Поиск рационального конструктивного исполнения стоек и обвязки кузова глуходонного полувагона увеличенной грузоподъемности

НАУКА • ^^

В результате испытания данных балок и изучения их изломов было установлено, что усадочные раковины и неметаллические включения отсутствуют. Устранение дефектов литейного происхождения в отливках привело к повышению усталостного ресурса балок в целом, к их живучести с усталостной трещиной.

Ликвидация литейных дефектов в труднодоступных для контроля зонах приведет к уменьшению отказов несущих отливок в эксплуатации, к сокращению случаев крушений грузовых вагонов по причине поломки надрессорных балок и боковых рам тележек.

Таким образом, компьютерное моделирование литейных процессов позволяет:

• минимизировать сроки и затраты на подготовку производства;

• повысить качество литых деталей ответственного назначения и их усталостный ресурс;

• производить оценку технологичности конструкции новых литых деталей на стадии конструирования.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации, Министерства образования и науки 2010218-01-228.

Литература

1. Пономаренко Г. М., Глебов С. М., Пирайнен В. Ю. Практические вопросы компьютерного моделирования // Литейное производство. — 2008. - № 8. — С. 29-31.

2. Пирайнен В. Ю., Пономаренко Г. М., Глебов С. М. Новое в проектировании технологии изготовления отливки рама боковая // Литейное производство. — 2009. — № 4. — С. 23-26.

Поиск рационального конструктивного исполнения стоек и обвязки кузова глуходонного полувагона увеличенной грузоподъемности

А. В. ПЕШКОВ, ведущий научный сотрудник ОАО «НВЦ „Вагоны"», М. Р. ТОХЧУКОВА, аспирант кафедры вагонов и вагонного хозяйства ПГУПС

Разработанная авторами новая конструкция кузова глуходонного полувагона позволяет увеличить параметры грузоподъемности и вместимости. Увеличение объема кузова при снижении его массы тары было произведено за счет применения профиля стоек боковых стен в виде прямоугольной трубы переменного по высоте сечения.

еличение грузоподъемности и вместимости явля-

Вются главными задачами при проектировании современных полувагонов. Одним из направлений разработки инновационного подвижного состава является создание полувагона с осевой нагрузкой 27 т, обладающего новыми потребительскими свойствами: объем кузова — более 100 м3, грузоподъемность — 84 т. При этом конструкция вагона должна полностью удовлетворять требованиям прочности и надежности в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования» [1]. Расчетные методы позволяют значительно сократить затраты на испытания макетных образцов в поисках их оптимального конструктивного исполнения.

Далее излагаются результаты оценки нагруженности и выбора конструктивного исполнения каркаса и обвязки боковых стен кузова глуходонного полувагона увеличенной грузоподъемности и вместимости.

Рис. 6. Нижняя полуформа с предложенной литниково-пи-тающей системой

Результаты

По разработанному с применением компьютерного моделирования в MAGMA технологическому процессу спроектирован (в 3D-модели) и изготовлен комплект модельно-стержневой оснастки (рис. 6).

В условиях опытного производства на сталелитейном заводе изготовлена опытная партия отливок «Балка надрессор-ная» (чертеж 100.00.001-6) в соответствии с конструкторской документацией, без применения ребер, технологических напусков и закладных элементов. Отливки после комплексного контроля качества были направлены на предварительные усталостные испытания в испытательный центр.

Современные методики расчетных исследований при помощи ЭВМ позволяют решать системы уравнений математического моделирования, описывающих реальные процессы нагружения конструкций в стационарном и нестационарном их состояниях. Это значительно сокращает временные и материальные затраты на изготовление и испытания опытных образцов в поиске рационального их конструктивного исполнения. В основу расчетных методик положен метод математической декомпозиции и использование стандартных вычислительных процедур для решения типовых расчетных задач, связанных с решениями конечных уравнений (линейных и нелинейных), а также обыкновенных дифференциальных уравнений.

Обзор существующих конструкций стоек боковых стен полувагонов показывает, что в них применяется омегообраз-ный профиль или швеллер.

Стойки

Рис. 1. Стойки постоянного по высоте сечения

Рис. 2. Стойки постоянного по высоте сечения, соединенные продольным поперечным поясом

Продольные поперечные пояса

Стопки

Рис. 3. Стойки постоянного по высоте сечения, соединенные двумя продольными поперечными поясами

Из опыта эксплуатации следует, что наиболее повреждаемыми элементами кузовов полувагонов наряду с верхней обвязкой и элементами торцевой стены являются стойки боковых стен. Согласно исследованиям, изложенным в [2], большое количество повреждений стоек возникает в узлах заделки, что свидетельствует о недостаточных прочностных характеристиках данного узла в условиях циклических нагрузок. Поэтому в ходе поиска оптимального решения конструкции стоек и обвязки кузова полувагона, чтобы обеспечить прочность и надежность при увеличенных показателях грузоподъемности и вместимости, учитывались такие требования к данным конструкциям, как достаточная жесткость, незначительная разница толщины привариваемых друг к другу элементов, а также отсутствие концентраторов напряжений. Рассмотрению подлежали следующие вариан-

Рис. 5. Верхняя обвязка

ты исполнения данных конструкций с сечением в виде прямоугольной трубы:

• стойки постоянного по высоте сечения (труба 100 х 100 х 4) (рис. 1);

• стойки постоянного по высоте сечения (труба 100 х 100 х 4), соединенные между собой продольным поперечным поясом (рис. 2);

• стойки постоянного по высоте сечения (труба 100 х 100 х 4), соединенные между собой двумя продольными поперечными поясами (рис. 3);

• стойки переменного по высоте сечения (рис. 4);

• верхняя обвязка сечением 160 х 120 х 8 (рис. 5).

Массовые характеристики кузова полувагона с различными вариантами исполнения стоек приведены на рис. 6.

При оценке прочности стоек и обвязки кузова полувагона рассматривались следующие режимы нагружения данных элементов конструкции:

• действие распорных сил по третьему расчетному режиму (с учетом коэффициента вертикальной динамики) [1];

• действие сил, возникающих при разгрузке вагона на ва-гоноопрокидывателях [там же]:

В первом случае производился расчет боковой стенки на одновременное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок, равномерно распределенных по ширине обвязки на длине 0,8 м средней части пролета обвязки между соседними стойками.

Во втором случае производился расчет боковой стенки на изгиб из своей плоскости как рамы, шарнирно опертой верхним поясом и жестко заделанной в нижнем поясе, на силы, возникающие от смещения одной опоры относительно другой на величину 0,05 м.

Действие распорных сил оценивалось при условии, что плотность каменного угля 850 кг/м3.

Я L'iliUKII » ЯША

L iu hi,; tuL j" HiiH"i ' im яыеате

kL 1 [L II II rt к и Iii ] kL H H Ii L прОЛ&.ТЫЬЫЫ

nnilçjtrt 11МЧ It

СшРкЧ JinçiLlIIlHLII LI II" HULLIILI teilclbifl, LlOc.lHILEHHUf r|№V U> П[7Ц730.Ъ1!ЫЧ1Г 11иПйриЧ1ЁЫ>1И IICHflMII

Рис. 6. Массовые характеристики кузова полувагона с различными вариантами исполнения стоек

MHKÏII4X.:IMIML' jXKMHll.K'IIMIbH*

300

11 il || .I t" I II II

МП j гоо

Вариант исполнении С|I)ик'и

Рис. 7. Максимальные эквивалентные напряжения (по теории Мизеса), возникающие в нижних частях стоек кузова полувагона при действии распорных сил

Для достижения поставленной цели были разработаны трехмерные конечно-элементные модели кузова полувагона с различными вариантами исполнения стоек. Кинематические граничные условия данных моделей представлены закреплением зон пятников кузова полувагона. Разработанные конечно-элементные модели состоят из 130 703 элементов и 423 709 узлов. Распределение распорной нагрузки на стойки кузова полувагона представляло собой переменное приложение давления от максимального его значения в нижней части стоек до минимального значения в верхней части стоек. Также была произведена оценка сходимости результатов расчета при изменении размера сетки элементов стоек и обвязки боковых стен.

Итоговые результаты расчетов приведены в диаграммах на рис. 7 и 8. Диаграммы отражают динамику уменьшения напряжений в элементах стоек в зависимости от их конструктивного исполнения. Поля распределения эквивалентных напряжений, возникающих в элементах стоек кузова полувагона переменного по высоте сечения при действии распорных сил, отражены на рис. 9.

Из анализа полученных данных о напряженно-деформированном состоянии стоек кузова полувагона следует, что величина максимальных эквивалентных напряжений, находящаяся в допускаемых пределах, соответствует варианту стоек с переменным по высоте сечением. Данное конструктивное решение обеспечивает работоспособность конструкции при увеличенных показателях грузоподъемности и вместимости полувагона и оптимизацию массовых характеристик.

Выбранный вариант сечения верхней обвязки кузова полувагона в виде трубы сечением 160 х 120 х 8 также обеспечивает работоспособность конструкции при наиболее экстремальном ее нагружении — действии сил, возникающих при разгрузке вагона на вагоноопрокидывателях. При этом максимальные эквивалентные напряжения средней части про-

Рис. 8. Максимальные эквивалентные напряжения

лета обвязки между соседними стойками составляют 316 МПа, что не превышает допускаемых напряжений в 327,75 МПа.

С помощью расчетного метода определено, что рациональным исполнением верхней обвязки кузова полувагона может быть прямоугольная труба сечением 160 х 120 х 8, а оптимальное исполнение стоек боковой стены — это прямоугольная труба с переменным по высоте сечением. Данные варианты исполнения обеспечивают работоспособность конструкций при увеличенных параметрах грузоподъемности и вместимости полувагона. Отсутствие концентраторов и достаточная жесткость узла заделки стойки свидетельствуют о достижении требуемых прочностных характеристик данного узла в условиях циклических нагрузок.

На основании выполненных расчетов разработан проект нового глуходонного полувагона модели 12-9893 (рис. 10), отличающегося увеличенными параметрами грузоподъемности и вместимости. Для уменьшения остатков грузов при разгрузке на вагоноопрокидывателях в конструкциях боковых стен, в местах их соединения с рамой и настилом пола,

Таблица. Технические характеристики полувагонов

I Модель полувагона

Параметры 12-9893 (ОАО «Руз-химмаш») 12-197-02 (ОАО «Урал-вагонзавод») 12-9828 (ОАО «Рославльский

вагоноремонт-

ный завод»)

Грузоподъемность, т 84 76 83

Масса тары, т 23,13 23,5 25

Объем кузова, м3 100,5 90 98

Нагрузка от оси

колесной пары на 27 25 27

рельсы, тс

Длина по осям

сцепления автосцепок, 13920 13920 12100

мм

База вагона, мм 8650 8650 7830

Высота вагона

от уровня верха головок рельсов до 3950 3810 3950

верхней обвязки, мм

Ширина вагона (максимальная), мм 3250 3165 3200

Габарит по ГОСТ 9238-83 Тпр 1-Т Тпр

Количество вагонов

в поезде 71 71 82

Общий объем груза,

перевозимого 7135 6390 8036

в поезде, м3

^^ • НАУКА

Рис. 9. Поля распределения эквивалентных напряжений (по теории Мизеса), возникающие в элементах стоек кузова полувагона переменного по высоте сечения при действии распорных сил, МПа

предусмотрены скругления радиусом 250 мм, а также уклон 3° по отношению к раме. В конструкции вагона применены тележки новой конструкции (модель 18-9889 с осевой нагрузкой 27 т).

Сравнительные технические характеристики разработанного полувагона с существующими аналогами приведены в таблице.

Таким образом, применение профиля стоек боковых стен в виде прямоугольной трубы переменного по высоте сечения позволило увеличить объем кузова полувагона при снижении его массы тары, а также обеспечить требования прочности и надежности в соответствии с [1]. Верхняя обвязка, выполненная из прямоугольной трубы сечением 100 х 160 х 8, также обеспечивает работоспособность конструкции в соответствии с [там же] и позволяет исключить местные прогибы от захватов на вагоноопрокидывателях.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации (субсидия Министерства образования и науки).

Литература

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов, железных дорог МПС колеи 1520 мм 1996 (несамоходных). — М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996.

2. Афанасьев А. Е., Хилов И. А. Выбор параметров узла заделки стойки боковой стены полувагона // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов. Сб. науч. тр. — СПб.: Инженерный центр вагоностроения, 2009. — Вып. 7. — С. 34-43.

3. ГОСТ 30245-2003 «Профили стальные гнутые замкнутые сварные квадратные и прямоугольные для строительных конструкций. Технические условия».

4. НБ ЖТ ЦВ 01-98 «Вагоны грузовые железнодорожные. Нормы безопасности» (в редакции от 11.02.2009 г., приказ № 22).

Рис. 10. Глуходонный полувагон модели 12-9893 увеличенной грузоподъемности и вместимости

Информационная система городского наземного пассажирского транспорта

а

С. А. УЛЬЯНОВ, канд. экон. наук, главный конструктор ООО «Инвест Проект Сеть»

Важнейшей составляющей эффективного управления городским пассажирским транспортом является наличие развитой информационной системы. Автор представляет описание структуры одной из таких информационных систем, используемой крупнейшим предприятием наземного городского транспорта.

У правление транспортной инфраструктурой региона подразумевает охват широкого спектра задач, таких как эффективное планирование перевозочного процесса, схем развития улично-дорожной сети, маршрутов общественного транспорта и др. Наземный общественный транспорт и метро являются ключевыми средствами передвижения по городу для основной массы населения. Например, система городского наземного пассажирского транспорта г. Москвы (ГУП «Мосгортранс») эксплуатирует более 7 тыс. единиц подвижного состава и обеспечивает перевозку 8 млн пассажиров в сутки на 640 маршрутах [2].

В условиях динамичного развития городов и усложнения их транспортной сети в целом эффективная организация пассажирских перевозок представляет собой важнейшую задачу, решить которую можно только с помощью внедрения современных информационных технологий при разработке комплексной системы автоматизации транспорта. Такой подход позволяет на современном уровне осуществлять автоматизированный контроль, учет и планирование транспортной работы, централизованное диспетчерское управле-

ние наземным пассажирским транспортом, создавать сервисы по информированию населения о движении подвижного состава и др.

Структура управления городским пассажирским транспортом подчинена выполнению основной задачи — осуществлению перевозки пассажиров с наименьшими затратами ресурсов и времени и предоставлением максимальных удобств при безусловном соблюдении требований безопасности. Для управления перевозками необходимо использование развитой информационной системы (ИС), обеспечивающей взаимосвязь технических и программных средств, методов и персонала. ИС используется для хранения, обработки и предоставления информации, обслуживания различных видов информационных сервисов в интересах решения поставленной задачи.

На рис. представлена структура ИС, используемой в ГУП «Мосгортранс». Она характеризуется распределением функций между иерархическими уровнями.

В состав ИС входит корпоративная сеть (КС), объединяющая локальные вычислительные сети (ЛВС) филиалов и