BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU Z OBROTOWĄ PLATFORMĄ ŁADUNKOWĄ

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 61, ISSN X BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU Z OBROTOWĄ PLATFORMĄ ŁADUNKOWĄ Wiesław Krasoń 1a, Michał Stankiewicz 1b 1 Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna a wieslaw.krason@wat.edu.pl, b michal.stankiewicz@wat.edu.pl Streszczenie Wagon specjalny zaprojektowany w Wojskowej Akademii Technicznej pozwala na łatwy, szybki i niezależny załadunek, transport, a następnie rozładunek bez specjalistycznych urządzeń oraz dodatkowej infrastruktury peronów. Może być wykorzystywany do transportu intermodalnego różnego typu pojazdów takich jak ciągniki, samochody, przyczepy, kontenery, ciężki/wojskowy sprzęt. Na podstawie przeprowadzonych badań wytrzymałości wagonu stwierdzono, że najbardziej wytężonym podzespołem wagonu z obrotową platformą ładunkową jest zamek sprzęgający burty platformy obrotowej z częścią nadwózkową ramy-ostoi wagonu. W pracy przedstawiono wybrane aspekty badań wydzielonego podzespołu zamka w kształcie haka, łączącego burty ruchomej platformy obrotowej i nieruchomej części nadwózkowej wagonu kolejowego do transportu intermodalnego Słowa kluczowe: wagon kolejowy, złącze, badania eksperymentalne, MES EXPERIMENTAL AND NUMERICAL TESTS OF SUBASSEMBLY OF RAILWAY WAGON WITH ROTATABLE LOADING PLATFORM Summary A special wagon with a low rotatable loading floor for transportation of truck vehicles by rail was developed in Military University of Technology. The designed wagon allows easy and fast independent loading and, then, transportation and independent unloading of semitrailers of truck type vehicles without investing in development of spare infrastructure for instance a platform. The construction may be also utilized for intermodal transport of various types of vehicles, such as tractors, trucks, trailers, containers and other heavy/military equipment. Based on the performed strength tests of the wagon, it was verified that the most strenuous component of the wagon with a rotatable loading floor is the lock coupling the side of the rotatable platform with the over bogie part of the frame of the special wagon. The paper presents the selected aspects of research on the separated subassembly of a lock, in shape of a hook connecting a rotatable platform with an immovable over bogie part of the wagon for intermodal transport. Keywords: railway wagon, side lock, experimental studies, FEM 1. WSTĘP W Wojskowej Akademii Technicznej w Katedrze Mechaniki i Informatyki Stosowanej powstał projekt wagonu specjalnego do transportu intermodalnego, w którym przyjęto następujące założenia konstrukcyjne (rys. 1): - masa naczepy z ładunkiem do 40 T, masa własna wagonu do 45 T, - spełnienie wymogów skrajni kolejowej GB 1, - nisko osadzona, obrotowa platforma ładunkowa do autonomicznego załadunku - rozładunku, umożliwiająca indywidualny załadunek rozładunek każdego wagonu, - zastosowanie standardowych dwuosiowych wózków typu Y25 o dopuszczalnym nacisku na oś 22.5 tony. Konstrukcja wagonu zawiera wiele innowacyjnych rozwiązań, które potwierdza uzyskanie patentu europejskiego EP Application (2012) [1]. Wagon pozwala na łatwy, szybki i niezależny załadunek, trans- 9

2 BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU (...) port, a następnie rozładunek bez specjalistycznych urządzeń oraz dodatkowej infrastruktury peronów. Może być wykorzystywany do transportu intermodalnego różnego typu pojazdów takich jak ciągniki, samochody, przyczepy, kontenery, ciężki/wojskowy sprzęt [2]. Na podstawie przeprowadzonych badań wytrzymałości wagonu stwierdzono, że najbardziej wytężonym podzespołem wagonu z obrotową platformą ładunkową jest zamek sprzęgający burty platformy obrotowej z częścią nadwózkową ramy-ostoi wagonu. Dlatego wykonano badania stanowiskowe elementów wydzielonego podzespołu zamka z zastosowaniem specjalistycznej aparatury do badań eksperymentalnych. W badaniach wytrzymałości zastosowano podzespół zamka w skali 1:1, z odwzorowaniem rzeczywistych wymiarów złącza. Zbudowano także modele 3D MES wydzielonego złącza burtowego wagonu, w których odwzorowano warunki prób stanowiskowych. Poprawność modeli zweryfikowano na podstawie wyników zarejestrowanych w czasie badań laboratoryjnych. Modele 3D złącza zastosowano w wielowariantowej analizie numerycznej wydzielonego złącza [3,4]. Wybrane wyniki badań stanowiskowych i numerycznych przedstawiono i zinterpretowano w niniejszym opracowaniu. Rys. 1. Wagon z obrotową platformą ładunkową do przewozów intermodalnych: a) strzałkami wskazano kierunek obrotu platformy ładunkowej, b) widok złącza-haka zamocowanego na burcie otwartej platformy ładunkowej (w położeniu załadowczo/rozładowczym), c) widok wagonu przygotowanego do transportu ładunku (naczepa wprowadzona na platformę ładunkową i zamocowana w kierunku jazdy za pomocą siodła na części nadwózkowej ramy wagonu) 2. PRZEDMIOT BADAŃ Złącze burtowe wraz z obszarem jego mocowania jest najbardziej wytężonym podzespołem wagonu specjalnego sprzęgającym platformę obrotową z częścią nieruchomą ramy-ostoi (rys. 2). Zamek sprzęgający składa się z siłownika hydraulicznego, blokady (klina) oraz haków - jeden zamocowany w burtach platformy obrotowej oraz drugi zamocowany do nieruchomej części nadwózkowej ramy. Cztery zestawy zamków zamocowane zostały 10

3 Wiesław Krasoń, Michał Stankiewicz symetrycznie po dwa na każdej stronie platformy i umiejscowione pomiędzy końcowymi przekrojami burt i części nadwózkowych ramy ostoi. Zadaniem złącza jest połączenie na czas transportu obrotowej części ładunkowej z ramą wagonu. Pomiędzy elementami zamka występuje odpowiedni luz montażowy, dzięki któremu platforma może swobodnie się obracać, gdy złącze jest odblokowane (klin blokujący odsunięty, jak na rys. 2b). Konstrukcja złącza pozwala wyłącznie na przenoszenie obciążenia wzdłużnego (rys. 2c), co umożliwia obrót platformy oraz nie blokuje jej ruchu obrotowego podczas przygotowania wagonu do operacji rozładowczo-wyładowczej. Funkcję blokady zamków spełnia element w postaci klina, który jest dociskany do haka i blokowany za pomocą siłownika hydraulicznego (rys. 2b). Precyzyjne prowadzenie klina zapewniają dwie powierzchnie skośne, nacięte na górnej powierzchni zamków (rys. 2). Zarówno ukształtowanie zamka-haka, jak i klina są tak dobrane, aby podczas blokowania zamka poprzez dosuwania klina redukowane były wszelkie luzy pionowe oraz poprzeczne do osi podłużnej wagonu. W procesie przygotowania, w tym obrotu platformy ładunkowej wagonu do załadunku lub rozładunku wagonu, siłownik odsuwa klin od zamka (rys. 2b), co skutkuje zwolnieniem blokady haka i umożliwia mechanizmowi obrotu otwarcie wagonu. W trakcie obrotu platforma ruchoma opiera się na węźle obrotowym na środku wagonu oraz dwóch bieżniach (rys. 2c), po których przemieszczają się haki. Bieżnie te tworzą łuki o dużych promieniach i o środku pokrywającym się ze środkiem obrotu platformy. Obrót platformy jest wspomagany za pomocą rolek zamontowanych na obu krańcach dna platformy. Rys. 2. Złącze burtowe: a) położenie na burtach, b) widok obszaru mocowania, c) połączone z ramą i oddzielone od burty; strzałkami wskazano kierunek podłużny złącza (oś rozciągania-ściskania) 3. BADANIA NUMERYCZNE I EKSPERYMENTALNE - ZŁĄCZE PIERWOTNE 3.1 BADANIA NUMERYCZNE Modele numeryczne złącza wraz z uchwytami wykonano w systemie HyperMesh. Zawierają elementów 8 i 4 węzłowych bryłowych oraz węzłów (rys. 3a). Oddziaływanie poszczególnych elementów złącza i elementów mocujących stanowiska pomiarowego (nakładki i sworznie) między sobą zrealizowano poprzez uwzględnienie kontaktu z tarciem. We wszystkich przypadkach założono współczynnik tarcia Coulomba μ=0,2. W modelu numerycznym złącza uwzględniano luzy montażowe (zamodelowane poprzez odpowiednie wymiary elementów złącza i pasowania w sworzniowych połączeniach mocowania złącza). Zamocowanie z jednej strony stanowiska zrealizowano poprzez odebranie wszystkich stopni swobody. Zastosowano wymuszenie kinematyczne nadając węzłom po przeciwnej stronie przemieszczenie w kierunku podłużnym do osi złącza (rys. 2c i 3b). Testy przeprowadzono dla trzech wariantów: 1. Złącze wykonane z materiału 18G2A - uchwyt z materiału 18G2A - wariant I, 2. Złącze wykonane z materiału 18G2A - uchwyt z materiału 30HGSNA - wariant II, 3. Złącze wykonane z materiału 30HGSNA - uchwyt z materiału 30HGSNA - wariant III. Na rys. 4 przedstawiono mapy naprężeń zredukowanych wg hipotezy Hubera dla wariantu przemieszczenia 15 mm, a na rys. 5 mapy odkształceń plastycznych dla tego samego wariantu przemieszczenia. Najdokładniejsze odkształcenia i naprężenia zredukowane w porównaniu do wyników eksperymentalnych otrzymano dla wariantu I, w którym złącze oraz uchwyt wykonane zostało z materiału 18G2A. Maksymalna różnica względna wyników numerycznych i eksperymentalnych wynosi w tym przypadku 12%. 11

4 BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU (...) ( Rys. 3. Model numeryczny złącza: złącza a) siatka MES, b) schemat zdefiniowanych warunków brzegowych Rys. 4. Naprężenia zredukowane wg hipotezy Hubera dla przemieszczenia 15 mm (wariant I, II i III) Rys. 5. Odkształcenia plastyczne dla przemieszczenia 15 mm (wariant I, II i III)) 3.2. BADANIA EKSPERYMENTALNE Analizowane złącze poddano próbie statycznego rozciąrozci gania, które przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym INSTRON SATEC 1200KN (rys. 6).. Prędkość obciążenia ustalono na 10 mm/min. Badane złącze łącze przedstawiono na rysunkach rysunkac 6 i 7. Rys. 7. Zdjęcia podzespołu zamków burtowych podczas przygoprzyg towania do montażu Na rys. 8 przedstawiono zdjęcia z rozciągania złącza kolejowego do wartości siły 200 kn. Zauważono, że złącze znacząco wysuwa się w kierunku poprzecznym do osi połączenia przy maksymalnym obciążeniu. Całkowite przemieszczenie dla 200 kn wynosi 4,1 mm. Wykres Wykr zmian siły w funkcji przemieszczenia w kierunku wzdłużnym (rys. 9) ma prawie liniowy charakter. Świadczy to o poprawnopoprawn ści przyjętych założeń projektowych badanego podzespołu wagonu. Rys. 6. Maszyna wytrzymałościowa Instron SATEC 1200 kn wraz z zespołem zamków burtowych: 1 - element górny, 2 - element dolny badanego złącza 12

5 Wiesław Krasoń, Michał Stankiewicz Rys. 10. Zmodyfikowane złącze burtowe Zmodyfikowane złącze poddano próbie statycznego rozciągania i ściskania, które przeprowadzono na maszymasz nie wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym INSTRON SATEC 1200KN [55]. Prędkość obciążenia ustalono na 10 mm/min. Widok zmodyfikowanego złącza badanego na stanowisku wytrzymałościowym przedstawiono na rys Deformacje złącza zarejestrowano za pomocą systemu optycznego ARAMIS [6]. Mapę przemieszczeń z próby rozciągania (max siła 200 kn) przedstawiono na rys. 12. Rys. 8. Zdjęcia z rozciągania złącza kolejowego do 200 kn: złączenie nieobciążone (z lewej) i maksymalnie obciążone (z prawej) Rys. 9 Wykres rozciągania złącza kolejowego do 200 kn 4. BADANIA ZŁĄCZA ZMODYFIKOWANEGO Wielowariantowe symulacje numeryczne wykonane z zastosowaniem zweryfikowanych modeli numerycznych oraz przeprowadzone badania eksperymentalne, posłużą do opracowania modyfikacji konstrukcji konstrukc złączy burtowych łączących obrotową platformę ładunkową i nierunier chome me części nadwózkowe ramy ostoi wagonu. Na podstawie wniosków z badań proponuje się modernizację złącza polegającą na (rys. 10): - modyfikacji kształtu elementów złącza z uwzględnieuwzględni niem charakteru odkształceń i miejsc występowania zwiększonych odkształceń (na podstawie map odkształodkszta ceń) - zastosowaniu zaokrągleń naroży w miejscach współprawspółpr cy elementów złącza i występowania spiętrzenia napręnapr żeń. Rys. 11. Podzespół zmodyfikowanych zamków burtowych zamontowanych na maszynie zynie wytrzymałościowej Instron SATEC 1200 kn wraz z systemem optycznym pomiaru odo kształceń Stwierdzono, że nowy kształt zamka wpływa korzystnie naa działanie połączenia burtowego. burtowego Poprawę wytrzymałości i parametrów opisujących działanie połączenia zidentyfikowano na podstawie badań stanowiskowych i numerycznych w zakresie ograniczenie czenie deformacji, a szczególnie tendencji do dużych względnych przemieszprzemies czeń i w efekcie wysuwania się elementów złącza w kierunku poprzecznym do osi połączenia (rys. 8 i 12). Stwierdzono także zmniejszenie koncentracji koncentracj naprężeń, szczególnie w obszarach, w których wyeliminowano karby konstrukcyjne. Rys. 12. Mapa przemieszczeń zarejestrowana za pomocą pomoc systemu optycznego - max wartość 1,4 mm 13

6 BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU (...) 4. WNIOSKI Ze względu na duże koszty badań stanowiskowych i określone trudności ich realizacji związane na przykład z przygotowaniem i zamocowaniem wielkogabarytowych elementów złącza o dużej masie, ograniczony względami bezpieczeństwa zakres testów laboratoryjnych zbudowa- z odwzoro- no modele numeryczne wydzielonego złącza waniem warunków ich współpracy podczas prób laborasymulacje nume- toryjnych. Wykonane wielowariantowe ryczne wydzielonego złącza pozwalają ocenić wpływ parametrów materiałowych, warunkóww brzegowych i obciążeń na wytrzymałość złącza. Zwiększone odkształ- złącza cenia i koncentracje naprężeń w elementach burtowego wagonu kolejowego przed modyfikacją wy- i współ- stępują: w obszarach bezpośredniego kontaktu pracy, a w szczególności w narożach, ostrych załama- efekt oddzia- niach i innych obszarach, gdzie występuje ływania karbów. Podobne tendencje zidentyfikowano w pobliżu krawędzi zewnętrznych elementów złącza (szczególnie elementu dolnego - 2 na rys. 6) i bezpośrednio na linii działania obciążenia (przy ściskaniu). Element górny złącza (1 - na rys. 6) zamontowanego na stanowi- dolnym deformuje sku podczas współpracy z elementem się znacznie bardziej niż element dolny (rys. 8); zarówno podczas ściskania jak również podczas rozciągania. Główną przyczyną znacznych deformacji elementów złącza, pojawiających się szczególnie przy rozciąganiu, jest specyfika oddziaływania wzajemnego elementów, która wynika bezpośrednio z kształtu współpracujących powierzchni, a także sposób zamocowania elementów złącza za pomocą sworzni (luzy montażowe i wynikający z tego brak jednoznacznego i niezmiennego zamocowania elementów złącza w uchwytachh stanowiska badawczego). Zaproponowane modyfikacje złącza wpłynęły na popra- złącza. Dzięki wę warunków współpracy elementów temu wyeliminowano problem wysuwania się złącz w kierunku poprzecznym do osi połączenia przy maksy- malnym obciążeniu. Literatura 1. EU Patent. A railway wagon and a mechanism for rotating and blocking a loading floor of a railway wagon for combined transportation. EP A1, Kwaśniowski S., Nowakowski T., Zając M.: Transport intermodalny w sieciach logistycznych. Wrocław: Wyd. Pol. Wrocł., Krason W., Niezgoda T.: FE numerical tests of railway wagon for intermodal transport according to PN-EU standards. Bulletin of the Polish Academy of Sciences, Technical Sciences 2014, 62 (4), p Krasoń W., Niezgoda T. Stankiewicz M.: Numerical and experimental tests of the side lock of railway wagon loading platform for intermodal transport. In: Shell Structures: Theory and Applications 2013, 3, p Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. 14