Projekt ramy maszyny wytrzymałościowej do badań konstrukcji wielkogabarytowych 3

Transkrypt

1 Michał Piotrowski 1, Maciej Kotyk 2 Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy w Bydgoszczy Projekt ramy maszyny wytrzymałościowej do badań konstrukcji wielkogabarytowych 3 Wprowadzenie W przypadku opracowania nowej konstrukcji odpowiedzialnej za transport dóbr bądź ludzi należy przeprowadzić testy weryfikacyjne na całych strukturach (na potrzeby certyfikacji lub innych potwierdzeń wymaganych prawem). Końcowym etapem procesu konstrukcji jest ostateczna weryfikacja przyjętego rozwiązania w badaniach całego obiektu. Badania można prowadzić podczas eksploatacji prototypu co jest drogim i niebezpiecznym przedsięwzięciem albo w laboratorium, co niestety wymaga posiadania specjalistycznej infrastruktury laboratoryjnej. W ramach prowadzonych prac opracowano projekt ramy stanowiska do badań wózków pojazdów szynowych. Opracowanie projektu poprzedziła analiza typoszeregu ram wózków pojazdów szynowych z uwzględnieniem rozstawów osi oraz obciążenia maksymalnego [1]. Wózek pojazdu szynowego jest częścią pojazdu odpowiedzialną za prowadzenie go po drodze kolejowej, wpływają na komfort i bezpieczeństwo jazdy. Najważniejszą częścią wózka jest rama, do której są przymocowane poszczególne zespoły: układ hamulcowy, układ napędowy (w zależności od typu wózka), amortyzatory, I i II stopień sprężynowania, odbijaki, zastawy kołowe, zgarniacze i inne. Wymagania, jakie powinna spełniać konstrukcja ramy są opisane w [2], kartach UIC lub w indywidualnych programach badań. Przed wprowadzeniem ramy do eksploatacji, spełnienie tych wymagań musi być potwierdzone wynikami prób statycznych i badań zmęczeniowych. Rynek kolejowy w Polsce wykazuje dynamiczny rozwój szczególnie w zakresie nowego taboru co pociąga za sobą szereg badań weryfikujących [3]. Dotyczy to różnych pojazdów szynowych: pojazdów pasażerskich EZT-SKM, tramwajów, lokomotyw towarowych i pasażerskich, wagonów, WKD, metra. Przeznaczenie tych pojazdów, specjalne wymagania, różne parametry techniczne wymagają indywidualnych rozwiązań konstrukcyjnych. Związane z tym jest projektowanie nowych konstrukcji pojazdów w tym również budowy nowych wózków i ich ram. Dąży się do tworzenia konstrukcji bardziej ekonomicznych w eksploatacji przy zachowaniu obecnego poziomu bezpieczeństwa lub zapewnieniu wyższego komfortu. Szczególnie duży wpływ na trwałość obiektów o tak dużym stopniu złożoności ma trwałość zmęczeniową. Kumulacja uszkodzeń powstałych w czasie eksploatacji pojazdu o coraz to bardziej złożonej budowie prowadzić może do znacznych strat finansowych jak i ludzkich[5]. Proces konstrukcyjny i obliczeniowy W ramach przeprowadzonych prac sformułowano założenia konstrukcyjne a wśród nich wyróżniono: - opis istoty działania: przyjęto, że rama stanowiska będzie współpracować z wieloosiowym systemem hydraulicznym będącym na wyposażeniu Uniwersytetu Technologiczno- Przyrodniczego, - dane ilościowe (dotyczące ram wózków) obciążeń występujących podczas eksploatacji pojazdów szynowych [1, 4]. 1 Prof. dr inż. X. Nazwisko, funkcja, Nazwa Wyższej Uczelni, Wydział XX, Katedra XX. 2 Dr X. Nazwisko, funkcja, Nazwa Wyższej Uczelni, Wydział XX, Katedra XX. 3 Artykuł recenzowany.

2 - dane sytuacyjne (możliwości laboratorium) dotyczące warunków badań występujących w laboratorium W ramach zadania przeprowadzono również analizę koncepcyjną, która pozwoliła wyróżnić szereg możliwych rozwiązań zadania projektowego. Główne kryteria jakie były brane pod uwagę podczas procesu projektowania to między innymi: - możliwość zamontowania jak największej ilości siłowników, - sztywność ramy we wszystkich kierunkach, - jak największa powierzchnia płyty montażowej, - jak największa wysokość pod belka główną, - modułowość konstrukcji, - technologiczność konstrukcji (produkcyjna jak i montażowa), - cena całkowita. Po uwzględnieniu kryteriów oceny do realizacji przyjęto stanowisko o postaci geometrycznej pokazanej na rysunku 1. a) b) Rys. 1. Postać geometryczna stanowiska do badań ram wózków pojazdów szynowych: a) stanowisko, b) przykładowa rama badanego wózka.. Wykonanie poszczególnych elementów poprzedziła analiza numeryczna ramy stanowiska w której uwzględniono takie parametry jak sztywność, wytrzymałość w warunkach obciążenia odwzorowujących badania konkretnych obiektów. Analizę przeprowadzono w środowisku do obliczeń metodą elementów skończonych ABAQUS (licencja komercyjna). W obliczeniach wstępnych ze względu na podwójną symetrię zamodelowano jedynie 1/4 całości ramy (rys. 2a) przy pomocy elementów skończonych. Ze względu na założenie braku w ramie obciążeń wywołujących odkształcenia plastyczne przyjęto do obliczeń liniowo-sprężyste własności materiałowe (E= MPa, ν=0,3). Do ramy przyłożono obciążenie statyczne symulujące oddziaływanie siłowników stanowiących wyposażenie systemu badawczego. Stwierdzono największe obciążenie w obrębie belki górnej ramy, której model (rys. 2b) poddany dyskretyzacji za pomocą elementów skończonych poddano szczegółowej analizie. Wybrane wyniki weryfikacji numerycznej przedstawiono na rysunku 2c (rozkład naprężeń zredukowanych) i rysunku 2d (ugięcie w kierunku pionowym). Przeprowadzona analiza numeryczna pozwoliła na sformułowanie wniosków i zaleceń dla modyfikacji konstrukcji ramy stanowiska, które uwzględnione zostały w jej ostatecznej postaci konstrukcyjnej.

3 a) b) c) d) Rys. 2. Model MES stanowiska: a) poddanego analizie wstępnej, b) belki górnej ramy; wybrane wyniki analizy MES: c) rozkład naprężeń zredukowanych, d) ugięcie belki w kierunku pionowym. Proces budowy stanowiska Wykonanie ramy stanowiska zostało poprzedzone wykonaniem specjalistycznej płyty fundamentowej wyposażonej w elementy mocujące stanowisko. Fundament został wykonany w technologii żelbetonowej o szerokości 7 na 6 m i głębokości 1.8m. Szczegóły płyty fundamentowej pokazano na rysunku 3. Kompletne stanowisko składa się z 234 elementów mocowanych na wykonanej płycie fundamentowej. W ramach zadania przeprowadzone zostały następujące działania: - opracowano wytyczne i założenia dla stanowiska do badań spawanych struktur nośnych wózków pojazdów szynowych,

4 - opracowano projekt konstrukcji ramy nośnej stanowiska umożliwiającej współpracę z wieloosiowym systemem do badań zmęczeniowych Instron Structural Testing (IST), - opracowano projekt konstrukcyjny elementów mocujących i wsporczych dla badanych wózków i siłowników systemu IST, - przeprowadzono numeryczną symulację pracy stanowiska dla przyjętych założeń, - wykonano ramę nośnej stanowiska, - przeprowadzono badania weryfikacyjne ramy. a) b) Rys. 3. Budowa stanowiska: a) płyta fundamentowa stanowiska, b) Budowa ramy stanowiska. W wyniku realizacji zadania powstało uniwersalne stanowisko badawcze do badań statycznych oraz zmęczeniowych obiektów technicznych typu rama pojazdu szynowego. Na rysunku 4 pokazano widok gotowego stanowiska badawczego. Stanowisko zostało wyposażone w najnowszej generacji hydrauliczne systemy generowania obciążeń jak również sterowania i rejestracji uzyskanych wyników. Przyjęte w stanowisku rozwiązania konstrukcyjne pozwalają na prowadzenie badań typoszeregu ram wózków pojazdów szynowych w produkowanych przez konsorcjanta tramwajach. Podczas opracowania projektu ramy zostały uwzględnione wymagania branżowe dotyczące procedur sprawdzania i badania nowych prototypów ram wózków pojazdów szynowych [1]. Podstawę wyposażenia stanowiska badawczego stanowi wieloosiowy systemu badawczy do prób statycznych oraz zmęczeniowych elementów konstrukcyjnych firmy Instron Structural Testing (ISTS) będący własnością Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego. W skład systemu wchodzą miedzy innymi: - kompletny zasilacz hydrauliczny o wydajności 170 l/min i minimalnym ciśnieniu nominalnym 28 MPa, który umożliwia jednoczesną pracę pięciu siłowników hydraulicznych przy nominalnym obciążeniu, od ± 63 kn do ±250 kn przystosowanych do mocowania na dowolnej ramie wykonanej na potrzeby badań zmęczeniowych kompletnego zespołu., - oprogramowanie badawcze, które umożliwia: dowolną konfigurację siłowników i czujników pomiarowych wg zadanego programu obciążenia, realizację dowolnych przebiegów obciążenia pięcioma siłownikami jednocześnie lub każdym z siłowników niezależnie, a także odtwarzanie dowolnych zarejestrowanych przebiegów, sterowanie siłownikami w funkcji dowolnego mierzonego parametru, komunikację synchroniczną pomiędzy komputerowym układem sterowania, realizację badań z wykorzystaniem własnego oprogramowania przygotowanego wg indywidualnych potrzeb (np. poprzez LabView, SDK itp.).

5 Rys. 4. Rysunek przedstawiający zdjęcie wykonanego stanowiska badawczego z zamontowana próbka (kolor szary). Na rysunku 5 zaprezentowano zrzut ekranu programu sterującego zbudowane stanowisko badawcze. Próby możliwości stanowiska prowadzono przy jednoczesnym sterowaniu 5 niezależnymi siłownikami w 3 osiach obciążenia. Wykonane stanowisko poddano ocenie podczas audytu, jaki przeprowadziło Polskie Centrum Akredytacji w dniu 22 września W wyniku oceny badania prowadzone na wykonanym stanowisku poszerzyły zakres badawczy Instytutowego Laboratorium Badań Materiałów i Konstrukcji (zakres badań z dnia 18 listopada, wydanie 11 o badania kompletnych ram (AB-372). W przypadku opracowania nowej konstrukcji odpowiedzialnej za transport dóbr bądź ludzi należy przeprowadzić testy weryfikacyjne na całych strukturach (np. w celu uzyskania certyfikatów lub innych potwierdzeń wymaganych prawem). Końcowym etapem procesu konstrukcji jest ostateczna weryfikacja przyjętego rozwiązania w badaniach eksploatacyjnych całego obiektu. Złożone struktury spawane wymagają badań z wykorzystaniem stanowiska, na którym istnieje możliwość odwzorowania obciążeń eksploatacyjnych. Ze względu na charakter obciążeń eksploatacyjnych stanowisko to cechuje złożona budowa. Na takim stanowisku istnieje możliwość realizacji obciążenia w wielu kierunkach [3]. Na każdym z kierunków obciążenia możemy w sposób niezależny według wcześniej przygotowanego programu realizować obciążenia. Stanowisko do badań złożonych struktur spawanych posiada możliwość obciążania badanych struktur w wielu osiach. Na stanowisku podczas badań kompletnej struktury jest prowadzona doświadczalna weryfikacja wyników obliczeń numerycznych. Odbywa się to metodami tensometrycznymi. Podczas badań zmęczeniowych kompletnej struktury kontroli i rejestracji podlegają odkształcenia w najbardziej wytężonych węzłach. Złożoność obiektu wpływa ma liczbę punktów pomiarowych.

6 Rys. 5. Okno programu sterującego próbą zmęczeniową w 3 osiach obciążenia. Podsumowanie Złożone struktury wymagają badań z wykorzystaniem stanowiska, na którym istnieje możliwość odwzorowania obciążeń eksploatacyjnych. Ze względu na charakter obciążeń eksploatacyjnych stanowisko to cechuje złożona budowa. Na takim stanowisku istnieje możliwość realizacji obciążenia w wielu kierunkach [3]. Na każdym z kierunków obciążenia możemy w sposób niezależny według wcześniej przygotowanego programu realizować obciążenia. Stanowisko do badań złożonych struktur spawanych musi posiadać możliwość obciążania badanych struktur w wielu osiach. Na stanowisku podczas badań kompletnej struktury jest prowadzona doświadczalna weryfikacja wyników obliczeń numerycznych. Odbywa się to metodami tensometrycznymi. Podczas badań zmęczeniowych kompletnej struktury kontroli i rejestracji podlegają odkształcenia w najbardziej wytężonych węzłach. Złożoność obiektu wpływa ma liczbę punktów pomiarowych. Zaprojektowane i zbudowane stanowisko badawcze pozwalana prowadzenie badań zgodnych z zapotrzebowaniem przemysłu transportowego. Możliwości stanowiska i aparatury pozwalają na realizacje badań zgodnych z normatywami ale również badań nie normatywnych. Uzyskana przestrzeń robocza ramy stanowiska pozwala nawet montaż fragmentów konstrukcji dachowych budynków i przebadanie ich zgodnie z zaleceniami. Streszczenie W pracy przedstawiono projekt złożonego obiektu technicznego służącego jako rama maszyny wytrzymałościowej. Umożliwiać ma ona badanie obiektów które ze względu na nie normatywny rozmiar jak również koszt samych obiektów nie podlegają klasycznym procedurom badawczym. Takimi obiektami są na przykład wózki kolejowe bądź inne struktury odpowiedzialne za bezpieczeństwo ludzkie w transporcie zbiorowym. Podstawowa przewaga proponowanego rozwiązania w stosunku do podejścia tradycyjnego wykorzystującego standardowe maszyny wytrzymałościowe polega na możliwości badania na kompletnych struktur. Dodatkowa przewaga jest możliwość jednoczesnego obciążania obiektu w kilku osiach.

7 Abstract Design of testing machine for test large-scale structures The paper presents the complex desing of the technical object which will use as a testing machine frame. It allows to do tests of large-scale structures. Because of non normative specimen size, we cannot test it by normal testing machine. Train buggies are really good examples of large-scaled specimen. This type of tested constructions are generally responsible for human life. The main advantage of performed construction is that we can do test for full object, not as in typical test machines which we do test on small normative specimen. Additional advantage is that we can apply load on 5 independent axes, also we can use different test program for each axes. Praca naukowa finansowana ze środków NCBiR na naukę w latach 2014 jako projekt badawczy D2P/INNOTECH/3/528/2014. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. EN-PN 13749:2011 Kolejnictwo - Zestawy kołowe i wózki - Metoda określenia wymagań konstrukcyjnych dla ram wózków. [2]. Decyzja 2011/291/UE Komisji z dnia 26 kwietnia 2011 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor - lokomotywy i tabor pasażerski" w transeuropejskim systemie kolei konwencjonalnych, Dz.U. L139 z , s [3]. Strach, M., Pomiary dróg kolejowych i obiektów z nimi związanych oraz opracowanie wyników na potrzeby modernizacji kolei konwencjonalnych, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, 2009, s [4]. Kowalczyk, D; Bińkowski, R., Perspektywy rozwoju konstrukcji ram wózków pojazdów szynowych przy zachowaniu obecnych standardów bezpieczeństwa, Problemy kolejnictwa, 2014, zeszyt 165, s [5]. Mroziński, Stanisław. The influence of loading program on the course of fatigue damage cumulation, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2011, s