Модель термонагруженности вагона-термоса для транспортировки горячих металлургических заготовок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Транспортный факультет

Кафедра автомобильного транспорта

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Общий курс транспорта»

ОГУ 230301.62.5014.230. Р

Руководитель проекта: ст. преподаватель, к.т.н.,

С.Ю. Коваленко

Исполнитель: студент группы 14ттп(б)оп

А.Н. Сейтжанов

Оренбург 2014



Задание на курсовую работу

Исходные данные: 1. Статья «Региональная специфика и методические направления рационализации системы общественного пассажирского автомобильного транспорта (на примере Ханты-Мансийского автономного округа - Югры)» из журнала «Грузовое и пассажирское автохозяйство», №9, 2014 (с. 33 - 37).

2. Статья «Модель термонагруженности вагона-термоса для транспортировки горячих металлургических заготовок» из журнала «Транспорт Урала», №2 (41), 2014 (с. 33 - 37).

Перечень подлежащих разработке вопросов:

а) оформление текста в соответствии с СТО 02069024.101-2010.

Перечень графического материала:

Таблицы, графики, рисунки, схемы, формулы.

Дата выдачи задания «__»______________2014 г.

Руководитель

старший преподаватель С.Ю. Коваленко

Исполнитель

студент группы 14 ТТП(б)ОП А.Н. Сейтжанов

Срок защиты работы «__»______________2014 г.

пассажирский автомобильный вагон термос



1 Региональная специфика и методические направления рационализации системы общественного пассажирского автомобильного транспорта (на примере Ханты-Мансийского автономного округа - Югры)

1.1 Анализ региональной специфики

Общественный пассажирский автомобильный транспорт играет в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) - Югре округе лидирующую роль по объему пассажирских перевозок, во много раз опережая другие виды транспорта.

Однако региональная транспортная отрасль характеризуется существенным износом основных производственных фондов. Действующие финансово-экономические механизмы воспроизводства основных фондов и инновационного развития не в полной мере адаптированы к особенностям транспортной отрасли, что оказывает негативное влияние на экономическое развитие автономного округа. По итогам 2013 года в автономном округе зарегистрировано 19 тыс. ед. автобусов. Перевозку пассажиров автомобильным транспортом выполняют 17 организаций автомобильного пассажирского транспорта и более 100 индивидуальных предпринимателей. Организации автомобильного пассажирского транспорта обеспечивают перевозки по 253 социально значимым маршрутам, в том числе по 142 городским и внутрирайонным и 111 межмуниципальным и пригородным маршрутам. Годовой пассажирооборот автомобильным транспортом составляет более 342 млн пассажиро-километров, годовой объем перевозок пассажиров - более 41,3 млн пассажиров.

Основными проблемами выполнения пассажирских перевозок общественным автомобильным транспортам в регионе являются:

а) высокий износ автобусного варка. К концу 2013 года средний износ автобусов составил более 78%, в этой группе находится 313 автобусов большого класса с износом 100%. Дальнейшая негативная диспропорция между темпами обновления автобусного парка и его старения ведет к снижению уровня безопасности и качества перевозки пассажиров. Если не изменить эту диспропорцию, то последующий процесс массового выхода пассажирского подвижного состава из эксплуатации приведет к дальнейшему снижению уровня удовлетворения потребности населения в перевозках по социальным маршрутам;

б) высокий уровень расходов и низкая доходность пассажирских перевозок. Следует отметить убыточность финансово-хозяйственной деятельности предприятий, обеспечивающих пассажирские перевозки на социальных маршрутах в автономном округе. Так, по итогам работы за 2012 и 2013 годы суммарные убытки по пассажирским перевозкам превысили 3 млрд руб.;

Причинами указанных проблем являются:

- отсутствие противозатратных механизмов в сфере как обновления и использования основных средств, так и перевозок пассажиров общественным автомобильным транспортом (ППОАТ).

- недостатки системы бюджетного субсидирования процессов ППОАТ.

- отсутствие эффективной системы управления процессами выполнения пассажирских перевозок, системы управления качеством и комплексного контроля за этими процессами на маршрутах со стороны организаторов перевозок.

- кадровые проблемы состава водителей и специалистов.

- неразвитость инфраструктуры, обеспечивающей сферу ППОАТ.

- недостаточный уровень конкуренции в сфере специализированных унитарных и муниципальных предприятий.

- недостаточно эффективное взаимодействие власти и бизнеса направлении повышения уровня привлекательности сферы ППОАТ для инвесторов.



1.2 Методические направления рационализации региональной системы общественного пассажирского автомобильного транспорта

Выявленные причины основных проблем выполнения пассажирских перевозок автомобильным транспортом в регионе ХМАО - Югра позволяют сформулировать методические направления рационализации системы общественного пассажирского автомобильного транспорта в регионе. Предлагаемые методические направления указанной рационализации вытекают из выявленных причин, нацелены на снижение роли и устранение конкретных причин, порождающих указанные проблемы. Концептуально их суть в следующем:

- внедрение противозатратных механизмов в сфере обновления и использования основных средств:

- совершенствование действующих процедур амортизации с целью увеличения объемов инвестиций для обновления основных средств транспортных предприятий.

Учреждение муниципальными и региональной администрациями специализированных лизинговых компаний. Эта мера позволит: во-первых, обеспечить переадресование бюджетных средств, направляемых в настоящее время на закупку подвижного состава для автотранспортных предприятий, в сферу долевого участия (совместно с автотранспортными предприятиями) в погашении лизинговых платежей (распределенных во времени); во-вторых, расширить инвестиционные возможности предприятий, дополнив низкоэффективный амортизационный механизм автотранспортных предприятий адекватным механизмом лизинговых договорных платежей с государственным участием; в-третьих, получить возможность частичного возврата в бюджет финансовых средств, направленных администрациями муниципалитетов и региона на приобретение подвижного состава, посредством договорных процедур с лизинговыми компаниями и автотранспортными предприятиями; в-четвертых, повысить ответственность автотранспортных предприятий в области ресурсосбережения при оценке потребности в подвижном составе с точки зрения внедрения передовых технологий перевозок и, соответственно, выбора оптимального ассортимента приобретаемого подвижного состава; в-пятых, уменьшить налоговую нагрузку на автотранспортные предприятия, так как лизинговое имущество не числится у лизингополучателя на его балансе, что не увеличивает активы и освобождает его от уплаты налога на это имущество. Как известно, лизинговые платежи относятся на себестоимость и снижают налогооблагаемую прибыль.

Внедрение противозатратных механизмов в сфере перевозок пассажиров общественным автомобильным транспортом:

Основным критерием противозатратного подхода к процессу перевозок пассажиров общественным автомобильным транспортом предлагается рассматривать максимальное увеличение эффективности (Э) выполняемых транспортных услуг по ППОАТ. Формально этот критерий можно представить в виде:

(1.1)

где - суммарный объём транспортных услуг по перевозке пассажиров, выполненный i единицами подвижного состава (в пассажиро- километрах), являющейся функцией рационального использования транспортных средств (R) в смысле выбора оптимальной загрузки автобусов, экономии расхода топлива и минимизации возможных простоев по объективным причинам;

- суммарные затраты (тыс. руб.) по j статьям расходов, основными из которых являются: основная зарплата, накладные расходы, ремонт и техническое обслуживание подвижного состава, амортизация основных фондов, ремонт и замена шин.

Проведение реструктуризации ГУП и МУП в акционерные компании с целью расширения источников капитализации компаний и включения противозатратных механизмов путем внедрения систем мотивации персонала предприятий за экономию и рационализацию в виде различных бонусов.

Проведение рациональной тарифной политики.

Внедрение ресурсосберегающих передовых технологий организации перевозок и нормативов, обеспечивающих интенсивное развитие производственной деятельности.

Привлечение на маршруты частных перевозчиков.

Введение контрактных условий на проведение конкурсов должно базироваться на концепции ресурсосбережения, а расходы на конкурсные процедуры необходимо нормировать.

Углубление детализации методов планирования, учета и анализа рентабельности перевозок до уровня отдельных маршрутов.

Рационализация системы бюджетного субсидирования процессов ППОАТ. Перевозки пассажиров общественным автомобильным транспортом являются ярко выраженной социально-ориентированной сферой деятельности, в связи с чем на практике роль субсидирования деятельности общественного автомобильного транспорта оказалась определяющей в обеспечении жизнеспособности отрасли. Субсидирование пассажирских перевозок позволяет компенсировать убытки и, соответственно, обеспечивать надежность и безопасность по основным социально значимым маршрутам. Тем не менее объем выделяемых бюджетных средств недостаточен. При этом известны недостатки существующей системы субсидирования ППОАТ. Представляется методически логичным использовать способ увеличения объемов субсидирования путем установления взаимосвязи между темпом увеличения этих объемов и динамикой показателя регионального экономического роста, что обосновывается глубокой социальной ориентацией отрасли общественного автомобильного пассажирского транспорта и хронической убыточностью этой отрасли. Таким образом, предлагается методически обеспечить увеличение объемов субсидирования этой отрасли, не отстающее от значений показателей регионального экономического роста. Для решения поставленной задачи предлагается ввести следующий критерий бюджетного субсидирования региональных пассажирских перевозок общественным автомобильным транспортом, заключающийся в подъеме уровня субсидирования пассажирских перевозок в соответствии с темпом регионального экономического роста:

(1.2)

где - минимальный уровень бюджетного субсидирования региональных пассажирских перевозок общественным автомобильным транспортом, который необходимо достичь в прогнозируемом периоде (году);

- существующий уровень бюджетного субсидирования региональных пассажирских перевозок общественным автомобильным транспортом (в текущем году);

- достигнутый в текущем году годовой прирост величины валового регионального продукта (%);

Ки >1 - коэффициент, позволяющий ориентироваться на более высокие значения уровня бюджетного субсидирования, учитывающие потери от фактической инфляции.

Предложенный критерий основывается на допущении, что минимальный прирост уровня бюджетного субсидирования региональных пассажирских перевозок общественным автомобильным транспортом в прогнозируемом периоде не должен быть ниже прироста валового регионального продукта за предыдущий период.

Рационализация системы управления процессами выполнения пассажирских перевозок и комплексного контроля за этими процессами на маршрутах, со стороны организаторов перевозок осуществляется с целью обеспечения: во-первых, гарантированного выполнение транспортными организациями и индивидуальные предпринимателями условий государственных и муниципальных контрактов в сферах графиков движения, скоростного режима, загрузки автобусов, расхода топлива, сбора выручки и безопасности перевозок; во-вторых, оптимизации и интенсификации производственных процессов предприятия общественного автомобильного транспорта; в-третьих, создания системы управления качеством предоставления услуг перевозчиками.

Основным направлением подобной рационализации системы управления является:

- создание оперативной автоматизированной подсистемы управления, которая позволит диспетчерским и управленческим службам автотранспортного предприятия иметь в реальном масштабе времени любую оперативную актуальную информацию в необходимых разрезах, касающуюся его функционирования, позволяющую: фиксировать физическое перемещение автобусов, оценивать динамику заполняемости автобусов по маршруту, техническое состояние подвижного состава и т. п.

- создание производственно - экономической автоматизированной подсистемы управления позволит в интерактивном режиме формировать и получать все виды соответствующей информации из производственно-экономических служб, находящихся на различных уровнях управления: технико-экономические показатели, нормативы, состояние ремонтной базы и производственного процесса, кадровую, складскую службы и т. п., что приведет к интенсификации производственных процессов транспортного предприятия.

- создание автоматизированной подсистемы управления качеством предусматривает: разработку и контроль выполнения стандартов качества предоставляемых услуг в автоматизированном режиме; сбор статистической информации о наличии и использовании подвижного состава специальной конструкции с устройствами для посадки инвалидов; внедрение задачи, оценивающей вклад мероприятий по улучшению качества услуг в общие экономические результаты деятельности автотранспортного предприятия.

Решение кадровых проблем состава водителей и специалистов требует:

- методического и практического развития системы подготовки кадров.

- дополнения существующей системы оплаты труда механизмом, стимулирующим ресурсосбережение и повышение качества труда по принципу «сэкономил, сделал качественно - получи бонус».

- соблюдения режимов труда и отдыха водителей и приобретения подвижного состава с улучшенной эргономикой рабочего места водителя.

- нормирования системы требований к кадрам основных профессий на автотранспортных предприятиях.

Развитие инфраструктуры, в рамках которой функционирует ППОАТ, методически реализуется путем:

- обеспечения равноправного доступа перевозчиков к объектам инфраструктуры, закрепленного местным законодательством и договорными отношениями.

- стимулирования процессов выделения сервисных производств в структуры, обладающие юридической и коммерческой самостоятельностью.

- обеспечения технологического развития объектов инфраструктуры.

Развитие уровня конкуренции в сфере специализированных унитарных и муниципальных предприятий необходимо обеспечивать путем:

- организационного преобразования ГУП и МУП в хозяйственные общества при сохранении контроля со стороны городских и муниципальных администраций.

- создания нормативной базы требований к участникам конкурса на получение контрактов.

- создания системы требований к подвижному составу перевозчиков всех форм собственности и контроля за выполнением установленных требований.

Для повышения эффективности взаимодействия власти и бизнеса в направлении повышения уровня привлекательности сферы ППОАТ для инвесторов необходимо законодательным путем создать систему, обеспечивающую комфортную деловую среду для инвесторов, позволяющую на практике ощутить позитивные перспективы вложения инвестиций в сферу ППОАТ (различные формы частно-государственного партнерства, льготные режимы налогообложения, землепользования и др.), при этом необходимо гарантировать инвесторам длительную стабильность принятой законодательной базы.

Реализация сформулированных выше методических направлений рационализации системы общественного пассажирского автомобильного транспорта может быть полезной не только для Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, но и для других регионов России.

2 Модель термонагруженности вагона-термоса для транспортировки горячих металлургических заготовок

2.1 Объект исследования и условия эксплуатации

Вагон - термос (рисунок 2.1) состоит из платформы, на которую укладываются заготовки температурой до 1000°С, и колпака с термоизоляционными элементами из промышленного фетра. По технологии, применяемой на металлургических заводах, после укладки горячих заготовок на платформу устанавливают колпак. Вагоны выкатывают за пределы цеха, где они находятся около 20-24 ч. В результате температура заготовок снижается до 300°С, происходит отпуск металла. Затем заготовки подвергают дальнейшей обработке в соответствии с технологическим маршрутом.

Рисунок 2.1 - Вагон-термос для непрерывнолитных заготовок

Чтобы снизить температурное воздействие заготовок на раму платформы и обеспечить технологический эффект, используют подсыпку из шамотного кирпича 150 мм огнеупорностью > 1730°С, основу которого составляют и ; емкость для термоизолирующей подсыпки выполнена из торцевого щита и окантовок. Колпак вагона-термоса футеруют при помощи хромсодержащего фетра МКРФ-100 (ГОСТ 23619-79) с температурой применения до 1150°С. Особенность конструкции таких вагонов - использование в несущих элементах двутавровой балки высотой 600 мм и металлического листа толщиной 20 мм в опорных балках.

Характеристика основных элементов вагона-термоса и исходные данные для расчета термонагруженности приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Исходные данные для расчёта термонагруженности вагона-термоса

Основные элементы вагона-термоса	Значение
Колпак:
масса (без теплоизоляции), кг	14715
площадь всех поверхностей, мг	236
площадь внутренних поверхностей, м2	90,2
Теплоизоляция (фетр МКРФ-100):
масса, кг	600
толщина, м	0,05
коэффициент теплопроводности при температуре 600°С, Вт/(м-К)	Не более 0,18
Рама платформы:
масса (без футеровки), кг	13 634
площадь опор для слябов (б опор), м2	1,86
Футеровка (шамотный кирпич):
масса, кг	4500
плотность, кг/м3	0,7-103
высота насыпа, м	0,15
коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)	0,84 + 0,0006т
Металлургические заготовки (слябы):
масса, кг	80775
начальная температура, °С	До 1000

Создание новых конструкций вагонов связано с теоретическим обоснованием прочности их элементов. Основной нормативной базой при проектировании грузовых вагонов, в том числе промышленного транспорта, являются «Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)». Для внутризаводского транспорта характерна узкая специализация применения, отсутствие сортировочных горок при эксплуатации, увеличенные осевые нагрузки, низкие скорости движения, соударения при маневрах, экстренное торможение. Такой режим эксплуатации сопровождается относительно редким сочетанием экстремальных нагрузок, что соответствует I расчетному режиму. К основным расчетным силам относятся растягивающие и сжимающие силы взаимодействия между вагонами и локомотивом, силы тяжести собственной конструкции и груза. Очевидно, что подобное сочетание нагрузок характерно только для рамы вагона-термоса. Поэтому, исходя из условий эксплуатации и особенностей конструкции вагона-термоса, прочность рамы и прочность колпака будем оценивать по отдельности.

Для рамы вагона-термоса справедливы соотношения:

(2.1)

(2.2)

где напряжения от веса груза и собственного веса, включая футеровку и колпак;

- напряжения от продольной нагрузки растяжения;

- напряжения от продольной нагрузки сжатия.

Следует отметить, что в элементах рамы вагона-термоса дополнительно возникают температурные напряжения, которые не регламентируются нормами . В этом случае расчёт производится на сочетание нагрузок суммируются с напряжениями от основных сил по расчётному режиму.

(2.3)

где - температурные напряжения.

Для колпака рассчитываются нагрузки от его собственного веса и веса фетровой изоляции при подъёме за захватанные приспособления краном , кроме того, учитываются возникающие температурные напряжения.

2.2 Особенности моделирования термонагруженности вагона-термоса

В разработку теоретических методов исследования термонагруженности узлов вагонов большой вклад внесли Ю. Н. Аксенов, С.Н. Киселев, А. А. Миронов, А.Э. Павлюков, В.Л. Образцов, С. Д. Речкалов, П. А. Тищенко, А. И. Турков и другие ученые. В частности, изучены тепловые процессы в вагонах при восстановлении сыпучести смерзшихся грузов и распределение температурных полей в сварных соединениях вагонов для сыпучих металлургических грузов, разработана теория бесконтактного теплового контроля буксовых узлов в поездах, рассмотрены нестационарные температурные поля в элементах дискового тормоза и др.

Однако тепловые процессы в вагоне-термосе, которые, с одной стороны, должны обеспечивать технологический эффект для металлургического производства (отпуск заготовок), а с другой - оказывают негативное влияние на нагруженность конструкции вагона из-за температурных напряжений, ранее не рассматривались. Таким образом, процесс охлаждения металлургических заготовок и воздействие температурных нагрузок на конструкцию вагона-термоса представляет научный интерес. В связи с этим должны быть решены две задачи:

- анализ тепловых потоков в вагоне-термосе и проверка технологического эффекта отпуска заготовок для обоснованного назначения параметров теплоизоляционных материалов, что в конечном счете определяет конструкцию вагона-термоса при проектировании (в данной работе не рассматривается);

- оценка термонагруженности рамы и колпака вагона-термоса. Решению этой задачи и посвящена настоящая работа

Отметим, что методологическая основа наших исследований ориентирована на метод конечных элементов, поэтому задача решается с использованием программного продукта ANSYS Workbench 14.5.7.

Объемная расчетная модель вагона-термоса и условия взаимодействия между элементами конструкции колпака, рамы и горячих металлургических заготовок в виде слябов представлены на рисунке 2.2 и 2.3. При разработке расчетной модели приняты следующие допущения:

- в местах приварки элементов конструкции рамы и колпака вагона-термоса применяется контакт типа «линия - плоскость» без возможности раскрытия и относительного смещения (жестко узел к узлу);

- на сопряженных поверхностях труб колпака и кронштейнов рамы (позиция 1 на рисунке 2.3, в 16 местах), а также опорных балок и коробочек рамы (позиция 2 на рисунке 2.3, в 30 местах) и слябов (позиция 3 на рисунке 2.3, в 30 местах) используется фрикционный контакт типа «плоскость - плоскость»;

- болтовые соединения между трубами колпака (позиция 4 на рисунке 2.3, в 4 местах), соединения между опорными балками с ограничителями рамы (позиция 5 на рисунке 2.3, в 48 местах), а также соединения между листами обшивы и балками колпака (позиция 6 на рисунке 2.3, в 144 местах) заменяются шарнирными закреплениями с ограничением всех степеней свободы и возможностью относительной деформации, обусловленной температурной составляющей и позволяющей конструкции дышать.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.2 - Объёмная твердотельная модель вагона-термоса

Для решения контактной задачи нами принята модель кулоновского трения. В модели две контактирующие поверхности могут переносить некоторую величину сдвигового напряжения по поверхностям раздела до начала их скольжения относительно друг друга (прилипание). В общем случае модель кулоновского трения задает эквивалентное сдвиговое напряжение , при котором скольжение на поверхности становится частью давления контакта Р:

(2.4)

где - коэффициент трения;

b - сопротивление скольжению (сцеплении).

После превышения сдвиговым напряжением некоторого значения две поверхности будут скользить относительно друг друга. В расчётной модели учитывали только скольжение в контакте и отсутствия сдвиговых напряжений, значение которых при оценке НДС всей конструкции невелико.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1, 2, 3 - фрикционный контакт типа «плоскость - плоскость»; 4, 5, 6 - шарнирное закрепление с ограничением всех степеней свободы и возможностью относительной деформации, обусловленной температурной составляющей

Рисунок 2.3 - Условия взаимодействия элементов конструкции

Для количественной оценки температурных напряжений необходимо рассмотреть теплотехническую проблему охлаждения заготовок в вагоне-термосе. Следует отметить, что аналогичная задача поставлена в работе. Но в ней рассматривается охлаждение заготовок в теплоизолированных коробах, поэтому исследуются тепловые потоки через ограждения короба. Что же касается вагона-термоса, то в нем потери ограждения рамы с термоизолирующей подсыпкой. Поэтому в данном случае необходимо оценить напряжения в элементах рамы.

Согласно, в силу малой скорости охлаждения внутри вагона-термоса устанавливается стационарный режим теплообмена. Теплообмен между поверхностью объекта и окружающей средой (футеровкой, теплоизоляцией и воздухом) обусловлен конвекцией, следовательно, передача тепла между поверхностью заготовки и окружающей средой определяется в соответствии с законом Ньютона.

2.3 Конечно-элементарная модель вагона-термоса

Уравнение теплопроводности для анализа стационарного теплового состояния , приведенное к методу конечных элементов, имеет следующий вид:

(5)

где [K] - матрица теплопроводности;

{Т} - вектор узловых температур;

{Q} - вектор узловых тепловых потоков.

При этом матрица [K] в общем случае описывает не только условия теплопроводности, но и конвекцию, а тепловой поток включает не только заданный тепловой поток, но и составляющую конвекции.

При определении температурных напряжений мы исходили из физической сущности их возникновения. Напомним, что температурные напряжения возникают в теле из-за неравномерного распределения температуры в различных его частях и из-за ограничения возможности теплового расширения (или сжатия) со стороны окружающих частей тела или со стороны других тел, окружающих его.

Расчетная конечно-элементная модель вагона-термоса представляет собой пространственную объемно-пластинчатую схему. Для моделирования листовых и гнутых профилей колпака и рамы использован элемент SHELL 181 с шестью степенями свободы в каждом, который позволяет предварительно задать нужную толщину пластинчатого элемента конструкции. Литые детали (пятники, надпятниковые коробки, передние и задние упоры) аппроксимировались объемными конечными элементами SOLID 187 с тремя степенями свободы в каждом узле. Описание контактных поверхностей в зоне сварных швов выполнялось конечными элементами СОNTA 174 и TARGE 170 соответственно для контактной и ответной поверхности. Контакты трения аппроксимировались элементами СОNТА 175 и ТАRGЕ 170. При выборе целевой и контактной поверхностей руководствовались следующим правилом: за целевую принимается менее выпуклая или плоская поверхность.

Конечно-элементная модель вагона-термоса представлена на рисунке 2.4, где для большей наглядности рама (197 734 элемента и 352211 узлов), груз (214581 элемент и 380980 узлов) и колпак (176940 элементов и 336122 узла) показаны по отдельности.

Поверхностные нагрузки, обусловленные конвективной теплопередачей, заданы через коэффициенты теплопередачи на следующих поверхностях:

Вт/ммград - для футеровки (шамотный кирпич) на листы пола рамы, а также прилегающие вертикальные элементы на высоте 150 мм;

Вт/ммград - для теплоизоляции (фетр МКРФ-100) на листы торцевых и боковых стенок;

Вт/ммград - для воздуха на остальные поверхности (кроме контактных) расчетной модели вагона-термоса.



Рисунок 2.4 - Конечно-элементная модель колпака (а), груза (б) и рамы (в) вагона-термоса

Коэффициент теплопроводности для элементов конструкции рамы и колпака вагона-термоса принят как средняя величина для материала конструкционной стали, =6,0510Вт/ммград.

Схема приложения нагрузок и граничных условий представлена на рисунке 2.5.

Для оценки прочности конструкции рамы и колпака использован традиционный подход, основанный на сравнении с допускаемыми напряжениями. В качестве расчетных напряжений приняты эквивалентные напряжения по Мизесу для объемно-напряженного состояния:

(2.6)

Процедура расчета напряжений выполняется в два этапа:

- на первом этапе рассчитываются температурные поля и соответствующие температурные деформации;

- на втором этапе прикладываются вертикальные нагрузки и рассчитываются механические напряжения от собственного веса элементов вагона (рамы и колпака) и веса металлургических заготовок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.5 - Схема приложения нагрузок и граничных условий

2.4 Оценка адекватности модели

Для оценки достоверности модели выполнен расчет температурных полей в элементах конструкции вагона-термоса при следующих начальных условиях: температура металлургических заготовок 550°С, температура наружного воздуха 22°С. На рисунке 2.6 в качестве примера показан фрагмент распределения температурных полей в раме вагона-термоса. Экспериментальные значения температур получены в октябре 2012 г. на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате при осмотре вагонов-термосов модели 23-5165. Измерение температуры поверхностей выполнено через 24-26 ч. после установки слябов с регистрацией пирометром «Термоскоп-100». Результаты сравнения теоретических и экспериментальных данных приведены в таблице 2.2.

Относительно большие расхождения в значениях температур по отдельным элементам вагона-термоса объясняются многообразием влияющих факторов. Например:

- в реальном вагоне поверхности опорных балок колпака имеют начальные прогибы, в то время как в расчетах принят идеальный контакт между опорными поверхностями колпака и рамы;

- толщина шамотной подсыпки и футеровки может отличаться от расчетных значений из-за ее изменения в процессе эксплуатации;

- характер крепления обшивки и расположения сварных швов может не совпадать с шагом конечно-элементной сетки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2.6 - Распределение температурных полей в элементах рамы вагона-термоса (фрагмент)

Таблица 2.2 - Сравнение теоретических и экспериментальных значений температур в элементах рамы вагона-термоса

Элемент рамы	Эксперимент, °С	Теоретический расчет, °С	Погрешность, %
Хребтовая балка	51	56	9
Настил пола (снизу)	114	129	11
Боковая обвязка	43	37	14
Колпак:
вертикальные боковые стены	40	37	8
опорные балки	73	54	26



Кроме того, могут различаться реальные и используемые значения коэффициентов теплопроводности шамотной подсыпки и фетровой теплоизоляции, что обусловлено возможным отклонением между значениями реальных и расчетных температур. Тем не менее, несмотря на некоторые отличия реальной конструкции и ее параметров от использованных в модели, средняя погрешность не превышает 15%. Это подтверждает адекватность разработанной модели термонагруженности вагона-термоса и позволяет использовать ее для численных экспериментов.



Список использованных источников

1. Садыков, А.Ф. Региональная специфика и методические направления рационализации системы общественного пассажирского автомобильного транспорта (на примере Ханты-Мансийского автономного округа - Югры) / А.Ф. Садыков // Грузовое и пассажирское автохозяйство. - 2014. - №9. - с. 33 - 37.

2. Даниленко, Д.В. Модель термонагруженности вагона-термоса для транспортировки горячих металлургических заготовок / Д.В. Даниленко, А.В. Намятов, Лапшин В.Ф // Транспорт Урала. - 2013. - № 2. - с. 24 - 29.

Размещено на Allbest.ru

...