Визначення структури матеріалоємності напіввагону-хоперу для гарячих окатишів та агломерату з використанням блочно-ієрархічного описання його конструкції Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

4. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел / Г.К. Клейн // М.: Гостройиздат, 1956. - 251 с.

5. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды / В.В. Соколовский // М.: Госиздат, 1954. - 274 с.

6. Островский, Г.М. Прикладная механика неоднородных сред / Г.М. Островский. -СПБ.: Наука, 2000. - 359 с. 1

Анотации:

Ключевые слова: пневмотранспорт, математическая модель, аэросмесь, сыпучий материал

Статья посвящена разработке математической модели движения сыпучих материалов на горизонтальных и вертикальных участках пневмотранспортного трубопровода. Описаны общие уравнения движения выделенного объема аэросмеси в пневмотранспортном трубопроводе на основе механики сплошных сред. Для вертикальных участков рассмотрены два случая: дви-

жение объема сыпучего материала плотной неаэриро-ванной массой и движение сыпучих материалов аэрированным объемом.

Стаття присвячена розробщ атематикно! моделi руху сипких матерiалiв на горизонтальних та вертика-льних дшянках пневмотранспортного трубопроводу. Описано загальш рiвняння руху ввдокремленого об'ему аeросумiшi в пневмотранспортному трубопроводi на основi мехашки суцшьних середовищ. Для вертикаль-них дiлянок розглянуто два випадки: рух об'ему сипко-го матерiалу щiльною неаерованою масою та рух сипких матерiалiв аерованим об'емом.

The article is devoted to the development of mathematical model of friable materials motion on the horizontal and vertical areas of pneumotransport pipe-line. General equalizations of motion of the selected volume of aeromix-ture in a pneumotransport pipe-line on the basis of mechanics of continuous mediums are described. For vertical areas two cases are considered: motion of friable material volume by dense nonaerated mass and motion of friable materials by aerated volume.

УДК 629.463.65+629.463.66

ФОМ1Н В.В., шженер (ЗАТ «Донецксталь»- металургшний завод»).

Визначення структури матерiалоeмностi нашввагону-хоперу для гарячих окатиш1в та агломерату з використанням блочно-ieрархiчного описання йо-го конструкцп

Постановка проблеми i аналп результат1в останшх дослщжень

Зал1зничний транспорт е важливою складовою виробничих зв'язюв м1ж окреми-ми регюнами та кранами. Це визначае особ-лив1 вимоги до сучасного зал1зничного рухо-мого складу, найбшьш чисельна та вагома частка якого належить вантажним вагонам. При цьому понад 50% загального вантажо-об1гу на мережах зал1зниць кра!н СНД вико-нуеться ушверсальними та спещал1зованими натввагонами (www.ukrstat.gov.ua,

www.gks.ru). В той же час парк натввагошв е дефщитним, що пов'язано з штенсивним виведенням його 1з експлуатацп по причиш досягнення значною кшьюстю вагошв при-значеного термшу служби. Вщповщно до да-них ЦД УЗ на тепер1шнш час експлуатуеться 86% ушверсальних натввагошв та 90% спе-щал1зованих натввагошв-хопер1в для гарячих окатиш1в та агломерату у наднормовий термш служби, як1 найближчим часом будуть виведеш з експлуатацп.

У зв'язку з вищезазначеним «Укрзал1з-ницею» запропоновано програму «Украшсь-

кий вагон» (затверджена Мшютерством ш-фраструктури Укра'ши 04 лютого 2011р.), якою передбачено за 2,5 - 3 роки поповнення вантажного парку 25 тис. натввагошв [1]. Поповнення натввагошв плануеться вико-нувати за рахунок 1х виготовлення на втиз-няних вагонобудiвних пiдприемствах.

Для створення втизняних конкурен-тоспроможних моделей ушверсальних та спецiалiзованих напiввагонiв розгорнуто на-уково-дослiднi та дослiдно-конструкторськi роботи, яю спрямованi на полiпшення 1х тех-нiко-економiчними показникiв. При цьому одним з основних технiко-економiчними по-казникiв напiввагонiв е 1х тара (матерiалоем-нiсть), зниження яко'1 безпосередньо впливае на економiчну ефективнiсть експлуатацп на-пiввагонiв. Зазначене обумовлюе актуаль-нiсть постановки та вирiшення науково-практичного завдання з удосконалення вти-зняних конструкцiй унiверсальних та спеща-лiзованих напiввагонiв з метою зниження 1х матерiалоемностi. На сьогоднiшнiй день ви-рiшувати таке завдання доцшьно з викорис-танням пiдходiв та методiв теорп оптимiзацп. При цьому вузловим питанням е визначення структури матерiалоемностi дослiджуваних моделей напiввагонiв, але аналiз чисельно'].' науково-техшчно'].' лiтератури з вагонобуду-вання засвiдчив про вiдсутнiсть змютовно'1' шформацп з рiшення ща задача Тому у роботах [2,3] запропоновано новий тдхщ до виршення тако'1 задачi для унiверсальних натввагошв, але питання розробки пiдходу до дослщження матерiалоемностi натвваго-нiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату (окатишевозiв) ще не було розглянуто.

Мета статт1 та викладення основного ма-тер1алу

В статтi представлено новий тдхщ до визначення структури матерiалоемностi конструкцп залiзничних напiввагонiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату, який ба-зуеться на використаннi принцитв iерархiч-ностi та декомпозицп (блочносп) в досль дженнях механiчних систем [4]. Використан-

ня принципу iерархiчностi передбачае струк-турування описання конструкцп окатишево-зiв за ступенем детальност з видiленням окремих iерархiчних рiвнiв. Застосування принципу декомпозицп забезпечуе роздшен-ня описань конструкцп напiввагону у кожному iерархiчному рiвнi на вщповщш скла-довi блоки. Обидва принципи в повнш мiрi вщдзеркалюються у блочно-iерархiчнiй схемi (Б1С) конструкцп окатишевозiв [5], яка вико-ристовуеться у якост основи запропоновано-го тдходу.

Для визначення структури матерiало-емностi конструкцп окатишевозу конкретно'].' моделi на основi пропонуемого пiдходу не-обхiдно мати вiдповiднi 1й вихщш данi о ма-сах деталей, вузлiв та робочi креслення.

При наявност зазначених даних, визначення структури матерiалоемностi конструкцп окатишевозiв складаеться з двох основних етатв:

I - розробка блочно-iерархiчноi моделi формування (визначення) матерiалоемностi конструкцп окатишевозiв на основi вщповщ-но'1 Б1С;

II - дослiдження структури матерiало-емностi на вiдповiдних iерархiчних рiвнях створено'1 моделi.

За своею суттю модель формування ма-терiалоемностi вщдзеркалюе Б1С окатишевозу [5], на якш вказанi вiдповiднi значення мас для всiх 11 елементiв. Це дозволяе визначити сумарну матерiалоемнiсть на кожному iерар-хiчному рiвнi, а також використовуючи ви-схiдний метод визначити загальну матерiало-емнiсть вагону, як додаток матерiалоемнос-тей уах iерархiчних рiвнiв (вiд найнижчого рiвня базових елементiв до найвищого). Слщ зауважити, що при визначеннi матерiалоем-ностей окремих iерархiчних рiвнiв та загаль-но1 матерiалоемностi окатишевозу додатково необхщно враховувати матерiалоемнiсть зва-рювальних з'еднань елементiв конструкцп. Отриманi на першому етапi значення матерь алоемносп окремих модулiв конструкцп i видшення найбiльших з них дозволить перейти до другого етапу.

На основi аналiзу структуры матерiало-eмностi елементiв сформовано! моделi при-ймаеться рiшення про можливють удоскона-лення конструкцп окатишевозу вщ вищих iе-рархiчних рiвнiв до рiвня базових елементiв.

У вщповщносп до описаного пiдходу були розроблеш наведенi нижче математичнi описання для окатишевозiв вiтчизняного ви-

робництва, основна конструкщя яких може бути представлена у виглядi трьохрiвневоi Б1С [5].

Загальне математичне описання для ви-значення матерiалоeмностi конструкцп ока-тишевозiв на основi трьохрiвневоi Б1С мае наступний вид:

т

О1

= Е-

]=1

ь

Е

к=1

Е ] -р- Пт +

т=1

Е -1~

1]кт т

- Р

т =1

- йк + Е -1~-р

1)к к

к=1

+ Е -1~-р

~=1 1] ]

(1)

де то - тара дослщжуваного окатишевозу;

Е

]=1

о1 ь

Е

к=1

Г

Е У]кт-Р-Пт +Е -1~ -Р

т=1

V

1 ]кт т т=1 у

( + Е -1~-р

1]к к

к=1

сумарна матертло-

емшсть модулiв окатишевозу, де с змшюеться в залежностi вiд кiлькостi основних модулiв;

ь

Е

к=1

С

( -

Е У]кт' Р-Пт + Е -1~ -Р

т=1 ~ 1 ]кт т

V т=1 у

сумарна матерiалоемнiсть вузлiв, якi входять до складу дослщжуваного модуля, де Ь змь нюеться в залежностi вщ кiлькостi вузлiв, якi входять до складу модуля;

с(к - кшьюсть к-их однойменних вуз-лiв, якi входять до дослiджуваного модуля;

а

Е Ут - Р- Пт - сумарна матерiалоем-

т=1

нiсть базових елементiв, якi входять до складу вщповщного вузла, де а змшюеться вщ кшькосп базових елементiв, якi входять до складу вщповщного вузла;

V1]кт - об'ем базово! т-о! складово!;

р - питома вага конструктивного мате-рiалу, з якого виготовлено складову;

Пт - кiлькiсть однойменних т-их базових елементiв у вузл^ що дослiджуеться;

Е -1~ - р.

]=1

1] ]

Е -1~- р

1]к к

Е -1~-р-

1]кт т

к=1

маса металу, що наплав-

т=1

ляться при зварювальних роботах в процес складання вiдповiдно загально! конструкцп окатишевозу iз окремих модулiв, дослщжува-ного модуля iз вузлiв, дослiджуваного вузла iз базових елементiв;

С, Ь, а - змшюеться в залежносп вщ кiлькостi титв зварювальних швiв, якi вико-ристовуються при складаннi вiдповiдно загально! конструкцп окатишевозу, дослiджувано-го модуля, вузла;

~ - площа вiдповiдно

1] 1]к 1]кт

] -го, к -го, т -го типу шву;

1~, 1~ , 1~ - довжина вщповщно ] -го,

] к т

к -го, т -го шву.

Наведеш матерiали використовувались при проведенш науково-дослiдних робiт з визначення структури матерiалоeмностi на-пiввагонiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату моделi 20-9749, яка е базовою для перепрофшьованого пiд вагонобудування вагоноремонтного заводу Укрзалiзницi Дер-жавне пiдприемство «Укрспецвагон». Для визначення структури матерiалоемностi на-пiввагонiв моделi 20-9749 були використаш наступнi вихiднi данi: 11 Б1С [5,6], комплект проектно-конструкторсько! документацп [7,8], та даш експериментальних дослiджень (зважувань) модулiв, вузлiв та базових еле-

ментiв, якi були здiйсненi авторами на виро-бничiй базi ДП «Укрспецвагон».

На рисунку 1 представлено пстограму, яка iлюструе структуру матерiалоемностi ос-новних модулiв конструкцп окатишевозу мо-делi 20-9749 (в дужках вказаний вщсоток ма-си модуля вщ загально! маси напiввагону). З урахуванням того, що маса металу, яка наплавляться при зварювальних роботах в про-цесi складання загально! конструкцп окатишевозу iз окремих модулiв, у порiвняннi з значеннями мас модулiв е незначною (0,06% вiд тари), тому 11 не представлено на псто-грамi.

З рисунку 1 видно, що серед модулiв конструкцп окатишевозiв моделi 20-9749 най-бiльш матерiалоемними е - модуль ходово! частини О15, модуль рами О12 i модуль кузова О11. У зв'язку з тим, що основна увага придь лялась питанням модершзацп модуля кузова

О11, нижче наведенi результати дослщження матерiалоемностi саме цього модуля.

На рисунку 2 представлено результати роб^ з визначення структури матерiалоемнос-т модуля кузова конструкцп окатишевозiв моделi 20-9749 (в дужках вказаний вщсоток маси вузла вщ загально! маси модуля кузова).

пню

3729(64)

3000

2000

1670 (2Н.7)

1000

7нал

о„,

С1 ¡ни Сокина

о,

Стена торцева

281 (4,8)

Ош огороджен ня

|МДШЖ(Ж

,:1робин

Он.

13уэол посклення та з'с днаммя с.чсмснпв

71 а. 2)

О

ВуМл кркьтлшя крлшкн люка

Вузли модуля кузова

Рисунок 2. - Структура матер1алоемност1 вузлових та системник складових модуля кузова 011 конструкцй окатишевоз1в модел! 20-9749

З рисунка 2 видно, що серед мас вузлiв модуля кузова (стша бокова О111, стiна торце-ва О112, вузол огородження, пiднiжок та дробин О113, вузол посилення та з'еднання еле-ментiв кузова О114, вузол крiплення кришки люка О115) найбiльшими е матерiалоемностi наступних вузлiв: стiни боково! =

3729кг та стiни торцево! Жо112 = 1670кг. Цi

результати спрямовують подальшi досль дження структури матерiалоемностi модуля кузова окатишевозiв моделi 20-9749 саме на вищезазначеш вузли.

При подальшому дослiдженнi аналiзу-валась можливють зниження матерiалоемнос-тi стiни боково! О111, тому нижче наведено значення найбшьш матерiалоемних п базових елеменпв (значення мас представлено для вщповщних комплектiв на стiну бокову): опора Ж011125 =236,6 кг, лист середнiй

т

О

11113

=208кг, лист верхнш т0 =187кг,

11112

лист нижнiй то11117 =170 кг, стiйка промiжна т0 =140кг.

011127

Отриманi результати дозволили провести комплексы проектно-конструкторськi роботи по модершзацп елементiв модуля ку-

зова окатишевозiв моделi 20-9749, в тому чист - опори О11125 та листiв середнього О11113, верхнього О11112. Попереднi дослiдження показали, що лише за рахунок удосконалення зазначених елемешив можна знизити матерь алоемшсть стiни боково! приблизно на 120кг, що зменшить тару окатишевозу близько 240кг. Вже це дозволить перевозити додатко-во 14,5т вантажу у складi по!зда з 60-ти таких натввагошв.

Висновки I рекомендацп щодо подальшого використання

Матерiали, якi наведено в статтi свщ-чать про доцiльнiсть використання запропо-нованого пiдходу з визначення матерiалоем-ностi окатишевозiв при вирiшеннi актуального науково-практичного завдання з оптимiза-цшного проектування !х конструкцп з метою зниження матерiалоемностi.

Висвiтлений тдхщ до визначення структури матерiалоемностi конструкцп натвваго-нiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату може бути використаний при виршенш подiбних задач для iнших типiв спецiалiзова-них та унiверсальних вантажних вагошв.

Список лгтератури

1 Кулiева, О Плани i перспективи укра!-нських залiзниць [Текст] / О.Кулiева // Вагонный парк. - 2011 - № 1. -С.8-10.

2 Мороз, В.1., Формалiзоване описання конструкцп залiзничних вантажних вагонiв [Текст]/ В.1. Мороз, О.В. Фомш, // Зб.наук.праць 107. - Харюв: УкрДАЗТ, 2009. -Вип. - С. 173-179.

3 Мороз, В.1. Визначення структури ма-терiалоемностi залiзничного напiввагону з ви-користанням блочно-iерархiчного описання його конструкцп / В.1. Мороз, О.В Фомш // Зб. наук. праць. - Донецьк: Дон1ЗТ, 2010. -Вип.№.21.- С.101-109

4 Мороз, В.1. Новий пщхщ до формалiзо-ваного описання конструкцп технiчних засо-бiв залiзничного транспорту [Текст] / В.1.Мороз // Залiзничний транспорт Укра!ни, 2010 - №4. - С. 41,42.

5 Мороз, В.1. Формалiзоване описання конструкцп залiзничних напiввагонiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату [Текст]/ В.1. Мороз, О.В Фомш, В.В Фомш // Зб. наук. праць. - Луганськ: СНУ iм. В.Даля, 2011. -Вип.№.1(155) Ч.2.- С.41-47

6 Мороз, В.1. Видшення основних моду-лiв та вузлiв конструкцп напiввагонiв-хоперiв для гарячих окатишiв та агломерату моделi 20-9749 [Текст] / В.1. Мороз, В.В. Фомш / Мiжнародна науково-практична конференщя «Научная мысль информационного века» (0715 березня 2011р. Польша) - 2011р. С. 35-38

7 Вагон-хопер чотиривюний для гарячих окатишiв та агломерату моделi 20-9749 Техтчш умови ТУ У 35.2.-01124454-035:2005. м. Ки!в.

8 Альбом чертежей К28.04-00.00.00.0-00 «Вагон-хоппер четырехосный для горячих окатышей и агломерата. Модель 20-9749». Киевское ПКТБ по вагонам 2005г.

Анотацн:

В статп представлено запропонований новий пвдхщ до визначення структури матер1алоемност1 конструкцп зал1зничного натввагону-хоперу для гарячих окатиш1в та агломерату, який розроблено на основ1 ви-користання принцип1в 1ерарх1чност1 та декомпозицИ дослвдження механ1чних систем. Наведен1 у статп ре-зультати досл1дження матер1алоемност1 окатишевоз1в модел1 20-9749 св1дчать про дощльшсть використання запропонованого п1дходу при !х оптим1зац1йному прое-ктуванн1 з метою зниження матер1алоемност1.

В статье представлен предложенный авторами новый подход к определению структуры материалоемкости конструкции железнодорожного полу вагона-хоппера для горячих окатышей и агломерата, который разработан на основе использования принципов иерархичности и декомпозиции исследования механических систем. Приведенные в статье результаты исследования материалоемкости окатышевозов модели 209749 свидетельствуют о целесообразности использования предложенного подхода при их оптимизационном проектировании с целью снижения материалоемкости.

In the article new approach offered by authors is represented to determination structure of materyaloem-kosty construction railway gondola-hoper for hot okaty-shey and agglomerate, which is developed on the basis of use principles hierarchical ness and decomposition of research the mechanical systems. Results of research mater-yaloemkosty gondolas model 20-9749 resulted in the article testify about expedience of the use offered approach at the use optimization planning with the purpose of decline materyaloemkosty.