BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU Z OBROTOWĄ PLATFORMĄ ŁADUNKOWĄ

(1)

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2017 nr 61, ISSN 1896-771X

BADANIA EKSPERYMENTALNE

I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU Z OBROTOWĄ PLATFORMĄ ŁADUNKOWĄ

Wiesław Krasoń

^1a

, Michał Stankiewicz

^1b

1Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, Wojskowa Akademia Techniczna

awieslaw.krason@wat.edu.pl, ^bmichal.stankiewicz@wat.edu.pl

Streszczenie

Wagon specjalny zaprojektowany w Wojskowej Akademii Technicznej pozwala na łatwy, szybki i niezależny zała- dunek, 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 sprzęga- jący 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 Me- chaniki 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 europej- skiego „EP Application 12170915 (2012)”[1]. Wagon pozwala na łatwy, szybki i niezależny załadunek, trans-

(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 podze- społem wagonu z obrotową platformą ładunkową jest zamek sprzęgający burty platformy obrotowej z częścią nadwózkową ramy-ostoi wagonu. Dlatego wykonano badania stanowiskowe elementów wydzielonego podze- społu zamka z zastosowaniem specjalistycznej aparatury do badań eksperymentalnych. W badaniach wytrzyma- łości zastosowano podzespół zamka w skali 1:1, z odwzo-

rowaniem 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 wielowarian- towej analizie numerycznej wydzielonego złącza [3,4].

Wybrane wyniki badań stanowiskowych i numerycznych przedstawiono i zinterpretowano w niniejszym opraco- waniu

.

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

(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 montażo- wy, dzięki któremu platforma może swobodnie się obra- cać, gdy złącze jest odblokowane (klin blokujący odsu- nięty, 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 umoż- liwia mechanizmowi obrotu otwarcie wagonu. W trakcie obrotu platforma ruchoma opiera się na węźle obroto- wym 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 72818 elementów 8 i 4 węzłowych bryłowych oraz 38313 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 przy- padkach założono współczynnik tarcia Coulomba

μ

=0,2.

W modelu numerycznym złącza uwzględniano luzy montażowe (zamodelowane poprzez odpowiednie wymia- ry 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 warian- tów:

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 wyni- ków numerycznych i eksperymentalnych wynosi w tym przypadku 12%.

(4)

BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZ

Rys. 3. Model numeryczny złącza

Rys. 4. Naprężenia zredukowane wg hipotezy Hubera dla przemieszczenia 15

Rys. 5. Odkształcenia plastyczne dla przemieszczenia 15 mm

3.2. BADANIA EKSPERYMENTALNE

Analizowane złącze poddano próbie statycznego rozci gania, które przeprowadzono na maszynie

ściowej o napędzie hydraulicznym INSTRON SATEC 1200KN (rys. 6). Prędkość obciążenia ustalono na 10 mm/min. Badane złącze przedstawiono na rysunkac i 7.

Rys. 6. Maszyna wytrzymałościowa Instron SATEC 1200 kN wraz z zespołem zamków burtowych: 1 - element górny, 2

dolny badanego złącza

BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU (

Model numeryczny złącza: a) siatka MES, b) schemat zdefiniowanych warunków brzegowych

Naprężenia zredukowane wg hipotezy Hubera dla przemieszczenia 15 mm (wariant I, II i III)

Odkształcenia plastyczne dla przemieszczenia 15 mm (wariant I, II i III)

BADANIA EKSPERYMENTALNE

próbie statycznego rozcią- gania, które przeprowadzono na maszynie wytrzymało- ściowej o napędzie hydraulicznym INSTRON SATEC

. Prędkość obciążenia ustalono na 10 łącze przedstawiono na rysunkach 6

Maszyna wytrzymałościowa Instron SATEC 1200 kN wraz element górny, 2 - element

Rys. 7. Zdjęcia podzespołu zamków burtowych podczas przyg 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. Wykr

siły w funkcji przemieszczenia w kierunku wzdłużnym 9) ma prawie liniowy charakter. Świadczy to o poprawn ści przyjętych założeń projektowych badanego podzespołu wagonu.

NE PODZESPOŁU WAGONU (...)

schemat zdefiniowanych warunków brzegowych

)

Zdjęcia podzespołu zamków burtowych podczas przygo-

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 zmian w kierunku wzdłużnym (rys.

ma prawie liniowy charakter. Świadczy to o poprawno- ści przyjętych założeń projektowych badanego podzespołu

(5)

Wiesław Krasoń,

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 konstrukc

wych łączących obrotową platformę ładunkową i nier chome części nadwózkowe ramy ostoi wagonu.

stawie wniosków z badań proponuje się modernizację złącza polegającą na (rys. 10):

- modyfikacji kształtu elementów złącza z uwzględni niem charakteru odkształceń i miejsc występowania zwiększonych odkształceń (na podstawie map odkszta ceń)

- zastosowaniu zaokrągleń naroży w miejscach współpr cy elementów złącza i występowania spiętrzenia napr żeń.

Rys. 12. Mapa przemieszczeń zarejestrowana za pomoc

Wiesław Krasoń, Michał Stankiewicz

Zdjęcia z rozciągania złącza kolejowego do 200 kN:

i maksymalnie obciążone

Wykres rozciągania złącza kolejowego do 200 kN

ZMODYFIKOWANEGO

Wielowariantowe symulacje numeryczne wykonane z zastosowaniem zweryfikowanych modeli numerycznych oraz przeprowadzone badania eksperymentalne, posłużą konstrukcji złączy burtowych łączących obrotową platformę ładunkową i nieru- me części nadwózkowe ramy ostoi wagonu. Na pod- się modernizację

kształtu elementów złącza z uwzględnie- odkształceń i miejsc występowania

(na podstawie map odkształ-

zaokrągleń naroży w miejscach współpra- i występowania spiętrzenia naprę-

Rys. 10. Zmodyfikowane złącze burtowe

Zmodyfikowane złącze poddano próbie statycznego rozciągania i ściskania, które przeprowadzono na masz nie wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym INSTRON SATEC 1200KN [5

ustalono na 10 mm/min. Widok złącza badanego na stanowisku przedstawiono na rys. 11. Deformacje wano za pomocą systemu optycznego Mapę przemieszczeń z próby rozciągania kN) przedstawiono na rys. 12.

Rys. 11. Podzespół zmodyfikowanych zamków burtowych zamontowanych na maszynie wytrzymałościowej Instron SATEC 1200 kN wraz z systemem optycznym pomiaru o kształceń

Stwierdzono, że nowy kształt zamka wpływa korzystnie na działanie połączenia burtowego

łości i parametrów opisujących działanie połączenia zidentyfikowano na podstawie badań stanowiskowych i numerycznych w zakresie ograniczenie

szczególnie tendencji do dużych względnych przemies czeń i w efekcie wysuwania się elementów

kierunku poprzecznym do osi połączenia (rys.

Stwierdzono także zmniejszenie koncentracj szczególnie w obszarach, w których karby konstrukcyjne.

Mapa przemieszczeń zarejestrowana za pomocą systemu optycznego - max wartość 1,4 mm Zmodyfikowane złącze burtowe

Zmodyfikowane złącze poddano próbie statycznego które przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej o napędzie hydraulicznym

5]. Prędkość obciążenia Widok zmodyfikowanego badanego na stanowisku wytrzymałościowym . Deformacje złącza zarejestro-

optycznego ARAMIS [6].

Mapę przemieszczeń z próby rozciągania (max siła 200

Podzespół zmodyfikowanych zamków burtowych zynie wytrzymałościowej Instron

systemem optycznym pomiaru od-

zamka wpływa korzystnie a działanie połączenia burtowego. Poprawę wytrzyma-

parametrów opisujących działanie połączenia na podstawie badań stanowiskowych i

czenie deformacji, a dużych względnych przemiesz-

elementów złącza w kierunku poprzecznym do osi połączenia (rys. 8 i 12).

koncentracji naprężeń, szczególnie w obszarach, w których wyeliminowano

max wartość 1,4 mm

(6)

BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZ

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

no modele numeryczne wydzielonego złącza z odwzor waniem warunków ich współpracy podczas prób labor toryjnych. Wykonane wielowariantowe symulacje num ryczne wydzielonego złącza pozwalają ocenić wpływ parametrów materiałowych, warunków brzegowych i obciążeń na wytrzymałość złącza. Zwiększone odkszta cenia i koncentracje naprężeń w elementach złącza burtowego wagonu kolejowego przed modyfikacją stępują: w obszarach bezpośredniego kontaktu i wspó pracy, a w szczególności w narożach, ostrych załam niach i innych obszarach, gdzie występuje

ływania karbów. Podobne tendencje zidentyfikowano pobliżu krawędzi zewnętrznych elementów złącza (szcz

Literatura

1. EU Patent. A railway wagon and a mechanism for rotating and blocking a loading floor of a railway combined transportation. EP 2 532 562 A1, 12.09.2012

2. Kwaśniowski S., Nowakowski T., Zając M.

Pol. Wrocł., 2008.

3. Krason W., Niezgoda T.: FE numerical tests of railway wagon for intermodal transport according to PN standards. “Bulletin of the Polish Academy of Sciences

4. Krasoń W., Niezgoda T. Stankiewicz M.

loading platform for intermodal transport 5. http://www.instron.com

6. http://www.gom.com/pl/systemy-pomiarowe/charakterystyka

Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl

BADANIA EKSPERYMENTALNE I NUMERYCZNE PODZESPOŁU WAGONU (

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 zbudowano modele numeryczne wydzielonego złącza z odwzoro- waniem warunków ich współpracy podczas prób laboratoryjnych. Wykonane wielowariantowe symulacje numeryczne wydzielonego złącza pozwalają ocenić wpływ parametrów materiałowych, warunków brzegowych i większone odkształ- w elementach złącza burtowego wagonu kolejowego przed modyfikacją wy- stępują: w obszarach bezpośredniego kontaktu i współ- , ostrych załama- , gdzie występuje efekt oddzia- ływania karbów. Podobne tendencje zidentyfikowano w pobliżu krawędzi zewnętrznych elementów złącza (szcze-

gólnie elementu dolnego - 2 na rys. 6 linii działania obciążenia (przy ściska

górny złącza (1 - na rys. 6) zamontowanego na stanow sku podczas współpracy z elementem dolnym deformuje się znacznie bardziej niż element dolny

podczas ściskania jak również podczas rozciągania Główną przyczyną znacznych deformacji elementów złącza, pojawiających się szczegól

jest specyfika oddziaływania wzajemnego

która wynika bezpośrednio z kształtu współpracujących powierzchni, a także sposób zamocowania elementó złącza za pomocą sworzni (luzy montażowe i wynikający z tego brak jednoznacznego i niezmiennego zamocowania elementów złącza w uchwytach stanowiska badawczego Zaproponowane modyfikacje złącza

wę warunków współpracy elementów

temu wyeliminowano problem wysuwania się złącz w kierunku poprzecznym do osi połączenia przy maks malnym obciążeniu.

A railway wagon and a mechanism for rotating and blocking a loading floor of a railway EP 2 532 562 A1, 12.09.2012

Kwaśniowski S., Nowakowski T., Zając M.: Transport intermodalny w sieciach logistycznych

FE numerical tests of railway wagon for intermodal transport according to PN 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

pomiarowe/charakterystyka-systemow/aramis.html

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl

NE PODZESPOŁU WAGONU (...)

2 na rys. 6) i bezpośrednio na nia (przy ściskaniu). Element zamontowanego na stanowi- podczas współpracy z elementem dolnym deformuje się znacznie bardziej niż element dolny (rys. 8); zarówno podczas ściskania jak również podczas rozciągania.

łówną przyczyną znacznych deformacji elementów szczególnie przy rozciąganiu, specyfika oddziaływania wzajemnego elementów, z kształtu współpracujących , a także sposób zamocowania elementów złącza za pomocą sworzni (luzy montażowe i wynikający jednoznacznego i niezmiennego zamocowania elementów złącza w uchwytach stanowiska badawczego).

Zaproponowane modyfikacje złącza wpłynęły na popra- elementów złącza. Dzięki temu wyeliminowano problem wysuwania się złącz w kierunku poprzecznym do osi połączenia przy maksy-

A railway wagon and a mechanism for rotating and blocking a loading floor of a railway wagon for

Transport intermodalny w sieciach logistycznych. Wrocław: Wyd.

FE numerical tests of railway wagon for intermodal transport according to PN-EU , p. 843 - 851.

of the side lock of railway wagon Shell Structures: Theory and Applications 2013, 3, p. 531-534.