Выбор параметров узла заделки стойки боковой стены полувагона

Выбор параметров узла заделки стойки боковой стены полувагона

Важную роль в развитии экономики Российской Федерации играет эф­фективная работа железнодорожного транспорта, на который приходится значительная номенклатура и объем перевозимых грузов. Снижение себес­тоимости перевозки грузов, расходов на обслуживание и ремонт подвиж­ного состава позволит эффективнее использовать возможности железнодо­рожного транспорта. 

На сегодняшний день в России самым массовым видом подвижного со­става являются полувагоны, количество которых составляет более 300 тыс. единиц. Обновление парка универсальных полувагонов происходит мо­рально устаревшими вагонами, конструкция которых была разработана в 60-70-х годах прошлого века. Несмотря на то, что в течение последних десятилетий универсальный полувагон подвергался многочисленным мо­дернизациям, накопленный опыт эксплуатации свидетельствует, что дан­ный вид подвижного состава не в полной мере отвечает современным требованиям. В связи с этим, а также ввиду возрастающих требований эксплуатирующих организаций к надежности универсальных полувагонов совершенствование их конструкции по-прежнему остается актуальным.

Не менее важным этапом в развитии железнодорожного транспорта на­шей страны является разработка новых полувагонов с увеличенной грузопо­дъемностью и увеличенным объемом кузова. Повышение их осевой нагруз­ки до 25,0 тс по сравнению с серийно выпускаемыми полувагонами с осевой нагрузкой 23,5 тс позволит на 3% снизить себестоимость перевозки 1 т груза и на 6% уменьшить потребный парк [1]. Однако, повышение грузоподъем­ности приводит к увеличению нагрузок, действующих на конструкцию ва­гона, поэтому при проектировании полувагонов с осевой нагрузкой 25,0 тс необходимо предусмотреть мероприятия по их повышению надежности.

Многочисленные эксплуатационные повреждения полувагонов вы­званы, прежде всего, недостаточным сопротивлением усталости, а так­же недостаточной надежностью при воздействии нагрузок, имеющих место в ходе неправильной эксплуатации подвижного состава, особенно при погрузке-выгрузке [2]. Несмотря на большое количество доработок и ресурсных испытаний, проведенных различными научно-исследова­тельскими организациями и вагоностроительными заводами, на сегод­няшний день одним из наиболее часто повреждаемых узлов полувагона является узел заделки стойки боковой стены.

В связи с вышеизложенным Инженерным центром была выполнена раз­работка новой конструкции узла заделки стойки в рамках разработки и по­становки на производство универсального полувагона с разгрузочными лю­ками с осевой нагрузкой 25,0 тс. Работы производились в несколько этапов:
-   обзор различных вариантов конструкций узла заделки стойки, приме­няемых при массовом производстве полувагонов;
-     анализ эксплуатационных повреждений;
-    разработка вариантов конструкции узла заделки стойки для полуваго­на с осевой нагрузкой 25,0 тс;
-    анализ разработанных вариантов и выбор окончательной конструкции узла заделки стойки боковой стены для полувагона с осевой нагрузкой 25,0 тс.

На первом этапе был проведен обзор вариантов узла заделки стойки в различных полувагонах. На сегодняшний день в отечественном парке подвижного состава находятся четырехосные полувагоны, имеющие отли­чающиеся по конструкции узлы крепления стоек к раме. Различия касают­ся типа стоек (рельсообразные, зетовые, тавровые, омегообразные и т. д.) и способа их соединения с рамой (протяженность и размеры катета свар­ных швов, наличие связывающих элементов и др.). Приведенный на рисун­ке 1 вариант узла заделки стойки в настоящее время применяется в боль­шинстве серийно выпускаемых в России и странах СНГ универсальных полувагонов с разгрузочными люками.

1 - стойка боковой стены; 2 - нижняя обвязка полувагона; 3 - накладка внутри вагона; 4 - верхний лист промежуточной балки; 5 - вертикальный лист промежуточной балки; 6 - нижний лист промежуточной балки 

Рис. 1. Наиболее распространенный вариант заделки стойки полувагона

Полувагоны производства США в своей конструкции имеют распор­ки внутри кузова. Присутствие распорок значительно снижает нагрузку, действующую от груза на боковые стойки полувагона, что позволяет значительно упростить конструкцию узла заделки стойки боковой сте­ны и снизить момент сопротивления боковых стоек.

Анализируя полувагоны европейского производства, можно отметить следующие закономерности: в конструкции применяются в основном гну­тые профили, что дает возможность снизить массу тары вагона; крепление стоек боковой стены осуществляется к нижней обвязке - как это предус­мотрено и у отечественных аналогов; более частая установка стоек боко­вой стены, а также меньшая осевая нагрузка европейских вагонов способс­твуют снижению момента сопротивления стоек.

Каждая из рассмотренных конструктивных схем полувагонов имеет свои преимущества и сформировалась в целом исходя из характеристик перевозимых грузов, требований к подвижному составу, а также климати­ческих особенностей различных регионов. Стоит отметить, что в России в условиях эксплуатации полувагонов в зимнее время возникает проблема смерзания сыпучего груза, и наличие распорок внутри кузова полувагона будет создавать проблемы при выгрузке. Поэтому применение распорок в конструкции полувагонов в нашей стране применения не нашло. Вместе с тем расстояние между стойками по-прежнему определяется размерами люков для разгрузки, и при стандартной базе полувагона использование большего числа стоек боковой стены также невозможно. Вследствие это­го, при повышении осевой нагрузки полувагонов в России и странах СНГ всегда актуален вопрос совершенствования конструкции узла заделки стойки боковой стены.

Кроме того, при разработке нового вагона одним из требований явля­ется унификация конструкции с выпускаемыми типами подвижного соста­ва, поскольку это позволяет снизить затраты на его производство. Поэто­му Инженерным центром при разработке полувагона с осевой нагрузкой 25,0 тс за основу был принят стандартный полувагон с осевой нагрузкой 23,5 тс. А в качестве базового варианта узла заделки стойки боковой стены была принята конструкция, указанная на рисунке 1.

На следующем этапе работ для определения возможных направлений совершенствования конструкции рассматриваемого узла был проведен анализ наиболее часто встречающихся при эксплуатации повреждений узла заделки стойки боковой стены с возможными причинами их возник­новения (табл. 1). Все эти повреждения можно разделить на 3 типа: кон­структивные, технологические и эксплуатационные. При этом основным направлением исследований в настоящей работе было устранение конс­труктивных недостатков узла заделки стойки.

К основным эксплуатационным нагрузкам, действующим на стойку боковой стены, следует отнести: вертикальную статическую нагрузку от веса груза и тары; распор сыпучим грузом; боковые силы, возникающие при прохождением экипажем кривых; дополнительные силы, связанные с работой вибромашин, с разгрузкой на вагоноопрокидывателях и т. д. Максимальные напряжения в узле заделки стойки возникают при дей­ствии распорной нагрузки, определяющей его конструкцию.

Большое количество повреждений свидетельствует о недостаточных прочностных характеристиках данного узла в условиях циклических нагрузок. В некоторых случаях это может привести к появлению в нем усталостных трещин и его разрушению до наступления срока первого ка­питального ремонта после постройки.

Таблица 1

Основные повреждения узла заделки стойки полувагона

Обобщив приведенные в таблице 1 данные, можно говорить о том, что основными конструктивными недостатками узла заделки стойки полуваго­на являются:

-     недостаточная жесткость;

-     разница толщин привариваемых друг к другу элементов;

-     большие концентраторы напряжений.

Указанные особенности конструкции приводят к тому, что наибольшее количество усталостных повреждений узла заделки стойки боковой стены происходит в зоне сварных швов и электрозаклепок, соединяющих стойку с нижней обвязкой. Такими сварными швами являются: швы приварки на­кладки внутри вагона к нижней обвязке и верхнему листу промежуточной балки, швы приварки омегообразной стойки к нижней обвязке, а также шов приварки вертикального листа промежуточной балки к вставке в стойку. Поэтому, при разработке конструкции узла заделки стойки боковой стены основные усилия были направлены на доработку имеющихся конструктив­ных недостатков и снижение напряжений в наиболее повреждаемых зонах (см. табл. 1).

В связи с этим, с учетом наиболее распространенных повреждений, для повышения прочностных характеристик данного узла в условиях цикли­ческой нагруженности на следующем этапе был разработан ряд возмож­ных вариантов усиления конструкции узла заделки стойки боковой стены (табл. 2). Создание узла заделки стойки боковой стены производилась по методике, изложенной в работе [3]. Отработка конструкции велась на при­мере промежуточной стойки.

Таблица 2

Варианты усиления конструкции узла заделки стойки боковой стены

Для сравнительного анализа разработанных вариантов усиления кон­струкции узла заделки были выбраны контрольные сечения и точки (рис. 2).

Рис. 2. Расположение контрольных сечений и точек 

Исходными данными для исследования являлась расчетная нагрузка и характеристики материала.

Для определения величины распорной нагрузки были рассчитаны вели­чины давления распора от действия сыпучего груза для III режима [4]: 
где у_усл - условная плотность груза;
у - расстояние от поверхности груза до точки, в которой определяется давление (²/₃ внутренней высоты кузова), м;
к_дв - коэффициент вертикальной динамики, к_дв = 0,35 для III режима в соответствии с Нормами;
φ - угол естественного откоса, рад;
g — ускорение свободного падения, м/с².

Величины распорных нагрузок на стойки определяли путем умножения величины давления распора на половину площади панелей обшивки, при­легающих к стойке.

Расчетная оценка показывает, что распорная нагрузка в разрабатывае­мом полувагоне на 7-8% выше аналогичной нагрузки в серийно выпуска­емом полувагоне с осевой нагрузкой 23,5 тс. Таким образом, для получе­ния напряжений узла заделки стойки боковой стены на уровне значений в полувагоне с осевой нагрузкой 23,5 тс необходимо повысить прочностные характеристики данного узла полувагона с осевой нагрузкой 25,0 тс не ме­нее чем на 8-10%.

В результате многовариантных расчетов получены зависимости изме­нения уровня напряжений в контрольных точках от значений варьируемых параметров.

На следующем этапе работы был проведен анализ результатов расче­тов, который показал: -    первые три варианта усиления конструкции (увеличение высоты, дли­ны и ширины накладки, соединяющей нижнюю обвязку с верхним лис­том промежуточной балки) позволяют повысить жесткость данного узла, а также снизить напряжения в зоне концентратора на вертикальном листе промежуточной балки между нижней обвязкой боковой стены и верхним листом промежуточной балки;

-    четвертый вариант усиления конструкции (введение дополнительных электрозаклепок) также дает возможность повысить жесткость рассматри­ваемой конструкции. Каждое из указанных четырех мероприятий позволит предотвратить отрыв стойки от нижней обвязки с наружной стороны вагона и появление трещин в вертикальном листе промежуточной балки (см. табл. 1);

-    пятый вариант (усиление места соединения стойки боковой стены с вертикальным листом промежуточной балки) дает возможность уменьшить разность толщин таврового соединения вертикального листа промежуточ­ной балки и вставки в стойку, а также значительно снизить напряжения в зоне концентратора. Данное конструкторское решение позволит предо­твратить появление таких повреждений, как отрыв стойки от поперечной балки с внутренней стороны вагона и трещина в вертикальном листе про­межуточной балки (см. табл. 1).

При этом каждый из вариантов создает условия для снижения напряже­ний в отдельных зонах конструкции, но не обеспечивает требуемые парамет­ры усталостной прочности узла заделки стойки в целом, о чем свидетельс­твуют напряжения в контрольных точках данного узла (см. рис. 2, табл. 3).

Таблица 3

Результаты вариантов расчета конструкции

Поэтому для решения поставленной задачи было рассмотрено раз­личное сочетание перечисленных вариантов совершенствования кон­струкции узла заделки стойки. В результате проведенных расчетов был выбран вариант, отличающийся от базового наличием дополнительных электрозаклепок и вставки повышенной толщины (10 мм) в вертикальном листе промежуточной балки толщиной 7 мм. Разработанная конструкция узла заделки стойки обладает более высокими прочностными характе­ристиками во всех зонах, требующих снижения уровня напряжений, что позволяет применять ее при производстве полувагона с осевой нагрузкой 25,0 тс. Напряжения в контрольных точках начальной и разработанной конструкции приведены на рисунке 3, а напряженно-деформированное состояние на рисунке 4.

Рис. 3. Напряжения в конструкции узла заделки стойки

Рис. 4. Напряженно-деформированное состояние узла заделки стойки

Таким образом, совершенствование конструкции позволило снизить напряжения в опасных зонах не менее чем на 8%. Как видно из рисунка 3, в некоторых зонах напряжения снижены более чем на 30%. При этом раз­работанный узел заделки стойки конструктивно практически не отличает­ся от применяемого в полувагоне с осевой нагрузкой 23,5 тс.

По результатам выполненной работы сделаны следующие выводы: -    проведен анализ существующих конструкций узла заделки стойки бо­ковой стены полувагонов российского и зарубежного производства; -   осуществлен анализ повреждений узла заделки стойки боковой стены, позволивший установить основные проблемные зоны данной конструкции и причины возникновения повреждений; -    сформированы варианты совершенствования конструкции узла задел­ки стойки боковой стены, что позволяет оценить влияние различных гео­метрических параметров конструкции на напряженно-деформированное состояние; -   разработана конструкция узла заделки стойки, обеспечивающая не­обходимые прочностные характеристики для эксплуатации вагона с повы­шенной осевой нагрузкой в течение срока службы.

Литература 

1.     Федоров С. А. Создание семейства полувагонов на заводе «Пром- трактор-Вагон» / С. А. Федоров, В. Ф. Муханов // Создание новых кон­струкций грузовых вагонов и их узлов : сб. науч. тр. / под ред. А. А. Битюцкого ; Инженерный центр вагоностроения. - СПб., 2008. - Выл. 5. - С. 16-24.

2.     Афанасьев А. Е. Анализ повреждений универсальных полувагонов в эксплуатации. / А. Е.Афанасьев ; Петербургский государственный университет путей сообщения. - СПб., 2006. - 9 с. - Деп. в ЦНТИ ОАО «РЖД» 29.08.06, № 6484-жд2006.

3.     Битюцкий А. А. Анализ напряженного состояния и совершенствование конструкций соединений несущих элементов кузова полувагона : дис. ... канд. техн. наук / Битюцкий Александр Анатольевич - Л., 1983. - 183 с.

4.     Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 317 с.

Содержание Сборники научных трудов