CC BY
29
гноз как в долгосрочной перспективе, так и на текущий момент, позволяя решать инженерные задачи, связанные с реконструкцией и ремонтом зданий и сооружений в процессе эксплуатации.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Инженерная геофизика / Ф.М. Ляховицкий, В.К. Хмелевской, З.Г. Ященко М. : Недра, 1989. 252 с.
2. Возбуждение и распространение сейсмических волн / Уайт Дж. Э. М. : Недра, 1986. 216 с.
3. Методические рекомендации по определению состава и состояния и свойств грунтов сейсмо-акустическими методами. М. : ЦНИИС, 1985. Кудрявцев С.А., Сахаров И.И., Парамонов В.Н. Промерзание и оттаивание грунтов практические примеры и конечноэлементные расчеты. СПб., 2014. 248 с.
Кудрявцев С.А. Расчетно-теоретическое обоснование проектирования и строительства сооружений в условиях промерзающих пучинистых грунтов. СПб., 2004. 39 с.
4.
5.
УДК Неживляк Андрей Евгеньевич,
к. т. н., директор Научно-исследовательского и опытно-конструкторского института транспорта,
Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 8(3952) 63-83-99, доб. 0538, e-mail: nejivlyak_ae@irgups.ru
Гречнева Мария Васильевна, доцент кафедры машиностроительных технологий и материалов, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8(3952) 63-83-99, доб. 0538, e-mail: grechnev@iszf.irk.ru Неживляк Дмитрий Андреевич, магистрант, Иркутский национальный исследовательский технический университет, тел. 8(3952) 63-83-99, доб. 0148, e-mail: nejivlyak_da@irgups.ru
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ БАЛКИ ВАГОНА НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
A. E. Nejivlyak, M. B. Grechneva, D. A. Nejivlyak
IMPROVING THE DESIGN OF THE CONNECTING BEAMS OF A RAILWAY CARRIAGE
BASED ON THE FINITE ELEMENT METHOD
Аннотация. Одной из проблем эксплуатации 8-осных цистерн на сети железных дорог является низкая надёжность 4-осных колёсных тележек, обусловленная недостаточной эксплуатационной надёжностью одного из основных несущих узлов конструкции - соединительной балки. В процессе эксплуатации происходит выход её из строя из-за появления трещин и изменения геометрических параметров всех опорных поверхностей конструкции. На основе конечноэлементного анализа напряжённо-деформированного состояния при различных схемах нагружения выявлены зоны, имеющие максимальный уровень напряжений. Разработаны предложения по усовершенствованию конструкции для увеличения прочности наиболее повреждаемых узлов: полное спрямление сварного шва, соединяющего нижний лист с пятником; ввод усиливающих накладок; ввод дополнительного ребра жёсткости в центральную часть конструкции.
Ключевые слова: соединительная балка, конечноэлементная модель, максимальные напряжения, прочность, напряжённо-деформированное состояние.
Abstract. Among the operational problems of 8-axle tanks on the railway network there is a low reliability of 4-axle wheel trucks caused by insufficient operational reliability of a connecting beam, which is one of the main load-bearing nodes of the structure. Appearance of cracks during the operation and changes in geometric parameters of all supporting surfaces result in operating troubles of the connecting beam. Using the finite element analysis of the stress-strain state, highest-tension zones have been revealedfor different loading schemes. Proposals to improve the design of most damage-sensitive sites have been developed. These are complete flattening of the weld joining the bottom sheet with a pivot; usage of amplifying side plates; adding a supplementary strengthening rib in the central part of the structure.
Keywords: connecting beam, finite element model, maximum tensions, strength, stress-strain state.
Введение близлежащими элементами вагона. Кроме того, от-
Специфическая форма конструкции соедини- сутствует возможность усиления отдельных зон тельной балки четырехосных тележек обусловлена накладками и т. п. Уникальное количество элемен-выполнением функции восприятия больших верти- тов воспринимающих нагрузку и имеющих четкую кальных и горизонтальных нагрузок, а также стес- функциональную связь, ведет к тому, что отклоне-ненными габаритами. Стесненные габариты разме- ние параметров в любой паре сопряжений неиз-щения балки ведут к тому, что даже незначитель- бежно влияет на работоспособность и нагруженное изменение ее геометрических параметров при- ность всей конструкции (рис. 1). Уточнённому рас-водит к нежелательному контакту с различными
чёту этого сложного сварного узла в целом и отдельных его элементов посвящено большое количество научно-исследовательских работ [1-7]. Длительный срок эксплуатации ж/д техники обуславливает возникновение отказов практически во всех системах конструкций и, соответственно, необходимость значительного объема работ по их обнаружению и устранению.
Рис 1. Объемные конечноэлементные модели элементов четырехосной тележки грузовых вагонов:
1 - СБ, 2 - НБ, 3 - боковая рама, 4 - колесная пара
В настоящее время анализ статистических данных об отказах в эксплуатации является одним из основных путей поиска слабых мест несовершенства технического и ремонтного комплексов, а также выбора объективных межремонтных сроков. В то же время статистическая информация об отказах зачастую не позволяет выявить истинную причину отказа и пути совершенствования конструкции.
В последнее время высказываются соображения, что доводка различных объектов возможна без дополнительных исследований, только на основании данных эксплуатации. Однако подобный подход - это фактически возврат к методам, используемым многие десятилетия назад, когда несущая работоспособность конструкции проверялась на основе обобщенных зависимостей теории упругости, а собственно ее доводка проводилась в течение всего срока эксплуатации. Подобный подход, особенно при переходе на высокоскоростной подвижной состав, приведет не к уменьшению, а к еще большим прямым и косвенным затратам.
Основная концепция, развиваемая в наших работах, заключается в совместном использовании, с одной стороны, достаточно хорошо разработанных в настоящее время и постоянно развивающихся численных методов, позволяющих выявить все факторы, оказывающие превалирующее влияние на нагруженность различных элементов конструкций, а с другой стороны - методов и крите-
риев оценки прочности, основанных на всестороннем анализе процессов, протекающих в локальных зонах концентрации деформаций. В мировой практике подобный подход является наиболее перспективным и позволяет оценить работоспособность исследуемого объекта в целом с учетом влияния локальных концентраторов.
До проведения расчетов в конечноэлемент-ную модель соединительной балки на основе результатов многочисленных натурных исследований внесены следующие изменения:
1. Изменен раскрой нижнего листа в зоне крайних пятников. Указанное изменение обеспечивает снижение уровня и амплитуд напряжений в ранее наиболее повреждаемой части соединительной балки.
2. Изменена схема расположения центральных поперечных диафрагм, что обеспечивает снижение максимальных напряжений в подпятнике при поперечной перевалке.
3. В центральной части подпятника введено дополнительное усиление й = 240 мм, к = 40 мм. Значительно изменена форма центральных внутренних и внешних поперечных диафрагм. Преимущества: - меньшая материалоемкость; - из зоны растянутых волокон выведен сварной шов, расположенный поперек основного силового потока.
Кроме того, принимая во внимание необходимость дополнительного снижения уровня напряжений в зоне перегиба нижнего листа над надрес-сорной балкой, в данной зоне по верхнему листу СБ смоделировали усиливающие накладки.
Ранее подобное техническое решение не рассматривалось, что связано с крайне стесненными допускаемыми габаритами балки. Действительно, с одной стороны, в кривой наименьшего радиуса соединительная балка поворачивается относительно оси вагона на 7 т.е. хребтовая балка доходит практически до начала подкрылков крайних скользу-нов. С другой стороны, зазор 5 = 60 мм между хребтовой балкой и верхним листом соединительной балки необходим исходя из взаимного положения названных элементов при роспуске с сортировочных горок.
Несмотря на вышесказанное, известно, что на практике в кривых малого радиуса отсутствуют уклоны пути, приближенные к условиям сортировочных горок. В связи с этим, учитывая реальные параметры пути, в КЭМ введены накладки, имеющие следующие габариты: Ь = 500 мм, Ь = 130 мм, к = 30 мм. Фрагменты вновь разработанной контрольной конечноэлементной модели представлены на рис. 3.
При описании конструкции СБ проведено моделирование практически всех основных и вспомогательных элементов. Также в модели включены сварные швы, соединяющие крайние пятники с верхним и нижним листами. Общее количество объемных 20 узловых КЭ, описывающих КЭМ 400-й СБ - 5356, количество узлов - 32532 (3 степени свободы в узле).
При использовании метода конечных элементов, помимо точности аппроксимации исходной конструкции, крайне важное значение имеет корректное задание граничных условий, тем более при использовании нелинейных КЭ. Недостаточно корректное задание граничных условий может привести к правдоподобным в целом, но принципиально неверным результатам в отдельных зонах конструкции.
Для наложения граничных условий при всех расчетных режимах нагружения использовалась система взаимно уравновешенных сил. Закрепления использовались только для устранения возможности линейного и углового перемещений КЭМ как единого целого. С учетом результатов ранее проведенных исследований, при моделировании всех схем нагружения суммарная вертикальная нагрузка принималась 1140 кН.
Расчеты рекомендуемого варианта конструкции проводились при поперечной перевалке без завала и с завалом на скользуны, а также при продольной перевалке с опорой на внешние стороны пятников. Нагрузка, схемы ее распределения, режимы нагрузок показаны на рис. 2.
Схема нагружения, имитирующая равномерно распределенную нагрузку
Схема нагружения, имитирующая продольную перевалку
Схема нагружения, имитирующая продольную перевалку
Схема нагружения, имитирующая поперечную перевалку
Схема нагружения, имитирующая поперечную перевалку при «завале» на скользуны
Схема нагружения, имитирующая действие вертикальных и горизонтальных поперечных оси пути и сил Рис. 2. Нагрузка, схемы распределения
Для проведения сравнительного анализа разработаны конечноэлементные модели рекомендуемого варианта СБ (рис. 3, 4). В отличие от ранее используемых КЭМ в разработанных расчетных моделях вся конструкция описывается объемными двадцатиузловыми конечными элементами (КЭ). Необходимость использования двадцати, а не 8 узловых объемных КЭ вызвана тем, что значительную долю в напряженное состояние различных элементов балки вносят напряжения изгиба. В связи с этим аппроксимация квадратичными, а не линейными КЭ позволяет значительно более точно рассчитать напряженное состояние конструкции.
Транспорт
Рис. 3. Фрагмент конечноэлементной модели рекомендуемого варианта соединительной балки, вид снизу
В разработанных моделях по плоскости сопряжения пятников с верхним и нижним листами используются матрицы связи нулевой длины, обеспечивающие возможность взаимного перемещения листов в зонах, где отсутствуют электрозаклепки. Аналогичные матрицы связи используются и по плоскости сопряжения верхнего листа с подпятником, а также в зоне верхней части центрального ребра подкрылка крайнего скользуна и в зоне перегиба нижнего листа над осью колесной пары по плоскости его сопряжения с усиливающей накладкой. В зонах расположения электрозаклепок используются матрицы связи, имеющие 3 степени свободы в узле и обеспечивающие кинематическую неподвижность сопрягаемых узлов верхнего и нижнего листов с пятником.
крайние пятники распределялась аналогично предыдущему режиму нагружения. К скользунам прикладывалась равномерно распределенная нагрузка. Суммарная величина нагрузки на центральный скользун - 160 кН. На крайние пятники и скользуны - из условия взаимного уравновешивания сил.
При моделировании продольной перевалки вертикальная нагрузка на подпятник и крайние пятники распределялась по их рабочей поверхности по закону квадратичной параболы вдоль продольной оси СБ. Для крайних пятников аналогично. Моделировался один из наиболее жестких режимов, когда максимальная интенсивность нагрузки на пятники смещена к внешним краям балки.
Одним из наиболее важных режимов нагру-жения СБ, оказывающим превалирующее влияние на разрушение зон крайних пятников, является поперечная перевалка (без «завала» на скользуны) (рис. 5).
Рис. 4. Фрагмент конечноэлементной модели рекомендуемого варианта соединительной балки.
Вид сверху
При моделировании поперечной перевалки без завала на скользуны вертикальная нагрузка на подпятник и крайние пятники распределялась по их рабочей поверхности по закону квадратичной параболы вдоль поперечной оси СБ. При этом величина интенсивности изменялась от нуля до п.
При моделировании поперечной перевалки с завалом на скользуны нагрузка на подпятник и
Рис. 5. Изополя интенсивности напряжений т с верхней (а) и нижней (б) стороны рекомендуемого варианта соединительной балки. Поперечная перевалка
Проведенный сравнительный анализ результатов расчетов рекомендуемого варианта соединительной балки и модификации соединительной балки показал, что при всех режимах нагружения надежность рекомендуемого варианта балки существенно выше, чем СБ 400, и, соответственно, значительно выше, чем в исходных конструкциях балок. За счет изменения геометрии сварного шва, соединяющего нижний лист с пятником, максимальные напряжения в нем уменьшились на 20 %. За счет введения усиливающих накладок в зоне перегиба нижнего листа над надрессорной балкой,
напряжения уменьшились с а, < 193 МПа до а, < 159 МПа, т. е. на 21 %. За счет положения поперечных диафрагм, напряжения в верхней точке бурта подпятника со стороны приложения нагрузки уменьшились с а, < 231-251МПа до а, < 191-223 МПа, т. е. на 13-21 %.
Заключение
При сравнительном анализе, в частности, установлено следующее
1. Полное спрямление сварного шва, соединяющего нижний лист с пятником, обеспечивает значительное дополнительное снижение уровня напряжений в шве: при поперечной перевалке - на 17-26 %. При продольной перевалке - на 38 %.
2. Введение усиливающих накладок при всех расчетных режимах обеспечило:
в зоне сопряжения подкрылка крайнего скользуна с нижним листом с внутренней стороны СБ уменьшение уровня максимальных напряжений на 20-30 %;
- в зоне сопряжения подкрылка крайнего скользуна с верхним листом с внутренней стороны СБ уменьшение уровня максимальных напряжений в два раза;
-в зоне перегиба над надрессорной балкой уменьшение уровня максимальных напряжений на 20-30 %.
3. Изменения, введенные в центральную часть конструкции, обеспечили:
- снижение максимальной интенсивности напряжений в верхней части бурта подпятника на 13-21 %; полное устранение области повышенных напряжений в верхней части отверстия в центральной боковой поперечной диафрагме; снижение интенсивности напряжений в зоне сопряжения нижней части поперечных диафрагм с продольными ребрами и с нижней стороны подпятника на 7-22 %.
При сравнительном анализе показано, что для корректной оценки работоспособности геометрически сложных конструкций необходим расчет главных амплитуд напряжений. Использование стандартных подходов к оценке прочности явно недостаточно и в отдельных случаях может приводить к принципиально неверным результатам.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИИ СПИСОК
1. Аксёнов Ю.Н. Статистический анализ влияния конструктивных особенностей соединительной балки четырехосной тележки на изменение параметров ее эксплуатационной надежности / Ю.Н. Аксенов, А.Ю. Богачёв, М.В. Гречнева, А.Е. Неживляк; Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ). М., 1999. 30с. Деп. в ЦНИИТЭИМПС, № 6241 жд. 99.
2. Выявление причин возникновения прогиба верхней части соединительной балки на основе анализа статистических данных / Ю.Н. Аксенов и др. М., 1999. 9 с.
3. Аксенов Ю.Н. Анализ отклонений от чертежных размеров соединительных балок четырехосных тележек находящихся в эксплуатации / Ю.Н. Аксенов и др. М., 1999. 16 с.
4. Разработка рекомендаций по выпуску и организации эксплуатации вагонов с повышенными погонными и осевыми нагрузками. Раздел 2. Анализ существующих конструкций и опыта эксплуатации 8-осных полувагонов и подготовка предложений по их совершенствованию : отчет о НИР / ЦНИИ МПС ; рук. С В. Вершинский. М., 1980. 105 с. № Г.Р. 80025125. Инв. № Б913215.
5. Аксенов Ю.Н., Фаерштейн Ю.О. Анализ НДС и эксплуатационной надежности сварных соединений соединительной балки четырехосной тележки // Тр. МИИТ. 1986. Вып. 783. С. 71-77.
6. Киселев С.Н., Аксенов Ю.Н., Воронин Н.Н. Применение математических методов и ЭВМ при анализе и оценке эксплуатационной прочности сварных конструкций // Информ. матер. СЭВ. 1989. Вып. 1 (35). С. 25-31.
7. Конечноэлементный анализ кинетики температурных полей и деформаций при термообработке соединительной балки / Ю.Н. Аксёнов и др. // Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессов : сб. тр. междунар. конф. Киев : Изд. им. Е.О. Патона, 2002. С.140-143.
