CC BY
9
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дшпропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
УДК 629.463
О. В. ФОМ1Н1*, О. М. ГОРОБЧЕНКО2, Н. С. КОЧЕШКОВА3, В. В. КОВАЛЕНКО4
1 Каф. «Вагони та вагонне господарство», Державний економ1ко-технолог1чний ушверситет транспорту, вул. I. Опенка, 19, Кшв, Украгна, 03049, тел. +38 (067) 813 97 88, ел. пошта fomin1985@ukr.net, (ЖСГО 0000-0003-2387-9946
2Каф. «Експлуатащя та ремонт рухомого складу», Украшський державний унгверситет зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, Харкгв, Украгна, 61050, тел. + 38 (050) 972 04 71, ел. пошта superteacher@yandex.ru, (ЖСГО 0000-0002-9868-3852
3Каф. «Вагони та вагонне господарство», Державний економжо-технолопчний ушверситет транспорту, вул. I. Опенка, 19, Кшв, Украша, 03049, тел. +38 (095) 272 36 82, ел. пошта Kocheshkova_N@bigmir.net, ОЯСГО 0000-0003-1838-5167
4Каф. «Зал1зничний, автомобшьний транспорт та п1дйомно-транспортн1 машини», Схдаоукрашський нац1ональний ушверситет 1мен1 В. Даля, пр-т Центральний, 59-а, Северодонецьк, Украгна, 93400, тел. +38 (095) 142 90 74, ел. пошта kkaterina@ukr.net, ОЯСГО 0000-0003-1706-2710
ТЕОРЕТИЧНИЙ БАЗИС ПАРАМЕТРИЧНОГО СИНТЕЗУ НЕСУЧИХ СИСТЕМ ВАГОН1В
Мета. В статп потр1бно розглянути систематизоване та структуроване представления теоретичных основ оптим1зацшного проектування вагонних складових та практичних засоб1в його реатзаци. Методика. Проведене дослщження, анал1з та узагальнення базуються на результатах вивчення ввдомих робгт 1з теми, власних розробок автор1в, математичному обгруитуваииi та комп'ютерному моделюванш. При розрахунках складових рухомого складу використаш сучасиi загальноприйншт методики. Результати. Систематизовано та узагальнено комплекс методологiчиих заходiв оптимiзацiйиого проекту-вання вантажних вагоиiв та !х складових, проаналiзовано особливостi кожного окремого його етапу та умо-ви застосування. Представлено розроблену математичну модель для формалiзацil процедури впровадження рiзних складових, яка враховуе всi розрахунковi випадки життевого циклу вагону, а також може бути засто-сована для iиших об'ектiв транспорту з урахуванням !х власних режимiв експлуатацп. Показана можливiсть генерування (розробки) варiантiв рiвиомiциiсиого виконання вагонних складових за мшмальних значень матерiалоемиостi з використанням методу пошуку та реалiзацil рацюнальних показнишв мiциостi в конс-трукщях. Розроблено методи пошуку оптимальних ршень, що з достовiрною точнiстю дозволяють визнача-ти шуканi характеристики складових конструкцш. Представлена варiативнiсть пiдходiв значно розширюе програмно-розрахункову базу проектувальника та зб№шуе потенцiал синтезу та аналiзу вагонних констру-кцiй. Наукова новизна. Представлено запропоноваш авторами методологiчнi основи проектування вагонних складових за оптимальними структурно-параметричними виконаннями, що базуються на результатах ретельного дослiджения особливостей експлуатацп та сучасних можливостях обчислювально! технiки. Практична значимiсть. Доцiльнiсть та ефектившсть використання розробленого авторами науково-практичного iнструментарiю пiдтвердженi позитивними результатами його застосування при створенш нашввагошв унiверсальних 12-9904 i 12-9904-01 та глибоко! модершзацп iснуючих конструкцiй вантажних вагошв, а саме напiввагонiв 12-9745, вагонiв-хоперiв 20-9749.
Ключовi слова: аналiз та синтез вагонних конструкцiй; оптимальш рiшения; математичне моделювання; визначення та реалiзацiя резервiв мiцностi
Вступ
Залiзничний транспорт е масовим видом транспорту як Украши, так i бшьшосп краш СНД та GC. Вш вiдiграе вирiшальну роль у за-безпеченш внутрiшнiх та мiждержавних транспортних потреб вантажо- та пасажирообороту. Тому до з^зничного транспорту висуваються
doi 10.15 802/stp2017/109641
висок вимоги з ефективностi та надшност його функцiонування, яю безпосередньо залежать вiд технiчного рiвня рухомого складу, який знаходиться в експлуатацп. Станом на початок 2017 року зношешсть парку ПАТ «Укрзалiз-ниця» становить 91 %, що створюе складну си-туацiю на ринку транспортних послуг Украши [1, 8, 10, 11, 13]. При цьому переважну бшь-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
шють рухомого складу ПАТ «Укрзал!зниця» складае парк вантажних вагошв. Для збшьшен-ня конкурентоспроможносп останнього, в ос-новних положеннях Комплексно! програми оновлення зал1зничного рухомого складу Укра!ни на 2008-2020 роки (затверджена роз-порядженням Кабшету Мшютр!в Укра!ни вщ 14 жовтня 2008 року за № 1259) визначена необхщшсть тдвищення його системно! ефек-тивност шляхом глибоко! модершзаци юную-чих моделей та виготовлення зразюв нового поколшня. Одним з перспективних шлях1в ви-ходу з критично! ситуаци, що сформувалася на затзницях Укра!ни, е розробка принципово нових конструкторських ршень, за рахунок яких вагони будуть вщповщати сучасним тех-шчним та економ1чним вимогам учасниюв !х життевого циклу. Досягти зазначеного можли-во лише за умови оптим!зацп складових вантажних вагошв.
Вщсутшсть створених та реал1зованих концептуально нових шженерних технологш в конструкщях вантажних вагошв знижуе ефек-тившсть затзничних перевезень за рахунок не-обгрунтовано тривалих термшв доставки ван-ташв, високо! власно! маси по!зду (який явля-еться транспортним баластом), високого опору руху, що мае сво!м наслщком шдвищеш затра-ти на тягу по!зд1в, великого зношення колю вагошв, коли тощо [1, 4-6].
Впровадження нових або суттеве вдоскона-лення юнуючих складових (модул1в) вантажних вагошв дозволить системно шдвищити ефекти-внють вантажоперевезень затзничним транспортом, що для учасниюв життевого циклу вантажних вагошв буде гарантувати зниження зношуваносп затзнично! коли, покращення взаемодп вагошв та коли, зниження металоем-носп вагошв та тдвищення !х конкурентоспроможносп, зменшення термшв окупност по-чаткових кашталовкладень та тдвищення рен-табельносп роботи, !! дохщност тощо. Комплекс даних фактор1в дозволить шдвищити щшьшсть, обсяги перевезень та швидкосп ру-ху, що матиме позитивний економ1чний ефект не лише для зал1зничного транспорту, але й економши Укра!ни в цшому.
Мета
Метою роботи е узагальнене представлення теоретичних основ ошташзацшного проекту-вання вагонних складових та практичних засо-б1в його реатзаци.
Методика
Для визначення складових вантажного вагона, за рахунок удосконалення яких доцшь-но покращувати його техшко-економ!чш та експлуатацшш показники, юнують два принципов! науков! тдходи. Перший п!дх!д ор!ен-товано на проведення пошукових досл!джень, як! спрямоваш на в!дшукування таких виконань та характеристик матер!атв, як! при меншш матер!алоемност! та соб!вартост! виготовлення складових забезпечать характеристики мщносп не нижч! н!ж у вже !снуючого виконання - вагона-аналога. Другий шдхщ е б!льш перспекти-вним, оскшьки направлений на визначення та ефективне використання розрахункових резер-в!в м!цност! (визначаються як сп!вв!дношення отриманих максимальних експлуатац!йних характеристик мщност! з !х допустимими значен-нями [2, 3, 10]) з вщповщним зниженням енерго- та матер!аловитрат на виготовлення та ремонти дослщжувано! складово!. Для реал!зац!! другого напрямку необхщно мультирежимно (з урахуванням вс!х можливих штатних та авар!йних ситуац!й на етапах життевого циклу вагона) дослщжувати роботу кожного елементу в склад! вагона-аналога щодо сприйняття експлуатацшних навантажень, як! виникають, з метою виявлення розрахункових резерв!в мщност!. Зазначене на сучасному р!вн! доцшьно зд!йснювати шляхом досл!дження в> дповщно! адекватно! розрахунково! скшчено-елементно! модел! вагона. При виявленн! роз-рахункових резерв!в м!цност! конструкц!! роз-раховуються рац!ональн! показники м!цност! (на наступних етапах проектування використо-вуються як обмеження), як! з урахуванням яких проводяться роботи, визначають за допомогою першого тдходу. Розробка процедури визначення запашв несучо! здатност! загальних конс-трукц!й вагон!в та !х складових грунтуеться на принцип!, що запас мщност! загальних конс-трукцш/вузл!в визначаеться м!н!мальним запасом мщност! !х складових.
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^HinponeTpoBCbKoro Ha^oHanbHoro yHiBepcHTeTy 3ani3HHHHoro TpaHcnopTy, 2017, № 4 (70)
flna $opMani3a^i npo^gypu BnpoBag^eHHa pi3HHx npo^iniB aK cxnagoBux Hecynux CHCTeM BaHTa^HHx BaroHiB [9] go^nbHo BHKopucTOByBa-th po3po6neHy MaTeMaTHHHy Mogenb (3a npaBH-noM Big6opy), oco6nHBiciro axoi e opieHTauja Ha KoMnneKCHe BgocxoHaneHHa KoHCTpyKuji mnaxoM MogepHi3auji 11 oKpeMux cxnagoBux 3a KpurepieM MiHiManbHoi MarepianoeMHocri (aK BH3HananbHo-ro TexHiKo-eKoHoMinHoro noKa3HHKa):
:
m = f (n1,n2...nk) ^min
OffP:
[cf ^a'eKcnn = f(ni, n2...nk ); i = I, II, III
[a]yw >cygap = f(ni,n2...nk); (1)
[ Ny ]> N^™ = f (ni, n2...nk);
[N ]> NeKCnn = f (ni, n2..nk); OMP:
nImin > nI > nImax;I = [1,k],
ge ^nboBa $yH^ia (Ц0) m - MarepianoeMHicTb BnpoBag^yBaHoro eneMemy - ronoBHHM Kpure-piM omuMi3au;ii, axuM 3ane^HTb Big 3MrnroBaHHx reoMeTpuHHHx napaMeTpiB (n1,n2,...nk, ge k 3Mi-HroeTbca Big Moro KoHCTpyKTHBHHx oco6nHBoc-TeM) Ta BigmyxyeTbca b o6nacTi gonycTHMHx pi-meHb (OffP), ^o BuginaeTbca 3 o6nacTi Mo^nu-bhx pimeHb (OMP) HacTynHHMH ^yH^ioHanbHH-mh o6Me^eHHaMu:
H ^nn = f (ni, n2...nk ); i = I, II, III
[c]ygap >cygap = f (ni,n2..nk); [ Ny ]> N!eKCnn = f (ni, n2...nk); [N ]> NeKCnn = f (ni, n2...nk),
(2)
hhhx napaMeTpiB (ni,n2,...nk). üpu цboмy o6-nacTb mo^hhbhx pimeHb ^opMyeTbca BapiaHTaMH 3MiH^BaHHx napaMeTpiB (ni,n2,...nk):
nimin > ni > nimax ; n2min > n2 > n2max;... nk min > nk > nk max ,
(3)
3a M^HicTro 3a nepmuM ([c]J), gpyruM ([c]/J) Ta TpeTiM ([c]//J) po3paxyHKoBHMH pe^HMaMH, y Bunagxy ygapy [c]yöap BignoBigHo 3 [2, 3, i0], a Taxo^ o6Me^eHHaMH 3: ^opcTKocri [f], CTiMxocTi [Ny] i BToMHiM мiцнocтi [N], Ko^He 3 axux Taxo^ 3ane^HTb Big BapiroBaHHa 3MmroBaHux reoMeTpu-
o6Me^eHHa axoi BH3HanaroTbca KoHCTpyKTHBHH-mh hh excnnyaTa^MHHMH oco6nHBocraMH Bnpo-Bag^yBaHoi BaroHHoi CKnagoBoi.
y npo^ci npoeKTyBaHHa Hecynux cxnagoBux BaHTa^Hux BaroHiB go^nbHo b axocTi ^yH^io-HanbHi o6Me^eHHa BHKopHCTOByBara MoMemu onopy BignoBigHux nepepi3iB [WX ], [WY ], [WZ ].
y 3aranbHoMy nnam npo^gypy omuMi3a^M-Horo npoeKTyBaHHa BaroHHux cxnagoBux Mo^Ha npegcTaBHTH y Burnagi 6noK-cxeMH, HaBegeHo aK Ha puc. i.
OgHHM i3 KnronoBux MoMeHTiB 3anponoHoBa-Horo MeTogonorinHoro KoMnnexcy e BH3HaneHHa po3paxyHKoBux pe3epBiB мiцнocтi. y 3aranbHoMy Bunagxy BignoBigHa пpoцegypa cxnagaerbca 3 4-x ochobhhx eTaniB (puc. 2). Tax, Ha nepmoMy eTani nepeg6anaeTbca npoBegeHHa eкcпnyaтaцiн-hhx Bunpo6yBaHb gocnig^yBaHoi кoнcтpyкцil BaroHiB 3 MeToro BH3HaneHHa giMcHux 3HaneHb MexaHiHHux Hanpy^eHb y KomponbHux ToHKax, a Taxo^ po3po6xa po3paxyHKoBoi cxiHHeHo-eneMeHTHoi Mogeni, KoMn'roTepHe MogenroBaHHa Bcix Ba^nuBux gna gocnig^eHHa eкcпnyaтaцiн-hhx pe^HMiB po6oTH Bama^Horo BaroHy. Ha Ha-CTynHoMy eTani npoBoguTbca Big6ip Hecynux eneMeHTiB gna gocnig^eHHa Ta ix po36uTTa Ha oxpeMi HacTHHH. Po3Mip nacTHH (ix KinbKicTb) o6upaeTbca 3ane^Ho Big Heo6xigHoi rnu6HHH npopo6xu кoнcтpyкцil: hhm MeHmi ix po3Mipu -thm BH^a ToHHicTb pe3ynbTaTy. flpyruö eTan npucBaneHHÖ BH3HaneHHro nonaTKoBux (3axnage-hhx npu npoeKTyBaHHi) 3anaciB мiцнocтi Ha oxpeMHx ginaHKax кoнcтpyкцil, nicna noro mna-xom 3icTaBneHHa o6upaeTbca HaMMeHme 3 hhx, ^o gae Mo^nuBicTb BH3HanuTH nonaTKoBi 3anacu мiцнocтi gocnig^yBaHoi KoHCTpy^ii' b цinoмy.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Рис. 1. Блок-схема процедури впровадження профiлiв у Hecy4i системи вантажних вагошв Fig. 1. Diagram of the introduction of profile in the carrier system of a freight car
Наука та прогрес транспорту. Вденик Дншропетровського нащонального ушверситету зашзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
I. Доел ¡джен н я н есу ч оТ ко кст ру к ц iТ:
1.1. Експлуатацшш випробування
1.2. Роз робка адекватно? розрахунковоТ скшчено-елемснтноУ модел!
1.3. Моделювання експлуатацшних режим iß
1.4. Визначсння несу чих слемснпв для дослшжсння
1.5. Умовне розбнтгя дослшжуваних ирофшв на димнки за довжпною
2. Визначення початкових занасш мпшис i i:
2.1. Внзначення допустим их значень напружен ь зпдно вимог
2.2. Внзначення максим ал ь них екеплуатацшних значень нанружень на Д1лянках шляхом анал1зу протокол 1в випробувань розрахунковоТ модел!
2.3. Визначсння початковпх запасов мщноеп на дшянках сдементу
2.4. Внзначення початковпх запасов мщноеп доел¡джуваhoi складовоТ (консторукцп)
3. Внзначення допустим их значень моменпв опору:
3.1. Внзначення допустим их начень момент! в опору дос/нджуваоТ складовоУ
3.2, Внзначення до пустим их начень момент ¡в опору для части и еле мен ту
4. Оцшювання та реал!зац1я резервш мщноеп:
4.1. В и значен н я ре sc р н i в м i ц иоеп
4.2. Реал1защя резервiв мщноеп
Жк
5. Ом in iüb:iiiiifi залпов м inn ОС i i и експлуатацн
5 J. Роэройпення математнчдаХ моделей для описания -ЧIн оскоышх показншеЬ
М1ЦНОСП
5.2. Внзначения запоев моменту опору
5.3. Прогнозування досягиення критичного значения моментов опору j урахувавкям
ШВИДКОСТ1 КОрО'Ш
5.4. Внсмовок про вiрагу MiUHOCri елементу
Рис. 2. Алгоритм визначення розрахункових зaпaсiв несучо! здaтнoстi складових вантажних вaгoнiв Fig. 2. Algorithm for determination of estimated reserves of the carrier system of a freight car
У зв'язку з тим, що експлуатацшш е^вале-нтш напруження аекв визначаються як стввщ-ношення сумарного еквiвалентного моменту (Мекв) та мiцнiсних характеристик (WX(Y Z)),
але при цьому значення Мекв буде майже не-змiнним, то можна зробити висновок, що величина аекв буде прямо пропорцiйною значенням моментiв опору WX(Y Z). Тому як основнi мщш-
снi характеристик профiлiв можна використову-вати моменти опору WX(Y Z). Таким чином, ощ-
нювання мiцнiсних якостей несучо! здатносп складових вантажного вагонобудування зво-диться до оцшки !х запасiв моментiв опору. Для цього на третьому етапi проводяться роботи з визначення допустимих значень моментов опору
дослiджуваноi складово! в цшому |^Wr(Y Z) J
на окремих донках дослiджуваноi складово'
rlk
' X (Y ,Z )
[wxk(j z ) ] . Даш, залежно вiд шставдашго за-
вдання, проводиться визначення та/чи викорис-тання розрахункових резервiв мiцностi констру-кцii (блок 4, рис. 2) та/чи оцiнювання запасiв та прогнозування резервiв мiцностi конструкцii в експлуатацп (блок 5). В останньому випадку визначаються математичнi моделi, яю описують змiнювання моментiв опору та матерiалоемностi дослiджуваних несучих елементiв вагошв залежно вщ !х геометричних параметрiв. А також визначаються конструктивы запаси/резерви мь цностi для окремих д^нок складово! у.
рез.
WX
та
ii загальне значення
у Рез. ¡W'k
W X(Y
'x(y ,z )
з подальшим про-
та
гнозуванням часу досягнення критичного зна-чення моменту опору з урахуванням швидкостi корозп конструкций
Наука та npc^ec тpaнcпopтy. Вкник Днiпpoпeтpoвcькoгo нaцioнaльнoгo yнiвepcитeтy зaлiзничнoгo тpaнcпopтy, 2017, № 4 (70)
Результати
Комплексне вдосконалення конструкцiй ван-тажних вагонiв шляхом модернiзацiï окремих складових е складною науково-технiчною проблемою, виршення якоï на сучасному рiвнi по-требуе автоматизацiï процедури визначення роз-рахункових показниюв мiцностi та вибiр конс-трукцiй з оптимальними характеристиками [5, 8, 14, 15], що можливе за умови розроблення та ви-користання вщповщного наукового шструмента-рiю реалiзованого на ПЕОМ. Авторами запропо-новано вирiшувати дане завдання з використан-ням розроблених алгоритмiв для визначення ра-цiональних геометричних параметрiв профiлiв одним з трьох методiв, а саме:
- в програмi Excel стандартного пакету Microsoft Office;
- штеграцшних пiдходiв на основi викори-стання функцiй Maximize та Minimize ушвер-сального програмного пакету MathCAD;
- або використовуванням розробленоï ав-торськоï програми для роботи з трифакторними узагальненими математичними моделями [10, 12].
Як приклад практично!' реашзацп зазначених трьох методiв нижче наведено ]х застосування для визначення рацiональних геометричних па-раметрiв стiйок та пояшв каркасiв унiверсальних напiввагонiв, якi в вагонах-аналогах виконат зi специфiчного (а вщповщно i вартiсного) омего-подiбного профiлю (рис. 3, а), а пропонуеться ]х виконувати з бшьш перспективноï прямокутноï труби (рис. 3, б).
У першу чергу оптимальт значення показни-кiв для такого впровадження були отриманi за програмою Microsoft Excel, яка реалiзуе метод поступового перебирання всiх можливих ршень у заданому дiапазонi, спочатку ОМР, а поим i ОДР. Аналопчш результати (рис. 4) з пошуку оптимальних характеристик профiлю вагонного стояка також були отримаш в розрахунках iз ви-користанням функцiй Maximize та Minimize пакета MathCAD.
Слщ також вщзначити, що обидва вищеопи-санi пiдходи орiентованi на використання по-ширених програмних комплекшв, якi викорис-товуються технiчними службами бшьшосп ш-дприемств i не вимагають додаткових каштало-вкладень (придбання спецiалiзованих програм
doi 10.15 802/stp2017/109641
та вiдпoвiднoгo навчання тexнiчнoгo шротна-лу).
б - b
Рис. 3. Перерiзи профiлiв:
а - вагонного стояка; б - прямокутно! труби.
Fig. 3. Cross sections of profiles:
a - car post; b - rectangular tube.
Альтернативним тдходом до визначення оптимальних параметрiв, як забезпечать мш> мальну матерiалоeмнiсть конструкцii для зада-них обмежень з конструкци та мiцностi вагошв, е використання розробленого спецiального програмного забезпечення. Такий програмний комплекс (приклад графiчного штерфейсу на рис. 5) спочатку визначае трифакторт узагаль-неш математичнi моделi, якi описують змшю-вання дослiджуваних показникiв (матерiалоем-носп та осьових моментiв опору) складових елеменпв вантажних вагонiв пiд час вардаван-ня геометричних параметрiв (наприклад, висо-ти, ширини перерiзу елемента та товщини листа, з якого його виготовлено).
При аналогичному визначент оптимальних параметрiв комп'ютерна програма реалiзуе за-пропонований алгоритм i визначае оптимальний варiант спiввiдношень дослщжуваних характеристик. При цьому також цей комплекс дозволяе вiзуалiзувати варiанти, якi входять до ОДР, та видшяе оптимальний результат, що базуеться на З^моделювант в просторовiй системi координат. Таким чином, приведет вище результати
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
досл1джень показали, що незалежно в1д викори-станого шструментарда, пор1вняння експериме-нтально отриманих характеристик з ïx розрахун-ковими значеннями шдтверджують правиль-шсть вибору Bcix описаних вище методолопч-них пiдxодiв.
б - b
Рис. 4. Результати пошукових робiт, як1 проведенi з використанням пакета MathCAD:
а - розрахунковий блок; б - комп'ютерна модель.
Fig. 4. The results of exploration work using the MathCAD:
a - calculation unit; b - computer model.
Рис. 5. Загальний вид робочоï обласп програмно-обчислювального комплексу з вiзуалiзацieю варiантiв рiшень
Fig. 5. General view of the work area of software with visualization of solutions
У результат використання запропонованого методолопчного комплексу було проведено глибоку модершзацда юнуючих моделей ванта-жних вагошв (рис. 6, б, в) та створено новi кон-курентоспроможнi зразки (рис. 6, а).
б - b
Рис. 6. Моделi вантажних вагошв, створен та модернiзованi з використанням методолопчного комплексу ошгашзацшного проектування
a - напiввагон ушверсальний мод^ 12-9904 та 12-9904-01; b - натввагон моделi 12-9745; c - вагон-хопер моделi 20-9749
Fig. 6. Models of freight cars created and upgraded
by methodical complex of optimization design:
а - general-purpose gondola car models 12-9904 and 12-9904-01; b - gondola car of the model 12-9745; c- hopper car of the model 20-9749
О^м цього, застосування запропонованих та описаних вище методичних пiдходiв, дозволило розрахувати та розробити ам'ю перспек-тивних моделей вантажних вагошв (рис. 7) [7, 8, 14].
а — a
а — a
в — c
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
1а - a
1б - b
1в - c
3
4
Рис. 7. Перспективш конструкци несучих систем вантажних вагонiв, розроблеш з використанням методологiчного комплексу оптимiзацiйного проектування, виконанi з:
1 - круглих труб: а - натввагон, б - критий вагон, в - вагон-платформа,-.2 - D-подiбних труб; 3 - шестигран-них профшш; 4 - вуглепластику.
Fig. 7. Advanced designs of the carrier system of freight cars created by methodical complex of optimization design. They are made of:
1 - round tubes: a - gondola car; b - covered car; c - flatcar; . - D-shaped tubes, 3 - hexagonal profiles, 4 - carbon fiber.
Таким чином, впровадження результапв проведених та представлених як приклад досл> джень дозволять суттево полшшити техшко-економiчнi та експлуатацшш показники вантажних вагошв, що з урахуванням масовосп 1х парку (тiльки парк ПАТ «Укрзатзнищ» понад
160 тис. одиниць) забезпечить значний еконо-мiчний ефект. Запропонований алгоритм може бути використаний при виршенш шших вщпо-вщних оптимiзацiйних задач на основi узагаль-нених математичних моделей.
Наукова новизна та практична значимкть
Представленi запропоноваш авторами мето-дологiчнi основи проектування вагонних складових, спрямоваш на створення !х оптимальних структурно-параметричних виконань i базу-ються на результатах ретельного дослщження особливостей !х експлуатацп та сучасних мож-ливостях обчислювально! технiки.
Доцiльнiсть та ефективнiсть використання розробленого науково-практичного шструмен-тарiю шдтверджено позитивними результатами його застосування для нашввагошв ушверсаль-них 12-9904 та 12-9904-01 та глибокою модер-шзащею iснуючих конструкцiй вантажних вагошв, а саме напiввагонiв 12-9745, вагошв-хоперiв 20-9749.
Висновки
1. У данш статтi було систематизовано запропонований методолопчний комплекс захо-дiв оптимiзацiйного проектування вантажних вагонiв та !х складових, проаналiзовано особ-ливостi кожного окремого його етапу та умови !х застосування.
2. Впровадження запропонованого науково-практичного iнструментарiю з оптимiзацiйного проектування вагонних складових, зокрема шд час проектування вiтчизняних нашввагошв моделей 12-9904 та 12-9904-01, глибоко! модерш-зацii напiввагонiв 12-9745 та обкотишовозiв 20-9749 та шм'! вагонiв з несучими системами з круглих труб, дозволило скоротити вартють !х життевого циклу на 15-20 %, що свщчить про його ефектившсть. З урахуванням масовостi парку вантажних вагошв (понад 160 тис. одиниць), гостро! необхщносп його оновлення (понад 87 % парку експлуатуеться на межi при-значеного термшу служби та високо! !х почат-ково! вартостi у середньому - понад 30 тис. долл. США ), вщ практично! реатзацн наведеного наукового шдходу можливо досягти ютотного економiчного ефекту.
2
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
3. Розроблена авторами математична модель для форматзаци процедури впровадження рiз-них складових враховуе вс розрахунковi випа-дки життевого циклу вагону та може бути за-стосована для шших об'ектiв транспорту, з урахуванням !х власних режимiв експлуатацп.
4. Використання методу з пошуку та реал> зацп рацiональних показниюв мiцностi у ва-гонних конструкщях дозволяе пропонувати ва-рiанти !х рiвномiцнiсного виконання i, вщповь дно, досягати мшмальних значень матерiало-емносп.
5. Розробленi методи пошуку оптимальних рiшень з достатньою точнiстю дозволяють ви-
значити шуканi характеристики складових конструкцш. Bарiативнiсть пiдходiв значно ро-зширюе програмно-розрахункову базу проекту-вальника та збiльшуе його можливостi щодо синтезу та аналiзу вагонних конструкцш.
Запропоноваш теоретичнi положення, мето-долопчш основи та практичнi засоби оптишза-цп випуску вагонiв та !х складових доцiльно використовувати при виршенш аналогiчних завдань i для шших тишв рухомого складу, а також об'екпв транспортного машинобудуван-ня. О^м цього, даний методологiчний пiдхiд можна використовувати не лише тд час проек-тування, але i для аналiзу вже iснуючих рiшень.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Методы оценки жизненного цикла тягового подвижного состава железных дорог : монография / Э. Д. Тартаковский, С. Г. Грищенко, Ю. Е. Калабухин, А. П. Фалендыш. - Луганск : Ноулидж, 2011. -173 с.
2. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). -Москва : ГосНИИВ : ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
3. РД 24.050.37-90. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. - Москва : ВНИИВ : ВНИИЖТ, 1990. - 37 с.
4. Сапронова, С. Ю. Ошгашзащя профшв бандаж1в колю лoкoмoтивiв : мoнoгрaфiя / С. Ю. Сапронова. -Луганськ : Вид-во СНУ iм. В. Даля, 2011. - 171 с.
5. Тартаковський, Е. Д. Удосконалення процесу керування локомотивом шляхом використання систем тдтримки прийняття ршень / Е. Д. Тартаковський, О. М. Горобченко, А. О. Антонович // Вост.-Европ. журн. передовых технологий. - 2016. - Т. 5, № 3 (83). - С. 4-11. doi: 10.15587/1729-4061.2016.80198.
6. Ткаченко, В. П. Оцшка стшкосп зaлiзничних ешпажв ввд сходу з рейок / В. П. Ткаченко, С. Ю. Сапронова // Вюн. Схвдноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля. - Северодонецьк, 2015. - № 1 (218). - С. 266-271.
7. Фомш, О. В. Анaлiз доцшьносп застосування шестигранних порожнистих прoфiлiв в якoстi складових елеменпв несучих систем нaпiввaгoнiв / О. В. Фомш // Наука та прогрес транспорту. - 2014. - № 6 (54). - С. 146-153. doi: 10.15802/stp2014/33403.
8. Analysis of syngas formation and ecological efficiency for the system of treating biomass waste and other solid fuels with CO2 recuperation based on integrated gasification combined cycle with diesel engine / A. Y. Pilatau, H. A. Viarshyna, A. V. Gorbunov [et al.] // J. of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering. - 2014. - Vol. 36. - Iss. 4. - P. 673-679. doi: 10.1007/s40430-014-0166-7.
9. Determination of the dynamic characteristics of freight wagons with various bogie / S. Myamlin, L. P. Lingaitis, S. Dailydka [et al.] // Transport. - 2015. - Vol. 30. - Iss. 1. - P. 88-92. doi: 10.3846/16484142.2015.1020565.
10. Fomin, O. V. Improvement of upper bunding of side wall of gondola cars of 12-9745 model / O. V. Fomin // Metallurgical and Mining Industry. - 2015. - No. 1. - P. 45-48.
11. Formation of an automated traffic capacity calculation system of rail networks for freight flows of mining and smelting enterprises / S. V. Panchenko, T. V. Butko, A. V. Prokhorchenko, L. O. Parkhomenko // Науковий вюник НГУ. - 2016. - № 2. - С. 93-99.
12. Kelrych, M. Perspective directions of planning carrying systams of gondolas / M. Kelrych, О. Fomin // Metallurgical and Mining Industry. - 2014. - No. 6. - P. 64-67.
13. Lovska, A. The study of dynamic load on a wagon-platform at a shunting collision / A. Lovska, A. Ryibin // Eastern-European J. of Enterprise Technologies. - 2016. - Vol. 3. - Iss. 7 (81). - P. 1-5. doi: 10.15587/1729-4061.2016.72054.
Наука та прогрес транспорту. Вкннк Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
14. Method of determining the parameters of improved railway brake equipment / N. Gorbunov, E. Kravchenko, O. Prosvirova [et al.] // TEKA Commission of motorization and energetics in agriculture. - 2015. - Vol. 15. -No. 2. - P. 33-38.
15. Mohyla, V. The use of biofuel on the railway transport / V. Mohyla, I. Vasyliev, E. Nozhenko // Transport Problems. - 2012. - Vol. 7. - Iss. 1. - P. 21-26.
А. В. ФОМИН1*, А. Н. ГОРОБЧЕНКО2, Н. С. КОЧЕШКОВА3, В. В. КОВАЛЕНКО4
1 Каф. «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта, ул. И. Огиенко, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (067) 813 97 88, эл. почта fomin1985@ ukr.net, ORCID 0000-0003-2387-9946
2Каф. «Эксплуатация и ремонт подвижного состава», Украинский государственный университет железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха, 7, Харьков, Украина, 61050, тел. + 38 (050) 972 04 71, эл. почта superteacher@yandex.ru, ORCID 0000-0002-9868-3852
3Каф. «Вагоны и вагонное хозяйство», Государственный экономико-технологический университет транспорта, ул. И. Огиенко, 19, Киев, Украина, 03049, тел. +38 (095) 272 36 82, эл. почта Kocheshkova_N@bigmir.net, ORCID 0000-0003-1838-5167
4Каф. «Железнодорожный, автомобильный транспорт и подъемно-транспортные машины»,
Восточноукраинский национальный университет имени В. Даля, пр. Центральный, 59-а, Северодонецк, Украина, 93400, тел. +38 (095) 142 90 74, эл. почта kkaterina@ukr.net, ORCID 0000-0003-1706-2710
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ БАЗИС ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА НЕСУЩИХ СИСТЕМ ВАГОНОВ
Цель. В статье необходимо рассмотреть систематизированное и структурированное представление теоретических основ оптимизационного проектирования вагонных составляющих и практических способов его реализации. Методика. Проведенное исследование, анализ и обобщение базируются на результатах изучения известных работ по теме, собственных разработок авторов, математическом обосновании и компьютерном моделировании. Расчет конструкционных элементов подвижного состава произведен с использованием современных общепризнанных методик. Результаты. Систематизирован комплекс методологических подходов оптимизационного проектирования грузовых вагонов и их составляющих, проведен анализ особенностей каждого отдельного этапа и условия применения. Представлено разработанную математическую модель для формализации процедуры внедрения разных составляющих, учитывающую все расчетные случаи жизненного цикла вагона, которая может применяться и для других объектов транспорта с учетом собственных режимов эксплуатации. Показана возможность генерирования (разработки) вариантов равнопрочност-ного исполнения вагонных составляющих при минимальных значениях материалоемкости. Разработаны методы поиска оптимальных решений, позволяющих с достоверной точностью определять искомые характеристики элементов конструкций. Представленная вариативность подходов значительно расширяет программно-расчетную базу проектировщика, увеличивая возможности синтеза и анализа вагонных конструкций. Научная новизна. Представлены предложенные авторами методологические основы проектирования вагонных составляющих за оптимальными структурно-параметрическими исполнениями, базирующимися на результатах детального исследования эксплуатационных особенностей. Практическое значение. Целесообразность и эффективность использования разработанного авторами научно-практического инструментария подтверждаются позитивными результатами его применения при создании полувагонов универсальных моделей 12-9904, 12-9904-01 и глубокой модернизации существующих конструкций грузовых вагонов, а именно полувагонов модели 12-9745, вагонов-хопперов 20-9749.
Ключевые слова: анализ и синтез вагонных конструкций; оптимальные решения; математическое моделирование; определение и реализация резервов прочности
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету зaлiзничнoгo транспорту, 2017, № 4 (70)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
0. V. FOMIN O. M. GOROBCHENKO 2, N. S. KOCHESHKOVA 3, V. V. KOVALENKO 4
'Dep. «Cars and Carriage Facilities», State Economy and Technology University of Transport, Ohiienko St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (067) 813 97 88, e-mail fomin1985@ukr.net, ORCID 0000-0003-2387-9946 2Dep. «Exploitation and Repair of Rolling Stock», Ukrainian State University of Railway Transport, Feierbakh Sq., 7, Kharkiv, Ukraine, 61050, tel. +38 (050) 972 04 71, e-mail superteacher@yandex.ru, ORCID 0000-0002-9868-3852 3Dep. «Cars and Carriage Facilities», State Economy and Technology University of Transport, Ohiienko St., 19, Kyiv, Ukraine, 03049, tel. +38 (095) 272 36 82, e-mail Kocheshkova_N@bigmir.net, ORCID 0000-0003-1838-5167 4Dep. «Railway, Road Transport and Handling Machines», East Ukrainian Volodymyr Dahl National University, Tsentralnyi Av. 59-a, Severodonetsk, Ukraine, 93400, tel. +38 (095) 142 90 74, e-mail kkaterina@ukr.net, ORCID 0000-0003-1706-2710
THEORETICAL BASIS OF PARAMETRIC SYNTHESIS FOR CARRYING SYSTEMS OF CARS
Purpose. The article is aimed to systematize and structure representation of theoretical grounds for the optimization designing of railway car components and practical ways of its implementation. Methodology. The study is based on analysis of several well-known articles on the subject, as well as on authors' researches, some mathematical foundations and computer modeling. The rolling stock components structural analysis was made by applying modern and acknowledged methods. Findings. In the study the authors systematized the set of methodological approaches to the freight car design processes; they also analyzed every application phase of the designing process and its conditions. The article presents the developed mathematical model of the car component implementation. This model takes into account all the calculated cases of the car life cycle. Moreover, the model also can be applied to other transport modes accounting their specific operation modes. The possibility to generate different construction options for equally strong car component with minimum material intensity was also shown in the article. There were several methods developed for finding optimal solutions that make it possible to calculate the sought characteristics of construction elements with the reliable accuracy. The presented variety of different approaches significantly extends engineering apparatus by increasing the synthesis and analysis abilities of the car design. Originality. The authors proposed the methodological foundations of the car components design aimed at creating their optimal structural parameter execution and the operating features based on the results of the detailed research. Practical value. Expediency and effectiveness of the presented methods has been confirmed by positive experience of its application when constructing the general-purpose gondola cars, models 12-9904 and 12-9904-01, as well as when upgrading existing constructions of freight cars, model 12-9745 and the hoper car 20-9749.
Keywords: analysis and synthesis of car constructions; optimal solutions; mathematical modeling; de-finition and realization of safety reserves
REFERENCES
1. Tartakovskiy, E. D., Grishchenko, S. G., Kalabukhin, Y. Y., & Falendysh, A. P. (2011). Metody otsenki zhiznennogo tsikla tyagovogopodvizhnogo sostava zheleznykh dorog [Monograph]. Lugansk: Noulidzh.
2. All-Soviet Union Research Institute of Railway Transport. (1996). Normy dlya rascheta i proyektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh). Moscow: GosNIIV-VNIIZhT.
3. All-Soviet Union Research Institute of Railway Transport. (1990). Vagony gruzovyye i passazhirskiye. Metody ispytaniy naprochnost i khodovye kachestva, RD 24.050.37-90. Moscow: GosNIIV-VNIIZhT.
4. Sapronova, S. Y. (2011). Optymizatsiia profiliv bandazhiv kolis lokomotyviv [Monograph]. Lugansk: Publishing center of V. Dahl East Ukrainian National University.
5. Tartakovskyi, E., Gorobchenko, O., & Antonovych, A. (2016). Improving the process of driving a locomotive through the use of decision support systems. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5, 3(83), 4-11. doi:10.15587/1729-4061.2016.80198
6. Tkachenko, V., & Sapronova, S. (2015). Evaluation of stability railway carriage derailment. Visnik of the Volodymyr Dahl East Ukrainian national university, 1(218), 266-271.
7. Fomin, O. V. (2014). Applicability analysis of hexahedral hollow profiles as component elements of supporting systems for gondola cars. Science and Transport Progress, 6(54), 146-153. doi:10.15802/stp2014/33403
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
8. Pilatau, A. Y., Viarshyna, H. A., Gorbunov, A. V., Nozhenko, O. S., Maciel, H. S., Baranov, V. Y., & Matus, A. (2014). Analysis of syngas formation and ecological efficiency for the system of treating biomass waste and other solid fuels with CO2 recuperation based on integrated gasification combined cycle with diesel engine. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 36(4), 673-679. doi:10.1007/s40430-014-0166-7
9. Myamlin, S., Lingaitis, L. P., Dailydka, S., Vaiciunas, G., Bogdevicius, M., & Bureika, G. (2015). Determination of the dynamic characteristics of freight wagons with various bogie. Transport, 30(1), 88-92. doi:10.3846/16484142.2015.1020565
10. Fomin, O. V. (2015). Improvement of upper bunding of side wall of gondola cars of 12-9745 model. Metallurgical and Mining Industry, 1, 45-48.
11. Panchenko, S. V., Butko, T. V., Prokhorchenko, A. V., & Parkhomenko, L. O. (2016). Formation of an automated traffic capacity calculation system of rail networks for freight flows of mining and smelting enterprises. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnychoho Universytetu, ., 93-99.
12. Kelrych, M., & Fomin, О. (2014). Perspective directions of planning carrying systems of gondolas. Metallurgical and Mining Industry, 6, 64-67.
13. Lovskaya, A. O., & Ryibin, A. V. (2016). The study of dynamic load on a wagon-platform at a shunting collision. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3, 7(81), 4-8. doi:10.15587/1729-4061.2016.72054
14. Gorbunov, N., Kravchenko, E., Prosvirova1, O., Nozgenko, O., Kovtanets, M., Mokrousov, S., & Kara, S. (2015). Method of determining the parameters of improved railway brake equipment. TEKA. Commission of motorization and energetics in agriculture, 15(2), 33-38.
15. Mohyla V., Vasyliev, I., & Nozhenko, E. (2012). The use of biofuel on the railway transport. tampon Problems, 7(1), 21-26.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. В. П. Ткаченком (Украгна); д.т.н., проф.
С. В. Мямл1ним (Украгна)
Надшшла до редколеги: 10.03.2017
Прийнята до друку: 06.07.2017
