Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Кафедра «Вагоны»

Реферат

Оптимизация конструкции вагонов

cтудентка гр. 11В

Жетписбаева И.М.

Руководитель - преподаватель кафедры «Вагоны»

Куратов А.В.

Омск 2013

УДК 656.261

Реферат содержит 12 страниц, 1 источник, 1 рисунок, 2 таблицы

Неисправности кузовов грузовых вагонов, ЭВМ, коэффициент запаса живучести

Объектом исследования является изучение параметров, позволяющие определять размеры несущих элементов

Целью реферата является рассмотрение оптимизации конструкции вагонов.

Оглавление

Введение

3. Оценка методики проектирования кузова вагона

Введение

грузовой вагон проектирование кузов

Железнодорожный транспорт составляет основу отечественного транспортного комплекса и имеет важное экономическое и социальное значение.

Перед вагоностроительной отраслью нашей страны стоит важнейшая задача разработки и выпуска конкурентоспособной продукции, необходимой для замены морально и физически устаревшего парка вагонов.

Поэтому тема диссертационной работы, направленная на создание практически реализуемой методики структурно-параметрической оптимизации несущих систем кузовов грузовых вагонов, представляется актуальной.

1. Неисправности кузовов вагона

Характерными видами неисправностей кузовов грузовых вагонов являются коррозионные повреждения, износ, появление в эксплуатации трещин длиной 10-15мм. Раньше других появляются трещины в заделках шкворневых стоек. Они возникают в месте соединения полки профиля стойки с горизонтальной полкой нижней обвязки и развиваются от края полки к середине профиля стойки. Кроме того, трещины могут развиваться вдоль вертикального сварного шва приварки стойки к нижней обвязке, что приводит к потере связи стойки с нижней обвязкой.

К коррозионным повреждениям относятся равномерный коррозионный износ, уменьшающий толщину обшивки и профилей несущих элементов, язвенная коррозия с образованием сквозных повреждений тонкой обшивки, а также околошовная коррозия. Коррозия приводит к увеличению напряжений и способствует появлению и развитию трещин.

Износ -- изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия при трении.

Износ приводит к снижению функциональных качеств изделий и к потере их потребительской ценности. Увеличению износостойкости изделий способствуют как применение материалов с высокой износостойкостью, так и конструктивные решения, обеспечивающие компенсацию износа, резервирование износостойкости, общее улучшение условий трения (применение высококачественных смазочных материалов, защиты от абразивного воздействия, например, наплавка, газотермическое напыление, металлизация).

2. Проектирование вагонов

В данной работе рассматривается проблема разработки методики, алгоритмов и программного обеспечения для структурно-параметрической оптимизации несущих систем кузовов грузовых вагонов с помощью эволюционного моделирования.

При проектировании разработчики учитывают отмеченные факторы, снижающие надежность вагонов. Проводится анализ сопротивления усталости обеспечивается требуемый коэффициент запаса. Тем не менее усталостные трещины возникают уже в первые три года эксплуатации и приводят к внеплановым отцепочным ремонтам. Объясняется это тем, что расчет не учитывает ряд случайных факторов. Так, конструкция может иметь начальные трещиноподобные ей производства вагонов - дефекты сварки в виде подрезов, непроварки корня шва и др.

Под действием динамических нагрузок, действующих на вагон, начальные технологические трещины растут, и главным становится не факт появления трещины, а скорость ее роста. Время роста начальной трещины до регламентируемой длины определяет живучесть конструкции. Коэффициент запаса живучести определяется делением числа циклов динамических нагрузок, необходимых для роста трещины от начальной длины до регламентированной, на фактическое число циклов нагрузки. Фактическое число циклов нагрузок равно сумме вертикальных динамических и продольных нагрузок, причем циклов вертикальных нагрузок больше, чем продольных, в 200 с лишним раз.

Исследования показали: для того чтобы коэффициент запаса живучести полувагонов и крытых грузовых вагонов был достаточным, длина начальной технологической трещины должна быть меньше 1,5мм. На практике же они имеют большую длину, и, к примеру, крытые вагоны попадают из-за трещин в отцепочный ремонт уже в первый год эксплуатации. При проектировани необходимы такие параметры несущих элементов, при которых циклы вертикальных динамических нагрузок не будут приводить к росту начальных трещин, что увеличивает коэффициент запаса живучести. Добиться этого без повышения металлоемкости вагонов можно, используя методы оптимального проектирования.

Оптимизация кузова вагона для обеспечения живучести и устранения неплановых ремонтов из-за трещин заключается в следующем. Сначала выбирается исходный вариант кузова и для него формируется расчетная модель метода конечных элементов (МКЭ). Затем выполняется расчет кузова на вертикальную статистическую нагрузку, при этом в несущих элементах определяется максимальные растягивающие напряжения и находятся коэффициенты запаса живучести. Далее выполняется расчет кузова по МКЭ на эксплуатационные нагрузки, определяются коэффициенты запаса прочности и устойчивости. По коэффициентам запаса живучести, прочности и устойчивости определяется ведущее ограничение на данной итерации (ведущим является ограничение, для которого коэффициент запаса меньше).

Изменяются размеры поперечных сечений несущих элементов так, чтобы коэффициент запаса ведущего ограничения стал близким к единице. Изменение размеров осуществляется ЭВМ в автоматическом режиме. При этом учитываются конструктивные ограничения, связанные со стыковкой несущих элементов и необходимостью соблюдения заданного габарита. При новых размерах сечений несущих элементов повторяется расчет кузова по МКЭ и определяются новые коэффициенты запаса. Следующие итерации выполняются аналогично. Процесс оптимизации продолжается до тех пор, пока изменение металлоемкости кузова на соседних итерациях будет меньше заданной малой величины, а все коэффициенты запаса будут больше или равны единице.

Рис. 1. Крытый вагон

3. Оценка методики проектирования кузова вагона

Рассмотренный процесс оптимизации применили к кузову крытого грузового вагона производства Алтайского вагоностроительного завода. По разработанной методике оптимального проектирования выполнен оптимизационный расчет кузова вагона. Оптимизированные геометрические характеристики сечений элементов представлены в табл.1.

При таких характеристиках максимальные напряжения во всех несущих элементах от сочетания нагрузок по первому и третьему режимам не превышают допустимые.

Оптимизация показывает, что могут быть облегчены дуги крыши, угловые стойки, отдельные поперечные балки рамы, раскос и продольные балочки для настила пола. Одновременно нуждаются в усилении по сравнению с аналогичными элементами серийного вагона стойки боковой и торцевой стен, шкворневая и дверная поперечные балки рамы. Необходимы также предусмотреть усиление верхней и нижней обвязок боковых стен в концевых частях кузова. Таким образом, можно рекомендовать для использования при проектировании кузова крытого грузового вагона приведенные в табл.1 оптимизированные характеристики.

Табл. 1. Оптимизированные геометрические характеристики сечений элементов

В табл.2 приведены результаты по определению оптимальных параметров сечений несущих элементов кузова четырехосного полувагона с несущими торцовыми стенами. Анализ результатов оптимизации показывает, что нуждаются в усилении шкворневая балка и средняя стойка. В то же время отдельные элементы в оптимальном варианте имеют меньшую площадь поперечного сечения, чем у серийного вагона. К ним относится хребтовая, передняя и промежуточные поперечные балки рамы. При этом расчетная масса кузова в оптимальном варианте получается меньшей.

Табл. 2. Оптимальные параметры сечений несущих элементов кузова четырехосного полувагона с несущими торцовыми стенами

Одним из важных факторов, влияющим на надежность, является, как уже отмечалось, коррозия. В нормах проектирования вагонов этот фактор учитывается путем нормирования минимальных толщин несущих элементов. Однако кроме равномерной общей коррозии возникает и местная очаговая. При сквозной очаговой коррозии по кромкам возникают трещиноподобные дефекты, которые могут превращаться в трещину значительной длины, возникают коррозионно-усталостные трещины.

Чтобы устранить отказы, связанные с коррозионно-усталостными трещинами, необходимо путем оптимального проектирования обеспечивать условия, при которых трещиноподобные дефекты не развиваются. Для этого необходимо определить зоны, где возникают максимальные растягивающие напряжения, и предусмотреть в них усиления так, чтобы коэффициент интенсивности напряжений не превышал порогового значения.

Предлагается следующая методика оптимизации. Выбирается вагон-аналог, выполняется расчет, в несущих элементах определяются коэффициенты запаса прочности и устойчивости. Для зон кузова, где возникают максимальные растягивающие напряжения, предполагается появление коррозионных повреждений в виде трещиноподобных дефектов. Для этих зон определяются коэффициенты запаса живучести. Изменяются размеры поперечных сечений несущих элементов так, чтобы наименьший коэффициент запаса был близок к единице. При этом учитываются регламентированные нормами проектирования минимальные толщины. Повторяется расчет кузова при новых размерах несущих элементов, и вновь изменяются размеры сечений. По окончании итерационного процесса ЭВМ выдает оптимальные размеры.

При оптимизации учитываются наиболее повреждаемые коррозией зоны крытого грузового вагона: листы крыши в зоне загрузочных люков, обшивка в местах соединения с верхней обвязкой, обшивка боковых стен у вентиляционных люков, пороги дверей, боковые балки рамы в зоне дверных проемов, дверные стойки в месте приварки к боковым балкам рамы, верхние полки балок рамы. У полувагонов трещины коррозионно-усталостного характера возникают в нижней части кузова, в том числе в узлах соединения стоек боковых стен и балок рамы.

Заключение

Таким образом, оптимальное проектирование позволяет обеспечить эффективную работу всех несущих элементов и обеспечить минимальную металлоемкость конструкции. Очевидно, что для повышения надежности грузовых вагонов необходимо при проектировании определять коэффициенты запаса живучести несущих элементов.

На мой взгляд, целесообразно внести дополнение по оценке живучести в нормы проектирования вагонов.

Список литературы

1. Оптимизация конструкции вагонов // Журнал Железнодорожный транспорт ЖДТ, 6/2009 С.62-63

Размещено на Allbest.ru