О.В. Фомін
д.т.н., професор, Державний університет інфраструктури та технологій
Україна, м. Київ
П.М. Прокопенко
аспірант, Державний університет інфраструктури та технологій
Україна, м. Київ
Борович Р.О., А.С. Литвиненко
студенти, Державний університет інфраструктури та технологій
В даній статті описані теоретичні особливості проведених контрольних типових і ресурсних випробувань напіввагона моделі 12-532 з терміном служби, що перевищує полуторний від нормативного, встановленого заводом-виробником. Практичне виконання даних робіт дозволяє оцінити залишковий ресурс конструкції напіввагона. Для вирішення питання про можливість подальшої експлуатації з вичерпаним терміном служби проводиться їхнє технічне діагностування. Аналіз технічного стану напіввагонів після проведення планових видів ремонту показує, що значна їх частина знаходиться в задовільному стані.
Ключові слова: напіввагон моделі 12-532, рама кузова, хребтова балка, ударні випробування, ресурс, термін служби.
Вступ. За останні роки відбулося значне старіння експлуатаційного парку вантажних вагонів, т.ч. напіввагонів. На даний час на мережі залізниць України перебувають в експлуатації напіввагони (далі – вагони) різних моделей і їх модифікацій з нормативним строком служби 22 роки. Для вирішення питання про можливість подальшої експлуатації з вичерпаним терміном служби проводиться їхнє технічне діагностування. Аналіз технічного стану напіввагонів після проведення планових видів ремонту показує, що значна їх частина знаходиться в задовільному стані. Через недостатнє фінансування придбання нових вагонів для забезпечення безперебійного виконання вантажних перевезень залізничним транспортом актуальним залишається завдання проведення робіт щодо дослідження з визначення залишкового ресурсу та можливості продовження експлуатації напіввагонів в межах України понад полуторний.
Аналіз літературних даних. На сьогодні питанням дослідження несучої здатності кузовів напіввагонів приділено достатню увагу, що пояснюється їх актуальністю та економічною обґрунтованістю. Так в роботі [1] наведено результати досліджень несучої здатності напіввагонів моделі 12-9745. Проте метою таких досліджень було відшукання конструктивних резервів зі зниження матеріалоємності цієї моделі вагонів. І відповідно несуча здатність конструкції кузова з імітацією характерних для 1,5 строку експлуатації зносів не досліджувалась. В статті [2] наведено перспективи удосконалення конструкцій напіввагонів, в тому числі і шляхом збільшення строку експлуатації. Однак збільшення строку експлуатації напіввагонів пропонується досягати шляхом удосконаленням їх конструктивних властивостей, наприклад за рахунок впровадження матеріалів з поліпшеними характеристиками. Аналіз властивостей конструктивних матеріалів кузовів вагонів нового покоління наведений в [3]. В роботі зазначені переваги використання нових прогресивних матеріалів для окремих складових конструкцій вагонів. Однак питанням подовження реалізації такого напрямку при подовженні строку експлуатації напіввагонів не приділену увагу. Заходи щодо удосконалення несучої конструкції кузова напіввагона з метою забезпечення надійності його кріплення на палубі залізничного порому наведені у [4]. Приведені результати розрахунків на міцність кузова з урахуванням закріплення його відносно палуби за запропоновані конструкційні вузли в умовах морської хитавиці дозволили зробити висновок про доцільність запропонованих рішень. При цьому створення та використання динамічних моделей, які враховуватимуть зношеність несучої системи напіввагонів дозволить проводити дослідження і для відповідних конструкцій напіввагонів. Дослідження динаміки залізничного вагона з відкритою завантажувальною платформою наведені в [5]. Розрахунок проведений у середовищі програмного забезпечення MSC Adams. Дослідження стійкості проти перекидання вагона здійснювалося при його вписуванні у криву радіусом 250 м з урахуванням різної швидкості руху. Питання оцінки точності пропускної спроможності залізничних мереж, що призначені для перевезення сировини та готової продукції гірнично-металургійної промисловості наведені у [6]. Питання проектування рухомого складу для перевезення великовагових вантажів розглянуті у [7]. Дослідження динаміки та міцності здійснено за допомогою сучасних засобів програмного забезпечення ProMechanica та CosmosWorks. При проектуванні несучої конструкції транспортеру проведено дослідження щодо можливості його виконання з різнотипних матеріалів. Конструкційні особливості вагона для інтермодальних перевезень розглянуті у [8]. Підсумовуючи результати наведеного вище аналізу можна відзначити, що на теперішній час питання щодо можливості продовження строку експлуатації несучих конструкцій кузовів вагонів не вирішувались.
Метою роботи і задачі дослідження. Метою роботи є висвітлення особливостей та результатів проведених комплексних випробувань вантажного вагона є визначення характеристик міцності несучих конструкцій вагонів, їх залишкового ресурсу та можливість подовження строку експлуатації понад полуторний.
Завданням типових випробувань міцності при зіткненні: визначення і оцінка динамічних напружень і деформацій в несучих конструкціях вагона при прикладанні нормативних ударних сил через автозчепне обладнання. Завданням випробувань на ресурс є визначення появи і розвиток пошкоджень і залишкових деформацій в несучих конструкціях вагона при багаторазовій дії поздовжніх навантажень через автозчепний пристрій.
Відбір дослідного зразка. Розглянемо напіввагон моделі 12-532, (Рис. 1) з терміном, що перевищує полуторний встановлений заводом виробником. При проведенні технічного діагностування особу увагу привертають несучим елементам конструкції, а саме хребтовій та шворневій балкам та місцям їх з’єднання.
Рисунок 1 – Напіввагон моделі 12-532
При проведенні типових і ресурсних випробувань на співудар вимірюються наступні показники: швидкість набігання вагона-бойка; сила удару в автозчеп; кількість циклів до відмови; напруження в елементах вагона, які досліджуються.
Випробування на співудар проводять на прямій горизонтальній ділянці залізничної колії за допомогою локомотива. Крім локомотива при цьому використовували наступне обладнання: вагон-бойок масою 90,1 т; Підпірне обладнання з трьох загальмованих вантажних вагонів загальною масою 300 т, переміщення яких обмежено рейковими башмаками.
Схема розміщення рухомого складу підчас випробувань.
Рисунок 2 – Розміщення рухомого складу підчас випробувань
Визначення залишкового строку служби. При визначенні залишкового строку служби вагона враховується вертикальне та поздовжнє динамічні навантаження, які виникають в процесі експлуатації. Розрахунок здійснюємо за формулою:
де Tr - розрахунковий залишковий строк служби вагона, роки;
σ(a,N) - межа витривалості (по амплітуді) для контрольної зони при симетричному циклі та встановленому режимі навантаження при базовому числі циклів, МПа;
m - показник ступеня в рівнянні кривої втоми. Для зварних конструкцій із прокату без зміцнюючої обробки швів згідно [5] m=4;
[n]мінімально допустимий коефіцієнт запасу опору втоми для вибраної зони вагона, [n]=1,5;
N0 - базове число циклів, N0 = 107;
NcI NcII - число циклів за 1 рік експлуатації для кожного із експлуатаційного навантаження ( вертикального та повздовжнього);
– амплітуди динамічних напруг, приведених до симетричного циклу для кожного із експлуатаційних навантажень та їх діапазонів, МПа;
- ймовірність появи амплітуди з рівнем 
.
де zp – квантиль розподілення, відповідаючий односторонній ймовірності 95%, zp=1,645.
Nc – кількість циклів вертикальних коливань завантаженого вагона, які виникають за його строк служби один рік:
Загальна розрахункова кількість циклів протягом розрахункового періоду експлуатації вагона для загальної мережі пробігу визначається за формулою :
де 
-загальна кількість циклів дії ударних поздовжніх сил за 1 рік середньої мережі експлуатації на конструкцію вагона даного типу, для розподілів (без урахування квазистатичних сил) становить:
- для вантажних вагонів ≈20200 циклів;
Trozr - розрахунковий період експлуатації вагона, (1 рік.);
Кrez коефіцієнт, що враховує вплив порожнього пробігу вагона, при оцінці циклічної довговічності несучих елементів Креж, (для вагона зерновоза Кпор=0,39 ;
Висновки. Аналіз дефектів, що виникають в конструкціях вантажних вагонів на всіх етапах їх життєвого циклу, дозволяють прогнозувати пошкодження в експлуатації та систематизувати ймовірнісні причини їх виникнення. На основі проведеного аналізу технічного стану несучих конструкцій напіввагонів вітчизняного виробництва з характерними для 1,5 строку експлуатації зносами визначено фактичні значення зносів несучих елементів які задовольняють експлуатаційні вимоги. Таким чиномотримані теоретичні результати дозволять розробити комплекс робіт та заходів дляоцінки залишкового ресурсу несучих металевих конструкцій вантажних вагонів.
Література
1. Fomin, O. V. (2015) Vprovadzhennya kruglih trub v nesuchI sistemi napIvvagonIv z zabezpechennyam ratsIonalnih pokaznikIv mItsnostI [Introduction of round pipes in the carrier systems of gondolas with the provision of rational indicators of strength]. Naukoviy zhurnal – «Tehnologicheskiy audit i rezervyi proizvodstva» – Sceince magazine - "Technological audit and production reserves", Vol. 4/1(21), 83-89 [in Ukrainian].
2. Fomin, O.V. (2011) Modernization of elements wall lateral of universal freight gondola domestic production// Scientific-and-technical (Sci.-Tech.) collected works – Donetsk: DonIZT,. – Vol. No. 26.- pp.111-115 [in Ukrainian]
3. Makarenko, M. V. (2014) Kompleksnyi analiz ekonomichnoho efektu vid zhyttievoho tsyklu suchasnoho napivvahonu [Comprehensive analysis of the economic impact of the life cycle of a modern gondola]. Naukovo-praktychnyi zhurnal «Zaliznychnyi transport Ukrainy» - Scientific and Practical Journal "Railway Transport of Ukraine", Vol 5, 107 [in Ukrainian].
4. Lovska, A. A. Peculiarities of computer modeling of strength of body bearing construction of gondola car during transportation by ferry-bridge / A. A. Lovska. – Scientific and technical journal «Metallurgical and Mining Industry». – 2015. - №1. – p. 49 – 54.
5. Fomin, O. V., Lovska, A. O., Plakhtii, O. A., Nerubatskyi, V. P. (2017). The influence of implementation of circular pipes in load-bearing structures of bodies of freight cars on their physico-mechanical properties. Scientific Bulletin of National Mining University, 6, 89–96.
6. Fomín O.V. Matematicheskiye modeli osnovopolagayushchikh pokazaniy bazovykh nesushchikh elementov kuzova / O.V. Fomín, O.A. Logvínenko, R.YU. D'omín, G.P. Boroday, V.V. Fomín, O.V. Burluts'kiy // Naukovo-prakticheskiy zhurnal «Zalíznichniy transport Ukraí̈ni». - Kií̈v: DNDTS UZ, 2013. - № 5/6 (102/103). - S. 95-104.
7. Divya Priya G. Modeling and analysis of twenty tonne heavy duty trolley / G. Divya Priya, A. Swarnakumari // Intern. J. of Innovative Technology and Research. – 2014. – Vol. 2, №. 6. – P. 1568–1580.
8. Moroz, V.I. (2009) Matematychnyy zapys zadachi optymizatsiynoho proektuvannya piv-vahoniv za kryteriyem minimal’noyi materialoyemnosti [Mathematical notation of problem of optimizing design of open goods wagons by criterion of the minimum material capacity]. Zbirnyk naukovykh prats - Collection of scientifc papers, Vol. 111, 121-131 [in Ukrainian].
