Расчет боковой рамы и надрессорной балки тележки грузового вагона методом конечных элементов

восстановленного предложенным способом, значительно превосходят свойства металла колес, восстановленных другими способами, а также показатели металла стандартного колеса.

Получение металла на различных поверхностях обода колеса с необходимыми свойствами для работы в соответствующих условиях приводит к повышению срока службы колесных пар. Результаты исследований показали применимость такого способа восстановления обода колеса в условиях специализированных ремонтных подразделений.

Использование разработанного способа восстановления обода колеса транспортного средства позволяет получить восстановленное колесо с габаритами стандартного колеса, улучшенными показателями металла рабочих поверхностей обода колеса как для рабочей поверхности гребня, так и для поверхности катания колеса, что значительно снижает затраты на приобретение колесных пар.

Список литературы

1. Пат. 2113325 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 Р 6/00. Способ восстановления поверхности катания вагонных колес [Текст] / И. Д. Козубенко, Н. Г. Скосырский и др. (Россия). - № 97101271/02; Заявлено 24.01.1997; Опубл. 20.06.1998. Бюл. № 17.

2. Пат. 2095211 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 Р 6/00. Способ восстановления изношенных гребней колес рельсовых транспортных средств [Текст] / Г. В. Кожевин, В. А. Канищев и др. (Россия) - № 95105268/02; Заявлено 06.04.1995; Опубл. 10.11.1997. Бюл. № 32.

3. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ-944 [Текст]. М.: Транспорт, 2006.

4. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. ЦТ-329[Текст]. М.: Техинформ, 2000.

5. Пат. 2207388 РФ, МПК С22В9/18, В23Р6/00. Способ электрошлакового переплава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, А. Д. Верхотуров - № 95105268/02; Заявлено 06.04.95; Опубл. 10.11.97. Бюл. № 18.

6. Пат. 2424091 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 К 35/36, С 22 В 9/18. Флюс для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, Е. А. Дроздов, М. А. Колесников (Россия). - № 2009125939/02; Заявлено 06.07.2009; Опубл. 20.07.2011. Бюл. № 20.

7. Бабенко, Э. Г. К вопросу применения керамических флюсов на основе минеральных концентратов для восстановления деталей подвижного состава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, Я. А Новачук// Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2012. - 3 (11). - С. 2 - 7.

УДК 629.46:629.4.027.23

В. В. Лукин, А. О. Вельский

РАСЧЕТ БОКОВОЙ РАМЫ И НАДРЕССОРНОЙ БАЛКИ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Одной из многих тем, над которыми работал В. В. Лукин в последние годы своей жизни, являлось совершенствование литых деталей тележек грузовых вагонов с помощью метода конечных элементов.

В статье показана возможность применения метода конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния двух наиболее ответственных деталей трехэлементной тележки грузового вагона с целью дальнейшего совершенствования их конструкции.

03ВЕСТИЯ Транссиба

I

Анализ браков и схода вагонов, допущенных на сети железных дорог России за девять месяцев 2012 г., показывает, что 19 случаев произошли из-за излома боковой рамы тележки грузового вагона модели 18-578. Подробный анализ состояния безопасности и основных недостатков тележек грузовых вагонов выполнен в работах [1, 2]. Для предотвращения и недопущения подобных случаев необходимо произвести уточненный прочностный расчет боковой рамы тележки с применением современных методов расчетов для выявления мест концентрации максимальных напряжений.

В настоящее время метод конечных элементов (МКЭ) занимает лидирующее положение благодаря возможности моделировать широкий круг объектов и явлений. В основе этого метода лежит дискретизация объекта с целью решения уравнений механики сплошной среды в предположении, что эти соотношения выполняются в пределах каждой из элементарных областей. В пределах конечного элемента назначаются свойства ограничиваемого им участка объекта (это могут быть, например, характеристики жесткости и прочности материала, плотность и т. д.) и описываются поля интересующих величин (применительно к механике твердого тела - это перемещения, деформации, напряжения и т. д.).

Параметры из второй группы назначаются в узлах элемента, а затем вводятся интерполирующие функции, посредством которых соответствующие значения можно вычислить в любой точке внутри элемента или на его границе. Задача математического описания элемента сводится к тому, чтобы связать действующие в узлах факторы. В механике сплошной среды это, как правило, перемещения и усилия. МКЭ позволяет, зная силу, приложенную к конечному элементу, найти его перемещение, затем - деформацию и напряжение.

В программном комплексе SolidWorks методом твердотельного моделирования были разработаны объемные геометрические модели боковой рамы (рисунок 1) и надрессорной балки (рисунок 2) тележки 18-578 грузового вагона на основе чертежей ОАО «НПК «Уралвагонзавод».

Рисунок 1 - Конечно-элементная модель части Рисунок 2 - Конечно-элементная модель части

боковой рамы надрессорной балки

В разработанной модели боковой рамы учтены следующие особенности: несимметрия скруглений верхний части боковой рамы относительно продольной плоскости;

основные элементы боковой рамы (опорная поверхность; направляющие, ограничивающие смещение фрикционных клиньев; технологические отверстия; ребра жесткости, соединяющие поддон и боковую стенку боковой рамы);

вертикальная нагрузка от рессорного комплекта передается на боковую раму через кольцеобразные выработки (с учетом действия внутренней и наружной пружин);

действующие силы считаются приложенными мгновенно и равномерно распределенными;

отсутствуют кронштейны для крепления подвесок тормозных башмаков. При разработке модели надрессорной балки были учтены все основные особенности конструкции балки, включая устройство катковых подпружиненных скользунов, выполненных в виде упругих элементов с жесткостью сх = 2,3 МН/м. Причем учтено, что упруго-

8 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

катковые скользуны воспринимают часть нагрузки от кузова как в прямом участке пути, так и в кривом. Основание упругокаткового скользуна считается жестко закрепленным на над-рессорной балке.

Расчет прочности боковой рамы и надрессорной балки выполнен с использованием модуля COSMOSWorks, входящего в состав программы SolidWorks. Использование этого модуля связано в первую очередь с тем, что не требуется делать никаких дополнительных преобразований объемных геометрических моделей этих деталей, а можно непосредственно приступать к их анализу [3, 4].

Расчет деталей производился в соответствии с Нормами [4] для I и III расчетных режимов по допускаемым напряжениям. Величина расчетных нагрузок для боковой рамы приведена в таблице 1, для надрессорной балки - в таблице 2.

Таблица 1 - Значение нагрузок боковой рамы для I и III расчетных режимов

Направление действующей силы Значение нагрузки, Н

I режим III режим

Вертикальная нагрузка Р Продольная нагрузка Т 528400 154700 398800 44200

Таблица 2 - Значение нагрузок надрессорной балки для I и III расчетных режимов

Наименование силы Значение нагрузки, Н

I режим III режим

Вертикальная нагрузка Р 878600 634800

Продольная нагрузка Т 295400 84400

Боковая нагрузка Н 0 39300

Ввиду того, что боковая рама симметрична относительно поперечной оси, для уменьшения времени решения напряженно-деформируемого состояния, она была разбита на две части. Каждая геометрическая модель частей боковой рамы была разбита на 20917 конечных элементов с уплотнением сетки в местах с наибольшей вероятностью возникновения трещин и изломов (рисунок 3). Для построения сетки использовался 10-узловой объемный нелинейный тетраэдр. Результаты расчетов напряженно-деформируемого состояния боковой рамы представлены на рисунках 4-7.

Рисунок 3 - Расчетная схема боковой рамы

Рисунок 4 - Изополя распределения напряжений в боковой раме

Ида модели bokovinDChka[0$.05.2006]

Тип äncoai нэлинэяное уэлозое напраж&нив нагитжм*« i i-vont.

Шкала деформация 1

i sesc+otw I .Kte+ooi

-.Yieldsnengjii >(WOt+OOS

7i2t+007

MSi^COf f3i+907 Siit+SÖ?

Yitld stwgtt! 3:0W>fr4X>?

а б

Рисунок 5 - Изополя распределения напряжений в боковой раме

к: fcotovinc>[:tW3[19 06-2006]

Шаг сгмры 13 время 1 Свнундк

Н 7-33.C+Ö07 Jöi72e+007  5. Я Ос+007

а б

Рисунок 6 - Изополя распределения напряжений в боковой раме

Имя модели tJokovinochhajOe 052008) Имя упрэчи-ения Упражн&ние 1

Тип jftöcw Натиейпоо узловой папр^жьнмо Напрй*см«1&1 j-vonMisbs-) Шаг лпюры 13 веема 1 Сбкунды Шкала деформации i

Имя модели Ь0коЫпосИ1я(0в.052ОДв) Имя упражнение Упражнение 1

Тип jfMcw Hejetoieünoe узловой напряжении НапряиспикИ (-vonM*es-) Шарлпяры 13 ofiewa 1 Сбкунды Шкапа деформации 1

а б

Рисунок 7 - Изополя распределения напряжений в боковой раме

Результаты расчетов в сечениях приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты расчетов боковой рамы, МПа

Сечение 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

I режим 296 302 286 231 232 93 186 129 118 59 196 82

III режим 127 147 142 122 124 108 105 92 89 16 84 28

Анализ полученных результатов расчета боковой рамы показывает, что при величинах допускаемых напряжений - I расчетного режима ([а] = 295 МПа) и III (([а] = 140 МПа) - в сечении 2 напряжения превышают допускаемые, причем все 19 случаев схода вагонов, происшедших за девять месяцев 2012 г. из-за излома боковой рамы, оказались именно в этом месте; в сечении 1 напряжения равны допускаемым, а в сечении 3 подходят достаточно близко к допускаемым. Следовательно, необходимо разработать предложения, направленные на снижение эксплуатационных напряжений в этих сечениях боковой рамы тележки вагона.

Расчет напряженно-деформированного состояния надрессорной балки: для уменьшения времени счета геометрическая модель балки была разбита на четыре части в силу симметрии. Каждая геометрическая модель части надрессорной балки разбита автоматически на 12906 конечных элементов с числом степеней свободы 261636. Для построения сетки использовался 4-узловой объемный линейный тетраэдр. Интенсивность напряжений в надрессорной

10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба

балке определялась при рассмотрении следующих схем приложения сил: в прямом участке пути, I расчетный режим; в прямом участке пути, III расчетный режим; в кривом участке пути, I расчетный режим (ближняя к центру кривой четверть балки); в кривом участке пути, I расчетный режим (дальняя от центра кривой четверть балки); в кривом участке пути, III расчетный режим (ближняя к центру кривой четверть балки); в кривом участке пути, III расчетный режим (дальняя четверть балки от центру кривой).

Время расчета каждой схемы нагружения надрессорной балки составило 14 мин. Таким образом, надрессорная балка рассчитана для I и III расчетных режимов при движении в прямом и кривом участках пути. При движении в кривом участке пути было учтено различие приложенных нагрузок, действующих на геометрическую модель, находящуюся ближе к центру кривой и дальше от него.

Изополя распределения напряжений для некоторых вариантов расчетов приведены на рисунках 8 и 9.

И»я «одели Сборка 1

/мя упражнения Упражнвнкв 1

Тил эпюры. Статический узловое напряжение Напряжение 1 (-vonMises-) [Шала деформации 1

Имя модели Сборка 1 Имя упражнения Упражнение 1 Тип .?гворы Статический узловое hi Шкала деформации: 1

а б

Рисунок 8 - Изополя распределения напряжений в надрессорной балке в прямом участке пути

Ими мрдел* C60PIU1 Ими упражнении Упражнение I Тип апшы Статический узловое наг Икала деформации 1

е Непочтение 1 (-vonMi

Имя модели С5орк"з1 Имя упражнения Упражнение 1 Тип эпюры СтатачепнийузлйвоЕ иапряжвн№ НаприжениБ1 ( vonMisj Шкапа деформации i

I ШеШК |l.(l2ScM»8 9.322t+МП -|S.392t+007

|S.BJe+(K)7 I S.6G2c+№7 |4.073i-№7 13.7.13<+0O7 -j2.il3e+0&7 ]|.Ше*0[>7 |?.S3lcH>№ я2.319<гКЖ

а б

Рисунок 9 - Изополя распределения напряжений в надрессорной балке в прямом участке пути

Анализ результатов расчетов показал совпадение внутренних и внешних сил, что обеспечивает достаточную точность вычислений. Изополя распределения напряженно-деформируемого состояния имеют концентраты напряжений во всех типичных зонах технологических отказов.

Список литературы

1. Галиев, И. И. Безопасность движения, проблемы тяги и динамики поезда и их исследование методом фракционного анализа [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - 1 (1). -С. 98 - 106.

№20133) Ш ИЗВЕСТИЯ Транссиба

2. Галиев, И. И. Безопасность движения грузовых поездов и динамические свойства ходовой части вагона [Текст] / И. И. Галиев, В. А. Нехаев, В. А. Николаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - 1 (9). - С. 107 - 112.

3. Матяш, Ю. И. Выбор программного комплекса для расчета боковой рамы тележки [Текст] / Ю. И. Матяш, А. О. Бельский // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - 1(5). - С. 11 - 14.

4. Алямовский, А. А. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике [Текст] / А. А. Алямовский. - СПб: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.

5. Нормы для расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) [Текст] / М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 318 с.

6. Конструирование и расчет вагонов [Текст] / В. В. Лукин, Л. А. Шадур и др. / УМК МПС России. - М., 2000. - 731 с.

УДК 621.332

Г. П. Маслов, И. Л. Саля, К. С. Маркелова ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ТОКОСЪЕМА НА МОНОРЕЛЬСОВОМ ТРАНСПОРТЕ

В статье приведены результаты исследования взаимодействия устройств токосъема монорельсового транспорта. Проанализированы негативные последствия токосъема: акустический шум, радиопомехи и световое излучение при искрении, износ контактных элементов.

Устройства токосъема являются одними из важных элементов монорельсовой транспортной системы. Контактное нажатие выступает основным критерием, определяющим качество токосъема [ 1 ].

Схема для расчета взаимодействия токоприемника монорельсового транспорта с жестким токопроводом и определения контактного нажатия Ркт изображена на рисунке 1.

В расчетах приняты следующие допущения:

1) токопровод считается абсолютно жестким;

2) траектория провисания токопрово-да выбирается синусоидальной;

3) амплитуды горизонтальных и вертикальных перемещений основания токоприемника равны нулю (влияние экипажа отсутствует);

4) отрывы токосъемного элемента от токопровода отсутствуют;

5) токопровод не имеет разрегулированных стыковых соединений;

6) аэродинамическая сила, влияющая на контактное нажатие, принимается равной нулю;

7) сила трения скольжения между токопроводом и токосъемным элементом отсутствует.

Силы, действующие на элементы токоприемника, показаны на рисунке 2.

Рисунок 1 — Схема для расчета взаимодействия токоприемника монорельсового транспорта с жестким токопроводом: т1 — масса штанги, кг; т2 — масса контактного элемента, кг; к1 — жесткость нажимной пружины, Н/м; к2 — жесткость пружины контактного элемента, Н/м; 11 — расстояние от оси вращения до нажимной пружины, м; 12 — расстояние от оси вращения О до точки крепления пружины контактного элемента, м; 0,5-12 - расстояние от оси вращения О до центра массы штанги токоприемника С, м; а - угол поворота штанги токоприемника; Н - расстояние до точки крепления нажимной пружины, м; Ь - расстояние от верхней точки крепления пружины контактного элемента до верхней (рабочей) грани контактного элемента, м

12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба