ развития методов оценки усталостной прочности несущих конструкций кузовов грузовых вагонов / А. А. Битюцкий // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов : сб. науч. тр. / под ред. А. А. Битюцкого ; Инженерный центр вагоностроения. - СПб., 2009. - Вып. 7. - С. 6-13.

3. О нормах проектирования кузовов грузовых вагонов / В. П. Лозбинев, Д. Г. Бейн, О. Н. Козлова // Железнодорожный транспорт. - 2010. - № 5. - С. 60-61.

4. Совершенствование конструкции кузова универсального полувагона : дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07 : защищена 16.04.09 : утв. 10.07.09 / Афанасьев Александр Евгеньевич. - СПб., 2009. - 173 с.

УДК 004.5+629.423.3