CC BY
35
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
УДК 629.463.32-047.58
М. В. ПАВЛЮЧЕНКОВ1*
1 Каф. «Будшельна мехашка та пдравлжа», Укра!нська державна академ1я зал1зничного транспорту, пл. Фейербаха, 7, Харкш, Укра!на, 61500, тел. +38 (057) 730 10 70, ел. пошта [email protected]
РАЦ1ОНАЛ1ЗАЦ1Я КОНСТРУКЦИ ОПОРНИХ ПРИСТРО1В ВАГОН1В-ЦИСТЕРН ДЛЯ Р1ДКИХ ВАНТАЖ1В
Мета. Удосконалення конструкци вагошв-цистерн для перевезення рвдких вантаж1в за рахунок нових техшчних ршень консольних опорних пристро!в 1 зниження !х матер1алоемност1. Методика. Для виршення поставлено! задач1 виконано дослвдження для пошуку оптимально! конструкци опорного пристрою. На пер-шому еташ зроблено патентно-б1блюграф1чний анал1з техшчних ршень, виявлено переваги й недол1ки конструкцш, а також запропоновано нов1 !х вар1анти, визначена найефектившша з них. На наступному еташ для визначення !! оптимальних параметр1в складено функцш цш, введено обмеження; отримано апрокси-мацш функцш цш та обмежень у вигляд1 полшом1в. На третьому еташ запропоновано чисельну реал1зацш оптим1заци функци та визначено оптимальш параметри конструкци граф1чним методом. Результати метод1в сшвпали. Результати. Серед запропонованих вар1анпв визначено найб1льш ефективну конструкцш опорного пристрою, визначено його оптимальш геометричш розм1ри. Наукова новизна. Виконано математичний опис задач1 оптим1зацшного проектування за критер1ем мшмально! матер1алоемносп опорного пристрою вагона-цистерни та використано його для удосконалення конструкци. Для виршення задач1 оптим1зацшного проектування використано чисельний та граф1чний методи. Практична значимкть. Розроблено розрахун-ков1 скшченно-елементш модел1 вагона-цистерни з р1зними конструктивними виконаннями консольних опорних пристро!в, яш дали змогу оцшити НДС конструкци.
Ключовi слова: вагони-цистерни; котел; консольний опорний пристрш; вантажопвдйомшсть; шдкрш-люючий елемент; екв1валентне напруження; функщя цш; узагальнена математична модель
Вступ
Вагони-цистерни е одним з масових титв затзничного рухомого складу, як устшно за-стосовуються для перевезення наливних, пило-под1бних, тверднучих вантагав i газ1в. Най-бшьш поширеними е нафтобензи-новi цистер-ни. Умови експлуатаци транспортних засобiв висувають пiдвищенi вимоги до мщносп юну-ючих i нових конструкцiй цистерн.
Дослiдження [2, 6] свщчать, що напруження зумовлеш дiею опорного тиску, складають 70.. .90 % вiд максимальних напружень, як ви-никають в котлi цистерни. Упродовж тривалого часу експлуатацii нафтобензинових цистерн були виявленi найбiльш слабю мiсця в i^ конструкцii у виглядi вiдмов, пов'язаних з те-чею i деформацiею котлiв, трщинами в еле-ментах рами та ш. Як зображено на рис. 1, несправносп, пов'язанi з течею котла в опорнiй зонi, складають 45,5 % вщ усiх пошкоджень вагона [15, 16, 18].
Мета
Метою роботи е удосконалення конструкци вагошв-цистерн для перевезення рщких ванта-ж1в за рахунок нових техшчних ршень консольних опорних пристро!в { зниження !х матер1-алоемносп.
Методика
В цей час в конструкци вагошв практично повнютю використаний проспр габариту по ширин та висот1, тому подальше збшьшення об'ему кузова можливо лише за рахунок збшь-шення його довжини, що призводить до збшь-шення тари вагона та до зменшення вантажош-дйомносп при збережент осьового наванта-ження
Р < д0т0 - Т ; Р < дпЬ - Т, (1)
де Р - вантажошдйомшсть вагона; д0 - допус-тиме осьове навантаження вагона; т0 - кшь-юсть осей вагона; Т - тара вагона; дп - допус-тиме погонне навантаження вагона; Ь - довжи-на вагона по осях зчеплення.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
Рис. 1. Розподшення пошкоджень за типами для кал1бр1в:
а - ва пошкодження; б - теча котла; др - будь-яка неконкретизована несправшсть; кр - несправшсть кришки; сп - несправшсть зливного прибору; хр - несправшсть хребтово! балки; тк - будь-яка теча котла; гр - теча в зош горловини; теча в зош днища; лп - теча в зош фасонних лап; пр - будь-яка неконкретизована теча; оп - теча в опорнш зош; сз, сп - теча в зош зливного пристрою та при його несправност
б
а
Оскшьки qomo = const, qnL = const, тому подальше збшьшення вантажошдйомносп мо-жливе лише за рахунок зменшення тари вагона.
Внесенням конструктивних змiн, якi спря-моваш на перерозподiл навантажень та напру-жень в небезпечних зонах, може бути досягну-тий ефект зниження максимальних напружень, а за рахунок цього i зниження металоeмностi.
У зв'язку з цим досить ефективним засобом зменшення концентраци напружень у найбшьш напружених зонах оболонкових конструкцш е застосування рiзного роду шдкршлюючих елементiв. Це пояснюеться високою змшшстю локального граничного ефекту та вигинистого стану у взаемодп оболонки i пiдкрiплюючого елемента, яка дае певш можливостi для пере-розподiлу мюцевих напружень [10].
Для вирiшення поставлено! задачi виконано дослiдження з пошуку оптимально! конструкцi! опорного пристрою. На першому етапi виконано патентно-бiблiографiчний аналiз технiчних рiшень [7, 9], виявлено переваги i недолiки та запропоновано новi варiанти конструкцiй [11]. На основi досвiду [1, 12, 13] побудоваш СЕМ вагонiв-цистерн з рiзними конструкцiями опор-них пристро!в.
Консольна опора першого варiанта зобра-жена на рис. 2. Опорш елементи 1 пiдкрiплено дiафрагмами 2 i ребрами жорсткостi 3. Дiафра-гми 2 сполученi мiж собою похилими листами 4 i встановлеш на шкворневому листi 5.
Варiант 2 опорно! конструкцi! зображено на рис. 3. Тут опорш елементи 1 шдкршлено дiаф-
рагмами 2, як розташоваш уздовж тв1рно! котла, i спираються на шкворневий лист 3. У цш схем! подовжш дiафрагми 2 сполученi мiж собою стержнями.
Рис. 2. Схема консольного опорного пристрою (варiант 1):
1 - опорний елемент; 2 - д1афрагма; 3 - ребро жорсткостц 4 - похилий лист
Рис. 3. Схема консольного опорного пристрою (варiант 2):
1 - опорш елементи; 2 - дiафрагма; 3 - шкворневий лист
Вщмшною особливютю перших двох варiа-нпв е вщсутшсть чггко виражено! шкворнево! балки.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дшпропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
Рис. 4. Схема консольного опорного пристрою (варiант 3):
1 - шкворнева балка; 2 - опорний елемент; 3 - д1афрагма
Третш вар1ант зображено на рис. 4. У ньому збережена шкворнева балка 1, а передача нава-нтаження на не! вщ котла здшснюеться через опорш елементи 2 1 подовжш д1афрагми 3, що тдкршлюють 1х. М1ж собою д1афрагми з'еднуються стержневими елементами.
У другому 1 третьому вар1антах тдкршлю-юч1 подовжш д1афрагми виконано у вигляд1 лист1в трапещевидного контуру. Для зниження
жорсткост1 уздовж середньо! поверхн1 листа вони виконаш з гофрами.
Розрахунок цистерн з р1зними конструктив-ними виконаннями консольних опор здшсню-вався на один вид статичного навантаження -сумюна д1я ваги рщини 1 власно! ваги констру-кци. Результати розрахунку вщображаються у вигляд1 пол1в екв1валентних напружень, роз-рахованих за енергетичною теор1ею мщност1.
Пор1вняння отриманих розрахункових да-них здшснювалося з конструкщею рамно! цис-терни, що використовуеться на сьогодш.
В ход1 анал1зу результалв розрахунюв було виявлено, що для першого вар1анта максималь-ш напруження в опорнш зош склали 28,5 МПа, що на 15 % менше пор1вняно з юнуючою конструкщею. Також мае м1сце зменшення плошд дп максимальних напружень (рис. 5).
За результатами обчислень для другого 1 третього вар1ант1в виявлено, що значення максимального екв1валентного напруження змен-шуеться на 13 % (рис. 6).
Рис. 5. Екывалентт напруження вщ ди ваги брутто конструкцй': а - запропонована конструкщя (вар1ант 1); б - юнуюча конструкщя
Рис. 6. Екивалентт напруження вщ дй' ваги брутто конструкций а - запропонована конструкщя (вар1ант 3); б - юнуюча конструкщя
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
Виконаш розрахунки опорних пристро1в до- удар в цистерш при екстремальному значенш
зволяють зробити висновок, що виходячи i3 поздовжньо! сили 3,5 МН. Допустим напру-
значень е^валентних напружень найбiльш ження в рамi та котлi цистерни для I розрахунко-
ефективнiшим е перший варiант [14], для нього вого режиму складають [о] = 0,9 оТ = 265,5 МПа. функцiя мети та обмеження мае виг ляд:
m
'(X)
• min
X е Д х е Д
Д = {ii, t2, t3, a Дх = {^ ^ ^
6 мм <ti <14 мм; 6мм <?2 <14 мм; 6мм <<14 мм; 200 мм <а<500 мм
тщоп < т1сн • опроп < о1сн <1 о I
—"' ' ^рам — ^рам — рам J
6 мм<t2 <14 мм; 6 мм<t3 <14 мм; 200 мм<а<500 мм
}
°Гп <<[окот]; 6 мм<t1 <14 мм; |
,
(2) (3)
де Д - область можливих ршень, яка форму-еться границями варiювання складових вектора змшних параметрiв Х; Дх - область допусти-мих рiшень; т1сн - маса сучасно! конструкцп опорного пристрою чотиривюно! затзнично! цистерни; t1, t2, t3 - товщини вертикально! дiа-фрагми, нижнього та торцевого лис^в вщпов> дно; а - ширина запропоновано! конструкцп
уздовж твiрноl котла цистерни; ор
о:
максимальш екв1валентн1 напруження, як1 ви-никають в опор1 та опорнш зош котла запропо-
•• *•• юн юн *
новано1 конструкцп; орам, окот - максимальн1
екв1валентш напруження, як виникають в опо-р1 та опорнш зош котла юнуючо! конструкцп; [ °рам ], [ °кот ] - допустим! напруження в рам1 та
котл1 цистерни.
Для дослщження НДС конструкцп з р1зними геометричними розм1рами прийнят таю наван-таження: вага брутто вагона з урахуванням ко-ефщ1ента вертикально! динамши; пдравл1чний
З урахуванням вихщних даних (2) склада-еться математичний план, який мае вщповщну матрицю планування. На 11 основ1 складаеться ортогональний математичний план другого порядку для чотирьох керованих змшних, що ва-рдаються на трьох р1внях [3, 4, 8, 17, 19, 20].
Для кожного режиму математичного плану з використанням розрахунково! модел1 вагона-цистерни обчислюються значення показниюв, що контролюються - маса опорного пристрою, що пропонуеться гапроп, максимальш екв1вале-нтш напруження, як виникають в опор1 та опо-
рнiй зонi котла ново1 конструкцп - ор;м , о З використанням отриманих значень m
проп
проп
рам
виконуеться 1х апроксимацiя у ви-
гщщ полiномiв другого ступеня.
Нижче наведено узагальнеш математичнi моделi для контрольованих показникiв у дшс-них величинах змшних:
тпроп = 0,026 + 30 315,15 t1 - 3 282,85 t2 +11,566 t3 + 0,455 a - 96 661,109 t? +
+98 763,982 t22 -1 143,356 t32 -1,547 a2 - 929,864 t1t2 -1 719,577 t1t3 -
-2 601,336 t1a +1 459,122 t2t3
= ±28,3 кг ;
-21 759,325 t2a -11 001,238 t3a
(4)
опрмп = 2 445,633 - 32 106,203 t +14 160,405 t2 - 343 557,841 13 - 528,629 a -1 893 377,319 t2 -
рам ' '1 '2 '3' '1
-931753,335 t22 +1313209324 t32 -834,011 a2 -2 445 828,413 t1t2 + 522 987,688 t1t3 +
+40 050,0 t1a + 359 903,70 t2t3 + 60 560,647 t2a +10 833,942 t3a
(5)
проп
о
о
m
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
проп =( кот
о™™ =±17,7 МПа;
+24 780,923 t22 - 20 093,994 t32 -137,495 a2 +16 967,531 t1t2 - 64 729,459 t1t3 -
-5 238,180 tja - 34 549,856 t2t3 + 5 401,132 t2a - 552,842 t3a (6) о проп =±7,5 МПа.
Величини середньоквадратичних вiдхилень для отриманих узагальнених математичних моделей свiдчать про 1х адекватнiсть i придатнiсть для використання в подальших дослiдженнях з визначення геометричних параметрiв опорного пристрою вагона-цистерни.
Для розв'язання задачi оптимiзацil (5) вико-ристовувався метод Нелдера-Мща. 1дея методу полягае у порiвняннi значень функци в п+1 вершинах симплексу та перемщенш точок симплексу у напрямку оптимально! точки за допо-могою ггеращйно1 процедури [5].
Спочатку, при рiзних початкових значеннях параметрiв, проводилась оптимiзацiя всiх чоти-рьох параметрiв. При цьому першi два параме-три змiнювалися, даючи рiзнi значення функци,
що мш1м1зуеться, а t3 та a залишалися практично незмшними: t3 = 0,01 м, a = 0,3 м. Це дало можливють при фшсованих значеннях х3 та х4 звести задачу до оптим1заци двох параметр1в х1 та х2. З точшстю до 3 % отримаш значення tt = 0,0114 м, t2 = 0,0094 м, при цьому
m
1 = 405 кг; оррмп = 260 МПа; о^Г = 110 МПа.
J раМ J K.U1
При вщомих значеннях двох параметр1в t3 та a для оптишзацп tt та t2 можна скористатися граф1чним методом. Для цього за допомогою отриманих апроксимацш були обчислеш функ-ртоп , тпроп на сггщ 100 х 100 та побу-
цн о
проп рам '
доваш 1золши цих функцш (рис. 7).
-----а
проп рам
= f(t,,t2) f(t,,t2)
-т"">" = f(t1,t2)
Область допустимых pinieHb ABC
t2,M
0,006 0,008 0,01 0,012 0,014
Рис. 7. Граф1к визначення оптимальних параметр1в конструкци опорного пристрою вагона-цистерни
о
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
Анатзуючи графiк (див. рис. 7) видно, що оптимальними е параметри в точщ А: t1 = 0,0116 м та t2 = 0,0095 м. Пошук, що здшс-нювався в областi допустимих ршень Дх, дав можливiсть як оптимальш визначити такi вели-чини параметрiв: t1 = 12 мм; t2 = 10 мм. Таке ршення обгрунтовуеться встановленими ГОСТ 19903-74 нормативними значеннями листового прокату (5 = 4 мм; 4,5 мм; 5 мм; 6 мм; 7 мм; 8 мм; 9 мм; 10 мм; 12 мм ...) i технолоп-чними особливостями виготовлення опорного пристрою вагона-цистерни. Як видно, результата оптимiзацil, яю отримаш двома способами, дуже близью. При бшьшш кшькосп змш-них зручнiше користуватися числовим методом.
Маса конструкци опорного пристрою при оптимальних значеннях t1 = 12 мм, t2 = 10 мм,
t3 = 10 мм, а = 0,3 м становить тпроп = 415 кг, що на 13 % менше порiвняно з юнуючою конс-трукцiею.
Результати
Серед запропонованих варiантiв конструк-тивних ршень консольних опорних пристро!в котла вагона-цистерни найбшьш ефективним е перший варiант. Знайденi оптимальнi геомет-ричнi розмiри складових ще1 конструкци.
Наукова новизна та практична значимкть
Запропонованi новi конструктивнi рiшення консольних опорних пристро!в котла цистерни. Чисельно дослiджено вплив ново! конструкци на НДС вагона-цистерни.
Виконано математичний опис задачi оптимь зацшного проектування за критерiем мшмаль-но! матерiалоемностi опорного пристрою ваго-на-цистерни та використано його для удоско-налення конструкци.
Для вирiшення задачi оптимiзацiйного проектування за критерiем мшмально1 матерiало-емностi опорного пристрою вагона-цистерни використано чисельний та графiчний методи.
Висновки
1. Проанатзовано особливосп розвитку конструктивних схем вiтчизняних i зарубiжних цистерн, виконано патентно-бiблiографiчний
аналiз технiчних рiшень опорних пристро1в, ви-явлено переваги i недолiки. Обгрунтовано напря-мки удосконалення конструкци опорного пристрою цистерни.
2. Розроблено розрахунковi скшченно-елементнi моделi вагона-цистерни з рiзними конструктивними виконаннями консольних опорних пристро1в, якi дали змогу оцшити НДС конструкци.
3. За результатами розрахунюв виявлено, що запропоноваш варiанти е досить ефективними, оскшьки знижуються максимальнi напруження в оболонщ котла цистерни. В першому варiантi на половину зменшуеться площа ди максима-льних напружень. В двох iнших - напруження приблизно рiвномiрно розподiляються навколо опори. У варiантах 2 i 3 пiдкрiплюючi дiафраг-ми е дуже жорсткими, тому необхщно на них встановлювати пружш елементи, якi будуть сприймати все навантаження вiд котла. Також можна використовувати гофри в конструктивному виконанш цих дiафрагм для зниження жорсткосп.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Беспалько, С. В. Оценка влияния параметров днища на напряженное состояние котла цистерны / С. В. Беспалько, В. И. Богачев // Наука та прогрес трансп. Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. - 2013. - № 1 (43). - С. 133-138.
2. Вагон - цистерна для бензина других светлых нефтепродуктов, модель 15-1443-06. Котел. Расчет на прочность, 1443.01.000 - 11 РР6. Отчет ГСКТИ СКБ ВС, 2002 г. - 31 с.
3. Винарский, М. С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях / М. С. Винарский, М. В. Лурье. - К. : Техника, 1975. -168 с.
4. Ермаков, С. М. Математическая теория оптимального эксперимента / С. М. Ермаков, А. А. Жиглявский. - М. : Наука, 1987. - 320 с.
5. Ермуратский, П. В. Симплексный метод оптимизации / П. В. Ермуратский // Труды МЭИ. -М., 1967. - Вып. 67. - С. 29.
6. Ждамаров, В. С. Исследование напряженного состояния оболочки котла железнодорожной цистерны от локальных нагрузок : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.05.01 / Владимир Степанович Ждамаров ; МИИТ. - М., 1980. -23 с.
7. Исследования по изысканию новых конструктивных схем четырехосных вагонов-цистерн с целью снижения их металлоемкости : отчет о
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗДГВ
НИР (заключ.) / Всесоюз. науч.-исслед. ин-т вагоностроения (НИИВ) ; рук. Лагута В. С. -Кременчуг, 1985. - Ч. I. - 63 с. -№ ГР 01840013267. - Инв. № 02850060917.
8. Костриця, С. А. Оптимизация несущей конструкции планировщика балластной призмы СПЗ-5/иА / С. А. Костриця, Б. М. Товт // Наука та прогрес трансп. В1сн. Дшпропетр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. - 2013. - № 2 (44). - С. 106-117.
9. Лагута, В. С. Анализ конструктивных вариантов вагонов-цистерн. Развитие конструкций вагонов. Анализ результатов испытаний и эксплуатации / В. С. Лагута, А. В. Донченко, Ю. Я. Водянников // Сб. науч. тр. НИИвагоно-строения. - 1988. - С. 58-64.
10. Нерубайло, Б. В. Локальные задачи прочности цилиндрических оболочек / Б. В. Нерубайло. -М. : Машиностроение, 1983. - 248 с.
11. Павлюченков, М. В. Дослвдження конструкти-вних вар1анпв опор зал1зничних цистерн для перевезення рвдких вантаж1в / М. В. Павлюченков // Пробл. та перспективи розв. зал1зн. трансп. : тез. доп. 70 М1жнар. наук.-практ. конф. / ДНУЗТ. - Д., 2010. - С. 81-82.
12. Павлюченков, М. В. Информационные технологии расчета и проектирования вагона-цистерны на статические и ударные нагрузки / М. В. Павлюченков // 1нформ.-керуюч1 системи на затзн. трансп. : наук.-техн. журн. - 2010. -№ 3. - С. 30-36.
13. Павлюченков, М. В. Комп'ютерна модель ва-гона-цистерни / М. В. Павлюченков // Рухомий склад з-ць та госп-во : зб. наук. пр. / УкрДАЗТ. - Х., 2008. - Вип. 86. - С. 111-117.
М. В. ПАВЛЮЧЕНКОВ1*
1 Каф. «Строительная механика и гидравлика», Украинская государственная академия железнодорожного транспорта, пл. Фейербаха, 7, Харьков, Украина, 61500, тел. +38 (057) 730 10 70, эл. почта [email protected]
РАЦИОНАЛИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ОПОРНЫХ УСТРОЙСТВ ВАГОНОВ-ЦИСТЕРН ДЛЯ ЖИДКИХ ГРУЗОВ
Цель. Усовершенствование конструкции вагонов-цистерн для перевозки жидких грузов за счет новых технических решений консольных опорных устройств и снижения их материалоемкости. Методика. Для решения поставленной задачи выполнены исследования для поиска оптимальной конструкции опорного устройства. На первом этапе выполнен патентно-библиографический анализ технических решений, выявлены преимущества и недостатки конструкций, а также предложены новые их варианты; определена наиболее эффективная конструкция среди них. На следующем этапе для определения ее оптимальных параметров составлена функция цели, введены ограничения; получена аппроксимация функций цели и ограничений в виде полиномов. На третьем этапе предложена численная реализация оптимизации функции и определены оптимальные параметры конструкции графическим методом. Результаты методов совпали. Результаты. Среди предложенных вариантов определена наиболее эффективная конструкция опорного устройства, получены его оптимальные геометрические размеры. Научная новизна. Выполнено математическое описание задачи оптимизационного проектирования по критерию минимальной материалоемкости опорного устройства вагона© М. В. Павлюченков, 2014
14. Пат. 72134 Украна, МПК B 61 D 5/06. Пристрш для кршлення котла затзничю! цистерни на раш ходово! частини / Павлюченков М. В. ; заявник та патентовласник Укра!нська державна академiя затзничного транспорту. -№ u2012 00495 ; заявл. 16.01.2012 ; опубл. 10.08.12, Бюл. № 15. - 4 с.
15. Статистическая информация о повреждениях железнодорожных нефтебензиновых цистерн -обработка с помощью СУБД MS ACCESS / МИИТ. - М., 1998. - 24 с.: ил. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, 03.03.98, № 6153 жд-98.
16. Эксплуатационные повреждения нефтебензино-вых железнодорожных цистерн - фотоснимки, схемы / МИИТ. - М., 1998. - 55 с.: ил. - Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, 03.03.98, № 6154 жд-98.
17. Floudas, C. A. Encyclopedia of Optimization / C. A. Floudas, P. M. Pardalos. - New York : Springer Science, 2009. - 4246 p.
18. Glasers Annalen. - 2000. - № 7. - P. 415-417.
19. Mohd, R. S. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety / R. S. Mohd, Barkan P. L. Christopher // J. of Hazardous Materials. -2011. - Vol. 189. - Iss. 1-2, 15. - P. 62-68.
20. Rozvany, G. I. N. Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics / G. I. N. Rozvany // Structural and Multidiscipli-nary Optimization. - 2001. - № 21. - P. 90-108.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
цистерны и использовано для усовершенствования конструкции. Для решения задачи оптимизационного проектирования использованы численный и графический методы. Практическая значимость. Разработаны расчетные конечно-элементные модели вагона-цистерны с различными конструктивными исполнениями консольных опорных устройств, которые позволили оценить НДС конструкции.
Ключевые слова: вагоны-цистерны; котел; консольное опорное устройство; грузоподъемность; подкрепляющий элемент; эквивалентное напряжение; функция цели; обобщенная математическая модель
M. V. PAVLIUCHENKOV1*
1 Dep. «Building Mechanic and Hydraulic», Ukrainian State Academy of Railway Transport, Feuerbach Sq., 7, Kharkiv, Ukraine, 61500, tel. +38 (057) 730 10 70, e-mail [email protected]
STRUCTURE RATIONALIZATION OF TANK CARS SUPPORT DEVICES FOR FLUIDS
Purpose. Improvement of fluid tank cars structure due to development of new tank bracket support structures and their materials consumption decrease. Methodology. The investigations to search the optimal design of the support structure were conducted in order to solve such problem. At the first stage patent and bibliographic analysis of technical solutions was done, the advantages and disadvantages were revealed and new design options were proposed, the most efficient design was determined. The next step is objective function making for determining its optimal parameters, imposition of restrictions, acquisition of objective function approximation and restrictions in the form of polynomials. At the third stage numerical implementation of function optimization was proposed, optimal design parameters were determined with graphical method. Results methods have coincided. Findings. The most efficient design of support structure was determined; its optimum geometrical dimensions were described. Originality. The author provides the mathematical formulation of optimal design of tank car supports using the minimum materials consumption criteria. The graphic and numerical methods were used during the investigations. Practical value. The author proposed the finite-element models of tank car with different design execution of bracket support structures, which allow estimating the VAT of structure.
Keywords: tanks cars; barrel; bracket support structure; vehicle capacity; supporting element; reduced stress; objective function; generic mathematical model
REFERENCES
1. Bespalko S.V., Bogachev V.I. Otsenka vliyaniya parametrov dnischa na napryazhennoye sostoyaniye kotla tsisterny [Assessment of the influence of the parameters bottom of the stress state of the boiler of the tank]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 1 (43), pp. 133-138.
2. Vagon - tsisterna dlya benzina drugikh svetlykh nefteproduktov, model 15-1443-06. Kotel. Raschet na prochnost, 443.01.000 - 11 RR6. Otchet GSKTISKB VS [Car-petrol tank for other light petroleum products, model 15-1443-06. The boiler. Strength calculation, 1443.01.000 - 11 RR6. Report GSKTI SKB VS], 2002, 31 p.
3. Vinarskiy M.S., Lure M.V. Planirovaniye eksperimenta v tekhnologicheskikh issledovaniyakh [Planning of experiment in technological research]. Kiev, Tekhnika Publ., 1975. 168 p.
4. Yermakov S.M., Zhiglyavskiy A.A. Matematicheskaya teoriya optimalnogo eksperimenta [Mathematical theory of optimal experiment]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 320 p.
5. Yermuratskiy P.V. Simpleksnyy metod optimizatsii [The simplex method of optimization]. Trudy MEI -MPEI Proceedings, 1967, issue 67, p. 29.
6. Zhdamarov V.S. Issledovaniye napryazhennogo sostoyaniya obolochki kotla zheleznodorozhnoy tsisterny ot lokalnykh nagruzok. Avtoreferat Diss. [Investigation of stress state of the shell of boiler of a tank wagon here local loads. Author's abstract]. Moscow, 1980. 23 p.
7. Issledovaniya po izyskaniyu novykh konstruktivnykh skhem chetyrekhosnykh vagonov-tsistern s tselyu sniz-heniya ikh metalloemkosti [Research to find new constructive schemes of four-axle tank cars to reduce metal consumption]. Kremenchug, VNIIV Publ., 1985. Part I. 63 p.
8. Kostritsa S.A., Tovt B.M. Optimizatsiya nesushchey konstruktsii planirovshchika ballastnoy prizmy SPZ-5/UA [Optimization of the bearing structure of the scheduler points-local prism SP3-5/UA]. Nauka ta
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 1 (49)
prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu - Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 2 (44), pp. 106-117.
9. Laguta V.S., Donchenko A.V., Vodyannikov Yu.Ya. Analiz konstruktivnykh variantov vagonov-tsistern. Razvitiye konstruktsiy vagonov. Analiz rezultatov ispytaniy i ekspluatatsii [Analysis of structural variants of tank-wagons. The development of the designs of the cars. Analysis of the results of tests and operation]. Sbornik nauchnykh trudov nauchno-issledovatelskogo instituta vagonostroeniya [Proc. of Scientific and Research Institute of Cars Construction]. Kremenchug, 1988, pp. 58-64.
10. Nerubaylo B.V. Lokalnyye zadachi prochnosti tsilindricheskikh obolochek [Local tasks strength of cylindrical shells]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1983. 248 p.
11. Pavliuchenkov M.V. Doslidzhennia konstruktyvnykh variantiv opor zaliznychnykh tsystern dlia perevezennia ridkykh vantazhiv [Research of structural variants supports rail tank cars for transportation of liquid cargoes]. Tezy dopovidei 70 mizhnarodnoi naukovo praktychnoi konferentsii «Problemy ta perspektyvy rozvytku zaliznychnoho transportu» [Proc. of the 70th Int. Sci. and Practical Conf. «Problems and prospects of railway transport development»]. Dnipropetrovsk. 2010, pp. 81-82.
12. Pavliuchenkov M.V Informatsionnyye tekhnologii rascheta i proyektirovaniya vagona-tsisterny na statiches-kiye i udarnyye nagruzki [Information technology calculation and design of tank wagons for static and shock loads]. Informatsiino-keruiuchi systemy na zaliznomu transporti - Information and control systems at railway transport, 2010, issue 3, pp. 30-36.
13. Pavliuchenkov M.V. Kompiuterna model vahona-tsysterny [Computer model of a tank wagon]. Zbirnyk naukovykh prats «Rukhomyi sklad zaliznyts ta hospodarstvo» [Proc. «Rolling stock of Railways and economy»]. Kharkiv, 2008, issue 86, pp. 111-117.
14. Pavliuchenkov M. V. Prystrii dlia kriplennia kotla zaliznychnoi tsysterny na rami khodovoi chastyny [Device for fastening of the railway tanks boiler on the frame chassis]. Patent UA, no. 2012 00495, 2012. 4 p.
15. Statisticheskaya informatsiya o povrezhdeniyakh zheleznodorozhnykh neftebenzinovykh tsistern - obrabotka s pomoshchyu SUBD MS ACCESS [Statistical information on damage of rail tanks - processing using MS ACCESS]. Moscow, MIIT Publ., 1998. 24 p.
16. Ekspluatatsionnyye povrezhdeniya neftebenzinovykh zheleznodorozhnykh tsistern - fotosnimki, skhemy [Operational damages of rail tanks - photo-pictures, schemes]. Moscow, MIIT Publ., 1998. 55 p.
17. Floudas C.A., Pardalos P.M. Encyclopedia of Optimization. New York, Springer Science, 2009. 4246 p.
18. Glasers Annalen, 2000, no. 7, pp. 415-417.
19. Mohd Rapik Saat, Christopher P.L. Barkan. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety. Journal of Hazardous Materials, 2011, vol. 189, issues 1-2, 15, pp. 62-68.
20. Rozvany G.I.N. Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics. Structural andMultidisciplinary Optimization, 2001, no. 21, pp. 90-108.
Стаття рекомендована до публикацИ' д.т.н., проф. О. М. Даренським (Украта); д.т.н.,
проф. С. В. Мямл1ним (Украта)
Надшшла до редколегп 11.11.2013
Прийнята до друку 14.01.2014
