Оценка прочности надрессорной балки тележки пассажирского вагона



В данной работе представлены результаты оценки прочности надрессорной балки тележки пассажирского вагона. Прочность надрессорной балки оценивалась при трех расчетных режимах. Расчет производился методом конечных элементов с использованием инженерного программного продукта. Для расчета была создана конечно-элементная модель надрессорной балки пассажирской тележки. В результате проведенного расчета на прочность установлено, что прочность при всех расчетных режимах удовлетворяет требованиям норм.

Ключевые слова: прочность, оценка, тележка, вагон, надрессорная балка, расчет, режим, метод конечных элементов, нагрузка, соударение, деформация.

В настоящее время в пассажирском вагоностроении Республики Узбекистан ведутся работы по модернизации и совершенствованию конструкций пассажирских вагонов и повышению уровня их безопасности при движении поездов [1–7]. В процессе модернизации пассажирского вагона необходимо проверить соответствие прочностных характеристик их конструкций установленным требованиям, которые содержат критерии оценки прочности конструкции [8–10]. Поэтому оценка прочности надрессорной балки тележки модели 68–908 пассажирского вагона модели 61–907 является актуальной.

Прочность надрессорной балки в соответствии с требованиями [11] оценивалась при трех расчетных режимах. По первому расчетному режиму рассматривается относительно редкое сочетание экстремальных нагрузок. Основное требование при расчете на прочность по этому режиму — не допустить появление остаточных деформаций в узле или детали. Второй режим соответствует движению пассажирского вагона, включенного в состав грузового поезда, на расчетном подъеме. По третьему расчетному режиму рассматривается относительно частое возможное сочетание умеренных по величине нагрузок, характерное для нормальной работы вагона в движущемся поезде. Основное требование при расчете по этому режиму — не допустить усталостного разрушения узла или детали. В условиях эксплуатации, третий расчетный режим соответствует случаю движения вагона в составе поезда по прямым и кривым участкам пути, стрелочным переводам с допускаемой скоростью, вплоть до конструкционной. Исходные данные для расчета надрессорной балки тележки пассажирского вагона приведены в таблице 1.

Таблица 1

Исходные данные для расчета надрессорной балки тележки пассажирского вагона

Наименование параметра	Величина
Масса тележки, т	7,45
Расстояние от ЦТ загруженного кузова до оси автосцепок, м	1,1
Масса вагона брутто (максимальная), т	72
Масса загруженного кузова вагона (максимальная), т	57,5
База вагона, м	17
Зазор между вертикальными скользунами надрессорной балки и тележки, м	0,01
Конструкционная скорость, км/ч	160

Материал и допускаемые напряжения надрессорной балки тележки, принимаемые в соответствии с [11], приведены в таблице 2.

Таблица 2

Материал и допускаемые напряжения надрессорной балки тележки

Наименование элемента конструкции	Марка стали	Допускаемые напряжения, МПа
		I режим (удар)	II режим (рывок)	III режим (удар, рывок)
Надрессорная балка тележки	325–09Г2С ГОСТ 19281–89	276	276	180

В соответствии с [11], для всех сталей модуль упругости принимался равным 2,1·105 МПа, коэффициент Пуассона принимается равным 0,3.

Расчет производился методом конечных элементов с использованием конечно-элементного пакета SolidWorks 2021 [12–15]. Для расчета была создана конечно-элементная модель надрессорной балки пассажирской тележки. Элементы балки имитировались объемными параболическими конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле.

В модели имитировались верхние и нижние опорные поверхности рессорных комплектов центрального подвешивания. Нижние опорные поверхности рессорных комплектов закреплялись от поперечных и вертикальных перемещений. От продольных перемещений модель надрессорной балки закреплялась в пятнике. Общий вид расчетной модели и вид конечно-элементной модели надрессорной балки пассажирской тележки показаны на рисунке 1. Вид приложения кинематических и силовых граничных условий, приложенных к модели надрессорной балки тележки при трех расчетных режимах, представлен на рисунке 2.

Рис. 1. Общий вид расчетной модели ( а ) и конечно-элементной модели ( б ) надрессорной балки пассажирской тележки

Рис. 2. Общий вид приложения кинематических и силовых граничных условий к модели надрессорной балки пассажирской тележки при первом ( а ), втором ( а ) и третьем ( б ) расчетных режимах

Сочетание нагрузок, действующих на надрессорную балку тележки пассажирского вагона при всех расчетных режимах, определяется в соответствии с [11, 16].

При расчете по первому расчетному режиму принималось следующее сочетание нагрузок, действующих на надрессорную балку тележки пассажирского вагона: сила тяжести брутто, складывающаяся из собственного веса кузова, веса установленного на кузове оборудования и веса пассажиров с багажом, а также дополнительная вертикальная сила, определяемая по формуле (1); продольное ускорение, определяемое по формуле (2).

Дополнительная вертикальная сила, приложенная к подпятнику, определялась по формуле:

, (1)

где N — продольная расчетная сила, принимаемая согласно [11] для первого расчетного режима 2,5 МН, для второго — 1,5 МН, для третьего — 1 МН;

h _k — расстояние от центра тяжести загруженного кузова до оси автосцепки;

2l — база вагона; Q _k — масса загруженного вагона; Q _бр — масса вагона брутто.

Продольное ускорение определялось согласно формуле:

, (2)

где N — продольная сила, приложенная по оси автосцепки в соответствии с расчетным режимом согласно [11]; m _бр — масса вагона брутто.

При расчетах учитывалось, что продольная сила инерции частично передается через поводки. Величина части продольной силы, передаваемой через поводки, определяется путем умножения жесткости поводка на зазор между вертикальными скользунами надрессорной балки и тележки.

При расчете по второму расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок, действующих на надрессорную балку тележки пассажирского вагона: сила тяжести от тары вагона, а также дополнительная вертикальная сила, определяемая по формуле (1); продольное ускорение, определяемое по формуле (2).

При расчете по третьему расчетному режиму принимается следующее сочетание нагрузок, действующих на надрессорную балку тележки пассажирского вагона: сила тяжести брутто, складывающаяся из собственного веса кузова, веса установленного на кузове оборудования и веса пассажиров с багажом, а также дополнительной вертикальной силы, приложенной к подпятнику, определяемой по формуле (1); вертикальная динамическая нагрузка; боковая сила, возникающая при движении вагона в кривых участках пути, принимаемая согласно [11] 10 % от силы тяжести брутто.

В результате расчета были получены эквивалентные напряжения, возникающие в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетных режимах.

Значения величин, полученных по расчетным формулам, приведены в таблице 3.

Оценка прочности в соответствии с «Нормами» производилась по эквивалентным напряжениям, вычисляемым по теории Мизеса. Эквивалентные напряжения, по теории Мизеса, возникающие в надрессорной балке пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетным режимам, приведены в таблице 4.

Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетных режимах показаны на рисунках 3–5.

Таблица 3

Значения величин, полученных по расчетным формулам

Величина	I режим	II режим	III режим
Кдв		0,22	0,33
Вертикальная сила, действующая на надрессоорную балку, Н	411225	392511	447377
Боковая сила, Н	–	–	28204
Ускорение, приложенное к надрессорной балке тележки, м/с 2 по оси Y по оси Z по оси X	9,81 34,72	11,97 22,39	13,05 0,981 13,89

Таблица 4

Максимальные эквивалентные напряжения, по теории Мизеса, возникающие в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при первом, втором и третьем расчетным режимам

Наименование элемента	Максимальные эквивалентные напряжения, МПа	Допускаемые напряжения, МПа
I расчетный режим
Верхний лист надрессорной балки	145	276
Нижний лист надрессорной балки	150	276
Кронштейн скользуна	96	276
II расчетный режим
Верхний лист надрессорной балки	138	276
Нижний лист надрессорной балки	147	276
Кронштейн скользуна	93	276
III расчетный режим
Верхний лист надрессорной балки	165	180
Нижний лист надрессорной балки	170	180
Кронштейн скользуна	120	180

Рис. 3. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при I расчетном режиме, Па

Рис. 4. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при II расчетном режиме, Па

Рис. 5. Поля распределения эквивалентных напряжений в элементах надрессорной балки пассажирской тележки при III расчетном режиме, Па

В результате проведенного расчета на прочность надрессорной балки пассажирской тележки установлено, что прочность при всех расчетных режимах удовлетворяет требованиям [11]. При этом получены следующие результаты: при первом расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют: 150 МПа (54,35 % от допускаемых); при втором расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют 147 МПа (53,26 % от допускаемых); при третьем расчетном режиме максимальные эквивалентные напряжения составляют 170 МПа (94,44 % от допускаемых).

Литература:

1. Рахимов Р. В. Первый узбекский пассажирский вагон дальнего следования / Р. В. Рахимов // Тяжелое машиностроение. — 2010. — № 6. — С. 34–35.
2. Миноваров Р. М. Пассажирские вагоны постройки Республики Узбекистан / Р. М. Миноваров, Р. В. Рахимов // Вестник ТашИИТ. — Ташкент, 2009. — № 3–4. — C. 40–45.
3. Рахимов Р. В. Новый пассажирский вагон купейного типа для железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Известия ПГУПС. — 2010. — № 2. — С. 286–295.
4. Рахимов Р. В. Новые тележки для пассажирских вагонов производства Ташкентского завода по строительству и ремонту пассажирских вагонов / Р. В. Рахимов, С. В. Хохлов // Известия ПГУПС. — 2010. — № 3. — С. 157–165.
5. Бороненко Ю. П. Оценка потребности в новых пассажирских вагонах для железных дорог Узбекистана и основные направления их совершенствования / Ю. П. Бороненко, Р. В. Рахимов // Вестник ТашИИТ. — Ташкент, 2009. — № 2. — С. 88–91.
6. Рахимов Р. В. Разработка нового пассажирского вагона для железных дорог Узбекистана / Р. В. Рахимов // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». — СПб.: ПГУПС, 2009. — С. 150–153.
7. Рахимов Р. В. Совершенствование конструкции пассажирской тележки с люлечным подвешиванием модели 68–909 и 68–908 / Р. В. Рахимов, С. В. Хохлов // Материалы VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты». — СПб.: ПГУПС, 2009. — С. 204–205.
8. Рахимов Р. В. Ходовые части вагонов. Учебное пособие. — Ташкент: Узбекистан, 2018. — 200 с.
9. Рахимов Р. В. Оценка ходовых качеств нового пассажирского вагона модели 61–920 производства Республики Узбекистан / Р. В. Рахимов // Проблемы механики. — 2015. — № 2. — С. 53–56.
10. Цыганская Л. В., Таничева Н. А., Рахимов Р. В. Автоматизированное проектирование подвижного состава. Учебное пособие. Часть 1. — СПб.: ПГУПС, 2021. — 83 с.
11. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). — Введ. 01.10.1984. — М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1983. — 260 с.
12. Ергашев З. З. Внедрение цифрового прототипа на вагоностроительные предприятия Узбекистана / З. З. Ергашев, Р. В. Рахимов, Ф. С. Галимова // Вестник ТашИИТ. — 2014. — № 2/3. — С. 43–46.
13. Raximov R. V. Introduction of modern technologies in the enterprise SJSRC “O’zbekiston temir yo’llari” / R. V. Raximov, F. S. Galimova // Bulletin of Tashkent State Technical University. — 2015. — No 3. — P. 159–164.
14. Рахимов Р. В. Прогрессивные технологии для развития межгосударственных железнодорожных перевозок / Р. В. Рахимов, Ф. С. Галимова // Educatio. — 2015. — № 8 (15). — С. 86–88.
15. Рахимов Р. В. “Ўзбекистон темир йўллари” АЖ корхоналарида янги вагонларни қуришда рақамли прототип технологиясини тадбиқ этиш / Р. В. Рахимов, Д. Н. Заирова // Вестник ТашИИТ. — 2015. — № 3/4. — С. 54–60.
16. Программа для определения величин расчетных нагрузок, действующих на надрессорную балку тележки грузового вагона: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020619247 от 13.08.2020 Российская Федерация / Ш. Х. Султонов, Р. В. Рахимов, Я. О. Рузметов, В. П. Бубнов; заявл. № 2020618401 от 29.07.2020; опубл. 13.08.2020; бюл. № 8.