автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.22, диссертация на тему:Методология определения и повышения долговечности тележек вагонов - цистерн

Международный межакадемический союз На правах рукописи

Иванов Александр Олегович

МЕТОДОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ТЕЛЕЖЕК ВАГОНОВ - ЦИСТЕРН

Специальность: 05.02.22 - Организация производства

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада.

Москва 2012 г.

Работа выполнена в ОАО «Российские железные дороги»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Спиридонов Эрнст Серафимович доктор технических наук, профессор Коваленко Николай Иванович доктор технических наук, Шпади Дмитрий Владимирович

Защита состоится К- 2012 года на заседании диссертационного

совета Д.011.024.МАИ 032 Высшей Межакадемической аттестационной комиссии.

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в диссертационном совете Д.011.024.МАИ 032.

Автореферат разослан_ _2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор (¿^с?^ г.Е. Лазарев

......... ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время объем перевозок по сети железных дорог России вплотную приблизился к объемам перевозок времен Советского Союза. Для этого сегодня задействовано более 1,1 млн. грузовых вагонов, в то время как советские железные дороги выполняли объем грузовым парком насчитывающим не более 900 тыс. вагонов. Эта разница в количестве задействованных вагонов объясняется тем, что практически весь парк в настоящее время стал приватным. Причина лежит на поверхности -собственник стремится постоянно повышать свою доходность. Он сориентирован на получение выгодных перевозок, что приводит к значительному простаиванию вагонов.

Маневренность на сети оказалась затруднена на столько, что количество брошенных поездов полностью блокировало ряд важнейших рельсовых артерий страны.

Ежегодное приращение грузового приватно парка на 30 тысяч вагонов приводит к снижению участковой скорости на 15 %, а оборот вагонов возрастает на 12%.Снижению этих важнейших эксплуатационных показателей так же существенно способствует системные изломы боковин грузовых тележек вагонов.

За период первых трех кварталов 2012 года произошло 29 изломов боковин. При этом 70% изломов приходится на грузовые тележки вагонов -цистерн. Только в 3 квартале 2012 года на Горьковской железной дороге -филиале ОАО «РЖД» произошло 2 излома боковин под вагонами - цистернами. Учитывая, что на вагоны - цистерны приходится половина годового объема отраслевых перевозок проблема повышения эксплуатационной надежности этого типа вагонов является своевременной и актуальной.

Решение этой проблемы усложняется восприятием тележкой помимо механических нагрузок, создаваемых массой вагона при движении, дополнительными: нестационарные воздействия двухфазной системы

«жидкость - вода» и динамических нагрузок, провоцируемых неровностями пути, рывками, ударами и соударениями при спусках с сортировочной горки вагонов-цистерн.

Цели и задачи исследования.

Целью данной работы являются исследования, направленные на разработку методологии определения и повышения долговечности тележек вагонов-цистерн.

В связи с этим:

1. Проведен анализ методов повышения качества крупногабаритного литья для грузового вагоностроения.

2. Определена система совокупности нагрузок на раму грузовой тележки 18-1750.

3. Разработаны модели нагрузок на раму тележки модели 18-1750 от

воздействий:

- нестационарной двухфазной системы «жидкость - воздух» котла вагона;

- динамических при движении вагона по прямолинейному пути с неровностями и в кривых;

- ударных при рывках, толчках и соударениях при спуске с сортировочных горок вагонов-цистерн, наполненных наливными грузами.

4. Создана кинематическая модель тележки построенная на взаимодействие ее основных конструктивных элементах.

5. Дана оценка долговечности тележки при заданных условиях эксплуатации.

6. Приведена расчетная характеристика выносливости в зависимости от количества нагружений до разрушения, повреждаемости за I млн. нагружений и пройденного расстояния за время одного нагружения.

Научная новизна диссертации.

Научную новизну диссертации составляют.

1. Стратегия определения долговечной боковой рамы грузовой тележки

А

модели 18-1750, которая в совокупном алгоритме расчета учитывает все основные виды нагрузочных воздействий: гидродинамическую, кинематическую и ударную.

2. Модель гидродинамических нагрузок на котел вагон-цистерны учитывает воздействие нестационарной системы «жидкость-воздух».

3. Кинематическая модель тележки в ее многофакторном построении с учетом взаимодействия всех ее основных элементов конструкции.

4. Создание модели «вагон-путь» и ее влияние на долговечность боковой рамы тележки модели 18-1750.

5. Структурирование динамических нагрузок на боковую раму тележки при динамических нагрузках, определяемых неровностями пути, массой вагона-цистерны, рывков, толчков и соударениях при спусках с сортировочно горки вагонов-цистерн.

6. Оценка долговечности боковой рамы тележки модель 18-1750 при заданных режимах эксплуатации.

Практическая значимость работы.

Выполненная разработка используется при конструировании вагонов-цистерн и при модернизации грузовой тележки модели 18-1750 и ее аналогов. По результатам работы была проведена модернизация вагона-цистерны, путем введения в котел внутренних перегородок с калиброванными отверстиями, что значительно сократило гидроудары на стенки котла и увеличения прочности рамы тележки в месте перехода основания рамы в посадочное окно буксовочного узла (Я55).

Структура и объем работы.

Научный доклад состоит из пяти глав, заключения, списка научных трудов по выполненной теме и списка использованной литературы.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДОКЛАДА

Глава /. Аналт расчетов долговечности крупного вагонного литья и постановка задачи для исследования.

Самые последние работы, связанные с расчетом долговечности крупного вагонного литья, включая элементы грузовой тележки и в первую очередб боковой рамы, не охватывают полный спектр нагрузок, который они испытывают. [I]

Так в основе рассмотренного алгоритма расчета литых деталей грузовой тележки лежит анализ работы деформируемых деталей тележки вагона при задании расчетных воздействий не непосредственно на отдельную исследуемую деталь, а на механическую систему типа «тележка». При этом в модели тележки заданы не только механические связи типа шарниров и упругие связи между деталями, но и нелинейные контактные пары. Такой подход позволяет получать расчетные схемы (систему самоуравновешенных нагрузок, действующих на элемент конструкции) и результаты расчетного анализа, не прибегая при этом к существенным упрощениям в способах нагружения и закрепления отдельной детали (как обычно делают при расчетах традиционными способами). Указанные упрощения могут приводить к проектированию литых деталей с необоснованно высокой массой или ошибочным оценкам показателей несущей способности литых деталей тележек грузовых вагонов.

В данном алгоритме выделены три основных блока:

• проработка исходных данных;

• построение расчетных математических моделей;

• проведение расчетного анализа.

Кратко работу алгоритма можно описать следующим образом:

1. По исходным данным создается расчетная конечноэлементная модель деформируемой механической системы типа «тележка».

2. Модель «тележка» используется для оценки показателей прочности и долговечности исследуемой литой детали тележки и/или для

получения действующих на нее нагрузок от расчетных воздействий на тележку.

3. В случае получения на этапе 2 неудовлетворительных значений показателей прочности и долговечности конструктором вносятся изменения в конструкцию исследуемой литой детали.

4. Создается расчетная конечноэлементная модель типа «литая деталь» с включением в нее нагрузок, полученных на этапе 2, и изменений конструкции, предложенных на этапе 3.

5. Модель «литая деталь» используется для оценки показателей прочности и долговечности исследуемой литой детали измененной конструкции.

6. Этапы 3-5 повторяются (при необходимости) до удовлетворения требований к показателям прочности и долговечности исследуемой литой детали.

Для предлагаемого исследования, связанного с определением долговечности боковой рамы тележки модели 18-1750, должна быть рассмотрена совокупность нагрузок в ее интегральном воздействии:

- динамическая нагрузка при движении массы вагона, провоцируемая неровностями пути и в кривых малого радиуса;

- нестационарное поведение двухфазной системы «жидкость-вода»;

- рывки, удары и соударения при спусках с сортировочной горки вагонов-цистерн.

В ходе исследований должен быть выработан подход к решению задач оценки нагрузок на элементы ходовых частей вагонов-цистерн с использованием анализа гидродинамики жидкости методами математического моделирования и методик построения пространственных кинематических и деформируемых математических моделей.

Построенные модели должны позволять оперативно вносить изменения в конструкции тележек, котлов и платформ четырехосных вагонов-цистерн в случае выявления их недостатков при испытаниях или эксплуатации.

Использование разработанных математических моделей при проектировании новых конструкций вагонов позволят существенно сократить затраты на дорогостоящие испытания, результаты которых, зачастую, показывают необходимость доработки проекта.

На первом этапе работы необходимо разработать подход к решению задач оценки несущей способности элементов ходовой части четырехосного вагона-цистерны с использованием методик построения подробных пространственных кинематических и деформируемых математических моделей. Построить математическую модель для анализа гидродинамических воздействий перевозимых жидкостей на котел вагона-цистерны грузоподъемностью 66,0 т. Выстроить пространственную геометрию системы «вагон-путь» и создать на ее основе математические модели, позволяющие оценить нагрузки на ходовые части вагона-цистерны и несущую способность элементов двухосной тележки модели 18-1750 при перевозке наливных грузов.

Созданная математическая модель тележки модели 18-1750 должна использовать все составные элементы несущих конструкций. При этом должны быть заданы эласто-кинематические и инерционно-массовые характеристики всех существенных с точки зрения работы механизмов и их связей элементов. Заданы контактные взаимодействия деталей тележки.

На втором этапе работы должен быть выработан подход к решению задач оценки несущей способности по критериям усталостной прочности элементов ходовой части четырехосного вагона-цистерны с использованием методик построения подробных пространственных кинематических и деформируемых математических моделей. Построена математическая модель для анализа напряженно-деформированного состояния боковых рам тележек модели 181750 при гидродинамических воздействиях от перевозимых жидкостей. Построена пространственная геометрия системы «вагон-путь» и созданы на ее основе математические модели, позволяющие оценить нагрузки на ходовые части вагона-цистерны и несущую способность элементов двухосной тележки модели 18-1750 при перевозке наливных грузов.

Выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния конструкции боковой рамы тележки моделей 18-1750 при входе вагона-цистерны в кривую и в прямой с учетом неровностей пути и при торможениях.

Проведен сравнительный анализ получаемых усталостных повреждений боковых рам тележек 18-1750 при различном наливе вагона-цистерны. Проведена оценка долговечности боковой рамы тележки модели 18-1750 при заданных параметрах интенсивности эксплуатации вагона и заданных показателях долговечности рамы.

Глава 2. Создание расчетных моделей для анализа гидродинамических воздействий на котел вагона-цистерны

Пространственная геометрия взаимодействующих деталей тележки модели 18-1750 является исходным материалом для построения кинематических и конечноэлементных моделей.

Пространственная геометрия тележки модели 18-1750 построена согласно чертежной документации главного конструктора и приведена на рис. I.

Рисунок 1. Пространственная геометрия тележки модели 18-1750. Общий вид

Одной из основных нагрузок, определяющих долговечность тележки, являются усилия, возникающие в котле, по причине нестационарной двухфазной системы «жидкость-воздух».

Для определения динамических воздействий на котел вагона-цистерны объемом 85,6 м3 от перевозимых наливных грузов построены расчетные пространственные конечноэлементные модели.[2]

Конечноэлементная (КЭ) модель внутреннего пространства котла объемом 85,6 м3 показана на рис. 2.

Рисунок 2. КЭ модель внутреннего пространства наливного котла объемом

85,6 м3

Построенная модель описывает в каждый момент времени нестационарное поведение двухфазной системы «жидкость-воздух».

Физические свойства исследуемых жидкостей представлены в табл. 1. Таблица 1. Свойства исследуемых жидкостей

Характеристика Тип жидкости

ДТ-4 Топочный мазут М100

Плотность, кг/м3 830,0 964,9

Кинематическая вязкость 2,496 47,97

Указанные свойства мазута соответствуют свойствам некоторых типов нефти, перевозимых в вагонах-цистернах.

В качестве начальных условий задано состояние фаз (относительных давлений и уровня свободной поверхности жидкости), соответствующее статическому равновесию при действии вертикального ускорения 9,81 м/с2. Уровни загрузки и недолива в котле для различных типов жидкостей заданы в соответствии с табл. 2.

Таблица 2. Расчетные случаи налива

№ Параметр Тип жидкости

ДТ-4 Топочный мазут М100

1 Масса жидкости, т 66,0 66,0

Занимаемый объем от 85.6 м3 93% 80%

Недолив, мм 440 836

2 Масса жилкости. т 69.6 80.9

Занимаемый объем от 85.6 м' 98% 98%

Недолив, мм 210 210

3 Масса жилкости. т 56.8 _

Занимаемый объем от 85.6 м 80% _

Непопин. мм 836 _

Для анализа динамического поведения жидкостей заданы изменяющиеся во времени ускорения, действующие вдоль и поперек оси котла (рис. 3).

0.9і

0 8' I

0 71

I 0'6'

I 0.5] 0.4j

0 3; !

02) і

СІ

1 2 3 4 5 °0 1 2 3 4 S _Время_Время_

Рисунок 3. Воздействия на котел с жидкостью слева -поперек оси котла (av), справа - вдоль оси котла (а,)

В результате расчетов получены компоненты результирующих сил от давления жидкостей на стенки котла при различных расчетных случаях налива, для продольного и поперечного воздействий.

Состояние в котле при наливе при массе 66,0 т показаны на рис. 4-9.

Графики изменения указанных сил во времени показаны на рис. 10-13.

Результирующие силы от давления жидкого груза на стенки котла при продольном воздействии для жидкостей различной вязкости с недоливом 20% от объема показаны на рис. 14. Расчетные значения гидродинамических нагрузок приведены в табл.3, 4.

он 0 7 ¡0,. §0 5: 0.40 3: 0.2: О 1-

При этом рассматривались мазуты марки «Топочный мазут М100» при температурах 100°С и 30°С.

ь Ь

л-

Л'

Рисунок 4. Состояние жидкости в момент времени 2,5 с слева - ДТ-4, справа - мазут. ау - 0,7 м/с",

налив - 66,0 т

л-

Рисунок 5. Состояние жидкости в момент времени 3,5 с слева — ДТ-4, справа - мазут. ау = 0,7

м/с", налив - 66,0 т

15

ь

л, л*

Рисунок 6. Состояние жидкости в момент времени 30,0 с слева - ДТ-4, справа - мазут, а\

= 0,7 м/с", налив - 66,0 т 16

ь

У

Л-

л

Рисунок 7. Состояние жидкости в момент времени 3,5 с слева - ДТ-4, справа - мазут. ах - 1,0 м/с", налив -

66,0 т

1 7

х-

ж:

У/

у

Л-

Рисунок 8. Состояние жидкости в момент времени 3,5 с слева - ДТ-4, справа - мазут. ах = 1,0 м/с", налив -

66,0 т 18

ь

л,

л-

Рисунок 9. Состояние жидкости в момент времени 30,0 с слева - ДТ-4, справа - мазут. ох = 1,0 м/с2, налив - 66.0 т

-ДТ-4. Загрузка 36 т (934. объема кс-лэ; 1

-Мазут. Загрузка 66 т (60% объема котла).

3 5 7 9 11 13 15 17 19 Время,С

-646.0

-646.4

т -646.7

V

-647.1

О!

и -647.5

О -647.9

-648.2

-648.6

-566.0

-566.4

Т -566.7

-567.1

из

и -567.5

и -567.9

-568.2

-568.6

Вертикальные силы на стенки котла: кН

3 5 7 9 11 13 15 17 19

Время,с

Вертикальные силы на стенки котла: кН

3 5 7 9 11 13 15 17 19

Время,с

-ДТ-4. Загрузка 66 т (93% объема котла)

——Мазут. Загрузка 66 т (80% объема котла)

--ДТ-4. Загрузка 69.6 т (98% объема котла)

--Мазут. Загрузка 80,9 т (98% объема котла)

......ДТ-4. Загрузка 56 8 т (80% объема котла)

Рисунок 10. Изменение компонент результирующих сил на стенки котла (кН) при поперечном ускорении 0,7 м/с:

слева - поперечные (/•",), справа - вертикальные (/■'-)

-ДТ-4. Загрузка 53.0 т (93% объема котла)

-Мазут. Загрузка 66,0 т (80% объема котла)

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Время, С

Вертикальные силы на стенки котла, кН

......ДТ-4 Загрузка 53 8 т (30% объема котла;

11 13 15 17 1Е

Время, С

—ДТ-4 Загрузка 36.0 т (93% объема котла) —Мазут. Загрузка 66,0 т (80% объема

--ДТ-4. Загрузка 59.6 т (98% объема котла)

--Мазут. Загрузка 80,9 т (98% объема котла)

••• ДТ-4. Загрузка 56.8 т (80% объема котла)

11 13 15 17 15

Время, С

-640 -642 1-644

Вертикальные силы на стенки котла, кН

Рисунок 11. Изменение компонент результирующих сил на стенки котла (кН) при продольном ускорении 1,0 м/с2

слева - продольные (Гх), справа - вертикальные (/■".)

Рисунок 12. Продольное перемещение (мм) точки приложения результирующей силы при продольном ускорении 1.0

м/с2

-ДТ-4. Загрузка 66.0 т {93% объема котла). Передняя тележка--ДТ-4. Загрузка 66 0 т (93% объема кстла). Задняя тележка

-Мазут. Загрузка 66,0 т (80% объема котла). Передняя тележка--Мазут. Загрузка 66,0 т (80% объема котла). Задняя тележка

Рисунок 13. Изменение распределения вертикальной нагрузки между тележками вагона-цистерны при продольном

ускорении 1,0 м/с"

3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Время, С

Продольные силы на стенки котла, уменьшенного в 10 раз

'1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Время,С

Вертикальные силы на стенки котла, уменьшенного в 10 раз

9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29

Время, С

Рисунок 14. Влияние вязкости жидкости на изменение компонент результирующих сил на стенки котла (кН) при

продольном ускорении 1,0 м/с" слева-продольные (/•*,), справа - вертикальные (/•";)

Таблица 3. Расчетные значения гидродинамических нагрузок на боковые рамы тележек вагона-цистерны при поперечном ускорении 0,7 м/с2

Тип жидкости Тип нагрузки Нагрузка на раму, тс

Ртах Ртіп Размах

ДТ-4 Вертикальная (вниз) 16,51 16,48 0,03

Поперечная 1,35 1,09 0,25

Мазут Вертикальная (вниз) 16,52 16,46 0,06

Поперечная 1,52 0,93 0,59

Таблица 4. Расчетные значения гидродинамических нагрузок на боковые рамы тележек вагона-цистерны при продольном ускорении 1,0 м/с"

Тип ЖИДКОСТИ Тип нагрузки Нагрузка на раму,тс

Ртах Ртіп Размах

ДТ-4 Вертикальная (вниз) на рамы передней тележки 17,49 17,46 0,03

Вертикальная (вниз) на рамы задней 15,56 15,47 0,08

Продольная 2,16 1,59 0,57

Мазут Вертикальная (вниз) на рамы передней тележки 19,23 17,42 1,80

Вертикальная (вниз) на рамы задней 15,68 13,48 2,20

Продольная 2,52 0,96 1,56

Глава 3. Разработка кинематической модели тележки вагона-цистерны.

Тележка обеспечивает эксплуатацию вагонов-цистерн по магистральным железным дорогам колеи 1520 мм.

Допускаемые скорости движения вагонов на тележках по путям перегонов, станций, сортировочных горок, подъездным и деповским путям устанавливаются в зависимости от конструкции и текущего состояния пути на конкретном участке.

Диаметр колес тележки по кругу катания 957 мм, база тележки 1850 мм.

На рис. 15 представлен общий вид кинематической модели тележки с упрощенной геометрией и необходимыми силовыми и кинематическими связями между отдельными частями модели.

За начало глобальной системы координат принимается уровень верха головок рельсов посередине базы и колеи тележки. Ось А'направлена вперед по ходу движения, ось Y вправо, а ось Z вниз.

В указанных выше таблицах представлены данные для левой передней части тележки. Неуказанные части и кинематические точки симметричны указанным относительно продольной и поперечной вертикальным плоскостям симметрии тележки.

Профиль колеса колесной пары соответствует ГОСТ 9036-88. Направление X по оси колеса, Y — вверх от рельса. Точка с табличными координатами (0; 0) принадлежит окружности катания.

і

Рисунок 15. Кинематическая модель тележек моделей 18-1750

Взаимодействие колесной пары с буксой

Колесная пара относительно буксы имеет одну степень свободы - вращение вокруг оси колесной пары. Взаимодействие колесной пары с буксой задано шарниром типа «Revolution».

Взаимодействие буксы с боковой рамой

Боковая рама опирается на горизонтальные площадки буксы. Взаимодействие буксы с боковой рамой задано шарниром типа «Planar», который обеспечивает три степени свободы боковой рамы относительно буксы - две поступательные в горизонтальной плоскости и одну вращательную вокруг вертикальной оси Z. В этом соединении определена сила сухого трения через элемент типа VFORCE. J маркер элемента принадлежит буксе, а / маркер - боковой раме. Компоненты силы трения определены соотношениями:

где/- коэффициент трения,

N - нормальная сила в шарнире,

Vx - скорость / маркера вдоль оси XJ маркера,

V- амплитуда скорости / маркера относительно J маркера,

Vmm - скорость перехода от трения покоя к трению скольжения,

step - функция плавного перехода.

Боковая рама может перемещаться вперед-назад относительно буксы и влево-вправо. При выборе указанных зазоров происходит упор металл в металл соответствующих поверхностей буксы и боковой рамы. В модели эти взаимодействия заданы по схеме рис. 16 с помощью контактных сил «Сфера по плоскости». Жесткость указанных взаимодействий будет определена во второй части специальными расчетами.

' /

F. =0,

___

Рисунок 16. Схема ограничения перемещений «букса - боковая рама»

Взаимодействие клина с боковой рамой

Клин относительно боковой рамы скользит по плоскости, имеющей наклон относительно вертикали 1°. Взаимодействие клина с боковой рамой задано шарниром «Planar», который обеспечивает три степени свободы клина относительно боковой рамы - две поступательные в указанной плоскости и одну вращательную вокруг нормали к этой плоскости. В данном соединении задана сила сухого трения через элемент VFORCE. Алгоритм определения силы сухого трения аналогичен описанному в п. «Взаимодействие буксы с боковой рамой».

Клин относительно боковой рамы может перемещаться влево-вправо. При выборе зазоров происходит упор металл в металл соответствующих поверхностей клина и боковой рамы. В модели эти взаимодействия заданы по схеме рис. 17 с помощью контактных сил «Сфера по плоскости». Данная схема обеспечивает ограничения по перекосу клина относительно боковой рамы.

Зазор

Зазор

а С.

Клин

Плоскость взаимодействия

Рисунок 17. Схема ограничения перемещений «клин - боковая рама»

Взаимодействие надрессорной балки с боковыми рамами.

Боковые рамы тележки взаимодействуют с надрессорной балкой и клиньями через комплекты пружин рессорного подвешивания тележки, которые представлены в математической модели 14-ю силовыми элементами «Shear Spring», каждый из которых имеет следующие характеристики: свободная длина, жесткость вдоль оси пружины, жесткость на сдвиг пружины, жесткость на изгиб пружины, жесткость на закручивание пружины вдоль оси.

Взаимодействие надрессорной балки тележки со шкворневой балкой вагона.

Для обеспечения необходимой кинематики взаимодействие пятника вагона с подпятником надрессорной балки тележки организовано с помощью восьми контактных сил, равномерно заданных на диаметре чашки подпятника. Силы заданы таким образом, что пятник не может проникать сквозь внутреннюю поверхность чашки вниз - вперед -назад - в бок. При этом пятник в чашке может перекашиваться и отрываться от опорной поверхности.

Помимо пятникового соединения шкворневая балка вагона взаимодействует с надрессорной балкой тележки через скользуны.

Взаимодействие тормозной системы с тележкой.

Разработанная математическая модель не предназначена для исследования тормозной динамики тележки, поэтому тормозная система условно разбита на три жестких тела: передний триангель, задний триангель и тяга, соединяющая триангели (в чертежах обозначена как «затяжка вертикальных рычагов»). Триангели подвешены на 4-х серьгах (каждый триангель на 2-х - левой и правой). Серьги присоединены к боковым рамам с помощью шарниров «Cylindrical», обеспечивающие две степени свободы: вращательную - вокруг поперечной оси тележки, и поступательную вдоль той же оси.

Левая сторона триангеля соединена с соответствующей серьгой шарниром «Spheri-cal», а правая - шарниром «Нооке», что позволяет исключить несвязанную вращательную степень свободы триангеля вокруг поперечной оси тележки.

Триангели связаны друг с другом в средней части тягой через шарниры «Spherical» и «Нооке».

Разработанная модель в первом приближении обеспечивает необходимую свободу взаимных кинематических перемещений деталей тележки и тормозной системы при движении тележки без торможения.

Исходя из конструкции тормозной системы сделано предположение, что перемещения триангелей в горизонтальной плоскости ограничиваются их упором в колеса: продольные перемещения упором в круг катания, а боковые перемещения упором в гребни колес. Взаимодействия переднего триангеля с передней колесной парой заданы по схеме рис. 18 с помощью контактных сил «Сфера по плоскости».

Сфера ^г плоскость

-і ^Сфера плоскость

Рисунок 18. Схема ограничения перемещений «триангель - колесная пара» Кинематическая модель вагона

База вагона-цистерны модели 15-1547-03 7800 мм. В первом приближении можно использовать представление вагона-цистерны как абсолютно жесткого тела. Его инерционно-массовые показатели должны соответствовать табл. 5.

Таблица 5. Инерционно-массовые показатели тары без тележек вагона-цистерны 15-1547-03

Масса тары без тележек, т Координаты ц.т. (х;у;г) от У ГР, м Ориентация г.ц.о. (г;х;г), градусы г.ц.м.и. 'ЛЛ'.-ЛЛ кг-м

18,4 (0;0;2171) (0;0;0) (4,2424-10^; 2,6758-105; 2,5719-105)

где

ц.т. - центр тяжести,

г.ц.о. - главные центральные оси инерции, ориентация в углах Эйлера, г.ц.м.и — главные центральные моменты инерции.

Глава 4. Кинематическая модель системы «колесо-рельс». Рельсовый путь

В зависимости от постановки расчетных задач и наличия исходных данных рельсовые нити могут иметь различную конфигурацию, как в плане, так и в вертикальной плоскости.

Податливость рельсового пути учтена заданием параметров, указанных на рис. 19, т - масса,

,/„./у,.4 - главные центральные моменты инерции, Сх, Су - жесткость в боковом и вертикальном направлениях, ОСх, ДСУ - демпфирование в боковом и вертикальном направлениях, - жесткость на закручивание в плоскости ЛУ, - демпфирование на закручивание в плоскости XУ.

II ^Г ... Рельс: т для 1 м

длины

о

Шпала: ш, X, ,1г І I Рсльсо-шпалыюе соединение:

Сх, С'.,, Я2, 1)СХ. /Х'у, вкг

У і

] ^ х _____~ Шпально-грунтовое соединение:

сх, с;,. я2, і)Сх. пСу, іжг

Рисунок 19. Учет податливости рельсового пути

Взаимодействие колеса с рельсом. Силовое взаимодействие колеса с рельсом вычисляется на основании библиотечных функций расчетного программного пакета.

В первом приближении в качестве исходных данных запрашивается коэффициент трения в контакте (коэффициент сцепления «колесо-рельс»), принимается равным 0,4.

В качестве условий нагружения от пути с неровностями задан проезд экипажа по некоторому реальному рельсовому пути, который характеризуется отклонениями рельсовых нитей от прямой линии, представленными на рис. 20, 21.

Отклонение нитей, мм

-3

О 500 1000 1500

Сужение колеи "-7 Уширение колеи мм

2000 Путь, м

2000 Путь, м

Ширина колеи, мм

1500 2000 2500

Путь, м

Рисунок 20. Горизонтальные отклонения рельсовых нитей, сужение/уширение и

ширина колеи

Отклонение нитей, мм

Рисунок 21. Вертикальные отклонения рельсовых нитей

Рассмотрены следующие режимы эксплуатации вагона-цистерны:

1) вход и последующее движение по кривой радиусом 350 м и возвышением наружного рельса 30 мм со скоростью 51,9 км/ч (значение скорости из условия непогашенного ускорения 0,4 м/с2);

2) движение по прямой с неровностями в плане и профиле пути (рис. 20, 21) со скоростью 80 км/ч (Ш-я степень отступления по ширине колеи согласно инструкции по текущему содержанию ж/д пути от 30.05.2000 - ЦП-774);

3) в соотв. с п. 2.4.1 [2] динамическое нагружение продольными ударами и рывками силой ±1,0 МЫ, нагружение задано через соседний прицепленный вагон с учетом характеристик энергопоглощающих аппаратов вагонов;

4) соударение при роспуске с сортировочной горки удар вагона "отцепа" в формируемый состав при скорости соударения 5,0 км/ч.

Результаты расчетов усилий в передней буксе левой стороны передней тележки приведены на рис. 22, 23.

Рисунок 22. Изменение усилий (кН) в буксе левой стороны передней тележки при движении в кривой радиусом 350 м со

скоростью 52 км/ч слева - поперечные (/>), справа — вертикальные (/*";)

Время, с Время, с

Рисунок 23. Изменение усилий (кН) в буксе левой стороны передней тележки при движении по прямолинейному пути с

неровностями слева - продольные (/у, справа вертикальные (/г;)

Глава 5. Оценка долговечности боковой рамы тележки модели 18-1750 при заданных режимах эксплуатации.

Рассмотрены следующие режимы эксплуатации вагона-цистерны (при постоянном недоливе на 7% и 20% объема котла для ДТ-4 и мазута М 100 соответственно):

1) вход и последующее движение по кривой радиусом 350 м и возвышением наружного рельса 30 мм со скоростью 51,9 км/ч (значение скорости из уело вия непогашенного ускорения 0,4 м/с2);

2) движение по прямой с неровностями в плане и профиле пути (рис. 20, 21) со скоростью 80 км/ч;

3) в соотв. с п. 2.4.1 [2] динамическое нагружение продольными ударами и рывками силой ±1,0 МН, нагружение задано через соседний прицепленный вагон с учетом характеристик энергопоглощающих аппаратов вагонов;

4) соударение вагонов при спуске с сортировочной горки (скорость соударения вагонов 5 км/ч);

Вид кривой усталости во всем диапазоне долговечности принят

<y"'Nt = const

Для гладкого образца из стали 20ГЛ кривая усталости задавалась параметрами:

• база испытаний N,¡-101 циклов.

• доверительная вероятность 50%.

В каждой точке рамы кривая усталости модифицировалась с учетом следующих факторов:

• коэффициент запаса сопротивления усталости 2,0; [2]

• 95% вероятность неразрушения;

• концентрации и градиента напряжений (автоматически математической моделью);

• неоднородность материала 1,2;

• масштабный фактор;

• шероховатость поверхности.

Оценка проектного срока службы по критерию усталостной прочности при многоцикловом динамическом нагружении выполнена по формуле:

/, = 300 км/сут - проектный среднесуточный пробег;

51 - пройденное вагоном расстояние за время одного нагружения по ¡-му режиму движения, км;

с// - поврежденность за 1 нагружение на прямолинейных участках;

Л - поврежденность за 1 нагружение в кривых участках;

с/з - поврежденность за 1 нагружение продольными силами при рывках/толчках; с^ - поврежденность за 1 нагружение при соударениях при спусках с сортировочной горки;

В3= 25000 - количество нагружений продольными силами при рывках/толчках за

один год;

Дг - количество нагружений продольными силами при соударениях при спусках с сортировочной горки за один год;

В общей длине железных дорог средняя доля протяженности прямых участков Куч1 =0,75, кривых участков Куч2 =0,23.

Функции распределения нагрузок при указанных режимах движения приняты постоянными.

4

где

3, =365 —

количество нагружении по 1-му режиму движения за один год;

і

Результаты расчетов характеристик выносливости боковых рам тележек, при различных режимах эксплуатации вагона-цистерны при загрузке 66,0 т представлены в табл. 6, 7.

По результатам расчетов поврежденностей для зоны Я55 боковой рамы тележки модели 18-1750 при его движении по прямолинейному пути с неровностями, движении в кривых, рывках и толчках и соударениях при спусках с сортировочной горки получены расчетные значения долговечности (для указанных ранее значений интенсивности эксплуатации: среднесуточном пробеге 300 км/сут. и 25000 рывков/толчков в год) в зависимости от количества спусков с сортировочной горки в год (табл. 8).

Таблица 6. Расчетные значения характеристик выносливости боковой рамы в зоне Я55 при движении вагона-цистерны на прямых и кривых участках пути

Расчетная характеристика выносливости Тип жидкости Режим эксплуатации

1 2

Движение в прямой Движение в кривой

Количество нагружении до разрушения, млн. ДТ-4 2,30 3,58-104

Мазут 1,40 3,54-104

Поврежденность за 1 млн. нагружении ДТ-4 0,436 0,279-10"4

Мазут 0,713 0,283-10""1

Пройденное вагоном расстояние за время одного нагружения, м ДТ-4 378 187

Мазут 378 187

Таблица 7. Расчетные значения характеристик выносливости боковой рамы в зоне Я55 при рывках/толчках и соударениях при спусках с сортировочной горки вагона-цистерны

Расчетная характеристика выносливости Тип жидкости Режим эксплуатации ¡

3 4 !

Рывки/толчки Соударения при спусках | с сортировочной горки

Количество нагружении до разрушения, тыс. ДТ-4 1927 649

Мазут 974 20,8 ' 1

Поврежденность за 1 млн. нагружений ДТ-4 0,518 1,54 |

Мазут 1,03 48,1 ;

Таблица 8. Долговечность боковой рамы тележки модели 18-1750 вагона-цистерны модели 15-1547-03 по разрушению в зоне Я55

Количество спусков с сортировочной горки вагона-цистерны в год Долговечность боковой рамы, тыс. км Долговечность боковой рамы, год

налив ДТ-4 налив мазутом налив ДТ-4 налив мазутом

100 1089 670 9,95 6,11

200 1089 657 9,94 6,00

365 1087 637 9,93 5,82

500 1086 622 9,92 5,68

1000 1083 571 9,89 5,21

2000 1075 491 9,82 4,48

Результаты расчетов поврежденное™ и количества нагружений до разрушения при заданных режимах эксплуатации приведены на рис. 24-26.

Сошоиг Р1М

Сотоиг Р1ет

1. 1/Оатаде(Бсэ1аг уа!ие} Ми»|р1иг= 1 ОООООЕ-Об —2 30

Е3.35 В 4 ВВ

*—7.12 —10.39 —15.15 —2210 —3223 —47.01 —60.5Б —100.00

Рисунок 24. Движение в прямой с неровностями. Количество нагружений до разрушения, млн.

ДТ-4 - слева, мазут - справа

Cootoui Plot

1. 1/Damage(Scalar value) Multiplier = 1 OODGOE-OG 3.53E+04

1-1.11Е-Ю5

—3.41E*05 -T-5.99E+05 — 1.05Е40Б -7—1.85E+06

-3.24ЕЙ6

—5.69Е-Ю6 —1.DOE <07

Contour Plol

V

to

Рисунок 25. Движение в кривой. Количество нагружений до разрушения, млн. ДТ-4 - слева, мазут - справа

СапЮиг Р|с( Сопим РЮ1

I. 1/0атаде(5са1аг уа!ие) 1/Оата9в(51а1а1 уа1ив)

1926.8

2271.7

2678.4

3157.8 3723.1

4389.5 5175.3 6101.7 7194.0 8401.7 10000 0

■7292.1 -8134 7 ■9097 4

•10000.0

Рисунок 26. Динамическое нагружение продольными ударами и рывками. Количество нагружений до разрушения, тыс.

ДТ-4 - слева, мазут - справа

Выполненные расчеты гидродинамических нагрузок на тележки вагона-цистерны при действии продольных и поперечных ускорений, при различных уровнях недолива и вида жидкости, типа налива и различной вязкости наливного груза позволили определить наибольшие пиковые значения и размахи гидродинамических нагрузок колебательного характера. При наливе по массе 66,0 т расчетные значения нагрузок в пересчете на боковую раму представлены в таблицах А и Б. Эти расчеты нашли применение при конструкторской доработке боковых рам тележек и котлов вагонов-цистерн.

Таблица А. Расчетные значения гидродинамических нагрузок на боковые рамы тележек вагона-цистерны при поперечном ускорении 0,7 м/с:

Тип нагрузки Тип жидкости Нагрузка на раму, тс

Р гплх Р шш Размах

Вертикальная (ВНІІЧ) ДТ-4 16.51 16.48 0.03

Мазут 16.52 16.46 0.06

Поперечная ДТ-4 1.35 1.09 0.25

Мазут 1.52 0.93 0.59

Таблица Б. Расчетные значения гидродинамических нагрузок на боковые рамы тележек вагона-цистерны при продольном ускорении 1,0 м/с

Тпп нагрузки Тип жидкости Нагрузка на раму, тс

Р шах Р ПИЛ Размах

Вертикальная (вниз) на рамы переднем тележки ДТ-4 17.49 17.46 0.03

Мазут 19.23 17.42 1.80

Вертикальная (вниз) на рамы задней тележки ДТ-4 15.56 15.47 0.08

Мазут 15,68 13.48 2.20

Продольная ДТ-4 2.16 1.59 0.57

Мазут 2,52 0.96 1.56

Заключение.

Разработана методология определения и повышения долговечности тележек вагонов - цистерн. При этом были выполнены ряд работ.

Выработан общий подход к решению задач оценки нагруженности элементов ходовой части наливных вагонов-цистерн железных дорог с использованием методик построения подробных пространственных кинематических математических моделей и гидродинамических моделей двухфазной системы «жидкость-газ», учитывающих поведение свободной поверхности наливного груза.

Созданы модели на основании пространственной геометрии элементов системы «вагон-путь», построенной по чертежам, соответствующим техническим описаниям и прочим нормативным документам отрасли.

Эта математическая модель включает кинематические модели верхнего строения пути железной дороги колеи 1520 мм, тележки вагона, инерционно-массовую модель кузова вагона-цистерны, модель жидкого груза.

Выполнены расчеты гидродинамических нагрузок на тележки вагона-цистерны модели 15-1547-03 при действии продольных и поперечных ускорений при различных (по уровню недолива и виду жидкости) типах налива и различной вязкости наливного груза.

Определены наибольшие пиковые значения и размахи гидродинамических нагрузок колебательного характера при наливе по массе 66,0 т.

Показана возможность оценки ресурса и долговечности элементов ходовой части наливных вагонов-цистерн железных дорог с использованием методик построения подробных пространственных кинематических и деформируемых математических моделей, а так же гидродинамических моделей двухфазной системы «жидкость-газ», учитывающих поведение свободной поверхности наливного груза.

Выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния боковой рамы двухосной тележки модели 18-1750 вагона-цистерны модели 15-1547-03

при движении вагона по неровному непрямолинейному пути (в кривой радиусом 350 м со скоростью 52 км/ч), по неровному прямолинейному пути при нормальных скоростях движения (80 км/ч), при динамическом нагружении продольными ударами и рывками и соударении при спусках с сортировочной горки. Определены значения количества нагружений до разрушения и поврежденности для зоны 1155 боковой рамы двухосной тележки модели 18-1750 вагона-цистерны модели 15-1547-03 при указанных режимах эксплуатации.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1. Цельнокатаные колеса для железнодорожного транспорта. Патент № 2376149 2008г. в соавторстве.

2. Унификация позволит снизить расходы. Журнал «Вагоны и вагонное хозяйство» г. Москва, 2008г.

3. Новая смазка обеспечит заданный межремонтный пробег. Журнал «Вагоны и вагонное хозяйство» г. Москва, 2008г.

4. Постовые диагностические комплексы для грузового железнодорожного транспорта. ДЦНТИ, г. Нижний Новгород, 2008г.

5. Основные технические требования к постовым диагностическим комплексам. ДЦНТИ г. Нижний Новгород. 2009 г.

6. Постовые диагностические комплексы - основа перехода от реактивного к проактивному характеру управления безопасностью перевозок. ДЦНТИ, г. Нижний Новгород.2010 г.

7. Мобильно-постовые акустические комплексы для диагностики грузовых вагонов при движении железнодорожных составов. ДЦНТИ, г. Нижний Новгород.2010 г.

8. Особенности эксплуатации грузовых вагонов перевозящих наливные грузы. ДЦНТИ. 2010. Нижний Новгород.

9. Расчетные модели для анализа гидродинамических воздействий на котел вагона-цистерны. ДЦНТИ. 2010. Нижний Новгород.

10. Кинематическая модель грузовых тележек вагона-цистерны. ДЦНТИБ. 2011. Нижний Новгород.

11. Кинематическая модель системы «тележка-путь». ДЦНТИБ. 2011. Нижний Новгород.

12. Методика определения долговечности боковой рамы тележки модели 18-1750 вагона-цистерны 15-1547-03. ДЦНТИБ. 2012. Нижний Новгород.

, 2 4 2 44

Список использованной литературы.

1. Методология повышения долговечности крупного вагонного литья. Шпади Д.В ДЦНТИБ. 2012 год. Н.Новгород.

2. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). Изд. 1996 г. с изменениями и дополнениями.

3. Основы конструирования и расчета ходовых частей вагонов. Котуранов В.Н., Хусидов В.Д., Азовский А.П., Светлов В.И. - МИИТ, Москва, 1997.

4. Методология повышения долговечности крупного вагонного литья. Шпади Д.В. ДЦНТИБ. 2012 год. Н. Новгород.

5. Вагоны/ под редакцией Шадура. А.- Транспорт, Москва, 1980.

6. Конструирование и расчет вагонов: Учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта. Лукин В.В., Шадур Л.А. и др. Под ред. Лукина В.В. - УМК МПС России, Москва, 2000.

7. Опытные двухосные тележки конструкции Уралвагонзавода. Гейлер М.П., Кривецкий A.A., Двухглавов В.А. - Нижний Тагил, 1981.

8. Вагоны. Скиба И.Ф.- Транспорт, Москва, 1966.

9. Концепция модернизаций тележки модели 18-100, повышающих ее эксплуатационные качества. Афанасьев Е.В., Соколов М.М. - Нижний Тагил, 2002 .

2012248983

2012248983