В статье рассмотрены вопросы проектирования и внедрения в эксплуатацию новых конструкций вагонов на железных дорогах Республики Узбекистан. Выполнены теоретические исследования по определению прочностных характеристик кузова вагона-хоппера для перевозки цемента, спроектированного для выпуска на предприятии ДП «Литейно-механический завод» (Узбекистан, Ташкент).
Ключевые слова: вагон-хоппер, кузов, конструкция, прочность, нагрузка, сила, расчетный режим, напряжения, деформация.
С первых дней независимости и становления государственности Республики Узбекистан руководством страны были приняты решения, по развитию вагоностроения, которые подразумевают создание мощных производственных комплексов с новейшим оборудованием, обеспечивающих высокую производительность и качество продукции, соответствующее мировым стандартам.
С применением современного оборудования, которое будет обслуживаться высококвалифицированными специалистами, производственные подразделения железнодорожной компании Республики Узбекистан значительно расширят свои технические и технологические возможности, а значит, и номенклатуру выпускаемой продукции, что увеличит экспортный потенциал и позволит обеспечить комплексные поставки продукции высокотехнологичного качества. Реализация проектов в области совершенствования конструкций и пополнения парка грузовых и пассажирских вагонов обеспечит вагоностроительным заводам республики устойчивую и стабильную работу и развитие на годы вперед.
Для освоения выпуска новой продукции железнодорожного транспорта специалистами вагоностроительных предприятий Республики Узбекистан ведутся разработки конструкций современных грузовых и пассажирских вагонов.
Одним из вагоностроительных заводов республики является ДП «Литейно-механический завод», инженеры и конструктора которого разработали конструкцию нового вагона-хоппера для перевозки цемента модели 19–9596 объемом 61,6 м3 при осевой нагрузке до 23,5 тс [1]. Основные технические характеристики вагона-хоппера приведены в таблице 1.
Таблица 1
Основные технические характеристики вагона-хоппера для перевозки цемента модели 19–9596
|
Наименование параметров |
Величина |
|
Масса (тара), т |
21,0 |
|
Масса груза, т |
72,5 |
|
Масса вагона (брутто), т |
93,5 |
|
База вагона, мм |
7800 |
|
Длина вагона по концевым балкам рамы, мм |
10800 |
|
Длина вагона по осям сцепления автосцепок, мм |
12020 |
|
Объем кузова (не более), м3 |
61,6 |
|
Конструкционная скорость движения, км/ч |
120 |
|
Масса тележки, т |
5 |
|
Статический прогиб тележки, мм |
48 |
|
Габарит по ГОСТ 9238–83 |
1-ВМ |
До постройки и внедрения в эксплуатацию данного вагона, было необходимо проверить соответствие конструкции требованиям нормативных документов. С использованием современных инженерных программ, сотрудниками кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта были произведены расчеты напряженно-деформированного состояния новой конструкции вагона-хоппера для перевозки цемента.
С целью проверки прочностных характеристик кузова вагона-хоппера модели 19–9596, согласно установленным требованиям [1–3], были выполнены теоретические исследования. Кузов вагона-хоппера рассчитывался на прочность при первом (удар, рывок, сжатие и растяжение) и третьем (удар, рывок, сжатие и растяжение) расчетных режимах.
По первому расчетному режиму рассматривалось относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму — не допустить появление остаточных деформаций в узле или детали.
По третьему расчетному режиму рассматривалось относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму — не допустить усталостного разрушения узла или детали.
Принятые в соответствии с конструкторской документацией проекта 9596.00.00.000 ДП «Литейно-механический завод» марки сталей элементов кузова вагона-хоппера и их допускаемые напряжения принимались соответствии с требованиями [1, 2].
Расчет производился методом конечных элементов с использованием расчетного пакета Ansys Workbench [4–5]. Для расчета вагона была собрана CAD-модель и использовалась объемная конечно-элементная модель кузова вагона-хоппера. Элементы кузова имитировались объемными конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле (три перемещения). Конечно-элементная модель вагона включает 234959 конечных элементов и 61111 узлов. Общий вид и вид конечно-элементной модели кузова вагона-хоппера показаны на рисунках 1 и 2.
Рис. 1. Общий вид расчетной модели кузова вагона-хоппера
Рис. 2. Общий вид конечно-элементной модели кузова вагона-хоппера
В качестве кинематических граничных условий были приняты: ограничение вертикальных и поперечных перемещений в шкворневых узлах рамы; ограничение продольных перемещений в плоскостях заднего и переднего упоров автосцепки.
К модели были приложены нагрузки, действующие на кузов вагона-хоппера для перевозки цемента при первом и третьем расчетных режимах, которые определялись в соответствии с установленными требованиями [3].
При расчете по первому и третьему расчетным режимам принимались следующие сочетания нагрузок, действующих на кузов вагона-хоппера для перевозки цемента:
- сила тяжести кузова вагона-хоппера;
- сила тяжести груза;
- продольная сила инерции кузова и тележек вагона-хоппера;
- продольная сила инерции груза;
- продольная сила удара или рывка (сжатия или растяжения), приложенная к упорам автосцепки;
- вертикальная сила при нецентральном взаимодействии автосцепок;
- поперечные силы взаимодействия между вагонами в кривых;
- вертикальная динамическая сила, определяемая умножением силы тяжести вагона на коэффициент вертикальной динамики для кузова вагона;
- боковая сила, возникающая при движении вагона в кривых участках пути, принимаемая согласно [3] 7,5 % от силы тяжести груза;
- силы от распора груза.
Продольная сила инерции кузова и тележек вагона-хоппера определялась путем умножения массы кузова вагона на нормированную величину продольного ускорения. Для первого расчетного режима нормированная величина продольного ускорения составляла 3,5g (для третьего расчетного режима 1g). При расчете к модели кузова вагона-хоппера прикладывалось ускорение.
Продольная сила инерции груза составляла для первого режима при ударе 2,71 MН, при рывке 1,94 МН (для третьего режима 0,77 МН). Продольная сила инерции груза распределялась между элементами торцевой стены, боковых стен и рамы вагона как равномерно распределенная нагрузка.
Продольная сила, приложенная к упорам автосцепки: для первого расчетного режима при ударе 3,5 MН, при рывке 2,5 MН (для третьего режима 1 MН).
Вертикальная сила при нецентральном взаимодействии автосцепок составляла для первого режима при ударе 175 кН, при рывке 138 кН (при сжатии 125 кН, при растяжении 110 кН), для третьего режима 25 кН при ударе и сжатии, 27,6 кН рывке и растяжении).
Активное (статическое) давление распора насыпного груза на единицу площади стенок кузова составило при первом расчетном режиме 3438 Н/м2, при третьем расчетном режиме 15435 Н/м2. При расчете к боковым и торцевым стенам кузова вагона-хоппера прикладывалось активное давление груза, изменяющееся от нуля в их верхней части до максимального значения в нижней части по линейному закону. Давление груза на торцевую стену определялось как частное от деления силы, равной 0,35 массы груза вагона при продольном ускорении 3,5g, на площадь поперечного сечения кузова в свету и составило 124059 Па.
Поперечные силы взаимодействия между вагонами в кривых составляют для первого режима при сжатии 200 кН, при растяжении 160 кН.
Также при расчете по первому расчетному режиму боковые стенки кузова вагона-хоппера для условий разгрузки на вагоноопрокидывателях проверялись на одновременное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок, равномерно распределенных по ширине обвязки на длине 0,8 м средней части пролета обвязки между соседними стойками. Расчетная вертикальная сила на один пролет составило, получили 115 кН. Горизонтальная поперечная сила принималась равной 28,7 кН.
Коэффициент вертикальной динамики составил 0,35. Аналогичным образом были определены расчетные значения вертикальной динамической и боковой сил.
В результате теоретических исследований были получены эквивалентные напряжения, возникающие в элементах кузова вагона-хоппера при первом и третьем расчетных режимах.
Оценка прочности в соответствии с требованиями [1–3] производилась по эквивалентным напряжениям, вычисляемым по теории Мизеса. Поля распределения эквивалентных напряжений элементов кузова вагона — хоппера для рассматриваемых расчетных режимов приведены на рисунках 3–4.
Рис. 3. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах вагона-хоппера (при сжатии вагона динамическими силами по I расчетному режиму (удар)), Мпа
Рис. 4. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах вагона-хоппера (при сжатии вагона динамическими силами по III расчетному режиму (удар)), Мпа
При I расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения в элементах кузова составляют: в элементах торцевой и боковой стены и рамы (при ударе) 308 МПа (89,3 % от допускаемых напряжений).
При III расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения в элементах кузова составляют: в элементах торцевой и боковой стены (при ударе) 195 МПа (88,6 % от допускаемых напряжений).
В результате оценки прочности кузова вагона-хоппера для перевозки цемента модели 19–9596 установлено, что прочность элементов конструкции нового кузова удовлетворяет установленным требованиям [1–3].
На основании теоретических исследований, был построен опытный образец вагона-хоппера для проведения экспериментальных исследований. Проведенный сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал их хорошую сходимость, что в дальнейшем позволило освоить серийный выпуск данных вагонов-хопперов на базе ДП «Литейно-механический завод».
Литература:
1. ТУ 05949217–021:2015. Вагон-хоппер для перевозки цемента. Модель 19–9596. Технические условия. — Ташкент: ДП «Литейно-механический завод», 2015. — 36 с.
2. ГОСТ 30243.3–99. Вагоны-хопперы крытые колеи 1520 мм для сыпучих грузов. Общие технические условия. — Введ. 01.01.2002. — Минск: ИПК Издательство стандартов, 2001. — 8 с.
3. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). — М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. — 317 с.
4. Чернов А. Особенности создания сетки КЭ на платформе Workbench // Инженерно-технический журнал ANSYS Solutions. Русская редакция. — 2005. — № 1. — С. 26–29.
5. Конюхов А. В. Основы анализа конструкций в ANSYS: Учебное пособие. — Казань: КГУ, 2001. — 102 с.
