Разработка и исследование кузовов подвижного состава нового поколения из экструдированных вакуумных панелей

разработка и исследование кузовов подвижного состава нового поколения из экструдированных вакуумных панелей

A. Н. Балалаев,

докт. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Вагоны» Самарского государственного университета путей сообщения

B. А. Краснов,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Вагоны» СамГУПС

М. А. Паренюк,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Вагоны» СамГУПС

Важным шагом на пути решения задач по созданию подвижного состава нового поколения является разработка алгоритма и методов оптимизации конструкции кузовов вагонов, стенки которых выполнены из пустотелых алюминиевых профилей с вакуумированием внутренних полостей.

Как отмечалось в руководящих документах ОАО «РЖД», задачами по созданию конструкций подвижного состава нового поколения являются переход на материалы, обеспечивающие срок службы подвижного состава 40-45 лет, увеличение грузоподъемности грузовых вагонов при снижении их тары до 18 т, снижение массы тары и увеличение конструкционной скорости пассажирского подвижного состава, уменьшение потребной электрической мощности на привод холодильной машины до 8 кВт.

В последнее время заметен интерес производителей подвижного состава к использованию композитных материалов и алюминиевых сплавов. Отечественный опыт изготовления кузовов грузовых вагонов из алюминиевых сплавов повторяет конструкцию стальных вагонов, т. е. конструкция кузова состоит из каркаса, обшитого листовым металлом. Однако с середины 1990-х годов известны технологии изготовления кузовов высокоскоростного подвижного состава из полых экструдированных алюминиевых панелей, соединяемых между собой сваркой трением с перемешиванием. Такая панель получается путем экструзии (выдавливания) алюминиевого сплава при температуре, близкой к температуре его плавления через матрицу, которая образует профиль, состоящий из двух или более пластин, соединенных ребрами жесткости.

В работе [1] обсужались возможности повышения теплоизоляционных

свойств экструдированных вакуумных панелей, имеющих конструкцию [2] за счет вакуумирования их внутренних полостей.

Однако расчет на прочность кузовов подвижного состава, сваренных из экструдированных панелей, а также оптимизация конструкций таких кузовов и стенок представляют собой сложную научную задачу [3]. Для ее решения необходима разработка алгоритма и эффективных методов оптимизации конструкции подвижного состава из панелей, полученных методом экструзии алюминиевых сплавов.

Цель данной работы — разработка алгоритма и методов оптимизации конструкции кузовов подвижного состава из экструдированных вакуумных панелей.

Для достижения указанной цели исследований были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:

• разработка и исследование моделей кузовов подвижного состава из сплошных пластин из изотропных сплошных пластин алюминиевого сплава трех типов (плоская пластина, изогнутая пластина, сегмент тора) с проверкой прочности и с подбором минимально допустимой толщины;

• оптимизация параметров профиля экструдированной вакуумной панели (толщина пластин, количество пластин, толщина ребер, расстояние между пластинами) по минимуму массы при заданной нагрузке и значении минимального коэффициента запаса прочности;

№ 3 (52) 2014

«Транспорт Российской Федерации» | 73

• подбор необходимого профиля экструдированной вакуумной панели, эквивалентного по прочностным свойствам изотропной сплошной пластине алюминиевого сплава заданной толщины.

На рис. 1 представлены твердотельные модели полувагона и крытого универсального вагона, составленные из изотропных сплошных панелей трех типов (прямая пластина, четверть цилиндра, сегмент тора).

Исследования моделей кузовов вагонов проводились в программе SolidWorks 2013, при этом задавалась осевая нагрузка 3,5 МН и давление на днище кузова 30 кПа, что имитировало вес груза в 120 тс. Из условия обеспечения минимального коэффициента запаса прочности Кзап = 2 была подобрана толщина сплошных пластин из алюминиевого сплава 6063-Т6, стержень (SS), для полувагона она составила 65 мм, для крытого вагона — 61 мм.

На рис. 2 представлены геометрически подобные модели сегментов кузова из сплошных пластин и из экструдиро-ванных панелей.

Исследование моделей сегментов кузова позволило подобрать профили экструдированных панелей (плоская панель и четверть цилиндрической обо-

лочки), эквивалентные по прочностным свойствам геометрически подобным сплошным пластинам заданной толщины. В расчетах сегментов (длиной 1000 мм, шириной 500 мм) задавалась осевая нагрузка 0,5 МН и давление на днище сегмента 30 кПа. Для сплошной панели толщиной 61 мм минимальный коэффициент запаса прочности составил Кзап = 1,6, для панели толщиной 65 мм — К = 1,8. Значения геометри-

зап ' г

ческих параметров сегмента из экстру-дированных панелей менялись в исследованиях по методу координатного спуска.

В результате расчетов подобрана геометрия экструдированной панели из алюминиевого сплава 6063-Т6, обеспечивающая для сегмента минимальный коэффициент запаса прочности, который составил К = 1,8, и минималь-

г зап ' '

ную массу сегмента. Параметры оптимальной экструдированной панели: расстояние между наружными пластинами 182,61 мм; количество пластин 4; толщина пластин 6 мм; толщина ребер 4 мм; количество рядов ребер 3.

При моделировании экструдирован-ной вакуумной панели кроме давления на днище на все грани сегмента накладывалось дополнительное давление 0,1 МПа. При этом значение минимального

Рис. 1. Модели кузовов вагонов, полученных из алюминиевых пластин: а) полувагона; б) крытого универсального вагона

Рис. 2. Модели сегметов кузова:

а) из сплошных пластин; б) из экструдированных панелей

коэффициента запаса прочности незначительно повышалось, что можно объяснить предварительным сжатием элементов, которые работают на растяжение.

В ходе выполнения данной работы получены следующие результаты.

Построены и исследованы твердотельные модели кузовов полувагона и универсального крытого вагона, составленные из сплошных панелей трех типов (прямая пластина, четверть цилиндра, сегмент тора) без каркаса и рамы. Из условия обеспечения минимального коэффициента запаса прочности Кзап = 2 при осевой нагрузке 3,5 МН и давлении на днище кузова 30 кПа определена потребная толщина сплошных алюминиевых панелей. Для полувагона толщина составила 65 мм, для крытого вагона — 61 мм.

Расчетным путем были подобраны профили экструдированных панелей (плоская панель и четверть цилиндрической оболочки), эквивалентные по прочностным свойствам геометрически подобным сплошным пластинам заданной толщины. Профиль минимальной массы имел параметры: расстояние между пластинами 182,61 мм; толщина пластин 6 мм; толщина ребер 4 мм; количество рядов ребер 3.

При моделировании вакуумирова-ния экструдированной панели значение минимального коэффициента запаса прочности незначительно повышалось.

Масса кузова полувагона из экс-трудированных панелей без каркаса и рамы составляет 16,72 т, масса кузова крытого вагона — 14,56 т.

Литература

1. Балалаев А. Н., Мокшанов А. С., Па-ренюк М. А. Теплотехнические свойства вагонов и контейнеров из экструдированных алюминиевых панелей // Транспорт РФ. 2014. № 1 (50). С. 58-60.

2. Пат. на полезную модель №129188, РФ, F16L59/06, B82Y99/00. Теплоизоляционное изделие / А. Н. Балалаев, А. С. Мокшанов. Заявка № 2012155384/06; заявлено 19.12.2012; опубл. 20.06.2013; Приоритет 19.12.2012 // Изобретения. Полезные модели. 2013. № 17.

3. Конюхов А. Д., Журавлева Л. В., Шурта-ков А. К. Экструдированные алюминиевые панели - перспективный материал для кузовов вагонов // Вагоны и вагонное хозяйство. 2007. № 2. С. 36-38.

74 | «Транспорт Российской Федерации»

№ 3 (52) 2014