CC BY
40
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
РУХОМИИ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
УДК 629.463-027.45
Л. О. НЕДУЖА1*, А. О. ШВЕЦЬ2*
1 Каф. «Теоретична та будiвельна механжа», Дншропетровський нацюнальний унiверситет 3ani3HK4Horo транспорту iMem aкaдемiкa В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Укра!на, 49010, тел. +38 (056) 776 84 98, ел. пошта nlorhen@i.ua, ORCID 0000-0002-7038-3006
2 Каф. «Теоретична та будiвельнa механжа», Днiпропетровський нацюнальний унiверситет зaлiзничного транспорту iменi aкaдемiкa В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Украша, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19,
ел. пошта angela_Shvets@ua.fm, ORCID 0000-0002-8469-3902
ТЕОРЕТИЧН1 ТА ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬН1 ДОСЛ1ДЖЕННЯ М1ЦН1СНИХ ЯКОСТЕЙ ХРЕБТОВО1 БАЛКИ ВАНТАЖНОГО ВАГОНА
Мета. Головною метою дано! роботи е aнaлiз результапв теоретичних та експериментальних дослiджень мщшсних якостей рухомого складу; пошук зaсобiв проектування, моделювання, вибору, обгрунтування продовження термiну служби вантажних вaгонiв та !х елементiв. Методика. В робоп застосовано метод скiнченних елементiв (МСЕ), який дозволяе практично повнiстю автоматизувати розрахунок мехaнiчних систем, проте, як правило, вимагае виконання значно б№шого числа обчислювальних оперaцiй у порiвняннi
3 класичними методами мехaнiки. Сучасний рiвень розвитку обчислювально! технiки вщкривае широк! мо-жливостi для впровадження МСЕ в iнженерну практику. МСЕ реaлiзовaно в багатьох вiдомих й широко роз-повсюджених програмних продуктах, що забезпечують мiцнiсний розрахунок моделей машин, мехaнiзмiв, конструкцiй, у тому числ рухомого складу зaлiзниць. Результати. У статп представлено aнaлiз проведених теоретичних та експериментальних дослiджень мщшсних якостей елеменпв рухомого складу на приклaдi хребтово! балки вантажних вагошв; розрахунки виконано з використанням сучасного пакету прикладних програм. Представлений приклад використання запропонованого пiдходу зaсвiдчив його працездатшсть та ефективнiсть, а також правильшсть спрямування вiдповiдних науково-дослвдних робгг. Запропонований ш-дхвд може бути використаний при виршенш подiбних ошгашзацшних задач у нaуково-дослiднiй та дослщ-но-конструкторськiй прaктицi транспортного машинобудування. Наукова новизна. Авторами запропонований метод визначення показнишв нaдiйностi та розв'язання науково-прикладно! проблеми розрахунку елеменпв вантажних вaгонiв iз урахуванням особливостей експлуатаци та впливу режиму навантаження, що дае можливiсть визначати !х довговiчнiсть ще на стадп проектування. Розроблено та дослвджено модель хребтово! балки вантажного вагона, на основi яко! отримaнi зaлежностi, що характеризують напружено-деформований стан и елеменпв. Були отримaнi нaуково-обгрунтовaнi результати з оцшки мiцнiсних якостей хребтових балок вантажних вагошв залежно вiд !х конструктивного виконання. Розглянутi аспекти, пов'язаш з сучасним станом й перспективами розвитку зaлiзничного транспорту, використанням програмного комплексу при проектувaннi та розрахунках рухомого складу в зaлiзничнiй галузг Практична значимiсть. Теоретичнi та експериментальш дослвдження мiцнiсних якостей елементiв рухомого складу розглянуто на приклaдi хребтово! балки вантажного вагону; розрахунки виконано з використанням сучасного пакету програм. Застосування отриманих результапв сприяе пiдвищенню безпеки руху вантажних вагошв та дозволить покращити технiко-економiчнi показники роботи зaлiзничного транспорту.
Ключовi слова: метод скшченних елеменпв; мiцнiсть елементiв рухомого складу; напруження в хребто-вiй бaлцi вагона; рухомий склад; хребтова балка вантажного вагона
Вступ
Транспорт - одна з важливших галузей на-цюнально! економши, ефективна робота яко! е необидною умовою стабшзацп, структурних перетворень, розвитку зовшшньоеконом!чно! д1яльност1, захисту економ1чних штерешв Укра!ни; це ланка господарства будь-яко! дер-жави, яка формуе шфраструктуру та забезпечуе
взаемозв'язок вс1х !! елеменпв, забезпечуе функцюнування св1тового господарства i потреб населення в усiх видах перевезень. В умо-вах складних свiтових економiчних процесiв ефективна державна транспортна пол^ика Укра!ни повинна враховувати геопол^ичш аспекти, особливостi галузi в цiлому, !! роль у процесах економiчних й соцiальних перетво-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
рень для розвитку галуз^ забезпечення И кон-курентоспроможностi [7, 10, 20, 23].
У вщповщносп до Комплексно! програми оновлення залiзничного рухомого складу Укра-!ни на 2008-2020 роки, Стратеги розвитку зал> зничного транспорту на перiод до 2020 р., Державно! програми «Укра!нський вагон» одним iз прiоритетних напрямюв розвитку залiзнично! галузi е оновлення вантажного вагонного парку Укрзалiзницi конкурентоспроможними моделями вагонiв вiтчизняного виробництва шляхом удосконалення базових конструкцш за найважливiшими технiчними, економiчними, штегральними критерiями, якi вiдповiдають сучасному рiвню технiко-економiчних показ-никiв (ТЕП). Одним iз найважливiших ТЕП е матерiалоемнiсть (тара) вагонiв, зниження яко! е одним iз прiоритетних напрямкiв удосконалення !х конструкцi! [7, 15-17].
Загальновщомими шляхами зниження тари вагошв е здiйснення заходiв, що забезпечують зменшення зусиль, якi дiють на вагон, i його складових; розробка оптимальних конструкти-вних форм; рацюнальний вибiр матерiалiв; удосконалення технологи виготовлення, техшчно-го обслуговування i ремонту вагонiв.
Технiчний рiвень рухомого складу затзнич-ного транспорту безпосередньо впливае на еко-номiчнi показники транспортно! галузi та еко-номiки кра!ни в цiлому. Тому посилення поту-жностей залiзнично! галузi Укра!ни е стратепч-ним напрямком розвитку !! економiки. Ключову роль у шдвищенш конкурентоспроможностi та ефективностi залiзничного транспорту вщпрае рiвень технiко-економiчних показникiв рухомого складу, найбшьша частка якого припадае на вантажнi вагони. Прюритетним напрямком по-лiпшення ТЕП вантажних вагонiв е удосконалення !х конструкцш за рахунок створення шновацшних конструкцш або моде-рнiзацi! окремих складових. При цьому вдоско-налення складових передбачае використання у якост !х елементiв нових профiлiв, якi характеризуются меншою матерiалоемнiстю та соб> вартiстю виготовлення при забезпеченнi необ-хiдних умов мiцностi [15-17].
Актуальшсть статтi обумовлена однiею з основних задач Концепцi! розвитку транспор-тно-шляхово! iнфраструктури Укра!ни - визна-ченням перспектив !! розвитку до 2020 р. Осю-
льки транспортна система Укра!ни е одшею з важливих складових соцiально-економiчно! системи держави, що забезпечуе потреби виро-бництва й населення, цiлiснiсть економiчного простору Укра!ни, вона грае важливу роль у розвитку штеграцшних процесiв, створення позитивного iмiджу кра!ни.
У зв'язку з цим надалi бiльшою насиченiстю ринку вантажним рухомим складом у майбут-ньому, усшхом на ринку залiзничних переве-зень будуть користуватися тiльки т вантажнi вагони, якi мають полшшеш технiчнi характеристики, що забезпечать виконання головно! вимоги - надшносп [19]. I! пiдвищення дозво-ляе значно зменшити кiлькiсть позапланових вщчшних ремонтiв i, отже, збiльшуе економiч-ну ефективнiсть вантажного рухомого складу, який експлуатуеться.
Пщвищення якостi створюваного мехашч-ного устаткування й конструкцiй необхвдно пов'язувати, насамперед, зi зменшенням !х ваги i вартостi, збiльшенням надiйностi та покра-щенням низки iнших характеристик. Наразi актуальною е проблема поеднання в процесi про-ектування двох взаемовиключних тенденцiй: економi! матерiалу, з одного боку, i забезпечення необхвдних характеристик мiцностi конструкцш - з шшого. Все це можна забезпечити за рахунок використання комп'ютерних техно-логiй [6, 15-17].
Мета
Серед основних напрямюв дiяльностi затз-нично! галузi е: розвиток швидюсного руху по!-здiв; пiдвищення рiвня безпеки руху; розробка нового рухомого складу i модершзащя юную-чого парку. Це тдтверджуе, що транспортна галузь повинна рухатися в напрямку шновацшних змш, тдвищувати свое значення як важли-во! транзитно! пiдсистеми на шляху оновлення не тшьки iнфраструктури, а й стратеги ушх складових перевiзного процесу, в тому числi й при робот у взаемозв'язку з шшими видами транспорту [9, 15-17].
Функцюнальна залежнiсть продуктивностi вагона пов'язана з його динамiчним наванта-женням i середньодобовим пробiгом, а шдви-щення динамiчного навантаження вантажного вагона зменшить витрати залiзницi. Як вщомо з попереднiх дослiджень [9, 20-23], вивчення
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
динамши вантажних вагонiв - це складна теоретична задача щодо визначення допустимих та безпечних, iз точки зору взаемодп колеса i рейки, швидкостей руху.
Метою дано! роботи е анатз результатiв те-оретичних та експериментальних дослiджень мщшсних якостей рухомого складу; пошук за-собiв проектування, моделювання, вибору, об-грунтування продовження термiну служби вантажних вагошв та !х елеменпв.
Методика
Мiцнiсть та ресурс основних несучих елеме-нтiв рухомого складу зашзниць е фундаменталь-ними властивостями, яю визначають !х подаль-шу усшшну експлуатацiю протягом тривалого перюду часу. Оцiнка цих показникiв тюно пов'язана iз забезпеченням вимог безпеки руху на зашзничному транспортi, тому проблема нау-кового обгрунтування оцшок характеристик ди-намiки, мiцностi i ресурсу несучих конструкцiй е важливою та актуальною як для нового рухомо-го складу, так й при проведенш роб^ iз продовження термшв служби рухомого складу, який виробив гарантований заводом-виробником те-рмiн [6].
Для обгрунтованого вирiшення зазначено! проблеми виконуються комплекснi фундамен-тальнi, експериментальш, теоретичнi та оргаш-зацiйнi роботи, яю можуть включати в себе:
- оцшку поточного технiчного стану несучих конструкцш екшажно! частини рухомого складу (при проведенш робгг iз оцiнки його за-лишкового ресурсу);
- анаштичний розрахунок характеристик м> цност елементiв екiпажно! частини з викорис-танням додаткових моделей методом кшцевих елементiв iз метою виявлення найбшьш наван-тажених зон несучих конструкцш, а також допу-стимих рiвнiв корозiйно! дi!;
- прогноз динамiчних якостей екiпажу методами математичного моделювання;
- оцшку ресурсу (повного або залишкового) з максимально можливим використанням даних натурних випробувань;
- оцшку «живучосп» конструкцi! на пiдставi теоретичних дослiджень та вiдповiдних випро-бувань.
При виконаннi iнженерних розрахунюв, пов'язаних iз аналiзом мiцностi машин, мехашз-
м1в, конструкцш на практищ використовують як аналгтичш, так i чисельш методи. Використання сучасних комп'ютерних комплексiв дозволяе не лише вщтворювати данi й вщомосп тим чи ш-шим способом, а також надае можливiсть ефек-тивно та безпосередньо взаемодiяти з шформа-цiйним об'ектом, що створюеться або демон-струеться. Програмнi комплекси рiзного призна-чення вмiло застосовують сучаснi комп'ютернi технологii на вшх етапах проектування, розроб-ки, експлуатацн, для визначення остаточного ресурсу, а саме: на еташ попереднього досл> дження, вибору принципiв дii, розробок есюзно-го та технiчного проекпв, ix оптимiзацii, пiдго-товки конструкторсь^' документацii та керую-чоi шформацн для автоматизованих виробництв, всебiчного iнженерного аналiзу тощо [10, 2023].
У зв'язку з активним впровадженням в ш-женерну практику обчислювально1' теxнiки найбiльш ефективним наближеним методом виршення такого класу прикладних задач ме-xанiки е метод скшчених елементiв (МСЕ), як основний метод, що лежить в основi переваж-но1' бiльшостi сучасних програмних комплекшв, призначених для виконання iнженерниx задач у рiзноманiтниx галузях [6, 10]. Ключова iдея МСЕ (наприклад, вагон-хопер) полягае в на-ступному: модель конструкцп замiнюеться на дискретну шляхом розбиття ii на кiнцевi елеме-нти (КЕ) (рис. 1). Розташоваш певним чином (залежно вiд конструкцп об'екта) та закршлеш вiдповiдно до граничних умов, кiнцевi елемен-ти дозволяють адекватно описати все рiзнома-нiття моделей [10, 14].
Рис. 1. Кшцево-елементна модель кузова та рами вагона-хопера
Fig. 1. Finite element model of a body and a frame in a car-hopper
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального утверситету затзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
До к1нцевого елементу можуть бути прик- водяться до вузл1в даного елементу i носять ладеш (рис. 2) зовтшт навантаження (зосере- назву вузлових навантажень [10, 14]. джеш та розподшет сили й моменти), як1 при-
Рис. 2. Схеми прикладання навантажень на елементи кузова i рами вагона-хопера при I-у розрахунковому режимi: а - удар; б - ривок; в - стискання; г - розтягання;
III-у розрахунковий режим: д - удар; е - ривок; ж - стискання; з - розтягання
Fig. 2. Schemes of loads application to the elements of a body and a frame of a car-hopper: I calculated mode: a - impact; b - a jerk; с - compression; d - stretching; III calculated regime: e - impact; f - jerk; g - compression; h - stretching
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
У процес розрахунку будь-яко1' конструкцп завжди можна видiлити етапи, серед яких:
- iдеалiзацiя, яка полягае у переxодi до роз-рахунково1' схеми;
- аналiз - власне розрахунок щеатзовано1' розрахунково1' схеми;
- штерпретащя - перенесення результатiв розрахунку до вихщно! схеми, висновки щодо реально!' конструкцii.
Метод кiнцевиx елемеппв дозволяе практично повнiстю автоматизувати розрахунок меха-нiчниx систем, хоча, як правило, вимагае вико-нання значно бiльшого числа обчислювальних операцш у порiвняннi з класичними методами мехашки. Сучасний рiвень розвитку обчислю-вально1' теxнiки вiдкривае широкi можливосп для впровадження МСЕ в iнженерну практику [10].
МСЕ реалiзовано в багатьох вщомих й широко розповсюджених програмних продуктах, що забезпечують розрахунок мiцностi моделей машин, меxанiзмiв, конструкцiй, у тому числi рухомого складу залiзниць.
Дана методика грунтуеться на Постановi Кабiнету Мiнiстрiв Украши вiд 30 грудня 2015 р. N 1194, яка затверджуе «Техшчний регламент безпеки рухомого складу затзничного транспорту», з визначенням основних вимог до рухомого складу, що виготовляеться та модер-шзуеться, а також до його складових i запасних частин тд час проектування, виробництва, мо-
нтажу, налагодження, введення в експлуатащю, експлуатацiю, ремонту.
Конструкцiйнi ршення рухомого складу за-лiзничного транспорту повинш забезпечувати його безпеку протягом установленого виробни-ком строку експлуатацп та/або гарантiйного строку використання та/або строку зберпання, витримувати впливи, як мають мiсце в процесi його експлуатацп.
Наприклад, рама вагона е основою кузова, яка сприймае вщ нього та вантажу, що перевозиться, усе навантаження, передае його на хо-довi частини i, ^м того, служить для розмi-щення автогальмового обладнання й автозчеп-них пристро!в [6]. Рами сучасних вантажних вагонiв представляють собою мiцнi металевi суцiльнозварнi конструкцi! з повздовжнiх i по-перечних балок.
Хребтова балка (рис. 3) е одним iз найбiльш вщповщальних несучих вузлiв рами вагона, служить для кршлення на нiй автозчшного й гальмiвного обладнанняя; за допомогою автозчшного пристрою вона передае повздовжш сили на iншi вагони. Оскшьки хребтова балка жорстко зв'язана також iз iншими елементами кузова, то поряд iз повздовжнiми вона сприймае й вертикальш сили. Таким чином, хребтова балка повинна мати достатню мщнють та жорс-тюсть, бути простою по конструкцп, надшною в експлуатацi!, доступною для техшчного огля-ду [6]. I! виготовляють iз потужних Z-подiбних, швелерних та двотаврових прокатних профшв.
Рис. 3. Хребтова балка:
1 - верхня балка; 2 - надп'ятник; 3, 6 - нижт листи; 4 - д1афрагма; 5 - балка; 7 - вушко; 8 - упор заднш; 9, 10 - заклепки; 11 - планка; 12 - упор переднш
Fig. 3. Spine beam:
1 - upper beam; 2 - anthrax; 3, 6 - lower plates; 4 - diaphragm; 5 - beam; 7 - ear; 8 - stop back; 9, 10 - rivets; 11 - strap; 12 - stop front
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету затзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
Шкворневi балки передають через п'ятник та ковзуни на вiзки вс виникаючi в процесi руху статичш й динамiчнi зусилля. Вони представля-ють собою конструкцiю коробчастого перетину змшно! висоти по довжинi та утвореш двома вертикальними й нижшм листами. У перетинi з хребтовою шкворневi балки посиленi надп'ятниковою коробкою [6].
Результати
Динамiчнi ударнi випробування вантажних вагонiв, при яких поздовжш ударнi сили прик-ладаються до рами вагона через автозчеплення, проводять iз метою визначення динамiчних на-пружень та !х розподiлу в елементах рами i кузова вагона до гранично! допустимо! величини поздовжньо! сили, при якш може вщбутися руй-нування рами або кузова вагона.
Метою випробувань на статичну мiцнiсть е оцiнка показникiв мщносп та несучо! здатнос-тi конструкци вагона. Згiдно з [4, 11, 19], ощнка мiцностi конструкцi! дослщного зразка вагона при мiцнiсних статичних випробуваннях проводиться шляхом порiвняння величин сумарних напружень вiд поеднання розрахункових екс-плуатацiйних навантажень по I, III i ремонтним розрахунковим режимам iз величинами допус-тимих напружень:
I режим - трогання з мiсця, осаджування або екстрене гальмування при малих швидкостях руху, з^кнення вагонiв при маневрових роботах;
III режим - рух по!зда з найбiльшою допустимою швидюстю;
ремонтний режим - пiднiмання завантажено-го i порожнього вагону домкратами, встановле-ними у вiдповiдних точках.
Для прикладу представлеш деякi результати випробувань на мщшсть хребтово! балки рiзних видiв рухомого складу:
- для вагошв моделi 13-1839, 13-9990-01 i 11-9962 представленi в табл. 1 та на рис. 4, а (результати статичних випробувань на мщшсть вагошв вщ ди вертикального навантаження, бiч-но! сили, навантаження вщ рiзницi висот автоз-чеплень, бiчних сил взаемодi! мiж вагонами по кривих, поздовжнiх розтягуючих та стискаючих навантажень при I i III розрахункових режимах) [3, 5, 19].
Наступним етапом вщпрацювання конструкци вагона, ощнки його динамiчних та мщшс-
них якостей з метою введення в експлуатащю е динам1чш по!зш (ходов!) випробування [2, 4, 11]. За результатами приймальних випробувань встановлюються придатшсть вагона до експлу-атацп. Зокрема, встановлюеться допустима швидюсть руху вагона, при якш забезпечуеться безпека руху, необхщна мщшсть, стшюсть й плавшсть ходу вагона (в основному для па-сажирських вагошв) на прямих та кривих дшя-нках сучасно! типово! конструкци верхньо! бу-дови коли, що задовольняе встановленим нормам поточного утримання.
Таблиця 1 Максимальнi e^iB^e^m напруження в хрeбтовiй балц1
Table 1
Maximum equivalent stresses in the spine beam
Експеримен-тальш напруження, МПа Модел1 вантажних вагошв
13-1839 13-9990-01 11-9962
°екв I р°ЭТ 122 145 106
°екв I ст 96 65 325
^екв Ш розт 147 175 97
СТекв III ст 61 148 135
Оекв ремонт 30 132 166
Динамiчнi мщшсш випробування вагошв виконуються вiдповiдно до [4]. Реестращя ви-мiрюваних даних процешв при ходових випробуваннях проводиться на прямих, кривих дшя-нках коли та на стршочних переводах, у всьому дiапазонi допустимих експлуатацшних швид-костей, починаючи 3i швидкостi 25 км/год до конструкцшно! швидкостi 120 км/год в заван-таженому режимi вагонiв.
На рис. 4 представлеш графши залежностi ди-намiчних напружень в основних несучих вузлах:
- вагона-цистерни моделi 15-1900 та швва-гона моделi 12-1905 (рис. 4, б) [2];
- вагона-платформи моделi 13-9975 на рiз-них дiлянках залiзничноï коли (рис. 4, в, г) [18].
З урахуванням проведеного обстеження техшчного стану в результат розрахункiв були отримаш напруження при I й III розрахункових режимах:
- для вагошв моделi 11-715 та 12-515 (табл. 2 та рис. 4, д, е) [13, 14].
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
б - b
Iporr «-13-1839
i ct
-13-9990-01
Ш розт Ш ст ремонт
PoipaxvHKOßi режимы
в - с
г - d
Рис. 4. Напруження в хребтовш балщ:
а - максимальш екмвалентт напруження в хребтовш балщ вагонiв модел1 13-1839, 13-9990-01 i 11-9962; б - динам1чш напруження в хребтових балках в1д швидкосп руху вагона-цистерни модел1 15-1900 i пiввагона модел1 15-1905; в - динатчш напруження в хребтовш балщ вагона-платформи модел1 13-9975 (порожнш режим); г - динам1чш напруження в хребтовш балщ вагона-платформи модел1 13-9975 (завантажений режим)
Fig. 4. Stresses in the spine beam: a - maximum equivalent stresses in the spine beam of the model cars 13-1839, 13-9990-01 and 11-9962; b - dynamic stresses in the spine beams on the speed of the tank-car of the model 15-1900
and the gondola car, model 15-1905; c - dynamic stresses in the spine beam of the car-platform, model 13-9975 (empty mode); d - dynamic stresses in the spine beam of the car-platform, model 13-9975 (loaded mode)
Максимальш напруження в хребтовш балщ Maximum stresses in the spine beam
Таблиця 2
Table 2
М1сце прикладе ння напруження Модел1 вагошв Максимальш напруження, МПа
I режим III режим
удар ривок стискання розтяг удар ривок стискання розтяг
У середнш частиш 11-715 152 108 131 115 76 74 82 57
У зош шкворнево! балки 11-715 294 215 257 203 102 84 86 71
12-515 282 250 237 200 160 101 84 75
У консольнш частиш 11-715 97 82 185 176 35 15 12 72
12-515 270 242 253 223 150 91 120 103
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Для з'ясування алгоритму використання теоретичного матерiалу та отримання практичних навичок наведемо приклад розрахунку на мщ-
a - a ф!
шсть хребтово! балки вагона-платформи моделi 13-7024 (рис. 5, а) [6, 10, 12].
б - b
Рис. 5. Вагон-платформа моделi 13-7024: а - загальний вигляд; б - розрахункова схема Fig. 5. Car-platform, model 13-7024: a - general view; b - the calculation scheme
h = 330 мм, b = 140 мм, d = 7 мм, Iz = 9840 см4; на балку д1е р1вном1рно розпо-д1лене навантаження 1нтенсивн1стю
q = 25 кН/м.
Для цього хребтова балка була розглянута як статично визначувана балка (рис. 5, а), обпе-рта на шаршрних опорах, з розмiрами L = 18,5 м, L = 24,4 м, L = 25,62 м, з попе-речним перерiзом - з двотавру N 33 (рис. 5, б), з геометричними параметрами: t = 11,2 мм,
б - b
м
231.25
73.75
73.75
108.78
231.25
108.78
©
0
G ©
960.75
a - a
Рис. 6. Загальний вигляд:
а - епюра розподшу внутр!шн!х зусиль Q та М по довжиш хребтово! балки; б - поперечний перерiз хребтово! балки
Fig. 6. General view:
a - an epure of the distribution of internal forces Q and M along the length of the spine beam; b - cross section of the spine beam
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
З використанням основних метод1в теоретично! мехашки та опору матер1ал1в [12] побудо-вано епюри поперечних сил та згинальних мо-менпв (рис. 5, а). Для небезпечного перер1зу обчислеш нормальш та дотичш напруження в п'яти точках (рис. 7) та побудоваш д1аграми розподшу нормальних (рис. 7, б) та дотичних напружень (рис. 7, в) по висот перер1зу; вико-
нано розрахунок 1з перев1рки на мщнють для точки з'еднання полищ з1 стшкою двотавра. Як видно з результат розрахунюв, отримаш роз-рахунков1 значення напружень не перевищують допустимого значення для основних марок ста-л1 хребтових балок [6], 1з яких виконують вагони рухомого складу (табл. 3).
а - а
б - b
Рис. 7. Д1аграми розподшу напружень по висоп двотавра:
а - поперечний перер1з хребтово1 балки; б - епюра розподiлу нормальних напружень; в - епюра розподшу дотичних напружень
Fig. 7. Diagrams of stresses distribution along the height of two-taurus:
а - cross section of the spine beam; б - an epure of the normal stresses distribution; в - an epure of the tangential stresses distribution
Границ витривалост для марок сталей хребтових балок
Boundaries of endurance for steel grades of spine beams
Таблиця 3
Table 3
Марка стал1 Границя мщносп, МПа, (не менше) Границя текучосп, МПа, (не менше) Обмежена границя витривалосп при си-метричному цикт, МПа (не менше)
нормальш а-Шо дотичш T-1No
Ст. 3 (20) 380 240 170 110
Ст. 5 (35) 500 280 220 140
ОсВ, ОсЛ 560 - 590 280 220 -
Ст. 6 (45) 600 310 250 160
09Г2 (09Г2Д) 460 310 200 130
09Г2ДТ, 10Г2С1 500 350 230 140
40Х (полшшена) 1 000 800 380 230
45Г2 700 400 320 190
Наука та прогрес транспорту. Вюник Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, N 1 (73)
Закшчення табл. 3 End of table 3
Марка стал1 Границя мщност1, МПа, (не менше) Границя текучост1, МПа, (не менше) Обмежена границя витривалост1 при си-метричному цикл1, МПа (не менше)
нормальш дотичш X-\No
55С2 (полшшена) 1 300 1 200 550 330
Лита сталь за ТЗ УВЗ № 61, ТЗ-1 й № 517 ТЗ-1 420 250 170 -
Вуглецева (фасонш виливки): 20Л 35Л 420 500 220 280 170 200 -
Примггка: Границ витривалост вщносятъся до малих пол1рованих зразюв при круговому згиш й N = 107 циклш
Перев1рний розрахунок на мщшсть хребто-во1 балки (рис. 8-9) виконано за допомогою
одного з сучасних програмних комплекс1в [10, 12].
б - b
a — a
Рис. 8. Епюри: а - поперечних сил Q; б - згинальних момен^в M
Fig. 8. Epures: а - transverse forces Q; b - bending moments M
б - b
L bpup
Рис. 9. Результата розрахунку: а - «Напруження»; б - «Перемщення» Fig. 9. Results of calculation: a - «Stress»; b - «Moving»
а — а
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
За результатами розрахунку також отримана дiаграма напружено-деформованого стану хре-бтово! балки платформи (рис. 10).
Рухомий склад, що мае значний термш слу-жби, вимагае додаткового контролю для забез-печення безпеки руху. У зв'язку з чим, вкрай важливо знати не тшьки реальну картину на-
пружено-деформованого стану, на основ! якого виконуеться оцшка ресурсу, а й фактичш ф1зи-ко-мехашчш характеристики металу. Як змши-лися основш мехашчш характеристики (границя мщносп, твердють, границя витривалосп, ударна в'язюсть i т. п.) несучо! конструкцп шсля тривало! експлуатацп [13].
Рис. 10. Д1аграма напружено-деформованого стану хребтово! балки Fig. 10. Diagram of the stress-strain state of the spine beam
Результата обстеження техшчного стану вагошв шсля тривало! експлуатацп показують, що бшьшють експлуатацшних ушкоджень пов'язанi з порушеннями в експлуатацп при навантаженш i вивантаженш вантажу. Бiльшою мiрою це по-шкодження розвантажувально-дозуючих при-стро!в, обшивки кузова, бункерiв i т. п. У той же час, виявлення ютотних дефектiв несучих конструкцш, таких як трщини в хребтових та шкво-рневих балках, неприпустимi !х деформацп та iншi несправностi, що не шдлягають ремонту, мають досить малий вщсоток.
За результатами виконаних розрахункiв, з урахуванням iнформацiï, отримано! при техшч-ному обстеженнi вагонiв, а також рекомендацш [4] розробляеться схема наклейки тензометрич-них датчикiв для подальшого проведення конт-рольних випробувань вагошв. Вщбраний зразок (вагон) з найпршим технiчним станом направля-еться для проведення контрольних випробувань, що визначають режими навантаження, якi хара-ктерш для експлуатацiï: при зiткненнi вагошв, скиданш з клинiв (iмiтацiï по!зного режиму), при завантаженнi/розвантаженнi.
Результати розрахунюв i проведених випро-бувань дають практично повну картину напру-
жено-деформованого стану конструкцп вагона. У той же час, iз огляду на його тривалу експлуа-тацiю, необхiдна шформащя про фактичнi зна-чення фiзико-механiчних характеристик матерi-алу, з якого виготовлена несуча конструкцiя, що визначае залишковий ресурс вагона. Хребтова балка шддаеться впливу навантаження, яке зм> нюеться циклiчно. Причому напруження дося-гають максимуму в областi, прилегай до грани-цi мiж вертикальною стшкою профшю та його нижньою полицею. У процесi тривало! експлуатацп це може призвести до зародження й акуму-ляцi! у данш областi дефектiв, що знижують ме-ханiчнi характеристики сталi.
Базуючись на отриманих результатах розра-хунюв i випробувань, встановлюються проблем-ш зони несучо! конструкцi!, а також iз урахуванням деформацi! сташ, розробляються схеми вирiзки зразкiв металу для дослщження хiмiчно-го складу i фiзико-механiчних властивостей ма-терiалу несучо! конструкцi!.
Деякi результати визначення механiчних характеристик сталi 09Г2Д шсля тривало! експлуатацп представлеш в табл. 4 [13] та на рис. 11 [14].
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Мехашчш характеристики сталi хребтовоТ балки рами вагона Mechanical characteristics of steel in the spine beam of the car frame
Таблиця 4
Table 4
Номер зразка ат, МПа СТВ, МПа 5, % у, %
По ГОСТ 19281-89 клас мщносп 345 Таблиця 1 ГОСТ 19281-89 - Сортовий i фасонний прокат
не < 345 не < 480 не < 21 -
Зразки, вир1заш з верхньо!' полищ
Середне значення 355 478,85 24,7 74
Зразки, вир1заш з вертикально!' стойки
Середне значення
360
479,4
24,48
73
Для з'ясування алгоритму використання теоретичного матерiалу та отримання практичних навичок наведемо приклад розрахунку на мщшсть хребтово! балки вагона-платформи моделi 13-7024 (рис. 5, а), [6, 10, 12]. а - а
б - b
жних вагошв (рис. 12), що е ушверсальною, дозволяе повнiстю автоматизувати цей процес та випускати !х для трьох титв вагонiв на одному i тому ж обладнанш [1].
б - b
Рис. 11. Граф^ зaлежностi максимальних напружень в хребтовш бaлцi вaгонiв моделi 11-715 i 12-515:
а - у зон! шкворнево! балки; б - в консольнш чaстинi
Fig. 11. Dependency graphs of the maximum stresses in the spine beam of the cars, model 11-715 and 12-515:
a - in the area of the span bolster; b - in the console part
Як вже було зазначено у «Техшчному регламента», одшею з основних частин техшчного забезпечення безпеки руху е виробництво ру-хомого складу. Сучасним вимогам вщповщае лш1я для виготовлення хребтових балок ванта-
Рис. 12. Робототехшчний комплекс для виготовлення хребтово!' балки:
а - для зварювання пром!жних балок; б - для приварювання тдсилюючого проф1лю до хребтово! балки
Fig. 12. Robotic complex for manufacturing of the spine beam:
a - for welding the intermediate beams; b - for welding the reinforcing profile to the spine beam
а - а
Наука та прогрес транспорту. Вюник Днiпропетровського нацiонального унiверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
Установка автоматичного зварювання еле-менпв хребтово! балки е комплексом техноло-пчного обладнання, що забезпечуе !х зборку та подальше зварювання м1ж собою в автоматичному режим! з1 застосуванням електромехашч-но! системи стеження за змшою положення ос зварного з'еднання.
Наукова новизна та практична значимкть
Безпека руху вантажних по!зд1в, значення допустимих швидкостей !х руху й вантажошд-йомност1, витрати на утримання рухомого складу 1 колшного господарства та збшьшення м1жремонтних пробтв вагошв суттево зале-жать вщ конструкци вантажного рухомого складу зал1зниць. Важливим напрямком для покращення техшко-економ!чних параметр1в рухомого складу е вдосконалення конструкцш хребтових балок для тдвищення !х мщноси, довгов1чност1, осьового навантаження. Досл> дження з використанням сучасних комплекшв дозволяе зробити ще один крок у детальному моделюванш завантаженост! елеменпв вантажних вагошв, зокрема хребтових балок, ¿з ураху-ванням !х конструктивного виконання [9].
Наукова новизна отриманих результат ро-боти полягае в наступному:
- запропоновано методи визначення показ-ниюв надшност та розв'язання науково-прикладно! проблеми розрахунку елеменпв вантажних вагошв ¿з урахуванням особливос-тей експлуатаци та впливу режиму навантаження, що дае можливють визначати !х довго-в!чшсть { на стади проектування;
- розроблено та дослщжено модель хребтово! балки вантажного вагону, на основ! яко! отримаш залежност!, як! характеризують на-пружено-деформований стан елемент!в хребто-во! балки;
- отримано науково-обгрунтоваш результа-ти з оцшки м!цн!сних якостей хребтових балок вантажних вагошв залежно вщ !х конструктивного виконання.
Розглянуто аспекти, що пов'язаш з сучас-ним станом та перспективами розвитку затз-ничного транспорту, використання програмно-го комплексу при проектуванш та розрахунках рухомого складу в затзничнш галуз!.
Практичну ц!нн!сть теоретичних та експе-риментальних досл!джень м!цн!сних якостей елемент!в рухомого складу розглянуто на приклад! хребтово! балки вантажного вагону, роз-рахунки виконано з використанням сучасного пакету програм. Застосування отриманих ре-зультапв сприяе п!двищенню безпеки руху вантажних вагошв ! дозволить покращити техш-ко-економ!чн! показники роботи затзничного транспорту.
Висновки
У статт! представлено анатз проведених теоретичних та експериментальних досл!джень м!цн!сних якостей елеменпв рухомого складу на приклад! хребтово! балки вантажних вагошв; розрахунки виконано з використанням сучасно-го пакету прикладних програм.
Представлений приклад використання за-пропонованого п!дходу засвщчив його працез-датн!сть та ефектившсть, а також правильн!сть спрямування вщповщних науково-досл!дних роб!т.
Запропонований п!дх!д може бути викорис-таний при виршенш под!бних оптим!зац!йних задач в науково-дослщнш та дослщно-конструкторськ!й практиц! транспортного ма-шинобудування.
Автори виражають подяку проф. С. В. Мям-лшу за допомогу при шдготовщ статт!.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Автоматизированные сварочные комплексы для сварки хребтовых балок грузовых вагонов [Електрон-ний ресурс]. - Режим доступу: http://www.tvagonm.com.ua/upload/iblock/44(1/ Рге8еп1аИоп_5Уаг_kompleksiJireb_balki.pdf. - Назва з екрана. - Перев1рено : 27.10.2017.
2. Бубнов, В. М. Улучшение прочностных характеристик грузовых вагонов на тележках модели 18-1711 / В. М. Бубнов, С. В. Мямлин, Н. Б Манкевич // В1сн. Схвдноукр. нац. ун-ту 1м. В. Даля. - 2013. - № 4 (193). - С. 32-34.
3. Бубнов, В. М. Экспериментальные исследования шарнирно-соединенного вагона-платформы для крупнотоннажных контейнеров модели 13-1839 / В. М. Бубнов, С. В. Мямлин, Н. Л. Гуржи // Вюн. Дшпро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дшпропетровськ, 2009. - Вип. 28. - С. 12-16.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
4. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества : РД 24.050.3795. - Введ. 1995-02-02. - Москва : ГосНИИВ, 1995. - 101 с.
5. Испытания вагона-платформы универсальной / В. И. Сенько, С. В. Макеев, А. Д. Чепурной, Р. И. Шейченко, А. В. Литвиненко, Р. В. Граборов, Н. А. Ткачук, М. А. Чубань // Вюн. Нац. техн. ун-ту "ХШ". Сер1я: Нов1 ршення в сучасних технолопях : зб. наук. пр. - Харшв, 2016. - № 12 (1184). -С. 71-83. doi: 10.20998/2413-4295.2016.12.10.
6. Конструирование и расчет вагонов : учеб. для вузов ж.-д. трансп. / В. В. Лукин, Л. А. Шадур,
B. Н. Котуранов, А. А. Хохлов, П. С. Анисимов ; под общ. ред. В. В. Лукина. - Москва : УМК МПС России, 2000. - 728 с.
7. Кул1ева, О. Плани i перспективи украшських зал1зниць / О. Кул1ева // Вагонний парк. - 2011. - № 1. -
C. 8-10.
8. Методологические основы расширенных прочностных и динамических исследований при испытаниях длиннобазных платформ / В. И. Сенько, С. В. Макеев, А. Д. Чепурной, А. В. Литвиненко, Р. И. Шейченко, Р. В. Граборов, Н. А. Ткачук, М. А. Чубань // Мехашка та машинобудування. - 2015. -№ 1. - С. 67-81.
9. Мямлин, С. В. Научные методы оценки ресурса несущих конструкций подвижного состава / С. В. Мямлин, В. Л. Горобец // Вюн. сертифжацп залiзн. трансп. - 2011. - № 8. - С. 12-17.
10. Недужа, Л. О. Застосування програмного комплексу APM WinMachine при проектуванш та розрахун-ках у машинобудуванш / Л. О. Недужа, А. О. Швець // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 2 (62). -С. 129-147. doi: 10.15802/stp2016/67328.
11. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). -Москва : ГОСНИИВ : ВНИИЖТ, 1996. - 352 с.
12. Ошр матерiалiв : методичш вказiвки до виконання розрахунково-графiчних робгг / О. М. Бондарев, С. А. Костриця, Л. В. Урсуляк, С. Ю. Молчанов. - Дшпро : ДНУЗТ iм. акад. В. А. Лазаряна, 2017. -Ч. I. - 58 с.
13. Путято, А. В. Прогнозирование остаточного ресурса вагона хоппер-дозатора после длительной эксплуатации с учетом фактических физико-механических характеристик материала несущей конструкции / А. В. Путято, Е. Н. Коновалов, П. М. Афанаськов // Механика машин, механизмов и материалов. -2016. - № 1 (34). - С. 26-35.
14. Третьяков, А. В. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации : монография / А. В. Третьяков. - Санкт-Петербург : ОМ-Пресс, 2004. - 348 с.
15. Фомш, О. В. Аналiз доцшьносп застосування шестигранних порожнистих профшв в якосп складових елеменпв несучих систем нашввагошв / О. В. Фомш // Наука та прогрес транспорту. - 2014. - № 6 (54). -С. 146-153. doi: 10.15802/stp2014/33403.
16. Фомш, О. В. Використання профшю з перерiзом у виглядi прямокутно! труби в якосп елеменпв карка-ав кузовiв залiзничних нашввагошв / О. В. Фомш, В. В. Фомш // Зб. наук. пр. Схщноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля. - Луганськ, 2012. - № 3 (174). - С. 244-250.
17. Фомш, О. В. Впровадження круглих труб в якосп складових елеменпв рам вантажних вагошв / О. В. Фомш // Вюн. Нац. техн. ун-ту "ХП1". Серiя: Новi ршення в сучасних технолопях : зб. наук. пр. -Харшв, 2013. - № 38 (1011). - С. 33-38.
18. Ходовые прочностные и динамические испытания вагона-платформы / А. Д. Чепурной, А. В. Литви-ненко, Р. И. Шейченко, Р. В. Грабов, М. А. Чубань // Вюн. Нац. техн. ун-ту "ХП1". Сер1я: Транспортне машинобудування : зб. наук. пр. - Харшв, 2015. - № 31 (1140). - С. 111-128.
19. Экспериментальные исследования грузового вагона / А. Д. Чепурной, А. В. Литвиненко, А. Н. Баранов, М. А. Бондаренко // Вюн. Нац. техн. ун-ту "ХШ". Серiя: Транспортне машинобудування : зб. наук. пр. - Харшв, 2014. - № 14 (1057). - С. 1-18.
20. Determination of Dynamic Performance of Freight Cars Taking Into Account Technical Condition of Side Bearers / S. Myamlin, L. Neduzha, O. Ten, A. Shvets // Наука та прогрес транспорту. - 2013. - № 1 (43). -С. 162-169. doi: 10.15802/stp2013/9589.
21. Mathematical Modeling of Dynamic Loading of Cassette Bearings for Freight Cars / S. Myamlin, O. Lunys, L. Neduzha, O. Kyryl'chuk // ^a^port Means : Proc. of 21st Intern. Scientific Conf. (20-22nd Sept. 2017). -Kaunas, 2017. - Р. 973-976.
22. Myamlin, S. Testing of Railway Vehicles Using Roller Rigs / S. Myamlin, J. Kalivoda, L. Neduzha // Procedia Engineering. - 2017. - Vol. 187. - Р. 688-695. doi: 10.1016/j.proeng.2017.04.439.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
23. Spatial Vibration of Cargo Cars in Computer Modelling with the Account of Their Inertia Properties / S. My-amlin, L. Neduzha, O. Ten, A. Shvets // Mechanika 2010 : Proc. of 15th Intern. Conf. (8, 9 Apr. 2010) / Kaunas University of Technology. - Kaunas, 2010. - Р. 325-328.
Л. А. НЕДУЖАЯ1*, А. А. ШВЕЦ2*
'*Каф. «Теоретическая и строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 776 84 98, эл. почта nlorhen@i.ua, ORCID 0000-0002-7038-3006
2 Каф. «Теоретическая и строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (050) 214 14 19, эл. почта angela_Shvets@ua.fm, ORCID 0000-0002-8469-3902
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ КАЧЕСТВ ХРЕБТОВОЙ БАЛКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА
Цель. Главной целью данной работы является анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований прочностных качеств подвижного состава; поиск средств проектирования, моделирования, выбора, обоснования продления срока службы грузовых вагонов и их элементов. Методика. Работа основана на методе конечных элементов (МКЭ), позволяющему практически полностью автоматизировать расчет механических систем, хотя, как правило, требует выполнения значительно большего числа вычислительных операций по сравнению с классическими методами механики. Современный уровень развития вычислительной техники открывает широкие возможности для внедрения МКЭ в инженерную практику. МКЭ реализовано во многих известных и широко распространенных программных продуктах, которые обеспечивают прочностной расчет моделей машин, механизмов, конструкций, в том числе подвижного состава железных дорог. Результаты. В статье представлен анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований прочностных качеств элементов подвижного состава на примере хребтовой балки грузовых вагонов; расчеты выполнены с использованием современного пакета прикладных программ. Представленный пример использования предложенного подхода показал его работоспособность и эффективность, а также правильность направления соответствующих научно-исследовательских работ. Предложенный подход может быть использован при решении подобных оптимизационных задач в научно -исследовательской и опытно-конструкторской практике транспортного машиностроения. Научная новизна. Авторами предложен метод определения показателей надежности и решения научно-прикладной проблемы расчета элементов грузовых вагонов с учетом особенностей эксплуатации и влияния режима нагрузки, что позволяет определять их долговечность еще на стадии проектирования. Разработана и исследована модель хребтовой балки грузового вагона, на основе которой получены зависимости, характеризующие напряженно-деформированное состояние ее элементов. Получены научно обоснованные результаты оценки прочностных качеств позвоночных балок грузовых вагонов в зависимости от их конструктивного исполнения. Рассмотрены аспекты, связанные с современным состоянием и перспективами развития железнодорожного транспорта, использованием программного комплекса при проектировании и расчетах подвижного состава в железнодорожной отрасли. Практическая значимость. Теоретические и экспериментальные исследования прочностных качеств элементов подвижного состава рассмотрены на примере хребтовой балки грузового вагона; расчеты выполнены с использованием современного пакета программ. Применение полученных результатов будет способствовать повышению безопасности движения грузовых вагонов и позволит улучшить технико-экономические показатели работы железнодорожного транспорта.
Ключевые слова: метод конечных элементов; прочность элементов подвижного состава; напряжение в хребтовой балке вагона; подвижной состав; хребтовая балка грузового вагона
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, № 1 (73)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
L. O. NEDUZHA 1*, A. O. SHVETS2*
1 Dep «Theoretical and Structural Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel./fax +38 (056) 776 84 98, e-mail nlorhen@i.ua,
ORCID 0000-0002-7038-3006
2 Dep «Theoretical and Structural Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (050) 214 14 19, e-mail angela_Shvets@ua.fm, ORCID 0000-0002-8469-3902
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF STRENGTH PROPERTIES OF SPINE BEAM OF FREIGHT CARS
Purpose. The purpose of this paper is to analyze the results of theoretical and experimental studies of the strength properties of rolling stock; search for design tools, modeling, selection, justification of the service life extension of freight cars and their elements. Methodology. The article is based on the finite element method (FEM). It makes possible to completely automate the calculation of mechanical systems, although, as a rule, it requires a much larger number of computational operations than the classical methods of mechanics. The modern level of development of computer technology opens wide opportunities for the introduction of FEM into engineering practice. FEM is implemented in many well-known and widely distributed software products that provide strength analysis of models of machines, mechanisms, structures, including the rolling stock of railways. Findings. The article presents an analysis of the theoretical and experimental studies of the strength properties of rolling stock elements on the example of the spine beam of freight cars; calculations were performed using a modern application program package. The presented example of use of the offered approach has shown its operation capacity and efficiency, as well as correctness of the research direction. The offered approach can be used when solving similar optimization tasks in research and developmental practice of transport mechanical engineering. Originality. The authors proposed method of determining the reliability indicators and solving scientific and applied problem of calculating the elements of freight cars, taking into account the operation features and the loading mode impact. This allows determining their durability at the design stage. There were developed and investigated the models of the spine beam of a freight car, on the basis of which the dependences characterizing the stress-strain state of its elements were obtained. Scientifically substantiated results of the evaluation of strength properties of spine beams of freight cars were obtained depending on their design. The aspects related to the current state and development prospects of railway transport, the use of the software complex in the design and calculation of rolling stock in the railway industry are considered. Practical value. The theoretical and experimental studies of the strength properties of rolling stock elements were considered on the example of a spine beam in a freight car. Calculations were performed using a modern software package. The application of these results will contribute to increase the safety of freight cars and improve the technical and economic performance of railway transport.
Keywords: finite element method; strength of rolling stock; stress in spine beam of car; spine beam of freight car
REFERENCES
1. Avtomatizirovannye svarochnye kompleksy dlya svarki khrebtovykh balok gruzovykh vagonov. Retrieved from http://www.tvagonm.com.ua/upload/iblock/44(1/Рге8еп1aИоп_5Уaг_kompleksiJireb_balki.pdf. (in Russian)
2. Bubnov, V. M., Myamlin, S. V., & Mankevich, N. B. (2013). Improvement the strength characteristics of freight cars on bogies model 18-1711. Visnik of the Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, 4(193), 32-34. (in Russian)
3. Bubnov, V. M., Myamlin, S. V., & Gurzhi, N. L. (2009). Experimental studies of pivotally connected car platform for large-capacity containers model 13-1839. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, 28, 12-16. (in Russian)
4. Vagony gruzovye i passazhirskie. Metody ispytaniy na prochnost i khodovye kachestva: RD 24.050.37-95. (1995). Moscow: GosNIIV. (in Russian)
5. Senko, V. I., Makeev, S. V., Chepurnoy, A. D., Sheychenko, R. I., Litvinenko, A. V., Grabov, R. V., ... Chu-ban, M. A. (2016). Testing of the universal platform car. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: New solutions in modern technologies, 12(1184), 71-83. doi: 10.20998/2413-4295.2016.12.10 (in Russian)
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2018, N° 1 (73)
6. Lukin, V. V., Shadur, L. A., Koturanov, V. N., Khokhlov, A. A., & Anisimov, P. S. (2000). Konstruirovanie i raschet vagonov: Uchebnik dlya vuzov zheleznodorozhnogo transporta. Moscow: UMK MPS Rossii. (in Russian)
7. Kulieva, O. (2011). Plany i perspektyvy ukrainskykh zaliznyts. Car Fleet, 1, 8-10.
8. Senko, V. I., Makeev, S. V., Chepurnoy, A. D., Litvinenko, A. V., Sheychenko, R. I., Grabov, ... Chu-ban, M. A. (2015). Metodologicheskie osnovy rasshirennykh prochnostnykh i dinamicheskikh issledovaniy pri ispytaniyakh dlinnobaznykh platform. Mekhanika ta mashynobuduvannia, 1, 67-81. (in Russian)
9. Myamlyn, S. V., & Gorobets, V. L. (2011). Nauchnye metody otsenki resursa nesushchikh konstruktsiy podvizhnogo sostava. Visnyk sertyfkatsii zaliznychnoho transportu, 8, 12-17. (in Russian)
10. Neduzha, L. O., & Shvets, A. A. (2016). Application of apm WinMachine software for design and calculations in mechanical engineering. Science and Transport Progress, 2(62), 129-147. doi: 10.15802/stp2016/67328. (in Ukranian)
11. Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh). (1996). Moscow: GOSNIIV: VNIIZhT. (in Russian)
12. Bondariev, O. M., Kostrytsia, S. A., Ursuliak, L. V., & Molchanov, S. Yu. (2017). Opir materialiv: Metodych-ni vkazivky do vykonannia rozrakhunkovo-hrafichnykh robit: U dvokh chastynakh. Chastyna persha. Dnipro: Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. (in Ukrani-an)
13. Putyato, A. V., Konovalov, E. N., & Afanaskov, P. M. (2016). Prediction of the residual resource of the coach hopper-batcher after long operation taking into account actual physical and mechanical characteristics of the material of the bearing structure. Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials, 1(34), 26-35. (in Russian)
14. Tretyakov, A. V. (2004). Upravlenie individualnym resursom vagonov v ekspluatatsii: Monografiya. St. Petersburg: OM-Press. (in Russian)
15. Fomin, O. V. (2014). Applicability analysis of hexahedral hollow profiles as component elements of supporting systems for gondola cars. Science and Transport Progress, 6(54), 146-153. doi: 10.15802/stp2014/33403. (in Ukranian)
16. Fomin, O. V. & Fomin, V. V. (2012). Vykorystannia profiliu z pererizom u vyhliadi priamokutnoi truby v yakosti elementiv karkasiv kuzoviv zaliznychnykh napivvahoniv. Visnik of the Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, 3(174), 244-250. (in Ukranian)
17. Fomin, O. V. (2013). Vprovadzhennia kruhlykh trub v yakosti skladovykh elementiv ram vantazhnykh va-honiv. Bulletin of the National Technical University "KhPI". Series: New Solutions in Modern Technologies, 38(1011), 33-38. (in Ukranian)
18. Chepurnoy, A. D., Litvinenko, A. V., Sheychenko, R. I., Grabov, R. V., & Chuban, M. A. (2015). Khodovye prochnostnye i dinamicheskie ispytaniya vagona-platformy. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Transport Engineering, 31(1140), 111-128. (in Russian)
19. Chepurnoy, A. D., Litvinenko, A. V., Baranov, A. N., &. Bondarenko, M. A. (2014). Eksperimentalnye issle-dovaniya gruzovogo vagona. Bulletin of the National Technical University «KhPI». Series: Transport Engineering, 14(1057), 1-18. (in Russian)
20. Myamlin, S., Neduzha, L., Ten, O., & Shvets, A. (2013). Determination of Dynamic Performance of Freight Cars Taking Into Account Technical Condition of Side Bearers. Science and Transport Progress, 1(43), 162169. doi: 10.15802/stp2013/9589. (in English)
21. Myamlin, S., Lunys, O., Neduzha, L., & Kyryl'chuk, O. (2017). Mathematical Modeling of Dynamic Loading of Cassette Bearings for Freight Cars. tampon Means: Proc. of 21st Intern. Scientific Conf., 973-976. (in English)
22. Myamlin, S., Kalivoda, J., & Neduzha, L. (2010). Testing of Railway Vehicles Using Roller Rigs. Procedia Engineering, 187, 688-695. doi: 10.1016/j.proeng.2017.04.439. (in English)
23. Myamlin, S., Neduzha, L., Ten, O., & Shvets, A. (2010). Spatial Vibration of Cargo Cars in Computer Modelling with the Account of Their Inertia Properties. Mechanika 2010: Proc. of 15th Intern. Conf., 325-328. (in English)
Стаття рекомендована до публ1кацИ' д.т.н., проф. С. В. Мямл1ним (Украта)
Надшшла до редколеги: 02.10.2017
Прийнята до друку: 03.01.2018
