автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка динамической нагруженности шкворневых узлов вагонов-цистерн и совершенствование их конструкции

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

РГ 6 ^

о ¡мп - О .л ¡->-

На правах рукописи

ПАВЛОВ

Сергей Васильевич

УДК 629.463:531.4 -(- 539.4

ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКОЙ НАГРУЖЕННОСТИ

ШКВОРНЕВЫХ УЗЛОВ ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ИХ КОНСТРУКЦИИ

05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993

Работа выполнена на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство» Петербургского института инженеров железнодорожного транспорта.

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор

м. м. соколов

Научный консультант — кандидат технических наук

A. В.ТРЕТЬЯКОВ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Л. А. МАНАШКИН; кандидат технических наук

B. М. МЕЛАНИН

Ведущая организация — Октябрьская железная дорога.

Защита состоится 26 марта 1993 г. в ..... часов . гУ. . минут на заседании специализированного совета Д 114.03.02 при Петербургском институте инженеров железнодорожного транспорта по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ПИИТ, аудитория 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ин-та.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в совет ин-та.

Автореферат разослан «. . февраля 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

Б. В. РУДАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Современные условия эксплуатации подвижного состава характеризуются увеличением массы поездов и повьгаением их скоростей движения, что приводит к ужесточению условия работы большинства узлов грузовых вагонов. Это требует дальнейшего совер-иенствования конструкций вагонов с целью повышения надежности их основных несуэдх узлов в эксплуатации.

В последние годы благодаря работам ЕНЮТА, . ГосНИИВа, БЭТНа, ДИИТа, Ша, ШИТа и других исследовательских организаций отечественное вагоностроение достигло определенных успехов в совершенствовании методов расчета конструкций вагонов. Однако, проектирование и расчет сборочных единиц вагонов, в которых при эксплуатации кадболее часто наблюдаются повреждения, все еце ведется с недостаточным учетом реальных силовых воздействий и параметров самих узлов. Это сдерживает дальнейшее совершенствование конструкций вагонов, снижает их эксплуатационную надежность, приводит к повышению кетвллоемкоети.

Одним из наиболее ответственных узлов грузовых вагонов, 'от надежной работы которого зависит 0ез<?пас!ность движения поездов, является шкворневой узел. Сложная конфигурация этого узла и тяжелые, условия эксплуатации способствуют неравножрному перераспределению . напряжений и концентрации их в некоторых зонах, что приводит к образованию трещин, изломов и интенсивному износу.

Особенно неблагоприятное положение с надежностью шкворневых узлов сложилось у железнодорожных цистерн, которые имеют наиболее интенсивный выход из строя пятников, соединительных и надрессорных балок, зон соединения шкворневой и хребтовой балок и боковых опор-скользунов.

Для повышения долговечности опорных зон в выполненных ранее исследованиях предлагалось, в основном, увеличение их прочности за счет более рационального использования металла пятников и введения усиливавших элементов. Однако, повеление прочности только пятников зачастую вызывает увеличение повреждаемости других деталей шкворневого узла. Другим путем повыиения надежности опорных зон является снижение действующих на них статических и динамических нагрузок. Достигнуть этого можно изменением конструкции узла опирания, введе-

ниеи дополнительных упруго-диссипативных связей шаду кузовом вагона и ходовыми частями.

Цель работы заключается в разработке обвей методики исследования динамической нагруженности шкворневых узлов Батонов-цистерн и на ее основе совершенствование их конструкции ва счет использования упруго диссилативных связей между кузовом и ходовыми частями вагона

Научная новизна.

1. Разработана общая методика исследования динамической нагруженности шкворневых узлов грузовых вагонов, учитывающая их характерные конструктивные особенности, упругое взаимодействие в контакте пятник-подпятник, жесткость кузова на скручивание и параметры дополнительных боковых опор.

2. Составлена математическая модель пространственных колебаний вагона, позволившая выбрать рациональные значения параметров упруго- диссипативных связей между куаовом и ходовыми частями и провести оценку их влияния на напряженно-деформированное состояние (ЩР) пятника и на ходовые качества вагона.

3. Создана методика расчета пятника цистерны на Сазе метода конечных элементов с учетом задания кинематических и силовых граничных условий, определяема реаяьньм взаимодействием в 8оне контакта пятника и подпятника.

4. Произведена оценка влияния опытных конструкций упруго-декп-фирукцих связей на напряжвнно-дефорцированное состояние деталей

. шкворневого узла и на ходовые качества вагона в эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Предложенные конструктивные изьюнения в скворневои узле грузового вагона позволили повысить надежность его работы в эксплуатации, осуществить рациональное перераспределение силовых воздействий в этом уале и улучамть ходовые качества вагона

2. Применение в шкворневом узле разработанных конструкций скользунов-демпферов (авт. св. N 1046147) позволило на 20-602 снизить уровень динамических напряжений в диапазоне скоростей движения от 10 до 25м/с и увеличить срок службы этого узла в среднем в 1,5 раза

3. Разработанная методика прочностного расчета пятника груаово-го вагона позволяет существенно сократить общие сроки проектирования новых и модернизацию сущэствуквдх конструкций шкворневых узлов вагонов- цистерн.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований использованы в Мариупольском концерне "Азовмпш" при проектировании и разработке технической документации на шворневой увел 8-осной цистерны модели 15-1500 и при создании опытного образца 4-осной цистерны со скользунами-демпферами на Сазе серийной модели 15-1443.

Методика расчета пятников на прочность внедрена и используется в конструкторским отделе вагоностроения концерна "Азовмат".

Апробация работы. Материалы диссертационной райоты долотдны и одобрены на "ХХХУ научно-технической конференции кафедр ХабКСТа с участием предприятий л д. транспорта и строительства Дальнего Востока" (Хабаровск, 1987г.); на Всесоюзных конференциях "Проблемы механики и ж. д. транспорта" (Днепропетровск 1988,199^'г.); на "Научно-практической конференции ШСПа, Октябрьской железной дороги и Ленметрополитена" (Ленинград, 1989г.); на научно-технических семинарах кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" 1ШТа( С. -Петербург, 1989-1992Г.).

Публикации. По результатам исследований, выполненных и диссертации, опубликовано 8 печатных работ и получено 1 авторское - свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из, шести разделов, рекомендаций и предложений и списка использованных источников.

Текстовая часть работы изложена на 74 страницах иашинописного текста и содержит 82 рисунка и 11 таблиц.

содержание работы

Во введении (первый раздел) обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, научней новизна и ее практическая значимость.

Второй раздел посвящен обзору и анализу динамической нагрулен-ности шкворневых узлов грузовых вагонов.

Отмечается, что основы теории и методов расчета вагонов заложены в трудах отечественных ученых Е. П. Нюхина, В.И.Варавы, С. В. Вор-шинского, Л 0. Грачевой, Е Н. Данилова, В. Д. Дановича, КХ К Демина, Л. а. Кальницкого, Л. а. Камаева, В. а. Камаева, Б.Г. Кеглина, ИДКоротен-ко, В. Е Котуранова, Е Н. Кудрявцева, К А. Лазаряна, а. а. Львова, в. П. Лозбинева, Л А. Манашкина, Л К Никольского, е. а Никольского,

& К. Окишева. Б. Ф. Ускалова, а Е йштпова, А. А. Хохлова, К Л. Хусидова, И. И. ЧэллокоЕа, Л. к Швдура и других, а также зарубежных исследователей И. Боммеля, Дж. Л Ко^лана, Г. Марье, Е. Шперлинга Этими учеными ре-сен ряд фундаментальных вадач. позволяющих определять рациональные конструктивные схемы и параметры для проектируемого подвижного состава.

В последнее время со значительным ростом эксплуатационных нагрузок и увеличением интенсивности движения грузовых вагонов наблюдается повышенный выход из строя отдельных элементов шкворневого узла

В связи с этим перед вагоностроением встала задача по совершенствованию этого важного узла вагона с целью обеспечения требований эксплуатации и безопасности движения.

Этими вопросами занимается ряд научно-исследовательских и производственных организаций - ВНИШ, ГосНИИВ, ДИИТ, ШИТ, ПИИТ, БИТЫ, концерн "Азовыаа", Тверской, Кременчугский и Уральский вагоностроительные производственные объединения.

Исследованиям в этом направлении посвящены работы К И. Безценно-го, В. И. Гамирова, К С. Евстафьева, Л. А. Манаакина В. К. Окишева, А. В. Сурвилло, Б. Я Тененбаума, В. А. Юдина и ряда других ученых. В них теоретически и экспериментально изучалось влияние динамических нагрузок, технологии изготовления и других факторов на прочность и ра-' Сотоспособность отдельных деталей шкворневого узла.

Обзор проведенных теоретических и экспериментальных исследований показал, что выполненные работы направлены на совершенствование какой-либо одной детали пкворневого узла (соединительная, надрессор-ная, шкворневая балки, пятник и другие). Однако, увеличение прочности отдельно взятой детали этого узла, как правило, ведет к росту повреждаемости других.

Наличие большого числа исследований, посвясэнных соверканство-Еанию этого важного узла ешэ не привело к создании современной конструкции, отвечающей суирствувдш условиям эксплуатации. Это обусловлено тем, что исследования в большинстве случаев велись лишь по одному из трех направлений: технологическому, конструкционному и эксплуатационному и ¡>е опирались в должной степени на существущие в практике вагоностроения численные методы расчетов, ориентированные на применение современных технических и программных средств. В силу этого, используемые подходы к совергенетЕоваиив гасворневого узла основана на использовании упрощенных расчетных схем и в должной степени не учитывают реальный характер эксплуатационных нагрузок.

Классификация боковых опор кузовов грузовые вагонов

Таблица I.

Гип опоры

Схема передачи воздействия

Наличие устройств, уиеньиавдше сопротивление повороту тележки

без устройств

с устройствами

жесткая __d

\________J

f ' ч г ч i е г у

Скольэун тележки Регулируемый ско-ЦШ-ХЗ-0 - льэ^Пат. ГДР

ОдаороликовыЯ сио- Боковая опора ку-

льэун Tima 1428 зова гр.вагона

фирма "Стаки" со Пат. СЕ1А

стальным сменнш £ 4226168 поддоном

упругая

ft/7/7/¿7 ??

■ГТГл ¿j^S^jllv^

Упругий скольэун Упругий скользи Урал.ваг.з.телея- Урал.ваг.з.телеа-к и МГ-50 киУВЗ-бНЦ

Уодерниз. боковая Упругая бозеовая

опора кузова ваго- опора иузова.

на. Пат: США ПатГсЛ

» 3961548 » 4406810

Цродэпенвв teöjeaEi L

I 2 3 4

в упруго-демпфирующая / " i' Й""***™*^) »т • v»» <к< Под^маш^е фр. Упругая боковая опора гасит.боковой eso- кузова.рр.вагона.Пат. льз^Пат.СРГ. США Р 37Б23Э6 СтаОклиэатор виляния теаехек Грузовых вагонов. Анга. пат. JS 2032369

^^ у 4

/ 1 5-^ Боковой скользун Боковая опора с гидр, теяехки вагонов. гасит.кол.боковой Пат.OIA JK2926973 качки вагона.Пат.СЖ Л 3733104 Боковая опора с упругим воззрадаюаим устройством. Автрал.пат. Р 405 Т56

___ 4 \ ^Js^s^^ Скользун-де^пфер Кодерниз.опора кузова Ав.ев.СССР на гелеггку.Пат.США Р 373196 J5 3915520 'iji Сопрязение кузова локомотива с тележкой, ab.св.СССР I» 480595

t

M

о

руго-демпфирующих, инерционных и геометрических ее параметров. Это позволило оценить их влияние на динамическую ннгрулнность узла, а также на ходовые качества вагона Разработанная методики представ лена на рис. 2.

Первый этап разработанной методики включал в себя составление пространственной расчетной схемы исследуемого нагона (рис.3) и ее математической модели. Введением дополнительных окя.чей и:» отой о^аС) ценной расчетной схемы были получены р;ючетные схемы грузовых 4-осных и 8-оспых вагонов.

Вагон представлялся в виде механической системы, состоящей иэ пяти твердых тел: кузов, две надрессорные балки, две тележи, а таи яе учитывалось наличие жидкого груза.

В расчетной схеме и математической модели учитывались упруго-демпфирующие связи не жду кузовом вагона и надреесорными балками (на схеме обозначенные номерами И, 12, 21, 22). Калщый рессорный комплект тележки представлялся пятью упругими элементами, из которых два крайние обладают демпфируювщми свойствами.

Математическая модель движния цистерны представляет собой систему дифференциальных уравнений, полученную на основе уравнений Лагранжа второго рода

Второй этап разработанной методики заключался в определении силового воздействия на пятник в эксплуатации.

Реальное нагружение пятника, используемое в расчетной схеме, определялось уровнем динамического воздействия в контакте с подпятником и пятном контакта (его площадью, координатой линии отрыва опорных поверхностей).

Для определения пятна контакта при перевалке кузова на пятнике зона онирания представлялась как основание Винклера.

При этом рассматривались две фазы расположения пятника на подпятнике: без отрыва и с отрывом. Расположение "с отрывом" рассматривалось в нескольких вариантах: отрыв до оси шкворня, и отрыв за осью шкворня, вплоть до краевого опирания.

Для рассмотренных фаз была получена следующая зависимость угла перевалки кузова (в ) от координаты линии отрыва (^ ) в опоре.

в -

О

Ц>70дкка исследования динамической нагруханности вкворневых узлов грузовых вагонов

ft». 2

где: Р

площадь пятна контакта;

- расстояние от линии отрыва до геомет-

к

рического центра пятна контакта;

сС0

г

коэффициент постели пятника; радиус опоры пятника;

центральный угол опоры, соответствующий линии отрыва;

На следующем этапе методики были созданы конечно-элементные расчетные схемы пятников 4-осной (Рис. 4) и 8-осной цистерн. Так как размеры пятников в плане сопоставимы с его толщинами, расчетные схемы были составлены из совокупности конечных элементов (КЗ) объемного напряженного состояния - тетраэдров и произвольных шестигранников.

Исследования напряженно-деформированного состояния пятников производились МКЭ в форме метода перемещений. Для аппроксимации обобщенных перемещений элементов были приняты линейные функции, формы. Процесс вычисления матриц жесткости КЗ и формирование глобальной матрицы жесткости всей конструкции производился на ЭВМ с помощью программы "УКМЕ", разработанной на кафедре "Вагоны и вагонное хозяйство" ПИИТа с участием автора работа

Интенсивность, численные значения нагрузок, а также кинематические граничные условия в расчетных схемах определялись из решений математической модели движения'вагона и контактной задачи. В расчетных схемах была предусмотрена возможность локализации областей конструкции с более подробной сеткой разбиения, подверженных наибольшим разрушениям в эксплуатации. Кроме того, расчетные схемы позволяли учитывать дополнительные усилия от заклепочных соединений и распределять нагрузки в соответствии с зонами прилегания надпятнико-вой коробки.

На заключительном этапе разработанной методики устанавливались рациональные значения параметров упруго-диссипативных связей, которые обеспечивают удовлетворительные ходовые качества вагона и уменьшают динамическую нагруженность шкворневого узла

Конечно-элементная расчетная схема пятника 4-ocHoiL цистерны •

11 Г • 1 ir

Ч

-fR

Рис.4

В четвертом разделе приведены результаты теоретических исследований динамической нагруженности опорных зон шкворневых узлов железнодорожных цистерн.

В соответствии с разработанной в третьем разделе методикой было исследовано влияние параметров упруго-демпфирупздх связей на ходовые качества вагона и на нагруленность шкворневого узла цистерны.

Интегрирование системы дифференциальных уравнений, описывающих колебания вагона производилось методом Рунге-Кутта по стандартной программе "Ш23".

В результате проведенных расчетов было установлено, что с точки зрения ходовых качеств цистерны более предпочтительными являются скользуны с жесткой силовой характеристикой которые кроме очевидного снижения нагрузки на пятник уменьшают уровни действующих ускорений и сил при переходе точек опирания кузова с одной кромки пятника на другую. Однако, при использовании таких скользунов увеличивается момент трения, действующий на тележку. Поэтому в дальнейшем. Сшш исследованы значения параметров скользунов, при которых момент силы трения, ограничивающий виляние тележки не превышал рекомендуемого значения 20 Кн*м.

Варьирование величиной силы трения в скользуне-демпфере показало, что её оптимальное значение находится в пределах 6-10 Кн.

Анализ полученных в результате расчетов зависимостей позволил сделать вывод о том, что применение таких устройств положительно сказывается на ходовых качествах вагона; снижается уровень вертикальных (на ЗОХ) и горизонтальных (на 10%) ускорений пятникового узла; уменьшаются деформации рессорных комплектов тележек, и существенно снижается амплитуды их виляния, причем влияние жесткости скользу-нов-демпферов на изменение амплитуды виляния тележки не существенно. Скользуны-демпферы значительно уменьшают боковую перевалку кузова на пятниках, однако, при недостаточном демпфировании (У- 0,04) возникают резонансные явления. Уменьшение жесткости скользунов благоприятно сказывается на снижении рамных сил тележек. Причем при использовании скользунов-демпферов с жесткостью большей 2000 Кн/и значения рамных сил могут превышать уроЕснь на типовой цистерне.

На следующем этапе теоретических исследований на основе прочностных расчетов производилась оценка влияния параметров скользу-нов-демлферов на нагруженность пятников цистерн. Расчет производился методом конечных Элементов в форме метода перемещений. Условия наг-

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Павлов С. Е Влияние скользунов-демпферов на ходовые качества и напряженное состояние вкворневого узла цистерны. -В сб. ЩШТЭИ ТМ, серия 5,вып. 1.М. ,1988.

2. Павлов С. Е Повышение надежности опорных вон ж. д. цистерн. -Тезисы докладов Всесоюзной конференции "Проблемы механики и. д. транспорта", Днепропетровск, 1988.

3. Дукьянчиков Е П.. Павлов С. R Влияние гасткости упругих скольвунов и величины их предварительного поджатия на частоты свободных колебаний кузова на пятниках.-В сб.: Динамика вагонов.-Труды ЛШШГ,1982.6с.

4. A.C. 1046147 (СССР). Упругая боковая опора я. д.транспортного средства/И.№ Соколов, Ю. П. Бороненко,Ц.Б. Кельрих.В. II Бубнов.С. Е Павлов - Опубл. в Б. И., 1983.

5. Втггацкнй A.A. .Павлов С.Е.Петров О.Н. Применение метода су-перэлеиентов к расчету конструкций вагонов. -В сб.: Динамика вагонов. -Труды ЛЮТО, 1984,4с.

6. Третьяков А. Е.Павлов С.Е.Елисеев ЕЕ. Анализ частотных характеристик элементов оборудования четырехосных цистерн. -В сб. ЦНМТЭИ TU,серия 5.вып. 12,11 ,1087.

7. Битюцкий A.A. .Швлов С.Е ,Шрп В.Т. ,1йЕкевич С.Ф. Выбор схе-№ нагружения пятников грувовых вагонов для проведения стендовых испытаний на усталость.-В сб. ЩШТЭИ ТЫ, серия 5 ,вып. 8,11,1989.

8. Ентюцкмй A.A. .Павлов С. Е ,Пашкевич С.Ф. Расчетная оценка вариантов конструкций пятников 8-осных цистерн. - В сб. ЩШТЭИ ТЫ, серия 5,выл,8, И. ,1989.

9. Борокенка И.П. .Бубнов Eil |Павлов С. Ей др. Анализ поврелда-етети центральных пятшмэв 8-ссних цистерн.-В сб.: Дчкадпса вагонов.-Труды ГОС1Т, 1992, с. 67-75.

J____________: - . ■_____

Подписано а почета 16.02.93 г. Усл.пил. 1,31 Начач» офвгт Ьуиага для инохш. опп. Формат 60x34 I/I6 а'ираз ICO экз. _ Заказ й __Бооплатяо.__________._______

~ " ? Т П "пиита*í?c5Ó3I С-5ег0рбург,""йосяозскя9 пр.,9'