Состояния несущей рамы вагона-шлаковоза
Объект исследования: несущая конструкция рамы вагона-шлаковоза.
Результаты, полученные лично автором: методами компьютерного моделирования выполнено исследование напряженно-деформированного состояния несущей рамы вагона-шлаковоза.
Широкое применение в металлургической промышленности получили вагоны-шлаковозы. С их помощью осуществляют транспортировку горячего шлака, образованного при выплавке черных металлов. Температура шлака достигает 1600°C.
Несущая конструкция рамы вагона-шлаковоза должна соответствовать высоким прочностным требованиям. Это связано с тем, что она, помимо высокого температурного воздействия, воспринимает большие нагрузки от опорного кольца, чаши, перевозимого груза и механизма опрокидывания.
Конструктивно рама вагона представляет собой две полурамы, соединенные продольной балкой, имеющей изогнутую форму и замкнутое коробчатое сечение. Несущая конструкция выполнена из высокопрочной стали марки S550MC производства ПАО «Северсталь».
В ходе анализа результатов эксплуатации вагона-аналога на металлургических предприятиях было предложено усовершенствовать конструкцию рамы путем введения дополнительных отверстий диаметром 100 мм, а также исключения подкрепляющих пластин стойки. Это позволит снизить металлоемкость при сохранении необходимых прочностных характеристик.
Далее была произведена оценка прочности предложенной несущей конструкции. Оценка проводилась на основе метода конечных элементов, с помощью которого можно наиболее эффективно оценить нагруженность как всей несущей конструкции, так и отдельных ее элементов. Все расчеты выполнялись с применением компьютерного моделирования в системе Siemens PLM NX Advanced Simulation с использованием решателя NX Nastran.
В процессе конечно-элементного моделирования рама вагона-шлаковоза была разбита на пластинчатые конечные элементы, которые связаны друг с другом на уровне узлов, число которых составляет более 54 тысяч. Конечно-элементная модель была построена на основе ранее созданной трехмерной модели рамы вагона.
Рама вагона-шлаковоза была закреплена в пространстве. Затем к ней была приложена нагрузка для двух режимов эксплуатации. Первый режим учитывает возникновение нагрузок при проведении маневровых работ. Для второго режима характерен учет сил, которые возникают при транспортировке шлака и проведении погрузочно-разгрузочных работ. Величины продольных усилий были взяты в соответствии с рекомендациями «Норм...».
С использованием процессора NX Nastran был выполнен расчет конечно-элементной модели. Оценка полученных напряжений показала, что наиболее нагруженной является средняя часть продольной балки рамы. Однако максимальные расчетные напряжения не превышают допускаемых, равных 475 МПа. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенной несущей конструкции рамы вагона-шлаковоза прочностным требованиям, предъявляемым к вагонам промышленного транспорта.
При этом в шкворневой и консольной частях рамы уровни действующих напряжений значительно ниже допускаемых, что свидетельствует о существующих резервах снижения веса несущей конструкции.
Результаты расчетов в виде картины напряженно-деформированного состояния несущей конструкции рамы вагона-шлаковоза при действии нагрузок, соответствующих I расчетному режиму (растяжение) в соответствии с «Нормами...», преведены на рис. 1.
Рис. 1. Картина напряженно-деформированного состояния несущей конструкции рамы вагона-шлаковоза (I режим, растяжение)
Максимальные напряжения, возникающие в несущей конструкции рамы при рассматриваемых режимах нагружения, приведены в таблице.
Таблица 1
Максимальные напряжения, возникающие в несущей конструкции рамы, МПа
| Режимы нагружения | Максимальные напряжения σmax | Допускаемые напряжения [σ] | |
| I режим | Растяжение | ||
| Сжатие | |||
| III режим | Растяжение | ||
| Сжатие |
Материал поступил в редколлегию 25.04.2017
УДК 629.4
П.Д. Федотенков, К.А. Мефед
Научные руководители: доцент кафедры «Подвижной состав железных дорог», к.т.н. В.И. Воробьев, ассистент кафедры «Подвижной состав железных дорог» Д.А. Бондаренко