Машиностроение / 09.08.15 00:05

Анализ прочности и выбор параметров вагонов-хопперов нового поколения

 | Машиностроение
фото:ukbv.ru

Начиная с 2010 года вагоностроители Росси разрабатывают инновационные вагоны с осевой нагрузкой 25 тс. Увеличенная до 100 т масса брутто позволила повысить грузоподъемность, но рост массы перевозимого груза повлек увеличение его объема и, как следствие, размеров кузова. В то же время, попытки сохранить традиционные, проверенных в эксплуатации, конструктивные решения, приводили к снижению прочности вагона и увеличению массы. Поэтому, приступая в 2013 году к созданию инновационных вагонов-хопперов, разработчиками была переработана использовавшаяся ранее методика проектирования конструкции вагонов бункерного типа. Задачей являлось повышение эффективности нового подвижного состава путем использования оптимизационных механизмов выбора и обоснования решений по критериям эффективности.

Проектирование с применением доработанной методики включает два последовательно выполняемых этапа. На первом этапе, соответствующем эскизному проекту, были определены основные технико-экономические показатели вагона-хоппера: объем, грузоподъемность, стоимость, база, длина по осям автосцепок, количество и расположение загрузочных и разгрузочных люков, межремонтные нормативы и срок службы. Было выбрано сочетание параметров, обеспечивающее максимальный экономический эффект при эксплуатации. Одновременно, исходя из ограничений, налагаемых очертанием габаритного пространства, пунктами погрузки и разгрузки, а также для обеспечения разгрузки под действием силы тяжести, была сформирована геометрия кузова. Форма и размеры несущей конструкции выбирались с учетом необходимости размещения груза, загрузочных и разгрузочных устройств, ходовых частей, тормозной системы, автосцепных устройств и переходных площадок.

На следующем этапе разработки, который соответствует стадии технического проекта, решалась задача формирования основных элементов конструкции вагона. Так как ходовые части для вагонов нового поколения с увеличенной осевой нагрузкой и межремонтными нормативами уже были разработаны, поставлены на серийное производство, и предназначались для вагонов разных типов, основным создаваемым функциональным элементом каждой модели, определяющим конструкцию, являлся кузов. Он же задавал технико-экономические показатели вагона в целом. Для получения высокоэффективной конструкции и достижения заданных на предыдущем этапе технико-экономических показателей вагона разработчикам было необходимо усовершенствовать методику формирования конструкции.

 

При решении задачи выбора рациональных параметров кузова вагона-хоппера, на его конструкцию налагается ряд ограничений. Основными граничными условиями, которые можно формализовать в виде технических требований, являются его объем и геометрия, в том числе присоединительные размеры загрузочных и разгрузочных устройств, а также показатели прочности – минимальные допускаемые запасы прочности, устойчивости сжатых элементов конструкции и сопротивления усталости. Изменяемыми параметрами являются конструктивные схемы кузова и балочных элементов, толщины обшивки, сечения профилей и применяемые материалы.

Обязательными граничными условиями является соответствие нормативам безопасности в части прочности, устойчивости и сопротивления усталости. Используемые при проектировании современные программные продукты, реализующие метод конечных элементов, позволяют с высокой точностью определять основные прочностные характеристики – напряжения и деформации в конструкции. Поэтому, соответствие вагона показателям безопасности и эксплуатационная надежность определяется не столько особенностями расчетной модели, сколько точностью моделирования нагрузок, действующих в процессе эксплуатации. Для уточнения методики оценки прочностных характеристик, в 2013-2015 годах был выполнен анализ силовых воздействий, применяемых для расчетов.

В эксплуатации на вагон действуют различные нагрузки, наибольшие из них статические и динамические от груза, взаимодействия с рельсами и с соседним подвижным составом. В процессе проектирования сначала расчетными, а позднее экспериментальными методами, разработчик определяет показатели прочности, устойчивости сжатых элементов и сопротивления усталости разрабатываемого вагона используя моделирование силовых воздействий (рис. 1). Комбинация действующих одновременно нагрузок образуют более 20 сочетаний для оценки по всем критериям.

Для каждого расчетного режима в наиболее нагруженных контрольных точках конструкции были определены запасы прочности. Анализ результатов расчетов показал, что, при действии различных сочетаний нагрузок, запас прочности конструкции и запас сопротивления усталости разный (рис. 2). Поэтому, для оптимизации кузова вагона можно использовать только те режимы действия нагрузок, при которых был получен минимальный запас прочности или сопротивления усталости. Для вагона-хоппера такими нагрузками являются растяжение 2 МН, рывок 2,5 МН и удар 3,5 МН, действующие одновременно со статической от веса груза и кузова. Также лимитирующим является запас сопротивления усталости при действии на кузов многоцикловой вертикальной нагрузки и продольных соударений. Использование отдельных лимитирующих режимов позволяет в 5-6 раз сократить количество расчетных случаев и, как следствие, трудоемкость выбора параметров конструкции.

001.jpg
Рис. 1 Пример приложения расчетных нагрузок к кузову вагона-хоппера при моделировании удара в автосцепку силой 3,5 МН

002.jpg
Рис. 2 Запас прочности по напряжениям в контрольных точках кузова при различных режимах нагружения.

 

Сравнение результатов расчетов прочности и испытаний вагонов-хопперов показывает, что действующие на кузов нагрузки зависят от плотности и угла естественного откоса перевозимого груза. При моделировании соударения вагона, груз меньшей плотности больше нагружает верхнюю часть торцевой стены, а груз большей плотности - стенки бункеров. Поэтому, необходимо выполнять моделирование воздействия груза с минимальной и с максимальной плотностью.

Опыт разработки вагонов бункерного типа показывает, что наиболее нагруженными элементами конструкции являются каркас торцевых стен, хребтовые балки или полурамы в консольных частях, стойки и подкосы системы опирания торцевой стены. Также нагружены узлы соединения хребтовой и шкворневой балок, соединение подкосов и стоек с торцевой стеной, крепление бункеров к хребтовой балке и соединения раскосов полурамы при конструкции с несущими боковыми балками. При формировании конструкции, на этих элементах следует обязательно располагать контрольные точки для определения запасов прочности и сопротивления усталости.

 

Для обоснования наилучшей конструкции кузова были использованы известные оптимизационные алгоритмы. В соответствии с ними задача выбора параметров конструкции сводилась к поиску решения которое, при заданном комплексе условий, обращает показатель эффективности в максимальный или минимальный, в зависимости от его физического смысла. Для получения одного решения нужно было сформировать множество решений и выбрать лучшее по заранее определенному и обоснованному критерию. На этапе формирования вагона-хоппера, показателями эффективности основных элементов конструкции, например кузова, является масса и стоимость.

Рассмотрим подробнее выбранные критерии. Масса разрабатываемого вагона должна быть не более, чем определенная на этапе эскизного проекта, так как грузоподъемности вагона зафиксирована, а вес конструкции влияет на грузоподъемность. В то же время, масса кузова на ранних стадиях проектирования определялась по приближенным закономерностям. Поэтому, если на этапе формирования конструкции будет найдена возможность снизить массу кузова более чем на 100 – 200 кг, то это позволит увеличить грузоподъемность вагона, то есть улучшить один из основных технико-экономических показателей.

Так как стоимость вагона является одним из основных технико-экономических показателей, она также определяется по результатам эскизного проекта и фиксируется для дальнейшей разработки. Соответственно, определенной является стоимость основных составных частей. Любое снижение стоимости конструкции и вагона в целом, умноженное на количество выпущенных вагонов, является прибылью изготовителя. Поэтому, стоимость должна быть наименьшей. Таким образом, на этапе разработки конструкции вагона, задача оптимизации является многокритериальной и сводится к поиску конструктивных решений, при которых массы и стоимость минимальные.

 

Рк => min

Мк => min

Рк ≤ РкЭП

Мк ≤ MкЭП

Где Рк – стоимость кузова;

Мк - масса кузова;

РкЭП – максимальная стоимость кузова, определенная на этапе эскизного проекта;

MкЭП - максимальная масса кузова, определенная на этапе эскизного проекта.

 

Выбор рациональной конструкции производился из сформированного множества решений. Для кузова вагона-хоппера множество решений включает все технически возможные варианты конструктивного исполнения, соответствующие граничным условиям. Каждое решение имеет показатели массы и стоимости. При заданной геометрии, масса и стоимость кузова определяются конструктивной схемой и применяемыми материалами. По функциональному назначению кузов можно условно разделить на несколько блоков: емкость для груза, раму или полурамы с продольными балками и систему крепления емкости на раме (рис. 3). Каждый их этих блоков выполняет свои функции и воспринимает характерные нагрузки. Комбинации конструктивных схем образуют множество решений.

003.jpg
3 – Емкость для груза. 2 – Рама или полурамы. 3 – Соединение кузова с рамой.
Рис. 2 Функциональные блоки кузова.

Обзор Российских и зарубежных конструкций вагонов-аналогов и анализ передаваемых нагрузок позволил сформировать основные варианты конструктивного исполнения для каждого функционального блока (рис. 4, 5, 6).

004.jpg
1 - Кузов с плоскими каркасными боковыми стенами. 2 - Кузов с цилиндрическими боковыми стенами и диафрагмами.
Рис. 4 Основные конструктивные схемы емкости для груза.


005.jpg
1 - Рама с хребтовой балкой. 2 – Рама с боковыми продольными балками.
Рис. 5 Основные конструктивные схемы рамы.

006.jpg
1 – Соединение V образными раскосами четез торцевую стену и хребтовую балку. 2 – Соединение стойками через торцевую стену и шкворневую балку. 3- Соединение листом через наклоную часть торцевой стены, боковые стены и шкворневую балку. 4 – Соединение балочной фермой через наклонную часть торцевой стены и шкворневую балку. 5 – Соединение подкосами через наклонную и вертикальную части торцевой стены и хребтовую балку.

Рис. 6 Основные конструктивные схемы соединения емкости и рамы (полурам).

 

Следует отметить, что вагоны хопперы могут быть как крытые, так и открытые. Так как крыша является максимально облегченной конструкцией, защищающей груз от воздействия атмосферных осадков, прочность верхней части кузова обеспечивает верхняя обвязка боковой стены и поперечные диафрагмы или стяжки. Поэтому, при решении задачи выбора параметров несущей конструкции, открытые и закрытые кузова вагонов-хопперов имеют одинаковые конструктивные схемы.

Для сравнения можно использовать только равнопрочные варианты, то есть конструкции, соответствующие всем критериям прочности, но не обладающие повышенным ее запасом. Поэтому, для всех рассматриваемых основных конструктивных исполнений, были собраны компьютерные 3D модели, приложены лимитирующие сочетания нагрузок и подобраны толщины листов, а также сечения балок и профилей. В местах локального несоответствия показателям прочности, были введены дополнительные соединительные элементы, перераспределяющие напряжения и деформации. При компьютерном моделировании лимитирующих режимов нагружения, критериями соответствия являются запасы прочности ≥1, сопротивления усталости ≥1,8 и устойчивости сжатых элементов ≥1,6. В результате были получены равнопрочные варианты конструктивного исполнения кузова вагона-хоппера.

Отдельными оптимизационными задачами является определение количества балок в каркасной конструкции боковых и торцевых стен, стен бункеров и крыши. При увеличении количества балок может быть уменьшена толщина обшивки и толщина профиля балки, однако при этом возрастает длина сварных швов, увеличиваются сварочные деформации и возрастает себестоимость.

На этапе формирования множества решений для конструкции кузова можно рассматривать применение сталей повышенной прочности. Однако опыт проектирования вагонов-хопперов показывает, что в высоконагруженных зонах запас прочности и сопротивления усталости главным образом определяется сварными швами и не увеличивается при применении высокопрочных сталей. Толщины обшивки выбираются из условия обеспечения устойчивости и также не зависят от предела текучести материала. Поэтому, высокопрочные стали не нашли применение в данном типе вагонов. Применение сталей с повышенной коррозионной стойкостью было актуально до внедрения современных покрытий. Опыт эксплуатации показывает, что такие системы окраски обеспечивают надежную защиту поверхности от действия агрессивных минеральных удобрений без возникновения очагов коррозии в течении 8 лет до деповского ремонта. Целесообразность применения легких сплавов должна рассматриваться на этапе эскизного проекта, так как снижение массы будет составлять от 1 до 3 тонн и увеличение грузоподъемности надо компенсировать увеличением объема кузова.

 

Далее, для всех вариантов необходимо было определить значения показателей эффективности. Масса кузова определяется как сумма масс всех элементов, включая сварные швы и защитное покрытие.

Mкеркркрнсвокр

Где Mк – масса кузова;

Ме – масса емкости для груза;

Мр – масса рамы или полурам с продольными балками;

Мкр – масса крепления котла на раме;

Мкрн – масса кронштейнов;

Мсв – масса сварных швов;

Мокр – масса окраски и защитных покрытий.

 

Цена продажи вагона зависит от его основных технико-экономических показателей, которые формируется на этапе эскизного проекта. На этапе технического проекта формируется стоимость вагона. Так как экономический эффект равен разности цены продажи и стоимости, последняя должна быть минимально возможной. Стоимость вагона состоит из себестоимости, стоимости подготовки производства отнесенной на единицу продукции и прибыли предприятия-изготовителя в единице продукции.

Рв=Pcc+PппВ+П,

Где Pв – стоимость одного вагона;

Рсс – себестоимость одного вагона;

РппВ – стоимость подготовки производства, отнесенная к одному вагону из серии;

П – прибыль.

 

Приведенная зависимость показывает, что, для получения минимальной стоимости серийного вагона, из всех вариантов конструкций надо выбирать те, которые имеют наименьшую сумму приведенных затрат на производство и на подготовку производства. Таким образом, для решения этой задачи на этапе технического проекта было необходимо определить стоимость изготовления и стоимость подготовки производства. Однако, для сравнения вариантов конструкции и выбора наилучшего, нет необходимости в использовании абсолютно точных и детальных методик расчета стоимостных значений, достаточно приближенной качественной оценки. В то же время, методики должны учитывать влияние особенностей конструкции на определяемые показатели.

Для получения приближенной оценки экономических показателей вариантов конструкции вагонов-хопперов были использованы следующие зависимости:

Рссматкомплизг,

Где: Рмат – стоимость материалов,

Ркомпл – стоимость комплектующих;

Ризг – стоимость изготовления.

 

Себестоимость вагона зависит от стоимости материалов, комплектующих и изготовления. Основные комплектующие, такие как тележки, автосцепные устройства, тормозные системы, могу быть применены либо типовые, либо вновь разработанные. Решение о разработке новых комплектующих и их себестоимости принимается на этапе эскизного проекта. Поэтому, на этапе технического проекта стоимость основных комплектующих можно принимать как постоянную, кроме элементов загрузочного и разгрузочного устройств, которые разрабатываются одновременно с кузовом. Стоимость материалов определяется по формуле:

Рмат = ∑Pi*mi/Kисп,

Где: Рi – стоимость i-го материала;

mi – масса i-го материала

Kисп - коэффициент использования материала.

 

Так как основными материалами для кузова вагона-хоппера является сталь марки 09Г2С, а для помостов и переходных площадок Ст3, для снижения стоимости надо минимизировать общую массу конструкции, а также применение дорогостоящих материалов. Стоимость листовой стали и горячекатанных профилей из аналогичного материала как правило отличаются на 10 – 20 %. Опыт показывает, что предприятия, оснащенные гибочным оборудованием для изготовления профилей из листа, могут обеспечивать меньшую себестоимость продукции. Для повышения коэффициента использования материала следует уменьшать номенклатуру используемых листов и профилей.

 

Ризг = Рзагсвсбок,

где Рзаг – стоимость резки, гибки и транспортировки деталей к месту сборки;

Рсв – стоимость сборки и сварки основных сборочных единиц и кузова в целом;

Рм – стоимость монтажа кузова, загрузочного и разгрузочного устройств, тележек, тормозной системы, автосцепных устройств, помостов и площадок;

Рок – стоимость окраски.

 

Наибольшее влияние конструкция кузова оказывает на стоимость изготовления. Основными факторами является количество деталей, и особенно длина и катеты сварных швов, а также возможность применения автоматической сварки.

Стоимость подготовки производства также зависит от конструкции вагона. Технические решения определяют возможность использования существующего технологического оборудования и объемом дооснащения либо необходимостью создания новой технологической линии. Отличительной особенностью затрат на подготовку производства является то, что инвестиции проводятся до начала изготовления продукции и возвращаются в течении нескольких лет, за которые реализуется серия вагонов. Поэтому, в формуле для расчета учтены проценты по кредиту, сроки возврата инвестиций и планируемое количество реализованной продукции.

РппВ=(Рпп*(1+R*N/2)/n;

Где Рпп – стоимость подготовки производства;

R – ставка процента по кредиту на подготовку производства;

N – срок кредитования в годах;

n – количество вагонов, запланированное к выпуску.

 

Стоимость подготовки производства в цене вагона снижается при увеличении размера выпущенной серии. Наиболее эффективный путь увеличения количества изготовленных вагонов - постановка на производства модельного ряда, собираемого на одном технологическом оборудовании. Тогда затраты на подготовку производства будут разделены на большее количество продукции.

 

В приведенных зависимостях содержится достаточно много данных, необходимых для оценки себестоимости каждого варианта конструкции. Однако, разработчик, как правило, не имеет полного перечня используемых для расчета экономических показателей. Есть два способа получения необходимых значений. Первый способ – запросить у изготовителя, для которого выполняется разработка. Второй – проанализировать известные значения составляющих себестоимости для ранее разработанных вагонов, определить отличия в конструкции и пропорционально пересчитать экономические показатели для новой конструкции.

 

В качестве примера приведем выполненное в 2013-2014 годах обоснование конструкции вагона-хоппера для перевозки зерна. На этапе эскизного проекта были определены основные технико-экономические показатели: объем кузова 120 м3, грузоподъемность не менее 76,5 т, межремонтные нормативы 500 тыс. км. На этапе технического проекта рассматривались более 30 различных вариантов, принципиально отличающихся схемами кузовов с плоскими каркасными или цилиндрическими стенами и поперечными диафрагмами, применением горячекатаных профилей стороннего производства или гнутых собственного изготовления, а также рамой с хребтовой или с несущими боковыми балками. Для всех вариантов была выполнена оценка массы и стоимости (рис. 8).

008.jpg
Рис. 8 Сравнение составляющих стоимости вагонов-хопперов различной конструкции

 

Анализ результатов показал, что равнопрочная конструкция с боковыми несущими балками и цилиндрическими стенами на 500 – 600 кг тяжелее из-за увеличенной толщины обшивки боковых стен для предотвращения потери устойчивости и необходимости установки раскосов в раме для передачи нагрузки на боковые балки. Соответственно возросла стоимость материалов. Стоимость материалов для конструкции, использующей горячекатаные прокатные профили, также больше по причине их увеличенной цены, по сравнению с использованием гнутых профилей. Также на 50-100 кг больше масса тары, так как гнутые профили позволяют подбирать их оптимальное сечение. Стоимость изготовления кузова с цилиндрическими стенами и внутренними диафрагмами меньше, так как существенно меньше длина сварных швов и количество деталей. Стоимость изготовления кузова с гнутыми балками больше, чем при применении покупных катанных профилей.

При анализе затрат на подготовку производства привлеченные к проекту конструкторы, экономисты и производственные технологи учитывали, что, для обеспечения объема продаж продукции при любом изменении состояния рынка, целесообразно иметь модельную линейку, включающую как хоппер для зерна, так и вагоны для минеральных удобрений и для цемента. Конструкции вагонов должны быть аналогичными и отличаться объемом кузова. Конструктивная схема с плоскими стенами позволяла разработать все три типа вагона, при этом кузова разного объема могли изготавливаться на одной технологической линии. Схема с цилиндрическими стенами не позволяла получить необходимый объем перевозимого груза для вагона-хоппера при массе брутто вагона 100 тонн и ограниченной высоте загрузочных эстакад. Поэтому, для варианта с цилиндрическими стенами стоимость подготовки производства распределяется на меньшую партию вагонов. В результате, наименьшая стоимость подготовки производства была получена для вагона с плоскими стенами и покупными профилями. Для варианта с гнутыми стойками собственного изготовления цена больше на стоимость комплекта оснастки.

В результате была обоснована конструкция вагона-хоппера для перевозки зерна с плоскими боковыми стенами, хребтовой балкой и профилями собственного производства. Опытный образец прошел цикл предварительных, приемочных и сертификационных испытаний. Для крупносерийного производства была укомплектована и запущена специализированная технологическая линия, позволяющая выпускать вагоны-хопперы с выбранной конструктивной схемой и объемом от 69 м3 до 120 м3.

 

В 2012-2014 годах был выполнен комплекс исследовательских и прикладных работ, по обоснованию конструкции вагонов-хопперов для перевозки зерна. В результате сформирована методика выбора параметров подвижного состава нового поколения на этапе технического проекта, использующая оптимизацию решения. В качестве критериев эффективности при разработке конструкции обосновано применение показателей массы и стоимости. Анализ методики расчетного моделирования силовых воздействий на конструкцию позволил определить лимитирующие режимы нагружения, что сократило трудоемкость выбора параметров.

Одним из важных выводов проделанной работы является заключение о том, что на этапе эскизного проекта вагона формируются показатели, определяющие его рыночную привлекательность и цену продажи. На этапе технического проекта формируется стоимость производства продукции.

Савушкина Юлия Викторовна, кандидат экономических наук

Первые лица

В раздел →

Новости

Все новости →

Мероприятия

В раздел →