Визначення структури матеріалоємності залізничного напіввагону з використанням блочно- ієрархічного описання його конструкції Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

РУХОМИЙ СКЛАД

УДК 629.4.02:629.463.65

Мороз В.1., д.т.н., професор (УкрДАЗТ) Фомт О.В., астрант (УкрДАЗТ)

ВИЗНАЧЕННЯ СТРУКТУРИ МАТЕР1АЛОСМНОСТ1 ЗАЛ1ЗНИЧНОГО НАП1ВВАГОНУ З ВИКОРИСТАННЯМ БЛОЧНО-1СРАРХ1ЧНОГО ОПИСАННЯ ЙОГО КОНСТРУКЦП

Постановка проблеми i аналiз результатiв останнш до^джень.

Вщповщно до Стратеги розвитку заизничного транспорту на перюд до 2020 року, схваленою розпорядженням Кабiнету Мiнiстрiв Укра!ни вщ 16 грудня 2009 року N 1555-р одшею з прiоритетних задач розвитку заизничниць е пiдвищення рентабельное^ 1х роботи за рахунок створення та експлуатаци конкурентоспроможного вiтчизняного рухомого складу. Важливим напрямком вирiшення ще! задачi е формування вантажного парку Укрзашзнищ на основi моделей вагошв вiтчизняного виробництва, якi мають сучасний рiвень техшко-економiчних показникiв. При цьому серед вантажного парку вагошв найбшьш чисельна частка належить нашввагонам, на долю яких приходиться понад 50% загального вантажообiгу залiзниць Укра!ни. Наприклад за даними Державного ком^ету статистики Укра!ни [www.ukrstat.gov.ua] за Ычень-грудень 2009-го року залiзничним транспортом було вщправлено 322,2 млн. т вантажiв, з яких найбiльшу частину було перевезено натввагонами (кам'яного вугiлля 90,9 млн.т, руди залiзноl i марганцево! 61,8 млн.т, чорних металiв 26,8 млн.т та шш.).

Поряд iз зазначеним на теперiшнiй час за ощнками фахiвцiв [1,2, www.pg-online.ru] на залiзницях кра!н СНД та Балти бiля 50% парку напiввагонiв експлуатуеться бшьше 20 рокiв (при нормативному строку служби 22 роки). Це визначае необхщшсть оперативного 1х поповнення. В останнш час поповнення парку нашввагошв вщбуваеться за рахунок 1х виготовлення на вагонобудiвних пiдприемствах Укра!ни та кра!н СНД, а також перепрофшьованих вагоноремонтних заводах Укрзалiзницi.

З урахуванням того, що найбшьшим попитом користуються моделi нашввагошв з високими технiко-економiчними показниками, авторами у робот [3] було проведено порiвняльний аналiз базових моделей нашввагошв втизняних та закордонних вагонобудiвникiв. Його результати шдтвердили наявнiсть резервiв подальшого удосконалення конструкци напiввагонiв вiтчизняного виробництва.

Зазначене обгрунтовуе актуальнiсть розгортання науково-дослщних та дослiдно-конструкторських робiт з метою створення моделей вггчизняних напiввагонiв з полшшеними технiко-економiчними показниками, напiввагонiв нового поколшня. Одним з перспективних напрямюв вирiшення ще! задачi е розробка та впровадження техшчних рiшень, як спрямованi на зниження матерiалоемностi (маси тари) нашввагошв.

Виршення вищенаведено! задачi на сучасному рiвнi може здшснюватись з використанням пiдходiв та методiв теори оптимiзацil [4,5] - оптимiзацiйного проектування напiввагону за критерiем мшмально! матерiалоемностi [6]. При цьому вузловим питанням е визначення структури матерiалоемностi конструкци напiввагонiв. Разом з тим у вщповщнш науковiй та спещально-техшчнш лiтературi цi питання не знайшли достатнього висвiтлення.

Мета статтi та викладення основного матерiалу. В статт авторами запропоновано шдхщ до визначення i аналiзу структури матерiалоемностi конструкци зашзничних напiввагонiв, який базуеться на використанш принципiв iерархiчностi та декомпозици (блочностi) в дослiдженнях механiчних систем. Використання принципу iерархiчностi передбачае структурування описання конструкци напiввагонiв за ступенем детальност з видiленням окремих iерархiчних рiвнiв. Застосування принципу декомпозици забезпечуе роздшення описань конструкци напiввагону у кожному iерархiчному рiвнi на вщповщт складовi блоки. Обидва принципи в повнш мiрi вiддзеркалюються у блочно-iерархiчнiй схемi (Б1С) конструкци напiввагонiв [7], яка використовуеться у якост основи запропонованого шдходу.

Для визначення структури матерiалоемностi конструкци конкретно! моделi нашввагошв на основi пропонуемого пiдходу необхщно мати вiдповiднi 1й вихiднi даш о масах деталей та вузлiв, робочi креслення.

При наявностi зазначених даних, визначення структури матерiалоемностi конструкци нашввагошв складаеться з двох основних еташв:

I - розробка блочно-iерархiчно! моделi формування (визначення) матерiалоемностi конструкци напiввагону на основi вщповщно! Б1С;

II - дослщження структури матерiалоемностi на вщповщних iерархiчних рiвнях створено! моделi.

За своею суттю модель формування матерiалоемностi вiддзеркалюе Б1С напiввагону, на якш вказанi вiдповiднi значення мас для вшх !! елементiв. Це дозволяе визначити сумарну матерiалоемнiсть на кожному iерархiчному рiвнi, а також використовуючи висхiдний метод визначити загальну матерiалоемнiсть (масу тари напiввагону), як додаток матерiалоемностей усiх iерархiчних рiвнiв (вщ найнижчого рiвня базових елементiв до найвищого). Слiд зауважити, що при визначенш матерiалоемностей окремих iерархiчних рiвнiв та загально! матерiалоемностi напiввагону додатково необхщно враховувати матерiалоемнiсть зварювальних з'еднань елемент1в конструкци. Отриманi на першому етапi значення матерiалоемностi окремих модулiв конструкци i видiлення найбiльших з них дозволить перейти до другого етапу.

На основi аналiзу структури матерiалоемностi елементiв сформовано! моделi приймаеться ршення про можливiсть удосконалення конструкци напiввагону вiд вищих iерархiчних рiвнiв до рiвня базових елементiв.

У вщповщносл до описаного пiдходу були розроблеш наведенi нижче математичнi описання для нашввагошв вiтчизняного виробництва, основна конструкщя яких може бути представлена у виглядi трьохрiвнево! Б1С [7]. Зважаючи на те, що третш рiвень утворюють базовi елементи конструкци (прийнят за одиночнi та недшим^ нижче наведена формула для визначення матерiалоемностей елементiв другого (вузлового) iерархiчного рiвня:

тв -р-пт + • р (1)

т=1 I ]кт т

т=1

де тВ к - матерiалоемнiсть конструкцiйного блока (вузла) другого

Чк

iерархiчного рiвня, що розглядаеться;

£ У..кт - р - пт - сумарна матерiалоемнiсть базових елеменлв, якi

т=1

входять до складу вщповщного вузла;

Уукт - об'ем базово! ш-о\ складово!; ¡, к, т - рiвнево-позицiйнi

iндекси, як вiдповiдають шифру дослщжувано! складово! Б1С (/ -вщповщае порядковому номеру дослщжуваного варiанту конструкци напiввагону; у - вщповщае позицiйному номеру модуля форм^зованого описання, до складу якого входить складова, що дослщжуеться; к -вщповщае порядковому номеру вузла у складi вiдповiдного модуля; т -вщповщае порядковому номеру базового елементу, який входить до складу вщповщного вузла). Для прикладу вищенаведеного позначення елеменлв Б1С розглянемо базовий елемент кшцево! балки модуля рами натввагошв моделi 12-9745 [7,8] - листа лобового У1247: 2 - номер модуля рами у загальнш схемi напiввагону, 4 - номер вузла кшцево! балки у модулi рами, 7 - номер листа лобового у вузлi кшцево! балки;

а - кшьюсть базових елеменлв, якi входять до складу вщповщного вузла;

р - питома вага конструкцшного матерiалу, iз якого виготовлено елемент;

пт - кiлькiсть однойменних т-их базових елеменпв у вузлi, що дослщжуеться;

а

X 5____• I~ • Р - маса зварювальних швiв якi утворюються при

~ I ] к т т

т=1

складаннi дослiджуваного вузла iз базових елементiв;

____- площа т -го типу шву, який використовуеться при складанш

I ]кт

дослiджуваного вузла;

а - змшюеться в залежностi вiд кшькосп типiв зварювальних швiв, якi використовуються при складаннi вiдповiдного вузла,

I~ - довжина т -го шву.

т

Для визначення матерiалоемностi першого рiвня основних модулiв конструкци [7] використовуеться формула:

ь

тя = X

11 к=1

с ~ \

а а

X Уукт 'Р'Пт + X • 1 ~ 'Р

т=1 I ¡кт т

V т=1 J )

ч + -Р, (2)

I ¡к к

к =1

де тв - матер1алоемшсть модуля конструкцп, що досл1джуеться;

г

ь

I

к=1

л

I Уг/кт ' Р ' Пт -р

т=1 I ]кт т

V т=1 у

- сумарна матер1алоемшсть

вузл1в, як1 входять до складу дослщжуваного модуля;

Ь - кшьюсть вузл1в, як входять до складу вщповщного модуля; йк - кшьюсть к-их однойменних вузл1в, як входять до

дослщжуваного модуля.

I -/ - р -

к=1

I ]к к

маса металу, що наплавляеться при зварювальних

роботах в процес створення дослщжуваного модуля; - площа к-го типу шву;

I тк

Ь - змшюеться в залежност вщ кшькосп тишв зварювальних шв1в, як використовуються при складанш дослщжуваного модуля,

- довжина к -го шву.

к

Результати розрахунюв матер1алоемностей на першому та другому 1ерарх1чних р1внях дозволили визначити загальну матер1алоемшсть нашввагону. Узагальнена формула для визначення матер1алоемност1 нашввагону мае наступний вид:

т.

■■I ]=1

г

I

к=1

I Р- Пт +1 -/ ~ -Р

т=1

V

г ]кт т т=1 у

Ч + ! р

г ] к к

к=1

+ !-I -р, (3)

т=1

г) ]

де тв - тара досл1джуваного нап1ввагону;

де тв

с ь

I I

т=1 к=1

I Уцы- р-Пт + I -р

т=1

г }кт т т=1 у

^к +1 - - р

к=1

г ]к к

сумарна

матер1алоемшсть модул1в конструкцп, де с змшюеться в залежност1 в1д кшькосп основних модул1в конструкцп;

X • Р - маса металу, що наплавляться при зварювальних

~ 11 1

1=1 J J

роботах в процес складання загально! конструкцп напiввагону iз окремих модулiв;

- площа 1 -го типу шву;

с - змшюеться в залежност вiд кiлькостi типiв зварювальних швiв, якi використовуються при складаннi загально! конструкцп напiввагону;

- довжина 1 -го шву.

1

Формула 3 може бути використана для визначення матерiалоемностi будь-якого вантажного вагону. При цьому суть та алгоритм створення такого математичного запису, для вагошв формалiзоване описання конструкцп яких налiчуе шшу кшьюсть iерархiчних рiвнiв, не змiняться, а змiниться лиш кiлькiсть пiдетапiв.

Наведенi матерiали використовувались при проведеннi науково-дослiдних роб^ з визначення величини та особливостей структури матерiалоемностi напiввагонiв моделi 12-9745, яка е базовою на перепрофшьованих вагоноремонтних заводах Укрзалiзницi (Дарницький ВРЗ, ДП «Укрспецвагон», Попаснянський ВРЗ та Стрийський ВРЗ). Для визначення структури матерiалоемностi напiввагонiв моделi 12-9745 були використаш наступнi вихiднi данi: и Б1С [7,8], комплект проектно-конструкторсько! документацil [9], та данi експериментальних дослiджень (зважувань) модулiв, вузлiв та базових елеменлв, якi були здшснеш авторами на виробничiй базi ДП«Укрспецвагон».

На рисунку 1 представлено пстограму, яка iлюструе структуру матерiалоемностi основних модулiв конструкцil напiввагонiв моделi 129745 (в дужках вказаний вщсоток маси модуля вiд загально! маси нашввагону). З урахуванням того, що маса металу, яка наплавляться при зварювальних роботах в процеш складання загально! конструкцп напiввагону iз окремих модулiв, у порiвняннi з значеннями мас модулiв е незначною (0,04% вщ маси тари), тому и не представлено на гiстограмi.

8

о

.53

10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

8568 (36,1)

9217 (38,9)

4403 (18,6)

1050 (4,4) 472 (2)

__I I

Вц

Модуль кузова

В12

Модуль рами

В13

Модуль автозчепного пристрою

В14

Модуль галышвного обладнання

В15

Модуль ходово!

частини

Модулi

Рисунок 1 - Структура матерiалоемностi модулiв конструкци напiввагонiв моделi 12-9745

З рисунку 1 видно, що серед модулiв конструкци напiввагонiв моделi 12-9745 найбшьш матерiалоемними е - модуль ходово! частини В15, модуль кузова В11 i модуль рами В12. У зв'язку з тим, що основна увага придшялась питанням модершзаци модуля кузова В11, нижче наведет результата дослщження матерiалоемностi саме цього модуля.

На рисунку 2 представлено результати робгг з визначення структури матерiалоемностi модуля кузова конструкци нашввагошв моделi 12-9745 (в дужках вказаний вщсоток маси вузла вiд загально! маси модуля кузова).

З рисунку 2 видно, що серед мас вузлiв модуля кузова (стша бокова В111, стiна торцева В112, кришка люка В113, устаткування крiплення кришки люка В114, комплекс посилення та з'еднання елеменлв кузова (КПЗЕК) В115) найбiльшими е матерiалоемностi наступних вузлiв: стiни боково! тв = 4160кг, кришки люка тв = 2596кг та стши торцево! тв = 1497кг.

Цi результати спрямовують подальшi дослiдження структури матерiалоемностi модуля кузова нашввагошв моделi 12-9745 саме на вищезазначеш вузли.

8

<3

о

4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

41 60 (4 8,5)

259 16 (3 0,3)

1497 (17,5)

249 (2,9)

- 52 (0,6) 14 (0,2)

В111 В112 В113

Ст1на бокова Стша торцева Кришка люка

115

ВЗ1

В114 В

Устаткування Маса металу, що

кршжння кришки КПЗЕК наплавляеться

Вузлов1 та системн1 складов1 модуля кузова

Рисунок 2 - Структура матер1алоемност1 вузлових та системних складових модуля кузова В11 конструкци натввагошв модел1 12-9745

При подальшому дослщжент анал1зувалась можливють зниження матер1алоемносп стши боково! В111, тому нижче наведено значення найбшьших матер1алоемностей 11 базових елеменпв (значення мас представлено для вщповщних комплекпв на стшу бокову): обвязування

верхнього тв mв =389кг,

mв =514кг,

в11110 '

тв =133кг.

в11112

1111

=392кг, обвязування нижнього

т

в

в

1112

=242кг, стшки

панел1 панел1

1760х420х5 1530х1525х4

тв =206кг

в1119

т

в11111

панел1 5370х1525х4 =73кг, стшки боково!

Отримаш результати дозволили провести комплексы проектно-конструкторськ роботи по модершзацп елемент1в модуля кузова нашввагошв модел1 12-9745, в тому числ1 - обвязування верхнього В1111 та стшки В1117. Попередш дослщження показали, що лише за рахунок удосконалення зазначених елеменпв можна знизити матер1алоемшсть стши боково! приблизно на 100кг, що зменшить масу тари натввагону

близько 200кг. Вже це дозволить перевозити додатково 12т вантажу у складi по1зда з 60-ти таких нашввагошв.

Висновки i рекомендаци щодо подальшого використання. Наведет в статп матерiали та результати дослщження матер1алоемност1 нашввагошв моделi 12-9745 свiдчать про доцiльнiсть використання запропонованого шдходу при оптимiзацiйному проектуваннi напiввагонiв за критер1ем мiнiмальноï матер1алоемност1.

Висвiтлений шдхщ до визначення структури матерiалоeмностi конструкци нашввагошв може бути використаний при виршенш подiбних задач для шших типiв вантажних вагонiв.

Список лтератури

1 Цыган, Б.Г. Состояние и тенденции развития грузового вагоностроения [Текст] / Б.Г.Цыган, А.Б.Цыган // Вагонный парк. - 2008 - № 9. - С.24-28.

2 Недосеков, А.Н. Стратегические ориентиры производства транспортной техники [Текст] / А.Н. Недосеков // Железнодорожный транспорт. - 2008. - №11. - С. 46-48.

3 Мороз, В.1. Визначення перспективних напрямюв удосконалення конструкци нашввагошв виробництва ДП «Укрспецвагон» [Текст]/ В.1. Мороз, В.В. Фомш, О.В Фомш // Зб. наук. праць.- Харюв: УкрДАЗТ, 2008.- Вип. 99.- С. 72-81

4 Мороз, В.1. Основи конструювання i САПР [Текст]: навч. поабник / В.I.Мороз, О.В.Братченко, В.В.Лшьков - Харюв: Нове слово, 2003. - 194 с.

5 Дитрих, Я. Проектирование и конструирование: Системный подход. [Текст]/ Я.Дитрих.- М.: Мир, 1981. - 456 с.

6 Мороз, В.1. Математичний запис задачi оптимiзацiйного проектування нашввагошв за крш^ем мЫмально'1 матерiалоeмностi [Текст]/ В.1. Мороз, О.В Фомш // Зб. наук. праць.- Харюв: УкрДАЗТ, 2009.- Вип. 111. - С. 121-131.

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

8 Мороз, В.1. Блочно-ieрархiчне описання конструкци нашввагошв виробництва ДП «Укрспецвагон» [Текст] / В.1. Мороз, О.В. Фомш / Тези доповщей 69 Мiжнародноï науково-практично'1' конференцiï: «Проблеми та перспективи розвитку залiзничного транспорту» 2009 (21.05.2009-22.05.2009), Дншропетровський нацiональний унiверситет залiзничного транспорту iменi академiка В. Лазаряна (ДНУЗТ) 2009г. - С. 35,36.

9 Напiввагон чотиривiсний моделi 12 - 9745. Техшчш умови. ТУ У 35.2 - 01124454-032-2004, м. Кшв.