Технология и средства расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов

Козлов, Михаил Петрович

автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Технология и средства расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов

кандидата технических наук: Козлов, Михаил Петрович
город: Москва
год: 2011
специальность ВАК РФ: 05.22.07

Диссертация по транспорту на тему «Технология и средства расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов»

Автореферат диссертации по теме "Технология и средства расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов"

На правах рукописи

КОЗЛОВ Михаил Петрович

ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА РАСЧЕТНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО КОНСТРУКЦИЯМ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 АПР 2011

Москва-2011

4844012

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Вагоны и вагонное хозяйство».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Котуранов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кобищанов Владимир Владимирович (БГТУ)

кандидат технических наук, профессор Рыбников Евгений Константинович (МИИТ)

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Уральский государственный

университет путей сообщения», (УрГУПС), г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится «? » л ¿у^ л Я 2011 г. в Ц на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).

Автореферат разослан «¿3» /¿¿у-хгЗ 2011 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.005.01.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

А.В. Саврухин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации вагонов на железных дорогах требуется единый подход к оценке проектных решений и обоснованию соответствия их требованиям нормативной документации. Работа актуальна, так как в настоящее время имеется множество организаций, заинтересованных в разработке, изготовлении, модернизации и продлении сроков службы грузовых вагонов. В число этих организаций входят и такие, которые не имеют опыта работы в; области железнодорожной техники. Прогноз качества и целесообразности применения проектных решений может быть обеспечен посредством реализации системной технологии и наполняющих ее средств оценки конструкций. Применение этой технологии всеми организациями, работающими в области вагоностроения и вагонного хозяйства, позволит исключить существующий произвол в принятии технических решений.

Цели работы - формирование технологии расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, позволяющей устанавливать их соответствие требованиям нормативной документации, а также разработка и подбор средств, наполняющих позиции этой технологии.

Объект исследования - конструкции грузовых вагонов.

Предмет исследования - технология и средства расчетной экспертной оценки соответствия конструкций грузовых вагонов нормативным требованиям.

Научная новизна работы. Впервые разработана технология комплексной и взаимосвязанной многоэтапной расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, ориентированная на установление их соответствия требованиям нормативной документации.

Для этого разработаны и модернизированы следующие средства, наполняющие позиции этой технологии, включающей кузов, как базовый узел вагона, ходовые части, ударно-тяговые приборы и автотормозное оборудование:

- разработан алгоритм расчета целесообразных линейных размеров кузова грузового вагона с учетом выполняемой им работы и ограничений по осевой и погонной нагрузкам, габаритам, проходу кривых и сцепляемости в них вагонов, проходу горок и аппарелей паромов;

- предложены новые приемы оценки величин выносов элементов кузова, учитываемых при вписывании вагона в габарит;

- получены достаточно простые и достоверные расчетные зависимости для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочки котла цистерны на основе решения интегро-дифференциальных уравнений теории оболочек;

- предложены уточненные зависимости по расчету собственных вертикальных колебаний кузова на рессорном подвешивании с гасителями позиционного трения;

- предложена схема оценки усталостной прочности деталей вагонов при детерминированных циклических нагружениях; ;

- разработаны расчетные зависимости, определяющие кинематику вагонов при проходе кривых участков пути.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Реализация рекомендаций, изложенных в работе, позволит повысить экономическую эффективность эксплуатации парка грузовых вагонов, а также уровень безопасности движения на сети железных дорог.

К значимым практическим результатам работы можно отнести:

- разработку и анализ конечно-элементных моделей кузова грузового вагона-цистерны, которые позволили выяснить целесообразность реализации 26 расчетных режимов для кузова такого вагона, установленных Нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) - «Нормами...», и показать, на примере вагона-цистерны, что можно без ущерба для качества обоснования технических решений ограничиться девятью из них;

- разработку и анализ конечно-элементных моделей боковой рамы и надрессорной балки тележки грузового вагона с учетом всех видов нагрузок, предусмотренных «Нормами»;

- разработку и анализ конечно-элементной модели корпуса автосцепки при воздействии всех видов нормативных нагрузок.

Достоверность разработанных автором положений подтверждена результатами тестовых расчетов и сопоставлением с результатами испытаний.

Реализация результатов работы. Материалы работы использовались:

- при разработке проекта методик статических и усталостных испытаний боковых рам и надрессорных балок тележек;

- при решении вопросов, связанных с продлением срока службы вагонов;

- при разработке учебных пособий и методических указаний по курсу «Конструирование и расчет вагонов», опубликованных в МИИТе и РГОТУПСе.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на:

- VIII, IX и XI Международной научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» МИИТ, 2007, 2008 и 2010 гг., г. Москва;

- Научно-практической конференции НЕДЕЛЯ НАУКИ - 2009 «Наука МИИТа - ТРАНСПОРТУ». - МИИТ, 2009 г., г. Москва;

- заседаниях кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТа в 20082011 гг., г. Москва.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы и изложена на 225 страницах машинописного текста, в том числе - 15 таблиц и 120 рисунков. Библиографический список включает 131 наименование.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 12 печатных научных работах, из них 7 печатных работ - в журналах по перечню ВАК РФ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи работы, а также отражены основные аспекты [1, 3] целесообразной технологической последовательности выполнения расчетных операций, оценивающих технические решения по грузовым вагонам.

В первой главе дается краткий обзор исследований, представляющих основу расчетных экспертных оценок технических характеристик грузовых

вагонов. В обзоре отражено влияние научных школ, сформировавшихся под руководством ведущих ученых в научных и учебных заведениях транспортной отрасли, на вопросы, определяющие выбор технических решений по конструкциям вагонов. Эти школы и их представители создали основы последующих исследований в рассматриваемых направлениях, подготовили фундамент для систематизации полученных результатов в виде единой технологии анализа технических решений.

Вторая глава (I этап технологии расчетной экспертной оценки), посвящена вопросам выбора целесообразных линейных размеров вагона, обеспечивающих эффективность и безопасность его использования при выполнении работы, определяемой реализуемым им грузооборотом.

В ней обосновывается подбор критерия для оценки целесообразности линейных размеров вагона, а также приводится методика поиска рациональных линейных размеров вагонов и пример ее использования применительно к вагону-цистерне. Следует отметить, что приводимая технология справедлива для большинства конструкций грузовых вагонов, обеспечивающих перевозку массовых грузов.

В ходе исследований получена уточненная формула, отражающая зависимость длины вагона по базе 2/5 от длины его рамы 21 р, которая обеспечивает равенство выносов консольной и средней частей кузова исследуемого вагона, что важно для лучшего использования габарита."

5 - максимальная ширина колеи в кривой расчетного радиуса Я\

(1 - минимальное расстояние между наружными гранями предельно

изношенных гребней бандажей;

q - наибольшее возможное поперечное перемещение в направляющем (шкворневом) сечении в одну сторону из центрального положения рамы тележки относительно колесной пары вследствие зазоров при максимальных износах и деформациях упругих элементов в буксовом узле и узле сочленения рамы тележки с буксой;

и' - наибольшее возможное поперечное перемещение в направляющем сечении в одну сторону из центрального положения кузова относительно рамы тележки вследствие зазоров при максимальных износах и упругих колебаниях в узле сочленения кузова и рамы тележки; 21т - база тележки.

Исследование зависимости (I) (рисунок 1 кривая 1) показывает, что рациональное соотношение длины рамы и базы вагона постоянно меняется. Также видно, что на всем диапазоне наиболее применимых длин рам вагонов, исследуемое соотношение не только не пересекает, но и не приближается к значению, полученному по известному выражению 2£//2/^1,41. Анализ графиков, приведенных на рисунке 1, позволяет сделать вывод, что до длины вагона по раме соответствующей 13,1 м невозможно обеспечить равенство выносов кузова вагона в кривых при условии применения существующих ходовых частей. Поэтому в алгоритме расчета при длине рамы до указанной величины следует принимать консольную часть кузова равную 1,5 м.

Рисунок I - График изменения соотношения длины вагона по раме к его базе при различных значениях 2Ьр 1 - график зависимости оптимального соотношения 2Ьр!21о, по равенству выносов кузова вагона в кривых, от длины вагона по раме; 2 - график зависимости соотношения 2/^/215 от длины вагона по раме при постоянной минимальной длине консоли равной 1,5 м.

Также получены новые трактовки формул габаритных расчетов. Эти зависимости адекватны применяемым, но менее громоздки. Они основаны на использовании при определении геометрических выносов вагона в кривом участке пути уравнения окружности и уравнения прямой [8, 11]. Кроме того, в формулы габаритных расчетов внесены следующие изменения: вместо громоздких выражений введены множители 4/3 и 5/3, учитывающие влияние коэффициентов дополнительного ограничения внутренних и наружных сечений длиннобазного подвижного состава; в предложенных формулах учтена, незамеченная ранее, возможность выноса вагона за пределы габарита при проходе кривого участка пути [6, 13].

Таким образом, формулы габаритных расчетов, связанные с выбором линейных размеров кузова, могут быть представлены в нижеприведенном ввде.

Ограничение Е0 направляющих поперечных сечений подвижного состава (сечений по пятникам):

£„= 0,5(5 -</) + <? + + к2/т2 -к3-к, если к/г -А3 > 0;

£„ = 0,5(6""+ если - А3 < 0,

Внутреннее ограничение Ев поперечных сечений подвижного состава, расположенных между его направляющими сечениями: Для габаритов Т, 1-Т, Тц, Тпр и 1-ВМ (в верхней части): Если к,[Г-х2+Г]-к,> 0, то

+ 9 + + (3)

Если ^-х2+12т\-к, <0, а 0,5[5-]+ кг[/62-х2+1гт\-к, >0,™

Е. =0,5(5-С/) + 9 + 1у+/С2[/,2 -.V2 +1'\-кг. (4)

Если -х2 +/Т2]-Л3 <0, то

£.=0,5(5"-</) + $ +и-. (5)

Для габаритов 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и 1-ВМ (в нижней части): Если 11-хг+¡1 >100, то

£, = 0,5(5- +д + м +1 • кг [/2 - л:2 + /т2 - 4о]- к. (6)

Если /й2 - л2 + /2 < 100, то £, =0,5(5-с/) + 9 + и>+Л2[/2-Л2+/т2]-Л. (7)

где к ~ величина, на которую допускается выход подвижного состава, проектируемого по габаритам 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и 1-ВМ (в нижней части), за очертания этих габаритов в кривых участках пути 250 м; к2 - коэффициент размерности, зависящий от величины расчетного радиуса кривой (200 м - для габаритов Т, Тц, Тпр, 1-Т и верхней части габарита 1-ВМ; 250 м - для габаритов 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и нижней части габарита 1-ВМ);

к3 - величина, на которую допускается выход подвижного состава, проектируемого по габаритам Т, 1-Т, Тц, Тпр и 1-ВМ (в верхней части), за очертания этих габаритов в кривых участках пути 200 м; х - координата рассматриваемого сечения вагона (за нулевое значение принято положение поперечной оси симметрии вагона). Наружное ограничение Еи поперечных сечений подвижного состава, расположенных снаружи его направляющих сечений: Для габаритов Т, 1-Т, Т„, Тпр и 1-ВМ (в верхней части): Если ^[х2 -/2 -/т2]- к3 > 0, то

+ 9 + (8)

Если /с2[х2 -I] -¡1\-к3 <0, а 0,5[5'-5"]^:- + ^2[дг2 -¡I -/т2]-£3 > 0'т0

216

21

+ Я + (9)

Если 0,5[5 - + к\х> -1] -/,']-*, < 0, то

£„=[0,5(5"+ (10)

Для габаритов 0-ВМ, 02-ВМ, 03-ВМ и 1-ВМ (в нижней части): Если хг -1;> 120, то

21 с

Е. = [0,5(5 - ё) + д + м]-^- + - ■ к2 [х2 - /62 - /2 - 48]- к. (11)

Если х1 -II -/2 < 120, то

Ен = [0,5(5 - «О + Ч + +кг [х2 -Ч-11\-к. (12)

При выборе линейных размеров вагона были рассмотрены два критерия оценки их целесообразности: минимум эксплуатационных затрат на перевозку 1000 т-км груза и максимум погонной нагрузки нетто. Сравнение результатов, полученных с учетом этих критериев, показало практическое совпадение рациональных линейных размеров. Так погрешность вычисления рациональной длины вагона по осям сцепления составила 5,5%. Поэтому предлагается в качестве критерия оценки целесообразности линейных размеров кузова вагона принимать максимум погонной нагрузки вагона нетто. Расчет по ее определению на порядок менее трудоемок и требует меньшего объема исходных данных [1, 3].

Как пример исследования целесообразности линейных размеров вагона, были рассмотрены 5 вариантов конструктивного исполнения вагонов-цистерн. Основные технические и технико-экономические параметры вагона, подвергающегося экспертизе, и четырех предлагаемых вариантов его исполнения приведены в таблице 1.

Таблица 1

№ п/п Наименование параметра Ед. изм. Рассматриваемый (исходный) вагон Расчетные варианты вагона

Габарит 02-ВМ Габарит 02-ВМ Габарит 1-Т

1 Количество осей шт. 4 4 8 4 8

2 Осевая нагрузка тс 20,8 22,5 22,5 23,5 23,5

3 Длина вагона по осям сцепления автосцепок мм 12020 13035 22875 12340 22554

4 Длина вагона по концевым балкам рамы мм 10800 11815 21655 11120 21334

5 База вагона мм 7800 8815 15631 8120 15273

6 Диаметр котла (внутренний) мм 3000 3000 2900 3200 3200

7 Объем котла (полный) мJ 73,1 80,3 140,0 85,7 167,9

8 Объем котла (полезный) м3 71,7 78,7 137,2 84,0 164,5

9 Удельный объем м3/т 1,19 1,191 1,056 1,191 1,191

10 Масса вагона (тара) т. 23,2 23,94 50,09 23,43 49,84

11 Грузоподъемность т. 60 66,06 129,91 70,57 138,16

12 Погонная нагрузка (нетто) тс/м 4,619 4,681 4,652 5,282 5,658

13 Погонная нагрузка (брутто) тс/м 6,922 6,904 7,869 7,618 8,336

14 Эксплуатационные затраты на перевозку 1000 т-км груза* руб. 557,30 531,87 488,09 490,46 411,54

* - в ценах 2008 года

По результатам, представленным в таблице 1, можно сделать следующие выводы:

- в современных условиях эксплуатации и в случае использования исходного вагона на путях с ограничением по габариту 02-ВМ было бы целесообразно увеличить его длину на 1015 мм;

- в габарите 02-ВМ конструктивное исполнение вагона с применением четырех осей представляется по погонной нагрузке нетто более рациональным;

- вагоны, проектируемые для применения в габарите 1-Т, являются более эффективными.

Рассматривая целесообразность применения многоосных вагонов в габарите 1-Т, можно сделать вывод, что восьмиосные вагоны, имеют в нем большую эффективность, так как могут образовывать составы наибольшего веса (из приведенных вариантов конструктивного исполнения) и перевозить грузы при самой низкой величине эксплуатационных затрат.

Третья глава (II этап технологии расчетной экспертной оценки) посвящена выбору и формированию алгоритмов определения напряженно-деформированного состояния элементов кузовов грузовых вагонов.

Выбранные линейные размеры кузова определяют его металлоемкость, которая на первом этапе технологии принималась, исходя из вагона-прототипа. Чтобы уточнить массу тары кузова необходимо выполнить его прочностные расчеты. Поэтому производится анализ нагруженности кузовов грузовых вагонов и изложен перечень сочетаний нагрузок, необходимость учета которых регламентирована «Нормами...». Исследуется целесообразность учета всех сочетаний при анализе напряженно-деформированного состояния кузова грузового вагона. Для цистерны, рассматриваемой в качестве примера, количество сочетаний нагрузок составило 26.

Для установления целесообразности применения такого количества сочетаний нагрузок и анализа НДС кузова цистерны была создана конечно-элементная модель при помощи пре- и постпроцессора МБС.Ра^ап и вычислительного модуля МБС.Ыазй-ап (рисунок 2).

Модель состоит из котла, на котором учтены такие конструктивные особенности как установка обечайки люка-лаза, защитный кожух сливного прибора и фасонные лапы. Также в состав модели включена рама с учетом передних и задних объединенных упоров, опорных планок, скользунов, лежневых опор и отверстия под сливной прибор. Следует отметить, что при построении модели рамы учтены такие немаловажные особенности ее конструкции, как сварные швы и соединяющие конструктивные элементы.

Взаимодействие рамы и котла осуществляется в двух зонах: лапы и лежневые опоры. Так в зоне лап, взаимодействие моделируется одномерными элементами типа 1ШЕ2, учитывающими заклепочные соединения, а в зоне лежневых опор опорные бруски смоделированы при помощи пружинных

элементов типа BUSH. Пружины ориентированы по радиусам поперечных сечений и работают на сжатие, а жесткость каждой из них подобрана из условия соответствия моделируемым деревянным брускам.

Отличительная особенность, представляющая некоторое новшество при создании данной конечно-элементной модели, заключается в том, что в ней стыкуются двумерные конечные элементы типа Quad и объемные элементы типа Hex, моделирующие пятниковый узел. Поэтому можно назвать полученную конечно-элементную модель гибридной. Связь между двумерными и объемными элементами выполнена при помощи одномерных элементов типа RSSCON.

Размеры конечных элементов варьируется в зависимости от размера детали и близости элемента к зонам концентрации напряжений.

Модель состоит из 251366 элементов, 248468 узлов и имеет 1201718 степеней свободы.

Рисунок 2 - Конечно-элементная модель кузова цистерны В результате расчета получены следующие данные по НДС кузова цистерны (таблицы 2, 3). Следует заметить, что при наиболее тяжелых режимах нагружения эквивалентные напряжения в стенке 2-та хребтовой балки значительно превышают допустимый уровень. Для усиления зоны установки упорных угольников был смоделирован вариант применения накладок, объединяющих передние и задние упоры. Также было внесено предложение об объединении передних и задних упоров продольными планками, что снизило бы износ внутренней поверхности г-та хребтовой балки и позволило бы перераспределить продольную нагрузку по большей площади несущих элементов конструкции рамы вагона.

Таблица 2 - Результаты расчета кузова цистерны по 1-му расчетному режиму «Норм...»_______

Тип нагружения Сжатие Удар Растяжение Рывок

Максимальные напряжения, МПа Максимальные напряжения с учетом усиления рамы, МПа Максимальные напряжения без учета поперечных сил, МПа Максимальные напряжения, МПа Максимальные напряжения, МПа Максимальные напряжения с учетом усиления рамы, МПа Максимальные напряжения при условии усиления рамы, без учета поперечных сил, МПа Максимальные напряжения, МПа Максимальные напряжения с учетом усиления рамы, МПа

Без учета сил эксцентриситета осей соседних автосцепок 271 - 238 244 559 289 277 595 392

С учетом сил эксцентриситета, направленных вверх 266 (-1,85%) - - 240 (-1,64%) 553 (-1,07%) 303 - 589 (-1,01%) 403

С учетом сил эксцентриситета, направленных вниз 354 (30,63%) 282 - 250 (2,46%) 566 (1,24%) 291 - 603 (1,34%) 383

Таблица 3 - Результаты расчета кузова цистерны по Ш-му расчетному режиму «Норм...» _____

Тип нагружения Сжатие Удар Растяжение Рывок

Максимальные эквивалентные напряжения, МПа

Без учета эксцентриситета осей соседних автосцепок 123 122 198 198

С учетом сил эксцентриситета, направленных вверх 124 (0,8%) 124 (1,6) 197 (-0,5%) 197 (-0,5%)

С учетом сил эксцентриситета, направленных вниз 130 (5,7%) 148 (21,3%) 199 (0,5%) 199 (0,5%)

Максимальные эквивалентные напряжения при нагружении модели цистерны испытательным давлением составили 214 МПа.

Потеря устойчивости оболочки котла цистерны происходит при давлениях: 0,0911 МПа (первая форма) и 0,0974 МПа (вторая форма).

В соответствии с результатами расчетов был сделан вывод, что только 9 сочетаний нагрузок из 26 являются определяющими при анализе напряженно-деформированного состояния кузова исследованного вагона-цистерны и аналогичных ей.

Для проверки адекватности предложенной модели были проведены расчеты оболочки котла с применением полубезмоментной теории оболочек в интегро-дифференциалыюй форме [14]. Схема цилиндрической части котла цистерны как оболочки представлена на рисунке 3:

Рисунок 3 - Условная схема цилиндрической части котла цистерны как

оболочки

Искомые внутренние усилия, перемещения и направление распределенных по поверхности нагрузок Р/, Р2 и Р3 показаны на этом рисунке.

Для оболочки котла цистерны была составлена система интегро-дифференциальных разрешающих уравнений, отражающих условия динамического равновесия бесконечно малого элемента оболочки (с учетом геометрических и физических соотношений):

ЕЗ3 12Д3

Э3у

д\ д\ д<р5+ д<р\

/3 £

а2

д2м>

а2'

Р[/? = 0;

дТ, | а? ЕЗ' д<р дх 12Л3

д<р* д(р 1 3

(13)

где Е ~ модуль упругости материала оболочки; 3 - толщина оболочки; Я - радиус цилиндрической части оболочки;

и>, V, и - перемещения, соответственно, нормальное, касательное и продольное;

* и <р - координаты, соответственно, продольная и угловая;

Тх и Т, - нормальные силы, соответственно, на поперечной и продольной

площадке сечения;

5 - сдвигающие силы;

М, - изгибающие моменты;

£), - поперечные силы;

у - удельный вес материала оболочки;

g - ускорение свободного падения;

Уж.пР - приведенный вес жидкости;

Р], Р2, и Рз - нагрузки соответствующих направлений (рисунок 3). В уравнениях учтены силы инерции оболочки и жидкости, заполняющей котел. Решения уравнений строятся в двойных тригонометрических рядах.

Система алгебраических уравнений, записанная относительно коэффициентов рядов утп, 5,я„ и Т,пт, в матричной форме их представления:

3,7 п ГЖ 2 2

\2R

О

g

ESR2Л3

ES3 12Л3

и2(и2 + 1)

-п О

ÄR п

V т п P^R

=

Т 1 imn р^Р

(14)

где

тя _ 21?

тип- номера членов тригонометрических рядов;

уж - удельный вес жидкости;

со„ - частота возмущающих воздействий;

2Ltl - длина цилиндрической части котла.

Сравнение результатов, полученных с помощью конечно-элементной модели и по уравнениям полубезмоментной теории оболочек, показали удовлетворительную их качественную и количественную сходимость по такому определяющему параметру как напряжения (расхождение максимальных значений составило 20,1%). Это свидетельствует о достоверности полученных результатов [4].

С использованием решений интегро-дифференциальных уравнений полубезмоментной теории оболочек было оценено воздействие на котел цистерны вертикальных динамических нагрузок, а также проанализированы прочностные свойства котла цистерны в случае постановки в его опорной зоне усиливающих шпангоутов. Постановка шпангоутов в опорную зону приводит к значительному усилению конструкции котла, что позволяет с учетом запаса прочности конструкции, уменьшить толщину его цилиндрической части до 6 мм и, соответственно, снизить вес конструкции.

Уточнение величины тары вагона по результатам прочностных расчетов может потребовать возвращения к первому этапу технологии для корректировки линейных размеров.

Также в этой главе приведены зависимости, позволяющие производить оценку возможности прохода вагоном горбов сортировочных горок из условия наличия клиренса. Было целесообразно такие зависимости привести в данном разделе, так как именно в нем расчетным путем устанавливаются величины прогиба элементов конструкции кузова вагона под расчетными нагрузками.

В четвертой главе (III этап технологии расчетной экспертной оценки) диссертации сформирована схема и предложены средства экспертных оценок соответствия ходовых частей параметрам кузовов грузовых вагонов.

Линейные размеры и весовые характеристики кузова представляют исходные данные для выбора или проектирования ходовых частей. На этом этапе экспертной оценки необходимо определить:

- коэффициент вертикальной динамики и рамную силу;

- вертикальные и горизонтальные ускорения кузова;

- коэффициент устойчивости колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня на головку рельса;

- коэффициент запаса поперечной устойчивости вагона от опрокидывания под действием боковых сил;

- прочность несущих элементов ходовых частей.

По этим показателям согласно «Нормам...» оцениваются ходовые качества. Для предварительной оценки показателей качества хода вагона был применен упрощенный подход, основанный на использовании решения уравнений, описывающих колебательный процесс одномассовой системы с позиционным трением [5]. Данное уравнение имеет вид:

пй = т%+С((Е-С^ст+2)> (15)

где т - колеблющаяся масса;

г(1) - смещение центра тяжести груза при подпрыгивании, относительно статического равновесия; g - ускорение свободного падения; /ст - статический прогиб; с - жесткость упругих элементов; ¡р - коэффициент трения в гасителях. После преобразований уравнение (15) приводится к виду: mz + cz + c<pz■signz = 0. (16)

Эта запись уравнения вносит принципиальное уточнение в понимании собственных колебаний на рессорах с гасителями позиционного трения.

На основе решения этого уравнения получены упрощенные зависимости для определения коэффициентов динамики (17). Они унифицированы для всех видов гашения колебаний. Унификация достигнута благодаря использованию понятия коэффициента потери энергии у/. Коэффициент потери энергии - интегральный показатель, в нем скрыты характеристики изменения сил в гасителях колебаний. Следует отметить, что возмущающая сила, в приводимом варианте записи уравнений, представляет силу инерции, обусловленную проходом вагона по синусоидальной неровности.

Полученная зависимость (17) позволяет учесть влияние двух видов гашения колебаний - когда рассеяние энергии не зависит от амплитуды колебаний (вязкое трение, позиционное трение) и когда рассеяние зависит от амплитуды (постоянное трение).

К.

Д

,4

где а--2Е.г с

/*"т/) - сила трения в гасителе с постоянным, независящим от

перемещения, гашением энергии;

сос - частота собственных колебаний конструкции;

1]а - амплитуда неровности.

Если в формуле (17) положить постоянное трение равным нулю (а= 0), то она преобразуется в формулу с позиционным гашением, а если у/=0, то в формулу с постоянным гашением энергии.

Интересно то, что при учете дополнительного рассеяния энергии, независящего от амплитуды колебаний, амплитуда колебаний в резонансе ограничивается. В литературе по колебаниям вагонов подобный подход не был замечен.

Результаты расчетов, использующих решения зависимости (17) (которые корреспондируются с результатами, приведенными в работах по динамике вагонов) показывают, что ограничения по безопасности движения наступают при скорости 94 км/ч.

В работе проводился сравнительный анализ двух подходов к определению коэффициента устойчивости колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса (формулы Марье и энергетического подхода к этой задаче) [7]. Энергетический подход более информативен, так как в нем отражается скорость движения, угол набегания колеса и высота гребня. Так, в результате исследований этих зависимостей, ограничение скорости движения в соответствии с предельно допустимым значением коэффициента устойчивости колеса от вкатывания его гребня на головку рельса составило по формуле Марье - 97 км/ч, а по энергетическим соотношениям при равных условиях - 98 км/ч, что, вероятно, можно объяснить учетом в формуле энергетических соотношений сил трения, возникающих при сдвиге поперек пути ненабегающего колеса. На основе этого расчета получена зависимость величины боковой силы, при которой возможно вкатывание гребня колеса на рельс при известных величинах вертикальных сил, от скорости движения состава.

Исследования коэффициента запаса устойчивости колеса от вкатывания его гребня на головку рельса под действием продольных сил, возникающих в поезде, показывают, что рассматриваемая в качестве примера конструкция удовлетворяет нормативным требованиям. Так значения коэффициентов устойчивости для порожнего вагона составили: Кус= 1,211 - случай вкатывания колеса вагона, подвергнутого экспертной оценке, на головку наружного рельса и Кус=2,089 - случай вкатывания колеса вагона на головку внутреннего рельса.

В соответствии с нормативными требованиями необходимо рассматривать 8 расчетных вариантов определения коэффициента устойчивости вагона от опрокидывания при проходе кривого участка пути (расчетного радиуса) [15]. Соответственно, были определены коэффициенты запаса устойчивости при варьировании следующих параметров: величина загрузки вагона (порожний

нли груженый), воздействие продольных сил (растяжение или сжатие), направление возможного опрокидывания (внутрь или наружу кривой). Расчеты показывают, что необходимо снижать скорости движения для выбранного в качестве примера вагона в подобных кривых для порожнего до 43 км/ч, для груженого до 93 км/ч.

При экспертизе следует осуществлять анализ прочности несущих литых деталей ходовых частей. Были, в качестве примера, рассмотрены такие массивные ответственные детали как надрессорная балка и боковая рама грузовой тележки. Разработка технологии определения прочностных характеристик этих деталей потребовала систематизации нормативных нагрузок на несущие элементы ходовых частей и формирования расчетных схем воздействия этих нагрузок для первого и третьего расчетных режимов «Норм...».

Анализ прочности надрессорной балки и боковой рамы производился с применением конечно-элементного комплекса, состоящего из пре- и постпроцессора MSC.Patran и вычислительного модуля MSC.Nastran.

Так модель надрессорной балки выполнена с применением объемных конечных элементов. В конечно-элементной модели учтено то, что зона приложения реакций от вертикальных нагрузок требует применения 0-мерных упругих элементов, типа grounded spring, отражающих опору надрессорной балки на рессорный комплект.

Общий вид конечно-элементной модели надрессорной балки приведен на рисунке 4:

Рисунок 4 - Общий вид конечно-элементной модели надрессорной балки Расчеты позволили установить, что максимальные эквивалентные напряжения наблюдаются в металле торцевых окон надрессорной балки. Для первого расчетного режима «Норм...» они составили 276 МПа, а для третьего 166 МПа. Для обеих схем характерно следующее расположение зон с повышенной величиной напряжений (зоны приводятся в порядке убывания напряжений): контур торцевых окон надрессорной балки; опорная зона в месте контакта надрессорной балки с ближайшей к подпятнику частью рессорного комплекта; зона контакта надрессорной балки и фрикционного клина, в месте ограничения ее ребром жесткости; зона технологических окон в верхнем листе надрессорной балки; зона подпятника.

Общий вид конечно-элементной модели боковой рамы приведен на рисунке 5:

Рисунок 5 - Общий вид конечно-элементной модели боковой рамы

Расчеты боковой рамы определили, что максимальные эквивалентные напряжения наблюдаются по I расчетному режиму «Норм...» в зоне опоры боковой рамы на буксовый узел вблизи внутреннего радиуса 55 мм и составляют 217 МПа, а по III расчетному режиму «Норм...» - в зоне лап, расположенных в углах рессорного проема, и составляют 199 МПа. Повышенные уровни напряжений наблюдаются также в зоне ребер жесткости, расположенных под плитой нижнего пояса в области опоры наружных пружин рессорного комплекта, и в зоне технологических окон между колонками боковой рамы.

Полученные величины эквивалентных напряжений для надрессорной балки и боковой рамы являются допускаемыми для материала их изготовления как по I, так и по III расчетному режиму «Норм...».

В этом же разделе для оценки усталостной прочности боковой рамы была предложена упрощенная методика. Следует заметить, что такая методика может применяться для оценки долговечности практически любой металлической детали конструкции вагона, подверженной циклическим детерминированным нагружениям [16]. В результате проверки усталостной прочности боковой рамы тележки по предложенной методике установлено, что при выбранных видах воздействий вертикальных нагрузок, нормативный срок службы боковой рамы не обеспечивается, а при действии тормозных усилий, принятого уровня и частоты, срок службы соответствует 32 годам работы конструкции, то есть нормативному значению.

В пятой главе (IV этап технологии расчетной экспертной оценки) предполагается выполнение анализа соответствия элементов ударно-тяговых приборов линейным и инерционным параметрам исследуемого вагона. Для этого осуществлен подбор методов такой оценки.

На этом этапе оцениваются такие показатели как:

- обеспечение автоматической сцепляемости вагонов на участке сопряжения прямой и кривой без переходного радиуса;

- обеспечение прохода сцепленных вагонов по кривым участкам пути регламентируемых радиусов;

- обеспечение прохода одиночного вагона по круговой кривой регламентированного радиуса;

- обеспечение прохода вагонами горбов сортировочных горок без саморасцепа;

- эффективность использования выбранной конструкции поглощающего аппарата применительно к особенностям конструкции и эксплуатации вагона;

- расчёты на прочность элементов ударно-тяговых приборов.

В ходе проведения расчетной экспертной оценки конструкции ударно-тяговых приборов были построены строгие математические модели, описывающие кинематические зависимости при сцеплении вагонов [9] и проходе их сцепа по нормативным кривым [12], которые отражают смещение оси сцепления автосцепки относительно оси пути на всем протяжении сопрягаемых кривых и их переходных участков. Данные зависимости построены на основе кусочных функций, поведение которых анализируется путем последовательного получения ряда их значений.

Исследование различных подходов к анализу возможности автоматического сцепления вагонов на участке сопряжения прямой и кривой нормативного радиуса показало, что разность осей автосцепок при расчете по формулам «Норм...» составила 0,1 м при эффективной ширине захвата автосцепки для данной конструкции вагона - 0,169 м. Таким образом, вагон, выбранный в качестве примера, соответствует требованиям нормативной документации. Однако, при более глубоком анализе факторов, оказывающих влияние на смещение оси сцепления автосцепки относительно оси пути, было отмечено, что формулы, используемые в «Нормах...» не учитывают такие факторы как смещения элементов вагонов за счет зазоров и износов в элементах ходовых частей и пути, а также износов элементов самих ударно-тяговых приборов. Таким образом, учет вышеперечисленных факторов приводит к тому, что разность осей автосцепок исследуемых вагонов составляет 0,253 м, что значительно превышает нормативные значения. В соответствии с этим, можно заключить - в случае совпадения ряда неблагоприятных факторов автоматическое сцепление для данного типа вагона не может быть гарантировано. В этом случае может быть рекомендовано оборудование вагонов устройством для принудительного отклонения автосцепок на ось пути, сцепление с помощью сцепщика или запрет сцепления вагонов в соответствующих кривых.

В работе для исследованного вагона также был рассмотрен ряд иных кинематических зависимостей, определяющих безопасность эксплуатации ударно-тяговых приборов.

Так при анализе возможности прохода сцепа вагонов в кривых участках получено, что для вагона в сцепе с "эталонным" вагоном на ^-образной кривой нормативного радиуса угол отклонения автосцепки относительно оси пути составил а = 8,116° < [а], для сцепа из 2-х (однотипных) вагонов на 5-образной кривой а = 6,92° < [а], для вагона в сцепе с "эталонным" вагоном на участке сопряжения кривой и прямой а = 7,327° < [а].

Проход одиночного вагона по круговой кривой регламентированного радиуса для исследованного вагона также выполняется.

Проход исследованным вагоном горбов сортировочных горок с нормативным переломом профиля без саморасцепа обеспечивается.

На данном этапе расчетной экспертной оценки проведен анализ и представлена методика оценки соответствия поглощающего аппарата ударно-тяговых приборов конструкции вагона и условиям его эксплуатации. В соответствии с результатами расчетов сделан вывод: поглощающий аппарат Ш-2-В удовлетворяет требованиям нормативной документации к его характеристикам, но он не обеспечивает надежную защиту конструкций вагона при скоростях соударения вагонов, превышающих установленные.

При расчете на прочность элементов ударно-тяговых приборов исследована такая ответственная деталь как корпус автосцепки.

Расчеты данного элемента производились с применением объемных конечных элементов в среде пре- и постпроцессора МБС.Рай'ап и вычислительного модуля МБС.Каз^ап. В соответствии с нормативной документацией корпус автосцепки должен проверяться на продольные сжимающие и растягивающие усилия I расчетного режима «Норм...» с учетом эксцентриситета их приложения.

Общий вид конечно-элементной модели корпуса автосцепки приведен на рисунке 6:

Рисунок 6 - Общий вид конечно-элементной модели корпуса автосцепки

При анализе результатов расчета корпуса автосцепки можно выделить следующие характерные особенности:

1. Максимальные эквивалентные напряжения при сжатии нормативными нагрузками наблюдаются в зоне зева в случае приложения продольных сил, линия действия которых (эксцентриситет) смещена вниз по направлению к земляному полотну, и составляют 547 МПа.

2. Максимальные эквивалентные напряжения при растяжении нормативными нагрузками наблюдаются в зоне перехода зева к большому зубу в случае приложения продольных сил, линия действия которых (эксцентриситет) смещена вниз, и составляют 597 МПа. Следует отметить, что близкий по величине уровень эквивалентных напряжений наблюдается в зоне контакта отверстия под клин с самим клином.

Сравнивая результаты расчетов с опытными данными, изложенными в отчете НИР ВНИИЖТа, можно отметить идентичность характера распределения напряжений в исследованных зонах, а также близкий уровень

их максимальных значений. Однако при сравнении результатов расчетов с опытными данными выявлены некоторые расхождения, которые можно объяснить исследованием в обоих случаях разных напряженных состояний. Если при эксперименте исследовалось одноосное напряженное состояние, то при расчете рассматривались эквивалентные напряжения (объемное напряженное состояние).

По результатам расчетов, можно сделать вывод, что исследованный корпус автосцепки только частично соответствует требованиям, предъявляемым «Нормами...» и (ГОСТ 22703-91) к его прочности. А именно, обеспечивается прочность корпусов автосцепок только при изготовлении их из сталей 3 и 4 категорий. Отметим, что именно эти категории сталей рекомендуются (ГОСТ 22703-91) для изготовления деталей первой группы, в том числе и корпусов автосцепок.

Шестая глава (V этап технологии расчетной экспертной оценки) посвящена оценке соответствия механической части автотормозов выбранной конструкции вагона.

К основным критериям оценки качества механической части тормозов, которые необходимо включить в технологию, в соответствии с «Нормами...» относят:

- коэффициент нажатия тормозных колодок;

- удельное давление на колесо со стороны колодки;

- мощность, приходящаяся на одну колодку;

- проверку по условию отсутствия юза.

Применительно к рассматриваемому вагону установлено, что для стандартной тормозной системы:

- чугунные колодки не обеспечивают соответствие нормативным требованиям по коэффициенту нажатия тормозных колодок для порожнего вагона, удельному давлению на колесо со стороны колодки для груженого вагона, мощности, приходящейся на одну колодку для обоих вариантов загрузки вагона.

- композиционные колодки не обеспечивают соответствие нормативным требованиям по коэффициенту их нажатия как для среднего, так и для порожнего режимов загрузки.

Расчеты для рассматриваемого примера выполнялись по предлагаемым в «Нормах...» зависимостям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации разработана технология системной расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, разработан и выбран ряд расчетных средств для оценки технических характеристик отдельных узлов и деталей вагона, установлены положительные и отрицательные качества рассмотренных вариантов определения параметров вагонных конструкций, а также даны рекомендации по их применению. Внедрение данной технологии расчетной экспертной оценки позволит повысить эффективность и безопасность эксплуатации вагонов как вновь

разрабатываемых, так и подлежащих модернизации и представляемых к продлению срока службы.

2. Для оценки целесообразности линейных размеров вагона, обеспечивающих эффективность и безопасность его использования, разработаны новые подходы, показано, что за критерий оценки целесообразности этих размеров может быть принят уровень погонной нагрузки вагона нетто. Предложена корректировка формул габаритных расчетов, а также получена зависимость между длиной вагона по раме и его базой, обеспечивающая равенство выносов консольной и средней частей кузова вагона с учетом характеристик самого вагона и состояния пути. Показано, что в широких габаритах более эффективны восьмиосные вагоны.

3. В позиции технологии, связанной с определением напряженно-деформированного состояния элементов кузовов грузовых вагонов, решены следующие задачи и получены результаты:

- При помощи разработанной конечно-элементной модели впервые проанализирована целесообразность учета 26 сочетаний нагрузок, предложенных «Нормами...», воздействующих на кузов вагона-цистерны. Доказано, что для этой конструкции только 9 сочетаний нагрузок из 26 исследованных являются определяющими.

- Выявлена зона кузова вагона-цистерны, не удовлетворяющая требованиям прочности. Это консольная часть хребтовой балки в местах установки передних и задних упорных угольников. Показано, что усиление накладками этой зоны обеспечивает заметный эффект.

- Для сравнительной оценки полученных результатов, помимо конечно-элементных, проведены расчеты оболочки котла цистерны с применением уравнений полубезмоментной теории оболочек в интегро-дифференциальной форме. Показано, что обеспечивается удовлетворительная сходимость результатов, полученных по МКЭ и полубезмоментной теории оболочек.

- С использованием уравнений полубезмоментной теории оболочек оценено воздействие на котел цистерны вертикальных динамических нагрузок и отмечено, что для оболочки, наполненной жидкостью, резонансная скорость исследованного вагона составила 76 км/ч, в то время как резонансная скорость для незагруженной оболочки котла значительно превышает эту величину.

- Проанализированы прочностные свойства котла цистерны в случае постановки в его опорной зоне усиливающих шпангоутов. Постановка шпангоутов в опорную зону обеспечивает усиление конструкции котла, что позволяет существенно уменьшить толщину его цилиндрической части и, соответственно, снизить вес конструкции.

4. В диссертации сформирована технология и предложены инженерные средства экспертных оценок соответствия ходовых частей параметрам кузовов грузовых вагонов. Применен новый подход к определению показателей ходовых качеств вагона, основанный на использовании решения уравнений, описывающих колебательный процесс одномассовой системы с позиционным трением. При этом решения унифицированы для наиболее

распространенных вариантов гашения колебаний (жидкостное, постоянное и позиционное трение), благодаря использованию коэффициента потери энергии. Следует отметить, что возмущающая сила, в предложенном варианте записи уравнений, представляет силу инерции, обусловленную проходом вагона по синусоидальной неровности.

Для рассматриваемой в качестве примера цистерны получено:

- коэффициент вертикальной динамики для груженого вагона достигает недопустимых значений уже при скорости 94 км/ч;

- при сравнительном анализе двух походов к определению коэффициента устойчивости колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса (формулы Марье и энергетического подхода к этой задаче) определяющим явилось ограничение скорости для груженого режима, оно составило по формуле Марье - 97 км/ч, а по энергетическим соотношениям - 98 км/ч, что, вероятно, можно объяснить учетом в формуле энергетических соотношений сил трения при сдвиге поперек пути ненабегающего колеса;

- вагон удовлетворяет требованиям к нему по критерию устойчивости колеса от вкатывания на головку рельса под действием продольных сил, возникающих в поезде, то есть он устойчив от выжимания;

- по результатам исследования коэффициента устойчивости вагона от опрокидывания при проходе кривого участка пути (расчетного радиуса), рекомендуется снизить скорости движения состава в подобных кривых для порожних вагонов до 43 км/ч, для груженых вагонов до 93 км/ч;

- конструкции надрессорной балки и боковой рамы в соответствии с результатами конечно-элементных расчетов удовлетворяют требованиям к ним по условию прочности для нормативных режимов нагружения;

- приближенная оценка усталостной прочности показывает, что при выбранных видах воздействий вертикальных нагрузок, срок службы боковой рамы не обеспечивается, а при действии тормозных усилий, принятого уровня и частоты, он соответствует 32 годам работы конструкции.

5. При проведении анализа методов оценки работоспособности элементов ударно-тяговых приборов получены следующие результаты:

- как средства технологии расчетной оценки построены математические модели, описывающие кинематические зависимости при сцеплении вагонов и проходе их сцепа по нормативным кривым, которые отражают поведение вагонов на всем протяжении сопрягаемых кривых и их переходных участков;

- доказано, что при исследовании возможности автоматического сцепления вагонов на участке сопряжения прямой и кривой нормативного радиуса игнорирование в формуле для определения возможности автоматического сцепления вагонов множества факторов, влияющих на неблагоприятное расположение вагона в рельсовой колее, приводит к кардинальным отличиям результатов, полученных по нормативным формулам и по формулам, учитывающим эти факторы;

- проход сцепа вагонов в кривых участках пути по трем нормативным вариантам, одиночного вагона по круговой кривой регламентированного

радиуса, а также проход исследованным вагоном горбов сортировочных горок без саморасцепа обеспечивается;

- исследованный поглощающий аппарат удовлетворяет требованиям нормативной документации к его характеристикам;

- результаты проведения прочностной конечно-элементной оценки корпуса автосцепки показали, что исследованная конструкция только частично соответствует требованиям нормативной документации, а именно, обеспечивается прочность корпусов автосцепок только при изготовлении их из сталей 3 и 4 категорий (ГОСТ 22703-91). Сравнительная оценка результатов расчетов корпуса автосцепки с результатами испытаний показала идентичность характера распределения напряжений в исследованных зонах, а также выявила близкий уровень их максимальных значений.

6. При проведении общих оценок соответствия механической части автотормозов выбранной конструкции вагона предлагается использовать типовые методы. В ходе расчетной оценки для рассмотренной конструкции вагона установлено, что тормозные системы, оборудованные чугунными и композиционными колодками, не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним нормативной документацией требованиям. При этом система с композиционными колодками обеспечивает несколько лучшие результаты.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты исследований опубликованы в следующих научных и учебно-методических изданиях:

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

1. Котуранов В.Н., Козлов М.П. О необходимости системной расчетной экспертизы технических характеристик грузовых вагонов. // Железнодорожный транспорт - 2009 - №2 - с.36-37.

2. Козлов М.П. Расчет кузовной конструкции // Мир транспорта. - 2009. -№1. - с.76-80.

3. Котуранов В.Н., Козлов М.П. Алгоритм расчетных оценок технических характеристик грузовых вагонов. // Железнодорожный транспорт - 2009 - №7 - с. 48-50.

4. Козлов М.П. Определение напряжений в оболочках цилиндрических частей котлов цистерн. // Транспорт Урала - 2009 - №3 (22) - с.71-76.

5. Козлов М.П. Уточнения к расчету коэффициентов вертикальной динамики. // Мир транспорта - 2010 - №1 - с.26-30.

6. Котуранов В.Н., Быков А.И., Козлов М.П. Выбор линейных размеров кузовов грузовых вагонов. // Железнодорожный транспорт - 2010 - №9 - с. 47-48.

7. Корольков Е.П., Маслов И.Г., Козлов М.П. О вкатывании колеса на головку рельса. // Мир транспорта - 2010 - №4 - с.26-28.

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

8. Козлов М.П. Определение выносов вагонов в кривых. Труды VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» М.: МИИТ, 2007 г. с. IX-46 - IX-47.

9. Козлов М.П., Заглядова H.A. Об автоматической сцепляемости вагонов в кривой расчетного радиуса. Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» М.: МИИТ, 2008 г. c.XIV-70 - XIV-72.

10. Котуранов В.Н., Козлов М.П., Овечников М.Н. Развитие метода расчета напряженного состояния кузова пассажирского вагона с использованием модели трехслойной балки. Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» М.: МИИТ, 2008 г. c.VIII-23 -VIFI-29.

11. Коржин С.Н., Козлов М.П., Заглядова H.A. Предложения о внесении изменений в формулы габаритных расчетов подвижного состава. Труды научно-практической конференции Неделя науки - 2009 «Наука МИИТа -транспорту». М.: МИИТ, 2009. с.1-34 -1-35.

12. Козлов М.П. Математическая модель прохода сцепленных вагонов по S-образной кривой без прямой вставки. Труды XI научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» М.: МИИТ, 2010 г. с. VII-22 - VII-24.

По материалам диссертации опубликованы следующие учебно-методические работы:

13. Котуранов В.Н., Покровский Б.Н., Козлов М.П. Аналитический и конечно-элементный расчет напряженного состояния кузова пассажирского ЦМВ. Уч. пос. - М.: РГОТУПС, 2008. - 39 с.

14. Котуранов В.Н., Покровский Б.Н., Козлов М.П. Определение напряжений в оболочках цилиндрических частей и днищ котлов цистерн: Уч. пос. - М.: МИИТ, 2009. - 38 с.

15. Азовский А.П., Козлов М.П., Котуранов В.Н. и др. Технологическая последовательность экспертных оценок рабочих качеств универсального грузового вагона (на примере полувагона модели 12-1592). Учебное пособие. -М.: МИИТ, 2009,-118 с.

16. Котуранов В.Н., Козлов М.П. Приближенная оценка усталостной долговечности деталей вагонов. Методические указания. - М.: МИИТ, 2010 - 24 с.

КОЗЛОВ Михаил Петрович

ТЕХНОЛОГИЯ И СРЕДСТВА РАСЧЕТНОЙ ЭКСПЕРТНОЙ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО КОНСТРУКЦИЯМ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

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

АВТОРЕФЕРАТ

Подписано в печать ¿¿.£3.2011 г. Заказ №/¿6 Формат 60x90/16 Тираж 80 экз. Усл. - печ. л,- 1,5

127994, Россия, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, стр. 9., УПЦ ГИ МИИТ

Оглавление автор диссертации — кандидата технических наук Козлов, Михаил Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

1 Краткий обзор работ, представляющих основу расчетных экспертных оценок технических характеристик грузовых вагонов.

2 Развитие комплексной технологии по оценке линейных размеров вагона, обеспечивающих эффективность и безопасность его использования (I этап экспертизы).

2.1 Формирование исходных данных для проведения расчетов.

2.2 Уточнение ограничений, учитываемых при определении линейных размеров вагона.

2.3 Критерии целесообразности линейных размеров.

2.4 Алгоритм определения целесообразных линейных размеров кузовов грузовых вагонов.

2.4.1 Теоретические основы определения выносов в кривых при вписывании вагона в габарит.

2.4.2 Реализация методики определения выносов в алгоритме определения целесообразных линейных размеров кузовов грузовых вагонов.

2.5 Результаты применения методики определения рациональных линейных размеров кузовов грузовых вагонов, их анализ и выводы по I этапу экспертизы

3 Выбор и формирование алгоритмов определения напряженно-деформированного состояния элементов кузовов грузовых вагонов, удовлетворяющих I этапу экспертизы (II этап экспертизы).

3.1 Анализ режимов нагружения и подходов к оценке допускаемых напряжений.

3.2 Расчетные схемы конструкций.

3.3 Формирование алгоритмов расчетов элементов кузова с применением промышленных программных комплексов.

3.4 Определение понижений кузова и укрепленных на нем узлов при проходе вагоном горбов сортировочных горок.

3.5 Формирование упрощенных алгоритмов расчета цилиндрической части котла цистерны с использованием прикладных методов теории упругости.

3.6 Сравнение эффективности применения различных подходов.

3.7 Рекомендации по применению алгоритмов и выводы по II этапу экспертизы.

4 Технология и инженерные средства экспертных оценок соответствия ходовых частей параметрам кузовов грузовых вагонов (Ш этап экспертизы)

4.1 Нормативные критерии оценки качества хода вагона.

4.2 Алгоритмы расчета показателей качества хода вагона.

4.2.1 Определение коэффициента вертикальной динамики.

4.2.2 Определение коэффициента поперечной динамики.

4.2.3 Определение величины рамной силы.

4.2.4 Определение амплитуд ускорений.

4.2.5 Определение коэффициента устойчивости колесной пары от схода с рельсов по условию вкатывания гребня колеса на головку рельса.

4.2.6 Определение коэффициента устойчивости вагона от вкатывания колеса на рельс под действием продольных сил (выжимание вагона).

4.2.7 Определение коэффициента устойчивости вагона от опрокидывания наружу и внутрь кривой.

4.3 Нагрузки на несущие элементы ходовых частей и расчетные схемы, применяемые при оценке их прочности и долговечности.

4.4 Расчет прочности несущих элементов ходовых частей.

4.5 Методика приближенной оценки усталостной долговечности несущих элементов ходовых частей грузовых вагонов.

4.6 Приближенная оценка усталостной долговечности боковых рам тележек грузовых вагонов.

4.7 Анализ полученных результатов, рекомендации по применению использованных алгоритмов и выводы по III этапу экспертизы.

5 Анализ и подбор методов оценки работоспособности элементов ударно-тяговых приборов (IV этап экспертизы).

5.1 Связь линейных размеров кузова и его геометрических характеристик с параметрами ударно-тяговых приборов.

5.2 Расчетная методика оценки соответствия унифицированных ударно-тяговых приборов конструкции кузова.

5.2.1 Оценка обеспечения автоматической сцепляемости вагонов на участке сопряжения прямой и кривой без переходного радиуса.

5.2.2 Оценка обеспечения прохода сцепленных вагонов по кривым участкам пути регламентируемых радиусов.

5.2.3 Оценка обеспечения прохода одиночного вагона по круговой кривой регламентированного радиуса.

5.2.4 Оценка обеспечения прохода вагоном горбов сортировочных горок без саморасцепа.

5.2.5 Оценка эффективности использования выбранной конструкции поглощающего аппарата применительно к особенностям конструкции и эксплуатации вагона.

5.2.6 Расчёты на прочность элементов ударно-тяговых приборов.

5.3 Анализ полученных результатов расчета, рекомендации по их применению и выводы по IV этапу экспертизы.

6 Общие оценки соответствия механической части автотормозов выбранной конструкции вагона (V этап экспертизы).

6.1 Критерии оценки качества механической части тормозов.

6.2 Формирование алгоритмов расчета тормозного оборудования.

6.3 Результаты расчетов, их анализ и выводы по V этапу экспертизы.

Введение 2011 год, диссертация по транспорту, Козлов, Михаил Петрович

Актуальность работы. Для обеспечения эффективности и безопасности эксплуатации вагонов на железных дорогах требуется единый подход к оценке проектных решений и обоснованию соответствия их требованиям нормативной документации. Работа актуальна, так как в настоящее время имеется множество организаций, заинтересованных в разработке, изготовлении, модернизации и продлении сроков службы грузовых вагонов. В число этих организаций входят и такие, которые не имеют опыта работы в области железнодорожной техники. Прогноз качества и целесообразности применения проектных решений может быть обеспечен посредством реализации системной технологии и наполняющих ее средств оценки конструкций. Применение этой технологии всеми организациями, работающими в области вагоностроения и вагонного хозяйства, позволит исключить существующий произвол в принятии технических решений.

Цели работы - формирование технологии расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, позволяющей устанавливать их соответствие требованиям нормативной документации, а также разработка и подбор средств, наполняющих позиции этой технологии.

Объект исследования — конструкции грузовых вагонов.

Предмет исследования - технология и средства расчетной экспертной оценки соответствия конструкций грузовых вагонов нормативным требованиям.

Научная новизна работы. Впервые разработана технология комплексной и взаимосвязанной многоэтапной расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, ориентированная на установление их соответствия требованиям нормативной документации.

Для этого разработаны и модернизированы следующие средства, наполняющие позиции этой технологии, включающей кузов, как базовый узел вагона, ходовые части, ударно-тяговые приборы и автотормозное оборудование:

- разработан алгоритм расчета целесообразных линейных размеров кузова грузового вагона с учетом выполняемой им работы и ограничений по осевой и погонной нагрузкам, габаритам, проходу кривых и сцепляемости в них вагонов, проходу горок и аппарелей паромов;

- предложены новые приемы оценки величин выносов элементов кузова, учитываемых при вписывании вагона в габарит;

- получены достаточно простые и достоверные расчетные зависимости для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) оболочки котла цистерны на основе решения интегро-дифференциальных уравнений теории оболочек; предложены уточненные зависимости по расчету собственных вертикальных колебаний кузова на рессорном подвешивании с гасителями позиционного трения;

- предложена схема оценки усталостной прочности деталей вагонов при детерминированных циклических нагружениях;

- разработаны расчетные зависимости, определяющие кинематику вагонов при проходе кривых участков пути.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

Реализация рекомендаций, изложенных в работе, позволит повысить экономическую эффективность эксплуатации парка грузовых вагонов, а также уровень безопасности движения на сети железных дорог.

К значимым практическим результатам работы можно отнести:

- разработку и анализ конечно-элементных моделей кузова грузового вагона-цистерны, которые позволили выяснить целесообразность реализации 26 расчетных режимов для кузова такого вагона, установленных «Нормами.» и показать, на примере вагона-цистерны, что можно без ущерба для качества обоснования технических решений ограничиться девятью из них;

- разработку и анализ конечно-элементных моделей боковой рамы и надрессорной балки тележки грузового вагона с учетом всех видов нагрузок, предусмотренных «Нормами»;

- разработку и анализ конечно-элементной модели корпуса автосцепки при воздействии всех видов нормативных нагрузок.

Достоверность разработанных автором положений подтверждена результатами тестовых расчетов и сопоставлением с результатами испытаний.

Экспертные расчеты целесообразно начинать с выбора линейных размеров кузова вагона. Он должен производиться с учетом всех прочих требований, обусловленных видом перевозимых грузов, но первостепенное внимание заказчиков и производителей вагонов должно быть ориентировано на конструкции с наибольшими погонными нагрузками при заданном нормативе осевых нагрузок и других существенных ограничений. Линейными размерами кузова вагона, найденными с учетом всех ограничений, будет определяться не только целый ряд важнейших характеристик самой конструкции кузова: ее материалоемкость, динамические и прочностные качества, но и практически всех других узлов вагона.

После выбора линейных размеров и формирования архитектуры кузова, при расчете на прочность элементов кузовов, согласно режимам «Норм.» должны быть произведены оценки учета воздействия двадцати шести сочетаний различных нагрузок. Целесообразность такого объема расчетных исследований не проверялась, хотя важность вопроса очевидна. От него зависит эффективность и стоимость экспертных оценок конструкции. В диссертации этому вопросу, применительно к железнодорожным цистернам, имеющим раму, уделяется особое внимание.

Второй важнейший узел вагона - ходовые части, оформленные в виде тележек. Существует мнение, что это независимый узел конструкции, который можно проектировать без «привязки» к кузову вагона. Надо иметь в виду, что показатели ходовых качеств вагона, во многом, определяются инерционными и жесткостными характеристиками кузова и элементов ходовых частей, то есть тележки. Поэтому индивидуальная оценка ходовых качеств тележки без учета влияния конструкции кузова проблематична.

Таким образом, на этом этапе экспертной оценки качеств вагона производится подбор ходовых частей, обеспечивающих движению вагона с выбранным кузовом приемлемые показатели качеств хода — коэффициенты динамики, амплитуды ускорений, запасы устойчивости от вкатывания колес на головку рельсов и опрокидывания, плавность хода. При этом вопросы прочности несущих деталей ходовых частей также важны. В диссертации глубоко и всесторонне произведена проверка прочности боковых рам и надрессорных балок тележек грузовых вагонов. Эти расчеты осуществляются, как и в случае несущих кузовов и рам с помощью специализированных программных средств, позволяющих моделировать несущие узлы с использованием объемных конечных элементов.

В диссертации обращается внимание на некоторые, ранее не замеченные особенности работы рессорного подвешивания, обладающего позиционным трением. В этом случае рассматриваются простейшие модели динамики вагонов, которые позволяют выявить ранее принятые ошибочные представления о работе систем с таким видом трения.

Третий важнейший узел вагона — ударно-тяговые приборы и нормативная документация устанавливает определенные требования к этому узлу. Надо отметить, что работоспособность ударно-тяговых приборов взаимосвязана с параметрами кузова и этот факт должен учитываться при экспертных оценках. Проверка прочности элементов ударно-тяговых приборов, и в частности корпуса автосцепки, необходима, так как состояние этого узла во многом определяет безопасность движения.

Четвертый узел - тормозное оборудование вагона. Экспертиза его работоспособности - это отдельная трудоемкая задача, но ряд основных позиций включен в экспертизу.

Таким образом, в диссертации решена задача, определения технологической последовательности проведения полномасштабной расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, предложен ряд новых решений по моделированию задач прочности основных металлоемких узлов вагона, наполняющих технологию, дан ряд некоторых новых эскизных трактовок по оценке технических характеристик элементов вагонов, которые требуют дальнейшей углубленной проработки.

В целом, предложенная технология расчетной экспертизы позволяет получить полную картину о соответствии выбранных технических решений нормативным требованиям и их эффективности, что чрезвычайно актуально при существующей практике заказа и организации производства грузовых вагонов.

Заключение диссертация на тему "Технология и средства расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов"

Выводы: Исследован коэффициент устойчивости вагона от опрокидывания при проходе кривого участка пути на всем диапазоне конструкционных скоростей. В соответствии с результатами расчета рекомендуется снизить скорости движения состава при проходе кривых радиусом 250 метров для порожних вагонов до 43 км/ч, для груженых вагонов до 93 км/ч.

4.3 Нагрузки на несущие элементы ходовых частей и расчетные схемы, применяемые при оценке их прочности и долговечности

Учитывая, что в данной работе уделяется внимание экспертизе технических характеристик грузовых вагонов, рассмотрим основные несущие элементы, составляющие их ходовые части. В грузовом вагоностроении уже долгое время используется тележка 18-100 и ее модификации и, очевидно, этой конструкции следует уделить особое внимание. Для расчетной оценки прочности рассмотрим два наиболее важных, определяющих безопасность движения, массивных элемента этой тележки: надрессорную балку и боковую раму.

Оценка прочности надрессорной балки и боковой рамы тележки производится в соответствии с расчетными режимами согласно п. 2.1.3 и таблице 2.4 «Норм.» [3].

Согласно таблице 2.4 «Норм.» [3] были составлены сочетания расчетных нагрузок, действующих на надрессорную балку и боковые рамы тележки. Перечень сочетаний расчетных нагрузок приведен в таблице 4.1. Схемы приложения расчетных нагрузок и опорных реакций приведены на рисунках 4.25-4.28.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации разработана технология системной расчетной экспертной оценки технических решений по конструкциям грузовых вагонов, разработан и выбран ряд расчетных средств для оценки технических характеристик отдельных узлов и деталей вагона, установлены положительные и отрицательные качества рассмотренных вариантов определения параметров вагонных конструкций, а также даны рекомендации по их применению. Внедрение данной технологии расчетной экспертной оценки позволит повысить эффективность и безопасность эксплуатации вагонов как вновь разрабатываемых, так и подлежащих модернизации и представляемых к продлению срока службы.

2. Для оценки целесообразности линейных размеров вагона, обеспечивающих эффективность и безопасность его использования, разработаны новые подходы, показано, что за критерий оценки целесообразности этих размеров может быть принят уровень погонной нагрузки вагона нетто. Предложена корректировка формул габаритных расчетов, а также получена зависимость между длиной вагона по раме и его базой, обеспечивающая равенство выносов консольной и средней частей кузова вагона с учетом характеристик самого вагона и состояния пути. Показано, что в широких габаритах более эффективны восьмиосные вагоны.

3. В позиции технологии, связанной с определением напряженно-деформированного состояния элементов кузовов грузовых вагонов, решены следующие задачи и получены результаты:

- При помощи разработанной конечно-элементной модели впервые проанализирована целесообразность учета 26 сочетаний нагрузок, предложенных «Нормами.», воздействующих на кузов вагона-цистерны. Доказано, что для этой конструкции только 9 сочетаний нагрузок из 26 исследованных являются определяющими.

- Выявлена зона кузова вагона-цистерны, не удовлетворяющая требованиям прочности. Это консольная часть хребтовой балки в местах установки передних и задних упорных угольников. Показано, что усиление накладками этой зоны обеспечивает заметный эффект.

- Для сравнительной оценки полученных результатов, помимо конечно-элементных, проведены расчеты оболочки котла цистерны с применением уравнений полубезмоментной теории оболочек в интегро-дифференциальной форме. Показано, что обеспечивается удовлетворительная сходимость результатов, полученных по МКЭ и полубезмоментной теории оболочек.

- С использованием уравнений полубезмоментной теории оболочек оценено воздействие на котел цистерны вертикальных динамических нагрузок и отмечено, что для оболочки, наполненной жидкостью, резонансная скорость исследованного вагона составила 76 км/ч, в то время как резонансная скорость для незагруженной оболочки котла значительно превышает эту величину.

- Проанализированы прочностные свойства котла цистерны в случае постановки в его опорной зоне усиливающих шпангоутов. Постановка шпангоутов в опорную зону обеспечивает усиление конструкции котла, что позволяет существенно уменьшить толщину его цилиндрической части и, соответственно, снизить вес конструкции.

4. В диссертации сформирована технология и предложены инженерные средства экспертных оценок соответствия ходовых частей параметрам кузовов грузовых вагонов. Применен новый подход к определению показателей ходовых качеств вагона, основанный на использовании решения уравнений, описывающих колебательный процесс одномассовой системы с позиционным трением. При этом решения унифицированы для наиболее распространенных вариантов гашения колебаний (жидкостное, постоянное и позиционное трение), благодаря использованию коэффициента потери энергии. Следует отметить, что возмущающая сила, в предложенном варианте записи уравнений, представляет силу инерции, обусловленную проходом вагона по синусоидальной неровности.