Оценка нагруженности полувагона для перевозки технологической щепы
Объект исследования: полувагон для перевозки технологической щепы.
Результаты, полученные лично автором: проведен анализ напряженно-деформированного состояния объекта исследования новой конструкции, дано заключение о соответствии объекта требованиям проектирования.
Конструкция кузова полувагона для перевозки технологической щепы симметрична относительно оси пути и по длине. В связи с этим, расчетная схема представляет собой ¼ часть.
На первом этапе моделирования геометрии были построены срединные плоскости для всех несущих элементов. Определены координаты точек геометрической неоднородности. По чертежам, разработанным раннее, определена топология конструкции и выбран предполагаемый максимальный размер конечного элемента.
Для упрощения процесса создания в дальнейшем сетки конечных элементов необходимо было учесть зоны пересечения и наложения элементов в реальной конструкции, и создать грани пересечения.
Следующим этапом при формировании расчетной модели явилось наложение сетки конечных элементов – пластин на поверхности графических плоскостных примитивов. Максимально возможный размер прямоугольной пластины 50х50 мм. При данном размере расчетная схема избавляется от лишнего числа конечных элементов и узлов, это в свою очередь позволяет снизить вычислительные затраты и затраты времени на обработку результатов расчетов по заданным режимам нагружения. Получены следующие характеристики конечноэлементной схемы: число конечных элементов – 24373, число узлов расчетной схемы – 24529. На рис. 1 представлена разработанная схема МКЭ.
Сводные значения нормальных напряжений в среднем сечении расчетной схемы кузова полувагона для перевозки технологической щепы представлены в табл. 1.
Анализируя полученные результаты можно сделать вывод о том, что максимальные нормальные напряжения для всех режимов нагружения не превышают допускаемых, равных 296 Н/мм2 (сталь 10Г2БД 375 класса прочности) –
I РР, 200-210 Н/мм2.
В зонах приложения продольных нагрузок наблюдается местный рост эквивалентных и нормальных напряжений, как следствие концентрации в зоне приложения узловых сил.
Помимо этого, в узле соединения шкворневой балки с хребтовой также наблюдается рост напряжений, объяснить который можно концентрацией напряжений в прямых углах соединений.
Рис. 1. Расчетная схема МКЭ полувагона для технологической щепы
Таблица 1
Значения нормальных напряжений в среднем сечении по режимам нагружения, Н/мм2
| № п/п | Верхняя точка | Нижняя точка | Максимальные |
| -4.73 | 2.19 | 23.98 | |
| -50.5 | 144.5 | 260,4 | |
| -18.1 | -124 | 246,3 | |
| -79.6 | 218,3 | ||
| -65.7 | -8 | 197,3 |
1 – собственный вес кузова; 2…5 – 1…3 расчетные режимы (растяжение-сжатие).
В целом оценивая, напряженно-деформированное состояние можно сделать вывод об адекватности расчетной схемы ¼ части кузова полувагона для перевозки технологической щепы, в сравнении с приближенным расчетом кузова как единого бруса.
Напряжения не превышают допускаемых величин. Деформации составили следующие значения: 1 – й РР растяжение – 14.4 мм; 1 – й РР сжатие – 7.67 мм; 3 – й РР растяжение – 17.47 мм; 3 – й РР сжатие – 14.46 мм.
Спроектированная конструкция кузова полувагона для перевозки технологической щепы удовлетворяет условию прочности «Норм проектирования вагонов».
Материал поступил в редколлегию 28.04.2017
УДК 629.4
А.В. Попковский, Д.В. Володин
Научный руководитель: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. В.А. Симонов
ВЛИЯНИЕ ПРОФИЛЕЙ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА
НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ
Объект исследования: профиль локомотивных колес.
Результаты, полученные лично автором: выполнен обзор локомотивных профилей колес отечественного и зарубежного производства. Дан анализ профилей колес и возможность их применения на локомотивах различного назначения.
В настоящее время на железных дорогах России продолжаются поиски более совершенных методов снижения интенсивности износа колесных пар подвижного состава. Проблема превратилась в одну из основных общесетевых, в значительной мере влияющих на рост расходов предприятий и дорог в целом.
В данной работе были рассмотрены два профиля. Это профиль ДМеТИ и профиль ГОСТ (конический). Принципиальный отличием этих двух профилей является то, что профиль ДМеТИ – это профиль одноточечного контакта колеса с рельсом, а ГОСТ - двухточечный. Основываясь на результатах проведенных численных опытов, выполненных средствами программного комплекса «Универсальный механизм» в БГТУ можно сделать следующие выводы.
Применение профиля ДМетИ вместо конического позволяет в целом снизить боковое воздействие на рельсошпальную решетку (рамные силы) при движении в прямых и кривых участках пути. Исключение составляет лишь движение по прямым со скоростями свыше 60 км/ч и при некоторых режимах движения в кривой радиусом 600м на малых скоростях. Однако во всех рассмотренных случаях максимальные значения рамных сил не превышали нормативных значений 0,4*Qст=0,4*210 =82 кН.
Уровень действующих боковых сил и интенсивность износа профилей колес у экипажа с профилями колес типа ДМетИ существенно ниже, чем у экипажа с коническими профилями во всех рассмотренных режимах движения тепловоза. Так для наиболее вероятных в эксплуатации режимов движения по кривым радиусами от 200 м и более, эффект по интенсивности износа от применения профилей в начальный период эксплуатации колес составляет 40% и более.
Снижение работы сил трения приводит не только к продлению срока службы профилей колес и рельсов, но и к экономии топлива за счет снижения сопротивления движению.
Материал поступил в редколлегию 25.04.2017
УДК 629.463.1
Н.А. Редя
Научный руководитель: заведующий кафедрой «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. Д.Я. Антипин
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ КУЗОВА
ВАГОНА БУНКЕРНОГО ТИПА
Объект исследования: несущая конструкция кузова ваг
она бункерного типа.
Результаты, полученные лично автором: выполнено обоснование конструкции кузова вагона бункерного типа с несущими элементами, изготовленными из алюминиевых сплавов.
Предложена оригинальная несущая конструкция кузова вагона-хоппера для перевозки минеральных удобрений с алюминиевыми стенами и крышей и стальной рамой. В качестве аналога для разработки несущей конструкции кузова был принят вагон-хоппер модели T6350 производства American Railcar Industries, Inc. Соединение стальной рамы с алюминиевыми элементами кузова осуществляется за счет применения биметаллических пластин.
Обоснование несущей конструкции осуществляется путем оценки ее соответствия требованиям с точки зрения прочности. Анализа напряженно-деформированного состояния несущей конструкции кузова вагона выполнен с использованием детализированной пластинчатой конечно-элементной модели.
Модель представляет собой пространственную пластинчатую расчетную схему, образованную трех- и четырехузловыми изотропными пластинчатыми элементами типа Plate, учитывающими все внутренние силовые факторы (мембранные, сдвиговые, поперечные и изгибные) и позволяющими моделировать пластины значительной толщины. Общее количество пластинчатых элементов со средним размером 50×50 мм составило 182 тыс. Толстостенные литые элементы кузова вагона (пятник, передний упор, объединенный с розеткой автосцепки, и задний упор) смоделированы 60 тыс. четырех-, пяти- и шестигранными пространственными объемными элементами типа Solid. Взаимодействие объемных элементов с пластинчатой конечно-элементной схемой осуществлялось путем введения в соответствующие узлы конечно-элементной модели, находящиеся в зонах взаимодействия объемных и пластинчатых элементов, специальных абсолютно жестких стержневых элементов типа Rigid.
Разработка конечно-элементной модели кузова осуществлялась на основе трехмерной твердотельной модели несущей конструкции вагона и комплекта конструкторской документации в среде промышленного программного комплекса, реализующего метод конечных элементов, –Siemens PLM Software Femap.
Конечные элементы схемы объединены в 137 тыс. узлах, число степеней свободы конечно-элементной модели составляет 818,5 тыс. (рис. 1).
Рис. 1. Пластинчатая конечно-элементная модель несущей конструкции кузова вагона-хоппера
Оценка прочности кузова производилась в соответствии с расчетными режимами и нагрузками согласно «Нормам…».
Квазистатическая продольная нагрузка растяжения или сжатия в соответствии с рекомендациями «Норм…» прикладывается к ударным поверхностям переднего или заднего упоров по обоим концам кузова при одинаковом уровне осей автосцепок взаимодействующих вагонов.
Квазистатическая продольная нагрузка сжатия Рпр=-2,5 МН по первому расчётному режиму прикладывается к узлам расчетной модели кузова, соответствующим ударным поверхностям задних упоров автосцепки по обоим концам кузова.
При продольной сжимающей силе по третьему расчетному режиму Рпр = - 1,0 МН величины соответствующих узловых продольных нагрузок по первому расчетному режиму умножаются на коэффициент 0,4.
Квазистатическая продольная нагрузка растяжения Рпр=+2,0 МН по первому расчетному режиму прикладывается к узлам расчетной модели кузова, соответствующим ударным поверхностям передних упоров автосцепки по обоим концам кузова.
При продольной растягивающей силе по третьему режиму Рпр=+1,0 МН величины соответствующих узловых продольных нагрузок по I режиму умножаются на коэффициент 0,5.
В результате расчета прочности кузова получены данные о распределении эквивалентных напряжений в несущих элементах конструкции кузова вагона по сочетаниям основных нормативных нагрузок, приведенным в таблицах 1 и 2.
Прогиб обвязки рамы в средней части кузова от вертикальной нагрузки брутто составляет f = 3,7 мм.
Оценка соответствия конструкции кузова требованиям «Норм…» проводилась путем сравнения максимальных расчетных эквивалентных напряжений в несущих элементах кузова, приведенных в таблицах 1 и 2, с допускаемыми напряжениями.
Проанализировав результаты, можно сделать вывод, что максимальные расчетные напряжения во всех несущих элементах кузова вагона не превышают напряжений, допускаемых «Нормами…».
Материал поступил в редколлегию 25.04.2017
УДК 629.4
М.С. Солупаев, П.А. Косоногов
Научный руководитель: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. А.А. Лагутина