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

На правах рукописи

0055344»!

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

10 IКТ 2013

Санкт-Петербург - 2013

005534497

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» на кафедре «Вагоны»

Научный руководитель -

доктор технических наук Лапшин Василий Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС) Третьяков Александр Владимирович

кандидат технических наук, доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог» ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

(БГТУ)

Антипин Дмитрий Яковлевич

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится «25» октября 2013 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 на базе Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «25» сентября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Виктор Александрович Кручек

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 их технического состояния, диагностики, теоретических исследований по прогнозированию ресурса.

Одним из факторов, оказывающих влияние на техническое состояние вагонов в эксплуатации, являются условия их взаимодействия с техническими средствами погрузки-выгрузки, в том числе и с виброразгрузочными комплексами.

Современный этап развития технологий виброразгрузки полувагонов характеризуется:

— переходом на полувагоны модели 12-132 и 12-196 с высотой кузова 2365 мм и введением ограничений на предельно допустимое время нагру-жения полувагона при помощи вибрационных машин за межремонтный период — 168 мин;

— увеличением интенсивности подачи вагонов под виброразгрузку (до 16 раз в месяц) и нередко нарушением требований ГОСТ 22235-2010 по обеспечению сохранности полувагонов при разгрузке с применением вибромашин.

Как показывает опыт эксплуатации полувагонов в кольцевых маршрутах Свердловской железной дороге при подаче вагонов под разгрузку с применением вибромашин количество отказов возрастает в одиннадцать раз. Уже после первого года эксплуатации 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 методики оценки нагруженности кузова полувагона при воздействии вибромашин и на ее основе разработке рекомендаций по повышению ресурса элементов боковой стены.

Научная новизна.

1. Разработана методика исследования нагруженности кузова полувагона при воздействии вибромашин, основанная на положениях метода гибридного моделирования и конечных элементов, с учетом характера действия нагрузки, возможности определения режимов воздействия вибромашины на кузов полувагона, проверки условия истечения груза.

2. Разработана компьютерная модель «вибромашина-кузов-тележка», обладающая возможностью корректировки параметров входящих в нее подсистем, адаптированная к изменению параметров вибронаг-ружения, учитывающая упругие свойства кузова, сложное напряженное состояние его элементов и геометрию несущих элементов и обшивки.

3. Исследовано влияние параметров накладных вибромашин на на-груженность элементов кузова полувагона, выполнен расчет значений коэффициентов запаса усталостной прочности элементов обшивки с учетом возможного зависания части груза в гофрах боковой стены.

Практическая ценность.

1. Разработанные в диссертации методика и гибридная компьютерная модель «вибромашина-кузов-тележка» позволяют оценить напряженное состояние элементов кузова полувагона с учетом характера иагруже-ния вибрационными машинами, конструктивного исполнения элементов кузова, а также выполнить оценку усталостной прочности конструкции как на стадии проектирования новых полувагонов, так и в эксплуатации уже

существующих, при минимальных затратах времени и средств на экспериментальную доводку.

2. Разработанные автором технические решения, позволяют обеспечить выполнение требований по сохранности полувагонов при разгрузке с применением вибромашин и повысить эффективность использования полувагонов.

Реализация работы.

Полученные результаты натурных и численных исследований использованы Уральским отделением ОАО «ВНИИЖТ» при разработке требований по обеспечению сохранности подвижного состава при разгрузке с применением вибромашин.

Отдельные положения и результаты работы используются при проведении НИОКР кафедры «Вагоны» ФГБОУ ВПО УрГУПС, выполнении дипломных работ, бакалаврских и магистерских диссертаций на кафедре «Вагоны».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических 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.); Региональной научно-технической конференции «Молодые ученые - вагоностроению и вагонному хозяйству» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.); Научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2009 г.); V Уральской выставке-ярмарке железнодорожного, автомобильного, специального транспорта и дорожно-строительной

техники «Магистраль-2009» (г. Нижний Тагил, 2009 г.); семинарах кафедры «Вагоны» УрГУПС (г. Екатеринбург, 2009-2012 г.); научно-техническом совете Уральского конструкторского бюро вагоностроения ОАО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» (г. Нижний Тагил, 2013 г.); заседании кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС (г. Омск, 2013 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 4 - в изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение, 3 приложения и изложена на 148 страницах машинного текста, в том числе 22 таблицы, 60 рисунков. Список использованных источников насчитывает 132 наименования.

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 виб-ронагруженности и долговечности подвижного состава.

Значительный вклад в разработку методов расчета, испытаний, проектирования и оптимизации подвижного состава внесли ученые В.Р. Асад-ченко, П.С. Анисимов, Н.С. Бачурин, C.B. Беспалько, A.A. Битюцкий, Е.П. Блохин, М.М. Болотин, Ю.П. Бороненко, H.H. Воронин, C.B. Вертинский, И.И. Галиев, М.И. Глушко, Д.Г. Евсеев, Р.И. Зайнетдинов, С.Н. Киселев, В.В. Кобищанов, В.Н. Котуранов, А.Д. Кочнов, В.П. Лозбинев,

B.B. Лукин, M.H. Овечников, B.K. Окишев, A.M. Орлова, А.Э. Павлюков, Г.И. Петров, B.C. Плоткин, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, О.М. Савчук, В.И. Сакало, В.И. Сенько, A.B. Смольянинов, A.M. Соколов, М.М. Соколов, A.B. Третьяков, C.B. Урушев, П.А. Устич, В.Н. Филиппов, A.A. Хохлов, В.Д. Хусидов, И.И. Челноков, Ю.М. Черкашин, JI.A. Шадур, H.H. Шапошников и многие другие.

Большое значение в развитии прикладных методов расчета вибраций конструкций вагонов имеют работы научной школы МИИТа, выполненные профессором В.Ф. Хусидовым и его учениками В.В. Козловым, В.Ф. Лапшиным, Е.И. Мироненко, В.Н. Панкиным, С.И. Смазановым и другими. Однако разработанные методики позволяли определять напряжения только в несущих элементах кузовов, моделируемых балочными элементами.

Значительный 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 УрГУПС: С.А. Другаль, Г.А. Брагин, Б.С. Дубровин, В.Б. Свердлов, С.А. Сенаторов, Г.К. Сендеров, П.Р. Лосев, А.Н. Антропов и другие.

Анализ работ в этой области, показал, что используемые методики имели ряд допущений: нагрузка от вибромашины па кузов полувагона прикладывалась только в вертикальной плоскости, в то время как реальное нагружение имеет круговой характер и действует в плоскости перпендикулярной продольной оси вагона; оценка нагруженности выполнялась только для несущих элементов; не учитывалась геометрия и конструктивные особенности элементов обшивки кузова.

На основании вышеизложенного для достижения цели диссертационной работы были поставлены 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», включающий в себя твердотельные компьютерные модели «вибромашина» и «тележка», а так же упругую модель «кузов» на основе метода конечных элементов.

4. Провести натурные испытания полувагонов с целью определения значений напряжений в элементах конструкции боковой стены, получения данных о характере протекающих процессов (в переходных и установившихся режимах) и внутреннем трении в материале конструкции с последующей идентификацией параметров компьютерной модели «кузов», верификации разработанных компьютерных моделей.

5. Провести численные эксперименты с целью оценки напряженного состояния и ресурса элементов кузова полувагона, решения задач технологического характера и обоснования рекомендаций по повышению срока службы кузова полувагона.

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

В период с октября 2009 г. по октябрь 2010 г.проведен осмотр полувагонов, эксплуатируемых в кольцевых маршрутах Свердловской железной дороги. Осмотры производились на пунктах выгрузки с применением накладных вибромашин. Как показал анализ, наибольшее количество повреждений приходится на обшивку боковой стены — трещины в обшивке и отрывы листов от стоек. По результатам комиссионных осмотров полува-

гонов модели 12-132, поступающих на разгрузку с использованием виброразгрузочной техники, определены количественные значения по каждому виду повреждений кузова.

Более 90% повреждений кузовов полувагонов приходится на боковые стены, которые проявляются в трещинах обшивки в районе верхнего и среднего гофров, отрывах листов обшивки от стоек (рисунок 1). На долю трещин по обшивке в районе гофров приходиться более 80% (рисунок 1, а, б, е) при их длине 30-100 мм. При креплении листов обшивки к стойкам точечной сваркой характерны отрывы листов обшивки от 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.

Отрывы обшивки СУГ .вертикальных \ стоек

Трещины V ч'Ч>бшивки у вертикальных стоек--.

Вырывы ¿(разрушение) \ обшивки

Трещины 8 районе нижнего гофрг 2%

Трещины в районе среднего гофра 39%

Трещины в районе верхнего гофра

Рисунок 1 - Распределение характерных повреждений элементов боковой стены

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

Процесс компьютерного моделирования нагруженности кузова вагона от действия вибромашин описывался блок-схемой (рисунок 2), в основу которого положен метод гибридного моделирования. Сущность такого метода заключается в объединении в одной моделе упругих и твердых тел.

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.

Компьютерная модель накладной вибромашины представлена в виде двух взаимосвязанных твердых тел, одно из которых является рабочим органом - дебалансом, а другое - рамой вибромашины. Вращательное движение дебаланса 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 ANSYS.

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

(1)

[£>] = <Х-[М]+Р-[Я]

(2)

Подготовка отдельных моделей механической системы «вибромашина-кузов-тележка»

1 вердотелышя л юделъ вибромашины

Конечно-элементная модель упругого кузова

Твердотельная модел ь ходовых частей

Ш

„Л 1-

Формирование компьютерной модели механической системы «вибрамашипа-кузов-теяежка»

Задание связей между подсистемами

Задание силовых элементов между подсистемами

-I х-

Моделирование нагруженности

механической системы «вибромашина-кузов-тележка»

Определение Проверка Определение Опре.делеиие

режима условия напряжении кузова собственных

воздействия истечения частот и форм

вибромашины груза колебаний кузова

на кузов

. (19 -Л <-— СО' ........\ и. ([£]- Г-РЯКзНО

Моделирование ресурса кузова полувагона

Моделирование накопления повреждений (усталость)

N

Оценка, усталостной прочности

<у:/У

[«1

Прогнозирование ресурса

;У <- ........

. -■'{—-■ > ас-«

Корректировка

режимов погружения в эксплуатации

Корректировка параметров при проектировании и модернизации элементов системы

Рисунок 2 - Блок-схема алгоритма компьютерного моделирования нагруженности кузова вагона

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

где [А/]— матрица масс; {¿¡\ — вектор узловых ускорений; [о] - матрица демпфирования; {<7} - вектор узловых скоростей: [а] - матрица жестко-стей; {¿7} — вектор узловых перемещений; (р(У)} — вектор внешних нагрузок; а, р - коэффициенты, выбираемые в зависимости от характеристик материала.

В качестве подсистемы «тележка» была принята модель типовой тележки грузового вагона 18-100, разработанная А.Э. Павлюковым и представляющая собой систему твердых тел, связанных силовыми элементами и шарнирами. На этапе формирования компьютерной модели «вибромашина-кузов-тележка» взаимодействие между отдельными подсистемами описывалось силовыми элементами типа «точка—плоскость».

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию на-груженности кузова полувагона.

Испытания проводились на разгрузочной площадке ОАО «Свято-гор». В качестве объекта испытаний использован порожний полувагон мо-

;

I

; дели 12-132. Вибрационное нагружение полувагона осуществлялось на-

\ кладной машиной ДП-32 УХЛ. применяемой для очистки полувагонов.

Для регистрации напряжений использовались тензорезисторы базой 20 мм, которые наклеивались на боковую стену в наиболее повреждаемых зонах. В обшивке максимальные значения напряжений возникают в углах верхнего и среднего гофров - 35,2 МПа, и зоне приварки листов обшивки к шкворневой стойке - 32,7 МПа.

Процедура параметрической идентификации сводилась к отысканию | значений параметров а, р матрицы демпфирования (2) математической мо-

дели (1), которые обеспечивают максимальную близость выходных расчетных и экспериментальных значений при одинаковых входных параметрах. Наибольшая сходимость теоретических и экспериментальных значений наблюдается при а = 310-4 и р = 1,56-10-6. Проверка компьютерной модели осуществлялась сопоставлением расчетных и полученных в ходе эксперимента виброграмм напряжений (рисунок 5) при установившемся режиме нагружения с амплитудой вынуждающей силы 88 кН.

81.6 8!, 7 81.8 81.9 »2 82,: 82.2 82.3 Ш 81.8 51.9 В Ш 82.2 82.3

а - численное решение; б - эксперимент. Рисунок 5 — Виброграммы напряжений при установившемся режиме работы вибромашины

Расхождение расчетных и экспериментальных результатов не превышает 20%.

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

На первом этапе теоретических исследований установлено, что большую по величине амплитуду колебаний имеют 1, 2, 5 и 6 панели обшивки, что подтверждает характер распределения повреждений кузова полувагона. При этом частота 24 Гц находится в зоне свободной от собственных частот колебаний кузова, что позволяет использовать данную частоту как рабочую частоту накладной вибромашины.

Наиболее неблагоприятным случаем является зависание груза в средних и нижних гофрах. Анализ численных решений показал, что наибольшие по величине напряжения возникают в местах приварки обшивки к стойке и зоне верхних и средних гофров. Напряжения в указанных зонах достигают 83,8-101МПа, что превышает уровень напряжений в случае порожнего состояния вагона на 30-35%.

Согласно методике исследования по результатам численных экспериментов выполнен расчет усталостной прочности элементов боковой стены кузова полувагона. Расчет выполнялся при частоте вынуждающей силы 24 Гц. При отсутствии зависания груза в гофрах условие усталостной прочности п > [и] (где [л] = 1,8) не выполняется для зоны приварки листов обшивки к стойкам (п = 0,54), а так же в углах верхних и средних гофров (и = 1,13). Для этих же зон условие усталостной прочности не выполняется и в случае зависания груза в гофрах. Для зон с минимальным коэффициентом запаса усталостной прочности определено суммарное число циклов нагружения за межремонтный период до достижения повреждения -N = 4,33-104 циклов.

С целью снижения повреждений элементов кузова предложена принципиальная схема автоматизированной системы управления процес-

сом разгрузки полувагонов, основанная на вагонной модели дороги, существующей системы управления вагонным парком. На предложенный способ разгрузки получен патент на полезную модель №2465189 с приоритетом от 7 февраля 2011 года.

На заключительном этапе исследований теоретически обоснована возможность применения обшивки со сквозными гофрами в конструкции боковых стен полувагонов. В рассматриваемой конструкции кузова коэффициент запаса сопротивления усталости в зонах приварки листов обшивки к стойкам выше на 65%, а для углов горизонтальных гофров - на 33%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ технического состояния полувагонов, разгружаемых с использованием вибромашин, выявлены характерные зоны повреждений в элементах кузова. Установлено, что более 80% всех повреждений приходится на трещины обшивки в зоне верхнего и среднего гофров, 12% приходится на отрывы листов обшивки от стоек.

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 с возможностью корректировки параметров входящих в нее подсистем, а также изменения режимов нагруже-ния в эксплуатации, определения режимов воздействия вибромашин на кузов и проверки условия истечения груза. Компьютерная модель системы «вибромашина-кузов-тележка», включает в себя упругую модель кузова полувагона, что позволяет оценить напряженное состояние несущих элементов и обшивки кузова.

3. Проведены натурные испытания полувагона модели 12-132 от действия накладной вибромашины. По полученным данным выполнена идентификация параметров разработанной компьютерной модели. Установлено, что наибольшая сходимость численных и экспериментальных

значений наблюдается при коэффициентах матрицы демпфирования равных а = 3-Ю"4 и р = 1,56-10"6. Расхождение в этом случае не превышает 20%.

4. Выполнен многовариантный численный эксперимент по оценке влияния режимов нагружения на нагруженность кузова полувагона. Показано, что при частоте нагружения 24 Гц величина напряжений в элементах кузова имеет «потенциальную яму». Значения напряжений не превышают 69 МПа в зонах приварки листов обшивки к шкворневой стойке и 55 МПа в листах обшивки. При зависания груза в средних и нижних гофрах обшивки боковой стены наблюдается скачок напряжений до 83,8 МПа в зонах приварки листов обшивки к вертикальным стойкам и до 101 МПа в углах выштамповок обшивки.

5. Установлено, что для полувагона модели 12-132 с обшивкой с периодически повторяющимися гофрами суммарное число циклов нагружения за межремонтный период не должно превышать N = 4,33 • 104 циклов.

6. Разработаны рекомендации по повышению ресурса кузова полувагона:

— предложена схема автоматизированного управления процессом разгрузки полувагонов на основе вагонной модели дороги существующей системы управления вагонным парком;

- обоснована возможность использования обшивки из профиля с продольными сквозными гофрами. Рассмотренные конструктивные решения позволяют снизить уровень напряжений на 46,55%.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации, входящие в перечень, рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации:

1. Долгих К.О., Лапшин В.Ф. Экспериментальное исследование виб-ронагруженности кузова полувагона // Вестник транспорта Поволжья. -Сам.: Самарский гос. ун-т путей сообщения, 2012. - Вып. 2. стр. 34-42.

2. Долгих К.О., Лапшин В.Ф. Идентификация параметров математической модели вибронагруженности кузова полувагона // Транспорт Урала. -Ект.: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2012. -Вып.1. стр. 56-61.

3. Долгих К.О., Лапшин В.Ф. Методика компьютерного моделирования нагруженности механической системы «вибромашина-кузов вагона-тележка» // Транспорт Урала. — Ект.: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2012.-Вып.2. стр. 53-57.

4. Долгих К.О., Лапшин В.Ф. Совершенствование конструкции кузова полувагона из условия обеспечения сохранности при виброразгрузке // Транспорт Урала. - Ект.: Уральский гос. ун-т путей сообщения, 2013. -Вып.1. стр. 54-59.

Публикации, не входящие в перечень, рекомендованных ВАК Минобразования Российской Федерации:

5. RU 2465189 С1. Способ управления работой вибрационной машины при разгрузке сыпучих материалов из вагонов. / Лапшин В.Ф., Долгих К.О. /№ 2465189; опубл. 27.10.2012, бюл. № 30.

6. Долгих, К. О. Математическая модель для исследования вибронагруженности полувагона модели 12-132 / «Молодые ученые - транспорту -2009» - Екатеринбург: УрГУПС, 2009. - Т. 1. - С. 55-64.

7. Долгих, К. О. Прогнозирование вибронагруженности кузовов полувагонов на основе математического моделирования / 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) / под. ред. В.В. Кобищанова. - Брянск: БГТУ, 2010. - С. 60-62. Режим доступа: http:/Avvvw.e 1 ibrarv.ru.

8. Долгих, К. О. Применение гибридных математических моделей для прогнозирования вибронагруженности кузовов полувагонов / 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.

9. 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.

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

11. Долгих, К. О. Обеспечение сохранности полувагонов при погру-зо-разгрузочных работах / К. О. Долгих, И. С. Кузнецова, В. Ф. Лапшин // Современные проблемы транспортного комплекса России: Вып. 2: Меж-вуз. сб. науч. тр. / под. ред. А. Н. Рахмангулова. Магнитогорск: Изд-во Магнитогосрк. гос. техн. ун-та им. Г. И. Носова, 2012. — С. 232-238.

12. Долгих, К. О. Разработка мероприятий по обеспечению сохранности подвижного состава при разгрузочных операциях / К. О. Долгих, В. Ф. Лапшин, Э. М. Рязанов // Транспортные и транспортно-технологические системы: материалы Международной научно-технической конференции. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2013. - С. 27-32.

Подписано к печати 19.09.2013

Печать - ризограф™ Бумага для множит, апп.

Печ. л. - 1,0 п л. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. СР ПГУПС

Заказ 898.

190031, С-Петербург, Московский пр. 9

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО УрГУПС)

НАГРУЖЕННОСТЬ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ

НАКЛАДНЫХ ВИБРОМАШИН

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

04201364250

На правах рукописи

ДОЛГИХ КОНСТАНТИН ОЛЕГОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В.Ф. ЛАПШИН

Екатеринбург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................... 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................................................... 8

1.1 Обзор работ по исследованию взаимодействия вибромашин

с вагонами................................................................... 8

1.2 Анализ методов математического моделирования нагруженности вагонов...................................................... 13

1.3 Постановка задачи исследования.................................... 18

2 АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ

КУЗОВА ПОЛУВАГОНА...................................................... 20

2.1 Особенности взаимодействия системы вибромашина-вагон..... 20

2.2 Анализ технического состояния полувагонов модели 12-132.... 23

2.3 Выводы по разделу 2...................................................... 33

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА....... 34

3.1 Блочная схема компьютерного моделирования нагруженности кузова вагона............................................................... 34

3.2 Компьютерные модели для исследования нагруженности

кузова полувагона......................................................... 37

3.3 Выводы по главе 3......................................................... 48

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА, ИДЕНТИФИКАЦИЯ

И ВЕРИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ...................... 49

4.1 Методика исследования нагруженности кузова полувагона...... 49

4.2 Идентификация параметров компьютерной модели механической системы......................................................................................................54

4.3 Верификация компьютерной модели......................................................................59

4.4 Результаты экспериментального исследования..........................................60

4.5 Выводы по главе 4....................................................................................................................63

5 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ

И ОЦЕНКА РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВА ПОЛУВАГОНА..........65

5.1 Анализ собственных частот и форм колебаний кузова полувагона....................................................................................................................................65

5.2 Оценка напряженного состояния кузова полувагона........................71

5.3 Оценка ресурса элементов боковой стены кузова

полувагона......................................................................................................................................89

5.4 Решение задач технологического характера..............................95

5.5 Разработка рекомендаций по повышению ресурса

кузова полувагона..................................................................................................................100

5.6 Выводы по главе 5..................................................................................................................111

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ДИССЕРТАЦИИ....................................................................................113

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................115

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Программа испытаний полувагона от действия

накладной вибромашины..................................................................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Акт испытаний полувагона..............................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Материалы внедрения результатов исследований... 144

ВВЕДЕНИЕ

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 их технического состояния, диагностики, теоретических исследований по прогнозированию ресурса.

Одним из факторов, оказывающих влияние на техническое состояние вагонов в эксплуатации, являются условия их взаимодействия с техническими средствами погрузки-выгрузки, в том числе и с виброразгрузочными комплексами.

Современный этап развития технологий виброразгрузки полувагонов характеризуется:

- переходом на полувагоны модели 12-132 и 12-196 с высотой кузова 2365 мм и введением ограничений на предельно допустимое время нагружения полувагона при помощи вибрационных машин за межремонтный период - 168 мин;

- увеличением интенсивности подачи вагонов под виброразгрузку (до 16 раз в месяц) и нередко нарушением требований ГОСТ 22235-2010 по обеспечению сохранности полувагонов при разгрузке с применением вибромашин.

Как показывает опыт эксплуатации полувагонов в кольцевых маршрутах Свердловской железной дороге при подаче вагонов под разгрузку с применением вибромашин количество отказов возрастает в одиннадцать раз. Уже после первого года эксплуатации 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 методики оценки на-груженности кузова полувагона при воздействии вибромашин и на ее основе разработке рекомендаций по повышению ресурса элементов боковой стены.

Научная новизна.

1. Разр аботана методика исследования нагруженности кузова полувагона при воздействии вибромашин, основанная на положениях метода гибридного моделирования и конечных элементов, с учетом характера действия нагрузки, возможности определения режимов воздействия вибромашины на кузов полувагона, проверки условия истечения груза.

2. Разработана компьютерная модель «вибромашина-полувагон-тележка», обладающая возможностью корректировки параметров входящих в нее подсистем, адаптированная к изменению параметров вибронагружения, учитывающая упругие свойства кузова, сложное напряженное состояние его элементов и геометрию несущих элементов и обшивки.

3. Исследовано влияние параметров накладных вибромашин на нагружен-ность элементов кузова полувагона, выполнен расчет значений коэффициентов запаса усталостной прочности элементов обшивки с учетом возможного зависания части груза в гофрах боковой стены.

Практическая ценность.

1. Разработанные в диссертации методика и гибридная компьютерная модель «вибромашина-кузов-тележка» позволяют оценить напряженное состояние элементов кузова полувагона с учетом характера нагружения вибрационными машинами, конструктивного исполнения элементов кузова, а также выполнить оценку усталостной прочности конструкции как на стадии проектирования новых полувагонов, так и в эксплуатации уже существующих, при минимальных затратах времени и средств на экспериментальную доводку.

2. Разработанные автором технические решения, позволяют обеспечить выполнение требований по сохранности полувагонов при разгрузке с применением вибромашин и повысить эффективность использования полувагонов.

Реализация работы.

Полученные результаты натурных и численных исследований использованы Уральским отделением ОАО «ВНИИЖТ» при разработке требований по обеспечению сохранности подвижного состава при разгрузке с применением вибромашин.

Отдельные положения и результаты работы используются при проведении НИОКР кафедры «Вагоны» ФГБОУ ВПО УрГУПС, выполнении дипломных работ, бакалаврских и магистерских диссертаций на кафедре «Вагоны».

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических 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.); Региональной научно-технической конференции «Молодые ученые - вагоностроению и вагонному хозяйству» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2011 г.); Научно-технической конференции «Молодые ученые - транспорту» (г. Екатеринбург, УрГУПС, 2009 г.); V Уральской выставке-ярмарке железнодорожного, автомобильного, специального транспорта и дорожно-строительной техники «Магистраль-2009» (г. Нижний Тагил, 2009 г.); семинарах кафедры «Вагоны» УрГУПС (г. Екатеринбург, 2009-2012 г.); научно-техническом совете Уральского конструкторского бюро вагоностроения ОАО «Научно-производственная корпорация «Уралвагонзавод» (г. Нижний Тагил, 2013 г.); заседании кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПС (г. Омск, 2013 г.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 4 — в изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, 5 глав, заключение, 3 приложения и изложена на 148 страницах машинного текста, в том

числе 22 таблицы, 60 рисунков. Список использованных источников насчитывает 132 наименования.

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

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Обзор работ по исследованию взаимодействия вибромашин с вагонами

В последнюю четверть прошлого века потребность промышленности обусловила появление и внедрение на складах сыпучих грузов промышленности и транспорта принципиально новых машин - вибрационных, предназначенных для механизации выгрузки из вагонов сыпучих и смерзшихся грузов. Выгрузка осуществлялась за счет придания частицам груза вибрационного перемещения.

Большой вклад в определение оптимальных параметров вибромашин, разработку методов исследований вагонов при воздействии вибрационных машин и 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, Т.К. Сендеров, П.Р. Лосев, А.Н. Антропов и другие.

Анализ исследований в этой области показывает, что все работы относятся к решению задач оптимизации вибрационных машин: определению рациональных параметров; снижению уровня шума; увеличению ресурса работы; обеспечению сохранности парка вагонов при разгрузочных операциях.

Так, в работах [3, 4] приведены результаты испытаний восьмиосного цельнометаллического полувагона (не эксплуатируемого в настоящее время) на прочность при воздействии на него накладного вибратора, предназначенного для очистки от остатков сыпучих материалов и навалочных грузов при их разгрузке. Доказано, что при разгрузке восьмиосного полувагона накладным вибратором, имеющим параметры - частота и амплитуда возмущающей силы соответственно 25 Гц и 88 кН, масса 5 т, длина опорных элементов, контактируемых с верхней обвязкой 3000 мм - напряжения, возникающие в элементах конструкции кузова и

рамы полувагона не превышают допустимых значений, исчисленных из условия усталостной прочности.

Кроме того, показано, что при длительном воздействии накладным вибратором на восьмиосный полувагон (не бывшем в эксплуатации) возникают трещины сварных швов усиливающих косынок и основного металла верхней обвязки, в панелях обшивки вдоль концевых стоек и у мест постановки увязочных скоб, а также в местах соотношений верхних поясов поперечных балок с обвязочным угольником. Применение вибратора вызывает также ослабление резьбовых соединений.

При выборе характеристик вибратора с пониженным уровнем шума в работе [5] показано, что переход на безударный режим позволяет снизить уровень шума, возникающего при работе накладного вибратора до допустимого по санитарным нормам. Впервые установлено, что за счет асимметричного приложения вибронагрузок к полувагону можно обеспечить эффект разгрузки при существенно меньшем, чем у действующих до этого вибраторов, уровне силового воздействия на вагон.

Доказано, что выгрузка насыпных грузов из цельнометаллических восьми-осных полувагонов может быть осуществлена накладным вибратором, воздействующим на одну стенку полувагона в ее плоскости. При этом вибронагружения передаются через упругие элементы (резиновые пластины), а сам вибратор имеет параметры: частота вынуждающей силы 24 Гц, амплитуда возмущающей силы 69 кН, масса вибромашины 5 т. Необходимо отметить, что технология работы с накладным вибратором, воздействующим на одну стену полувагона остается той же, что и с накладным вибратором, воздействующим одновременно на обе боковые стены полувагона.

При эксплуатации накладных вибромашин были зафиксированы случаи их повреждений. В работах [6, 7] разработана методика расчета на прочность конструкций накладных вибромашин. Так на основе обобщения опыта эксплуатации вибратора, теоретических и экспериментальных исследований предложена конструкция накладного вибратора повышенной долговечности, рекомендованного для

широкого внедрения в пунктах массовой переработки сыпучих материалов. Показано, что применение дебалансов, свободно с зазором посаженных на эскцентри-ковых втулках, в принципе позволяет уменьшить установленную мощность электродвигателя накладной вибромашины.

Опыт эксплуатации накладных вибраторов для сыпучих материалов в разных пунктах выгрузки и на разных грузах рассмотрен в работах [8 - 10]. Наименьшее время очистки и сохранность парка полувагонов обеспечивают вибраторы с параметрами: ускорение колебаний - 0,8-0^; амплитуда возмущающей силы - 88 кН; частота возмущающей силы - 23,3-26,7 Гц. Экспериментально доказано, что повышение частоты свыше 26,7 Гц и амплитуды возмущающей силы свыше 88 кН не ускоряет темпов и не улучшает качества очистки полувагонов от остатков перевозимого груза. Также доказано, что всякие неровности на опорных поверхностях вибратора усиливают отрицательное влияние вибратора на верхнюю обвязку полувагона, в связи с этим опорные поверхности вибратора должны выполняться прямыми, гладкими и не иметь неровностей.

В работах [11 - 15] экспериментально обоснованы из условий прочности полувагонов допустимые нормы силового воздействия штыревых вибрационных рыхлителей смерзшихся грузов на металлоконструкцию четырехосных полувагонов. Показана качественная и количественная картина распределения напряжений в несущих элементах кузова полувагона при разных режимах работы рыхлителя и разных вариантах установки его на вагоне. Установлено, что амплитуды напряжений высокого уровня в кузове вагона возникают при рыхлении абсолютно смерзшегося груза с «перекосом» рабочего органа.

Для снижения повреждаемости вагона рекомендован ряд технических решений:

- направляющая рама симметричного типа увеличенной длины с ограничителями, исключающими возможность контакта штырей с боковыми стенами кузова;

- направляющие рабочего органа охватывают крайние штыри снаружи;

- диагональное расположение тросов, соединяющих рабочий орган с опорной рамой;

- штыри постоянного по длине сечения.

По условиям сохранности вагонного парка амплитуда возмущающей силы штыревых виброрыхлителей, воздействующих на груз без контакта с верхней обвязкой и другими элементами металлоконструкции полувагона, не должна превышать 196 кН. При этом оптимальной, с точки зрения сохранности вагонного парка, следует считать такую конструкцию рыхлителя, которая обеспечивает воздействие только на груз и исключает непосредственный контакт рыхлителя с разгружаемым вагоном.

Экспериментально обоснованы оптимальные параметры вибратора продольного действия [16 - 18], предназначенного для полной, без остатков, разгрузки двух смежных находящихся в сцепленном состоянии полувагонов с навалочными грузами. Показано, что по сравнению с известными накладными вибраторами данный вибратор обладает большей производительностью и не оказывает повреждающее влияния на конструкцию разгружаемых полувагонов.

Безмостовая вибрационная (инерционная) машина для выгрузки сыпучих грузов из крытых железнодорожных вагонов приведена в работе [19]. Показано, что безмостовая вибромашина обеспечивает разгрузку одного крытого вагона за 12-15 мин. (производительность 240 - 250 т/час) и не оказывает повреждающего воздействия на разгружаемые вагоны.

В работе [20] приводятся результаты испытаний полувагонов на усталость при их очистке в роторе вагоноопрокидывателя с помощью вибрацинного устройства. Показано, что при суммарной возмущающей силе виброустройства равной по амплитуде 167 кН, объем повреждений, получаемых полувагонами при виброоч