Выбор параметров конструкции опирания котла на раму железнодорожной цистерны
Выбор параметров конструкции опирания котла на раму железнодорожной цистерны
Одной из важных задач при совершенствовании конструкции вагонов-цистерн является выбор параметров опирания котла на раму. Это становится особенно актуальным при снижении металлоемкости конструкции вследствие уменьшения толщины элементов котла, что требует снижения уровня напряжений, возникающих в зоне опирания, для исключения возможности повреждений котла и обеспечения безопасности перевозок.
Многолетний опыт эксплуатации вагонов-цистерн, результаты теоретических и экспериментальных исследований их прочности показывают, что традиционная конструктивная схема опирания котла на раму обладает рядом существенных недостатков [4], в числе которых:
- недостаточная надежность соединения котла с опорами при установке его на деревянные бруски;
- высокая степень концентрации напряжений в районе приварки лап вследствие локального воздействия нагрузок.
Разработка современных безлежневых конструктивных схем опирания осуществляется для рамного и безрамного исполнения вагона-цистерны.
Однако оба они предполагают внесение существенных изменений в узел опирания, а как следствие — и в раму вагона-цистерны.
Целью работы являлся выбор параметров и конструкции опирания котла на раму вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов.
Определены следующие задачи исследования:
- разработка методики выбора параметров опирания;
- выбор варианта конструктивного исполнения опирания;
- выбор параметров опирания.
При выполнении работы соблюдались следующие условия:
- соответствие конструкции требованиям действующих нормативных документов;
-исполнение конструкции в виде безлежневого опирания котла на раму, которое представляется наиболее рациональным по результатам ранее проведенного обзора и классификации основных элементов вагона-цистерны;
- осуществление раздельной передачи вертикальных и продольных нагрузок;
- использование несущей рамы вагона-цистерны традиционной конструкции.
На первом этапе для исследования напряженно-деформированного состоя¬ния конструкции вагона-цистерны в зоне опирания котла на раму были сформулированы основные положения методики, включающей в себя описание ме¬тодики исследования и разработку расчетной модели вагона-цистерны.
Первый раздел методики содержит разработку возможных вариантов исполнения опирания котла на раму и выбор варианта, обеспечивающего минимальный уровень эквивалентных напряжений, возникающих в конструкции. Второй раздел включает определение переменных проекта и переменных состояния. Переменные проекта - входные параметры, значения которых предполагается изменять (геометрические размеры элементов опоры: радиусы, длины и т.п.). Переменные состояния - функции отклика расчетной модели, которые используются для ее оценки на основе установленных критериев (эквивалентные напряжения, возникающие в элементах котла и рамы). В качестве целевой функции выбираются эквивалентные напряжения, возникающие в опорах. На параметры конструкции опирания накладывается ряд ограничений, исходя из соблюдения геометрических условий и минимизации массовых характеристик опоры.
Выбор геометрических параметров (переменных проекта), оказывающих влияние на прочность конструкции, осуществлялся при помощи факторного анализа - способа варьирования проектной разработки при крайних значениях переменных проекта [2, 3]. Метод использует технологию планирования эксперимента, в которой используется двухуровневый полный и дробный факторный эксперимент.
Суть метода заключается в следующем.
Точка начала эксперимента называется базовой (нулевой) точкой. Ее координаты называются базовым, или нулевым уровнем:
Для отыскания поверхности отклика в окрестности базовой точки x0 каждый из факторов xj варьируют на двух уровнях, отличающихся от базового уровня хjo на величину интервала варьирования Δxj. Для упрощения обработки результатов эксперимента и интерпретации результатов переходят к нормированным значениям zjв = 1 и zjн = -1, соответствующим верхнему и нижнему уровням фактора xj.
Планирование эксперимента сводится к построению матрицы планирования (МП). МП полного факторного эксперимента (ПФЭ) реализует все возможные неповторяющиеся комбинации уровней р независимых факторов, каждый из которых варьируется на двух уровнях. Число этих комбинаций n=2р определяет число точек факторного пространства и равно числу опытов.
МП, представленная в табл. 1, составлена для трехфакторной модели объ¬екта (р=3) с функцией отклика:
у=b0 - b1z1 - b2z2 - b3z3 - b12 z1z2 - b13 z1z3 - b23 z2z3 - b123 z1z2z3
где b0,b1,...,b123 — параметры модели.
Дробный факторный эксперимент (ДФЭ) проводится, когда пропущены некоторые сочетания уровней факторов. ДФЭ позволяет при неизменном числе испытаний исследовать гораздо большее число факторов, чем ПФЭ.
Таблица 1
Матрица планирования ПФЭ
При исследовании трех факторов по планам полного факторного эксперимента необходимо провести восемь различных опытов: n=23=8. Без учета взаимодействий линейная модель имеет вид:
Для оценки четырех параметров bj этой модели следует провести как ми¬нимум четыре опыта.
Опыты проводятся по плану, приведенному в табл. 2:
Таблица 2
Матрица планирования ДФЭ
В третьем разделе методики реализация описанного метода производилась в программном комплексе Ansys, реализующем метод конечных элементов. Для исследования напряженно-деформированного состояния конструкции опирания разработана специальная расчетная модель (рис. 1).
Рис. 1. Расчетная модель опирания котла на раму (вариант)
При создании модели использовались объемные пластинчатые восьмиузловые конечные элементы (shell 93), которые обычно применяются для моделирования искривленных оболочек [1]. Напряженно-деформированное состояние конструкции оценивалось при воздействии продольной ударной нагрузки согласно Нормам [3].
На следующем этапе исследования в качестве исходных рассматривались пять вариантов конструкции (рис. 2а). Для варианта исполнения, отличающегося наименьшим уровнем эквивалентных напряжений, выбраны переменные проекта (рис. 26) и переменные состояния, определены границы изменения параметров и составлена матрица планирования ДФЭ, в соответствии с которой произведена оценка напряженно-деформированного состояния различных ва¬риантов исполнения опор. Определены параметры, оказывающие существенное влияние на прочность конструкции вагона (А5, А6, А11) и послужившие основой при планировании ПФЭ.
Рис.2. Опирание котла на раму: а) варианты конструктивного исполнения; б) параметры конструкции
В результате расчета выявлено, что ряд вариантов реализации опорного узла обеспечивают значительное снижение уровня напряжений, однако не позволяют уменьшить их до значения допускаемых (390 МПа). Вопрос решен за счет изменения конструктивной схемы опоры и проведения второго этапа оптимизации по вновь выбранным параметрам (рис. 3).
Рис.3. Переменные проекта (второй вариант исполнения)
Использованная процедура выбора параметров в целом аналогична приведенной выше за исключением разделения переменных проекта на две группы, границы изменения которых приведены в табл. 3:
- параметры первой группы: 8 параметров (L1, L18, L13, L6, L64, L67, R3, R4);
- параметры второй группы: 3 параметра (S1 S2, B1),
Таблица 3
Границы изменения параметров, мм
Для выбора оптимальных параметров снова был использован полный факторный эксперимент. Зависимости эквивалентных напряжений от оптимизирующих параметров, вызывающих наибольшее изменение целевой функции и переменных состояния, приведены на рис. 4.
Рис. 4. Влияние на прочность конструкции параметров L1 и R3
Рис. 5. Влияние на прочность конструкции параметров L67 и L64
В результате работы выбраны окончательные параметры (табл. 4) опирания котла на раму, конструкция которого полностью удовлетворяет критериям прочности (см. рис. 3).
Таблица 4
Параметры опирания котла на раму, мм
Резюмируя вышесказанное, можно сделать следующие выводы:
-разработана и апробирована расчетная методика, позволяющая выполнять исследования по выбору параметров и конструкции опирания котла на раму вагонов-цистерн;
- проведен анализ напряженно-деформированного состояния конструкции вагона-цистерны и определены параметры опирания, позволяющего исключить возможность повреждения котлов в опорных зонах и повысить безопасность перевозок;
-разработанная методика может использоваться для выбора параметров других узлов вагона-цистерны при определенных изменениях и дополнениях, учитывающих их особенности.
Литература
1. Басов, К.A. Ansys: справочник пользователя /К.А. Басов. - М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с.: ил.
2. Глебов, Н.И. Методы оптимизации, учеб, пособие / Н.И. Глебов, Ю.А. Ко¬четов, А.В. Плясунов. - Новосибирск: Новосибирский гос. ун-т, 2000. - 105 с.: ил.
3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) - М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1987. - 112 с.
4. Предпроектные исследования по разработке нового вагона-цистерны для перевозки авиационного топлива и нефтепродуктов плотностью 700-800 кг/м3: отчет о НИР (заключ.) / Инженерный центр Объединения вагоностроителей; рук. А.М. Соколов. - СПб., 2003. - 347 с.
5. Харман, Г. Современный факторный анализ / Г. Харман; пер. с англ. - М.: Статистика, 1972. - 477 с.
