автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Нагруженность кузова полувагона при воздействии накладных вибромашин

На правах рукописи

Мґ

005043474 ^ ^ 1

ДОЛГИХ КОНСТАНТИН ОЛЕГОВИЧ

НАГРУЖЕННОСТЬ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НАКЛАДНЫХ ВИБРОМАШИН

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 7 мдм 2012

Екатеринбург - 2012

005043474

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО УрГУПС)».

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

ЛАПШИН Василий Федорович

Официальные оппоненты:

КОБШЦАНОВ Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Вагоны» Брянского государственного технического университета;

АНТРОПОВ Алексей Николаевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник Уральского отделения Открытого акционерного общества «Научно-Исследовательский Институт Железнодорожного Транспорта».

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «30» мая 2012 г. в 10 — на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при Уральском государственном университете путей сообщения по адресу: 620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова, 66, ауд. Б2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного университета путей сообщения. С авторефератом диссертации можно ознакомиться на сайте Министерства образования и науки РФ http://vak.ed.gov.ru, на официальном \уеЬ-портале УрГУПС www.usurt.ru.

Автореферат разослан «28» апреля 2012г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять в адрес Диссертационного совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук ^ ^ ^^¿^^.ДСАДЧЕНКО Виталий Романович

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года предусматривается снижение стоимости жизненного цикла вагонов за счет увеличения надежности их узлов и совершенствования конструкции. Решение этих задач требует реализации комплекса вопросов, связанных с анализом технического состояния конструкций, их диагностики, теоретических исследований по прогнозу их ресурса.

Одним из факторов, определяющих жизненный цикл вагонов, являются условия их взаимодействия с техническими средствами погрузки-выгрузки, в том числе и с виброразгрузочными комплексами.

Как показывает опыт эксплуатации полувагонов в 2005 - 2011 годах, отказы элементов конструкции вагона в результате разгрузочных операций с применением вибромашин примерно в 11 раз превышают допускаемое значение по сроку службы. Уже после первого года эксплуатации при нормируемом межремонтном периоде 4 года или 500 тыс. км пробега 90% полувагонов, которые поступали под разгрузку с применением вибромашин, имели отрывы листов обшивки от стоек боковой стены и трещины в углах верхнего и среднего гофров первой и второй панелей.

В связи с этим вопросы исследования нагруженности полувагонов от действия вибромашин являются актуальными.

Цель диссертационной работы состоит в разработке уточненной методики оценки нагруженности кузова полувагона при воздействии накладных вибромашин, разработке рекомендаций по повышению усталостной прочности элементов боковой стены.

Общая методика исследований.

Теоретические исследования базируются на использовании современных методов математического моделирования, аналитической механики, методах конечных элементов. Проверка результатов теоретических исследований производилась экспериментально на натурных образцах, сравнением с известными

3

решениями и данными натурных обследований технического состояния вагонов. Для обработки полученных данных использованы методы статистического анализа с учетом специфики информации.

Научная новизна.

1. Разработана уточненная методика исследования нагруженности кузова полувагона при воздействии вибромашин, основанная на методе гибридного моделирования с учетом пространственного характера действия нагрузки, возможностью корректировки параметров входящих в нее подсистем, а также изменения режимов нагружения в эксплуатации, определения режимов воздействия вибромашин на кузов и проверки условия истечения груза.

2. Разработана компьютерная модель механической системы «вибромашина-кузов полувагона-тележка», упругие свойства кузова, сложное напряженное состояние элементов кузова и геометрию несущих элементов и обшивки.

3. Изучены особенности влияния параметров накладных вибромашин на нагруженность элементов боковых стен кузова полувагона.

Практическая ценность.

1. Предлагаемая методика, в общем случае, позволяет производить оценку усталостной прочности элементов кузова полувагона с учетом специфики нагружения, подобрать параметры вибромашин.

2. Разработанная гибридная компьютерная модель механической системы «вибромашина-кузов-тележка» позволяет оценить напряженное состояние как обшивки, так и несущих элементов кузова полувагона с учетом их геометрии и пространственного характера действия нагрузки, выполнять оценку усталостной прочности конструкции как на стадии проектирования новых полувагонов, так и при модернизации и эксплуатации уже существующих, при минимальных затратах времени и средств на экспериментальную доводку.

3. Произведена оценка влияния частоты нагружения, амплитуды вынуждающей силы, массы вибромашины на нагруженное состояние элементов боковых стен полувагонов. Определены интервалы допустимых значений перечисленных факторов. Полученные результаты могут быть использованы при раз-

4

работке требований по обеспечению сохранности полувагонов при разгрузке с использованием вибромашин.

На защиту выносятся.

1. Методика исследования нагруженности кузова полувагона.

2. Компьютерная модель механической системы «вибромашина-кузов-тележка».

3. Результаты исследований влияния режимов нагружения, параметров вибрационной машины на нагруженность боковой стены кузова полувагона.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены на следующих конференциях и семинарах: VII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты», (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Транспорт XXI века: Исследования. Инновации. Инфраструктура», (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные вопросы современной науки и практики», (г. Курган, КИЖТ, 2012 г.); Региональная научно-техническая конференция «Молодые ученые - вагоновстроению и вагонному хозяйству» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.); Научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2009 г.); V Уральской выставки-ярмарки железнодорожного, автомобильного, специального транспорта и дорожно-строительной техники «Магистраль-2009 (г. Нижний Тагил, 2009 г.); на семинарах кафедры «Вагоны» УрГУПС, 2009-2012 г. (г. Екатеринбург);

Публикации. По результатам исследований, выполненных в диссертационной работе, опубликовано 8 печатных работ. Статьи опубликованы в журналах «Транспорт Урала», «Вестник транспорта Поволжья», в научно - технических сборниках УрГУПС, ПГУПС, ДВГУПС, БГТУ. Три работы, опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией.

Структура и объем работы: диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы, состоящий

5

из 112 наименования, и 1 приложений. Содержит 128 страниц машинописного текста, 61 рисунок, 14 таблиц.

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность руководству и всем сотрудникам ЗАО «Алькон» за содействие в проведение натурных испытаний.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится обоснование актуальности выбранной темы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

Первая глава посвящена обзору работ в области исследования вибронаг-руженности и долговечности подвижного состава.

Значительный вклад в разработку методов расчета, испытаний, проектирования и оптимизации подвижного состава внесли ученые В. Р. Асадченко, П. С. Анисимов, Н. С. Бачурин, С. В. Беспалько, А. А. Битюцкий, Е. П. Блохин, М. М. Болотин, Ю. П. Бороненко, Н. Н. Воронин, С. В. Вершинский, М. И. Глушко, Д. Г. Евсеев, Р. И. Зайнетдинов, С. Н. Киселев, В. В. Кобищанов, В. Н. Котуранов, А. Д. Кочнов, В. П. Лозбинев, М. Н. Овечников, А. Э. Павлю-ков, Г. И. Петров, В. С. Плоткин, Ю. С. Ромен, А. Н. Савоськин, О. М. Савчук, В. И. Сакало, В. И. Сенько, А. В. Смольянинов, А. М. Соколов, А. В. Третьяков, М. М. Соколов, П. А. Устич, В. Н. Филиппов, А. А. Хохлов, В. Д. Хусидов, Ю. М. Черкашин, Н. Н. Шапошников и многие другие.

Анализ исследований в этой области показывает, что большинство работ относится к решению задач по созданию и исследованию новых конструкций грузовых вагонов. Решение этих задач основывается на сравнительном сопоставлении вариантов конструкций. Однако, для оценки нагруженности элементов кузова полувагона при воздействии вибромашин такой подход не всегда применим.

Большое значение в развитии прикладных методов расчета вибраций конструкций вагонов имеют работы научной школы МИИТа, выполненные про-

6

фессором В. Ф. Хусидовым и его учениками В. В. Козловым, С. И. Смазано-вым, В. Н. Панкиным, В. Ф, Лапшиным, Е. И. Мироненко и другие. Однако разработанные методики позволяли определять вибронапряжения только в несущих элементах кузовов, моделируемых балочными элементами.

Большой вклад в разработку методов исследований вагонов при воздействии вибрационных машин, определения их оптимальных параметров и разработки требований по обеспечению сохранности вагонов внесли ученые Уральского Отделения ВНИИЖТ и УрГУПСа: С. А. Другаль, Г. А. Брагин, Б. С. Дубровин, В. Б. Свердлов, С. А. Сенаторов, Г. К. Сендеров, П. Р. Лосев, А. К. Антропов и другие.

Анализ исследований в этой области показал, что используемые в то время методики имели ряд допущений: нагрузка от вибромашины на кузов полувагона прикладывались только в вертикальной плоскости, в то время как реальное нагружение имеет пространственный характер; оценка нагруженности выполнялась только для несущих элементов; не учитывалась геометрия и конструктивные особенности элементов кузова.

На основании вышеизложенного, для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Провести анализ технического состояния полувагонов, разгружаемых с применением вибрационных машин, с целью выявления степени и характера повреждаемости элементов кузова.

2. Разработать методику исследования нагруженности элементов кузова полувагона при воздействии накладных вибромашин на основе компьютерного моделирования поведения механической системы «вибромашина-кузов-тележка».

3. Создать комплекс компьютерных моделей системы «вибромашина-кузов-тележка».

4. Провести натурные испытания полувагонов с целью определения значений напряжений в элементах конструкции боковой стены, верификации разработанных компьютерных моделей, получения данных о характере протекаю-

7

щих процессов (переходных и установившихся режимах), получения данных о внутреннем трении в материале конструкции с последующей идентификацией параметров компьютерной модели «кузов».

5. Провести численные эксперименты с целью оценки влияния параметров и режимов нагружения на усталостную прочность элементов кузова.

Решение этих задач позволило оценить количественно и качественно на-груженность кузова полувагона, в частности, боковой стены, при использовании накладных вибромашин.

Вторая глава посвящена анализу технического состояния полувагонов, разгружаемых с использованием вибромашин.

Современный этап развития технологий виброразгрузки полувагонов характеризуется:

- переходом на полувагоны модели 12-132 с высотой кузова 2365 мм взамен полувагонов с высотой кузова 1880 и 2060 мм и предельно допустимым временем нагружения полувагона за межремонтный период - 168 мин;

- введением новой системы ремонта вагонов «по пробегу» и увеличением первого межремонтного срока до четырех лет или 500 тыс. км пробега с последующими ремонтами через два года;

- увеличением количества вибромашин (1968 год - 300; 2006 год - 520);

- увеличением интенсивности подачи вагонов под виброразгрузку, до 16 раз в месяц, и нередко нарушением требований ГОСТ 22235-76 по обеспечению сохранности полувагонов при разгрузке с применением вибромашин.

Для получения данных о характере повреждений кузовов полувагонов проведен осмотр полувагонов, эксплуатируемых в дорожных кольцевых маршрутах. Осмотры производились на пунктах выгрузки с применением накладных вибромашин в период с октября 2009г. по октябрь 2010г. включительно.

При осмотрах в качестве критерия неисправности принималось наличие трещин в элементах кузова.

Как показал анализ, наибольшее количество повреждений приходится на

обшивку боковой стены - трещины в обшивке и отрывы листов от стоек. Такой

8

Трещины \ \обшнвы у вертикальных^

стоек -— 2% ^

Отрывы обшивы от .вертикальных \ стоек

Трещины в районе среднего гофрг 39%

характер повреждений полувагонов подтверждается исследованиями, проведенными кафедрой «Вагоны» УрГУПС в опытном поезде «РЖД-УВЗ-УрГУПС». Были проведены комиссионные осмотры с целью выявления повреждений кузова полувагона при разгрузке с использованием виброразгрузочной техники. Всего за этот период было осмотрено 112 полувагонов модели 12-132.

На рисунке 1 показана доля каждого вида повреждений кузова от общего их количества.

Вырывы ^разрушение) ■ обшивы

\к3%

Трещины в.-- ЯНН районе нижнего гофра«

2% М

Рисунок 1 - Результаты осмотров полувагонов

Анализ результатов натурных обследований показал, что наибольшие повреждения от воздействия вибромашин приходятся на боковые стены кузова полувагона и проявляются в трещинах обшивки в районе верхнего и среднего гофров, отрывах листов обшивки от стоек. Так на долю трещин по обшивке в районе гофров приходиться более 80% (рисунок 1 а, б, е) при их длине 30-100 мм. Кроме того, установлено, что отрывы листов обшивки от стоек характерны для контактного типа сварочного соединения листов обшивки и несущих элементов боковых стен, на долю которых приходиться 12% (рисунок 1 г), при

этом их длина составляет 200-500 мм. Подобные повреждения характерны для 1, 2, 6, 7 панелей.

Таким образом, показано, что основной причиной разрушения металлоконструкции кузова, в частности боковой стены, является воздействие вибрационных машин.

Третья глава посвящена разработке методики и компьютерных моделей для исследования нагруженности элементов кузова полувагона.

Процесс компьютерного моделирования вибронагруженности кузова вагона от действия вибромашин описывается блочной схемой (рисунок 2), которая включает следующие этапы.

На первом этапе с целью последующего формирования компьютерной модели механической системы «вибромашина-кузов-тележка» создавались отдельные компьютерные модели: накладной вибромашины, кузова, ходовых частей. Каждая из моделей входила в формируемую компьютерную модель механической системы как отдельная подсистема. Такой подход связан с тем, что отдельные подсистемы (ходовые части) формируемой модели, идентичны друг другу. Кроме того, метод подсистем позволил упростить описание модели в программной среде «Универсальный механизм».

На этапе формирования компьютерной модели механической системы «вибромашина-кузов-тележка» взаимодействие между отдельными подсистемы описывалось упруго-вязкими элементами.

На третьем этапе при моделировании нагруженности механической системы «вибромашина-кузов-тележка» решалась задача оценки напряженного состояния с целью определение усталостной прочности элементов кузова полувагона.

Следует отметить, что на данном этапе дополнительно могут решаться следующие задачи:

- определение режима воздействия вибромашины на кузов вагона. Необходимость этой задачи обосновывается требованиями по обеспечению сохранности

вагонов при использовании вибромашин, согласно которым, в зависимости от

10

Подготовка отдельных моделей механической системы «ви бромашипа-кузов-т ележка»

Твердотельная модель вибромашины ¿г Конечно-элементная модель упругого кузова k'i Ш ¡Ірр»^ Твердотельная модель ходовых частей

Формирование компьютерной модели механической системы «вибромашина-кузов-тележка»

Задание связей между подсистемами

Задание силовых элементов между подсистемами

1 ' К ''

Моделирование вибронагруженности механической системы «вибромашина-кузов-тележка»

Определение режима воздействия вибромашины па кузов Проверка условия истечения груза со Определение напряжений в элементах кузова Определение собственных частот и форм колебаний кузова (ВД-Л2[М]Н<7} = 0

3ZE

Моделирование усталостной прочности кузова полувагона

Моделирование накопления повреждений (усталость)

I— = а N,

Оценка усталостной прочности п = їьЯ- >[«] аи э

Корректировка параметров при проектировании и модернизации элементов системы

Корректировка

режимов погружения в эксплуатации

Рисунок 2 - Блочная схема компьютерного моделирования вибронагруженности кузова вагона

И

геометрических размеров, вибромашина может работать в вибрационном или виброударном режиме;

- проверка условий истечения груза с целью определения возможности реализации необходимого технологического эффекта при разгрузке полувагона;

- определение собственных частот и форм колебаний кузова полувагона с целью определения частоты вынуждающей силы вибромашины для исключения явления резонанса.

На последнем этапе исследования выполнялась оценка усталостной прочности элементов кузова полувагона по коэффициенту запаса усталостной прочности. При этом использовалась гипотеза линейного суммирования повреждений.

Разработка компьютерных моделей механической системы «вибромашина-кузов-тележка» (рисунок 3) производилась в аналитической программной среде «Универсальный механизм» (АПС). Математическое описание моделей записывалось на встроенном языке программирования, основанном на языке высокого уровня PASCAL, и компилировалось в АПС.

Рисунок 3 - Компьютерная модель механической системы «вибромашина-кузов-тележка»

Компьютерная модель накладной вибромашины представлена в виде двух взаимосвязанных твердых тел, одно из которых является рабочим органом -дебалансом, а другое - рамой вибромашины. Вращательное движение дебалан-са порождает вынужденные колебания, имеющие пространственный характер, за счет круговой вынуждающей силы.

Компьютерная модель кузова полувагона представлена с учетом его упругих свойств. Модель кузова представляет собой пластинчатую конечно-элементную модель кузова, описанную в конечно-элементном пакете ANS YS. При этом вводились следующие идеализации: крышки разгрузочных люков исключались из геометрической модели и задавались как сосредоточенные массы в местах крепления к хребтовой балке и нижней обвязки; автосцепное устройство рассматривалось как сосредоточенные массы, распределенные в консольной части хребтовой балки; тормозное оборудование рассматривалось как сосредоточенные массы, распределенные по хребтовой балке.

Математическая модель, описывающая динамику поведения упругой системы при гармоническом нагружении вынуждающей силой вибромашины во временной области, имеет вид:

а)

где [м]- матрица масс; [£>] - матрица демпфирования; [к]- матрица жестко-стей; {¿/} - вектор узловых ускорений; {<7} — вектор узловых скоростей; {q} -вектор узловых перемещений; {^(г)} - вектор внешних нагрузок.

В качестве подсистемы «тележка» была принята модель типовой тележки грузового вагона 18-100, разработанная А. Э. Павлюковым, и которая представляет собой систему твердых тел, связанных силовыми элементами и шарнирами.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию нагру-женности кузова полувагона.

Экспериментальное исследование проводилось с целью: определения значений напряжений в элементах конструкции боковой стены; верификации

разработанных компьютерных моделей; получения данных о характере протекающих процессов (переходных и установившихся режимах); получения данных о внутреннем трении в материале конструкции с последующей идентификацией параметров компьютерной модели «кузов».

Испытания проводились на разгрузочной площадке железнодорожного цеха ОАО «Святогор» (рисунок 4). В качестве объекта испытаний использован 4-осный цельнометаллический полувагон модели 12-132. Вибрационное нагру-жение полувагона осуществлялось виброразгрузчиком ДП-32 УХЛ, предназначенным для механизированной выгрузки из полувагонов с высотой бортов 1880 мм и 2060 мм слеживающихся и смерзающихся грузов.

Рисунок 4 - Общая панорама виброиспытаний полувагона модели 12-132

Для регистрации напряжений в металлоконструкции полувагона в качестве первичных преобразователей использовались тензорезисторы базой 20 мм, которые наклеивались на вторую панель боковой стены в 6 точках (рисунок 5). Регистрация сигналов производилась многоканальной, совместимой с персо-

нальным компьютером, измерительной электронной системой 8р1с!ег8 с программным обеспечением Са1тап.

Испытания проводились по следующему алгоритму. Груженый вагон подавался на повышенную эстакаду, где после открытия разгрузочных люков осуществлялась выгрузка груза самотеком. Количество остатков груза, равномерно распределенного по длине кузова, составило около 8-9 тонн. После этого на верхнюю обвязку свободно устанавливался виброразгрузчик и производилось нагружение вынуждающей силой вибратора в течение 7 минут для каждого из двух положений (рисунок 5).

После полной выгрузки производилась тарировка тензометрических датчиков, устанавливался вибразгрузчик на верхнюю обвязку, производилась запись напряжений от статической нагрузки и действия вынуждающей силы вибромашины. Всего было выполнено б перестановок для двух положений вибромашины. Продолжительность записей осциллограмм вибронапряжений в каждом случае от момента включения до полной остановки виброразгрузчика составляла 3 минуты.

Рисунок 5 — Положения виброразгрузчика на полувагоне

При обработке экспериментальных данных было установлено, что записи вибронапряжений имеют асимметричный характер, что в дальнейшем предопределило порядок расчета усталостной прочности элементов боковой стены.

При обработке осциллограмм динамических напряжений для каждой точки определялся коэффициент асимметрии цикла, значение которого находилось в пределах: для несущих элементов - 0,75-0,95; для листов обшивки - 0,25-0,8.

Кроме того, при обработке осциллограмм затухающих колебаний выяснилось, что на записях отсутствует «нулевая линия», соответствующая равновесному положению элемента конструкции вагона. При этом огибающие графиков колебаний представляли собой монотонно убывающие функции со случайными выбросами. Значения амплитуды колебаний при определении логарифмического декремента затухания колебаний определялись после построения внешних огибающих и определения «нулевых линий» на графиках колебаний. Результаты обработки виброграмм показали, что величина логарифмического декремента затухания 6Э для рассматриваемых точек находится в пределах 0,105-0,205.

Значения декрементов затухания использовались в дальнейшем при идентификации и верификации компьютерной модели.

В нашем случае, при решении системы уравнений (1), силы демпфирования учитывались на основе диссипативной функции Рэллея. При этом матрица демпфирования представлена двумя слагаемыми: одно - пропорционально матрице масс, другое — пропорционально матрице жесткости (2).

Процедура параметрической идентификации сводилась к отысканию значений параметров а, р матрицы демпфирования (2) математической модели (1), которые обеспечивают максимальную близость выходных расчетных 8р и экспериментальных б з значений при одинаковых входных параметрах.

В качестве критерия количественной меры адекватности математической модели использовались среднеквадратические О0 величины погрешностей рассогласования расчетных 5р и экспериментальных 5Э значений:

[£)]=а-[м]+(3-И

(2)

где к - количество измерений.

Поиск значений идентифицируемых параметров выполнялся в два этапа. На первом этапе задавалось начальное значение а, Р и определялось направление поиска в большую или меньшую сторону от начальных значений параметров. На втором этапе выполнялась процедура итерационного приближения расчетных значений параметров к экспериментальным. Окончанием итерационного поиска служило требование 3 < в с проверкой условия по ряду элементов кузова (верхняя обвязка, нижняя обвязка, шкворневая стойка, верхний лист обшивки, нижний лист обшивки). Значение е, определяющее уровень ошибки идентификации, принималось равным 8 = ОД • 5Э.

В результате этой процедуры установлено, что наибольшая сходимость теоретических 5Т и экспериментальных 5Э значений наблюдается при а = 3-10"4 и р = 1,56-10"6.

Проверка компьютерной модели с полученными параметрами матрицы демпфирования равными аир осуществлялась сопоставлением расчетных и полученными в ходе эксперимента напряжениями (рисунок 6) при установившемся режиме вибронагружения с амплитудой вынуждающей силы 88 кН. Сравнение результатов показало, что расхождения между ними составили 8 -20%.

а) численное решение; б) эксперимент Рисунок б - Виброграммы величин напряжений при установившемся режиме работы вибромашины

Пятая глава посвящена теоретическому исследованию нагруженности кузова полувагона модели 12-132 и оценке усталостной прочности элементов кузова в зависимости от условий нагружения.

Численный эксперимент включал следующие этапы:

- определение собственных форм и частот колебаний кузова;

- исследование влияния частоты вынуждающей силы в диапазоне 20-26 Гц;

- исследование влияния частоты вынуждающей силы в диапазоне 20-26 Гц в случае зависания груза в нижних и средних гофрах;

- исследование влияния амплитуды вынуждающей силы в диапазоне 78,5-117,7 кН;

- исследование влияния жесткости рессорного подвешивания ходовых частей.

На первом этапе теоретических исследований выполнялся модальный анализ. Это обусловлено тем, что частота вынуждающей силы должна быть в зоне свободной от собственных частот. По результатам расчета были получены формы колебаний вблизи частоты вынуждающей силы. Установлено, что большую по величине амплитуду колебаний имеют 1, 2, 5 и 6 панели обшивки, что подтверждает характер распределения повреждений кузова полувагона.

При исследовании влияния частоты нагружения вынуждающей силой на напряженное состояние было установлено, что в диапазоне частот 24 и 25 Гц имеется «потенциальная яма» (рисунок 7) с минимальным уровнем напряжений, что свидетельствует о возможности использования данной частоты нагружения при разгрузке полувагонов с высотой кузова 2365 мм. Наиболее нагруженными элементами кузова полувагона являются обшивка в зоне среднего и верхнего гофров и приварки к вертикальной стойке. Так, при частоте 24 Гц напряжения в нижнем углу верхнего гофра составляют 27,6 МПа, а в зоне приварки обшивки в стойке 23,4 МПа.

Подобный характер распределения напряжений был установлен при варьировании частотой вынуждающей силы в случае зависания груза в средних и нижних гофрах. Установлено, что в этом случае наблюдается скачек напряжений в зоне верхнего и среднего гофров соответственно - 47 и 152 МПа.

18

С, Mil:

верхняя обвязка

обшивка в районе приварки к стойке

г: зз 24 s шкворневая стойка

23 23 24 25 26

обшивка в районе верхнего гофра

и, Гц з

22 23 24 25 26 20 21 22 23 24 25 26

обшивка в районе среднего гофра

амш

нижняя обвязка

:1 22 23 24 25 26 20 21 22 23 24 25 26

Рисунок 7 - Графики зависимости величины напряжений от частоты нагружения вынуждающей силы

При исследовании влияния амплитуды вынуждающей силы установлено, что напряжения в элементах металлоконструкции кузова изменяются незначительно и имеют линейную зависимость от амплитуды силы.

Оценка влияния рессорного подвешивания ходовых частей выполнялась путем сравнения двух вариантов: с исключенными упругими элементами из рессорного подвешивания из конструкции тележек и с полным рессорным подвешиванием. Установлено, что при прочих равных условиях рессорное подвешивание ходовых частей снижает величину напряжений в элементах боковой стены до 37%.

Таким образом, анализ численных решений показал, что наибольшие по величине напряжения возникают в месте приварки обшивки к стойке и зоне верхних и средних гофров, что подтверждается результатами натурных обследований технического состояния полувагонов, разгружаемых с использованием вибромашин.

Согласно методике исследования по результатам численных экспериментов выполнен расчет усталостной прочности элементов боковой стены кузова полувагона с учетом асимметрии цикла нагружения. Расчет выполнялся при частоте вынуждающей силы 24 Гц для двух вариантов: без зависания груза в гофрах; при зависании груза в нижних и средних гофрах. Зависший груз в гофрах моделировался как сосредоточенные массы, распределенные по длине гофра в 6 точках. Установлено, что в случае отсутствия зависшего груза в гофрах условие усталостной прочности п > [и] (где [«]= 1,8) не выполняется для зоны контактной приварки листов обшивки к стойкам («=1,6). В случае зависания груза в гофрах условия усталостной прочности не выполняются для зоны приварки листов обшивки к стойкам (и =1,6), а так же верхних (и=1,36) и средних гофров (и =0,45).

На последнем этапе исследования были решены задачи технологического характера.

1. Определение режима воздействия вибромашины на кузов полувагона.

Вибрационный режим нагружения в кузове полувагона возможен при условии, когда ускорение колебаний вибромашины превышает ускорение вынужденных колебаний элементов кузова полувагона. Установлено, что устойчивый синусоидальный режим работы накладной вибромашины на полувагоне с высотой кузова 2365 мм наблюдается при весе вибромашины от 4,6 тс. При этом, чем больше вес вибромашины, тем устойчивее вибрационный режим ее работы.

2. Проверка условия истечения груза.

Условия истечения груза выполняются, когда значение ускорения вынужденных колебаний рамы полувагона, необходимого для реализации технологического эффекта при работе накладной вибромашины, удовлетворяет неравенству:

со2А< 0,9я, (6)

где А - амплитуда вынужденных колебаний, м; § - ускорение свободного падения, м/с2; со - частота вынужденных колебаний, Гц.

Результаты расчетов показали, что при частоте нагружения кузова полувагона вынуждающей силой 24-25 Гц условие истечения груза выполняется при амплитуде вынуждающей силы вибромашины более 78,5 кН.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Проведен анализ технического состояния полувагонов, разгружаемых с использованием вибромашин, выявлены характерные зоны повреждений. Установлено, что более 80% всех повреждений приходится на трещины обшивки в зоне верхнего и среднего гофров, 12% приходится на обрывы листов обшивки от стоек, имеющих контактный тип сварочного соединения.

2 Разработана методика исследования нагруженности элементов кузова полувагона на основе компьютерного моделирования поведения механической системы «вибромашина-кузов-тележка» с учетом пространственного характера действия нагрузки и возможностью корректировки параметров входящих в нее подсистем, а также изменения режимов нагружения в эксплуатации; определения режимов воздействия вибромашин на кузов и проверки условия истечения груза.

3 Создана компьютерная модель системы «вибромашина-кузов-тележка», включающая в себя упругую модель кузова полувагона, что позволяет оценить: напряженное состояние несущих элементов и обшивки кузова.

4 Выполнена идентификация параметров разработанной компьютерной модели по результатам натурных испытаний полувагонов вибронагрузкой. Установлено, что наибольшая сходимость численных и экспериментальных значений наблюдается при коэффициентах матрицы демпфирования равных а=3-10"4 и Р=1,56-10~б, при этом погрешность вычислений не превышает 20%.

5. Произведена верификация разработанной компьютерной модели путем сопоставления численных и экспериментальных значений напряжений, расхождение между которыми не превышает 20%.

6. Выполнены численные исследования, включающие многовариантные

расчет нагруженности кузова полувагона при изменении частоты и амплитуды

21

вынуждающей силы. Показано, что при частоте 24 и 25 Гц величина напряжений в элементах кузова имеет «потенциальную яму», при этом наиболее нагруженными элементами кузова полувагона являются элементы обшивки в районе гофров и приварки к вертикальной стойке. Определено, что в случае зависания груза в средних и нижних гофрах наблюдается скачек напряжений в зоне верхнего и среднего гофров.

7. Установлено, что условие усталостной прочности не выполняется для зоны приварки листов обшивки к стойкам (и=1,6). В случае зависания груза в гофрах условия усталостной прочности не выполняется для зоны приварки листов обшивки к стойкам (и =1,6), а так же верхних («=1,36) и средних гофров (и =0,45).

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Долгих К. О. Экспериментальное исследование вибронагруженности кузова полувагона [Текст] / К. О. Долгих, В. Ф. Лапшин // Вестник транспорта Поволжья. - 2012. - №2. - С. 34-42. - входит в перечень ВАК.

2. Долгих К. О. Идентификация параметров математической модели вибронагруженности кузова полувагона [Текст] / К. О. Долгих, В. Ф. Лапшин // Транспорт Урала. -2012. -№1. - С. 56-61.-входит в перечень ВАК.

3. Долгих К. О. Методика компьютерного моделирования нагруженности механической системы «вибромашина-кузов вагона-тележка» [Текст] / К. О. Долгих, В. Ф. Лапшин // Транспорт Урала. - 2012. - №2. - С. 53-57. - входит в перечень ВАК.

4. Долгих К. О. Математическая модель для исследования вибронагруженности полувагона модели 12-132 [Текст] / «Молодые ученые - транспорту -2009»: сб. научн. тр. в 3-х т. / УрГУПС. - Екатеринбург, 2009. - Т. 1. - С. 55-64.

5. Долгих К. О. Прогнозирование вибронагруженности кузовов полувагонов на основе математического моделирования [Текст] / К. О. Долгих, К. М. Колясов, В. Ф. Лапшин // Проблемы и перспективы развития вагоностроения: Материалы V Всероссийской науч.-практ. конф. (13-14 мая 2010 г., г. Брянск) /

22

под. ред. В.В. Кобищанова. - Брянск: БГТУ, 2010. - С. 60-62. Режим доступа: http://www.elibrary.ru.

6. Долгих К. О. Применение гибридных математических моделей для прогнозирования вибронагруженности кузовов полувагонов [Текст] / К. О. Долгих // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: труды Всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием, 20-22 апреля 2011 г. В 5 т.; под ред. А.Ф. Серенко. - Хабаровск: ДВГУПС, 2011 - Т. 1. - С. 29-34.

7. Долгих К. О. Обеспечение сохранности вагонного парка при виброразгрузке с применением автоматизированных систем [Электронный ресурс] / К. О. Долгих, В. Ф. Лапшин // Транспорт XXI века: исследования, инновации, инфраструктура : материалы научн.-техн. конф., поев. 55-летию УрГУПС : в 2 т. / Уральский государственный университет путей сообщения. — Екатеринбург, 2011. - Вып. 97(180), т. 2. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM).

8. Долгих К. О. Моделирование нагруженности кузова полувагона при виброразгрузке [Текст] / К. О. Долгих // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. VII Международная научно-техническая конференция: тезисы докладов. - СПб.: ПГУПС, 2011. - С. 92-94.

ДОЛГИХ КОНСТАНТИН ОЛЕГОВИЧ

НАГРУЖЕННОСТЬ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НАКЛАДНЫХ ВИБРОМАШИН

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

620034, г. Екатеринбург, ул. Колмогорова 66

Издательство УрГУПС ——-----------—_— ■

Бумага офисная №1 Подписано к печати 27.04.2012 Усл. печ. л. 3,5

Тираж 100 экз. Формат бумаги 60x84 1/16 Заказ №110