Новости дня

Мероприятия

Задать вопрос участникам круглого стола
Закрыть
Вопрос участнику
Защита от автоматического заполнения   Введите символы с картинки*
Задать вопрос участникам круглого стола
Закрыть
Вопрос участнику
Защита от автоматического заполнения   Введите символы с картинки*

Анализ прочности цилиндрических вагонов-хопперов

Машиностроение | Пятница | 15.12.2017 | 12:49
 | Машиностроение
НПК ОВК
Вагоны-хопперы, или бункерные вагоны, охватывая широкую номенклатуру перевозимых грузов, таких как: зерно, цемент, минеральные удобрения, окатыши и агломерат, охлажденный кокс, инертные строительные материалы, уголь и торф, а также многие другие грузы, являются одними из самых распространённых типов вагонов на территории стран Таможенного союза (в частности – в России) и во всем мире. 

savu.jpg
Юлия Савушкина, кандидат экономических наук, вице-президент по науке НП «Объединение предприятий сталелитейной промышленности»

Главной особенностью и отличием данного типа вагонов от остальных является оригинальная форма кузова, позволяющая осуществить выгрузку груза самотеком через люки разгрузочных бункеров в сравнительно короткие сроки без применения специализированных машин. Очевидно, что форма и тип кузова, а также необходимость размещения навесных агрегатов, позволяющих выполнить погрузку и разгрузку данных вагонов является условием, определяющим их функциональность, что накладывает дополнительные требования к обеспечению прочности данных вагонов. 

Если проводить классификацию бункерных вагонов по конструктивной схеме кузова, то можно выделить два основных направления: вагоны с хребтовой балкой и прямыми боковыми стенами бункера – занимающими доминирующее положение в основном на территории стран Таможенного союза, и вагоны с несущими боковыми балками, прямоугольным или цилиндрическим кузовом и крышей – в большинстве своем распространёнными на североамериканском континенте и в Австралии. Вагоны с хребтовой балкой имеют оптимальный показатель массы металлоконструкции, так как основными нагрузками, воспринимаемыми вагонами в эксплуатации являются продольные. Также неизбежной особенностью данной схемы является наличие продольного конька, и как следствие – выгрузка бункеров в стороны от пути, по условию полного истечения груза. 

Конструктивная схема вагона без хребтовой балки позволяет значительно улучшить истечение груза за счет увеличения площади разгрузочных люков в свету, а применение цилиндрического кузова совместно со схемой без хребтовой балки, обоснованное спецификой силового воздействия сыпучего груза на ограждения, позволяет снизить массу металлоконструкции, повысить прочность и устойчивость кузова. К тому же, цилиндрическая форма кузова позволяет увеличить объем перевозимого сыпучего груза малой плотности без потери устойчивости, что способствует лучшему использованию грузоподъемности и большей специализации такого подвижного состава.

Поэтому, учитывая изложенные выше преимущества, а также в связи с современной тенденцией к увеличению использования специализированных вагонов против универсальных, конструктивная схема кузова с цилиндрическими стенками и без хребтовой балки является на данный момент наиболее перспективной.

На территории Российской Федерации в качестве примера описанных выше вагонов бункерного типа с цилиндрическим кузовом можно привести вагон-хоппер для зерна модели 19-9549-01. Этот вагон, производство которого освоено на «Тихвинском вагоностроительном заводе», обладает следующими особенностями:
- вагон имеет цилиндрический цельнонесущий кузов без хребтовой балки, воспринимающий продольные нагрузки за счет боковых балок;
- разгрузка вагона осуществляется в межрельсовое пространство при помощи шиберных разгрузочных механизмов, имеющих максимально возможные размеры разгрузочных люков в свету;
- объем кузова данного вагона составляет 126 м³ при грузоподъемности 76 т, массой тары 24 т, с осевой нагрузкой 25т.
 
Нагрузки и расчетные режимы для оценки прочности вагонов-хопперов
При оценке прочности вагонов-хопперов расчетными методами на территории стран Таможенного союза следует руководствоваться в первую очередь требованиями нормативных документов, а также требованиями, устанавливаемыми заказчиком. Сочетание нагрузок, согласно нормативных документов, приведено в таблице 1. 

Таблица 1 – Сочетание нагрузок для оценки прочности вагона-хоппера

tabll3111.jpg

* – нагружение собственным весом при расчетах методом конечных элементов производят путем расчета массы металлоконструкции и распределением ее по узлам расчетной схемы, с последующим приложением к расчетной схеме ускорения 9,81 м/с2 в каждом узле вдоль вертикальной оси. 
** – нагружение весом и давлением распора сыпучего груза при расчетах методом конечных элементов прикладывают к расчетной модели в виде линейно возрастающего от поверхности груза давления, нормально распределенного по внутренним поверхностям элементов, образующих кузов. Значение максимального давления в нижней части определяют исходя из условия полного заполнения кузова при максимальной грузоподъемности.
*** – нагрузку от силы инерции кузова вагона, возникающую при действии ударов и рывков при расчетах методом конечных элементов прикладывают в виде ускорения к узлам расчетной модели в направлении, противоположном направлению удара (рывка). Нагрузку определяют из формулы: a=N/m_бр , где N – сила ударного взаимодействия, Н, mбр – масса брутто вагона, кг.
Нагрузку от силы инерции тележек определяют аналогичным образом, и прикладывают к нижним частям поверхностей пятников рамы, находящихся в контакте с подпятниками тележек.
**** – нагрузку от силы инерции груза, возникающую при ударах и рывках, прикладывают: а) к элементам обшивки торцевой стены и торцевым стенкам бункеров вагона в виде равномерно распределенной силы. Величину силы рассчитывают исходя из условия равномерного распределения силы инерции массы, равной 35 % грузоподъемности вагона по всей площади торцевой стены [2]. При ударе 3,5 МН сила на торцевую стену будет 931 кН, при рывке 2,5 МН – 665 кН. 
б) к полу бункеров в виде равномерно распределенной силы. Величину рассчитывают по формуле: , где ρ – насыпная плотность груза, т/м3; Sпола – площадь пола бункеров, м2; y – высота столба груза, м; δ – угол трения груза по металлу, рад.
в) к элементам обшивки боковых стен и боковых стенок бункеров вагона в виде равномерно распределенной силы, равной разности силы инерции груза и суммарной силы, действующей на торцевую стену и пол.
г) вертикальную добавку прикладывают как распределенную по площади горизонтальной проекции вертикальную силу, изменяющуюся в продольном направлении по линейному закону с нулевым значением в центре горизонтальной проекции.

Сочетание нагрузок, возникающих при ремонтных операциях, в данной работе не приводили.
Следует отметить, что данный тип бункерных вагонов по сути является цельнонесущей оболочкой, воспринимающей все виды нагрузок, возникающих в эксплуатации, поэтому требует расчётов на устойчивость. Сочетание нагрузок, приложение которых может привести к потере устойчивости конструкции, приведено в таблице 2.

Таблица 2 – Сочетание нагрузок для оценки устойчивости металлоконструкции вагона-хоппера

ris313.jpg

* – нагружение собственным весом при расчетах методом конечных элементов производят путем расчета массы металлоконструкции и распределением ее по узлам расчетной схемы, с последующим приложением к расчетной схеме ускорения 9,81 м/c2 в каждом узле вдоль вертикальной оси. 
** – нагружение весом и давлением распора сыпучего груза при расчетах методом конечных элементов прикладывают к расчетной модели в виде линейно возрастающего от поверхности груза давления, нормально распределенного по внутренним поверхностям элементов, образующих кузов. Значение максимального давления в нижней части определяют исходя из условия полного заполнения кузова при максимальной грузоподъемности.

Результаты расчета прочности и устойчивости конструкции цилиндрического вагона-хоппера на примере хоппера модели 19-9549-01

Результаты расчетов вагона-хоппера на прочность представлены на рисунках 2-5 и таблице 3, результаты расчета на устойчивость – в таблице 4.

riss314.jpg
 
Рисунок 2 – Схема распределения напряжений при комбинации нагрузок, включающих соударение силой -3,5 МН

riss315.jpg
 
Рисунок 3 – Схема распределения напряжений при комбинации нагрузок, включающих рывок силой +2,5 МН

riss316.jpg
 
Рисунок 4 – Схема распределения напряжений при комбинации нагрузок, включающих растяжение силой +2,0 МН

riss317.jpg
 
Рисунок 5 – Схема распределения напряжений при комбинации нагрузок, включающих сжатие силой +2,5 МН


Таблица 3 – Результаты расчета на прочность вагона-хоппера

tabl318.jpg


Таблица 4 – Результаты расчета на прочность вагона-хоппера

tabl319.jpg



Испытания по оценке прочности цилиндрических вагонов-хопперов на примере хоппера модели 19-9549-01
Испытания по оценке прочности вагонов проводят методами тензометрии: в различных элементах конструкции, наиболее нагруженных по результатам расчетов, наклеивают тензорезисторы, прикладывают нагрузки в соответствии с таблицей 1, и оценивают прочность конструкции по величинам напряжений, измеренных в заданных зонах. Следует отметить, что в связи с техническими сложностями ряд нагрузок реализовать затруднительно, например, рывок вагона силой +2,5 МН. Поэтому количество режимов оценки прочности при испытаниях уступает таковому при расчетах.
При проведении испытаний хоппера с цилиндрическим кузовом модели 19-9549-01 к металлоконструкции прикладывали следующие нагрузки:
вертикальная статическая и поперечная распорная нагрузка от веса насыпного груза, равного грузоподъемности 76 т, приложенная соответственно к бункерам, полу и боковым стенам кузова вагона;
горизонтальная продольная растягивающая нагрузка, приложенная к передним упорным угольникам автосцепного устройства, величиной +2,0 МН;
горизонтальная продольная сжимающая нагрузка, приложенная к задним упорным угольникам автосцепного устройства, величиной -2,5 МН;
горизонтальная продольная ударная нагрузка, приложенная к задним упорным угольникам автосцепного устройства, возникающая при соударении вагонов, величиной -3,5 МН;
вертикальная сосредоточенная нагрузка, приложенная в консольной части загруженного вагона к розетке автосцепки (имитация внецентренного взаимодействия автосцепок).

Нагрузки прикладывали поочередно, и суммировали в соответствии с сочетаниями (режимами) по таблице 1 и таблице 2. Устойчивость конструкции при испытаниях оценивали приложением продольной сжимающей нагрузки -2,5 МН к порожнему вагону, как наиболее неблагоприятный режим работы оболочки в соответствии с результатами расчетов на устойчивость. При данном испытании визуально оценивали отсутствие потери устойчивости кузовом. 
Результаты испытаний цилиндрического вагона-хоппера при приложении нагрузок, описанных выше, приведены в таблице 5. Приведены максимальные абсолютные значения напряжений для характерных зон конструкции. Значения в числителе и знаменателе приведены для симметричных точек.

Таблица 5 – Результаты прочностных испытаний вагона-хоппера

tabl320.jpg
tabl321.jpg



Суммарные напряжения, полученные по результатам испытаний, и приведенные в таблице, не превышают максимально допускаемых значений, что свидетельствует о соответствии вагоном требованиям прочности металлоконструкции, предъявляемыми нормативной документацией. Также во время испытаний не было отмечено признаков потери устойчивости элементами металлоконструкции вагона, что говорит о соответствии конструкции нормативным требованиям по данному параметру.

Анализ особенностей прочности цилиндрических вагонов-хопперов

   Значения напряжений, полученные расчетным методом и при испытаниях в сравнении с допускаемыми, приведены на рисунках 6, 7, 8 для соударения, растяжения и сжатия соответственно.

ris12.jpg    

Рисунок 6 – Напряжения для расчетного режима, включающего соударение, в сравнении с допускаемыми

ris13.jpg
 
Рисунок 7 – Напряжения для расчетного режима, включающего растяжение, в сравнении с допускаемыми

ris14.jpg
 
Рисунок 8 – Напряжения для расчетного режима, включающего сжатие, в сравнении с допускаемыми

Анализ рисунка 6 показывает, что напряжения при соударении, определенные методом испытаний, превышают напряжения, определенные расчетом, практически для всех зон вагона, кроме крыши, и верхней обвязки боковой стены, где они совпадают, и крыши, на которой расчетные напряжения выше.

Анализ рисунка 7 показывает, что напряжения при растяжении, определенные методом испытаний, превышают напряжения, определенные расчетом, для торцевой стены и шкворневой балки. Для обшивы и верхней обвязки боковой стены, подкрепляющего листа низа торцевой стены, хребтовой балки и крыши они совпадают. Для боковых балок и нижней части бункера расчетные напряжения превышают фактические.

Анализ рисунка 8 показывает, что напряжения, определенные методом испытаний при сжатии, превышают напряжения, определенные расчетом, практически для обшивы боковой стены, боковых балок и шкворневой балки. Для верхней обвязки боковой стены, торцевой стены, подкрепляющих листов низа торцевой стены, хребтовой балки и крыши напряжения сходятся. Для нижней части бункера расчетные напряжения превышают фактические.
Учитывая анализ приведенных выше диаграмм, резонным будет привести гистограммы, показывающие процент реальных фактических напряжений от допускаемых значений. Такие гистограммы приведены на рисунках 9, 10, 11.

ris16.jpg
 
Рисунок 9 – Доля фактических напряжений в допускаемых при соударении
 
ris15.jpg

Рисунок 10 – Доля фактических напряжений в допускаемых при растяжении

ris188.jpg    

Рисунок 11 – Доля фактических напряжений в допускаемых при сжатии

Анализ приведенных гистограмм позволяет сделать вывод, что для всех режимов нагружения цилиндрического вагона-хоппера, особенно для режима соударений, несущими элементами конструкции являются, помимо консоли хребтовой балки и шкворневой балки – боковые балки и обшива боковых стен. Также немаловажную роль в несущей способности выполняет крыша, раскосы и подкрепляющие листы низа торцевой стены. Поэтому, вышеуказанные элементы требуют особого внимания при проектировании и испытаниях вагонов хопперов с цилиндрическим кузовом и с несущими боковыми балками, как частей высоконагруженной цельнонесущей оболочки. 

Юлия Савушкина, кандидат экономических наук, вице-президент по науке НП «Объединение предприятий сталелитейной промышленности»

Cегодня в СМИ

Первые лица