автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Нагруженность торцевой стены полувагона при маневровых соударениях

РГв оя

„ 7 "• ;! «1:':л омсш институт

ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи ПАВЛЮКОВ Александр Эдуардович

удк 629. 4. 023.172: 629. 463. 62(043. 3)

НАГРУЖЕННОСТЬ ТОРЦЕВОЙ СТЕНЫ ПОЛУВАГОНА ПРИ МАНЕВРОВЫХ СОУДАРЕНИЯХ

05.22. 07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск - 1993

Работа выполнена в Уральском электромеханическом институте инженеров железнодорожного транспорта и Государственном производственном объединении "Уралвагонзавод".

Научный руководитель Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

кандидат технических наук, профессор Ивашов К А. академик, профессор Лукин В. В. кандидат технических наук, доцент Терехов А. В. Уральское отделение ВНИИЖГа

Защита диссертации состоится " />' 1993

в Ц_ час. на заседании специализированного совета Д 114.06.01 при Омском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу : 644010 Омск, пр. Маркса, 35, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан

хлл&Я 1993 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим напра вить в адрес института.

Ученый секретарь

специализированного совета

академик, профессор В. К. Окишев

- 3 -введение

Полувагоны предназначаются для перевозки большой номенклатуры индустриальных грузов, в том числе сыпучих, навалочных, машин, оборудования, металлопроката и т.д.

Рост механизации погрузочно-разгрузочных работ и возрастающая частота повреадения торцевых дверей полувагонов, связанная с увеличением эксплуатационных нагрузок, * а таете увеличение парка специализированных грузовых вагонов для перевозки техники и оборудования, явились причиной постепенного перехода в последние годы на выпуск полувагонов с торцевыми стенами.

Однако процесс создания оптимальной конструкции торцевой стены с точки зрения прочности, металлоемкости и технологичности как для эксплуатирующихся, так и для перспективных большегрузных вагонов далеко не закончен. .

На торцевые стены приходится 29-33% всех неисправностей кузовов полувагонов, что указывает не только на нарушения в процессе перевозок, но и недостаточный запас прочности,- не соответствующей все возрастающей динамике использования полувагона.

Одним из наиболее тяжелых режимов работы для грузовых вагонов являются маневровые соударения. При этом скорости роспуска вагонов на сортировочных горках превышают 10 км/ч, достигая в отдельных случаях 16 км/ч . Продольные силы в этом случае значительно выше расчетных нормативных величин 3,0 МН. Торцевые стены при соударениях груженых полувагонов испытывают максимальные воздействия по сравнению с другими эксплуатационными операциями, поэтому значения показателей нагруженности торцевых стен при соударениях полувагонов являются основными и критериальными при оценке прочности стен в процессе проектирования. В связи с этим актуальной становится задача исследования динамического напря-

женного состояния торцевой стены и узлов сопряжения ее с рамой и кузовом.

Учитывая многократность проведения натурных испытаний при отработке конструкции торцевой стены и связанные с этим значительные материальные затраты, существенное значение имеет в данной ситуации использование расчетных моделей.

В настоящее время при проектировании расчетная оценка прочности торцевых стен вагонов от нагрузок, вызванных давлением сыпучего груза при соударениях вагонов, в соответствии с нормативными требованиями для вагоностроения носит приближенный характер и не отражает динамического взаимодействия стены и груза.

На основании изложенного, цель работы заключается в выборе рациональных форм и параметров элементов торцевой стены путем исследования на математических моделях ее динамической нагружен-ности при маневровых соударениях.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель системы "полувагон-торцевая стена-сыпучий груз", учитывающая упругие колебания стержневых элементов торцевой стены , упруго-вязкие свойства сыпучего груза и автоколебательные процессы поглощающего аппарата , и предложен способ расчета динамических напряжений в элементах торцевой стены, реализующий кинематическое задание возмущающего воздействия от соударений

2. Исследован характер изменения нагрузок и напряженного состояния торцевой стены от действия сыпучего груза при соударениях полувагонов.

3. Выполнена оценка влияния геометрии сечений элементов конструкции и их сопряжений на напряженно-деформированное состояние торцевой стены.

Практическая ценность.

1. Разработано математическое и программное обеспечение ли-

шмических расчетов торцевой стены, позволяющее выполнить интег-)альную оценку нагруженности элементов торцевой стены при соударении полувагонов, определить характер воздействия сыпучего груза, проанализировать влияние свойств поглощающих аппаратов на *агруженность торцевой стены . Программный комплекс, реализующий методику расчета, разработан применительно к ПЭВМ IBM PC и внед-зен на ПО " Уралвагонзавод".

2. Предложена конечно-элементная расчетная модель кузова и торцевой стены для исследования НДС торцевых стен и кузовов полувагонов модели 12-141 и 12-132 .

3. Произведена уточненная оценка НДС торцевых стен и разра-Эотаны практические рекомендации по совершенствованию конструкции, позволяющие снизить уровень напряжений и рационально использовать металл. Рекомендации использованы на ПО "Уралвагонзавод" при проектировании полувагона модели 12-132 и полувагона . с безремонтной конструкцией кузова.

4. Получены теоретические и экспериментальные данные нагру-женности торцевой стены , которые были использованы в Уральском отделении ВНЮОКТа с целью обоснования выбора режимов ускоренных стендовых, испытаний при разработке методики ресурсных испытаний полувагонов.

5. Создан автоматизированный комплекс программно-аппаратных средств для проведения испытаний рельсовых экипажей на соударение.

Апробация работы .

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXXVI научно-технической конференции ХабИИЖТа (1989г.); на Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта ", г. Омск (1991г.); на 8-й конференции " Проблемы механики железнодорожного транспорта" г. Днепропетровск (1992г.),на заседании кафедр "Вагоны и

вагонное хозяйство" УЭМИИТа (1991,1993) и ОМИИТа (1993).

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем работы. •

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Объем составляет 164 страницы и содержит 58 рисунков, 5 таблиц, 2 приложения, списка литературы из 74 наименований.

содержание работы

Во введении раскрывается актуальность задачи исследования нагруженности и напряженного состояния торцевых стен полувагонов при маневровых соударениях с использованием математических моделей.

В первой главе проведен краткий анализ исследований продольной нагруженности вагонных конструкций и методов оценки давления груза на торцевые стены.

Глубокие исследования по изучению динамической нагруженности вагонов ведутся во ВНИЙЖГе, ГосНИИВе, ШйТе, БИТМе, ДИИТе,ОМИИТв; ПИИТе, ИТМ и других научных и производственных организациях.

Значительный вклад в развитие продольной динамики грузовых вагонов внесли фундаментальные исследования Е. П. Блохина, С. В. Вертинского, Л И. Галеева, Л. 0. Грачевой, В. Е Данилова, С. В. Дуваляна, К Е. Жуковского, В. А. Лазаряна, А. А. Львова, Л. И. Никольского, В. Г. Иноземцева, Л. А. Нальницкого, В. Н. Котуранова Б. Г. Кеглина, Л. А. Манашкина, А. В. Третьякова, В. Д. Хусидова, Ю. М. Черкашина, И. И. Челнокова, Л А. Шадура, А. В. Юрченко.

Вопросы, связанные с оценкой напряженного состояния конструкции экипажей нашли свое отражение в работах Ю. Е Аксенова,

A. А. Львова, В. И Лозбинева, X И..Никольского, В. К. Окишева, С. И. Смазанова, М. М. Соколова, В. Ф. Ушкалова, В. С. Плоткина и др.

Разработке методов оценки давления сыпучего груза на торцевые стенки вагонов при продольных нагрузках посвящены работы О. Г. Войчевского, А. Г. Нетесы, С. И. Пашарина, И. Л. Шаринова, 3. Ф. Скобелева,' С. А. Сенаторова, Л. А. Миронова, В. И. Селинова,

B. А. Атрощенко.

Проведенный анализ исследований показал, что для расчета динамических напряжений в кузовах вагонов с достаточной точностью может быть использован поэтапный подход, предполагающий на первом этапе определение динамических внешних нагрузок, а на втором решение квазистатической задачи определения напряжений посредством МКЭ от этих нагрузок.

Анализ различных моделей динЗ&ического расчета показывает, что для оценки нагруженности кузова вагона на первом этапе предпочтительней использование расчетных схем, рассматривающих кузов вагона как стержневую систему с распределенными параметрами, и методики численного интегрирования дифференциальных уравнений в частных производных, описывающих упругие колебания этих стержней. Это позволяет получить на первом этапе не только значения нагрузок, но и оценить динамические напряжения в стержневых элементах вагона, а на втором этапе использовать пластинчатые конечно-элементные расчетные схемы для уточненной оценки прочности и совершенствования- конструкции.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки математической модели первого этапа "полувагон-торцевая стена-сыпучий груз" Создание математической модели и расчетной схемы строилось с учетом общих закономерностей, присущих различным конструкциям торцевых стен. В связи с этим был проведен краткий анализ отечественных и зарубежных конструкций торцевых частей, который показал, что наиболее распространенной тенденцией при проектирова-

нии торцевой стены является использование конструкции, содержащей лист обшивы, подкрепленный элементами жесткости вертикального и горизонтального расположения. При этом для элементов жесткости используются различные профили. Данные конструкции могут быть апроксимированы стержневой расчетной схемой, рассмотренной в рамках данной работы.

При разработке математической модели нагруженности применена трехуровневая структура , описывающая колебания при соударении : полувагона как двухмассовой системы; торцевой стены как упругой стержневой системы; сыпучего груза как дискретной упруго-вязкой системы.

В качестве объекта исследования принят цельнометаллический полувагон модели 12-141, выпускаемый ПО "Уралвагонзавод". В расчетной схеме (рис. 1) торцевая стена рассматривается как упругая стержневая система, состояшзя из набора горизонтальных и вертикальных элементов с распределенными параметрами. Горизонтальные элементы: верхняя обвязка и два пояса, считаются частично защемленными своими концами в боковые стены полувагона. Вертикальные подкрепляющее элементы - полустойки моделируются упру-го-диссипативными безинерционными элементами, массы которых сосредоточены в местах их соединения с продольными элементами. При расчете динамических напряжений в вертикальных подкрепляющих элементах полустойки рассматриваются как стержни с распределенными параметрами, жестко заделанные концами в нижний горизонтальный пояс стены и концевую балку рамы. Колебания таких элементов вызываются перемещениями их концов, связанных с нижним горизонтальным поясом.

В процессе нагружения предполагается, что горизонтальные элементы испытывают деформации изгиба в горизонтальной плоскости, а вертикальные - в вертикальной.

Колебания стержневых элементов описываются системой диффе-

Идеализированная расчетная схема системы "полувагон-торцевая стена-сыпучий груз"

Рис. I

ренциальных уравнений в частных производных, которая в разностном представлении принимает вид:

' - <ф>0], J

где Г, в - индексы горизонтальных и вертикальных элементов; П -индекс, обозначающий номер горизонтального элемента; 6- -индекс, обозначающий номер вертикального элемента; ^ - порядковый номер сечения; I - текущий номер временного слоя; ^М -поперечное смещение элемента и изгибающий момент;Се -приведенная жесткость полустоек;^ - коэффициент неупругого сопротивления полустоек; - коэффициент внутреннего трения в материале конструкции; момент инерции и площадь поперечного сечения; - шаг разностной аппроксимации по длине горизонтальных и вертикальных элементов (расстояние между двумя сечениями)скорость и ускорение изменения деформаций; - внешняя возмущаюшая сила от действия сыпучего груза.

Решение системы (1) заключается в нахождении решения £), которое удовлетворяло бы заданным граничным и начальным условиям. При исследовании колебаний стержней начальными условиями яв-

ляюгся ординаты статической упрутой линии в рассматриваемых сечениях.

Для определения внешнего возмущения на представленную модель рассматривался процесс ударного взаимодействия вагонов , для описания которого принята двухмасеовая модель вагона, учитывающая автоколебательные свойства поглощающего аппарата.

Математическая модель колебаний при соударении вагонов разрабатывалась в предположении , что при взаимодействии двух одинаковых вагонов , движущихся относительно друг друга со скоростью К> , возникают такие же силы, как и при ударе одного вагона в неподвижную преграду со скоростью У0/2 . Таким образом можно ограничиться описанием колебаний только одного вагона. Уравнение колебаний записывается в виде:

таха - Рв + Р?х,х) = о; твхв+Р8~о,

]

(2)

а

где т - масса автосцепного оборудования с присоединенной

3 у8

частью рамы; т - масса остальной части вагона; X ,Х -перемела

щения, соответствующих масс ; г - сила, действующая на вагон; - силовая характеристика аппарата. Уравнения связи между колебаниями вагона и элементов торцевой стены записываются следующим образом:

ТХ/п ~ X ¡-1 -XI

. _ е _ уб

(3)

J

В уравнениях системы 2.1 Р[1) - внешняя.„возмущающая сила, действующая от сыпучего груза на элементы торцевой стены при соударении полувагона через автосцепку. Для ее определения проа-

нализированы различные модели описания поведения сыпучей среды.

\

С учетом цели задачи, решаемой в данной работе была использована упрощенная феноменологическая модель, имитирующая способ поведения сыпучего груза по входу и выходу. При разработке такой модели основное внимание уделялось установлению только функционального соответствия модели и натуры , не связанных условием тождества их структур. На основании этого груз был представлен дискретными массами, находящимися в вязко-упрутом взаимодействии в каждом сечении стержней. Значительная совокупность свойств сыпучей среды и аспектов взаимодействия внутри ее и со стенками кузова полувагона интегрально учитывается в данной модели условными параметрами упругого Сгр и вязкого сопротивления у^гр , идентифицируемыми по экспериментальным данным. При этом предполагалось ,что давление груза на торцевую стену по ширине распределено равномерно, а влияние поперечных волн в сыпучей среде незначительно, что позволило рассмотреть только продольный фронт сжатия. Для определения масс было принято допущение, что во взаимодействии с торцевой стеной при ударе в автосцепку участвует только часть сыпучего груза, ограниченная призмой сползания при пассивном давлении на стену.Общая масса призмы (см.рис. 1) распределялась на горизонтальные элементы торцевой стены пропорционально прилегающим расстояниям мевду ними и делилась на количество расчетных сечений на каждом элементе.

Уравнения,описывающие- динамическое равновесие масс сыпучего груза и элементов торцевой стены в каждом сечении стержней, имеет вид:

где - глг масса сыпучего груза, сосредоточенная на горизонталь-

■ гр V У3 V

ном элементе с номером /7 ву-ом сечении элемента; / и/

соответственно перемещение, скорость,ускорение массы гру-

за; Cep,Jt"p. - жесткость я вязкость груза на уровне горизонталь-

g

ного элемента стены с номером п ; X - перемещение ваго-

,ГГ7

на; 14/j - перемещение -ого сечения горизонтального элемента стены с номером П

Из уравнения (4) нагрузка от сыпучего груза на стержневые элементы в каждом сечении находится следующим образом:

Pitf'cUf- A'- лру <5>

Таким образом, системы алгебраических уравнений (1), (2), (3) при соответствующих начальных и граничных условиях представляют собой математическую модель колебаний системы "полувагон -торцевая стена - сыпучий груз" при маневровом соударении. Системы дифференциальных уравнений решаются численным интегрированием после определения начальных условий, отражающих статическое давление на торцевую стену сыпучего груза.

Решение задачи удара -полувагона с сыпучим грузом в упор предполагает определение в любой момент времени изгибающих моментов и напряжений в элементах торцевой стены, кинематических параметров системы "полувагон - торцевая стена - сыпучий груз": перемещений, скоростей, ускорений, а также динамических сил: давлений сыпучего груза на торцевую стену вагона, силы, действующей на вагон и усилия в межвагонной связи.

На основании вышеизложенной математической модели и алгоритма решения, был разработан программный комплекс на языке TURBO-PASCAL применительно к ПВВМ IBM РС\АТ.

В дальнейших исследованиях выполнена оценка ряда параметров предложенной математической модели "полувагон-торцевая стена-сыпучий груз" идентификацией по экспериментальным данным.

Для определения коэффициентов внутреннего трения в материале конструкцииJM. и неупругого сопротивления вертикальных подкрепляющих элементов в е использован метод идентификации исследуемых

параметров по результатам натурных испытаний сопоставлением теоретических и экспериментальных значений декремента затухающих колебаний. При натурных испытаниях имитировалось ударное воздействие на исследуемую конструкцию, соответствующее возникающим в эксплуатации при маневровом соударении. Значение полученного декремента аатухания колебаний служило для сопоставления с результатами численного эксперимента на математической модели.

Задача параметрической идентификации в данном случае сводилась к минимизации функции цели вида:

У -8эк)

где 8г,8э - соответственно расчетные и экспериментальные значения декремента, € -заданный уровень ошибки идентификации, /V -количество измерений.

Идентификация коэффициентов упругого сопротивления сыпучего груза Сгр и^гр- вязкого сопротивления сыпучего груза производилась минимизациеЛлфункции рассогласования экспериментально полученных при испытаниях на соударение значениям сил давления на торцевую стену и расчетных данных. Для ускорения итерационного процесса выражение для силы , действующей на элементы стены от груза (5) , было упрошено исключением из последнего перемещений сечений стержней . так как они малосоизмеримы с перемепрни-ями масс груза т^и вагша Xе в процессе удара.

Для итерации оцениваемых параметров реализовалась нестрогая эвристическая процедура, содержащая элементы адаптивного случайного поиска, случайного спуска и использующая априорную информацию. Поиск начинается с задания начальных значений отыскиваемых параметров' и проведения расчетов. Затем определяется направление поиска посредством случайных шагов в большую или меньшую сторону от начальных значений параметров. После определения направления поиска осуществляется спуск в выбранном направлении, при этом

величина шага спуска задавалась из соображений опытного и интуитивного характера. Итерационный процесс прекращается при достижении условия : £ •

Рассмотренная схема идентификации была реализована на ПЭВМ 1ВМ РС в диалоговом режиме.

В результате идентификации были получены следующие значения: И с

^ = 0,0012?'/у? = 0,01 77- и зависимости изменения параметров Сгр иувг/э модели сыпучего груза-черного угля мелких фракций от глубины залегания в полувагоне. Использование зависимостей позволяет получить значения параметров для моделей плувагонов 12-141 и 12-132, отличающихся высотой кузова и количеством горизонтальных поясов.

В третьей главе представлены результаты теоретического исследования продольной нагруженности полувагона и поэтапной оценки характеристик нагруженности торцевой стены.

На первом этапе по результатам теоретических исследований на математической модели получены зависимости от времени силы, действующей на полувагон , перемещений полувагона и масс груза при ударе, нагрузок от сыпучего груза на элементы торцевой стены и напряжений в них при соударении полувагона. На рис. 2 представлены графики данных зависимостей.

Расчетами на модели показан разновременный характер действия по высоте торцевой стены нагрузок от сыпучего груза. Максимум силы от груза на нижнем поясе опережает максимум на верхней обвязке на 0,059с. Изучено влияние свойств поглощающих аппаратов на уровень сил, действующих на полувагон и нагруженность торцевой стены. Поглощающий аппарат Ш-6-Т04 обеспечивает снижение данных воздействии на 16-22% по сравнению с аппаратом Ш-2-В.

Теоретически определенные функции изменения напряжений в элементах торцевой стены использованы для общей оценки напряженного состояния торцевой стены при ударах. Текущие значения функ-

Графики изменения в процессе соударения силы (Рв), действующей на полувагон, силы давления (Р) на элементы торцевой стены и напряжений (<50 б среднем сечении данных элементов -для различных поглощающих аппаратов

3 2.

О

для аппарата Ш-2-В

У0~1,5м/с

У \ \

/ J < \

Л ч N..

50

ш

К =3,$н/с

/ \ ч

/

' Х' / ^ *

пиа

225 Г50 7 5

о,оа о,т 0,2Ц

ОМ

т

/ ✓ / Ч ч

У \

У у ч ч \

I

м

СП

Ш 1

о,о$ о,/6 о,гч

\

\

Ч ч

для аппарата Ш-6-Т04 Р(кИ)

iSQ юо <50

¿/с/

/ / х чч

Ш

О,0& о,/6 0,24

■о,од ол оМ

СГ(МПа 225

т'л?

75

О

Уо-З^п/с

\ \

ч . \ \

\ \

а,О 8 £>,/6 о,2 г/

нижний пояс; --- верхний пояс; --- верхняя обвязка

Рис. 2

ций изменения давления груза и продольной нагрузки на полувагон использовались на втором этапе при квазистатической оценке НДС торцевой стены посредством МКЭ. При этом, в соответствии с целью второго этапа - анализе НДС и выборе вариантов совершенствования конструкции предложено рассматривать только одно условное состояние кагруженноеги стены от максимальных значений нагрузок, полученных на первом этапе.

Для исследований разработана конечно-элементная■ пластинчато-стержневая модель кузова полувагона 12-141, в-которой торцевая стена подвергалась ,как основной объект исследований,более мелкой разбивке на конечные элементы , чем другие элементы кузова. Для трансформирования расчетной модели вводились фиктивные узлы и варьируемые размеры, что позволило применить ее с соответствующими доработками для полувагона модели 12-132.

Выполненные на двух этапах расчеты показали, что наиболее нагруженными зонами конструкции торцевой стены являются верхний пояс и обшива в центре - для полувагона модели 12-141, для полувагона модели 12-132 - средний и верхний пояса. Нормальные напряжения в средних сечениях поясов составляют 84-90% от предела текучести, максимальные эквивалентные в обшиве 115% (для модели 12-141) от предела текучести.

При разработке предложений по совершенствованию и усилению конструкции предложено исходить из сохранения существующей схемы торцевой стены, варьируя и совершенствуя параметры и соединения элементов конструкции. Существующая конструктивная схема торцевой стены, содержащая листы обшивы и каркас из горизонтальных и вертикальных подкрепляющих элементов, сохраняет сформировавшиеся тенденции проектирования данного узла, базирующиеся на опыте эксплуатации, теоретических исследованиях и технологии изготовления. Исходя из этого усиление поясов моделировалось по двум направлениям-, изменение профиля сечения и увеличение жесткости

заделок поясов в угловые стойки. Кроме того был исследован вопрос экономии металла за счет применения более рационального сечения полустойки и уменьщения глубины заделки ее на концевой балке.

Анализ напряженного состояния торцевой стены с конструктивными изменениями показал:

- применение для изготовления поясов профиля П-образного сечения и предлагаемого узла сочленения поясов с угловыми стойками. приводит в совокупности к снижению напряжений в среднем сечении верхнего пояса на 36% и экономии 32,4 кг металла на торцевую стену;

- предлагаемое изменение сечения и уменьшение глубины заделки на 50 мм не приводит к существенному изменению ее напряженного состояния и близлежащих зон конструкции, при этом расход металла на изготовление торцевой стены снимается на 1,38 кг.

Результаты исследований использовались на ПО"УралвагонзаЕоде" при совершенствовании полувагонов модели 12-141 и 12-132, а также разработке полувагона безремонтной конструкции.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований, проведенных с целью оценки характеристик нагружен-ности торцевой стены и проверки достоверности теоретических выводов.

Для осуществления поставленной цели были проведены испытания на соударение полувагона модели 12-141, изготовленного П0"Урал-вагонзавод" Испытываемый полувагон был загружен сухим углем мелких фракций до 70,6 тс. Испытания проводились на внутренних путях ПО "Уралвагонзавода". Работы проводились на двух параллельно расположенных железнодорожных путях. На одном пути устанавливался вагон-лаборатория с регистрирующей аппаратурой, на другом пути; вагон-боек, испытываемый полувагон и четыре груженых полу-Еагона для подпора. Удары в испытываемый полувагон осуществля-

- 19 -

лись груженым вагоном - бойком, разгоняемым локомотивом.

В исследованиях экспериментально определялись следующие характеристики: скорость соударения; сила удара в автосцепку; напряжения в различных зонах несущих элементов торцевой стены; величины давлений сыпучего груза на различных уровнях торцевой стены; продольные ускорения сыпучего груза в верхнем слое.

Измерение давления сыпучего груза производилось датчиками (мессдозами) давления. Для определения напряжений в элементах торцевой стены использовались тензорезисторы типа КФ-5 базой 20 мм и сопротивлением 200 Ом. Для измерения величины продольных ускорений верхнего слоя сыпучего груза датчики ускорений из комплекта аппаратуры ВИ-6 устанавливались на специальные закладные элементы в верхнем слое сьшучего груза.

В процессе экспериментальных исследований для обработки большого объема полученных данных, повышения достоверности и качества результатов были разработаны соответствующие аппаратные и программные средства, ориентированные на применение ПЭВМ IBM PC/AT. Это позволило автоматизировать процесс проведения тарировок, настройки измерительных модулей и обработки экспериментальных данных.

Полученные в экспериментальных исследованиях величины , характеристики и данные подтверждают результаты теоретических исследований на математических моделях . Максимальные расхождения не превышают 15% при определении уровней динамических напряжений в расчетных сечениях поясов торцевой стены. Это позволяет рекомендовать разработанную методику определения динамических напряжений для проведения расчетов конструкций торцевых стен, содержащих горизонтальные подкрепляющие элементы жесткости.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования характеризуют нагруженносгь торцевой стены при однократном ударном нагружении. В настоящее время при доработке и приемке

конструкций грузовых Еагонов используются экспериментальные методы оценки несущей способности ог продольных возмущений за достаточно длительные сроки эксплуатации : до первого заводского ремонта или весь срок службы. Учитывая значительную продолжительность воспроизведения при натурных испытаниях количества соударений , которые испытывает полувагон за данные сроки эксплуатации , важным является использование стендовых испытаний с форсированными нагрузками. Основываясь на полученных в настоящей работе количественных показателях нагруженности и распределении в эксплуатации максимумов растягивающих и сжимающих продольных сил, были предложены режимы стендовых ресурсных испытаний торцевой стены.

Испытания проводились на экспериментальной базе Уральского отделения ВНИИЖГа сотрудниками лаборатории вагонных конструкций отделения при участии автора. Порядок испытаний соответствовал методике, разработанной в УО ВШИЖа, согласованной с ГосЮШВ и утвержденной ЦБ ШС. В процессе испытаний реализовывалась изнутри кузова сосредоточенная нагрузка на верхний пояс торцевой стены, как наиболее нагруженный по результатам данной работы. Режим испытаний создавался сочетанием квазистатических нагрузок с периодической реализацией циклических нагрузок

После реализации блока нагрузок, эквивалентных 12 годам эксплуатации полувагона, ресурсных отказов торцевых стен не зафиксировано. Пластические деформации, замеренные после приложения указанного блока нагрузок составили в средней зоне верхнего пояса торцевой стены 48-50 мм.

Результаты ресурсных испытаний свидетельствуют о потребности совершенствования торцевой стены полувагона модели 12-141 и 12-132 в контексте повышения сопротивления ее конструкции многократным нагрузкам. Одним из вариантов реализации этого могут служить предложения по совершенствованию конструкции, раесмот-

ренные в настоящей работе.

Ба заключительном этапе экспериментальных исследований была выполнена экспериментальная проверка достоверности рекомендаций по совершенствованию конструкции элементов торцевой стены. Для этого проводились испытания на соударение полувагона модели 12-119 N67793788 с торцевой стеной, изготовленной в соответствии с рекомендацией об использовании для поясов профиля П-образного сечения. Как следует из результатов испытаний с применением данных поясов достигнуто снижение напряжений в средних сечениях верхнего и нижнего поясов на 22-26%. Расчетные данные отличаются от экспериментальных не более 15%.

На основании этого было рекомендовано ПО "Уралвагонзавод" при изготовлении серийной продукции и подготовке выпуска полувагона с увеличенной осевой нагрузкой использовать предлагаемые конструктивные совершенствования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана математическая модель системы "полувагон-торцевая стена-сыпучий груз", учитывающая упругие колебания стержневых элементов торцевой стены , упруго-вязкие свойства сыпучего груза и автоколебательные процессы логлоящщего аппарата . Математическая модель имеет возможность настройки на различные торцевые стены .конструкции которых образованы листами обшивы и каркасом из горизонтальных и вертикальных подкрепляющих элементов.

2. Предложен алгоритм расчета динамических напряжений в элементах торцевой стены, реализующий кинематическое задание возмущающего воздействия от соударения полувагона и разработано программное обеспечение расчетов на ПЭВМ IBM PC/AT.

3. Получены процедурой параметрической идентификации демпфи-

рующие характеристики элементов конструкции торцевой стены и па раметры модели сыпучего груза (угля) на различных уровнях.

4. Исследована динамическая нагруженность торцевой стены при продольном ударе в полувагон:

- получены зависимости от времени силы, действующей на пс лувагон, нагрузок от сыпучего груза на элементы торцевой стены напряжений в них;

- установлен разновременный характер действия по высоте торцевой стены усилий от сыпучего груза.

5. Использован и усовершенствован поэтапный подход исследс вания динамических напряжений .предполагающий на первом этаг оценку динамических нагрузок на торцевую стену и напряжений в е элементах, а на втором - решение посредством МКЗ квазистат* ческой задачи уточненной оценки напряженно-деформированшл состояния и совершенствования конструкции.

6. Сопоставление результатов теоретических расчетов Harpj женности торцевой стены с данными испытаний на соударение под1] верждает достоверность предлагаемой математической модели. Щ этом отличие данных,' полученных расчетным и экспериментальна путем для сечений с максимальными напряжениями, не превыше 15%.

7. Созданы конечно-элементные расчетные модели кузовов i торцевых стен полувагонов модели 12-141 и 12-132, проведен ан< лиз НДС, выявлены зоны максимальной нагруженности.

■8. Рассмотрены варианты совершенствования конструкции торц; вой стены:

- использование для горизонтальных подкрепляющих элемент! П-образного профиля и предлагаемой конструкции узла сочленен! их с угловыми стойками приводит к снижению максимальных напряж! ний в данных элементах на 35-40%,

- уменьшение глубины заделки вертикального подкрепляюще

элемента в концевую балку на 50 мм и применение предлагаемого профиля приводят к снижению расхода металла на изготовление при неизменных показателях прочности.

Полученные результаты позволили рекомендовать данные изменения для использования в существующих конструкциях и перспективных.

9. Экономический эффект от использования материалов диссертаций , получаемый экономией в изготовлении и эксплуатации от снижения массы тары полувагона и внедрения комплекса программно-технических средств для проведения испытаний на соударение , в расчете на годовую программу ПО "Уралвагонзавод" составляет 6714550 рублей.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих статьях:

- Павлюков А. Э. , Шувалов ЕЮ. Экспериментальная оценка нагру-женности торцевой стены полувагона // Повышение надежности вагонов, совершенствование методов испытаний, контроля и ремонта : Сб. научн. тр.-М.: ЕНИИЖ1, 1992.-С. ...

- Шувалов Е Ю. , Лапшин Е Ф. , Шкуров Г. П. , Павлюков А. Э. Оценка напряженного состояния торцевой стены полувагона с учетом конструктивных особенностей //Межвуз. сб. научн. тр. /ДИИТ. -1991-С. 21-26.

- Павлюков А. Э. Использование поэтапной методики расчета для совершенствования конструкции торцевой стены полувагона /Проблемы механики железнодорожного транспорта : Тез. докл. конф. в ДИИТе. -Днепропетровск,1992. -С. 112.

- Ивашов В. А., Павлюков А. Э. Расчетная модель и прграммное средство для оценки нагруженности торцевой стены в маневровых соударениях /Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта : Тез. докл. Всесоюзн. научн. -техн. конф. в ОМИИТе.- Омск, 1991.-С. 122.

- Павлюков А. Э. , Шувалов В. Ю. , Лапшин В. Ф. Математическая модель для исследования динамической нагруженности торцевой стены полувагона //Межвуз. сб. научн. тр. /УЭМИИТ. - 1989.-Вып. 80. -С. 111-116. й

- Камаев 0. Б. , Салоусов Г. К , Павлюков А. Э., Паршин C.B. Комплекс программно-технических средств для проведения испытаний на соударение грузовых вагонов / Проблемы механики железнодорожного транспорта : Тез. докл. конф. в ДЖГе. - Днепропетровск, 1992.-

ПАВЛЮКОВ АЛЕКСАНДР ЭДУАРДОВИЧ

НАГРУЖЕННОСТЬ ТОРЦЕВОЙ СТЕНЫ ПОЛУВАГОНА ПРИ МАНЕВРОВЫХ СОУДАРЕНИЯХ

05.22.07 - подвижной состав железных дорог и тяга поездов

С. 12.