Аналіз напружено-деформованого стану кришок розвантажувальних люків напіввагонів при скиданні вантажу

Abstract

UA: В статті наведено результати аналізу відмов та пошкоджень основних вузлів універсальних напіввагонів різних моделей та виробників власності АТ «Укрзалізниця». Визначено, що понад 70 % відчеплень напіввагонів на шляху прямування викликано пошкодженням кузовів. Проведено аналіз причин пошкоджень суцільнометалевих кузовів, що призводять до необхідності позапланового відновлення їх працездатності. Встановлено, що понад 80% усіх випадків припадає на несправності кришок люків, а також тріщини й злами поперечних балок рами. Різниця в кількості відчеплень у різних моделей напіввагонів українського виробництва знаходиться в межах статистичної похибки. Основний вплив на виникнення тріщин балок та пошкодження люків мають не конструктивні особливості конкретної моделі напіввагона, а способи розвантаження (використання грейферів тощо). Досвід експлуатації свідчить, що при скиданні вантажу з висоти, відбувається нерівномірний розподіл ударних навантажень на поверхню люків. Особливо небезпечним є падіння окремих крупногабаритних кусків (глиб) вантажу, яке супроводжується локальними перевантаженнями, що значно перевищують розрахункові статичні значення. У результаті цього виникають пластичні деформації, вм'ятини, тріщини в зоні зварних з'єднань, а також передчасне руйнування елементів конструкції люка. З метою дослідження напружено-деформованого стану конструкції люка напіввагона при дії ударного навантаження у роботі використано чисельне моделювання. Геометрична модель кузова універсального напіввагона та вантажу була розроблена в середовищі АNSYS. Для підвищення ефективності обчислювального процесу було застосовано підхід локалізації розрахункової області. Чисельне моделювання процесу ударної взаємодії глиби вантажу з конструкцією люка напіввагона виконувалось із використанням явної схеми інтегрування рівнянь руху. За результатами чисельного моделювання процесу падіння глиби вантажу на люк напіввагона отримано розподілення напружень і деформацій для різних сценаріїв навантаження, які відрізняються висотою падіння та зоною прикладання удару. Аналіз напружено-деформованого стану показав, що характер розподілу еквівалентних напружень є суттєво неоднорідним і залежить як від геометрії конструкції, так і від місця прикладання ударного навантаження. Максимальні напруження локалізуються в зоні контакту глиби вантажу з поверхнею люка та в елементах, що забезпечують передавання навантаження до рами вагона.

EN: The article presents the results of the analysis of failures and damage to the main components of universal gondolas of various models and manufacturers owned by JSC Ukrzaliznytsia. It was determined that more than 70% of gondola decouplings on the route are caused by damage to the bodies. An analysis of the causes of damage to all-metal bodies with subsequent unscheduled restoration of operability was performed. The vast majority are malfunctions of hatch covers, cracks and fractures of the frame crossbeams (more than 80% of the total number). The difference in the number of decouplings in different models of gondolas of Ukrainian production is within the statistical error. The main influence on the occurrence of beam cracks and damage to hatches is not the design features of a specific gondola model, but the methods of unloading (use of grabs, etc.). An analysis of the causes of damage to all-metal bodies with subsequent unscheduled restoration of operability was performed. The vast majority are malfunctions of hatch covers, cracks and fractures of the frame crossbeams (more than 80% of the total number). The difference in the number of decouplings in different models of gondolas of Ukrainian production is within the statistical error. The main influence on the occurrence of beam cracks and damage to hatches is not the design features of a specific gondola model, but the methods of unloading (use of grabs, etc.). Operating experience shows that when dropping cargo from a height, there is an uneven distribution of shock loads on the surface of the hatches. The fall of individual large-sized pieces (lupm) of cargo is especially dangerous, which is accompanied by local overloads that significantly exceed the calculated static values. As a result, plastic deformations, dents, cracks in the area of welded joints, as well as premature destruction of hatch structural elements occur. In order to study the stress-strain state of the gondola hatch structure under impact load, numerical modeling was used in the work. The geometric model of the universal gondola body and cargo was developed in the ANSYS environment. To improve сотриtational efficiency, an approach based on localization of the calculation domain was applied. Numerical simulation of the impact interaction between a cargo lump and the hatch structure was carried out using an explicit time integration scheme for the equations of motion. According to the results of numerical modeling of the process of falling of the cargo lump onto the hatch of a gondola car, the distribution of stresses and strains was obtained for various loading scenarios, which differ in the height of the fall and the area of impact application. Analysis of the stress-strain state showed that the nature of the distribution of equivalent stresses is significantly heterogeneous and depends both on the geometry of the structure and on the place of application of the impact load. The maximum stresses are localized in the area of contact of the cargo lump with the hatch surface and in the elements that ensure the transfer of the load to the car frame.