Размещено на http://www.allbest.ru/

Транспортное машиностроение

УДК 629.45/46:658.272

Экономия материальных ресурсов в сфере производства, эксплуатации и ремонта кузовов вагонов на стадии проектирования

Н.И. Коченкова, Н.Г. Буравлева

Buravleva N.G., Kochenkova N.I.

The economy of material resources in the field of manufacture operation and repair of car bodies at the stage of designing.

In this paper the methods of search of the optimal structural scheme and parameters of load bearing elements, are considered at which an extermal point of effectiveness function is provided (this function tares in to account a specific quantity of metal, production and maintenance expenses). The development of the finite element method by means of the account of the probability characteristics of finite - element modal of a body of the car influence is offered.

Буравлева Наталия Георгиевна, кандидат технических наук, доцент (и.о.)

Брянский филиал Российского государственного торгово-экономического университета

Тел. дом. - 66-21-43.

Коченкова Наталья Ивановна, кандидат технических наук, доцент (и.о.)

Брянский Государственный технический университет

Тел. дом. - 56-84-63.

Рассмотрены методы поиска оптимальной структурной схемы и параметров несущих элементов, при которых обеспечивается экстремум целевой функции (металлоемкости, стоимости затрат на производство и ремонт вагонов). Предложено развитие метода конечных элементов путем учета влияния вероятностных характеристик конечноэлементной модели кузова вагона.

Для повышения рентабельности железнодорожных перевозок в федеральной программе ставится задача обновления грузового парка транспортных средств, в частности путем создания нового поколения подвижного состава и усовершенствования существующих конструкций. Вновь разрабатываемые вагоны должны обладать улучшенными технико-экономическими показателями и иметь более низкую себестоимость.

Для обеспечения качества, снижения веса и рационального размещения стержневых элементов в несущих конструкциях машин можно воспользоваться программным комплексом, разработанным Ф.Ю. Лозбиневым [3,4]. Программный комплекс позволяет решать следующие задачи: ремонт кузов вагон

- подготовка исходных данных для прочностных и оптимизационных расчетов произвольных пространственных несущих конструкций стержневого и пластинчато-стержневого типов с высокой степенью статической неопределимости;

- расчет несущей конструкции на прочность методом конечных элементов в линейной постановке (анализ прочности, жесткости, устойчивости стержневых элементов и обшивки, усталостной долговечности и живучести соединений стержневых элементов);

- определение частоты изгибных колебаний кузова для конструкций пассажирских вагонов;

- оптимизация структурной схемы, параметров сечений стержневых элементов и несущей обшивки по критерию минимума затрат металла на создание изделия при ограничениях по прочности, жесткости, устойчивости, усталостной долговечности, частоте изгибных колебаний, конструктивных, геометрических, технологических и эксплуатационных;

- документирование результатов расчетов.

В указанный вариант программного комплекса одним из авторов, Коченковой Н.И., был включен разработанный блок параметрической оптимизации по критерию минимума себестоимости.

В качестве объекта исследования выбран кузов грузового рефрижераторного вагона. Сначала для рационального определения мест расположения балок рамы кузова вагона выполнялась структурная оптимизация методом избыточной структуры. Затем проводились оптимизационные расчеты всех несущих элементов кузова по критерию минимума себестоимости изготовления.

Оптимизационный расчет проводился тремя способами:

- без приоритета оптимизируемых групп (когда замена элемента осуществляется из базы данных прокатных и гнутых элементов);

- с предпочтением оптимизируемых групп (когда возможна замена только на прокатные элементы);

- с предпочтением оптимизируемых групп (когда возможна замена только на гнутые элементы).

Полученный после структурной и параметрической оптимизации вариант несущей конструкции кузова грузового вагона рефрижераторной секции целесообразно использовать для анализа степени унификации.

Анализ результатов расчета показал, что лучше производить замену профиля (гнутого или прокатного) на стандартный. Замена на какой-либо гнутый профиль, изготовленный в заводских условиях, не приспособленных для массового производства гнутых профилей, приведет к увеличению стоимости.

Для повышения качества изделия, уменьшения трудоемкости, сокращения цикла подготовки производства одной из эффективных мер является применение типовых конструкторских решений, базирующихся на принципах унификации и стандартизации.

При унификации уменьшается стоимость изготовления деталей, но возрастает стоимость затрат на материалы. Установить целесообразный объем унификации можно с использованием разработанной методики оптимизации.

Для определения степени унификации основной интерес представляют дуги и стойки кузова вагона. Так как конструкция боковых стен и крыши в значительной мере обусловлена необходимостью обеспечения устойчивости обшивки, то конструктивные ограничения на минимальные размеры поперечного сечения стоек и дуг задаются исходя из критической жесткости гофра, при использовании классического подхода по Эйлеру-Ясинскому.

Расчеты выполнялись на нагрузки, соответствующие первому и третьему режимам «Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)», для следующих вариантов:

- все стойки полагались одинаковыми;

- все стойки полагались различными;

- часть стоек полагались одинаковыми;

- все дуги полагались одинаковыми;

- все дуги полагались различными;

- часть дуг полагались различными.

Анализ результатов расчетов показывает, что полная унификация (до 100 %) приводит к увеличению массы и стоимости несущей конструкции кузова. После проведения оптимизационных расчетов кузова с учетом структурной и параметрической оптимизации получена конструкция, у которой степень унификации дуг уголкового профиля составила 22 %, стоек - 61 %.

Исследования прочности являются сложной задачей, решение которой позволит сократить затраты и повысить качество проектирования кузовов вагонов. В конструкциях вагонов наиболее металлоемкими являются кузова, на долю которых приходится 50-60 % веса тары. Затраты металла, его рациональное распределение по конструкции кузова в первую очередь связаны с его прочностью и жесткостью, для анализа которых широко используются промышленные программные комплексы метода конечных элементов (МКЭ).

Для анализа влияния отклонений в геометрических размерах несущих элементов кузова на напряженное состояние предложено развитие метода конечных элементов при выполнении прочностных расчетов несущих конструкций в виде подкрепленных оболочек путем учета вероятностных характеристик конечноэлементной модели кузова.

Общие методы решения этой задачи основываются на взаимосвязи силовых факторов и упругопластических перемещений сопрягаемых поверхностей, полученных на основе известных соотношений сопротивления материалов, теории упругости и теории вероятностей. Предложенные алгоритм и расчетные модели, адекватно учитывающие геометрические особенности конструкции, позволяют на стадии проектирования получить достоверные данные о прочности кузова вагона. Исследования напряженно-деформированного состояния кузова универсального полувагона от действия ремонтных нагрузок показали, что учет возможных отклонений в размерах сечений элементов кузовов дает увеличение нормальных напряжений на 2-34 %.

Таким образом, в ряде случаев при решении задач о прочностной надежности конструкций необходимо знать не только номинальные значения действующих напряжений в наиболее напряженных местах, но и их дисперсию.

Комплексное использование предложенных методик выполнения проектировочных расчетов вагонных конструкций на этапе технического проектирования позволит существенно снизить материальные затраты на разработку и испытания опытных образцов и создать конструкции с улучшенными технико-экономическими показателями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ипатов, М.И. Снижение себестоимости машин / М.И. Ипатов, А.В. Проскуряков [и др.] - М.: Высш. шк., 1980. - 297 с.

Лозбинев, В.П. Методика расчета оптимальных параметров сечений несущих элементов кузовов грузовых вагонов / В.П. Лозбинев - Тула: ТПИ, 1980. - 80 с.

Лозбинев, Ф.Ю. Оптимизация несущих конструкций кузовов вагонов / Ф.Ю. Лозбинев. - Брянск: ЦНТИ, 1997. -135с.

Лозбинев, Ф.Ю. Экономия материальных ресурсов в сфере производства и эксплуатации несущих кузовов вагонов / Ф.Ю. Лозбинев - Брянск: ЦНТИ, 2000. - 132 с.

Никольский, Е.Н. Расчет вагонов на прочность: учеб. пособие / Е.Н. Никольский - Тула: ТПИ, 1978. - 48 с.

Никольский, Е.Н. Расчет несущих конструкций вагонов по методу конечных элементов / Е.Н. Никольский - Брянск: БИТМ, 1982. - 99 с.

Материал поступил в редколлегию 19.12.2005.

Размещено на Allbest.ru