Design and assessment of strength magneto-levitation bogie

Full Text

Введение

В монографии [1] отмечено, что создание и внедрение инновационных технологий в сфере транспортной инфраструктуры являются жизненно важными вопросами для экономики Российской Федерации.

Актуальным направлением инновационного развития транспортной инфраструктуры является внедрение технологии магнитодинамической левитации в область грузовых перевозок, в частности для перевозки контейнеров.

Перспективной магнитолевитационной технологией для перевозки контейнеров является технология магнитодинамической левитации «Inductrack».

В технологии магнитодинамической левитации «Inductrack» используются постоянные магниты [2], при этом для их работы не требуется криогенное охлаждение. Преимуществом указанной технологии является высокий зазор между активной частью путевой структуры и магнитами, установленными на транспортном средстве (до 100 мм) [3].

Путевая структура при использовании технологии «Inductrack» состоит из участков разгона, необходимого для набора предлевитационной скорости, стоянки, торможения и активной части. Активная часть путевой структуры состоит из двух треков левитации и боковой стабилизации и расположенного между ними статора тягового линейного синхронного двигателя [3].

В настоящей работе поставлены следующие задачи:

• – выбор рациональной несущей системы и разработка проекта опытной магнитолевитационной тележки для перевозки стандартизированных контейнеров [4];
• – анализ возможных нагрузок на магнитолевитационную тележку при использовании технологии магнитодинамической левитации «Inductrack»;
• – расчет на прочность опытной конструкции тележки методом конечных элементов (МКЭ).

1. Выбор рациональной несущей системы и разработка конструкции опытной тележки

В результате конструктивных проработок компоновки тележки под известные геометрические параметры путевой структуры была разработана несущая система в виде Н-образной рамы (рис. 1), состоящей:

• – из основной несущей балки прямоугольного сечения;
• – продольных балок для маневровых колес и продольных балок для направляющих колес;
• – кронштейнов для крепления блоков с магнитами.

  

Рис. 1. Рама опытного образца магнитолевитационной тележки: 1 – основная несущая балка прямоугольного сечения; 2 – продольные балки для маневровых колес; 3 – продольные балки для направляющих колес; 4 – кронштейны для креплении блоков с магнитами

 

Конструкция тележки разработана с учетом возможности размещения массивных сверхпроводников взамен постоянных магнитов для использования технологии «МагТранСити» (сверхпроводниковая модификация технологии «Inductrack» [3]).

Основными элементами опытного образца тележки являются (рис. 2):

• – несущая сварная стальная рама, к которой крепятся фитинговые упоры, блоки с магнитами, маневровые и направляющие колеса;
• – магниты, объединенные в блоки по схеме «Массив Хальбаха» [5];
• – маневровые колеса, необходимые для предварительного разгона тележки (при левитации колеса не касаются путевой структуры);
• – направляющие колеса, которые служат для центрирования тележки при движении на участке разгона. 

 

Рис. 2. Общий вид опытного образца магнитолевитационной тележки: 1 – рама; 2 – блоки с магнитами; 3 – маневровые колеса; 4 – направляющие колеса; 5 – защитный кожух

 

Геометрические характеристики поперечных сечений несущих элементов рамы оптимизированы по критерию наименьшей металлоемкости с использованием методов оптимального проектирования конструкций [6].

Для перевозки контейнеров с учетом наличия кривых участков в путевой структуре предложено конструктивное исполнение магнитолевитационной тележки (рис. 3), отличающееся от вышеописанной наличием поворотной опорной площадки. Опорная площадка представляет собой лист, на котором установлены фитинговые упоры, пятник и скользуны.

Передача вертикальных нагрузок от контейнера на раму тележки с поворотной опорой осуществляется через скользуны, передача поперечных и продольных нагрузок – через пятниковый узел.

Для предотвращения свободного вращения поворотной опоры в порожнем состоянии предусмотрены ограничители.

Основные параметры и размеры опытной магнитолевитационной тележки представлены в табл. 1.

  

Рис. 3. Общий вид проекта магнитолевитационной тележки с поворотной площадкой:1 – лист; 2 – фитинговый упор; 3 – скользуны; 4 – ограничитель

 

Таблица 1. Основные параметры и размеры опытной магнитолевитационной тележки

Наименование	Величина
Масса тары тележки, не более, кг	3000
Высота тележки от опорной поверхности для маневровых колес до опорной поверхности фитинговых упоров, мм:
– тележка без поворотной опоры (рис. 2)	710
– тележка с поворотной опорой (рис. 3)	840
Длина тележки, мм	2000
Ширина тележки, не более, мм	3730

 

Основные элементы тележки выполнены из стали 09Г2С, элементы крепления магнитов выполнены из алюминия марки АМг5.

Тележки предназначены для перевозки контейнеров различных типов (рис. 4), при этом не требуется дополнительных устройств для соединения тележек между собой.

 

Рис. 4. Пример перевозки контейнеров на магнитолевитационных тележках

 

2. Анализ возможных нагрузок на магнитолевитационную тележку

В качестве расчетных режимов принимались:

• – трогание тележки с места, когда включается линейный синхронный двигатель, тележка опирается на маневровые колеса и действуют инерционные нагрузки;
• – торможение, когда тележка находится в состоянии магнитолевитационного полета, опирание на маневровые колеса отсутствует, действуют инерционные нагрузки;
• – опирание тележки на магниты, когда тележка находится в состоянии магнитолевитационного полета;
• – опирание тележки на маневровые колеса, при этом линейный синхронный двигатель выключен.
• При расчете тележки на трогание с места и на торможение принималось следующее сочетание нагрузок:
• – сила тяжести тележки;
• – продольная сила инерции тележки;
• – сила тяжести контейнера с грузом, действующая на фитинговые упоры;
• – продольная сила инерции контейнера с грузом, действующая на фитинговые упоры;
• – вертикальная динамическая добавка от действия продольной силы инерции контейнера с грузом.

Продольная сила инерции тележки определена путем умножения массы тележки на величину продольного ускорения. Величина продольного ускорения принималась равной 2 g. При расчете по МКЭ к тележке прикладывалось ускорение.

Продольная сила инерции контейнера составила N_u = 0,67 МПа и прикладывалась к двум фитинговым упорам.

Вертикальная динамическая добавка от действия продольной силы инерции контейнера Р_z определялась по формуле «Норм…» [7]

$P_z=N_u\cdot \frac{h_k}{2\cdot l_k}$,

где N_u – продольная сила инерции контейнера с грузом, N_u = 2 mg;

h_k – высота контейнера;

l_k – длина контейнера.

При расчете тележки на вертикальное нагружение (при опирании на магниты или на маневровые колеса) принималось следующее сочетание нагрузок:

• – сила тяжести тележки;
• – сила тяжести контейнера с грузом, действующая на фитинговые упоры.

3. Расчет прочности магнитолевитационной тележки

Расчет производился по МКЭ с использованием расчетного пакета «Ansys Workbench», версия 12.1 [8, 9, 10]. Допускаемые напряжения принимались 0,9 от предела текучести [σ]_т, для стали 09Г2С [σ]_т = 345 МПа.

Для расчета была разработана объемная конечно-элементная модель тележки. Элементы расчетной модели имитировались объемными квадратичными конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле. Общий вид конечно-элементной модели тележки представлен на рис. 5.

 

Рис. 5. Объемная конечно-элементная модель тележки с указанием точек замера эквивалентных напряжений

 

Расчетные режимы и максимальные эквивалентные напряжения в конструкции тележки представлены в табл. 2. Точки замера эквивалентных напряжений представлены на рис. 5.

Расчетами установлено, что конструкция тележки способна выдержать удвоенную вертикальную нагрузку от контейнера массой брутто 34 тонны и продольные силы инерции, действующие от контейнера при продольном ускорении 2 g.

 

Таблица 2. Расчетные режимы и максимальные эквивалентные напряжения в конструкции тележки

Расчетный режим	Зона максимальных напряжений по рис. 5	Значение максимальных напряжений, МПа
Трогание тележки с места	Точка 1	246
Торможение	Точка 1	212
Опирание тележки на магниты	Точка 2	39
Опирание тележки на маневровые колеса	Точка 3	81

 

Заключение

1. Разработана конструкция опытного образца магнитолевитационной тележки, позволяющая устанавливать постоянные магниты при использовании технологии магнитодинамической левитации «Inductrack» или массивные сверхпроводниковые элементы при использовании технологии «МагТранСити».
2. Установлены основные режимы нагружения магнитолевитационной тележки для проведения прочностных расчетов.
3. Проведены расчеты на прочность методом конечных элементов по установленным режимам нагружения. По результатам расчетов конструкция тележки способна выдержать удвоенную вертикальную нагрузку от контейнера массой брутто 34 тонны и продольные силы инерции, действующие от контейнера при продольном ускорении 2 g.

About the authors

Dmitri G. Beyn

Joint stock company «Scientific Implementation center «Wagons»

Author for correspondence.
Email: dgbain@mail.ru

Candidate of Technical Sciences

Russian Federation

Ekaterina A. Ispolova

Joint stock company «Scientific Implementation center «Wagons»

Email: ispolova_ekaterina@pochta.ru

Design Bureau, Computation Department, Director

Russian Federation

Yuri B. Zhitkov

Joint stock company «Scientific Implementation center «Wagons»

Email: zhitkov-nvc@ya.ru

Design Bureau, Freight cars Department, design engineer

Russian Federation

Roman A. Sakharov

Joint stock company «Scientific Implementation center «Wagons»

Email: sakharok@mail.ru

Design Bureau, Freight cars Department, design engineer

Russian Federation

References

Supplementary files