Оценка прочности центрального подвешивания тележки пассажирского вагона

В данной работе представлены результаты оценки прочности центрального подвешивания тележки пассажирского вагона. Прочность центрального подвешивания тележки оценивалась при трех расчетных режимах. Расчет производился методом конечных элементов с использованием инженерного программного продукта. Для расчета была создана конечно-элементная модель центрального подвешивания пассажирской тележки. В результате проведенного расчета на прочность центрального подвешивания пассажирской тележки установлено, что прочность при всех расчетных режимах удовлетворяет требованиям норм.

Ключевые слова: прочность, оценка, тележка, вагон, центральное подвешивание, расчет, режим, метод конечных элементов, нагрузка, соударение, деформацияцентральное подвешивание, пружина.

Вагонная тележка — основной элемент ходовой части вагона, представляет собой поворотное устройство, на которое опирается кузов вагона [1]. Рессорное подвешивание является одним из основных узлов вагонной тележки, который предназначен для смягчения ударов и уменьшения амплитуды колебаний, передающихся от колёсных пар через буксы на раму.

Для оценки прочности центрального подвешивания тележки модели 68–908 пассажирского вагона [2–9], был произведен расчет в соответствии с требованиями [10]. Прочность центрального подвешивания тележки оценивается при трех расчетных режимах. Исходные данные для расчета центрального подвешивания тележки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета центрального подвешивания тележки пассажирского вагона

Материал и допускаемые напряжения центрального подвешивания тележки пассажирского вагона, принимались в соответствии с [10].

Расчет производился методом конечных элементов с использованием современных программных продуктов — SolidWorks [11–13]. Для расчета была создана конечно-элементная модель центрального подвешивания пассажирской тележки. Элементы центрального подвешивания имитировались объемными параболическими конечными элементами типа тетраэдр с тремя степенями свободы в каждом узле (три перемещения).

В модели имитировались нижние опорные поверхности рессорных комплектов центрального подвешивания. Модель фиксировалась от перемещений по нижним плоскостям рамок. Общий вид и вид конечно-элементной модели центрального подвешивания пассажирской тележки показаны на рис. 1. Вид приложения кинематических и силовых граничных условий, приложенных к модели центрального подвешивания тележки при трех расчетных режимах, представлен на рис. 2.

Рис. 1. Общий вид расчетной модели ( а ) и конечно-элементной модели ( б ) центрального подвешивания пассажирской тележки

Рис. 2. Общий вид приложения кинематических и силовых граничных условий к модели центрального подвешивания пассажирской тележки при первом ( а ), втором ( а ) и третьем ( б ) расчетных режимах

При расчете по первому расчетному режиму принималось следующее сочетание нагрузок, действующих на центральное подвешивание тележки пассажирского вагона:

– сила тяжести брутто, складывающаяся из собственного веса кузова, веса установленного на кузове оборудования и веса пассажиров с багажом;

– вес надрессорной балки и пружин центрального подвешивания, а также дополнительная вертикальная сила, определяемая по формуле (1);

– продольное ускорение, определяемое по формуле (2).

Дополнительная вертикальная сила определялась по формуле:

где N — продольная расчетная сила, принимаемая согласно [10] для первого расчетного режима 2,5 МН, для второго — 1,5 МН, для третьего — 1 МН;

h _k — расстояние от центра тяжести загруженного кузова до оси автосцепки;

2l — база вагона; Q _k — масса загруженного вагона; Q _бр — масса вагона брутто.

Продольное ускорение определялось по формуле:

, (2)

где m _бр — масса вагона брутто.

При расчете по второму расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок, действующих на центральное подвешивание тележки пассажирского вагона:

– сила тяжести от тары вагона, а также дополнительная вертикальная сила, определяемая по формуле (1);

– продольное ускорение, определяемое по формуле (2).

– сила тяжести брутто, складывающаяся из собственного веса кузова, веса установленного на кузове оборудования и веса пассажиров с багажом; веса надрессорной балки и пружин центрального подвешивания, а также дополнительной вертикальной силы, определяемой по формуле (1);

– вертикальная динамическая нагрузка;

– продольное ускорение, определяемое по формуле (2);

– боковая сила, возникающая при движении вагона в кривых участках пути, принимаемая согласно [10] 10 % от силы тяжести брутто.

Коэффициент вертикальной динамики К _дв в соответствии с [10] определялся по формуле:

, (3)

где — среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики; — параметр распределения, согласно [10] принимается равным β = 1;

В результате расчета были получены эквивалентные напряжения, возникающие в элементах центрального подвешивания пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетных режимах. Значения величин, полученных по расчетным формулам, приведены в таблице 2.

Таблица 2

Значения величин, полученных по расчетным формулам

Оценка прочности в соответствии с [10] производилась по эквивалентным напряжениям, вычисляемым по теории Мизеса. Эквивалентные напряжения, по теории Мизеса, возникающие в центральном подвешивании пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетным режимам, приведены в таблице 3.

Таблица 3

Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в элементах центрального подвешивания

Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах центрального подвешивания пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетных режимах приведены на рис. 3–4.

Рис. 3. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах центрального подвешивания (серьга) пассажирской тележки при первом ( а ) и втором ( б ) расчетных режимах, Па

Рис. 4. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах центрального подвешивания пассажирской тележки при первом ( а ), втором ( б ) и третьем ( в ) расчетных режимах, Па

В результате проведенного расчета на прочность центрального подвешивания пассажирской тележки установлено, что прочность при всех расчетных режимах удовлетворяет требованиям норм [10]. При этом получены следующие результаты: при первом расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют: 220 МПа (97,78 % от допускаемых); при втором расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют 208 МПа (92,44 %); при третьем расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют 172 МПа (95,56 %).

Литература:

1. Рахимов Р. В. Ходовые части вагонов. Учебное пособие. — Ташкент: Узбекистан, 2018. — 200 с.
2. Рахимов Р. В. Новые тележки для пассажирских вагонов производства Ташкентского завода по строительству и ремонту пассажирских вагонов / Р. В. Рахимов, С. В. Хохлов // Известия ПГУПС. — 2010. — № 3. — С. 157–165.
3. Рахимов Р. В. Совершенствование конструкции пассажирской тележки с люлечным подвешиванием модели 68–909 и 68–908 / Р. В. Рахимов, С. В. Хохлов // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». — СПб.: ПГУПС, 2009. — С. 204–205.
4. Миноваров Р. М. Пассажирские вагоны постройки Республики Узбекистан / Р. М. Миноваров, Р. В. Рахимов // Вестник ТашИИТ. — Ташкент, 2009. — № 3–4. — C. 40–45.
5. Бороненко Ю. П. Оценка потребности в новых пассажирских вагонах для железных дорог Узбекистана и основные направления их совершенствования / Ю. П. Бороненко, Р. В. Рахимов // Вестник ТашИИТ. — Ташкент, 2009. — № 2. — С. 88–91.
6. Рахимов Р. В. Разработка нового пассажирского вагона для железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». — СПб.: ПГУПС, 2009. — С. 150–153.
7. Рахимов Р. В. Первый узбекский пассажирский вагон дальнего следования / Р. В. Рахимов // Тяжелое машиностроение. — 2010. — № 6. — С. 34–35.
8. Рахимов Р. В. Новый пассажирский вагон купейного типа для железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Известия ПГУПС. — 2010. — № 2. — С. 286–295.
9. Рахимов Р. В. Оценка ходовых качеств нового пассажирского вагона модели 61–920 производства Республики Узбекистан / Р. В. Рахимов // Проблемы механики. — 2015. — № 2. — С. 53–56.
10. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). — Введ. 01.10.1984. — М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1983. — 260 с.
11. Рахимов Р. В. “Ўзбекистон темир йўллари” АЖ корхоналарида янги вагонларни қуришда рақамли прототип технологиясини тадбиқ этиш / Р. В. Рахимов, Д. Н. Заирова, Ф. С. Галимова // Вестник ТашИИТ. — 2015. — № 3/4. — С. 54–60.
12. Ергашев З. З. Внедрение цифрового прототипа на вагоностроительные предприятия Узбекистана / З. З. Ергашев, Р. В. Рахимов, Ф. С. Галимова // Вестник ТашИИТ. — 2014. — № 2/3. — С. 43–46.
13. Raximov R. V. Introduction of modern technologies in the enterprise SJSRC “O’zbekiston temir yo’llari” / R. V. Raximov, F. S. Galimova // Bulletin of Tashkent State Technical University. — 2015. — No 3. — P. 159–164.