Моделирование напряженно-деформированного состояния рамы тележки тепловоза

библиотеками прикладного программного обеспечения дает возможность разработчикам выбрать оптимальные решения для создания современных систем управления тяговым приводом ЭПС с цифровым контуром управления, опираясь на опыт разработки лучших образцов отечественной и зарубежной техники.

Библиографический список

1. Современные системы управления электровозов и электропоездов /

A. Г. Вольвич, А. В. Беляев, В. И. Плис // Электровозостроение : сб. науч. тр. Т. 38. -1997. - С. 323-329. - ISSN 1816-1928.

2. Системы автоматического ведения поезда / М. Пясик, Е. Толстов, И. Случак // Современные технологии автоматизации. - 2000. - № 4. - С. 60-69. - ISSN 0206-975X.

3. Многофункциональная микропроцессорная система управления тепловозом / Ю. Бабков, О. Котов, А. Литвинов, Д. Сергеев, П. Чудаков // Современные технологии автоматизации. - 2004. - № 3. - С. 46-52. - ISSN 0206-975X.

4. Переход от аналогового управления электроприводом к цифровому / К. Годбоул // Электронные компоненты. - 2006. - № 11. - С. 25-33.

5. Новая структура универсальной тяговой схемы дизель-электропоезда с импульсным регулированием и защитой от перенапряжений / С. Резников, Д. Чуев, А. Савенков // Силовая электроника. - 2005. - № 3. - С. 42-47.

6. Применение микропроцессоров в системах управления транзисторных выпрямителей / В. Милешин, Д. Овчинников // Силовая электроника. - 2005. - № 4. -С. 50-53.

7. 4q -S - четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока /

B. В. Литовченко // Известия вузов. Электромеханика. - 2000. - № 3. - С. 64-73. - ISSN 0136-3360.

8. Динамические процессы в асинхронном тяговом приводе магистральных электровозов / Ю. А. Бахвалов, Г. А. Бузало, А. А. Зарифьян, П. Ю. Петров и др. - М. : Маршрут. - 2006. - 374 с. - ISBN 5-89035-366-7.

Статья поступила в редакцию 12.03.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. Н. Марикиным

УДК 629.4.023 Н. С. Зайниддинов

МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ТЕПЛОВОЗА

Безопасная эксплуатация транспортного средства определяется остаточной прочностью деталей, узлов и конструкций. Данная статья посвящена моделированию и анализу напряженно-деформированного состояния рамы бесчелюстной тележки тепловоза. Рассмотрено разделение расчетной схемы рамы на конечные элементы, приведены результаты расчета напряжений при статических нагрузках.

подвижной состав, несущие конструкции, рама тележки тепловоза, анализ методом конечных элементов.

Введение

В связи с увеличением скоростей движения на железнодорожном транспорте, а также веса поездов (грузонапряженности) возрастают нагрузки на элементы экипажной части локомотивов, в том числе на рамы тележек. Структура элементов металлоконструкции механической части железнодорожного подвижного состава сложна. Эти элементы представляют собой ряд сложных пространственных конструкций с большим количеством разнообразных по конфигурации соединений и концентраторов напряжений, воспринимающих широкий спектр эксплуатационных нагрузок. Их размеры и форма определяются усилиями, деформациями и напряжениями в них, а также другими характеристиками состояния, которые формируются под действием нагрузок различного вида и характера, определяемых параметрами, назначением и условиями эксплуатации подвижного состава. В зависимости от этих показателей данные элементы рассчитываются на прочность и жесткость при статических и динамических нагрузках. Необходимые несущая способность и надежность конструкции должны обеспечиваться при возможно меньшей массе. Расчетная модель должна достаточно полно отражать и учитывать фактический спектр эксплуатационных нагрузок, строиться и решаться с учетом сочетания технических, экономических и других требований.

При эксплуатации на раму тележки, кроме статических нагрузок от веса кузова с оборудованием, силы тяги (торможения) и реакций от момента и веса тяговых двигателей, действуют большие динамические вертикальные и горизонтальные нагрузки. Одной из особенностей рам тележек является то, что они работают при переменных напряжениях, в связи с чем должны рассчитываться на усталостную прочность. Доминирующей формой расчета является проверочный расчет, связанный с определением коэффициента запаса прочности. Для проведения таких расчетов необходимо располагать значениями действующих статических и динамических напряжений. Статические напряжения определяются для всех основных нагрузок: массы кузова с установленным оборудованием, тяговых и тормозных усилий, усилий при вписывании в кривые. Основным направлением совершенствования расчетных методов оценки ресурса несущих конструкций является более достоверный учет их нагруженности и особенности поведения материала ее локальных, наиболее напряженных зон в упругопластической области.

Конструкция рамы тележки является сварной. Основу рамы образуют две боковины, жестко связанные между собой поперечными балками и концевым креплением. Боковина в поперечном сечении имеет замкнутый профиль коробчатого сечения, толщина вертикальных стенок которого 10 мм, нижней полки - 22 мм, верхней - 14 мм [3]. Эти детали выполнены

из стали марки Ст. 3сп. Предел текучести для данной марки стали по ГОСТ 380-94 от = 235 МПа, временное сопротивление ав = 470 МПа. К нижней полке боковины приварены конструктивные детали: большие и малые буксовые кронштейны, предназначенные для крепления к ним поводков букс, а также накладки под пружины рессорного подвешивания тепловоза.

Отказы сварных деталей тепловозов в эксплуатации чаще всего обусловлены хрупкими разрушениями, которые берут свое начало от развивающихся усталостных трещин. При этом долговечность деталей определяется, главным образом, случайным характером появления дефектов в наиболее нагруженных зонах. Как установлено в ходе исследований [2], усталостное разрушение несущих конструкций происходит в результате развития микропластических деформаций, перерастания их в трещину и распространения этой трещины. Можно отметить, что усталостное разрушение металла происходит при определенной интенсивности микропластических деформаций, уровень которой зависит от степени однородности структуры материала, а также его характеристик прочности и пластичности. В силу этого к несущим конструкциям подвижного состава предъявляются высокие требования как при их создании, так и при эксплуатации и модернизации.

В целях продления срока службы наиболее нагруженные части металлоконструкций необходимо усиливать. В связи с этим работы по расчету и принятие рациональных мер по оценке остаточного ресурса и модернизации приобрели большую научную и практическую значимость.

1 Схема нагружения рамы тележки

Прочностные и весовые показатели рам тележек определяются целым рядом конструктивных и технологических факторов. Это, прежде всего, принципиальная схема тележки, определяющая систему сил, действующих на ее раму; конструктивное исполнение основных несущих элементов рамы и узлов соединения этих элементов друг с другом, а также допустимый уровень концентрации напряжений. Значения и места приложения внешних статических сил, действующих на раму тележки, зависят от массовых и тяговых показателей тепловоза, конструкции опор кузова на тележки, узла передачи силы тяги от рамы тележки к кузову, а также от конструкции системы рессорного подвешивания, которая определяет расположение опорных реакций.

Унифицированная бесчелюстная тележка имеет индивидуальное рессорное подвешивание, состоящее из пружин и фрикционных гасителей колебаний. Рама тележки опирается на каждую буксу через комплекты пружин, попарно установленные на приливах букс. Нагрузка от кузова и оборудования передается на раму тележки через четыре опоры кузова, установленные на боковинах тележки. Схема нагружения рамы тележки приведена на рис. 1. Выбор конструкции основных несущих узлов,

согласно схеме, оказывает решающее влияние на габаритные размеры тележки и массу ее рамы.

а

Рис. 1. Схема нагружения рамы тележки (а) и эпюра изгибающих моментов (б),

действующих на тележку тепловоза:

Р = 1/2

(Рк - вес кузова; Рр - вес рамы тепловоза; Рко - вес кузовного оборудования;

Ррт - вес рамы тележки; Ркм.б - вес колесно-моторных блоков; стрелками показаны направления и места приложения сил, сверху - через резинометаллические опоры, снизу - нагрузки, передающиеся через кронштейны)

В связи с тем что геометрические формы данных деталей весьма сложны, а габариты значительны, стендовые испытания реальных конструкций становятся металлоемкими, трудоемкими и дорогостоящими. На сегодняшний день разработан ряд программ, с помощью которых можно сделать многовариантный анализ расчетов с учетом всех нагрузок для получения достаточно точных результатов.

Большой вклад в разработку методик проведения исследований в этой области сделано сотрудниками ВНИИЖТ и ВНИТИ.

По рекомендациям ВНИИЖТ [1] запас прочности в раме тележки определяется по формуле

с =

+Фа<^

где а-1 - предел усталости образцов при нагружении по симметричному циклу;

(ka)D - коэффициент снижения предела выносливости детали по сравнению с образцом;

ov - амплитуда динамического напряжения;

фа - коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла; ада - среднее напряжение цикла.

Нормативный запас прочности, определяемый по этой формуле согласно нормам [4], принят n = 2.

В большинстве ранее выполненных расчетов рама тележки принималась в виде стержневой системы. Как показала практика, в зонах сопряжения балок рамы, в местах присоединения кронштейнов, накладок и в других узлах сложной формы определить напряжения с помощью стержневой схемы нельзя [1]. В связи с этим целесообразно применение современных программ и методов расчета, в первую очередь метода конечных элементов (МКЭ). МКЭ считается одним из наиболее эффективных способов решения задач механически деформируемого твердого тела, накоплен положительный опыт его применения в различных областях машиностроения. В настоящее время МКЭ является мощным численным методом, применимым к различным физическим задачам, при этом наибольшее распространение он получил для решения задач теории упругости и анализа несущей способности конструкций, его можно назвать одним из основных методов анализа напряженно-деформированного состояния конструкций. Применение этих методов позволит повысить точность расчетов и определять напряжения в элементах сложной формы, в первую очередь в узлах соединения балок и в зонах присоединения отдельных деталей к несущим элементам.

2 Моделирование напряженно-деформированного состояния рамы тележки

Конечно-элементные модели рам тележек, главных рам, кабин и кузовов тепловозов позволяют не только выполнить прочностной статический расчет конкретного варианта конструкции, но также провести исследование и предложить способ модернизации этих конструкций. Цель модернизации - оптимизация параметров модернизированных узлов при сохранении их габаритных характеристик. На первом этапе моделирования, после построения конечно-элементной модели, производится статический расчет конструкции рамы тележки.

Для анализа напряженно-деформированного состояния применялся МКЭ, реализованный в программном комплексе SolidWorks Simulation, в редакторе которого и создавалась расчетная модель. Программа ориентирована на подготовку полноценной конечно-элементной модели с максимальными возможностями, с учетом особенностей геометрического, силового характера и выполнения различных видов расчетов. Расчетная схема рамы тележки и приведена на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема металлоконструкции унифицированной рамы тележки тепловоза

При статическом расчете в качестве нагрузки принята сила Р = 120 кН, воздействующая на каждую из опор через резинометаллические элементы. Разделение расчетной схемы на конечные элементы и расчет напряжений осуществлялись на ЭВМ. Анализ результатов соответствовал требованиям отраслевых норм прочности (табл. 1).

ТАБЛИЦА 1. Исходные данные для расчета напряжений опорной тележки тепловоза

Наименование элемента Материал Допустимое напряжение

Шкворневая балка рамы тележки Сталь 20 Л 140

Остальная часть рамы тележки Сталь 3сп. 150

Расчет силовых факторов, действующих на тележку, производился согласно [4]. При генерации сетки конечно-элементной идеализации объекта исследования использовались объемные конечные элементы в виде тетраэдра. Идеализированный вариант рамы тележки тепловоза по МКЭ приведен на рис. 3. Модель состоит из 46 155 элементов и 90 898 узлов.

Результаты расчета величин напряжений в раме тележки тепловоза при статическом нагружении представлены на рис. 4.

Напряжения не превышают норм [4], коэффициент запаса прочности по результатам расчетов на ЭВМ n = 2,3, что соответствует требованиям.

Рис. 3. Идеализированный вариант рамы тележки тепловоза

Рис. 4. Результаты расчета величин напряжений в раме тележки тепловоза

при статическом нагружении

Заключение

С помощью программного обеспечения была построена конечно-элементная модель рамы тележки тепловоза, которая позволяет определять и анализировать перемещения, напряжения и деформации, рассчитываемые в данной конструкции. Рассмотренная расчетная модель рамы бесчелюстной тележки тепловозов типа ТЭ10 и ТЭ116 позволяет достаточно полно исследовать их напряженно-деформированное состояние, дать оценку возможным изменениям при их модернизации, определить эффективные способы усиления при ремонте. В результате сравнения данных статического расчета с требованиями [4] можно сделать вывод о том, что расчетная схема была выбрана правильно. На следующем этапе производится динамический расчет, по результатам которого можно судить о долговечности конструкции.

Библиографический список

1. Повышение надежности экипажной части тепловозов / А. И. Беляев, Б. Б. Бунин, С. М. Голубятников и др.; под ред. Л. К. Добрынина. - М. : Транспорт, 1984. -248 с.

2. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог / А. Н. Савоськин, Г. П. Бурчак, А. Л. Матвеевичев, Е. В. Сердобинцев и др.; под общ. ред. А. Н. Савоськина. - М. : Машиностроение, 1990. - 288 с. : ил.

3. Тепловоз 2ТЭ116 / С. П. Филонов, А. И. Гибалов. - М., 1985. - 328 с.

4. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог РФ колеи 1520 мм. - М. : МПС, 1998. - 145 с.

Статья поступила в редакцию 27.04.2010;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко

УДК 62.13.13

С. Н. Иванов

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ СИСТЕМ ОТОПЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

На основе анализа результатов теоретического и экспериментального исследования процессов в исполнительных элементах электротехнических комплексов транспортного назначения получены выражения для инженерного расчета размерных соотношений, позволяющие проектировать электроотопительное оборудование для железнодорожного транспорта с заданными эксплуатационными показателями.

тепловая мощность, механическая мощность, неподвижный нагревательный элемент, вращающийся элемент, внутренний ферромагнитный элемент.

Введение

Одним из возможных вариантов экономичного обеспечения требуемых температурных условий на пассажирском железнодорожном транспорте является разработка электротехнических комплексов (ЭТК) на основе элементов, совмещающих функции производства тепловой энергии и перемещения теплоносителя при эффективном использовании первичных энергетических ресурсов и снижении потерь при их преобразовании и передаче. В первую очередь целесообразность использования таких элементов, реализованных в виде теплогенерирующих электромеханических преобразователей с короткозамкнутыми вторичными обмотками, связана с возможностью отказа от использования специальных вспомогательных перекачивающих устройств (осевые, центробежные, оседиагональные насосы) с весьма