Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертационная работа:

Соколов Алексей Михайлович. Методология синтеза нечетких моделей прочности для совершенствования соединений элементов конструкций вагонов : диссертация ... доктора технических наук : 05.22.07 / Соколов Алексей Михайлович; [Место защиты: Петерб. гос. ун-т путей сообщ.].- Санкт-Петербург, 2006.- 384 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/619

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 7

Глава 1 Современное состояние проблемы совершенствования

соединений элементов конструкций подвижного состава 14

1.1 Обзор и анализ исследований, посвященных проблемам прочности

и совершенствования конструкций подвижного состава 14

1.2 Обзор и анализ состояния проблемы совершенствования

соединений элементов конструкций подвижного состава 35

1.2.1 Анализ структуры потока отказов конструкций подвижного состава 35

1.2.2 Обзор и классификация конструкций соединений, используемых на подвижном составе 41

1.2.3 Исследования, направленные на совершенствование методов моделирования конструкций соединений 48

1.3 Методы учета неопределенности в решении практических инженерных задач 56

1.3.1 Обзор и анализ видов неопределенности, возникающих при совершенствовании конструкций подвижного состава, а также основных методов оперирования неопределенностью 56

1.3.2 Основные подходы к решению задач прогноза прочности и надежности соединений элементов конструкций подвижного состава 60

1.3.3 Формирование требований к учету неопределенностей при моделировании прочности соединений и постановка задач исследования 67

Глава 2 Метод синтеза нечетких моделей прочности и его применение для моделирования и оценки прочности и надежности соединений элементов конструкций подвижного состава

2.1 Применение теории нечетких множеств для описания и оперирования неопределенностями при моделировании прочности соединений элементов конструкций подвижного состава 74

2.1.1 Нечеткие величины и принцип обобщения в применении к нечетким вычислениям 74

2.1.2 Методы нечетких вычислений на основе аналитической аппроксимации нечетких параметров 76

2.1.3 Методы нечетких вычислений, основанные на численной аппроксимации нечетких операндов 78

2.1.4 Нечеткие вычисления на суррогатных функциях 82

2.1.5 Способы определения свойств нечетких параметров и представления нечеткой релевантности моделей прочности соединений 90

2.2 Метод синтеза нечетких моделей прочности (FDMS-метод) 96

2.2.1 Общее описание метода 96

2.2.2 Аналитическая часть FDMS-метода 101

2.2.3 Синтетическая часть FDMS-метода 105

2.2.4 Критериальные оценки прочности и надежности соединений 112

2.2.5 Резюмирующая часть FDMS-метода 118

2.2.6 Адаптирующая часть FDMS-метода 121

2.3 Выводы по главе 125

Глава 3 Совершенствование опорных и болтовых соединений элементов буксового узла тележки грузовых вагонов 128

3.1 Методы моделирования прочности опорных и болтовых соединений 128

3.1.1 Инженерные методы моделирования резьбовых соединений 128

3.1.2 Инженерные методы моделирования опорных соединений 132

3.1.3 Совершенствование методов моделирования опорных и резьбовых соединений 137

3.2 Обобщенная модель предметной области моделирования прочности стяжных и контактных соединений грузового подвижного состава 144

3.2.1 Формирование диаграммы прецедентов предметной области моделирования прочности контактных соединений грузового подвижного состава 144

3.2.2 Особенности диаграммы прецедентов составляющих основу моделирования прочности стяжных соединений грузовых вагонов 150

3.2.3 Специфицирование элементарных факторов прочности обобщенной модели предметной области 152

3.3 Обзор и анализ исследований прочности и работоспособности

буксового узла грузовых вагонов 164

3.3.1 Обзор конструкций корпусов буксового узла 164

3.3.2 Анализ работы опорных соединений буксового узла и предложения по модификации их конструкции 175

3.3.3 История развития конструкций креплений буксы грузового вагона на шейке оси колесной пары 180

3.4 Совершенствование опорных соединений корпуса буксы с боковой рамой тележки грузового вагона 183

3.4.1 Формирование обобщенной модели предметной области моделирования прочности опорных соединений корпуса

буксы с боковой рамой 183

3.4.2 Фаззификация и синтез моделей прочности опорных соединений корпуса буксы 217

3.4.3 Анализ прочности типовой буксы и адаптация моделей прочности 223

3.4.4 Сравнение вариантов конструкции корпуса буксы по критерию прочности опорных соединений 233

3.5 Совершенствование торцевого крепления подшипников буксы тележки грузового вагона 236

3.5.1 Формирование обобщенной модели предметной области моделирования прочности болтового соединения торцевого крепления буксового подшипника 236

3.5.2 Синтез, анализ и адаптация нечетких моделей прочности болтового соединения 245

3.5.3 Совершенствование конструкции торцевого крепления по критерию прочности болтового соединения 251

3.6 Выводы по главе 255

Глава 4 Выбор параметров конструкции и технологии крепления заклепочных и сварных соединений упоров автосцепного устройства 258

4.1 Методы моделирования прочности заклепочных и сварных соединений 258

4.1.1 Инженерные методы моделирования сварных соединений 258

4.1.2 Методы моделирования сварных соединений 261

4.1.3 Особенности методов моделирования стяжных заклепочных соединений 266

4.2 Обобщенные модели предметной области моделирования прочности сварных и топологических соединений 268

4.2.1 Обобщенная модель предметной области моделирования прочности сварных соединений 268

4.2.2 Особенности обобщенной модели моделирования прочности топологических соединений 271

4.3 Обзор и анализ конструкций упоров автосцепного устройства 273

4.3.1 Трансформация конструкций упоров автосцепки в практике отечественного и зарубежного вагоностроения 273

4.3.2 Анализ работы упора автосцепного устройства грузовых вагонов в эксплуатации 276

4.4 Совершенствование конструкции и технологии крепления приварных упоров автосцепного устройства 281

4.4.1 Формирование обобщенной модели сварной конструкции заднего упора автосцепного устройства с учетом страт конструирования, изготовления и эксплуатации 281

4.4.2 Анализ прочности и совершенствование конструкции сварных соединений упора с применением FDMS-метода 295

4.5 Выводы по главе 308

Глава 5 Идентификация моделей соединения и оценка экономической эффективности FDMS-метода при модификации соединений элементов конструкций подвижного состава 311

5.1 Принципы и методика идентификации обобщенной модели прочности соединений элементов конструкций грузовых вагонов 311

5.1.1 Назначение и методика идентификации модели прочности соединения 311

5.1.2 Идентификация модели сварного соединения элементов челюстного проема буксового узла хоппер-дозатора для текущего содержания пути 316

5.2 Подходы к определению экономической эффективности применения FDMS-метода 331

5.2.1 Методика оценки экономической эффективности модернизации соединений элементов конструкций грузовых вагонов 331

5.2.2 Оценка экономической эффективности совершенствования конструкции буксового узла тележек грузовых вагонов 336

Заключение 340

Литература 3  

Введение к работе:

Железнодорожный транспорт является одним из наиболее массовых видов транспорта в России и по объему перевозки грузов занимает второе место, уступая только трубопроводному транспорту. Эффективность функционирования железнодорожного транспорта зависит от надежности всех элементов его инфраструктуры, и в том числе от подвижного состава, как одной из основных его структурных единиц. Помимо эффективности к подвижному составу железнодорожного транспорта предъявляются особые требования по надежности. Следует заметить, что более трети грузов перевозимых железнодорожным транспортом являются опасными, скорости движения по железным дорогам достигают 200 км/ч, массы поездов - 9000 т, а продольные усилия взаимодействия подвижного состава нередко превышают 350 тс. В этих условиях одним из действенных резервов повышения эффективности и безопасности железнодорожных перевозок является совершенствование конструкций подвижного состава, с целью уменьшения их потока отказов и снижение последствий этих отказов.

В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется около 820 тыс. грузовых вагонов, при этом ежегодно в текущий отцепочный ремонт по различным неисправностям поступает свыше 2500 тыс. вагонов, а каждый вагон отцепляли в текущий ремонт в среднем 5,78 раза. Анализ статистики поступления вагонов в ремонт показывает, что наиболее распространенными причинами отцепок являются неисправности колесных пар, тележек и кузовов грузовых вагонов (от 0,8 до 1,6 отцепок вагона в год). К таким неисправностям относятся:

- износы опорной поверхности колесных пар (подрезы, прокаты, ползуны и т.п.);

- изломы или ослабления торцевого крепления буксового узла;

- неисправности подшипников буксового узла (разрушение сепаратора, износы роликов, колец, технологический нагрев и т.д.); - износы опорных поверхностей корпусов букс;

- обрывы и трещины сварных соединений кузовов вагонов;

- деформация и разрушение заклепочных соединений упоров автосцепного устройства.

Таким образом, более 80% отказов грузовых вагонов, влекущих поступление вагона во внеплановый отцепочный ремонт, являются отказами соединений элементов их конструкций (сварных, болтовых, опорных, заклепочных). При этом существенная часть прочих отказов напрямую связана с параметрами соединений элементов грузовых вагонов. Так, например, трещины, возникающие в обшивке кузовов грузовых вагонов (например, полувагонов) в основном зарождаются в зоне сварного соединения обшивки с ребрами жесткости.

Такое положение дел может объясняться следующими причинами. 1. Недостаточное совершенство нормированных методик расчета соединений элементов подвижного состава. «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [221] регламентируются только упрощенные способы расчета сварных, заклепочных и болтовых соединений, которые не в полной мере отражают фактическое состояние соединений в эксплуатации. Существующие нормативные документы не позволяют учитывать в расчетах соединений элементов конструкций подвижного состава состояние соединений в других стадиях жизненного цикла, кроме эксплуатации, таких как изготовление, ремонт и техническое обслуживание. А тем временем, как показывает практика эксплуатации, значительную часть отказов вагонов связывают с нарушениями технологии изготовления и ремонта элементов его конструкции. 2. Существенные отклонения реального состояния конструкции соединения элементов вагона от проектного номинального состояния, вызванные массовостью производства достаточно сложных в технологическом плане конструкций вагонов. В современных конструкциях подвижного состава используется значительная часть существующих технологий и конструкций соединений элементов, начиная от обычной дуговой сварки и заканчивая такими экзотичными для тяжелого машиностроения, как клеевые соединения, лазерная сварка и т.п. Учитывая, что в пиковых режимах вагоностроительный завод может выпускать до 100 вагонов в сутки, а также востребованную коньюктурой рынка универсальность вагоностроительного производства, технологически сложно обеспечить точное соответствие фактически изготавливаемого соединения запроектированному. Появляющиеся отклонения конструкции соединения от расчетного состояния вносят существенные изменения в эксплуатационные характеристики соединения, такие как прочность, безотказность, долговечность и т.д. 3. Высокая концентрация конструктивных, технологических и эксплуатационных феноменов - «дефектов» - являющихся очагами зарождения и развития отказогенерирующего процесса. Основным отличием соединений элементов от других частей конструкции является высокая удельная плотность таких особенностей как геометрические концентраторы напряжений, скрытые дефекты, наведенные напряжения и деформации и т.п. При этом в фактических конструкциях подвижного состава определение реального состояния соединения, с учетом этих его особенностей, является весьма трудной, а зачастую и практически невыполнимой задачей. Отсутствие достоверной диагностической информации не позволяет принимать эффективные превентивные меры по предупреждению отказов подвижного состава в эксплуатации.

Указанные возможные причины чрезмерно высокого потока отказов соединений элементов конструкций подвижного состава позволяют говорить о весьма высокой актуальности проблемы комплексного подхода к совершенствованию соединений элементов конструкций подвижного состава. Комплексность в данном контексте подразумевает необходимость разработки единого методического подхода к оценке априорной и апостериорной прочности соединений и влияния на эту прочность различных условий окру 10 жения, таких как технология изготовления и ремонта, условия эксплуатации и технического обслуживания и т.п.

Особую актуальность проблемы совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава подчеркивает тот факт, что сокращение частоты поступления грузовых вагонов во внеплановый отцепочный ремонт по причине отказов соединений элементов их конструкций только на 10% позволит сократить затраты на ремонт парка грузовых вагонов более чем на 2 млрд. руб.

Целью настоящей диссертационной работы является разработка научно-обоснованных технических решений по совершенствованию соединений элементов конструкций грузовых вагонов, с использованием разработанного метода синтеза нечетких моделей прочности (FDMS-метода), позволяющего учитывать основные виды неопределенности в оценке прочности соединений на всех стадиях жизненного цикла подвижного состава.

Научная новизна исследований заключается в следующем:

1. Разработан метод синтеза нечетких моделей прочности, основанный на теории нечетких множеств, позволяющий проводить комплексную оценку прочности соединений, с учетом основных видов неопределенности исходной информации и релевантности моделей.

2. Проведен системный анализ и выполнена классификация элементарных факторов прочности соединений, а также сформированы обобщенные модели прочности основных видов соединений грузовых вагонов, для чего был адаптирован и применен понятийный аппарат унифицированного языка моделирования - UML.

3. Разработаны математические модели для оценки прочности опорных и болтовых соединений буксового узла тележки грузовых вагонов, с учетом основных видов неопределенности технологической и эксплуатационной информации, а также исследовано влияние геометрических параметров и типов конструкции, а также свойств материала элементов буксы на прочность буксового узла. 4. Разработаны математические модели для оценки прочности и установлены основные зависимости прочности сварных и заклепочных соединений от параметров конструкции упоров автосцепного устройства грузовых вагонов, с учетом неопределенности технологической и эксплуатационной информации.

5. Разработаны методика идентификации обобщенной модели прочности соединений, позволяющая сократить затраты на совершенствование соединений при освоении выпуска новых и модернизированных грузовых вагонов, а также методика оценки экономической эффективности совершенствования соединений элементов конструкций вагонов, основанная на положениях FDMS-метода

Практическая ценность работы заключается в использовании результатов исследований при решении научных и практических задач, связанных с созданием грузовых вагонов и их составных частей.

Разработан программный комплекс, реализующий предлагаемый метод синтеза нечетких моделей прочности, позволяющий эффективно проводить оценку прочности и совершенствовать соединения элементов конструкции подвижного состава на всех стадиях его жизненного цикла. Данный программный комплекс основан на разработанном математическом методе стохастической аппроксимации нечеткого результата и эффективно используется для создания и диагностирования остаточного ресурса конструкций вагонов в ЗАО «Инженерный центр «Объединения вагоностроителей» и ЗАО «Интернаучвагонмаш».

Сформированы рекомендации по совершенствованию конструкции буксового узла тележки грузовых вагонов и предложена рациональная конструкция торцевого крепления буксового узла, а также узла опирання боковой рамы на буксу тележки. Результаты исследований использовались для уменьшения межремонтного потока отказов при деповских ремонтах вагонов-цистерн транспортных компаний «М.Синтез-Бизнес» и «Сантранс». Обоснована прочность литой приварной конструкции, а также предложена рациональная сварная конструкция заднего упора автосцепного устройства, позволяющая существенно уменьшить отказы консольных частей рам грузовых вагонов. Результаты исследований использованы в конструкции приварного упора, установленной на опытных образцах вагонов-цистерн для нефтепродуктов, которые успешно прошли приемочные испытания, а предложенная конструкция упора рекомендована для внедрения на опытной партии вагонов.

Реализована конструкция устройства для тепловой обработки сварных соединений на основе тепловой трубы, позволяющего уменьшить уровень остаточных сварочных напряжений при изготовлении сложных сварных конструкций подвижного состава.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке конструкции вагонов: хоппер-дозатора для текущего содержания пути модели 55-9270, вагонов-цистерн моделей 15-1221 для перевозки авиационного топлива и нефтепродуктов, 15-1229 для перевозки сжиженных углеводородных газов, 15-1208 для перевозки пентана, вагона-хоппера модели 19-9734-01 для перевозки минеральных удобрений и зерна. Вагоны успешно прошли предварительные и приемочные испытания, а часть из них выпускается серийно на ОАО «Рузхиммаш». 

Результаты проведенных исследований использованы при разработке программ и методик технического диагностирования грузовых и рефрижераторных вагонов, которые утверждены Департаментом вагонного хозяйства МПС России и приняты Комиссией Совета полномочных специалистов вагонного хозяйства стран СНГ, Латвии, Литвы и Эстонии в качестве рабочих на территории этих стран. Разработанные методики успешно используются ЗАО «Интернаучвагонмаш» и ЗАО «Экспертный центр подвижного состава» для технического диагностирования грузовых вагонов с целью продления срока службы парка вагонов ряда транспортных компаний, организаций и фирм. На предложенные по результатам диссертационных исследований конструктивные решения получены 6 патентов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: в Дальневосточной Государственной академии путей сообщения (1993 г.), в Петербургском Государственном университете путей сообщения (1996, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 г.г.), в Манчестерском государственном университете (Великобритания, 1997 г.), на научно-технических совещаниях Департамента вагонного хозяйства МПС России, ОАО «Российские железные дороги», Объединения вагоностроителей Российской федерации, на научных семинарах кафедр «Вагоны и вагонное хозяйство», «Подъемно-транспортные, путевые и строительные машины» ПГУПСа (1996,1997,1999,2003,2004).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в одной монографии и 11 научных статьях, отдельные разделы теоретических исследований приведены в 8 научных отчетах. На изобретения, выполненные по результатам исследований, получены 6 патентов. Для проведения теоретических исследований разработаны две программы, зарегистрированные в Реестре программ для ЭВМ Роспатента.

Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, два приложения и изложена на 384 страницах машинописного текста, включающих 97 рисунков и 4 таблицы. Список использованных источников насчитывает 288 наименований. 

Подобные работы
Антипин Дмитрий Яковлевич
Прогнозирование усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций пассажирских вагонов с учетом их нагруженности при движении
Попов Евгений Михайлович
Обоснование направлений совершенствования структуры парка и конструкции вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов и определение возможности продления их срока службы проведением КРП
Ковтун Елена Николаевна
Боковые колебания грузовых вагонов и оценка конструкций их ходовых частей
Федоров Сергей Александрович
Совершенствование конструкции специализированных вагонов-цистерн для перевозки нефтепродуктов
Савушкин Роман Александрович
Совершенствование конструкций саморазгружающихся бункерных вагонов для перевозки сыпучих грузов
Титарев Дмитрий Викторович
Обоснование и разработка рациональной конструкции диска тормоза пассажирского вагона
Колясов Константин Михайлович
Анализ нагруженности и совершенствование конструкции шкворневого узла трамвайного вагона
Разумов Андрей Сергеевич
Определение механических характеристик и изменений в конструкции цельнокатаных колес грузовых вагонов с учетом повышения осевых нагрузок
Романова Анна Анатольевна
Совершенствование конструкции соединительных балок восьмиосных вагонов
Морчиладзе Илья Геронтьевич
Модификация конструкции и технического обслуживания вагона - цистерны в условиях транспортной компании

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net