Оптимизация торцевых стен грузовых вагонов открытого типа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимизация торцевых стен грузовых вагонов открытого типа

О.Г. Шавекина

Аннотация

торцевой полувагон подкрепление металлоемкость

Приведены расчеты различных вариантов подкрепления торцевой стены полувагона при действии силы инерции при одностороннем ударе в автосцепку. Описана конечноэлементная модель, применяемая для расчета. Определен вариант подкрепления торцевой стены, при котором ее металлоемкость минимальна.

Ключевые слова: полувагон, грузовой вагон, торцевая стена, варианты подкрепления, оптимизация, конечноэлементная модель.

Основная часть

Торцевые стены грузовых вагонов открытого типа (полувагонов) являются одним из наиболее повреждаемых элементов кузова. Характер повреждений свидетельствует об их недостаточной прочности. Попытки усовершенствовать конструкцию привели к разнообразию вариантов торцевых стен полувагонов, находящихся в эксплуатации. Однако для большинства вариантов характерно наличие остаточных пластических деформаций в процессе эксплуатации, что свидетельствует о недостаточной прочности торцевых стен.

Актуальной является задача уточненного анализа напряженного состояния торцевых стен и определения оптимального варианта конструкции, отвечающего требованиям достаточной прочности и минимальной металлоёмкости. Настоящая статья посвящена этой задаче.

В качестве расчетной модели торцевой стены принята панель, подкрепленная стержневыми несущими элементами. Наличие боковых стен в кузове полувагона учитывается введением распределенных по длине угловых стоек связей, препятствующих перемещениям в направлении вдоль кузова. Узел пересечения концевой и хребтовой балок рамы можно считать жесткозакрепленным из-за большой жесткости хребтовой балки. Стержневыми подкрепляющими элементами являются верхняя обвязка торцевой стены, стойки или горизонтальные пояса.

Для расчета целесообразно использовать метод конечных элементов, реализованный в виде программного комплекса MSC/NASTRAN for Windows. Для моделирования торцевой стены использовались пластинчатые конечные элементы (как для обшивки, так и для стоек, поясов и верхней обвязки). Анализировались различные варианты конструкции торцевых стен.

Расчетная схема торцевой стены представляет собой лист обшивы с подкрепляющими элементами - верхней и нижней обвязками, поясами или стойками, концевой балкой рамы. Вариант расчетной схемы МКЭ с обшивой, подкрепленной стойками, показан на рис. 1.

Моделирование проводилось на основе созданной геометрической модели путем автоматического разбиения обшивы и верхней обвязки на пластинчатые конечные элементы следующей толщины:

1. Конечные элементы обшивки - 5 мм.

2. Конечные элементы верхней обвязки - 6 мм.

Размер конечных элементов составляет мм.

Конечноэлементная сетка на стойках, поясах и концевой балке рамы создавалась путем автоматического разбиения на стержневые элементы с заданными поперечными сечениями.

Соединение пластинчатых и стержневых элементов реализовывалось с помощью абсолютно жестких элементов типа Ridig.

Параметры заданного материала имеют следующие значения: ; ; .

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Расчетная схема МКЭ торцевой стены

Закрепление расчетной схемы в пространстве как твёрдого тела обеспечивают следующие введенные связи:

1. В узлах по вертикальным кромкам - связи от перемещения по оси Z и поворота в плоскости оси ZOY, имитирующие наличие боковых стен.

2. В узлах пересечения концевой и хребтовой балок - связи от перемещения по осям X, Y, Z и поворота вокруг осей X, Y, Z.

Торцевая стена испытывает нагрузку от распора сыпучим грузом. От этой нагрузки - максимальные давления на стену внизу, вблизи концевой балки рамы. Кроме того, при одностороннем ударе в автосцепку полувагона на сортировочной горке возникает дополнительное давление на стену от сил инерции груза. Рекомендуется рассчитывать торцевую стену на равномерное по площади стены давление [1]. Величина этого давления рассчитывается по формуле

,

где Р - масса груза, кг; g - ускорение свободного падения; - площадь торцевой стены, м².

Представляется целесообразным уточнить величину q.

Максимальное давление груза на стену в стоящем вагоне определяется по формуле

,

где - плотность груза, кг/м³; h - высота стены, м; .

Результирующая сила давления сыпучего груза на торцевую стену вагона равна

где b - ширина кузова, м.

При загрузке углем четырехосного полувагона, имеющего высоту h=2,345 м, ширину b=2,28 м,

.

Результирующая сила инерции для полувагона, имеющего грузоподъемность 75т, при одностороннем ударе в автосцепку равна [1]

.

Согласно [1], результирующая сила инерции больше результирующей силы давления сыпучего груза в

раза.

Следовательно, основное значение имеет сила инерции.

При одностороннем ударе возникает усилие по оси автосцепки Т=3,5 МН. Это усилие уравновешивается силами трения колес о рельсы и силами инерции масс тележек, а также массы кузова с грузом.

На торцевую стену действует сила инерции массы самой торцевой стены и часть силы инерции массы груза. Сила инерции массы самой торцевой стены равна

,

где - масса торцевой стены; a - ускорение при одностороннем ударе.

Для определения осредненной величины ускорения приравняем усилие удара к сумме уравновешивающих сил:

где ; - вес брутто вагона; - коэффициент трения колес о рельсы (для стального колеса и стального рельса ).

При осевой нагрузке и .

Из уравнения (2) имеем:

.

Эта величина отличается от рекомендованной в [1] величины а=3,5g.

Сила инерции груза равна

,

где Р - грузоподъемность, МН.

Сила инерции груза уравновешивается реактивными усилиями со стороны торцевой стены, а также силами трения груза о боковые стены и раму кузова. Кроме того, возникают силы трения груза о груз. Происходит это по следующей причине. В начальный момент удара возникают силы трения груза о металл боковых стен и рамы. Однако слои груза, прилегающие к металлу, перестают смещаться из-за наличия препятствий (устройств балок рамы, гофров боковых стен и угловых стоек). Оставшаяся масса груза продолжает смещаться, при этом возникает трение груза о груз (между неподвижными слоями груза и его смещающейся массой). В запас можно пренебречь массой неподвижных слоев груза, тогда силы трения будут равны

,

где f, f₁ - соответственно коэффициенты трения груза о металл и груза о груз; N - сила нормального к поверхности давления.

Силы трения груза о металл двух боковых стен определяются произведением усилий распора сыпучим грузом на коэффициент трения.

Результирующая величина нормального давления на две боковые стены равна

,

где L - длина стены; h - высота стены.

Итоговая сила трения груза о две боковые стены и груза о груз вблизи боковых стен

.

Итоговая сила трения груза о металл рамы и груза о груз вблизи рамы равна

,

где Р - вес груза.

Нагрузка на торцевую стену от груза при одностороннем ударе в автосцепку будет равна реактивным усилиям со стороны торцевой стены на груз. Из условия равновесия равнодействующая реактивных усилий равна

Рекомендуется принимать равномерное распределение усилий на торцевую стену [1]. В таком случае интенсивность q равномерно распределенной по площади торцевой стены нагрузки будет равна

где определяется выражением (3), - выражением (1); - сила инерции массы самой торцевой стены.

,

где - масса торцевой стены.

Сопоставим значение q, полученное по формуле (4), и значение, рекомендованное в [1]. Для полувагона, загруженного углём и имеющего грузоподъёмность Р=0,75 МН, г=0,9 т/м³, h=2,345 м, b=2,28 м, L=12,7 м, m_ст=500 кг, f=0,483, f₁=0,714, по выражению (4) получаем:

q=0,168 МН/м².

Согласно [1], для рассматриваемого случая

q=0,168 МН/м².

Сопоставление показывает, что рекомендация [1] о нагрузке, действующей на торцевую стену при одностороннем ударе в автосцепку, является обоснованной. В будущем целесообразно лишь уточнить характер распределения нагрузки по площади торцевой стены.

Рассмотрим вопрос оптимизации торцевой стены. Под оптимальной будем понимать такую ее конструкцию, при которой максимальные напряжения во всех ее несущих элементах будут близки к допускаемым, а металлоемкость стены будет минимальной.

Для оптимизации структурной схемы на практике используется метод избыточной структуры, когда в конструкцию умышленно включается избыточное количество несущих элементов. Затем такой вариант подвергается параметрической оптимизации без ограничения на минимальные значения параметров (размеров сечений несущих элементов). В итоге отдельные несущие элементы вырождаются, а оставшиеся определяют оптимальную структуру. Однако при нагрузке, действующей на торцевую стену, не произойдет вырождения несущих элементов, так как к ним приложена нагрузка и напряжения в них не равны нулю. В связи с этим целесообразна следующая методика оптимизации.

Необходимо определить выгодную стратегию для структурной оптимизации. В частности, можно использовать варианты, чаще всего применяемые на практике. Далее следует выполнить расчет каждого варианта на равномерно распределенную по поверхности стены нагрузку, возникающую при одностороннем ударе в автосцепку. По результатам расчета необходимо изменить размеры поперечного сечения несущих элементов так, чтобы максимальные напряжения в них были равны допускаемым. Увеличив количество подкрепляющих элементов, следует вновь выполнить расчет торцевой стены и повторить процедуру корректировки размеров полученных сечений.

После этого определяется металлоемкость каждого рассчитанного варианта стены. Оптимальным будет вариант подкрепления, при котором происходит большее снижение металлоемкости.

По изложенной методике была проведена оптимизация торцевой стены полувагона. Рассматривались варианты подкрепления торцевой стены, показанные на рис. 2. Число подкрепляющих элементов варьировалось от 2 до 11.

Рис. 2 Варианты подкрепления торцевых стен

Результаты расчетов представлены на рис. 3.

Рис. 3 Зависимость металлоемкости от числа подкрепляющих элементов: - подкрепление поясами; - подкрепление стойками

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. При проектировании торцевых стен полувагонов необходим их уточненный расчет на прочность при нагрузке от сил инерции, возникающей при одностороннем ударе в автосцепку [1].

2. Наиболее рациональным является подкрепление торцевой стены шестью стойками. При таком варианте подкрепления металлоемкость стены меньше, чем при ее подкреплении таким же числом поясов.

Список литературы

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 320 с.

Размещено на Allbest.ru