Установка для испытания моделей крышек люков полувагонов на ударные нагрузки Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Современные технологии - транспорту

39

Заключение

В результате проведенных теоретических исследований были определены зависимости между напряжениями, возникающими в наиболее нагруженных узлах ходовой рамы вагона-снегоочистителя, и утонениями элементов шкворневого узла и боковых балок при их коррозионном износе.

Было установлено, что при коррозионном износе более 14 % от номинального размера элементов шкворневой балки и при коррозионном износе более 18 % от номинального размера боковых балок напряжения в элементах превышают допустимые значения. Следовательно, в вагонах, отбираемых для продления срока службы, коррозионный износ шкворневой балки не должен превышать 14 %, боковых балок 18 %.

УДК 620.16 Е. В. Болгов

УСТАНОВКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ КРЫШЕК ЛЮКОВ ПОЛУВАГОНОВ НА УДАРНЫЕ НАГРУЗКИ

Для испытания различных конструкций крышек необходимо проводить специальные исследования. В статье показан общий вид установки, описан принцип её действия, выполнен расчёт и осуществлён подбор параметров.

испытание на удар, крышка люка, физическая модель, стенд.

Введение

В процессе проектирования новых изделий часто возникает необходимость провести оценку поведения системы в реальных условиях. Теоретически не всегда удаётся выполнить это достаточно точно в связи со сложностью объекта и действием различных нагрузок и факторов, которые трудно учесть и математически описать. В этих случаях прибегают к физическому моделированию будущей конструкции, которое наиболее точно отражает основные физические и другие параметры, присущие проектируемой системе.

В процессе проектирования и оценки условий, в которых будет работать крышка люка полувагона, возникла необходимость измерить напряжения, возникающие в основных элементах конструкции крышки, включая её крепления, и определить наиболее слабые звенья для их модернизации и усиления. Так как крышка полувагона находится в таких условиях, что ре-

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

40

Современные технологии - транспорту

альную диагностику провести сложно, то для проведения измерений и расчёта напряжений было принято решение о проектировании физической модели и испытательного стенда. Это позволит произвести необходимые измерения и выполнить оценку надёжности поведения различных элементов и типов конструкций крышек без их изготовления и натурных испытаний, что позволяет снизить стоимость исследований и проектирования. Из моделей крышек, которые покажут лучшие результаты, выбирается прототип для конструирования новой прочной крышки люка полувагона, пригодной для эксплуатации на грузовом вагоне.

1 Алгоритм расчёта на прочность крышки люка полувагона и описание физической модели испытательного стенда

Полувагон - железнодорожный вагон без крыши с высокими бортами, предназначенный для перевозки навалочных грузов (руда, уголь, флюсы, лесоматериалы и т. п.), контейнеров, различных машин и др. Вагон имеет открытый сверху кузов, часто оборудованный разгрузочными люками, а иногда и дверями [1]. Средняя грузоподъёмность универсального полувагона 65.. .70 тонн [2].

P

P

общ

N

крыш

70000 • 9,8 14

49000Н « 50 кН .

Образцы вновь проектируемых крышек разгрузочных люков и элементы их крепления должны быть также проверены на прочность при следующих схемах нагружения [3]:

• при падении на закрытую крышку при погрузке вагона кускового груза общей массой до 2 т (при массе отдельных кусков до 100 кг) с высоты 3 м;

• при падении на закрытую крышку отдельных кусков груза массой 150 кг с высоты 3 м.

1.1 Определение условий среды

Исходя из требований норм принимаем высоту сброса груза, равную 3 м. Масса груза, падающего с указанной высоты, составит 150 кг. Вычислим коэффициент динамической деформации [4]:

к д = 1 +

1+2Н

где H - высота сброса груза, м;

5С - величина прогиба крышки при статическом воздействии указанной силы. Величина 5С определена при помощи математического моделирования методом конечных элементов в программном пакете Solidworks и составила 0,2 мм.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

41

Вычисленное значение Кд = 174, таким образом максимальное ударное усилие, воздействующее на крышку, составляет 261 кН.

1.2 Расчёт усилий, развиваемых в модели

Для модели по её геометрическим размерам принимаем масштаб 1 : 4. Материал модели выбираем такой же, как материал крышки (сталь конструкционная). Таким образом, исходя из условия подобия [5], имеем:

, P

а = const и —- = const.

EB2

Откуда следует, что при моделировании с сохранением свойств материалов внешние нагрузки необходимо изменить пропорционально квадрату линейных размеров, то есть в 16 раз:

P = — = — = 16,3125 кН.

модель 16 16 5

Данное усилие развивается сбросом ударника массой 37,5 кг с высоты 0,75 м при статическом прогибе модели крышки под массой 37,5 кг, равном 0,7 мм, что подтверждается моделированием методом конечных элементов.

Максимальное усилие, которое должна выдержать установка, составляет 16,3125 кН. Найденная величина подсказывает, какие нужно закладывать в расчёт усилия, чтобы определить габариты и сечения элементов стенда, способные выдержать без повреждений (изгибов и разрушений) экспериментальные проверки на прочность. При этом остаточные деформации деталей конструкции крышки и самого стенда также недопустимы.

2 Проектирование установки

Для тестирования модели существующей крышки, как и для испытания моделей крышек новой схемы, необходимо спроектировать и построить испытательную установку, позволяющую создать рассчитанные выше усилия. Так как стенд должен обеспечить возможность испытания значительно усовершенствованных моделей крышек, то нагрузки, которые он будет выдерживать, должны превышать расчётные по крайней мере в два раза.

Таким образом, общая схема проектируемой установки должна создавать ударные усилия до 17 кН, при этом позволять изменять точку приложения удара, что наблюдается при эксплуатации полувагонов, и регистрировать процессы, происходящие в крышке в момент удара.

2.1 Принципиальная схема установки

Перечисленным выше условиям удовлетворяет установка, принципиальная схема которой приведена на рисунке 1.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

42

Современные технологии - транспорту

Установка содержит ударник 1, закреплённый в качающейся направляющей 2. Ударник при помощи спускового устройства 3 соединён с тросом 4, который через блок 5 наматывается барабаном 6, который через редуктор соединён с электродвигателем 7. Испытуемый объект 8 (крышка) при помощи креплений 9 зафиксирован на подвижном столе 10.

Подвижный стол позволяет осуществлять перемещения испытываемого объекта в горизонтальной плоскости за счёт винтовых приводов 11 и 12. На нижней части испытываемого объекта крепятся тензометрические датчики 13, которые путём электрической связи подключены к регистратору 14.

2.2 Порядок проведения испытаний

Испытуемый объект при помощи креплений 9 фиксируется в требуемом положении на подвижном столе 10. Стол при помощи винтовых приводов перемещается в положение, при котором ударник 1 находится над точкой, в которую необходимо нанести удар. Спусковое устройство 3 настраивают на высоту, с которой необходимо сбросить ударник для проведения эксперимента. Качающаяся направляющая 2 устанавливается на угол, под которым необходимо нанести удар.

После подготовки стенда производится включение электродвигателя 7, который, наматывая трос 4 на барабан 6, поднимает ударник до высоты, ограниченной спусковым устройством 3. В момент размыкания спускового устройства под действием силы тяжести ударник, находясь в направляющей, падает на испытуемый объект и наносит ему удар. В момент удара регистратор 14 записывает сигналы с датчиков 13. В случае необходимости возможно многократное повторение эксперимента.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

43

2.3 Расчёт конструкций испытательной установки

Для проектирования установки необходимо произвести расчёт её конструкций и определить необходимые габариты несущих элементов, которые будут воспринимать последствия нанесения удара. При этом необходимо учесть, что конструкция подвижного стола должна быть таковой, чтобы исключить его значительные деформации в процессе удара, что повысит точность испытания объекта. Расчёт конструктивных элементов стола будем производить последовательно, начиная от самых верхних и опускаясь к нижним, исходя из того, что верхние элементы конструкции должны выдерживать все нагрузки, которые крышка будет передавать на них. Нижние элементы должны поддерживать и верхние элементы, и крышку, и ударные нагрузки.

Для расчёта представим габаритную схему подвижного стола с видом сверху и обозначим все элементы стола. Стол состоит из верхней каретки, движущейся вперёд-назад, в которой закрепляется объект испытаний, нижней каретки, которая перемещает верхнюю каретку в направлении, перпендикулярном её траектории движения, а также станины, на которую опирается нижняя каретка. Станина состоит из двух направляющих 1 (рис. 2), закреплённых на основании; по направляющим 1 движется нижняя каретка, которая состоит из двух перекладин 2 и двух направляющих 3. По направляющим нижней каретки движется верхняя каретка, состоящая из перекладины 4, подвижной опоры 5, движущейся по направляющим 7, и неподвижной опоры 6. Ударник установки находится над центром подвижного стола (на схеме не показан).

Рис. 2. Вид сверху на проектируемый стенд

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

44

Современные технологии - транспорту

2.3.1 Расчёт нагрузок на верхнюю каретку

Наибольшее напряжение в балках каретки возникает, когда объект испытаний имеет три точки опоры, а удар приходится на среднюю опору в середине подвижной или неподвижной опоры (рис. 3). В этом случае практически всё усилие придётся на одно крепление, которое будет максимально удалено от точек закрепления опоры к направляющим. В данной ситуации схема расчёта примет следующий вид (рис. 4).

По проектируемому ударному усилию 16,375 кН, закладывая двукратный запас прочности, примем максимальное усилие F = 30 кН, при этом силы реакции опор

RA - RB

F

2

30 кН

-15

кН.

Теперь определим эпюру возникающих сил и построим эпюру моментов.

Рис. 3. Схема приложения ударной нагрузки

Рассчитываем момент и усилие на участке 1-2 (Ra - F):

F - R

A >

M1 - RA • *1

0 ^ M1 - 0 кН • м;

0,25 ^ M - 15 • 0,25 - 3,75 кН • м.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Современные технологии - транспорту

45

По результатам вычисления получаем, что максимальный изгибающий момент равен 3,75 кН-м. Чтобы определить, какого размера необходима балка, рассчитаем максимальный момент инерции:

G =

Wz

^ Wz =

M„

G,

3,75 кН - м 3,75 кН - м

G

иСт3

26 кг - мм

= 14,4 см3.

Требуемой величиной обладают следующие стандартные профили: уголок № 9x8 ГОСТ 8509-93 или уголок № 10x6,5 ГОСТ 8509-93; двутавр № 10 ГОСТ 8239-89; швеллер № 6,5 ГОСТ 8240-97 [6]. Для изготовления верхней каретки используем уголок 9x8 и швеллер № 6,5.

2.3.2 Расчёт параметров нижней каретки

Для изготовления нижней каретки выполним аналогичный расчёт, но для других геометрических размеров;

0 ^ M = 0 кН - м

M2 = Ra • x2 =

2 A 2 0,5 ^ M1 = 15 - 0,5 = 7,5 кН -м.

По результатам вычисления получаем, что максимальный изгибающий момент равен 7,5 кН-м. Рассчитаем максимальный момент инерции, чтобы определить, какого размера необходима балка:

Mmax Mmax 7,5 кН - м 7,5 кН - м 3

g =—ma^ ^ w =—m^ = —------------= —--------= 28,8 см3.

Wz g ^ст3 26 кг - мм

Требуемой величиной сопротивления изгибу обладают следующие стандартные профили: уголок № 10x12 ГОСТ 8509-93 или уголок № 12,5x8 ГОСТ 8509-93; двутавр № 10 ГОСТ 8239-89; швеллер № 10П ГОСТ 8240-97.

Для изготовления верхней каретки используем швеллер №10. Станина изготавливается из такого же швеллера, так как воспринимает такие же нагрузки и имеет аналогичные габариты.

2.4 Общий вид спроектированной установки

На основании полученных значений производится проектирование стенда в соответствии с требуемой кинематической схемой (рис. 5).

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

46

Современные технологии - транспорту

Рис. 5. Общая схема экспериментальной установки для испытания моделей

крышек люков полувагона

Заключение

Разработана и изготовлена действующая установка, на которой в лаборатории гибкого автоматизированного производства и триботехники Петербургского университета путей сообщения можно производить модельные испытания крышек люков полувагонов при воздействии на них ударных нагрузок, оценивать прочность и надёжность работы различных вариантов конструкций как самих крышек, так и их крепёжных элементов. По сигналам с установленных датчиков напряжение и иные параметры стенда записываются на персональный компьютер.

Библиографический список

1. Вагоны : общий курс / В. В. Лукин. - М. : Маршрут, 2004. - 423 с. - ISBN 589035-106-0.

2. Вагоны пассажирские и грузовые колеи 1520 мм : отраслевой каталог / В. И. Цыганкова, Т. Н. Зайцев. - М. : Желдориздат, 2004. - 191 с. - ISBN 5-94069-038-6.

3. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996.

4. Сопротивление материалов / Н. М. Беляев. - 15-е изд. - М. : Наука, 1976. -

607 с.

5. Методы подобия и размерности в механике / Л. И. Седов. - 8-е изд. - М. : Наука, 1977. - 440 с.

6. Стальной листовой прокат. Сортамент : сборник. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 215 с.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University