автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Математическое моделирование динамического взаимодействия сыпучего груза с торцевой стеной при соударении вагонов

Брянский ордена "Знак Псгалта" тонну? транспортного машиностроения

На правах руколиоя СТРИШОК Татьяна Андреевна

удк 629.4.015.

математаческов вделииван© дишзшского

вамксш-ейсшм сыпучего груза с торцевой отеной ней соударений вагонов

05.22.07 - Подвижной оостав железных дорог и тяга

поездов

АВТОРЖ-ЕРАТ

' дязоертации на основание ученой отопенн кандидата технических наук

Брянск - 1930

Работа выполнена на.кафедре "Динамика и прочнооть ыашик" Брянокого ордена "Ёйак Почета" института транспортного ыашино-0троения.

Научный руководитель - да:тор технических наук, профессор

Б.Г.КЕГЛИН

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профэосор

В.И.САКАЛО

кандидат технических наук, старший научный сотрудник И.Л.ШАШЮВ

Ведущее предприятие - Крлковокий вагоностроительный вавод

Защиту ооотситоя » 13 " , декабря 199о года в ю.оо часов в аудитории № 220 на заседании специализированного оавета К 063.28.ОД Брянокого ордена "Знак Почета" института транспортного машиностроения по адреоу: 241035, г.Бряиок» бульвар им. 50-летия Октября, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянокого. ордена "Знак Почета" института транспортного машиностроения.

Автореферат разослан " 12 " ноября 1990 г>

Ученый секретарь специализированного совета

\У В.П.Тихомиров

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСШКА РАБОШ

Актуальность теш. Среди народнохозяйственных грузов, перевозимых яелезнодорояпым транспорт™, значительный объем занимают сыпучие грузы, транспортировка которых осуществляется, главным образ ил, в полувагонах, крытых универоальных вагонах и вагонах-хопперах.

Кузова как обычных, так и специализированных вагонов в прсцео-с8 эксплуатации подвергаются значительным динамическим воздействиям со стороны сыпучая грузов. Особенно еноок уровень нагруженное та тор- -" иимх оган ^сгс^св'пролол'-тлта силами при соударениях на сортировоч- . ' них горках. Результатом является увеличение в последние годы поступлений грузовых вагонов я отделочный ремонт. В среднем повреждается 5 пз катдоЯ чнеячт вагояоз, переработанных на сортировочных горках.

В настоящее время оценка динамических воздействий сыпучего груза на отенн вагонов регламентируется "Нормами расчета и проектирования новых и модернизируемых вагояоз...", которые базируются, в основном, на экспериментальном материала и ряде упрощенных пред-

0

ставяопий, на вполне соответствующих физической природе процаооа. В связи о зтем задача более точного опиоакия механики явления, оил. - рзавмодейотвия подвижной масоы сыпучего груза с кузовом вагона и разработка соответствующей методики математического моделирования продольной динамики вагона о сыпучим грузом является актуальной.

Цель работа. Создание научно обоснованной методики оценки динамического взаимодействия сыпучего груэа ° торцевой стеной при соударении вагонов.

М!Ш. методика исследования. Основными элементами исследования являлись: разработка физичеокой и математической модеди сыпу-- * чего груза и конструкции вагона; выполнение на разработанной модели исследований влияния различных параметров груза, вагона и вкс-

плуатационных факторов. На всех этапах ыатематичеокого моделирова- * ння и чиолснного эксперимента использовалаоь ЗШ. Для идентична -ют параметров раочетвых схем и оценки их адекватности использова-лиоь результаты экспериментальных исследований крытого -грузового вагона мод. П-263М и вагона-хоппера мод. 19-754.

Научная новизна работа. Разработана диокретная многоклиновая модель оыпучего груза в плоской в лроотранотвенной постановке, позволяющая учитывать различие в перемещениях, окороотях и ускорениях отдельных частей груза, их взаимодействие. Разработаны пространственные и плоокие расчетные схемы вагона о дискретнымоыпучим грузом при фрикционном или упруговязком опиоании сил взаимодействия. Показано, что силы взаимодействия оыпучего груза с боковыми стенами слабо зависят от сил, действующих на вагон через автооцепку. Установлено, что суммарная сила давления, действующая на торцевую стену при ударе, растет для грузов о ббльшш углом внутреннего трения. Доказана нелинейная зависимость силы давления сыпучего груза на торцевую отену от силы, действующей на автосцепке. Выявлено« что усилие от оыпучего груза на торцевой отене ударяемого вагона

ф

практически не заниоит от числа вагонов в накатываемом отцепа. Предложена методика квазиотатичеоной оценки напряженного ооотоякия элементов вагона при динамичеоком воздействии оыпучего груза.

Практическая периосту ц внедрение. Разработаны алгоритмы. и программное обеспечение задач продольной динамики вагона о сыпучим грузом, включающие автоматизированное получение дифференциальных уравнений движения отдельных элементов груза и определение" кинематики внутренних элементов сыпучего груза по перемещениям трапичнпх элементов. -

Выполнена оценка конструктивных параметров расчетных охам вагонов .идентификацией по экспериментальным данным определены диссиаативные параметры. Изучено влияние свойотв поглощаащх ал-

паратов па кагружсмпоот! терцовой о?эл< ^мсгон* и енп^чяи

Мссодв;? ч го;.-а-гач есього нодчдарозан^я вспояьговалаоь для оценки язнгдочевхаго ногдэйс-^пя сод чего груза на накдонпуго стеку в&гона -хоппера. ЗаДдевк с пемояззй 1.2(5 дскаивчеогив напряжения в основных квсугзпс элементах огены»

С ясжо:ць!Р зксяоряиенгального яса.тгдовайяя почучонн даяние о раопрядолонии дявлештя скяучего груза :ю внеотэ л шрине гораеиоЯ оте.ип к степень ооотезтствля экеперзменталъьнх и расчетных результатов.

Газра&ланнал йй1-ода«а ицредэленйл динаиачвских взаимоцэйсту-' вий сыпучего груза с конструкция!! вагона к результаты математичео-кого моделирования пзгфтакеннсндефоркироЕанкога соотояния наклонной отаны ньгока модели 19-758 прй ударах внедрены в отраслевом отдела Вниивагоиоотрсрчия при яыполпегат работ по модернизации конструкции указанного вагона. Сгатд?.ешй эконсэдгсесниЛ эффект от внедрения поставляет 12 тысяч рублей.

Основные положения методики расчетной оценки сил дияашчеоко-го взаимодействия оылучего груза с конструкцией вагона рэдомондо-^. валы для использования ь новой- редакция ''Норм." „

Апробация рабояк Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ВсэсоюзноЙ конференции "Проблем» л-.механики железнодорожного транспорта" (Днепропетровск, 1988 г.){ ва ХЛ лаучно-тяхшчоской конференции кафедр БелИНйТа и ДорНТО " БэлоруоскоЙ жел,дороги :,Пута технического перэвооружс-тш и медернн-?ащга железнодорожного транспорта" (Гстлзль, .ТОЮ г.); на лаучно-тепшчеотах конференциях лрофссоорско-препоя'азательского ооптава-НОТа {Шток, 19Ь0-Г>:>0 гг.). ' •

Публикации. По результатам работн опубликовано 6 статей. Пт.ругдурп д работь'. Лясоечтпшктая работа об^рно;!. 125'.-

страниц оостиит из введения, пята глав, основных выводов и рекомендаций, библягарафичеокого описка из 55 наименований.

ОСНбВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Содержание его, в основном, раонрыто при описании актуальности темы.

й первой главе дана общая характеристика состояния вопроса в области продольной динамики вагона и поезда. Оплачены работы, выполненные под руководством В.А.Лазаряка, Е.П.Клохина, Л.А.Манашки-ва, Е.Д.Стамблера, С. В. Ворсянок ого, П.Т.Гробеякка, Л.НЛ1икольокого, Б.Г.Кеглина, А.Д.Ыалова, В.Д.Хусидсва и ряда других ученых.

Обзор существующих методов оценки давления сыпучего груза на торцовые отены вагона зклзлает теоретические и экспериментальные работы, выполненные И.Л.Шарияовнм, О.Г.БойчевекЕМ, Е.И.Селиновым» В.П.Лозбиневым, А.Г.Нетэсса, В.А.Атрощенко, 3.5.Сисбедовым, В.В.Дверниковым. Методы оценки давления груза на торцевые стены вагона, регламентируемые "Нормами...", а также оодеркащиеоя з работах перечисленных выше авторов, позволяют душ небольших скоростей соударения и серийных типов поглощашцзх аппаратов определить только максимальные давления и ориентировочный характер их распределения по высоте кузова. Такие возможность' раочета обусловлены ограниченностью принятых матемагачеоких моделей вагона, загруженного оы-пучим грузом. Груз или чаоть его в таких моделях чаще воего полагается твердым телом, давление от которого на торцевую отену прямо пропорционально действующей на вагон продольной силе. При этом • предполагается, что величина максимальной'продольной оилн однозначно определяет ускорение груза. В некоторых моделях признается различив уокорений отдельных частей сыпучего груза, однако движение самого груза в процосое удара игнорируется. В целом это приводит к квазистатическогф подходу, не учитывавшему разновременность дейст-

зкя максимальных продольных нагрузса и усилий от грува и, следовательно, к невозможности достоверных оцакок динамического напряженного состояния кузова Еагсна.

В связи о этим целью шютоящвй диссертационной работы явля -лось ооздакге научно ососяовзшоЗ мзтодаа сценки данамичеояогс» ззаимодейогБЕя сыпучего груза с торцевой стеной при соударения га-гон св. Для Д005ИЖ9ННЯ ЙТОЙ ДОЛИ НеОЙСОДПМО. ЙОЛО рвЕЯТЬ олодупщгв задача:

I. Размотать лг&к-ыагачзскув модель сиоиеиы "снпучвй груз. -ват:;'' дувд задач цродол^лой дсна»;ики.

3, Прсзостн ялсяюфзсациь параметров матеиатствакой ».«сдили на осдоза гяолерамевуалвдх исследований.

3. Исследоваг/) силовое рзалмодействсэ в его теме "сыпутай груз-загся" и дать оравгателгнуи сдекгу гигштиия разпганых поглошаащгх аппаратов.

4. Одоклть дяшалггйозрд йэдрятанное состояние торцевой стену вагона дай перевезу цемента 19-758,

5. Провести экспериментальное иооледешалие нагруженностч тор-девой стены вагона для перевозки цемента к сопоставить их о результатами расчета.

Вторая глава. Дальнейшее углубление и уточнение расчетной схемы вагона связано с необходимостью моделирования кинематики а динамики сыпучего тела. Наиболее близко к реальности представла -ниа о-сыпучем грузе, как о неидеальной жидкости или упруго-диооипа-тивиой сплошной среде. Динамика таких контируалышх объектов описывается уравнениями в частных производных, аналитическое решение которых, учитывая сложный характер граничных условия и дельней -ность задачи, практически невгшолпЕг.'о.

Более реальны для инженерных задач различные способы дяскре-

тсаацзв зивдчэгс уел«, ■градзталданме его б гэПиз кснечьоуо чйй«» сдала»оваг ял-. са.-.;;1гчзых ил «¿осг -гзсрдих гзл, ко*от>ыз когут гэ ■ рзмещаться дру- оТаОсг.тельао друга. las ахал едязй imsss ныз но-s&v быть фрркцпоьноа шзг ряжой. Б литэрат^рй евгсаяс пр5пгеця83<г жух млюь дасарегяаж хгосглз« - ¡ырогщд С0»ф.6ештуч. £.В.Гячвс) а згддоодоЯ. L»ipc®as мод&ш> я&хо в о к*чае здсысс* тр^бу^г

учета наряду с чос'-Еуяатазы'и1 дшж&ви псйоро^ эъиъсн^ев счяосг-«едьас п&фй'олраЕаниах озай апеасиз^ i; хфОш&вгУы кагвкаяачбскгй модедачг. чгччвазя ьод-эль пьг-исдяв? .эгаь в«171»»ель-

ное ¡ЗЫЗ&НЙК эизмвглте,

С WJO& «ачэсгв«янс5 К й&ач£ОК0>«;с.л гдзщо: воьдэйотьая ск-пучзгс ва торцевое? о^як? -с-л-сна щад продольно« катр>кзюк з работе раоемахр-гьасуся ^(докаасда кодэль изо хеш "еккучей гр»,5з -затей™ (су. рхго, "¿к

Mm

гн

Füc

В ойцеу олучаа задача монет бить к нретраьотсэетой к плоской. первой экшв рассматривается плоская постановка задачи, адеь груз разйишется на ряд вламентоь (массивов, клиньев) Mi, М?,, Mit > сколькегяо которых друг отнисы-ельно друга промходтт под углом ß {угол внутреннего трения кдьально ouiij чего гела j.

При&ята гапогеза о пезотрышо:.; и поступательном дыгаешы

э

клиньйа» жфег.ощэше которых однозначно определяется ноорданатэш и ¿?/ \ I ~ /2 ). Податливость (локальная) различных по я&о-тв точек торцовой степи определяется меозяооюзми Пол вагона »гчитаетоя абсолютно яяляим. Трение между клиньями, а также меад 'Клиньями и конструкцией вагона молят быть паяете но как сухим,-тая и еязкегл. При указанных допущениях за обобщенные (независимые) йойрязиати, однозначно определяйте конфигурацию груза, достаточно Щтягп горизонтальные перемещения граничных элементов, с сшрик ее ахаяжй о герцевнма отэнамз и полом вагона. Поведение внут^-ронних элемеяггез описывается с помощью уравнений гземетрэтеокой связи. Дйя элемента с номером £

, ¡% * (Уг * > а,

- [(У, - Уы)/2]

где /* , /V/ номера млаоивов сыпучего груза, горизонтальные перэмещэетя которых являются п&епвзспмшла координатами.

Б качестве связи мд&ду отдеяышмз слементач» высыпает шгею -кость окольшпгя. Для многоплановой модели характерна семь типов оеязэй мекяу отдельными влэменташ сыпучего труса и о конструкцией вагона, Каздому типу связи соответствует определенна"! схема действия сил в плоскости скслькейия. Уравнения, описывающие данамичас-коо равновесие отдельных элементов сыпучего груза и вагона.ишкт вид:

{-М/и: +2.

Ш у - у ш ис

^ + 2 [С^ СМ/ * -Ч-Ц - О

5 ип ¡ее

где. О, 6, С, сС принимает значения +1 или -I в зависимости а* sana овязи; - сила, действующая на вагон; Mg , tyg - масса порожнего вагона и его перемещение; F¿J , F¿g - нормальные силы вз^имодейотвия /'-й ыаооы о j маооой и палом вагона соответственно; T¡J , 7¡g - сила трения, возникающие при движении i -й маосы по j -й маоое и полу вагона; - одла давления • / -й ыаооы на торцевую стену вагона; :. ~ сила трения при движении ¿ -й , маооы по торцевой стене; g - уокореаие свободного падения. Символ * означает, что сада огносятся только те элементы J , которые примыкает к рассматриваемому / -Щ алемэнту; оимволы ¿€Л , í<s С - что соответствующие члены аашсщьаетоя только для влементов о номером t , цримыкаицях к полу и торцевым стенам вагона соответственно.

Силы давления сыпучего груза ва торцевые стены вагона определяются зависимостями вида

Р<Ъ е Се во (y¿ - i t* & , (3)

ГД0 !/g) ~ единичная • фуктяя Хевясайда,

В случае сухого трения аилы грзгия определятся следующим об- ■ pase«:

U* f< Fié Si$n (.yr ¡)g) . (4)

Ы * &P¿é Sign íi ;

где J1 ~ койфЗвдиенты трония вщгтрл сыпучего хруза, б

пол и стены вагона соответотвонно; Y¡ > Vj ~ скорости в ллоскоо-та взаимного скольжения i -й и J -й масс.

По результатам исследований, выполненных К.Г.Коглшшм для задач, овязанных о оценкой нагрулсекнооти вагона и его отдельных эло-■ líSHTOB, выбрана дцухмаооовая модель*вагона, позволяющая воспроизводить автокслэбатедьше особенности силовой характеристики апна-

где

рата Рм/^^ц) •

Я , +Рг гуа) & Уа i (5)

ДШ*^»* Щ О +&)/* i (е)

' + (7)

$оп у . (С* & Г^'А/М/С«; (8)

* Ш А ¡я»

С - г.зстксо.ть комплекта пружин аппарата; ^ - начальная затяжка г - зеогисоть контактной зены при трении; коэффициент передача при отсутствия троим; , \ffp- яоз^ицианты передачи пр нагрузке я разгрузка аппарата.

3 качества оонозной расчетной охемн в работе раскланивается соударение одинаковых вагонов оо скоростью ]/о , что эквивалентно удару вагсаа в неподвижный и недефермзруемый упор оо скоростью

. При втом система уравнений (2) дополняется уравнением, опясываяцим поведение присоединенной масса:

-Дт^г (9)

Сила, действующая ва вагон

• Рй «°>

Решение задачи удара вагона о онпучпм грузом 5 упор или сцеп предполагает определение в лвбой моизнт врамеии кинематических параметров системы "01гоучий груз-вагон" - перемещения, скоростей, ускорений, а также динамических оил - давлений сыпучего груза на . торцевно степи вагона, ошш, действующей на вагон через автооцез*-иу , и усилия в меавагонной связи р^ . . Непосредственное интегрирование сиотемы даффереициальних уравнений (2), (9) невое»

ыанно ввиду того, что количество неизвестных параметров значительно превышает число уравнений. Поэтому решаоте сиотема проводится б три атапа. На первом этапе система дифференциальных уравнений 4 (2), (9) шесте о уравнениями связи (I), записанных дай ускорений, рассматривается как система алгебраических уравнений относительно сил Гц , р^ и ускорений У^ , £( г , Уд ('е /' Решение в той система проводится по методу Гауооа о выбором главного элемента. Па втором этапе проводится иитегрзрованиа оиотеьа дифференциальных уравнений, который описывают поведение только гранитных элементов сыпучего груза, а таязе вагона и присоединенной као-оц, На трегьеы атапе по найденным значениям независимых кинематических параметров определяются завкснше перемещения, скорости, а такие силы давления сыпучего груза на торцевые стены вагона Р/,, силы Ъ Р»>*

В греуьа^ главе выполнена оценка рада параметров првдаозонной расчетной схещ систол "сыпучий груз - еагой" ; вдеккфкадвий до зкспаршенгаяышы данным определены диооиштшзнне параметра клиновой иодвлх и выявлен вакса распределения масс сыпучего груза ко элементам,

При дгшжешю сыпучого ттвщала в вагоне происходя? иэрежщр~г пне чаоиэд, а также скольжение их по стенам и поду вагона. 0<3а 85ЯХ движения еощюзоздаятся трешгем кевду сощетасаюдосся поверхностями, которое для большинства сыпучих шторяалов щжйлиааетоя к Ерадельвовд случаю сухого трания. Однако сухое трение в силу разрав^остк силовой характеристики при оольшом числа элементов в еготвив привода? к перерасходу шшнпого временя, а норедао и к неустойчивости решения. Поэтому естественна попытка замены нелинейной модела трения вязкой линейной моделью. 8а критерия ©квива-■кзязноота моделей сухого и вязкого трекпя принят коэффициент воо-Г}1аяовлэштл Хц , отражайся способность сиотека "груз - вагон

(б?з поглощапцего аппарата)" наобратимо поглощать энергию удара

я

х, * * . а«

* Уо/гС^ м<+м&).

'¡¡м кжноеой модели с сухи}.« треплем учитывалась связь оилы трения покоя со сдвиговой податливостью контактной зояц. В силовых характеристиках вязкого трения сила определялась коэффициента*® вязкости ({ , с(1 , с(£ я скоростями соприкасающихся элементов:

Уг] * а?-у) > (в>

я Я/ .

Ейонэрдаейгаадше иосладовсиздя, проведенные разе о в ПШ, позз&ет;:;? установить значения коэффициентов восстановления при оо-ударошгп вагонов, гагружвшгнх различными сыпучш®. грузами.

3 результате расчетов яд оокссе клияоесЯ ноделя сыпучего груза подучена ксэФфЕтзгэнга ?рзш;я / = 0,47...0,61 для угла , соотвэтотбующэх'о зерну, £ = 0,73... 0,02 ~ для гравия, £ ~ ■л 0е6б...0,84 - для цемента я эквивалентно им козф5пцзен?н нязяо~ го троштя сС =(13,Г...18,0) о/и дая зерна, 3 (7,5...14,2)с/м для гравия, а (7,5..,10,8) а/и для цемзита.

Ш осяово эксябрйглзатальках данных, пслучб,чн;;х при испытаниях оттого образца кагогга модам 11~2вЗ!.{, проведена идентификация расчзтяоЗ клиновой модзл». При этом за параметр идонтифгкащпт яра-нято распределение масс мсзду отдельными эдвивягаии сыпучего груза, а за критерий зквивалентпоога - дотодлыгов расхищена» давдэ-нвЯ от сыпучего груза по выоото торцевой опеки, зоя^четш екслееиментзлшо и рас четом.

Начальные условия продольного удар« определялись зо результата описания переходного процесса, который гтредагааэгв? собой

медленное квазиотатичесное ооедание груза в вагона. Для атой цеди иопользовалиоь исходные дифференциальные уравнения (2) при уело вии, когда вагон находится в покое или движется с постоянной ско- 5 ростью VI . В этом олучао внешне оилы, дейатвущие на вагон через автосцепку, отсутствуют, груз перемещается в вагоне под действием сил тяжеога, вызывая определенные реакция оо стороны стен и. пола вагона, которые отбилззируются через некоторый относительно небольшой промежуток времени (0,5...0,6 секунд). Определенное та- . ким образом стабилизированное состояние сиотемн позволяет найти вое начальные условия: перемещения, статические сила давления сыпучего груза на торцевые огены вагона..

Для оценки уровня динамических сил давленая на боковые стекк вагона при продольно« погружении рассмотрена пространственная, штричная относительно продольной плаоксоги ыодзль сшатеш "аицучжй

груз - вагон" (рва. 2). Лроотейпшй иземент оиаучзго груза в* этом оду чае представляет собой тетраэдр, плоскость скшашшя которого наклонепа под углом р к горизонт?. Полоавнне алекентов в про-

отранатве определяется координатами fa г ¡Î, X/ Принято, что вагон в. поперечном направлении пя перемещается« Силы давления груза на боковые стены вагона определяются зависимостями вида: •

= Cm Я/ 0е fZÔ . (13)

Расчеты, проведенные на основе проотранствэдиой. модели, показала, что сиди, еааимодейотвия сыпучего груза о боковой стенами олабе зависят .oç сил, действующих на вагон через автосцепку и практически не изцадажся в. прсдас.се удара. Это позволило учитывать од-iy п2?3ТГ^Л суггу.ого ïpyaa а Соко^ыш омжаш вагона как зе-яичиин, постоянные во времени, и исцользовать плоские клиновые мо -деда взамен цровтрвно??ендах.

Оценка неоткоечэд характеристик торцевой стены проведена ана-литичеокдаи метода1.® в предположении, что торцевая стона - эта сио« ТО'а плздтйй» подкрэплевднх отернневой конструкцией, а также с помощью метода конечных элементов.

№тледо?адо влияние отепени дискретизации клиновой модо.дй на уровень динамических сил давления, дейС5гсрущих на торцовая отещ» вагона. Качественная картина изменения этах оил во времен? оотает-оя одинаковой при .любом числе дао кратких масс, кодачёатБещюе ордо-ставлание дает расхождение по силам в 3,,,6 % при изменена» количества маоо от 13 до 32. Для практических целей рекомендована кликовал модель о числом маоо, равным 13.

В четвертой главе представлены результаты исследования продольной кагруженноота торцевых стен на основе многоклиновой модели сыпучего груза в различных уолсвцях соударения, определяемых параметрами расчетной охемы. При транспортировке сыпучих грузе© в вагонах нагруженнооть торцевых отен неодинкова в зависимости от типа перевозимого груза. В предложенной клиновой модели етп груза определяется

углом внутреннего трения уЗ и коэффициентом вязкости р( , Выявлена линейная зависимость оуммарной силы давления сыпучего груза на торцевую стону р^ от $ и с1 . При этом увеличение $ при— '' водит к значительному росту ^ , увеличение незначительно снижает ^ . При изменении угла £ = 0,44 рад (зерно) до $ => = 0,70 рад (цемент) Р^ увеличивается на 18 %. Таяим образом, определяющим параметром конкретного сыпучего груза являетоя угол ^ . Установлено, что изменение не влияет на величину оилы, действующей на вагон через автосцепку„

Расчеты на модели показали, что изменение крутизны силового импульса на автосцепке незначительно изменяет величину силы . При сравнении импульсов о кругам а колотом фронтами обнаружено, что во втором случае уведгиаше сага ооотавило 10 %.

Клиновая модель сыпучего груза возводила наглядно оценить на-груженнссть торцевой стены в зависюзооти от типа поглощающего аппарата, который оборудуется вагон» В равных условиях соударения аппараты Ш-6-Т04 и ГОЖ-ПОЛ позволяют уменьшить нагрукеиность торцовой стена от сыпучего груза на 22...30 % в зависимости от-скорости оо-ударения по сравнении с серийными поглощающими аппаратами Ш-1-1Ш и 12-28-90. Результаты расчетов доказали, что сила давления сыпучего 1-руза на торцевую стену Р^ и сила, действующая на вагон через автосцепку, овязаны нелинейной зависимостью.

Ка основе разработанной математической модели соударения оцепов вагонов проведено исследование пагружелносте торцевых стен от сыпучего груза. В расчетах применялась 13-ти ыаааовая модель сыпучего груза, которым загружены вагок-индаатор ,и двухмасдовые упруго-вязкие модели грузовых вагонов. Рассматривались две расчетные оитуации; а) удар одного вагона ь сцеп из четырех вагонов; 0) удар трех вагонов в сцеп из четырех вагонов. Наиболыцую нагрузку Рх щзи ударе испытывает торцевая стена первого вагона оцепа, при этом

спа'.шгбдьяал лэрптг.ан'уоя :г ¿а сч%до>звб г.згояи; Ьнквчеро,

ч-2с# сзлы Лгтаеяпя к* ¿авгоиг ¿ч часла »атозсв, нчвэ-

чквяэдисз Ив оц-зп, иретпеаде }«ягиэжвййийуа зедозоа сцекв. аргг раз— .жя". (утааг. поглззааалк: апларагар агав раз аскчяадо яркимущесч-ва ашарагсз ШК-л1С!А г й-в -ТО! ло оравкекито о оэдоЯякм

Й излагав Кя а а прзводятея результата тео~

рстатеоксч'О ? ^кепв^сачгальгего яооледов&зпя вацр.тазкгото «овтзд-кая какло?асй 40p2.ei.x5 г.гогш загона для аареноъкк Дананг мздета Т5-758. «г« Г:™'--^ слогн?с*& эгуш» оценки нацряжэп-

ко»-а •.ошечс-Я о-ентч вагока сарзделиожя ??ак чояструкцясй

седсЗ ус» ? Г8с&содв«няыз рйосыз^рзЕа» се исвади.чио г, уо-

йе»}»:."« ^й&иачьяхагг. здздэ^зу-ягя оо сгерош сцпучто грузн.. Саредв« деяадачэслис яапдозвяия заэмочзо тооленпыдо иэ?од?.«з, гга ото V ^рглоэдг:««; знчиояеязчн, Псэдед отрядом допудбйивм, яэ-. здквдэнш ^ подход л

заезде кспрявввяок» осотся^кя торг.ваг>й отеш. З^о зовдоляэ* анвс®5 рессиатсзейеузь зада-«? к дааамгпесооЗ аодипв сшьеделеетя деатгаггЗ па торцевую о "гену вагона и нваэтсяатячйс^оВ задаче опредедангл ва-зряжгни« №У р элементах торцевой отекы от зтстх давлений г продольной динамической нагрузки, передаваемой через автосцепку. Идзче, в лкхЗой мокаат веемеяи динамические !'апряаен?я заходятся с учетов ликейясзтл задаст о прочности но МКЭ и принципа суперпозиция;

{Ш}'[в]{РП)}, (14)

гдо ~ вектср-функавя изменения во вргмещ* сил давления

/У а ) ь продольной ои та, передаваемой через автосцепку Р^ , Размерность этого вектора составляет £ = К-И ; [£] - матрица нслряжзнмй от едотгашх нагрузок размерность» ? 0 определяет общее число точек конечных элементов: а которых вьчис-» ляются дашамичосяиэ напряжения. Шачг, каздуй столбец матрица [0]

предотввляит собой вектор напряжений от единичной силы ¿¿¡-^ ■-/

или й, = I в С точках торцевой стетп 6

Таким образом, собственно расчет дйнзшчзскйх напряжений сводится к вычислению суперпозиции векторов, причем количество ариф метических операций яа ка»дом шаге интегрирования прямо пропорционально чиоду точек торцевой степь, в которых исолэдуглчгя напряже-. кия. 'Лигой подход к определений динамических напрягэштй позволяет! подучить решение аа Елолще приемлемое время, а задачу о прочное® торцзвой стет; овеовд к Енчиояена» ?лК-аров напряжений от еданич-ных нагрузок.

Решение дйн&мичеокой задачи проводилось на основе комбинации 22-маооовой каиновой модели овд^чззго ?руза и двухмассозой модели Багона-лСйяора.

Решение ааддад прочное® шаодаядаоь нэтодом конечных елемен-тов. Расчета выполнялись до нрагра&даа, разработанной на кафедре "Ватогщ" Щ2.:, Программа специализирована дая расчета нерегулярных «икшжстовых подкрепленных нэсуиих конструкций. йузов вагона пред-отавдялоа пространственной тонкостенной конструкцией, диокрвтао подкрепленной несущими елементамя. В расчетной схеме использованы проо^раиотЕвнкые отеряневые конечные элементы и плоские прямоугольные и треугольные пластинки, сопротивляющиеся изгиб» из плоскости.

Выполненные расчеты позволили провести анализ изменения напряжений в элементах торцевой стены в процессе удара. В элементах верхней, нижней и угловой обвязда, раскосах торцевой стены динамические напряжения достигают наибольшей величины в момент времени, когда сила Р^ , дейотвуидая на вагон через автосцепку, достигает маисш^ума, В элементах наклонного пояса палряжония максимачыш в комэнт, кода доогагает макюя.?уыа сила давления от сыпучего гру-

за . Для подкосов характерно проявление двух максимумов напряжений, когда достигают наибольшей величины Л и ^ . Напряжения, близкие к допускаемым, получены для элементов продольного наклонного дояоа в зоне соединения о подкооом (э - 270 Ша при 3 м/о.

' Экспериментальные исследования, проведенные лабораторией испытаний отраслевого отдела ВНИйвагоностроения совместно о оксперимен-тальным бюро Крюковского вагоностроительного завода и с участием автора, позволили получить давления сыпучего груза на торцевую стену хоппера в режиме соударений. Параллельно регистрировались деформации -в элементах торцевой стены.

Сравнение экспериментальных и раочетнга напряжений в элементах торцевой стены показало, что расхождение ооставляет в среднем 25 %.

На рис. 3 показано изменение максимальных распорных данашчеоких давлений сыпучего груза по высоте торцевой стены, полученных по результата!.! эксперимента (I) и расчета (2) при силе на автооцепке Р^ - з,о Ш. Тем ке приведен закон изменения давления, рекомендуа-мый "Нормами..." (3). Максимальный уровень давлений кал в раочете,

так и в экоперимен-

■ М 1,5 ' 1,0

№

--по „Нермам? ----расчёт -----ЗКСЮримРнт

\

у/\ \

< \ \

1 ] 1 1 г

№ & 4// (¡2 Рис. 3.

№

рте

те, находится на вы-, ооте, соответствую- • щей нижнему горизонтальному поясу. В диапазоне высоты стены (0,5.;. 1,5) м вкопе-. рименталыгае значения превышают расчетные на 10...15 %. Сопоставление эксперимен-

тальных данных (I) п полученных расчетом (2) со значениями, рекомендуемыми "Нормами...", показывает их принципиальную качественную и

О

количественную рассогласованность.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ II ЖлШЩЦАЦИИ

I. Продольные кагр^'зки причиняют значительный ущерб подвижному составуг что приводит к увеличении числа отладочных ремонтов. В связи с втим задача расчетной опенки динамического воздействия сапучего груза на торцевые с теш вагона является актуальной.

2„ Рагработана дискретная ыасгокликовая модель сыпучего груза в плоокой и проотранстьенной постановке, позволяющая учитывать различие в перемещениях, скоростях и ускорениях отдельных частей груза, их взаимодействие.

3. Разработаны прсотранствеккая и плоские раочетные схоми вагона о дискрегазированным сыпучим 1рузом при фрикционном или упруго -вязком описании сил взаимодействия отдельных элементов между собой

и о кузовом.

4. Разработана методика математического моделирования продоль-' ной динамики вагона, сыпучий груз в котором описываетоя о различной степенью дискретизации, включающая;

- автоматизированное получение дифференциальных уравнений дви-

• кения путем описания взаимодействия в плоскости взаимного скольжения дяя элементов различной конфигурации;

- алгоритм расчета, преду оматривашщий исключение, зависимых координат и нахождение на каждом шаге интегрирования сил взаимодействия между отдельными элементами,

5. Выполнена оценка, параметров предложенных расчетных схем, включая определение жесткости торцевой стоны нараэных уровнях аналитическими методам и !.5КЭ„

• 6. Идентификацией по эк сперкменталышм данным определены дисоп-пативнне пара.мегры клиновых расчетных схем вагона с оыпучим грузом.

Выявлен закон распределения масс сыпучего груза по элемента!.!,

обеспечивающий наилучшее совпадение о экспериментальным распределением нагрузки по высоте торцевой стоны крытого вагона.

7. Исследования на проотранотвенной модели показали,- что силы взаимодействия оыпучэго груза о боковыми о те наш слабо завиоят от сил, действующих на вагон через автосцепку,-и, в целом, меняются незначительно в процеооо удара. Установление указанной закономерности дает основание для использования в задачах продольной динамики вагона о сыпучим грузом плооких моделей взамен проотранотвенных. Бри этом сила взаимодействия сыпучего груза о боковыми стенают ва-" гона могло учитывать как величины, во времени.

9. Еиполнеш иоолодовшшя влития типа груза и крутизны силового игяпульоа, действующего на автосцепку, на нагруженноеть торцо-ной стены вагона. Установлено, что оушарная оила давления , действующая па торцовую стену вагона, при одинаковых условиях соударения растет при увеличении угла внутреннего трения ¿3 .

В то же время показано, что изменение угла ^ не влияет па величину силы Р/>. , действующей на вагон через автосцепку.

9. Изучено влияние свойств поглощающих аппаратов на нагружон-ность торцевой стены вагона с сыпучим грузом. Показано, что в рав- • ных условиях соударения наименьший уровень сил ^ , действующих на торцевую стену вагона, обеспечивают аппараты Ш-6-Т04 и ЛМК-ПОА. При использовании этих аппаратов силы давления от сыпучего груза

сниааются на 22...30 % в зависимости от. скорости соударения по сравнению о аппаратами И-1-ТМ и Ш-2В-90.

Выявлена нелинейная зависимость суммарной силы давления оцпу-чего груза на торцевую стеку рг от .

10. Разработана математическая модель соударения оцепов вагонов и проведено исследование нагруженпооти торцевых стен от сыпучего груза при ударе а) одного вагона в сцеп из четырех вагонов и

б) трех Батонов в сцеп из четырех вагонов. • ■ '

Исследования показали, что усилие от сыпучего груза, действующее на торцевую отену первого вагона оцепа наибольшее по оравне-нию с другими вагонами сцепа, величина этого усилия не зависит от числа вагонов, накатывающихся на сцеп.

11. Предложенная методика была использована для сценки динамического воздействия сыпучего груза на наклонную отону вагона для перевозки цемента мод. 19-758. С помощью МКЭ определены динамические напряжения в основных несущих элементах стены.

Установлено превышение допускаемых напряжений в угловой обвязке при силе на автосцепке 3;0 МН. Напряжения, близкие к допуокае -мым, получены для мементов продольного наклонного пояса в зоне соединения о цодаосом.

Показано, что авязь напряжений в элементах торцзьсй с теш оо скоростью ооударения нелинейна. При скоростях Ус ^ 2»5 м/° наблзо-дается ваиболее интенсивной нарастание напряжений во всех элементах.

12. Экспериментальные исследования напракенно-дефор.шрованного состояния основных кзсущах элементов торцевой стены вагона для пе --ревозки цемента модэли 19-754 позволили получить данные по распределению давления сыпучего груза по выоотс- и ширине торцевой отеши Установлено, что различие в максимальных напряжениях, полученных экспериментально и расчетом, составляет в ореднем 25 %.

Максимальный уровень давления кал в эксперименте, так и в расчете, находится на высота, соответствующей нижнему горизонтальному поясу. Раоооглаоование расчетных, и экспериментальных данных в разлитых точках по внооте отены не превышает 10,,.15 %. В целом распределение давления по внооте существенно нелинейно, чем принципиально отличается от закона ( рекомендованного "Нормами для расчета к проектирования

14. Разработанная в диссертации методика определения данами-

ческих взаимодействий сыпучего груза с конструкцией вагона, результаты математического моделирования налряулнно-деформированного со -стояния наклонной стены вагона мод. 19-758 при ударах внедрены з отраслевом отделе ВНИИвагоноотроения г.Кременчуга при выполнении работ по модернизации конструкции указанного вагона.

Основные полсжэния методики расчетной оценки сил динамического взаимодействия онпучего груза о конструкцией вагона рекомендованы для использования в новой редакции "Норм для расчета и проектярова- . кия новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 ч (несамоходных)".

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: " I. Стриженок Т.А., Охрекенно Г.М., Кеглин Б.Г. Клиновая модель ' сыпучего груза для исследования продольной динамики грузового вагона //Вопросы исследования динамики и надеяноотя элементов подвиг®о-го ооотава и транопормнх машин: Сб. науч.тр. - Бряноя, 1988. -С. 29-36.

2. Стриженок Т.А., Кеглин Б.Г. Клиновая модель онпучего груза для исследования продольной динамики грузового вагона //Проблема механики железнодорожного транспорта. Повышение надежности и совершенствование конструкций подвижного состава: Тез. докл. Всесоюзной конференции (Днепропетровск, май 1988 г.). - Днепропетровск:' ДЖГ, 1988. - 0.. 35-33.

3. Стриженок Т.А. Исследование продольной динамики грузового вагона на основе диокретной многоклиновой модели онпучего груза //Молодые ученые и специалиста - развитию промышленного и сельскохозяйственного производства области: Тез. докладов. - Брянск, •1988.- С. 9-10.

4. Кеглин Б.Г., Стриженов Т.Д. Особенности продольной динамики грузового вагона о сыпучим грузом //Пути технического перевооружения и модернизации я.-д. транспорт: Тез. докл. ХУ1 науч.-тех.

конференции кафедр БелИИЕТа и ДорИТО Белорусок ой жел.дорога, - Гомель: Бе/йШТ, 1989. - 0. 45.

5. Кеглин Б,Г.% Стриженов Т.А. Математическое моделирование воздействия сипучего груза на кузов вагона при продольных ударах //Веотн. ВШИЕТ. - 1990. - й 3. - 0. 41-45.

6, Стриженок Т.Д. К определению сил давления оннучего груза 1 боковые стены вагона при продольных ударах //Динамика, прочность : надежность транодортшис »шин: Об. науч. тр. - Брянон, 1990. - С. 46-53,

Подашоаяо в печать Формат 60x84 1/16

Бумага типографокея Л 2 Офсетная печать Печ. л. I.

Уч.-изд. л. I._Т. 100 вкз. Заказ 730 Еаоплатно

Брянский ордена "Знак Почета" институт транспортного машиноотр

241035, Брянск, бульвар 60-легая Октября, 7.

Подразделение оперативной полиграфии ШТЫа, ул. Инситутокая,