Bryansk, Russian Federation
employee
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
GRNTI 55.01 Общие вопросы машиностроения
GRNTI 55.13 Технология машиностроения
Standard rated schemes for a gondola car are considered at the calculation of loading in a car dumper. There are offered refined rated schemes taking into account frozen load unloading at car turning of 90º and a buffer stop displacement of the car dumper. It is shown that the supposed rated schemes allow re-vealing the stress increase in an upper framing as compared with standard rated schemes.
freight car, gondola car, car computation scheme, strength computation, finite element method
Введение
Актуальной задачей железнодорожного транспорта является автоматизация разгрузки грузовых вагонов, позволяющая сократить время и уменьшить трудоемкость разгрузочных работ. С этой целью используются вагоноопрокидыватели.
Для разгрузки в вагоноопрокидывателе используются грузовые вагоны открытого типа (полувагоны). В процессе разгрузки полувагон опирается верхними обвязками боковых стен на упоры вагоноопрокидывателя. Повреждаемость верхних обвязок является высокой [1]. На рис. 1 показан один из типовых дефектов верхней обвязки полувагона.
Для полувагонов важно на этапе проектирования обеспечить прочность верхней обвязки боковой стены с учетом экстремальных условий разгрузки. К таким условиям относится разгрузка сыпучего груза при отрицательной температуре окружающей среды (смерзшийся груз).
В связи с отмеченным при проектировании следует использовать расчетные схемы, учитывающие указанные условия разгрузки.
Расчетные схемы кузова полувагона при разгрузке на вагоноопрокидывателе установлены «Нормами…» [2].
В работе [1] рассмотрены условия взаимодействия кузова полувагона с роторным вагоноопрокидывателем и предложены кинематические и силовые граничные условия, учитывающие характер взаимодействия груза, полувагона и вагоноопрокидывателя между собой при трех режимах нагружения: поворот вагона на 45º, поворот вагона на 65º с учетом нагрузки от ударов об упоры вибраторов и поворот на 170º.
В настоящей работе ограничимся рассмотрением и уточнением расчетных схем, рекомендуемых «Нормами…». Расчеты проводились методом конечных элементов в программном комплексе Femap with NX Nastran.
«Нормами…» предусмотрены два режима нагружения боковых стен при разгрузке в вагоноопрокидывателе:
1. Боковые стены полувагонов для условий разгрузки на вагоноопрокидывателях проверяются по I расчетному режиму на одновременное действие вертикальной и горизонтальной нагрузок, равномерно распределенных по ширине обвязки на длине 0,8 м средней части пролета обвязки между соседними стойками.
Расчетная вертикальная сила на один пролет принимается равной
,
где 
– сила тяжести вагона брутто; n – количество упоров вагоноопрокидывателя (на одну стену – 4 шт.).
Горизонтальная поперечная сила принимается равной
.
Данный режим нагружения учитывает действие на кузов смерзшегося груза при повороте вагона в вагоноопрокидывателе на 170º.
Для уточнения данного расчетного режима следует проанализировать изменение нагрузки на боковую стену от смерзшегося груза при изменении угла поворота вагона в вагоноопрокидывателе.
2. Боковая стена рассчитывается по II специальному режиму на изгиб из своей плоскости как рама, шарнирно опертая верхним поясом и жестко закрепленная в нижнем поясе, на силы, возникающие от смещения одной опоры относительно другой на величину 50 мм.
В «Нормах…» не указано, что помимо смещения одного пояса относительно другого возможны варианты смещения упорных участков верхней обвязки (участков, взаимодействующих с упорами вагоноопрокидывателя).
Тогда для 4-осного полувагона дополнительно следует рассмотреть:
1) смещение на 50 мм упорного участка верхней обвязки возле шкворневой стойки;
2) смещение на 50 мм упорного участка верхней обвязки возле середины кузова.
Проведем расчеты на прочность верхней обвязки по I и II расчетным режимам по расчетным схемам «Норм…» и схемам с предложенными уточнениями.
Расчет напряжений в верхней обвязке по I режиму
Для полувагона с тарой 23000 кг и грузоподъемностью 71000 кг вертикальная сила от одного упора
Н.
Горизонтальная поперечная сила от одного упора
Н.
Расчеты проводились на пластинчатой модели 1/4 части кузова. Схема приложения нагрузки приведена на рис. 2.
От нагрузки, вызванной реакциями опор вагоноопрокидывателя по I режиму «Норм…», напряжения в верхней обвязке не превышают 133 МПа.
Рассмотрим расчетную схему, отличную от схемы I режима «Норм…», для чего проанализируем изменение нагрузки на боковую стену от смерзшегося груза при изменении угла поворота вагона в вагоноопрокидывателе. Максимальный угол поворота вагоноопрокидывателя - 170º.
При разгрузке смерзшегося груза будем исходить из того, что на боковую стену в ее плоскости действует не активное давление сыпучего груза, а сила, равная боковой проекции силы тяжести груза и силы тяжести брутто обрессоренных частей вагона на ось, параллельную плоскости пола. Такая сила вызывает суммарную силу реакции 
в горизонтальных упорах вагоноопрокидывателя.
При определении силы подразумевается, что неподрессоренные части массой 
(элементы тележек кроме надрессорных балок) воздействуют на рельсы и вызывают не реакции горизонтальных упоров вагоноопрокидывателя, а реакцию рельса 
(рис. 3).
В запас прочности силой трения груза о пол можно пренебречь.
Тогда сила 
определяется по формуле
,
где P – грузоподъемность вагона; 
– тара кузова с учетом автосцепок и тормозного оборудования; 
– масса надрессорной балки; α – угол поворота вагона в вагоноопрокидывателе относительно горизонта.
Реакция вертикальных упоров вагоноопрокидывателя 
появляется после поворота вагона на угол 90° и определяется с учетом всей силы тяжести вагона брутто, так как тележка опирается только на один рельс, а также на пятник рамы вагона - за счет смещения центра тяжести относительно точек опоры.
Здесь следует рассмотреть 2 варианта определения нагрузки 
(рис. 4).
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 4. Расчетная схема вагона со смерзшимся грузом при повороте в вагоноопрокидывателе на угол >90º:
а – прилегание верхних обвязок обеих боковых стен к вертикальным упорам;
б – прилегание верхней обвязки одной боковой стены к вертикальным упорам
В первом варианте, при прилегании верхних обвязок обеих боковых стен к вертикальным упорам вагоноопрокидывателя (рис. 4а):
.
Во втором варианте, при прилегании верхней обвязки одной боковой стены к вертикальным упорам вагоноопрокидывателя (рис. 4б):
.
Графики сил 
и представлены на рис. 5 (для кузова с грузоподъемностью
P = 71000 кг, тарой = 13400 кг и массой надрессорных балок = 500 кг) для двух вариантов сил
.
Также на рис. 5 представлен график изменения результирующей нагрузки на боковую стену
:
.
График силы 
показывает изменение нагруженности боковой стены в зависимости от угла поворота в вагоноопрокидывателе.
|
|
|
|
а) |
б) |
Рис. 5. Графики изменения сил, действующих на опорную боковую стену при разгрузке в вагоноопрокидывателе: а – с прилеганием верхних обвязок обеих боковых стен к вертикальным упорам;
б – с прилеганием верхней обвязки одной боковой стены к вертикальным упорам
Анализируя графики, можно сделать следующие выводы:
1. Максимальная нормальная сила 
, действующая на поверхность боковой стены кузова полувагона при вращении в вагоноопрокидывателе со смерзшимся грузом, возникает при угле поворота вагона 90º (sin 90° = 1):
.
2. При опоре одной боковой стены на вертикальные упоры горизонтальная поперечная сила с учетом опирания необрессоренных частей на рельс при повороте вагона на 170°
,
где
Н;
Н.
|
), обоснованы для расчета кузова, опертого на вертикальные и горизонтальные упоры одной боковой стены при повороте на 170°.
3. Резкое увеличение нагруженности боковой стены происходит при повороте кузова от 0 до 90º, далее:
– при опирании верхней обвязки одной боковой стены на вертикальные упоры нагрузка на боковую стену возрастает и увеличивается на 9% при повороте на максимальный угол 170º ;
– при опирании верхних обвязок обеих боковых стен на вертикальные упоры нагрузка на опорную боковую стену снижается после поворота вагона на 90º .
4. Так как при обоих вариантах опирания вагона на вертикальные упоры нормальная сила 
возникает при угле поворота вагона 90º, целесообразно определить напряжения в боковой стене при повороте вагона со смерзшимся грузом на 90º от силы реакции горизонтальных опор 
.
Определим напряжения в боковой стене от действия силы 
.
Расчетная горизонтальная сила на один пролет принимается равной
,
где n – количество упоров вагоноопрокидывателя (согласно расчетной схеме «Норм…», на одну стену – 4 шт.).
Для принятых исходных данных
Так как сила 
действует на одну боковую стену, для расчета на прочность по МКЭ следует использовать модель 1/2 части кузова.
Схема приложения силы 
к верхней обвязке показана на рис. 6.
Максимальные напряжения в верхней обвязке от силы 
составляют
333 МПа.
Расчет напряжений в верхней обвязке по II режиму
Расчеты проводились на пластинчатой модели 1/2 части боковой стены, закрепленной в соответствии с рекомендациями «Норм…».
Рассматривались три варианта смещения обвязок:
1) смещение верхней обвязки на 50 мм по всей длине относительно нижней (схема «Норм…»);
2) смещение упорного участка возле шкворневой стойки на 50 мм;
3) смещение упорного участка возле середины кузова на 50 мм.
Схемы приложения нагрузок приведены на рис. 7.
|
|
|
|
|
а) |
б) |
в) |
Рис. 7. Приложение нагрузки по II режиму:
а – от смещения верхней обвязки по всей длине относительно нижней обвязки на 50 мм;
б – от смещения упора вагоноопрокидывателя возле шкворневой стойки на 50 мм;
|
От нагрузки, вызванной смещением упоров, возникают напряжения на уровне 570 МПа, что выше предела текучести материала.
Анализ результатов расчетов
В таблице сопоставлены напряжения в верхней обвязке боковой стены, полученные по I и II режимам по расчетным схемам «Норм…» и уточненным схемам.
Таблица
Результаты расчетов напряжений в верхней обвязке при разгрузке
в вагоноопрокидывателе по расчетным схемам «Норм…» и уточненным схемам
|
Несущий элемент |
Напряжения, МПа |
||||
|
По I режиму |
По II режиму |
||||
|
Схема «Норм…» |
Уточненная схема |
Схема «Норм…» |
Уточненная схема, смещение упорного участка возле |
||
|
шкворневой стойки |
середины стены |
||||
|
Верхняя обвязка в середине пролета № 1 (первый упор вагоноопрокидывателя) |
127 |
327 |
44 |
572 |
70 |
|
Верхняя обвязка в середине пролета № 3 (второй упор вагоноопрокидывателя) |
133 |
333 |
31 |
95 |
547 |
|
Узел соединения верхней обвязки со шкворневой стойкой |
96 |
130 |
850 |
962 |
347 |
|
Узел соединения верхней обвязки с промежуточной стойкой № 1 |
30 |
65 |
843 |
345 |
977 |
|
Узел соединения верхней обвязки с промежуточной стойкой № 2 |
26 |
30 |
844 |
80 |
1060 |
По результатам расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Учет при I режиме силы 
, действующей на боковую стену при повороте вагона в вагоноопрокидывателе на 90°, позволяет выявить увеличение напряжений в верхней обвязке по сравнению с расчетной схемой «Норм…». Напряжения в верхней обвязке от силы в 2,5 раза выше напряжений от нагрузки, учитываемой по «Нормам...».
2. Из результатов расчетов по II режиму видно, что напряжения от смещения упоров выше, чем напряжения от смещения всей верхней обвязки относительно нижней обвязки: для середин пролетов - в 3 раза, для узлов соединения стоек с верхней обвязкой - в 1,25 раза. Смещение разных упоров вызывает перераспределение напряжений в верхней обвязке боковой стены, поэтому следует учитывать два варианта смещения упоров.
|
Заключение
По результатам проведенного исследования можно сформулировать следующие рекомендации:
1. Дополнить «Нормы…» в части требований к расчету боковых стен при разгрузке на вагоноопрокидывателе по I режиму: для обеспечения прочности кузова вагона при экстремальных условиях разгрузки (смёрзшийся груз) дополнительно рассчитывать кузов на силы реакций горизонтальных упоров при повороте вагона на 90º, равномерно распределенных по ширине обвязки на длине 0,8 м средней части пролета обвязки между соседними стойками.
Расчетная горизонтальная сила на один пролет принимается равной
.
2. Дополнить «Нормы…» в части требований к расчету боковых стен при разгрузке на вагоноопрокидывателе по II режиму: боковую стену рассчитывать по II специальному режиму на изгиб из своей плоскости как раму, шарнирно опертую верхним поясом и жестко закрепленную в нижнем поясе, на силы, возникающие от смещения:
а) верхней обвязки на 50 мм по всей длине относительно нижней;
б) упорного участка возле шкворневой стойки на 50 мм;
в) упорного участка возле середины кузова на 50 мм.
1. Dodonov, A.V. Utochnennyy raschet prochnosti kuzova poluvagona pri razgruzke na vagonooprokidyvatele / A.V. Dodonov, I.A. Hilov // Vagony i vagonnoe hozyaystvo. – 2012. – № 3 (31). – S.41-45.
2. Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov zheleznyh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamohodnyh). – M.: GosNIIV-VNIIZhT, 1996. – 320 s.
3. Beyn, D.G. Sokraschennyy algoritm strukturno-parametricheskoy optimizacii torcevyh sten gruzovyh vagonov / D.G. Beyn, M.A. Bulychev // Vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. – 2014. - № 1. – S. 4-11.
4. Bulychev, M.A. Matematicheskoe modelirovanie i optimizaciya kuzovov poluvagonov s nesuschim polom: monografiya / M.A. Bulychev, D.G. Beyn; pod red. V.P. Lozbineva. – Bryansk: BGTU, 2014. – 183 s.
