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

Размещено на http://www.allbest.ru/

61:07-5/4279

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Выбор конструктивной схемы и параметров несущей конструкции

железнодорожной платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

КЯКК Кирилл Вальтерович

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

АЛ. Битюцкий

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2007



Введение

В современных условиях, транспортировка контейнеров - наиболее динамично развивающийся сектор железнодорожных перевозок. Стабильный рост объемов контейнерных перевозок по Российским железным дорогам наблюдается с 1995 года и прогнозируется на период до 2015 года. В 1997 году в контейнерах перевезено 7,2 млн. т. грузов, в 2005 году 20,8 млн. т. К 2010 году прогнозируется рост объемов перевозок до 30 млн. т.

На сегодняшний день наиболее крупными компаниями, специализирующимися на перевозке контейнеров, являются ОАО «Трансконтейнер», ЗАО «Русская Тройка», ООО «Модуль», группа компаний «Евросиб», ЗАО «Северстальтранс». Преобразованный из филиала ОАО «РЖД» ОАО «Трансконтейнер» управляет парком из 23 тыс. контейнерных платформ и 177 тыс. контейнеров. ОАО «Русская тройка» к концу 2005 г. имела парк в 420 платформ и планировала расширить его до 1250 шт. в 2006 году.

Рост объемов железнодорожных контейнерных перевозок, конкуренция со стороны автомобильных перевозчиков и требование грузовладельцев по сокращению времени доставки груза создали предпосылки для поиска новых путей организации перевозок. Одним из таких путей является организация маршрутных контейнерных поездов. В настоящее время контейнерные поезда осуществляют перевозки по маршрутам Москва-Находка, Находка- Таганрог, Петербург-Москва и другим направлениям.

Постоянно увеличивающаяся доля экспортно-импортных и транзитных грузопотоков привела к изменению в структуре перевозимых крупнотоннажных контейнеров. В 90-е годы основной объем составляли 20- футовые контейнеры, в настоящее время 60-65% составляют 40-футовые. На них приходится 90% российского импорта и 20-25% экспорта. В то же время основной парк специализированных контейнерных платформ в России - это 60-футовые. В результате, более 50% случаев, платформа загружается не полностью. конструктивный вагон перевозка контейнер

В парке ОАО «РЖД» простаивает большое количество универсальных платформ с погрузочной длиной 40 футов. Была предпринята попытка их модернизации для перевозки крупнотоннажных контейнеров [98], однако такое использование оказалось экономически невыгодным из-за низкой производительности платформы. Техническая сложность переоборудования платформ для перевозки тяжелой спецтехники обуславливалась отсутствием конструктивных элементов для восприятия сосредоточенных ударных нагрузок от упоров крепления контейнеров. В то же время, переоборудованные из платформ для перевозки леса в хлыстах, вагоны модели 23-469 оказались востребованными для перевозки двух 40 футовых контейнеров.

В 2004 году стала актуальной задача создания нового типа вагона- платформы для перевозки двух 40- футовых контейнеров, предназначенного для эксплуатации в парке контейнерной компании. По прогнозам такая платформа являлась наиболее востребованным типом грузового вагона на рынке подвижного состава. Создание вагона нового типа в сжатые сроки, отведенные на разработку, при отсутствии прямых аналогов, потребовало формирование комплекса методик, позволяющих выбирать технические решения, обеспечивающие высокий технический уровень конструкции.

В работе решалась задача создания вагона-платформы нового типа на основании научно обоснованной специально разработанной методики. Решение задачи имело существенное значение для вагоностроения, железнодорожного транспорта и экономики страны.

Целью работы является выбор конструктивной схемы и параметров несущей конструкции длиннобазного вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров на основе разработанной уточненной методики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены конструктивные признаки, на основе которых предложена классификация и сформирована обобщенная конструктивная схема, позволяющие производить обоснованный выбор конструктивных параметров длиннобазного вагона - платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров на всех этапах проектирования.

Сформирован комплекс прикладных методик, позволяющий производить исследования зависимости показателей прочности, жесткости и массы несущей конструкции рамы длиннобазной платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров и на их основе выбирать рациональные параметры.

Разработана параметризированная конечно-элементная модель конструкции рамы длиннобазной платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров с сеткой переменного шага, учитывающая декомпозицию на балки рамы и узлы их соединения, позволяющая производить уточненные исследования параметров их напряженного состояния и устойчивости.

Получены зависимости показателей прочности, жесткости, запаса усталостной прочности и массы несущей конструкции от геометрических размеров балок рамы и параметров узлов соединения, позволяющие производить выбор рациональных параметров длиннобазной железнодорожной платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров.

Практическая ценность работы:

Разработанный комплекс прикладных методик позволяет производить выбор рациональной конструктивной схемы и параметров несущей конструкции рамы длиннобазного вагона-платформы для контейнеров.

Сформированные уточненные конечноэлементные расчетные модели позволяют, при решении задачи выбора параметров, сократить затраты времени и повысить общее качество проектирования несущей конструкции вагона-платформы.

Полученные зависимости позволяют обоснованно выбирать параметры несущей конструкции вагона-платформы в целом, балочных элементов рамы и узлов их соединения всего спектра эксплуатационных нагрузок.

Выполненная разработка конструкции и расчетно-экспериментальное обоснование ее параметров при разработке вагона-платформы нового типа позволяет получить экономический эффект на один вагон не менее 266 тыс. руб. на один вагон в год.

Результаты работы были использованы при разработке конструкций двух моделей и одной модификации вагонов-платформ для перевозки крупнотоннажных контейнеров производства ОАО «Рузхиммаш».

Реализация. Результаты исследования использованы при разработке двух моделей и одной модификации вагонов-платформ производства ОАО «Вагоностроительная компания Мордовии». Разработанная при участии автора конструкторская документация использована ОАО «Рузхиммаш» при производстве 40 и 80 футовых платформ моделей 13-5001, 13-1281 и 13-1281-01.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на научно-технических конференции ФГУП «УВЗ» и УрГУПС (2006 г.); на неделе науки «Шаг в будущее» ПГУПС (2006 г.); на научно-технических совещаниях Департамента вагонного хозяйства МПС РФ и ОАО «РЖД» (2004-2006 гг.); на производственно-технических совещаниях ОАО «Рузхиммаш» (2004-2006 гг.).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в семи печатных работах, отдельные разделы теоретических исследований приведены в двух отчетах о научно-исследовательских работах.

По результатам внедрения результатов исследований было получено свидетельство на полезную модель «Хребтовая балка рамы железнодорожной платформы» Пат. 62075 Российская Федерация, МПК В61Р1/14, В6Ш5/00 опубл. 27.11.06, г.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, приложение и изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 51 таблицу и 59 иллюстраций. Список использованных источников насчитывает 110 наименований.



1. Состояние вопроса. Постановка задачи исследования

Определенная на основании обзора состояния железнодорожных контейнерных перевозок актуальность создания вагонов-платформ увеличенной длины для перевозки двух 40 футовых контейнеров, обусловила формулировку цели работы, состоящую в разработке конструкции вагона- платформы нового типа. В данной главе выполнена постановка задачи, позволяющая реализовать поставленную цель на основе разработанной методики.

Для этого был выполнен краткий обзор российского подвижного состава для контейнерных перевозок. Проведен анализ исследований по совершенствованию конструкций вагонов-платформ в России, СНГ и других странах и определены основные направления развития конструкций. На основании всестороннего рассмотрения проблемы выбора параметров несущих конструкций длиннобазных платформ для перевозки контейнеров, произведена постановка задачи разработки методики выбора и обоснования параметров несущей конструкции и обозначены основные этапы ее решения.

1.1 Обзор и анализ исследований по совершенствованию конструкции вагонов-платформ

Укрепление положения России на мировом рынке транспортных услуг и усиливающаяся международная интеграция способствуют развитию системы контейнерных перевозок. Контейнерные перевозки обеспечивают высокую скорость доставки груза и дают возможность гибко использовать несколько видов транспорта. Транспортировка грузов в контейнерах позволяет в полной мере реализовать экологические и экономические преимущества железнодорожного транспорта. При традиционной внутриконтинентальной транспортировке груз перевозится автомобильным транспортом на дальние расстояния или дважды перегружается в вагоны и из вагонов. Перегрузка контейнеров с одного вида транспорта на другой занимает мало времени и высоко механизирована, что дает возможность оптимизировать систему перевозок по срокам и стоимости, и интегрировать железнодорожный транспорт в общую систему перевозок. Результаты исследований прогнозируют дальнейшее развитие железнодорожных контейнерных перевозок [1,2.25,55,56,57,70,87,93,96].

Однако существует ряд факторов, сдерживающих развитие железнодорожных контейнерных перевозок в России. Одним из них является несоответствие находящегося в эксплуатации типажа подвижного состава типоразмерам перевозимых в настоящее время контейнеров. Существует потребность в подвижном составе нового типа, удовлетворяющем возросшие требования компаний-операторов по провозоспособности, приспособленности для перевозки наиболее массовых типов контейнеров, а также имеющих низкий коэффициент тары и стоимость. Необходимо повысить сохранность перевозимого груза, обеспечить высокую надежность, ремонтопригодность и минимальную стоимость жизненного цикла.

Одновременно с этим, в связи с относительной стабильностью в период до 1995 года объемов транспортировки крупнотоннажных контейнеров железнодорожным транспортом, в нашей стране не накоплен опыт создания специализированного подвижного состава для контейнерных перевозок. В эксплуатации находятся несколько моделей вагонов-платформ, предназначенных для перевозки, главным образом, 20-футовых контейнеров.

В связи с тем, что в настоящее время постоянно возрастает грузопоток 40-футовых контейнеров, возникла потребность в разработке специализированной платформы для их перевозки. Создание нового для российских железных дорог подвижного состава на современном уровне возможно только на основе научных исследований, направленных на разработку методов проектирования специализированных вагонов для контейнерных перевозок на основе отечественного и зарубежного опыта создания вагонов - платформ и вагонов других типов.

Большая роль в развитии конструкций грузовых вагонов принадлежит отечественным ученым и конструкторам, работающим в научно- производственных организациях, а также на вагоностроительных заводах. Анализ показал, что большой вклад в совершенствование подвижного состава внесли отечественные ученные: П.С. Анисимов, Е.П. Блохин, Ю.П Бороненко, М.Ф. Вериго, C.B. Вершинский, JI.O. Грачева, В.Н. Данилов, В.Д. Данович, Ю.В. Демин, Н.М. Ершова, И.П. Исаев, JI.A. Кальницкий, M.JI. Ковалев, H.A. Ковалев, M.JI. Коротенко, В.Н. Котуранов, H.H. Кудрявцев, В.А. Лазарян, В.В. Лукин, Л.А. Манашкин, В.Б. Медель, E.H. Никольский, H.A. Панькин, М.П. Пахомов, Н.П. Петров, B.C. Плоткин, A.A. Попов, Ю.С. Ромен, А.Н. Савоськин, С.Л. Самошкин, Т.А. Тибилов, В.Ф. Ушкалов, В.Д. Хусидов, И.И. Челноков, Л.А. Шадур, И.Л. Шаринов, П.В. Шевченко, В.Ф. Яковлев, и другие, а также зарубежные исследователи И. Боймель, Д.Л. Кофман, Г. Марье, которыми решен ряд задач статической и динамической нагруженности рельсовых экипажей.

Работы по совершенствованию конструкций подвижного состава проводятся во ВНИИЖТе, МИИТе, ГосНИИВе, ПГУПСе , УрГУПСе, ДИИТе, БГТУ и в ряде других ВУЗов, научных и производственных организаций [ 15,17,19,21,22,27,39,32,42,51,73].

Значительный вклад в современные знания в области создания специализированных вагонов внесли ученые: A.A. Битюцкий, В.В. Бокач, Г.И. Игнатенков, А.П. Малов, А.П. Погребной, A.A. Радзиховский, A.B. Третьяков, М.В. Троцкий, Ю.А. Хапилов, В.А. Царапкин, С.М. Шудрак и ряд других исследователей. Этими учеными были исследованы проблемы связанные с выбором рациональных параметров несущей конструкции и разработаны вопросы взаимодействия конструкции вагона и перевозимого груза [7,8,11,29,52,67,85,53].

Большой вклад в развитие научных основ проектирования вагонов- платформ внесли отечественные и зарубежные ученые: П.С. Анисимов, Ю.П. Бороненко, Ю.В. Демин, М.Б. Кельрих, Г.Н. Кирпа, Л.М. Костюченко, A.B. Кузнецов Л.А. Манашкин, И.А. Мащенко, Н.И. Миронов, Л.М. Резников, Е.В. Пискунова, B.C. Плоткин, Р. Росберг, Н.Е. Науменко,

JI.А. Свешников, Ю.Г. Соболевская, И.И. Челноков, А.Ю. Черняк, JI.A. Шадур, A.B. Юрченко, а также сотрудники ряда университетов, институтов, академий и производственных объединений [18,29,61,63,72,82,99].

Над задачей определения прочностных и динамических характеристик вагонов - платформ работали Е.П. Блохин, Ю.П. Бороненко, Ю.В. Демин, Д.В. Дмитриев, B.JT. Кальницкий, О.М. Савчук, М.М. Соколов, A.B. Юрченко, Н.П. Янгулов. Ими были проведены теоретические и экспериментальные исследования подвижного состава. Основное внимание в работах этих ученых уделялось моделированию динамических процессов и обоснованию выбора параметров рессорного подвешивания вагона обеспечивающих наилучшие показатели качества хода. В работах [12,28,32,34,35,37,43,44,45,46,58,83,89,92] представлены результаты исследования динамики вагонов. В то же время, силовому воздействию перевозимого груза на конструкцию, а также вопросам выбора параметров несущей конструкции вагона уделялось меньше внимания.

До настоящего времени недостаточно исследованы вопросы статической и динамической нагруженности конструкции длиннобазного вагона-платформы в эксплуатации. Нормирование нагрузки от контейнера на конструкцию вагона-платформы ограничивается приложением силы, равной испытательной нагрузке на фитинги контейнера [62,65,67]. Распределение нагрузки между упорами крепления контейнеров и перераспределение вертикальных составляющих не рассматривались достаточно подробно. К тому же, продольное ускорение универсального крупнотоннажного контейнера при таком подходе может превышать допускаемое значение.

В ряде работ [10,14,15,20,34,36,38,54,68,79,81] разработаны многоуровневые итерационные методики расчета напряжений и деформаций конструкций специализированных вагонов, которые позволяют получать уточненное распределение напряжений в конструкции сложной формы. Основное внимание в этих работах уделено исследованию прочности и долговечности кузова специализированного вагона, в то время как задача разработки научно обоснованной методики выбора схемы конструкции вагона-платформы и ее геометрических размеров до конца не решена.

В.В.Чиркиным разработана методика оптимизации основных геометрических параметров грузовых вагонов. В.В Лукин [51,52] провел ряд работ по созданию алгоритма определения оптимальных параметров основных типов грузовых вагонов, а также методики определения их габаритных размеров. Ф.Ю. Лозбинев [47,48,50] разработал методику проектирования оптимальных несущих конструкций кузовов вагонов. В его работах дано описание общего построения алгоритмов оптимизации элементов кузова по комплексному экономическому критерию - минимуму суммарных затрат на производство, эксплуатацию и ремонт, предложены алгоритмы модификации структурной схемы несущей конструкции и способы оптимизации сечения элементов конструкции. Использование результатов этой работы позволило разработать алгоритм выбора параметров конструкции вагона-платформы для перевозки контейнеров.

Л.Н. Матюшин [55,56,57] провел ряд исследований по изучению нагрузок, возникающих при транспортировке крупнотоннажных контейнеров железнодорожным транспортом. На основании результатов исследований была обоснована необходимость учитывать не только нагрузки на вагон от контейнеров, но и нормировать допускаемое воздействие вагона на контейнер в процессе перевозки. В то же время, нагрузки на конструкцию при различных схемах установки контейнеров не были рассмотрены достаточно полно и требуют расширенного изучения.

Анализ научно-технической информации [25,61,75,80,84] за последние 25 лет показал, что научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию подвижного состава для контейнерных перевозок в Российской Федерации и за рубежом проводятся в следующих основных направлениях:

- разработка типажа на основе номенклатурных групп перевозимых грузов с оценкой технико-экономических параметров вагонов-платформ;

исследование нагруженности и выбор рациональной схемы несущей конструкции;

совершенствование прикладных методик определения прочности конструкции;

исследование прочности и эксплуатационной надежности с целью совершенствования элементов конструкции;

разработка ряда специализированных вагонов-платформ различного назначения на основе базовой модели.

Работы по совершенствованию комплексных методов выбора и ¦ обоснования параметров несущей конструкции на основе анализа функционального назначения, определяющего конструктивные признаки разрабатываемых вагонов, а также устройств и систем вагонов-платформ, проводились в меньшей степени.

Создание специализированных вагонов нового поколения, отвечающих современным требованиям, во многом определяется техническим совершенством несущих конструкций этих вагонов, что неразрывно связано с совершенствованием методов их проектирования, расчетов, и экспериментального исследования.

В настоящее время в процессе проектирования конструкций, при прочностных расчетах применяют упрощенные методы определения

нагрузок, как например в «Нормах » [65]. Определение динамических

нагрузок производится, как правило, простым введением коэффициента динамики без учета специфики динамических процессов, жесткости конструкции кузова, возможности возникновения резонансных явлений в конструкции, в то время как при исследовании динамики подвижного состава рассматриваются подробные, с высокой степенью сложности и детализации динамические математические модели.

В нормативных документах и справочной литературе не достаточно подробно изложены вопросы нагрузок от контейнеров и динамических нагрузок при эксплуатации длиннобазных платформ контейнеровозов, что вынуждает при определении параметров конструкции прибегать к нормативному, экспериментальному или экспертному подходу к определению нагрузок, действующих на металлоконструкцию. Такие подходы не соответствуют современным требованиям по срокам и стоимости проектирования в условиях современной жесткой конкурентной борьбы между вагоностроительными предприятиями.

В практической работе отмечена необходимость научно-обоснованной методики выбора параметров конструкции вагона в виде алгоритма. Алгоритм должен отображать требования к конструкции, все возможные сочетания эксплуатационных нагрузок, позволять варьировать схемы несущей конструкции, давать возможность детально исследовать балочные и узловые элементы с использованием современных прикладных программных продуктов.

Необходимо дополнить нормативные требования в части определения расчетных значений динамических нагрузок на конструкцию вагона- платформы для контейнеров данными, полученными на основе анализа экспериментальных исследований.

Повышение достоверности обоснования параметров конструкции можно достичь при использовании методики, объединяющей результаты разработки методик оптимизации конструкции, исследований прочностных параметров и уточнения нагрузок на длиннобазный вагон-платформу.

На основании обзора исследований можно констатировать, что:

к настоящему времени накоплен большой опыт в решении достаточно сложных задач конструирования, расчета и эксплуатации подвижного состава;

в подавляющем большинстве работ рассмотрены отдельные вопросы оптимизации, прочности, динамики или нагрузок от перевозимого груза;

менее изученными являются методы выбора параметров несущей конструкции и особенно узлов соединения элементов;

растущий спрос на вагоны-платформы для перевозки контейнеров увеличенного размера требует разработки нового подвижного состава.

1.2 Постановка задач исследования

Проведенный обзор научных трудов показал, что за последние 25 лет были проведены многочисленные исследования, направленные на совершенствование конструкции грузовых вагонов, в том числе и вагонов- платформ для перевозки контейнеров. Основное внимание уделялось вопросам повышения эксплуатационной надежности и безопасности перевозок, а также снижению материалоемкости конструкции. Проводились работы, направленные на снижение динамического воздействия на конструкцию вагона и перевозимый груз, улучшение технико-экономических параметров вагонов-платформ, увеличение номенклатуры перевозимых грузов.

Обзор научных работ позволил констатировать, что, несмотря на проведенные работы по созданию и совершенствованию конструкции специализированных вагонов, в настоящее время отсутствует разработанная методика, обосновывающая выбор параметров конструкции вагонов- платформ для перевозки контейнеров. Необходима разработка методики, охватывающей весь комплекс проблем, связанных с формированием исходных требований, выбором основных схемных решений, геометрических размеров и прочностных характеристик конструкции вагона-платформы на основании современных требований систем железнодорожных контейнерных перевозок и эксплуатации подвижного состава на российских железных дорогах.

В связи с этим из обширной проблемы создания подвижного состава для контейнерных перевозок, для достижения сформулированной цели в рамках данной работы были поставлены и решены следующие задачи:

- формирование исходных технических требований к новому типу вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров погрузочной длиной 80 футов, включающих как требования системы контейнерных перевозок и эксплуатации подвижного состава, так и требования нормативных документов;

разработка алгоритма выбора и обоснования схемы и габаритных размеров несущей конструкции длиннобазного вагона-платформы для перевозки крупнотоннажных контейнеров, позволяющего формировать конструкцию и ее элементы в соответствии с исходными техническими требованиями к вагону;

разработка алгоритма выбора и обоснования параметров балочных элементов конструкции, учитывающего особенности длиннобазного вагона- платформы для перевозки контейнеров;

разработка алгоритма выбора и обоснования конструкции и геометрических размеров узлов соединения балочных элементов;

разработка конструкции вагона-платформы для перевозки двух 40 футовых контейнеров на основании разработанных алгоритмов;

экспериментальные исследования образца разработанного вагона- платформы с целью определения достоверности результатов использования разработанной методики.

Решение поставленных задач производилось с использованием специально разработанной методики путем комбинирования численного моделирования, аналитических методов и натурных экспериментов и включало следующие этапы:

обзор и классификация вагонов-платформ для перевозки контейнеров и их элементов для определения множества вариантов конструкции на основе обзора существующего подвижного состава для перевозки контейнеров;

формирование критериев, определяющих соответствие конструкции исходным техническим требованиям к вагону-платформе для перевозки контейнеров на основании анализа научно-технической и нормативной литературы, а также требований эксплуатирующих организаций к современному железнодорожному подвижному составу для работы на сети российских железных дорог;

параметризация элементов конструкции для определения закономерностей изменения свойств конструкции при варьировании схемных решений и размеров её элементов на основе численной модели вагона- платформы для контейнерных перевозок, предполагаемых условий эксплуатации, а также опыта проектирования и эксплуатации аналогичного подвижного состава;

уточнение силовых воздействий на конструкцию вагона-платформы, в том числе от контейнеров, на основе проведенного теоретического исследования. Целью исследования являлись обоснованный выбор силовых воздействий, уточнение динамических сил в системе «вагон - контейнер», а также выбор из множества возможных схем силового воздействия лимитирующих для сокращения объемов вычислительных экспериментов;

разработка конструктивной схемы и линейных размеров несущей конструкции в соответствии с требованиями к вагону-платформе;

выбор геометрических разметов балочных элементов конструкции в соответствии с заданными ограничениями по критериям прочности, усталостной прочности, жесткости и устойчивости и требованием получения минимальной массы;

выбор конструкции и геометрических размеров узлов соединения балочных элементов по критериям прочности и снижения концентрации напряжений;

разработка окончательного конструктивного исполнения и расчетная проверка на соответствие нормативным требованиям;

экспериментальная проверка разработанной конструкции для получения данных о конструкции и определение их соответствия исходным техническим требованиям, включающим нормативные, а также проверки эффективности разработанной методики выбора конструктивной схемы и параметров конструкции.

Разработка методики выбора конструктивной схемы и параметров несущей конструкции вагона-платформы для перевозки контейнеров

Для определения современного технического уровня выпускаемых в России и за рубежом вагонов-платформ для перевозки контейнеров был выполнен обзор и анализ этого типа подвижного состава. Разработанная классификация конструктивных признаков вагонов-платформ и их составных частей позволила сформировать структурную схему. Разработан алгоритм, позволяющий формировать конструкцию вагона-платфоры нового типа в соответствии с исходными требованиями. Произведена классификация исходных требований к вагонам-платформам для перевозки контейнеров со стороны системы железнодорожного транспорта и системы контйенерных перевозок. Для решения задачи выбора параметров конструкции разработана уточненная методика приложения силовых воздействий. При разработке методики определены параметры конечноэлементной модели для численного моделирования несущей конструкции длиннобазного вагона-платформы. Для обоснования определения параметров конструкции произведена параметризация балок рамы и узлов их соединения и получены зависимости функциональных качеств конструкции от параметров ее элементов. Разработанные в этой главе методика и алгоритм выбора параметров были использованы в следующей главе при разработке конструкции вагона- платформы.



1.3 Обзор и классификация вагонов платформ для перевозки контейнеров и их элементов

Как показал мировой опыт проектирования вагонов, решение задачи выбора и обоснования конструктивной схемы и параметров конструкции вагона-платформы требует решения комплекса проблем, связанных с выбором технического решения. Техническое решение должно отвечать мировому уровню развития вагоностроения и требованиям, предъявляемым к разрабатываемому подвижному составу. Поэтому на первом этапе разработки методики был выполнен обзор и классификация вагонов- платформ для перевозки контейнеров. Обзор и классификация позволили определить современный уровень этого типа подвижного состава и сформировать множество решений для выбора схемы конструкции и конструктивных элементов при разработке новых вагонов.

Обзор конструкций производился по вагонам-платформам, производимым в России, Украине, США, Канаде, Великобритании и в странах континентальной Европы [1,3,25,26,31,75]. Рассматривались конструкции ведущих фирм изготовителей, таких как Днепровагонмаш, Абаканский вагоностроительный завод, Thrall car company, Trinity, AAE, Kombiwaggon, Costaferroviaria, Canadian Pacific railway, Greenbrier companies. Такое разнообразие стран и фирм позволило охватить весь спектр конструкций вагонов-платформ.

На основании обзора была разработана классификация вагонов платформ и их элементов. К вагонам-платформам для перевозки контейнеров относятся вагоны, имеющие открытую погрузочную площадку и упоры для крепления контейнеров. В данной работе рассматривались специализированные вагоны-платформы для перевозки универсальных крупнотоннажных контейнеров.

Целью разработки классификации являлось составление максимально полного множества решений конструкции рамы и ее элементов для дальнейшего использования при формировании новой несущей конструкции. Классификация разработана на основании проведенного в данной работе обзора и анализа вагонов-платформ, находящихся в эксплуатации, с учетом перспективных направлений развития подвижного состава [1,2,56,87,93]. Классификационные признаки выбирались по критериям, определяющим конструкцию. Анализ конструкций вагонов-платформ показал, что несущая конструкция рамы является системой балок, соединенных между собой в узлах. Передача основных нагрузок осуществляется продольными балками. Для обеспечения достаточной местной прочности, правильного распределения и передачи на конструкцию рамы больших сосредоточенных сил обычно предусматриваются специальные усиленные элементы. Такими элементами являются шкворневые балки воспринимающие опорные реакции и хребтовая балка, загруженная продольными силами.

В данном разделе определены особенности и конструктивные признаки рам вагонов платформ для перевозки контейнеров, основных несущих балок и узлов соединения. Предложенные уточненные классификации рам и их элементов позволяют производить обоснованный выбор конструкции длиннобазного вагона-платформы на всех этапах проектирования и позволяет сформировать алгоритм выбора элементов конструкции.

1.4 Разработка алгоритма выбора конструктивной схемы и параметров конструкции вагона-платформы

Проведенный в предыдущем разделе обзор позволил сделать вывод о том, что вагон-платформа для перевозки контейнеров функционирует в двух системах: системе контейнерных перевозок и системе железнодорожного транспорта. Каждая из систем предъявляет комплекс технических требований [23,65,86], обеспечивающий возможность функционирования в этих системах. Требования формируются исходя из условий каждой системы (задача внешнего проектирования). При разработке нового вагона требования формализуются в виде технического задания или исходных технических требований.

Вагон-платформа является системой, выбор параметров которой является целью данной работы (задача проектирования). В то же время, вагон-платформа также состоит из нескольких взаимосвязанных подсистем, которые имеют многоуровневую структуру, поэтому, на начальном этапе разработки методики выбора параметров было произведено описание структуры объекта и разделение его на функциональные подсистемы. Для каждого элемента был определен перечень критериев, нормирование которых обеспечит соответствие разрабатываемой конструкции системе в целом. Такой подход позволил производить раздельный выбор параметров элементов конструкции.

Разделение на уровни проведено по признаку функционального назначения элемента как системы. Элементы каждого следующего уровня являются подсистемами предыдущего. Все объекты структурной схемы были разделены по признаку новизны технического решения. Такое разделение позволяет выделить следующие подсистемы:

разрабатываемые специально для нового вагона-платформы;

выбираемые из нескольких различных типов унифицированных для грузовых вагонов;

- унифицированные для грузовых вагонов;

Предложенная структурная схема и подход к разработке конструкции позволили перейти к алгоритму формирования конструкции вагона- платформы и выбора параметров ее элементов. Поставленная задача создания вагона нового типа определила ряд особенностей разработанного алгоритма, отличающих его от аналогичных алгоритмов используемых при решении задачи улучшения конструкции типовых вагонов. Так алгоритм включает формирование исходных требований как один из этапов. В отличие от принятого рассмотрения исходных требований как неизменяемых граничных условий, было предложено рассмотрение исходных требовани как изменяемых в случае переопределенности задачи. Такой подход допустим и обоснован при проектировании нового типа вагона из-за отсутствия опыта эксплуатации и прямых аналогов.

Алгоритм в основе своей структуры линейный, в отличии от обычных итерационных алгоритмов, используемых при решении оптимизационных задач. Такое упрощение стало возможным из за того, что решением задачи является конструкция, соответствующая исходным техническим требованиям. Задача поиска экстремума каких-либо технических характеристик не ставилась.

Разработанный алгоритм представляет последовательность проектных процедур с учетом взаимосвязи компонентов системы через их параметры.

Алгоритм разработки конструкции вагона-платформы включает следующие этапы:

формирование исходных технических требований;

определение габаритных размеров и формирование схемы несущей конструкции;

выбор и обоснование параметров балочных элементов конструкции;

разработка и расчетное обоснование параметров узлов соединения балочных элементов;

формирование конструкции вагона-платформы;

стационарные, ходовые и эксплуатационные испытания.

Разработанная в разделе 2.4 система критериев и разделение конструкции на функциональные уровни позволили производить выбор решения и его проверку на соответствие исходным техническим требованиям на каждом шаге алгоритма. Предложенный алгоритм позволяет учитывать на каждом этапе такие особенности вагона-платформы нового типа, как неопределенность исходных технических требований в связи с отсутствием опыта эксплуатации, специфические нагрузки от перевозимых контейнеров, балочную конструкцию рамы. В соответствии с разработанным алгоритмом, определение конструктивной схемы и параметров элементов конструкции вагона-платформы производится в следующей последовательности.

Формируется блок исходных требований к конструкции, который включает как требования эксплуатации и нормативных документов, так и требования, обусловленные технологическими возможностями изготовителя.

На основании анализа размеров перевозимых контейнеров и расчета габарита определяются исходные данные для выбора основных габаритных размеров. Далее рассматриваются возможные конструктивные схемы рамы и производится выбор по критерию соответствия исходным техническим требованиям. Конструкция выбранного варианта разрабатывается до уровня балочного элемента.

Нагрузки, действующие на вагон-платформу, определены на основании анализа возможных схем погрузки контейнеров, внешние динамические и статические нагрузки - в соответствии с нормативными документами [65] с учетом особенностей динамического воздействия контейнеров на вагон- платформу.

Для определения соответствия конструкции исходным техническим требованиям при решении задачи выбора параметров ее элементов была выработана система критериев. Часть критериев соответствует нормируемым, остальные критерии приняты дополнительно и являются необходимыми условиями соответствия конструкции исходным техническим требованиям.

Далее производится выбор геометрических размеров балочных элементов конструкции. Тип балки определяют по классификационным признакам, линейные размеры исходя из габаритных размеров конструкции. Производится деление балки на функциональные зоны и выбирается тип сечения для каждой зоны. Определение толщины элементов сечения балки производится для каждой функциональной зоны отдельно на основании расчетной проверки соответствия конструкции исходным техническим требованиям по выработанным критериям.

Для выбора конструкции и геометрических размеров узлов соединения балочных элементов выбирают тип узла соединения в соответствии с разработанной классификационной таблицей. Определяют габаритные размеры и толщины элементов соединения для каждого узла. Выбор производится на основании расчетной проверки соответствия конструкции исходным техническим требованиям по выработанным критериям.

После определения параметров всех элементов, производится контрольная проверка конструкции в целом. В случае соответствия разрабатывается конструкторская документация на вагон-платформу и изготавливается опытный образец. В случае несоответствия конструкции исходным требованиям производится их пересмотр и процесс выбора параметров повторяется.

Последним шагом алгоритма является комплекс стационарных и ходовых испытаний, а также эксплуатационные испытания при которых производится экспериментальная проверка соответствия конструкции исходным техническим требованиям. При выявлении несоответствия, конструкция подлежит доработке и повторным испытаниям.

Анализ работ по созданию новых конструкций вагонов-платформ показал, что при создании их несущей конструкции значительную роль играют применяемые технологии: способы изготовления деталей, подготовка к сборке несущей конструкции в целом, последовательность сборки, применяемые способы сборки, учет особенностей применения сварочных материалов, применение специальных способов снятия остаточных напряжений.

Учет всех этих факторов на этапе расчета затруднителен, поэтому требуется этап опытной оценки параметров конструкции - в первую очередь усталостных характеристик, определяющих срок службы. Для этого в алгоритме предусмотрен этап 6 - экспериментальная проверка конструкции. Этот этап предусматривает проведение ресурсных испытаний конструкции вагона в целом либо его узлов. В отдельных случаях эти испытания могут быть заменены или дополнены эксплуатационными испытаниями. По результатам ресурсных или эксплуатационных испытаний уточняются условия эксплуатации новых вагонов-платформ и определяется их срок службы.

Разработанный алгоритм позволяет производить выбор конструктивной схемы и параметров элементов конструкции нового типа вагона-платформы на основе разработанных классификационных признаков в соответствии с условиями эксплуатации. Минимальное количество циклических операций при выборе параметров позволяет снизить затраты ресурсов на разработку конструкции.

1.5 Формирование уточненной методики приложения внешних силовых воздействий к конструкции вагона-платформы

Для решения задачи выбора конструктивной схемы и размеров элементов конструкции в соответствии с разработанным в разделе 2.2 алгоритмом необходимы данные о нагрузках, действующих на вагон- платформу при перевозке контейнеров. Статические и динамические силы используются при оценке соответствия конструкции по критериям прочности, усталостной прочности, жесткости и устойчивости.

При определении нагруженности вагонов и их узлов моделируются силы, действующие на конструкцию в эксплуатации. Традиционно нагрузки на конструкцию объединены в несколько режимов, имеющих сходные физические основы. В большинстве работ I и III режимы нагружения рассматривают как основные и параметры конструкции обосновываются для них. Ремонтные нагрузки и нагрузки для расчета усталостной прочности используются для проверки уже сформированной конструкции. В данной работе, кроме определенных в нормативных документах [65,74] I и III режимов, как отдельные режимы классифицированы ремонтные нагрузки и нагрузки для определения выполнения критерия усталостной прочности.

Все нагрузки, действующие на конструкцию вагона-платформы, можно рассматривать как множество нагрузок. Несколько нагрузок, действующих на вагон-платформу одновременно, образуют сочетание нагрузок. Для каждого элемента или характерной зоны конструкции можно выделить множество сочетаний нагрузок, приводящих к наиболее опасным состояниям конструкции. Их можно объединит в множество лимитирующих сочетаний нагрузок. Критерии, по которым оценивается конструкция, принимают экстремальные (максимальные или минимальные) значения при ограниченном количестве сочетаний нагрузок. В данной работе было введено обозначение этих сочетаний нагрузок как лимитирующих.

Для решения задачи выбора параметров элементов конструкции был разработан алгоритм, в соответствии с которым на первом этапе моделирование нагруженного состояния проводилось в соответствии с лимитирующим сочетанием нагрузок для исследуемой зоны. После окончания выбора параметров конструкции производился проверочный расчет для всех сочетаний нагрузок. Использование лимитирующих сочетаний нагрузок позволяет уменьшить количество расчетных моделей при решении задачи выбора параметров элементов конструкции.

Особенности конструкции вагона-платформы для перевозки контейнеров и специфика их установки и крепления определили необходимость исследования распределения сил, действующих на конструкцию вагона от контейнеров. Вертикальные составляющие силы веса контейнера, действующие на передние и задние упоры Бу1 и Ґу2 соответственно при действии ускорения вдоль оси х (продольной оси вагона) могут быть определены по следующим зависимостям:

Другой особенностью нагрузок от контейнеров на вагон является разнообразие схем погрузки контейнеров. При выборе параметров элементов конструкции необходимо либо учитывать все варианты нагружения на данный элемент, либо выбирать одно или несколько лимитирующх сочетаний нагрузок.

Приведенная диаграмма показывает, что для каждого режима нагружения можно определить схемы погрузки, создающие наибольшие нагрузки на конструкцию. При определении параметров элементов конструкции можно ограничиться только этими схемами погрузки так как выбранные параметры будут заведомо соответствовать остальным схемем. Такой подход позволяет снизить число вариантов расчетных нагрузок.

Разработанные в данном разделе режимы нагружения позволяют определить значения и приложение нагрузок к конструкции вагона- платформы при расчетном обосновании выбора параметров. Обосновано использование как I и III нормативных режимов нагружения, так и ремонтных нагрузок и нагрузок для расчета усталостной прочности, как равноценных при формировании множества расчетных нагрузок. Проведенный анализ нагрузок от контейнеров при различных схемах установки позволил обосновать возможность определения лимитирующих расчетных случаев и проведение выбора параметров конструкции в соответствии с ними, что позволяет снизить число расчетных моделей. Разработанная методика расчета перераспределения нагрузки от контейнеров позволила уточнить значения сил, прикладываемых к конструкции.

1.6 Формализация исходных технических требований к конструкции вагона-платформы

Опыт проектирования грузовых вагонов показал, что исходные технические требования определяют комплекс технических характеристик, необходимых для производства и эксплуатации данного типа подвижного состава. Для решения задачи выбора параметров конструкции необходима разработка системы критериев, однозначно определяющих соответствие конструкции исходным техническим требованиям. В данной работе была разработана система критериев для конструкции ддиннобазного вагона- платформы перевозящего крупнотоннажные контейнеры. Часть выбранных критериев соответствует приведенным в нормативных документах [65], другие критерии ранее не нормировались.

Для формализации требований к конструкции вагона-платформы были выбраны шесть групп критериев.

Первая группа - критерии, обеспечивающие соответствие эксплуатационным требованиям. Эти требования разнообразны и содержат требованиям к погрузке и креплению перевозимых контейнеров, оговаривают доступ к устройствам и оборудованию вагона, нормируют схемы погрузки. Критерием является качественное соответствие конструкции эксплуатационным требованиям.

Вторая группа - критерии, определяющие соответствие геометрическим ограничениям. Эти ограничения определяются при формировании погрузочной зоны, габаритного пространства вагона и при выборе основных размеров вагона Они требуют чтобы линейные размеры 1л были не менее минимально допустимого 1лтт и не более максимально допустимого 1л шах. Критерием является выполнение условия \л гшп < \л < 1Л тах.

Третья группа - критерии, определяющие взаимодействие элементов конструкции. Конструктивные ограничения определяются необходимостью размещения элементов конструкции в отведенном пространстве и геометрией узлов соединения. Элементы конструкции могут иметь минимально допустимый габаритный размер Ri min или максимально допускаемый Ri max. Критерием является выполнение условия Ri min < Ri < Ri max.

Четвертая группа - критерии, определяющие технологические свойства конструкции. Технологические ограничения могут иметь разнообразные характерные черты, вызванные особенностями изготовления конструкций и ее компонентов, требованиями унификации, возможностями оборудования завода-изготовителя и пр. Критерием является качественное соответствие конструкции исходным техническим требованиям.

Пятая группа - критерии, определяющие способность несущей конструкции рамы и ее элементов выполнять свои функции в составе вагона- платформы. Критериями являются:

прочность;

усталостная прочность;

устойчивость сжатых элементов конструкции;

жесткость;

частота собственных колебаний.

Для решения задачи выбора параметров конструкции необходимо нормирование этих критериев. Нормирование

Для обоснования нормирования критериев были рассмотрены физические основы нормируемых параметров.

Допускаемые значения напряжений по критерию прочности определяются материалом конструкции и характером действия нагрузки. Значения допускаемых эквивалентных напряжений для конструкции рамы вагона-платформы приведены в нормативных документах [65]. Эквивалентные напряжения определяются по четвертой теории прочности - теории удельной потенциальной энергии формоизменения (теории Мизеса- Генки) [30]. Критерий равнопрочности в этой теории формулируется так: Напряженные состояния равнопрочны по появлению недопустимых пластических деформаций, если у них равны удельные потенциальные энергии изменения формы:

\Уэкв=\Уф (2.4.1)

Эквивалентные напряжения определяются по следующей зависимости:

э = ^[(стх - (Ту)2 + К - <7г)2 + (стг -СТХ)2+ + + т2в)] (2.4.2)



Ограничения по критерию усталостной долговечности вызваны переменными нагрузками, вследствие которых в течение срока эксплуатации могут возникнуть усталостные трещины. Различают две стадии накопления усталостных повреждений: до образования видимой трещины и до достижения трещиной критического размера, при котором происходит разрушение конструкции. Первую стадию классифицируют как достижение предела усталостной прочности, вторую как достижение предела живучести [48].

Допускаемые напряжения по критерию усталостной прочности [40,41,65,71,72,85] определяются на основании теории накопления усталостного повреждения. Методика основана на статистическом подходе как к величинам напряжений, возникающим в конструкции в процессе эксплуатации, так и к прочностным свойствам конструкции.

Механизм потери устойчивости во всех перечисленных случаях различный, однако общей зависимостью является превышение значения максимального напряжения сжатия (у 1 критического [С7 кр ]* Критерием запаса устойчивости является коэффициент запаса устойчивости сжатых элементов конструкции, который определяется с использованием энергетического метода расчета критического напряжения (критической силы). Нормирование устойчивости производится по наименьшему коэффициенту запаса. Значение коэффициента запаса зависит от методики расчета. При применении для расчета метода конечных элементов, коэффициент запаса устойчивости определяется с учетом рекомендаций разработчика программного обеспечения.

Ограничение по жесткости означает, что перемещения любого элемента конструкции 6; вследствие ее деформаций при всех вариантах действующих нагрузок меньше допускаемых перемещений бу. Основные ограничения определяются габаритом подвижного состава, условиями погрузки и крепления контейнеров и механическим взаимодействием систем вагона-платформы. Критерием достаточной жесткости конструкции являются допускаемые перемещения элементов, которые выбираются исходя из геометрических ограничений, являющихся следствием требований к конструкции.

Минимальная частота и соответствующая ей форма собственных колебаний определяется исходя из условия расхождения по частоте с преобладающим спектром частот возмущающих сил. Частота собственных колебаний рамы вагона-платформы используется при расчете усталостной прочности. Допускаемая амплитуда перемещений и напряжений при вынужденных колебаниях конструкции ограничивается условиями функционирования конструкции и усталостной прочностью.

В данном разделе был проведен выбор и обоснование системы критериев, обеспечивающих соответствие конструкции исходным техническим требованиям. Критерии были использованы при выборе конструктивной схемы и параметров элементов конструкции. Таким образом дополнительно к нормативным требованиям была сформирована полная система критериев, определяющая как физические свойства конструкции вагона-платформы, так и соответствие вагона-платформы в целом условиям эксплуатации и возможностям завода-изготовителя.

1.7 Исследование особенностей применения метода конечных элементов при выборе параметров конструкции рамы

Анализ исследований по совершенствованию конструкций грузовых вагонов [7,8,9,10,15,49] показал, что в настоящее время для расчета напряжений и деформаций широкое практическое применение получили программные продукты, реализующие метод конечных элементов (МКЭ).

Современные программные продукты позволяют решать такие инженерные задачи как определение:

напряжений в элементах конструкции;

перемещений элементов конструкции;

форм потери устойчивости и коэффициентов запаса устойчивости элементов конструкции;

частот и форм собственных колебаний.

Метод конечных элементов позволяет детально исследовать напряжённо-деформированное состояние конструкции вагона при действии нагрузок, моделирующих эксплуатационные. В ряде источников [4,5,6,13,33,59,60,64,66,69,76] приведено следующее описание метода конечных элементов.

Физическая модель конструкции рассматривает упругие деформации сплошной среды, находящейся под воздействием объёмных и поверхностных внешних сил.