3. Оценка методики проектирования кузова вагона.
Рассмотренный процесс оптимизации применили к кузову крытого грузового вагона производства Алтайского вагоностроительного завода. По разработанной методике оптимального проектирования выполнен оптимизационный расчет кузова вагона. Оптимизированные геометрические характеристики сечений элементов представлены в табл.1.
При таких характеристиках максимальные напряжения во всех несущих элементах от сочетания нагрузок по первому и третьему режимам не превышают допустимые.
Оптимизация показывает, что могут быть облегчены дуги крыши, угловые стойки, отдельные поперечные балки рамы, раскос и продольные балочки для настила пола. Одновременно нуждаются в усилении по сравнению с аналогичными элементами серийного вагона стойки боковой и торцевой стен, шкворневая и дверная поперечные балки рамы. Необходимы также предусмотреть усиление верхней и нижней обвязок боковых стен в концевых частях кузова. Таким образом, можно рекомендовать для использования при проектировании кузова крытого грузового вагона приведенные в табл.1 оптимизированные характеристики.
Табл. 1. Оптимизированные геометрические характеристики сечений элементов
|
Наименование элемента |
Площадь поперечного сечения
|
Моменты инерции ось х
|
Моменты инерции ось у
|
Моменты сопротивления ось х
|
Моменты сопротивления ось у
|
|
Дуга крыши |
3,3 |
11,3 |
7,5 |
4,9 |
2,2 |
|
Стойка угловая |
6,3 |
43,4 |
43,4 |
20,3 |
20,3 |
|
Стойка шкворневая |
22 |
213 |
624 |
44 |
56 |
|
Стойка дверная |
23,8 |
366 |
677 |
68 |
58 |
|
Шкворневая балка |
147,2 |
31148 |
32480 |
1887 |
1181 |
|
Балка дверная |
45,3 |
8465 |
600 |
528 |
74,6 |
|
Продольная балочка рамы |
7,7 |
152 |
16 |
26,1 |
4,1 |
|
Раскос рамы |
8,4 |
156 |
16,6 |
28,4 |
4,2 |
В табл.2 приведены результаты по определению оптимальных параметров сечений несущих элементов кузова четырехосного полувагона с несущими торцовыми стенами. Анализ результатов оптимизации показывает, что нуждаются в усилении шкворневая балка и средняя стойка. В то же время отдельные элементы в оптимальном варианте имеют меньшую площадь поперечного сечения, чем у серийного вагона. К ним относится хребтовая, передняя и промежуточные поперечные балки рамы. При этом расчетная масса кузова в оптимальном варианте получается меньшей.
Табл. 2. Оптимальные параметры сечений несущих элементов кузова четырехосного полувагона с несущими торцовыми стенами
|
Наименование элемента |
Площадь поперечного сечения
|
Моменты инерции ось х
|
Моменты инерции ось у
|
Моменты сопротивления ось х
|
Моменты сопротивления ось у
|
|
Хребтовая балка |
142 |
32600 |
1975 |
- |
- |
|
Передняя балка |
84 |
32801 |
1779 |
10573 |
423 |
|
шкворневая балка |
152 |
69880 |
2263 |
21171 |
960 |
|
Средняя поперечная балка |
34 |
4978 |
333 |
684 |
59 |
|
Шкворневая стойка |
57 |
818 |
117 |
1425 |
114 |
|
Промежуточная стойка |
57 |
818 |
117 |
1425 |
114 |
|
Средняя стойка |
80 |
1138 |
165 |
1987 |
159 |
Одним из важных факторов, влияющим на надежность, является, как уже отмечалось, коррозия. В нормах проектирования вагонов этот фактор учитывается путем нормирования минимальных толщин несущих элементов. Однако кроме равномерной общей коррозии возникает и местная очаговая. При сквозной очаговой коррозии по кромкам возникают трещиноподобные дефекты, которые могут превращаться в трещину значительной длины, возникают коррозионно-усталостные трещины.
Чтобы устранить отказы, связанные с коррозионно-усталостными трещинами, необходимо путем оптимального проектирования обеспечивать условия, при которых трещиноподобные дефекты не развиваются. Для этого необходимо определить зоны, где возникают максимальные растягивающие напряжения, и предусмотреть в них усиления так, чтобы коэффициент интенсивности напряжений не превышал порогового значения.
Предлагается следующая методика оптимизации. Выбирается вагон-аналог, выполняется расчет, в несущих элементах определяются коэффициенты запаса прочности и устойчивости. Для зон кузова, где возникают максимальные растягивающие напряжения, предполагается появление коррозионных повреждений в виде трещиноподобных дефектов. Для этих зон определяются коэффициенты запаса живучести. Изменяются размеры поперечных сечений несущих элементов так, чтобы наименьший коэффициент запаса был близок к единице. При этом учитываются регламентированные нормами проектирования минимальные толщины. Повторяется расчет кузова при новых размерах несущих элементов, и вновь изменяются размеры сечений. По окончании итерационного процесса ЭВМ выдает оптимальные размеры.
При оптимизации учитываются наиболее повреждаемые коррозией зоны крытого грузового вагона: листы крыши в зоне загрузочных люков, обшивка в местах соединения с верхней обвязкой, обшивка боковых стен у вентиляционных люков, пороги дверей, боковые балки рамы в зоне дверных проемов, дверные стойки в месте приварки к боковым балкам рамы, верхние полки балок рамы. У полувагонов трещины коррозионно-усталостного характера возникают в нижней части кузова, в том числе в узлах соединения стоек боковых стен и балок рамы.