Разработка имитатора контейнера для испытаний по оценке усталостной прочности платформ
Разработка имитатора контейнера для испытаний по оценке усталостной прочности платформ
В соответствии с действующими требованиями на заключительном этапе создания длиннобазных платформ для перевозки контейнеров проводится экспериментальная проверка показателей сопротивления усталости конструкции рамы. Ее целью является определение прочности рамы при действии длительной циклической нагрузки. Испытания выполняют путем возбуждения колебаний подпрыгивания на пружинах подвешивания и изгибных колебаний рамы платформы. Внешнее воздействие на платформу создает специальный стенд с пневматическим приводом, силовые приводы которого устанавливают под консольные части рамы с обоих концов платформы [1] (рис. 1).
Рис. 1. Схема установки платформы на стенде
Испытания проводят для вагона в загруженном состоянии. При этом действующие нагрузки должны соответствовать наиболее характерной схеме нагружения при эксплуатации. Ввиду того что основным назначением специализированных длиннобазных платформ является перевозка двух контейнеров типа 1АА или 1ААА (рис. 2, табл. 1), при испытаниях такие 40-футовые универсальные контейнеры в загруженном состоянии устанавливают на платформу.
Таблица 1
Технические характеристики контейнеров типов 1АА, 1ААА
Следует отметить, что систематические испытания длиннобазных платформ на сопротивление усталости начались в 2005 году. Для загрузки вагона, как правило, первоначально применялись выведенные из эксплуатации универсальные контейнеры. Однако массы тары двух порожних контейнеров было недостаточно для проведения испытаний, поэтому они загружались мешками с песком для увеличения массы каждого из них до 40 тонн.
Рис. 2. Применение двух универсальных 40-футовых контейнеров для загрузки платформы при испытаниях
Расчетные данные и результаты стендовых испытаний показали, что разрушение платформы, как правило, происходит в диапазоне от 5 до 10 млн циклов колебаний. Контейнеры теряют свою несущую способность уже при 700 тыс. циклов, при этом наблюдаются разрушения обшивки стен, а также сварных соединений (рис. 3 а, б). Были предприняты попытки восстановления конструкции путем заварки мест разрушения сварных швов и усилений его раскосами из уголков (рис. 3 в). Однако доработка конструкции контейнера лишь незначительно увеличивала его усталостную прочность.
Рис. 3. Примеры разрушения и доработки контейнера: а) разрушение обшивки стен; б) разрушение конструкции рамы; в) доработка конструкции
На основании отрицательного опыта использования универсальных 40-футовых контейнеров Испытательным центром был сделан вывод о нецелесообразности их дальнейшего применения и было принято решение о разработке и изготовлении специальных имитаторов для загрузки платформы при проведении испытаний на сопротивление усталости.
Для получения конструкции имитатора, соответствующей своему назначению и условиям эксплуатации, были сформулированы требования к изделию [2], а также проведена их классификация (рис. 4—7) [2]:
Рис. 4. Классификация требований, предъявляемых к изделию
Рис. 5. Классификация эксплуатационных требований
К числу таких требований были отнесены: соответствие целевому назначению, прочность и жесткость, надежность, безопасность и удобство обслуживания, экономические, технологические и производственные требования, а также требования к изделию и деталям.
Соответствие целевому назначению. Разрабатываемая конструкция имитатора должна соответствовать габаритным размерам 40-футового контейнера по длине 12192 мм и ширине 2438 мм, иметь угловые фитинги, обеспечивающие установку и закрепление контейнера. На имитаторе должны быть предусмотрены приспособления для подъема.
Прочность и жесткость. Прочность конструкции имитатора должна обеспечивать проведение испытаний двух-трех опытных образцов платформ в год на протяжении 5 лет эксплуатации. Жесткость конструкции не должна оказывать влияния на частоту колебаний платформы на стенде, которая составляет 1,6-1,9 Гц.
Надежность. Связана с определенным сроком службы (5 лет) или с количеством циклов колебаний за весь срок службы около 250 млн.
Рис. 6. Классификация социальных требований
Безопасность обслуживания. Обслуживание имитатора происходит во время его загрузки-выгрузки, а также при поднятии его краном. Для обеспечения безопасности обслуживания на имитаторе должны отсутствовать острые, выступающие части конструкции и должны быть установлены боковые стены, предотвращающие выпадение подвижных или незакрепленных частей груза.
Удобство обслуживания. Имитатор должен представлять открытый сверху кузов с достаточным свободным пространством внутри, что обеспечит простоту и удобство загрузки-выгрузки груза кранами, дает возможность не применять погрузчики и позволит избежать значительных затрат физического труда.
Экономические требования. Для снижения затрат на проведение испытаний стоимость имитатора должна быть минимальной. Для этого его изготавливают из имеющихся на заводе-изготовителе материалов, подлежащих утилизации.
Технологические требования связаны с процессом производства и диктуются эксплуатационными и экономическими требованиями, а также необходимостью изготовления только двух имитаторов.
Рис. 7. Классификация технологических требований
Требования к изделию. Так как имитаторы контейнеров не являются серийной продукцией, то они должны изготавливаться на имеющимся технологическом оборудовании без изготовления специальной оснастки.
К изделию предъявляются следующие требования:
- простота конструкции;
- минимальная трудоемкость сборки;
- обеспечение технологичности проведения сварочных работ;
Требования к деталям. Ввиду того что на большинстве вагоностроительных производств используются плазморезные машины, небольшое количество деталей может быть сложной формы.
К деталям при конструировании предъявляются следующие требования:
- удобство обработки (простые геометрические формы);
- соответствие форм деталей масштабам выпуска и применяемому оборудованию;
- унификация деталей.
Производственные требования. Главное требование - конструкция изделия должна соответствовать оборудованию и производственным возможностям завода-изготовителя (техническая база производства).
Согласно поставленным задачам, в соответствии со сформулированными требованиями к изделию, а также исходя из производственных возможностей завода-изготовителя имитатора (ЗАО «Промтракгор-Вагон») была разработана и изготовлена цельнометаллическая сварная конструкция коробчатого сечения без торцевых стен (рис. 8). Необходимость принятия данного решения обусловлена нагружением имитатора листовым профилем.
Рис. 8. Схема разработанной конструкции имитатора ЗАО «Промтрактор-Вагон»
Основанием данного имитатора является рама (поз. 1), воспринимающая нагрузку от груза, а также силы взаимодействия с платформой. Нагрузка от имитатора на платформу передается через фитинги (поз. 7), которые выполнены в виде отверстий, расположенных по углам на нижних полках зетовых профилей, и по размерам соответствуют фитингам универсальных контейнеров. На раме предусмотрены места для использования захватных приспособлений при подъеме и переносе контейнера (поз. 6).
Рама имитатора представляет сварную балочную конструкцию, включающую боковые, лобовые, промежуточные балки (поз. 5). Все балки выполнены из двух прокатных зетовых профилей, сваренных вместе, которые использовались ранее в качестве хребтовой балки в вагоностроении. Вертикальными элементами имитатора являются стойки (поз. 2), связанные межу собой верхней обвязкой (поз. 3). Конструкция стоек и обвязки выполнена из прямоугольных профилей незамкнутого контура. К вертикальным стойкам приварен профиль высокой жесткости (поз. 4), используемый в вагоностроении для боковых стенок полувагонов. Высота стен обеспечивает надежное размещение груза, и придает дополнительную жесткость всей конструкции в целом.
Для установления показателей прочности и жесткости, а также определения зон и величин наибольших напряжений был произведен расчет напряженно-деформированного состояния имитатора при действии статических нагрузок согласно расчетной схеме нагружения имитатора (рис. 9).
Рис. 9. Расчетная схема нагружения имитатора контейнеров
В результате компьютерного моделирования методом конечных элементов были получены значения напряжений, деформаций (рис. 10) и частот колебаний имитатора. Максимальные напряжения от статической нагрузки составили- 89 МПа, статический прогиб в средней части имитатора (имеющей максимальный изгибающий момент) - 12,3 мм, частота колебаний - 5,03 Гц. Для сравнительной оценки жесткости конструкции аналогичным путем [3] был определен момент инерции в средней части имитатора равный Ix=2810195 см4.
Рис. 10. Напряженно-деформированное состояние имитатора при действии статических нагрузок
Для проверки правильности выбранных параметров конструкции ЗАО «Промтрактор-Вагон» были изготовлены два имитатора контейнеров и проведены их эксплуатационные испытания.
При этом был выявлен ряд недостатков:
- деформация, излом консольной части рамы (рис. 11);
- деформация угловых фитингов;
- прогиб в центральной части имитатора с касанием рамы платформы.
Рис. 11. Разрушения консольной части рамы имитатора: а) деформация; б) излом
По результатам испытаний было сделано заключение о недостаточной жесткости и прочности имитатора, в связи с чем необходима его доработка для увеличения значения расчетного момента инерции Ix.
Рис. 12. Схема усиленной конструкции
Итогом работы по усилению имитатора явилось внесение в конструкцию дополнительной верхней обвязки (рис. 12, поз. 1), позволяющей обеспечив дополнительную жесткость центральной части имитатора. Для упрощения укладки груза было принято решение об изготовлении только одной торцевой стены (поз. 2). Таким образом, два имитатора, необходимые для проведения испытаний, устанавливаются свободным торцом к центру платформы, образуя замкнутый контур по всей длине, обеспечивая тем самым дополнительную безопасность груза от выпадения и свисания его с платформы. В конструкцию имитатора внесены дополнительные промежуточные балки (поз. 3), установлены подкосы в углах рамы (поз. 4). Фитинги усилены дополнительными накладками, приваренными под нижние полки зетового профиля (поз. 5).
Расчеты доработанной конструкции показали: максимальные напряжения от статической нагрузки составляют 50 МПа, статический прогиб в средней части имитатора - 5,0 мм, частота колебаний - 7,59 Гц.
Как следует из диаграммы напряженно-деформированного состояния (рис. 13), значения напряжений в опасных зонах доработанной конструкции снизилось, а расчетный момент инерции 1х в центральной части имитатора воспринимающий максимальный изгибающий момент, увеличился примерно в два раза и составил 5097605 см4.
Разработанный имитатор был использован при проведении испытаний платформы. После окончания испытаний с суммарным числом циклов колебаний 6,8 млн повреждений конструкции не выявлено.
Рис. 13. Напряженно-деформированное состояние усиленной конструкции при действии статических нагрузок
Для испытаний платформы производства Ярославского ВРЗ были разработаны и изготовлены исходя из производственных возможностей и с учетом недостатков предыдущих конструкций имитаторы контейнеров (рис. 14), предназначенные для загрузки осями колесных пар (б).
По конструктивной схеме имитатор представляет собой коробчатый замкнутый контур, основанием является сварная цельнометаллическая рама с поперечными и лобовыми балками, выполненными из профиля двутавра № 60 (поз. 1, 2). Промежуточными балками рамы являются горячекатаные швеллера № 20 (поз. 3), усиленные вертикальными угловыми раскосами (поз. 9). По всей площади пола настил из прокатной листовой стали (поз. 4). Стойки боковых и торцевых стен выполнены из горячекатаных швеллеров № 14, сваренных вместе (поз. 5). Верхняя обвязка замкнутого контура (поз. 6) изготовлена из того же материала, что и стойки. Наличие вертикальных стен из прокатной листовой стали по всему периметру (поз. 7) обеспечивает надежность размещения груза. Предусмотренные захватные приспособления (поз. 8) обеспечивают проведение работ при подъеме, переносе и установке имитатора.
Рис. 14. Схема конструкции имитатора, разработанная для Ярославского ВРЗ: а) общий вид; б) загрузка осями колесных пар
Расчет жесткости имитатора контейнера, изготовленного для проведения испытаний на ЯВРЗ, показал, что прочность и жесткость конструкции данного имитатора превышают предыдущие аналоги (рис. 15).
Рис. 15. Общий вид имитатора для Ярославского ВРЗ
Для анализа в таблице 2 приведены характеристики сечения центральных частей имитаторов, а также значения их моментов инерции.
Таблица 2
По результатам анализа полученных значений показано увеличение момента инерции, что наглядно демонстрируется гистограммой распределения величин моментов инерции (рис. 16).
Рис. 16. Сравнение моментов инерции в среднем сечении имитатора
В результате проведенного комплекса работ по разработке устройств для загрузки длиннобазных платформ при ресурсных испытаниях была обоснована необходимость создания специальных имитаторов контейнеров с увеличенным сопротивлением усталости, что делает возможным их многократное использование в течение 5 лет, или с количеством циклов колебаний за весь срок службы около 250 млн. Сформированный перечень требований к конструкции позволил разработать новое оборудование, соответствующее условиям его использования при проведении испытаний. Сочетание аналитических методов обоснования параметров прочности и метода конечных элементов сделало возможным разработку конструкции, имитирующей универсальный 40-футовый контейнер со значительно повышенным запасом сопротивления усталости.
Список литературы
1. Методика сертификационных испытаний. Определение коэффициента запаса сопротивления усталости рамы и кузова вагона: [НБЖТ ЦВ 01 -98 п.4] : 77702333-90 ПМ / ИЦПВ ООО «Инженерный Центр подвижного состава». - СПб., 2009. - 29 с.
2. Дитрих Я. Проектирование и конструирование. Системный подход / Я. Дитрих. - М. : Мир, 1981. - 266 с.
3. Александров А. В. Сопротивление материалов / А. В. Александров, В. Д. Потапов, Б. П. Державин. - 3-е изд. испр. - М. : Высш. шк., 2003. - 560 с.
4. ИСО 830:1981. Грузовые контейнеры-Терминология/Международная организация по стандартизации. - 10 с.
