УДК 629.4.01:629.463.65.001.76 технические науки/ 4. Транспорт
Д.т.н. Мороз В.І.
Українська державна академія
залізничного транспорту, Україна,
аспірант Фомін О.В.
Українська державна академія
залізничного транспорту, Україна.
Формалізований запис задачі оптимізаційного проектування
модуля кузова напіввагонів вітчизняного виробництва
Залізничний
транспорт є однією із важливих складових транспортної системи країн СНД. На
підставі цього від нього вимагають високоефективного, своєчасного та сталого
забезпечення потреб у перевезенні населення, вантажовідправників та
вантажоодержувачів.
Понад 50%
загального вантажообігу залізниць країн СНД приходиться на парк напіввагонів (www.ukrstat.gov.ua, www.gks.ru). Але на теперішній час має місце
дефіцит напіввагонів, що визначає необхідність поповнення
їх парку [1]. В останній час поповнення відбувається за рахунок їх виготовлення на вагонобудівних
підприємствах України та країн СНД. Причому загальна кількість базових
конструкцій напіввагонів складається більш як з 25 моделей [www.pg-online.ru]. Тому замовники більш
ретельно аналізують техніко-економічні показники (ТЕП) існуючих конструкцій та
замовляють новий рухомий склад у підприємств, які виготовляють моделі з
найкращими ТЕП. Це обґрунтовує актуальність подальшого розгортання науково-дослідних та
дослідно-конструкторських робіт з метою створення моделей вітчизняних
напіввагонів з поліпшеними ТЕП, напіввагонів нового покоління.
Вирішення цієї задачі потребує проведення оптимізаційного проектування (ОП)
напіввагонів за найважливішими технічними, економічними, інтегральними
критеріями, які відповідають сучасному рівню ТЕП. Одним із найважливіших ТЕП є -
матеріалоємність (маса тари напіввагонів (МТ)), зниження якої є одним із
пріоритетних напрямків розвитку вітчизняної вагонобудівної галузі.
За своєю суттю вирішення вищезазначеної задачі на сучасному рівні доцільно здійснювати з використанням підходів та методів теорії оптимізації – наприклад ОП за критерієм мінімальної матеріалоємності. При цьому одна з головних ролей при вирішенні такої задачі відводиться її формалізованому (математичному) запису. Разом з тим у відповідній довідковій та спеціальній науково-технічній літературі ці питання не знайшли достатнього висвітлення.
Авторами у роботі [2] запропоновано узагальнений
математичний (формалізований) запис задачі ОП вітчизняних напіввагонів за
критерієм мінімальної матеріалоємності, як задачі багатомірної оптимізації з
обмеженнями. Особливістю зазначеного запису є те, що його орієнтовано на
комплексне удосконалення конструкції напіввагону за рахунок модернізації її
окремих складових. При цьому, результати попереднього аналізу структурної
матеріалоємності елементів блочно-ієрархічної схеми конструкції вітчизняних
напіввагонів [3] показали, що однією із її найбільш матеріалоємних складових є
модуль кузова В11 (біля 36% від МТ напіввагону). Тому авторами було
розроблено формалізований запис задачі ОП модуля кузова вітчизняних
напіввагонів за критерієм мінімальної матеріалоємності. Де у якості головного
(першорядного) критерію обрано очікувану величину зниження матеріалоємності модуля
кузова ∆mВ11,
яка знаходиться за наступною формулою:
|
|
(1) |
де –
матеріалоємність модуля кузова, конструкція якого приймається за базову для
удосконалення, кг;
–
матеріалоємність удосконаленого (модернізованого) модуля кузова, кг.
Тоді загальний вид запропонованого формалізованого
запису, з урахуванням всіх параметричних та функціональних обмежень, буде мати
наступний вигляд:
|
|
((2) |
де Д –
область можливих рішень, яка формується границями варіювання складових вектора
змінних параметрів (xГа, xМd, xКe) – параметричними обмеженнями;
xГа – сумарна складова
вектора змінних параметрів, яка характеризує габаритні розміри модуля кузова
(висота – xГ1, довжина – xГ2, ширина – xГ3). Причому максимальні
значення відповідної змінної (xГаmax) визначаються обраним
габаритним обрисом рухомого складу (0-ВМ…3-ВМ), а мінімальні значення (xГаmin) – обираються в залежності від
функціонального призначення моделі напіввагонів (наприклад: урахування
можливості перевезення спеціальних вантажів - контейнерів, спецтехніки та інш.);
xМd – сумарна складова вектора змінних параметрів, яка
характеризує показники матеріалу, з якого виготовлено елементи модуля кузова
(наприклад: питома вага, границя текучості і т.д.). Максимальні xМdmax та мінімальні xМdmin значення відповідної
змінної визначаються з урахуванням властивостей матеріалів, які можуть бути
застосовані для виготовлення елементів модуля кузова (сплавів на основі
алюмінію, конструкційних сталей та інш.);
xКe – сумарна складова вектора змінних параметрів, яка
характеризує конструкційні особливості модуля кузова. Максимальні xКemax та мінімальні xКemax значення змінної, що
розглядається, будуть визначаються в залежності від пропонуємих конструкційних
рішень (наприклад: товщина листа металу обшиви торцевої стіни може змінюватись
від 4 до 8 мм, а кількість стійок однієї бокової стіни варіювати від 6 до 16);
Дx– область допустимих
рішень, яка визнається функціональними обмеженнями - вторинними критеріями
оптимізації, які також змінюються при
варіюванні складових вектора і задаються у
вигляді відповідних співвідношень.
При розв’язанні задач ОП модуля кузова
напіввагонів удосконаленої конструкції в якості функціональних обмежень можуть розглядатися:
σmax– еквівалентні напруження для
найбільш навантаженого елементу напіввагону, які не повинні перевищувати допустимі
напруження [σ] для обраного матеріалу;
Росmax – розрахункове статичне навантаження від
колісної пари на рейки, яке не повинно перевищувати допустимого значення [Росmax], що
встановлюється нормативно-технічною документацією;
РВ – вантажопідйомність, яка
повинна бути не меншою за вантажопідйомність прототипу РВпрот;
VВ – повний (навантажувальний)
об’єм кузова, який повинен бути більше за повний об’єм кузова для прототипу Vпрот;
ЗВmax – максимальні витрати на
виробництво модуля кузова, які повинні бути меншими, ніж аналогічні витрати для
прототипу Зпрот.
Запропонований формалізований запис
було використано для ОП модуля кузова напіввагонів моделі 12-9745 [4], яка є
базовою на перепрофільованих вагоноремонтних заводах Укрзалізниці: Дарницький
ВРЗ, ДП «Укрспецвагон», Попаснянський ВРЗ та Стрийський ВРЗ.
Результати досліджень показали, що при
впровадженні запропонованих авторами технічних рішень, забезпечується зниження матеріалоємності
модуля кузова на 310 кг та відповідне збільшення вантажопідйомності
розглядаємої моделі напіввагонів. Це дозволить у складі поїзда з 60 – ти таких
напіввагонів додатково перевозити близько 19т вантажу.
Зазначене свідчить про доцільність
використання запропонованого формалізованого запису задачі оптимізаційного
проектування за критерієм мінімальної матеріалоємності для удосконалення
конструкції напіввагонів вітчизняного виробництва.
Література
1
Цыган, Б.Г. Состояние и
тенденции развития грузового вагоностроения [Текст] / Б.Г.Цыган, А.Б.Цыган //
Вагонный парк. – 2008 - № 9-11.
2
Мороз, В.І. Математичний запис задачі оптимізаційного проектування
напіввагонів за критерієм мінімальної матеріалоємності [Текст]/ В.І. Мороз, О.В
Фомін // Зб. наук. праць.- Харків: УкрДАЗТ, 2009.- Вип. 111.
3
Мороз, В.І. Формалізоване описання конструкції залізничних вантажних
вагонів [Текст]/ В.І. Мороз, О.В. Фомін, // Зб.наук.праць 107. - Харків:
УкрДАЗТ, 2009. - Вип. –С. 173-179.
4
Напіввагон чотиривісний моделі 12 – 9745. Технічні умови.
ТУ У 35.2 –
01124454-032-2004, м. Київ.