Выбор конструктивной схемы и параметров несущей конструкции железнодорожной платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров

МКЭ представляет собой численную реализацию математической модели, описывающей упругую деформацию твёрдого тела, находящегося под воздействием объёмных сил {Я} и поверхностных внешних сил Математическая модель основана на минимизации полной энергии тела, состоящей из внутренней энергии упругого тела и работы объёмных и внешних сил.

Расчётная схема конструкции вагона разбивается на составные части, называемые конечными элементами (КЭ). В конечных элементах выделяются специальные точки, называемые узлами. Перемещения этих узлов

принимаются за неизвестные и называются степенями свободы - индекс координатной оси, А: - номер узла элемента).

Затем в каждом конечном элементе задается закон изменения перемещений М^(х,у,г) между узловыми точками. Это позволяет выразить перемещение любой точки КЭ через перемещение граничных узлов и функцию координат, определяющую закон изменения перемещений между узловыми точками:

и^(х,у,2)=[и{х,у,2)}е)&к} (2.5.2)



где {/д} - матрица-столбец перемещений или производных перемещений узлов; [и(х,у,2$е) -матрица функций форм конечного элемента.

Решение системы алгебраических уравнений производится методами линейной алгебры. Обычно применяют метод Гаусса - Зейделя, но могут быть использованы и другие методы. Ввиду высокого порядка системы уравнений расчёты проводятся только на ПЭВМ. В результате решения с учётом граничных условий находят перемещения всех узлов конструкции.

Напряжения а и деформации е связаны с перемещениями и соотношениями

{б(х, у, z)} = [l\u{X, Y, Z)}, {<т(х, у, z)} = [D]{e(X, Y, Z)}.

Учитывая (2.5.2.) расчёт напряжений и деформаций конструкции в МКЭ производится с помощью выражений:

{еГ = [L\N(x,y,z)]{d}' , (2.5.6)

И" - [BR ¦

При численном моделировании конструкции с использованием программ, реализующих метод конечных элементов, необходимо выбирать ряд параметров конечноэлементной модели. От выбора параметров зависят точность расчета, время расчета, а иногда, при ограничении производительности вычислительной техники, и возможность проведения численного моделирования.

Такими параметрами являются:

тип конечного элемента;

размер конечного элемента;

регулярность или нерегулярность сетки.

В данной работе было проведено исследование влияния выбора параметров конечноэлементной модели на результаты расчета. Исследование проводилось на примере двух характерных для рамы вагона-платформы элементов конструкции: балки и узла соединения балок. Для расчетного исследования были разработаны тестовые модели балки незамкнутого коробчатого сечения и узла соединения балок.

Исследование влияния типа конечноэлементной модели на расчетные значения напряжений и деформаций проводилось для трех типов конечных элементов:

балочный элемент;

пластинчатый элемент;

твердотельный элемент.

Для определения влияния типа конечного элемента на результаты расчета был выполнен расчет напряжений в контрольных точках и перемещения контрольного сечения для модели балки с использованием трех типов конечных элементов. Для сравнения был выполнен расчет по аналитическим зависимостям, известным из сопротивления материалов [30,41,96], в соответствии с которыми напряжение определяется как:

Проведенные сравнительные расчеты показали, что размер конечного элемента существенно влияет на результат расчета. Для определения напряжений в узлах соединения необходимо использовать конечный элемент минимального размера.

Результаты расчета показали, что применение нерегулярной сетки позволяет на несколько порядков снизить число конечных элементов при сохранении минимального размера элемента и, соответственно, точности определения напряжения в зоне изменения геометрии.

В результате проведенных исследований были сделаны следующие выводы и рекомендации;

Для определения напряжений и деформаций в пролетных частях балочных элементов конструкции одинаково пригодны все рассмотренные типы конечных элементов.

Для определения напряжений в узлах соединения балочных элементов достаточную для практического использования точность дает применение оболочечного конечного элемента. Применение твердотельного элемента не приводит к повышению точности расчета.

Уменьшение размера конечного элемента приводит к существенному повышению точности расчета в узлах соединения. Для увеличения точности расчета рекомендуется уменьшать размер конечного элемента в зонах изменения геометрии конструкции.

Для уменьшения количества конечных элементов в расчетной модели при сохранении точности расчета рекомендуется применять сетку с переменным размером элемента. Меньший размер элемента используется в зоне изменения геометрии конструкции.

Проведенные исследования и сформулированные рекомендации позволили обосновать выбор параметров конечноэлементной модели при численном моделировании конструкции. Для численного моделирования конструкции рамы вагона-платформы обосновано применение пластинчатых конечных элементов с переменным размером сетки.

1.8 Разработка методики формирования схемы несущей конструкции и определения основных размеров вагона-платформы

В разделе 2.2 был разработан алгоритм формирования конструкции вагона-платформы для перевозки контейнеров. В данном разделе была разработана методика формирования схемы несущей конструкции и определения основных размеров в соответствии с исходными техническими требованиями по выбранным в разделе 2.4 критериям.

Проведенный в разделе 2.1 обзор конструкций вагонов-платформ для перевозки контейнеров, находящихся в эксплуатации как в России, так и в Европе и Америке, выявил разнообразие применяемых типов несущей конструкции. В то же время, по результатам обзора было установлено, что во всех вагонах-платформах основной несущей конструкцией является рама. Для разработки алгоритма формирования конструктивной схемы рамы длиннобазного вагона-платформы для перевозки контейнеров, была разработана обобщенная конструктивная схема, учитывающая особенности таких вагонов. В основу обобщенной конструктивной схемы было положено разделение несущей конструкции на отдельные элементы и установление функциональных связей между ними. Разделение произведено на основании разработанной в разделе 2.1 классификации.

В данной работе рама вагона-платформы рассматривается как следующая трехуровневая структура:

конструкция рамы в целом;

элементы и узлы;

составные части.

Проведенное разделение конструкции рамы вагона-платформы на части позволило определить функции, которые выполняет каждая составляющая.

Продольные балки представляют собой несущие элементы конструкции, передающие продольные и вертикальные нагрузки между пятниками, упорами крепления контейнеров и ударно - тяговыми устройствами.

Поперечные балки предназначены для передачи нагрузок между продольными балками, пятниками и упорами крепления контейнеров.

Раскосы предназначены для передачи продольных нагрузок от боковых балок на хребтовую и для увеличения жесткости рамы в горизонтальной плоскости;

Узлы соединения с изменением сечения балок предназначены для передачи нагрузок между балками со снижением напряжений и увеличением жесткости в узле.

Узлы соединения без изменения сечения балок предназначены для соединения балок при отсутствии требования снижения напряжений и увеличения жесткости.

Составные части включают детали, образующие элементы конструкции и узлы.

Основные размеры рамы и конструктивная схема определяют функциональные качества платформы в целом. Из всех критериев исходных технических требований были выбраны те, которые определяют схему конструкции и линейные размеры рамы вагона-платформы. Это:

типы (размеры и масса) перевозимых контейнеров;

габарит вагона;

тип ходовых частей;

конструкция ударно-тягового устройства;

тип системы торможения.

При выборе основных размеров и разработке схемы несущей конструкции должны быть определены следующие параметры:

возможные схемы установки контейнеров;

количество и конструкция упоров крепления контейнеров (упоров);

высота поверхности опирания контейнеров от уровня головки рельса;

база вагона;

длина вагона по лобовым балкам;

длина вагона по осям сцепления автосцепок;

конструктивная схема рамы;

ширина рамы;

расположение тормозного оборудования.

Для выявления взаимосвязи между перечисленными параметрами и характеристиками вагона-платформы в данном разделе выполнен ряд исследований:

исследование взаимосвязи длины и массы перевозимых контейнеров с линейными размерами вагона-платформы, ее грузоподъемностью и количеством осей;

влияние на размеры вагона-платформы габарита подвижного состава, размера базы и типа тележки.

использование габаритного пространства вагона-платформы.

Проведенный в пункте 2.1 обзор вагонов-платформ показал, что в настоящее время в эксплуатации находятся вагоны-платформы с длиной погрузочной зоны от 40 до 110 футов. В зависимости от погрузочной длины изменяется число перевозимых контейнеров а также тип и количество ходовых частей. В данном исследовании были установлены взаимосвязи между длиной платформы, массой тары, осевой нагрузкой и грузоподъемностью.

Приведенная схема показывает, что несущая конструкции вагона- платформы может быть размещена как ниже грузовой зоны, так и по сторонам от грузовой зоны. Обзор вагонов для перевозки контейнеров (раздел 2.1) показал, что используются оба варианта. При размещении несущей конструкции ниже грузовой зоны максимальная высота балок рамы ограничена и составляет:

Нтах Нопоры " Нт;п (2.6.7)

При размещении несущей конструкции ниже и по сторонам от грузовой зоны ограничение по высоте не является лимитирующим. В то же время размещение конструкции по сторонам от грузовой зоны может ограничивать доступ и визуальный обзор устройства крепления контейнеров. Разработанная в данном разделе обобщенная конструктивная схема

рамы вагона-платформы для перевозки контейнеров позволила формировать схему несущей конструкции. Полученные зависимости обосновывают возможность создания вагона-платформы для перевозки двух 40- футовых контейнеров в один ярус. Установленная взаимосвязь между линейными размерами конструкции, габаритом подвижного состава и размерами перевозимых контейнеров позволяет производить выбор линейных размеров несущей конструкции.

1.9 Разработка методики определения параметров балок рамы вагона-платформы

Необходимость перевозки крупнотоннажных контейнеров увеличенной длины создала предпосылки для разработки вагонов-платформ с увеличенной длиной рамы. Как было установлено в результате обзора и классификации, основными несущими элементами в конструкции рамы длиннобазного вагона-платформы являются продольные балки. При разработке методики определения параметров несущей конструкции вагона- платформы увеличенной длины, возникла необходимость углубленных исследований взаимного влияния параметров балочного элемента на его массовые и прочностные характеристики.

В данном разделе была разработана методика определения геометрических размеров и формы балочных элементов конструкции рамы вагона-платформы, обеспечивающая соответствие вагона-платформы исходным техническим требованиям при минимальном весе металлоконструкции.

По результатам обзора вагонов платформ было установлено, что наибольшее распространение получили балочные элементы таврового и коробчатого сечения. Ферменные конструкции продольных балок применялись только в двухосных платформах. Балочный элемент может иметь постоянное сечение по длине или состоять из нескольких зон различного функционального назначения и конструктивного исполнения.

Для определения диапазонов значений линейных размеров и геометрических характеристик сечения основных несущих элементов рамы был проведен обзор продольных балок, применяемых в конструкциях рам вагонов-платформ. В соответствии с разработанной в п.2.1 классификацией, в раме вагона-платформы несущими могут быть хребтовая балка, хребтовая и боковые или только боковые балки. В то же время, обзор находящихся в эксплуатации вагонов - платформ показал, что все поставленные на производство до 2000 г. имели раму с хребтовой балкой.

В ряде конструкции рам отечественных и зарубежных вагонов- платформ применены балки с вырезами в боковых стенках. Функциональное назначение вырезов может быть как для прохода трубопроводов и тормозного оборудования, так и для уменьшения массы конструкции. Для исследования влияния вырезов на характеристики прочности и жесткости балочного элемента в параметрическую модель балки были введены вырезы . В поперечной плоскости балки могут устанавливаться диафрагмы. Для исследования влияния расположения диафрагм на устойчивость балочного элемента в параметрическую модель были введены диафрагмы. Разработанная обобщенная параметрическая модель балки рамы была использована для комплексного исследования влияния параметров на соответствие конструкции разработанным критериям.

Диапазоны значений параметров были выбраны на основе статистических данных, с учетом необходимости увеличения длины рамы вагона-платформы. Длина пролета между опорами принята соответствующей прогнозируемому значению базы перспективных вагонов-платформ для перевозки двух 40- футовых контейнеров.

Определение зависимости массы балки от геометрических размеров сечения проводилось для получения зависимости массы несущей продольной балки рамы длиннобазной платформы от высоты Н.

Заданными критериями являлись значения момента инерции и момента сопротивления. Момент инерции сечения определяет параметры жесткости балки: статический и динамический прогиб при действии нагрузки и частоту собственных колебаний. Момент сопротивления определяет уровень напряжений в конструкции и, соответственно, прочность. Момент инерции и момент сопротивления могут также рассматриваться как суммарный для нескольких продольных балок в составе рамы вагона-платформы.

Полученные зависимости показывает, что при выборе параметров продольных балок рамы необходимо принимать значение высоты максимально возможное по конструктивным ограничениям. Также показана теоретическая возможность обеспечить выполнение условия прочности во всем диапазоне высот.

В соответствии с результатами проведенного п. 2.6 определения габаритного пространства для размещения конструкции рамы, на диаграмме отмечены предельные значения высот балок - минимальная, по условию размещения ударно-тягового устройства и максиматьная при размещении ниже опорной поверхности контейнера. Приведенная зависимость показывает, что уменьшение высоты балки менее 600 мм вызывает неоправданное увеличения массы. При высоте балки более 900 мм весовые характеристики становятся приемлемыми. Увеличение высоты балки более 1200 мм нецелесообразно, так как дальнейшего уменьшение массы не происходит.

Полученные в результате расчета зависимости показывают, что при ограничении конструкции по высоте и при заданных параметрах жесткости применение алюминиевых сплавов для продольных несущих балок длиннобазных вагонов-платформ нецелесообразно. Выигрыш в массе может быть получен только при высоте балки более 1000 мм. В то же время, при отсутствии ограничений по высоте балок, применение алюминиевых сплавов позволяет снизить массу конструкции до двух раз,

Одним из параметров, определяющих массу продольных балок вагона- платформы, является база вагона. Для получения зависимости массы пролетной части несущих балочных элементов от базы проведено соответствующее исследование. Сравнение проводилось для балок с одинаковым значением статического прогиба.

Полученные зависимости показывают, что при уменьшении длины базы масса балки уменьшается. Особенно заметно влияние длины базы при ограничении высоты балки. В то же время при высоте балки 950 мм зависимость становится пологой. В реальной конструкции увеличение базы приводит к уменьшению длины консоли и общая масса конструкции меняется незначительно. Следовательно, при разработке конструкции значение базы следует принимать минимальным, с учетом выполнения требований к сцепляемости, показателям качества хода и прочности консольной части рамы.

Проведенное исследование показало, что применение вырезов диаметром до 40 % высоты балки позволяет снизить массу балки на 10-12%. При этом напряжения на стенке балки в районе выреза не превышают уровня 73% от максимальных напряжений на полке. В то же время, при геометрической и конструктивной концентрации напряжений, следует ожидать повышенную чувствительность зоны отверстий к дефектам.

При действии сжимающих нагрузок балочные элементы конструкций могут терять устойчивость. Была исследована зависимость коэффициента запаса устойчивости от расстояния между поперечными диафрагмами. Рассматривались варианты балок без поперечных диафрагм, вариант с диафрагмами через 6 метров и через 3 метра. К балке прикладывалась сжимающая нагрузка, аналогичная сжимающей нагрузке на вагон- платформу. Численное моделирование проводилось с использованием программного продукта, реализующего метод конечных элементов. Применялись пластинчатая конечноэлементная модель.

Проведенные расчеты показали, что коэффициент запаса устойчивости балки без диафрагм находится на нижнем пределе допускаемых значений. При установке диафрагм коэффициент запаса увеличивается.

На основании проведенного комплекса исследований основных несущих балок рамы вагона платформы могут быть сделаны следующие выводы и рекомендации.

Увеличение длины вагона-платформы приводит к существенному изменению параметров основных несущих балок.

Установленная зависимость показателей прочности, жесткости и массы балочного элемента от его геометрических размеров позволяет рекомендовать использование балок максимальной возможной высоты.

Результаты исследования применения алюминиевых сплавов в конструкции рамы вагона-платформы показали, что их применение целесообразно только при отсутствии ограничений на высоту рамы.

Рекомендовано применение вырезов в вертикальных стенках рамы для снижения массы конструкции.

Показана целесообразность применения диафрагм для увеличения запаса устойчивости балочного элемента при действии сжимающей нагрузки.

Выполненные исследования позволили разработать алгоритм выбора параметров балочного элемента конструкции.

В результате исследований, проведенных в данном разделе, была разработана параметризованная модель балочного элемента. Была показана возможность прогнозирования массовых и прочностных характеристик основных несущих балок для вагона увеличенной длины на основе анализа существующих аналогов в отличие от приятой методики прямого расчета. Показана нецелесообразность применения AMT сплавов в конструкции балок рамы длиннобазного вагона-платформы. Сформулированы рекомендации для выбора параметров, позволяющие снизить число вариантов расчетных моделей. Результаты данного раздела позволяют производить определение параметров балочных элементов рам вагонов-платформ на основании расчета с использованием рекомендациями для снижения объема расчетов.



2. Разработка методики определения параметров узлов соединения балок

Узлы соединения балок во многом определяют соответствие рамы вагона-платформы исходным техническим требованиям. От их конструкции зависят такие параметры как эксплуатационная надежность, жесткость, вес. Для создания конструкции рамы с высокими эксплуатационными показателями, необходима разработка методики выбора параметров узлов соединения балок. Такая методика должна позволить обоснованно выбирать параметры всех типов узлов соединения в зависимости от конструкции соединяемых балок и обеспечить соответствие конструкции в целом исходным техническим требованиям. В данном разделе была разработана методика определения размеров и формы узлов соединения балочных элементов рамы вагона-платформы, обеспечивающая их соответствие исходным техническим требованиям при минимальном весе.

Выполненный в п. 2.1. обзор вагонов-платформ, находящихся в эксплуатации, показал, что в конструкциях, произведенных в России и Украине до 2000 г., узлы соединения не отличаются разнообразием. Соединение балочных элементов производится либо приваркой балок без дополнительных усиливающих элементов, либо с применением простых косынок с прямой свободной кромкой. В то же время в конструкциях рам вагонов - платформ, эксплуатируемых на железных дорогах Европы и Америки, представлены разнообразные конструкции узлов соединения балок. Практически во всех соединениях несущих балок применяются конструктивные узлы сложной геометрии для увеличения жесткости и снижения напряжений. Используются как косынки с радиусными свободными сторонами, установленные в нескольких плоскостях, так и листовые конструкции с криволинейными кромками. Актуальность проблемы снижения геометрической концентрации напряжений в узлах соединения балок нашла отражение в требованиях к вагонам нового поколения [78].

Выполненный обзор конструкций показал, что для вагонов - платформ нового типа необходимо углубленное и расширенное исследование узлов соединения балочных элементов. В рамках данной работы была разработана

На основании классификационных признаков был составлен перечень параметров, определяющих свойства узла соединения.

Такими параметрами являются:

изменение сечения балок в соединении или отсутствие изменения;

тип изменения сечения;

геометрические размеры дополнительных элементов.

толщины дополнительных элементов.

При решении задачи выбора параметров узла соединения балок необходимо выбирать конструкцию, в которой концентрация напряжений минимальная. В данном разделе был проведен ряд исследований, направленных на определение параметров узла соединения балочных элементов, снижающих геометрическую концентрацию напряжений. Для исследования необходимо было выбрать узел, в котором наиболее полно представлены все виды нагрузок, передающихся между балками. В качестве тестовой модели был выбран узел соединения шкворневой балки с хребтовой балкой.

Параметры сечения хребтовой балки 1 и шкворневой балки 2 выбирались на основании обзора вагонов - платформ, находящихся в эксплуатации, и прогнозируемых значений для вагона-платформы увеличенной длины. Размеры и толщина косынок заданы параметрически.

Для обоснования методики выбора параметров конструкции были установлены следующие зависимости коэффициента концентрации в узле соединения а от:

размера А и толщины косынки Б;

радиуса скругления косынки Я;

размера притупления косынки В.

На первом этапе было определено влияние размера косынки А и толщины косынки 8 на концентрацию напряжений в узле. При этом рассматривалось отношение размера косынки А к ширине пояска балки В. Коэффициент концентрации определялся по наибольшим расчетным напряжениям в узле соединения.

Полученные зависимости показывают, что при увеличении размера косынки уровень напряжений в узле уменьшается. В то же время увеличение размера косынки свыше 2хВ не приводит к уменьшению концентрации напряжений. При выборе толщины косынки ее следует делать одинаковой с толщиной соединяемых деталей.

Далее было проведено исследование влияние радиуса скругления кромки косынки на концентрацию напряжений. При анализе результатов расчета рассматривалось отношение радиуса Я к размеру косынки А.

Х=Я/А (2.8.2)

На третьем этапе было проведено исследование влияние размера притупления косынки В на коэффициент концентрации а. Рассматривалась косынка с прямой свободной стороной. Рассматривался коэффициент концентрации на конце косынки. При анализе результатов расчета рассматривалось отношение притупления В к размеру косынки А.

Н=В/А (2.8.3)

Поле напряжений в узле соединения, МПа.

Влияние притупления косынки В на коэффициент концентрации напряжений а

Результаты численного моделирования показали, что притупление косынки увеличивает концентрацию напряжений. Значение притупления следует выбирать минимальным по критерию технологии изготовления узла. Минимальный размер притупления, как правило, обусловлен необходимостью обварки кромки косынки для устранения геометрической концентрации в виде непровара окончания сварного шва.

Проведенные исследования дают основание сделать следующие выводы и рекомендации:

Параметры конструкции узла соединения балочных элементов оказывают существенное влияние на значения напряжений и соответствие конструкции требованиям прочности. Поэтому, при разработке конструкции вагона-платформы для перевозки контейнеров нового типа, включение в алгоритм выбора параметров узлов соединения обосновано. По конструкции узла соединения были сформулированы следующие рекомендации:

Размер косынки должен составлять от 1 до 2 размеров соединяемых элементов в зависимости от допускаемого уровня напряжений.

Толщину косынки следует выбирать равной толщине соединяемых деталей.

В зонах повышенных напряжений рекомендуется применять косынки со скругленной кромкой.

Притупления косынки должны быть минимальные.

Разработанная методика позволяет производить обоснованный выбор параметров всех типов узлов соединения в зависимости от конструкции соединяемых балок и обеспечивает соответствие конструкции в целом исходным техническим требованиям. Разработанная параметрическая модель узла соединения балок позволила провести исследование влияние параметров на напряжения в узле соединения. Полученные зависимости концентрации напряжений в узле от параметров его элементов позволили сформулировать рекомендации для выбора параметров узла соединения балочных элементов.

Во второй главе проведен ряд исследований для разработки комплекса прикладных методик выбора и обоснования конструктивной схемы и параметров несущей конструкции длиннобазного вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров. Проведенный обзор отечественных и зарубежных вагонов-платформ для перевозки контейнеров позволил разработать классификацию конструктивных схем и элементов конструкции, учитывающую современный технический уровень и представляющую собой множество решений при выборе конструктивной схемы и элементов конструкции.

Разработанный на основании обзора и классификации алгоритм формирования конструкции вагона-платфоры позволил производить выбор конструктивной схемы и параметров элементов конструкции с минимальным количеством итераций. Это дает возможность минимизировать затраты ресурсов на разработку конструкции.

Рассмотрены исходные технические требования к новым вагонам- платформам и сформирована система критериев, однозначно определяющая соответствие конструкции системе железнодорожного транспорта и системе контейнерных перевозок. Критерии использованы при выборе конструктивной схемы и параметров элементов конструкции.

Разработанный алгоритм определения нагрузок на конструкцию вагона-платформы для перевозки контейнеров и введение понятия «лимитирующих расчетных случаев» позволяет уменьшить количество вариантов расчетных моделей. Уточнено определение расчетных динамических нагрузок от контейнеров на конструкции вагона-платформы при обосновании выбора параметров. Исследование особенностей применения метода конечных элементов при численном моделировании нагруженного состояния конструкции вагона-платформы позволило сформулировать рекомендации для разработки конечноэлементной модели.

На основании полученных зависимостей разработана методика определения основных размеров несущей конструкции, включающая рекомендации по выбору параметров балок, позволяющая выбирать их геометрические размеры при минимальной массе. Разработана методика обоснованного выбора параметров узлов соединения в зависимости от конструкции соединяемых балок.

Разработанная методика была использована при создании вагона- платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров погрузочной длиной 80 футов модели 13-1281.



3. Расчетное исследование длиннобазного вагона-платформы для перевозки двух 40 футовых контейнеров

В третьей главе проведена апробация разработанного в предыдущей главе комплекса прикладных методик выбора конструктивной схемы и параметров несущей конструкции на примере вагона-платформы нового типа для перевозки двух 40 футовых контейнеров. В соответствие с разработанной методикой, проведен выбор конструктивной схемы рамы, обеспечивающей высокие технико-экономические показатели вагона-платформы а также определены характеристики основных несущих элементов. В результате минимизирована масса конструкции при обеспечении соответствия обоснованным в данной работе критериям прочности, усталостной прочности, устойчивости и жесткости. Рассмотрены и выбраны параметры узлов соединения балок несущей конструкции. Принятые технические решения системно адаптированы в проект вагона-платформы. Реализованная в виде опытного образца, разработанная конструкция вагона-платформы использована для получения экспериментальных данных о соответствии конструкции исходным техническим требованиям.

3.1 Выбор конструктивной схемы и параметров несущей конструкции

В предыдущей главе была разработана методика выбора конструктивной схемы и параметров несущей конструкции вагона- платформы для перевозки контейнеров. Методика позволяет обоснованно выбирать схему конструкции рамы и определять линейные размеры в соответствии с исходными техническими требованиями к вагону-платформе. В данном разделе была поведена апробация методики на примере разработки конструкции специализированного вагона-платформы для перевозки двух 40 футовых контейнеров.

Рама вагона-платформы является основным несущим элементом конструкции, обеспечивающим связь функциональных систем вагона- платформы и передающим силовые воздействия. На раме закреплены упоры, обеспечивающие установку и крепление перевозимых контейнеров. Результаты выполненного ранее обзора конструктивных исполнений рам вагонов платформ для перевозки контейнеров позволяют сделать вывод о том, что в целях упрощения конструкции и снижения ее стоимости целесообразно применить конструктивную схему с минимальным количеством балочных элементов и развитыми узлами их соединения. Задачей данного этапа исследования являлся выбор и обоснование конструктивной схемы и определение линейных размеров рамы вагона- платформы для перевозки контейнеров.

В соответствии с разработанным алгоритмом были сформулированы исходные требования к конструкции и ограничения по выбранным критериям. Основными требованиями были следующие:

основное назначение вагона - перевозка двух 40- футовых контейнеров (тип 1А, 1АА и 1АХ в соответствии со стандартом ISO [16]). Контейнеры типов В и С должны перевозиться по фактическому весу;

погрузка и выгрузка должны осуществляться на существующих терминалах. Должен быть обеспечен визуальный контроль за установкой фитинга контейнера на упор;

габарит подвижного Т-1 состава в соответствии с [24];

должен быть обеспечен доступ к тормозному оборудованию.

В соответствии с разработанным алгоритмом, на первом этапе были определены размеры грузовой зоны. Длина, ширина и высота определяются на основании требования перевозки двух 40- футовых контейнеров в габарите Т1. Количество, тип и расположение упоров для крепления контейнеров определяются на основании схем погрузки.

Высота опорной поверхности для установки контейнеров от уровня верха головки рельса определяется на основании анализа габаритного пространства и расчета устойчивости от опрокидывания. Анализ габаритного пространства и определение допустимой высоты установки контейнера был проведен в п.2.6. Критериями при определении высоты опорной площадки является коэффициенты запаса устойчивости вагона от опрокидывания в кривых участках пути внутрь кривой и наружу кривой.. Красными линиями отмечены минимальные допускаемые значения критериев в соответствии с [65].

Приведенные графики показывают, что коэффициенты запаса устойчивости превышают минимально допускаемый во всем рассмотренном диапазоне высот опорной поверхности контейнеров.

Сочетание требований обеспечения свободного доступа к упорам

крепления контейнеров и их обзору при установке контейнеров, доступа к тормозной системе с раздельным потележечным торможением а также требования технологии изготовления определяло схему рамы с минимальной высотой боковых балок и балками двутаврового сечения .

В соответствии с разработанной в разделе 2.7 методикой, и сформулированными исходными техническими требованиями была разработана конструктивная схема и выбраны основные размеры рамы длиннобазного вагона-платформы для перевозки двух 40-футовых контейнеров.

3.2 Определение нагрузок на конструкцию вагона-платформы

Для решения задачи выбора параметров элементов конструкции необходимо определение нагрузок, действующих на исследуемый вагон- платформу. В п. 2.3 данной работы была разработана методика определения силовых воздействий на конструкцию длиннобазного вагона-платформы для перевозки контейнеров учитывающая их специфику. В данном разделе были определены режимы действия нагрузок, численные значения сил и их сочетание, а также уточнены допускаемые схемы погрузки и лимитирующие сочетания нагрузок.

В соответствии с обоснованным в разделе 2.3 данной работе разделением, было установлено четыре режима нагрузок: два, соответствующих основным I и III нормативным, и два дополнительных, соответствующих ремонтным нагрузкам и нагрузкам для расчета усталостной прочности. Для перечисленных расчетных режимов были сформированы 24 сочетания нагрузок, представляющие сгруппированные в разных комбинациях возможные сочетания эксплуатационных нагрузок.

Значения и приложение нагрузок к конструкции соответствуют действующим нормативным документам [65] и уточнены в части динамических нагрузок от контейнеров. Нагрузка от силы инерции контейнеров, возникающая при действии удара, прикладывалась к узлам элементов расчетной схемы, соответствующим местам установки упоров крепления контейнеров.

При определении динамических нагрузок от контейнеров на раму вагона-платформы при действии продольного ускорения, было учтено перераспределение вертикальной составляющей силы веса между упорами крепления контейнеров в соответствии с методикой, разработанной в разделе 2.3.

Для сокращения количества расчетных моделей при выборе параметров элементов конструкции в соответствии с разработанной методикой были определены лимитирующие схемы установки контейнеров. В соответствии с разработанными в п. 2.6. критериями, лимитирующие расчетные случаи вызывают в элементах рамы вагона-платформы наибольшие напряжения.

Анализ напряжений в конструкции показал, что наибольшие значения в средней части рамы соответствуют схеме погрузки Б, для консольной части рамы - схеме А, которые и являются лимитирующими для этих зон.

Были выбраны 6 лимитирующих сочетаний нагрузок. Таким образом, общее число расчетных случаев для решения задачи выбора параметров элементов конструкции, составляет 12.

В результате были уточнены схемы погрузки, допускаемые для вагона- платформы, определены нагрузки на вагон-платформу и их лимитирующие сочетания. Разработанная методика позволила снизить число расчетных случаев со 124 до 12. Разработанное в данном разделе множество нагрузок и проведенный выбор лимитирующих сочетаний был использован при выборе параметров балочных элементов конструкции и узлов соединения.

3.3 Выбор и обоснование геометрических размеров балок рамы вагона-платформы

В предыдущих разделах была разработана конструктивная схема и определены линейные размеры рамы длиннобазного вагона-платформы для перевозки контейнеров, сформированы силовые воздействия на конструкцию и определены лимитирующие сочетания нагрузок. В данном разделе ставилась задача обоснованно выбрать геометрические размеры балочных элементов конструкции. Выбор параметров проводился для каждого элемента в составе конструкции рамы в соответствии с разработанной в разделе 2.7 методикой.

Для определения напряжений и деформаций в конструкции было использовано программное обеспечение, реализующее метод конечных элементов. Подготовка данных о топологии конечно-элементной модели, вычисление напряжений в элементах, распределение нагрузок в конструкции, а также визуализация напряжений и деформаций производились с использованием лицензионного прикладного программного продукта ANSYS Professional. В соответствии с рекомендациями раздела 2.5, для описания элементов конструкции вагона были использованы пространственные пластинчатые конечные элементы. При моделировании было принято, что материал конструкции вагона работает в упругой стадии деформирования и обладает постоянными механическими характеристиками - модулем упругости, равным 2,05*1011 Па, и коэффициентом Пуассона, равным 0,3.

Выбор геометрических размеров элементов конструкции производился путем их варьирования и оценки соответствия критериев, разработанных в разделе 2.4, исходным техническим требованиям. В результате выполненного численного моделирования были получены данные о распределении эквивалентных напряжений в исследуемых балочных элементах конструкции вагона.

Для обоснованного выбора размеров элементов хребтовой балки были определены зависимости напряжений, статического прогиба, коэффициента запаса усталостной прочности и массы рамы вагона-платформы от толщины верхней и нижней горизонтальных полок и вертикальных стенок (параметры 11 Ь \2). На первом этапе варьировались толщины верхней и нижней полок хребтовой балки.

Полученные зависимости показывают, что толщины верхней и нижней полок хребтовой балки ограничиваются максимальным допускаемым прогибом, полученным из расчета габарита подвижного состава, минимальным значением коэффициента запаса усталостной прочности и массой рамы вагона-платформы. Минимальное допускаемое значение толщины полок - 18 мм. В то же время, увеличение толщины полок более 18 мм приводит к увеличению расчетной массы рамы выше значения, соответствующего исходным техническим требованиям.

На втором этапе был проведен выбор толщины вертикальных стенок хребтовой балки. Рассмотрен диапазон толщин стенки от 9 до 12 мм. Зависимость напряжений и прогибов в среднем сечении, а также расчетная масса рамы и коэффициент запаса устойчивости сжатых элементов конструкции.

Полученные зависимости показывают, что увеличение толщины вертикальных стенок до 10 мм включительно ведет к снижению напряжений при сохранении приемлемой массы вагона. Дальнейшее увеличение толщины вертикальных стенок вызывает неоправданное увеличение массы вагона. Полученные зависимости показывают, что напряжения и прогибы слабо зависят от толщины стенки. В то же время масса конструкции изменяется на 250 кг при изменении толщины на 1 мм. Соответственно, толщина должна быть минимальная и выбираться по критериям устойчивости и технологии сварки с полками.

Для снижения массы рамы и обеспечения доступа во внутреннее пространство хребтовой балки были применены вырезы, расположенные в вертикальных стенках на продольной оси хребтовой балки. Рассматривался диапазон диаметров вырезов от 200 до 500 мм.

Полученные зависимости показывают, что применение вырезов с диаметром 300 мм позволяет при снижении массы балки на 250 кг сохранить значения напряжений в хребтовой балке на уровне не более 105 МПа при действии нагрузки, соответствующей III режиму нагружения.

Параметры остальных балочных элементов рамы выбирались аналогично.

В результате работы были определены и обоснованы значения параметров для каждого элемента в составе конструкции рамы в соответствии с разработанной в п. 2.7 методикой. Были определены толщины балочных элементов, а также размер вырезов в стенках хребтовой балки.

3.4 Выбор и обоснование конструкции узлов соединения балок рамы

В разделе 3.3 были выбраны геометрические размеры балочных элементов конструкции. В соответствии с разработанным в разделе 2.2 алгоритмом, следующим шагом являлся выбор параметров узлов соединения балок. В данном разделе были выбраны параметры на примере соединений шкворневой балки вагона-платформы с хребтовой и боковыми балками.

В разделе 2.7 была разработана методика определения параметров узлов соединения балочных элементов. В соответствии с разработанной методикой и параметрической моделью конструкция и размеры узла соединения балок выбирались исходя из геометрических размеров соединяемых балок. На узел соединения могут быть наложены геометрические ограничения со стороны функциональных систем вагона- платформы. Критериями для выбора геометрических размеров узлов соединения балок вагона-платформы являются прочность и усталостная прочность.

Основным элементом, определяющим эксплуатационную надежность вагона-платформы, является узел соединения хребтовой и шкворневой балок. Проведенный расчет прочности рамы с узлами соединения, полученными простым пересечением балок без установки дополнительных элементов показал, что уровень напряжений в ряде элементов превышает допускаемые значения. Расчет проводился при действии лимитирующих сочетаний нагрузок, определенных в разделе 3.2. Для узлов соединения шкворневой балки с хребтовой и боковыми, лимитирующими являются удар по I нормативному режиму и нагрузки для расчета усталостной прочности.

В соответствии с разработанной параметрической моделью узла соединения, определялась необходимость установки косынки, размер косынки, толщина, радиус скругления и величина притупления. Для определения варианта конструкции, соответствующего исходным техническим требованиям по критерию прочности и усталостной прочности было проведено численное моделирование всех вариантов.

Выбор параметров узлов соединения остальных балок выполнялся аналогично. В результате работы, в соответствии с разработанным в п. 2.8 методикой, были выбраны и обоснованы конструкции узлов соединения балок. Разработанная методика позволила проводить выбор параметров узлов соединения с минимальной трудоемкостью,

На основании выбранной конструктивной схемы и линейных размеров рамы, параметров балочных элементов и конструкции узлов соединения была разработана проектная документация на несущую конструкцию вагона- платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров погрузочной длиной 80 футов модели 13-1281.

3.5 Расчетное обоснование принятых технических решений

В предыдущих разделах был проведен выбор конструктивной схемы и размеров рамы вагона-платформы для перевозки контейнеров, определены геометрические размеры балочных элементов и выбраны параметры узлов соединения. В соответствии с разработанным алгоритмом, на последнем шаге было проведено обоснование принятых технических решений в виде комплексной проверки соответствия разработанной конструкции исходным техническим требованиям. Основные технические характеристики разработанного вагона-платформы [100] .

Вид снизу на шкворневую балку

Проверка на соответствие исходным техническим требованиям производилась по критериям, сформированным в разделе 2.4 данной работы. Все проверочные расчеты проводились в соответствии с действующими нормативными документами [65].

В результате расчета прочности были получены данные о распределении эквивалентных напряжений в несущих элементах конструкции рамы вагона и выполнен их анализ. Максимальные расчетные напряжения во всех несущих элементах рамы вагона не превышают напряжений, допускаемых «Нормами» для всех расчетных режимов. Таким образом, конструкция исследуемого вагона по прочности удовлетворяет требованиям «Норм» при всех сочетаниях эксплуатационных нагрузок.

Одновременно с расчетом прочности были получены значения статических и динамических прогибов рамы вагона-платформы. Полученные значения прогибов не превышали максимальные значения, заложенные в расчет нижнего очертания габарита подвижного состава.

Далее был проведен расчет усталостной прочности в контрольных точках рамы вагона-платформы. В результате расчета усталостной прочности были получены следующие результаты. Наименьшее значение коэффициента запаса сопротивления усталости 11=1,53 получены на нижней полке хребтовой балки при варианте загрузки четырьмя 20-футовыми контейнерами массой брутто 17 т и при загрузке двумя 40-футовыми контейнерами полной массы п=1,58. Полученные значения коэффициентов запаса превышают минимальное допускаемое значение 1,5. На основании нормативного расчета запаса усталостной прочности можно сделать вывод о соответствии конструкции нормативным требованиям.

На следующем этапе был выполнен расчет запаса устойчивости элементов рамы вагона. Оценка устойчивости элементов рамы вагона проводилась при действии расчетных сжимающих нагрузок. В результате расчета были получены минимальные значения коэффициентов запаса устойчивости для элементов рамы вагона.

На основании анализа результатов расчета устойчивости конструкции рамы вагона был сделан вывод о соответствии полученных минимальных значений нормативным требованиям.

Выполненная в данном разделе комплексная проверка несущей конструкции на соответствие действующим нормативным документам подтвердила ее соответствие исходным техническим требованиям.

В данной главе проведено расчетное исследование длиннобазного вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров погрузочной длиной 80 футов на примере разработки модели 13-1281. Проведен выбор и обоснование конструктивной схемы и параметров элементов несущей конструкции.

В соответствии с разработанной методикой, и сформулированными исходными техническими требованиями разработана конструктивная схема и выбраны основные линейные размеры рамы. Уточнены схемы погрузки крупнотоннажных контейнеров, допускаемые для вагона-платформы из условия прочности и массы конструкции. Определены расчетные нагрузки на вагон-платформу и их лимитирующие сочетания. Разработанная методика позволила снизить количество расчетных случаев со 124 до 12.

В соответствии с разработанным алгоритмом, были определены геометрические размеры балочных элементов в составе конструкции рамы, а также размер вырезов в стенках хребтовой балки. Далее были определены и обоснованы конструкция и размеры узлов соединения балок. Разработанный алгоритм и комплекс рекомендаций позволили проводить выбор параметров узлов соединения с минимальной трудоемкостью.

В результате была разработана конструкция рамы вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров погрузочной длиной 80 футов модели 13-1281. Выполненная комплексная проверка соответствия конструкции действующим нормативным документам подтвердила соответствие исходным техническим требованиям несущей конструкции вагона-платформы.



4. Экспериментальная проверка эффективности разработанной методики выбора параметров конструкции вагона-платформы

В данной главе проведено экспериментальное исследование конструкции длиннобазного вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров. Исследование проводилось с целью экспериментального обоснования выбранных параметров конструкции и проверки эффективности разработанной методики. Экспериментальное исследование проводилось в соответствии с разработанными методиками комплексного определения показателей прочности, жесткости и устойчивости элементов конструкции. Комплекс экспериментальных исследований состоял из трех этапов: статических испытаний на прочность, испытаний на прочность при соударении и ходовых прочностных испытаний. Испытания вагона-платформы модели 13-1281 с различными схемами загрузки контейнеров проводились испытательным центром «Инженерного Центра Вагоностроения» с участием автора. Проведенное сопоставление расчетных и экспериментальных данных, позволило установить достаточную для практического использования сходимость результатов расчетов и эксперимента. Проведенный комплекс экспериментальных проверок позволяет сделать вывод о эффективности разработанной методики.

4.1 Разработка методики экспериментального исследования прочности конструкции

Целью экспериментального исследования являлась проверка соответствия конструкции разработанного вагона-платформы исходным техническим требованиям а также оценка достоверности результатов, полученных при использовании разработанной методики выбора параметров конструкции. Оценка достоверности проводилась на основании сравнительного анализа результатов численного моделирования и экспериментальных данных. В данной работе изложена часть экспериментального исследования, относящаяся к проверке соответствия несущей конструкции вагона-платформы нормативным требованиям. Экспериментальные исследования несущей конструкции проводилось на натурном образце вагона-платформы модели 13-1281, изготовленном на ОАО «Рузхиммаш».

Для получения данных о напряжениях и деформациях в конструкции была разработана комплексная методика, регламентирующая проведение всех видов испытаний. Целью разработки методики экспериментального исследования конструкции являлось формирование документа, определяющего получение полных и достоверных результатов.

При разработке методики исследования конструкции были учтены требования действующей нормативной документации [74,109,110]. Экспериментальная проверка на соответствие исходным техническим требованиям проводилась по критериям, определенным в разделе 2.4 данной работы. Из всех критериев были отобраны те, которые определяют соответствие разработанной несущей конструкции рамы требованиям к вагону-платформе в целом. Такими критериями являются:

прочность;

усталостная прочность;

устойчивость сжатых элементов конструкции;

жесткость;

В комплекс испытаний были включены следующие виды испытаний, соответствующие характерным в эксплуатации нагрузкам:

статические испытания;

динамические испытания на прочность при соударении;

ходовые прочностные.

В соответствии с п. 2.4 данной работы показателем усталостной прочности принят коэффициент запаса усталостной прочности п. В настоящее время разработаны методики определения запаса усталостной прочности методом косвенных измерений, при котором экспериментальное определение ааи и ааэ производится раздельно с последующим расчетным

определением коэффициента запаса п. При этом Оаэ также определяется расчетом на основании динамических напряжений в конструкции С; дин либо произведением статического напряжения на коэффициент динамики:

ОаЭ СУ} стат Кдв (4.1.1)

В экспериментальном исследовании показатели усталостной прочности рассматривались в части напряжений в конструкции, которые были получены при статических и динамических испытаниях. Исследование фактического предела выносливости элементов металлоконструкции оаЫ в рамках данной работы не проводилось.

Каждому критерию соответствует показатель, определяемый при проведении испытаний. Для критериев прочности и усталостной прочности показателем являются напряжения. Для критерия жесткости показателем являются упругие деформации. Для устойчивости элементов конструкции показателем является отсутствие деформаций.

Выполненный в главе 3, комплекс теоретических исследований напряжений и деформаций конструкции вагона-платформы позволил определить балочные элементы и узлы соединения, в которых возникают повышенные напряжения что, в свою очередь, определило расположение контрольных точек установки датчиков напряжений. Идентичное расположение контрольных точек при теоретических и экспериментальном определении напряжений позволило провести сравнение их результатов и оценку достоверности разработанной методики.