ЗМІСТ

Вступ...............................................................................................................9

1 Літературний огляд..................................................................................11

2 Постановка задачі.....................................................................................15

3Теоретичні засади рішення.......................................................................17

3.1 Основні поняття МСЕ.......................................................................17

3.2 Контактні взаємодії...........................................................................19

3.2 Програмні продукти, що використовувалися.................................23

4 Методика практичної реалізації.............................................................25

5 Розрахунок задачі.....................................................................................32

5.1 Побудова комп’ютерної моделі.......................................................32

5.2 Розрахунок в ANSYS........................................................................34

Введення...............................................................................................34

5.2.1 Побудова моделі.........................................................................35

5.2.2 Вирішення задачі........................................................................40

5.2.3 Постпроцесорна обробка результатів......................................41

6 Аналіз результатів....................................................................................44

7 Охорона праці та навколишньго середовища........................................55

7.1 Загальні питання охорони праці......................................................55

7.2 Промислова санітарія........................................................................56

7.2.1 Мікроклімат................................................................................56

7.2.2 Промислове освітлення.............................................................58

7.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання........................60

7.2.4 Шум.............................................................................................61

7.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці................62

7.3.1 Електробезпека...........................................................................62

7.3.2 Ергономічні вимоги до робочого місця...................................62

7.4 Пожежна безпека...............................................................................63

7

7.5 Охорона навколишнього середовища.............................................64

8 Економічна частина.................................................................................65

Введення...................................................................................................65

8.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень..............................66

8.2 Розрахунок витрат на науково-дослідницьку роботу (НДР).......66

8.2.1 Заробітна плата...........................................................................67

8.2.2 Відрахування в бюджет.............................................................67

8.2.3 Витрати на матеріали.................................................................68

8.2.4 Витрати на електроенергію.......................................................68

8.2.5 Витрати на воду й інші ресурси................................................69

8.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби.............................70

8.2.7 Витрати на малоцінний інвентар..............................................70

8.2.8 Амортизаційні відрахування.....................................................70

Висновки......................................................................................................72

Список джерел інформації.........................................................................73

8

ВСТУП

В даній дипломній роботі взаємодія складнопрофільних тіл розглянута

на прикладі колісної пари.

Взаємодія колеса і рейки є фізичною основою руху рухомого складу по

залізницях. Від параметрів цієї взаємодії багато в чому залежать безпека руху

та основні техніко-економічні показники господарств колії та рухомого

складу.

Як відомо, кочення супроводжується тертям взаємодіючих пар, тому

існувала і буде існувати вічно проблема взаємного зносу коліс і рейок.

В останні 15 років на залізницях істотно змінилися завдання, які стоять

перед службами, відповідальними за технічний стан колії та рухомого

складу. У 1990х роках першорядне значення надавалося зменшенню зносу

коліс і рейок, але зараз найпильніша увага приділяється проблемі скорочення

проявів контактної втоми і інтенсивності хвилеподібного зносу поверхні

кочення рейок. Контактна втома кочення обумовлює зменшення терміну

служби рейок і є одним із джерел ризиків щодо безпеки руху. Явища

контактної втоми кочення призводять до виникнення тріщин на поверхні

катання рейок у зоні контакту колесо - рейка. З середини 1980х років

контактна втома кочення в рейках стала носити масовий характер і

перетворилася в один з основних джерел проблем для служб шляху.

Розробка ефективних методів зниження ступеня зносу залежить від

наявності методик дослідження, оцінки параметрів контактної взаємодії пари

«колесо - рейка» за допомогою чисельних методів. Тому при проектуванні

нових або модернізації існуючих конструкцій колії та рухомого складу,

встановлення умов обігу рухомого складу та вирішенні низки інших завдань

особливе місце займають дослідження методами математичного

моделювання взаємодії колії та рухомого складу. За величиною контактних

9

напружень можна з достатньою точністю прогнозувати знос, опір руху і

ймовірність виникнення втомних ушкоджень, а витрати, пов'язані із

взаємодією коліс і рейок, мінімізувати за рахунок підтримки напружень на

рівні нижче порогових.

10

1 ЛІТЕРАТУРНИЙ ОГЛЯД

У роботі вирішувалася контактна задача в трьохвимірній постановці

про взаємодію вагонного колеса з рейкою, тому слід розглянути літературні

джерела за наступними напрямками:

− теоретичні відомості про розрахунок колії на міцність;

− теоретичні відомості про контактні взаємодії тіл;

− теоретичні відомості про метод скінченних елементів;

− вибір систем для проектування та розрахунків;

− вибір матеріалу для конструкцій них елементів візка вагона.

Теоретичні відомості про розрахунок пари «колесо-рейка» на міцність

описані у працях М. Чернишова, В. Сакало та А. Буйносова [1,2,3]. У книзі

[1] викладено практичні методи розрахунку колії на міцність і стійкість,

засновані на результатах теоретичних досліждень в області взаємодії колії та

рухомого складу; наведені розрахунки звичайного стикового шляху на

дерев'яних і залізнобетонних шпалах і безстиковій дорозі, а також методи

розрахунку на стійкість рухомого складу проти сходу від вкатування гребнем

колеса на рейкову нитку. Розрахунки ілюстровані прикладами, в кінці книги

додаються довідкові дані, необхідні для самостійних розрахунків шляху.

А знання про контактні взаємодії було отримано з книги К. Джонсона

[4]. Монографія цього відомого англійського фахівця містить стислий і

доступний виклад як класичної теорії контактної взаємодії деформівних тіл,

так і нових розділів механіки контакту. Багато уваги в ній приділено опису

ефектів напружності, в'язкості, накопичення ушкоджень, ковзання та

зчеплення в області контакту. Розглянуто складні прикладні контактні задачі

з урахуванням тертя, динаміки, теплообміну.

Важливим моментом при розрахунку деталей є задання характеристик

матеріалу. А при аналізі результатів основну увагу приділяють його

11

механічним властивостям. В ході виконання дипломної роботи ці дані були

отримані в марочнику сталі і сплавів на сайті [5]. Крім того, на сайті

містяться відомості про хімічний склад та область використання різних

марок сталі.

Здійснення необхідних розрахунків можливо завдяки методу скінчених

елементів (МСЕ). Перші розробки МСЕ були виконані в 50-х роках для

вирішення завдань опору матеріалів. У 60-і роки математики отримали суворі

формулювання для цього методу, після чого він став загальним засобом

вивчення задач в приватних похідних, потроху витіснивши метод скінчених

різниць, що розглядався в період свого апогею як універсальний засіб

вирішення задач такого типу. Після докладного математичного його

дослідження виявилося, що при негладких вхідних даних задачі МСЕ часто

сходиться швидше, ніж метод кінцевих різниць, а іноді взагалі володіє

оптимальною швидкістю збіжності. Починаючи з 1970 р. цей метод став

дуже популярним серед інженерів усіх спеціальностей завдяки роботам

Зінкевича, Галлагер, Одена, Ліона, Равьяра, Сильвестера. Протягом останніх

десяти років метод скінченних елементів перетворився на потужну

математичну основу для створення пакетів програм розв'язання задач

математичної фізики, що дозволяють повністю автоматизувати процес,

побудови і рішення систем варіаційно-різницевих рівнянь.

Зараз активно розробляються й інші застосування методу скінчених

елементів. Але цей метод незамінний, якщо потрібно враховувати

геометричні особливості.

Корисним посібниками для оволодіння теоретичними основами стали

книги Р. Галагера [6] та Г. Стренга [7]. В них здійснюється виклад основ

методу скінчених елементів і аналіз важливих задач, а також даються

рекомендації відносно практичної реалізації відповідних алгоритмів.

Метою наведених книг є пояснення впливу різних чинників на

обчислювальну ефективність методу скінчених елементів. У них

12

викладаються теоретичні основи методу скінчених елементів – інтерполяція

даних, вибір апроксимуючих функцій, модифікація крайових умов, точність

обчислень, а також глибоко і всебічно розглянуті питання застосування

методу скінчених елементів і варіаційного підходу до завдань. Виклад

починаеться з найпростіших понять.

Детальний розгляд аналізованої конструкції неможливий без систем

автоматичного проектування. Для моделювання деталі бокова рама, була

обрана програма SolidWorks, що є однієї із кращих, по загальному визнанню,

конструкторських систем.

Однією з книг, що присвячені цій системі, є «SolidWorks 2005/2006.

Навчальний курс» [8]. В ній розглядається призначення системи, можливості,

робота її функцій, методика й техніка тривимірного моделювання й

створення двомірних креслень виробів. У книзі міститься велика кількість

малюнків, прикладів і практичних рад, що дозволяють швидко й ефективно

освоїти програму читачам з різним рівнем підготовки.

Також в нагоді стало практичне керівництво до SolidWorks [10] та

книга «SolidWorks 2009 на прикладах», 2009 [9]. Цей практичний посібник

допомагає починаючому користувачу отримати стійкі навички роботи в

пакеті тривимірного моделювання SolidWorks 2009 на основі переважно

машинобудівних прикладів. Книга дозволяє пройти по всім основних

"контрольним точкам" проектування об'єктів машинобудування: побудова

ескізу, створення об'ємної моделі, створення зварних деталей, деталей з

листового матеріалу, побудова зборок і генерація креслень відповідно до

ЕСКД. В цій книзі розглядаються приклади виконання різних конфігурацій

деталей, а також деталей на основі поверхонь.

Для розрахунку контактної пари «колесо-рейка на міцність було обрано

програмний комплекс для міцнісного cкінченно-елементного аналізу

складних лінійних і нелінійних інженерних задач ANSYS.

13

Тут корисною була книга А. Каплуна та Е. Морозова [11]. Книга

служить посібником для самостійного оволодіння програмним комплексом

ANSYS (продукт фірми ANSYS Inc.). Детально, з прикладами, викладені

основи методу скінчених елементів (на якому побудована математична база

ANSYS). Детально викладені прийоми поводження з програмою для

розрахунку напружено-деформованого стану лінійних, плоских і

просторових задач опору матеріалів та теорії пружності. Наведено довідник

імен та команд з відповідними поясненнями та прикладами.

14

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧІ

Дослідити контактну задачу в трьохвимірній постановці про взаємодію

вагонного колеса з рейкою у випадку нерухомого колеса, навантаженого

вертикальною силою Р - вагою вагона з корисним навантаженням. Підошву

рейки вважати жорстко закріпленою. Виконати числовий аналіз напружено-

деформованого стану компонент, розподілу контактного тиску, виникнення

зон зчеплення та ковзання. Отримати графік залежності контактниих

напруженнь в парі «колесо-рейка» від форми профеля колеса.

Схема задачі в площині Оху зображена на рисунку 2.1.

Рисунок 2.1

Колесо цільнокатане ГОСТ 10791-89. Матеріал: Сталь марки II.

Вісь РУ1 ГОСТ 22780-93. Матеріал: Сталь ОС ГОСТ 4728-96.

Рейка PП50 ГОСТ Р 51045-97.

Корпус букси. Матеріал: Сталь 15Л Л20 ГОСТ 977-88.

Підшипник роликовий радіальний з короткими циліндричними

роликами. Технічні умови по ТУ ВНИПП.048-1-00.

Рама бокова 100.00.002-4. Матеріал: Сталь 20ГЛ ОСТ 32.183-2001.

Маса вагону 94 тони.

Прийняти характеристики матеріалу:

коефіціент Пуассона - 0,3;

15

модуль пружності - 21011 Па;

густина - 7800 кг/м3;

коефіцієнт тертя – 0,28.

Базові програмні продукти: ANSYS, SolidWorks.

16

3ТЕОРЕТИЧНІ ЗАСАДИ РІШЕННЯ

3.1 Основні поняття МСЕ

Метод скінчених елементів (МСЕ) - числовий метод розв'язання

широкого спектру фізичних проблем, які математично формулюються у

вигляді системи диференціальних рівнянь чи у варіаційній постановці. Цей

метод можна використовувати для аналізу напружено-деформованого стану

конструкцій, для термічного аналізу, для рішення гідро-газодинамічних задач

і задач електродинаміки. Можуть вирішуватись і зв’язані задачі.

Основна ідея методу скінчених елементів полягає в тому, що будь-яку

непереривну величину (переміщення, температуру, тиск і т. п.) можна

апроксимувати моделью, що складається з окремих елементів (ділянок). На

кожному з цих елементів непереривна величина, що досліджується,

апроксимується кусочно-непреривною функцією, яка будується на значеннях

цієї величини в скінченому числі точок елемента, що розглядається.

В загальному випадку непереривна величина заздалегідь невідома, і

треба визначити значення цієї величини в деяких внутрішніх точках області.

Але дискретну модель легко побудувати, якщо спочатку припустити, що

відомі числові значення цієї величини в деяких внутрішніх точках області

(вузлах). Після цього можна перейти до загального випадку.

Найчастіше при побудові дискретної моделі непереривної величини,

поступають наступним чином:

1 Область визначення непереривної величини розбивається на скінчене

число частин, що називаються елементами. Ці елементи мають спільні

вузлові точки і у сукупності апроксимують форму області.

2 В області, що розглядається, фіксується скінчене число точок. Ці

точки називаються вузлами.

17

3 Значення непереривної величини в кожному вузлі спочатку

вважається невідомим, але їх доведеться визначити шляхом накладення на

них додаткових обмежень в залежності від фізичної сутності задачі.

4 Використовуючи значення у вузлах непереривної величини, що

досліджується, та деяку апроксимуючу функцію, визначають значення

величини, що досліджується, всередині області.

Апроксимуючі функції найчастіше обираються у вигляді лінійних,

квадратичних чи кубічних поліномів. Для кожного елемента можна підібрати

свій поліном, але так, щоб зберегти неприривність величини вздовж границь

елемента. З цієї точки зору конструкцію можна розглядати як деяку

сукупність конструктивних елементів, зв’язаних в скінченому числі вузлів.

В суцільному середовищі число точок зв’язку безкінечне, і саме це

складає основну трудність отримання числових рішень в теорії пружності.

Поняття «скінчених елементів» являє собою спробу подолати цю трудність

шляхом розбиття сплошного тіла на окремі елементи, що взаємодіють між

собою лише у вузлах, в яких вводяться фіктивні сили, еквівалентні

поверхневим напруженням, розподіленим по границях елементів, рис. 3.1.

Таким чином, при використанні МСЕ рішення краєвої задачі для

заданої області шукається у вигляді набору функцій, визначених на деяких

підобластях (скінчених елементах).

18

Рисунок 3.1 – Побудова дискретної моделі за допомогою МСЕ

Розрахункове рівняння МСЕ для статичних задач має вигляд:

[K]{u} = {Р}, (3.1)

де [K] – загальна матриця жорсткості скінчено елементної моделі;

{Р} – загальний вектор заданих зовнішніх вузлових сил;

{u} – загальний вектор вузлових переміщень.

Компоненти вектора сил {Р} можуть являти собою зосереджені сили,

теплові навантаження, тиску і сили інерції.

3.2 Контактні взаємодії

Тіла несогласованої форми спочатку вступають в контакт в точці або

вздовж лінії. Під дією навіть невеликого навантаження вони деформуються

навколо точки початкового контакту і дотикаються по скінченій, хоча і

невеликій в порівнянні з розмірами обох тіл зоні. Теорія контактної взаємодії

повинна передбачати форму зони контакту і закономірності її росту при

19

збільшенні навантаження, а також величини і розподілу поверхневих

нормальних і, можливо, дотичних зусиль, що передаються через поверхню

контакта. Крім того, ця теорія повинна забезпечувати можливість обчислення

компонент деформацій і напружень в обох тілах поблизу зони контакта.

Профелі поверхонь поблизу початку координат можна наближено

представити виразом наступного виду:

, (3.2)

де члени більш високого порядку по х та у опущені. Обираючи

орієнтацію осей х та у таким чином, щоб член, що містить , зник, можа

записати в осях , .

, (3.3а)

де та - головні радіуси кривизни поверхні в початку координат.

Аналогічно записується вираз для другого тіла:

(3.3б)

Зазор між двома поверхнями дорівнює . Переписуючи тепер

вираз (3.1) і аналогічний йому для поверхні другого тіла в загальній системі

осей х та у, будемо мати

.

20

Відповідним вибором осей можна зробити С нульовим, тоді

, (3.4)

де А і В – додатні сталі, а та називають головними відносними

радіусами кривизни.

У випадку профелей загального вигляду із виразу (3.3) випливає, що

лінії рівного зазора в плані представляють собою еліпси. Значить, можна

очікувати, що при навантаженні область контакта буде мати еліптичну

форму.

Тепер розглянемо деформований стан, що виникає при прикладенні

нормальної сили Р. На рисунку 3.2 показані два контактуючих тіла довільної

форми в поперечному перерізі. В недеформованому стані зазор між двома

відповідними точками та на поверхнях тіл

визначається виразом (3.3). В силу симетрії виразу (3.3) відносно точки О

зона контакту повинна мати протяжність по дві сторони від точки О. При

взаємному стисненні віддалені точки обох тіл і зсуваються у

напрямку до точки О вздовж осі z на відстані і відповідно.

21

Рисунок 3.2

Якщо тіла не деформуються, їх профілі перекриваються, як показано на

рисунку 3.2 штриховими лініями. Під дією контактного тиску поверхні тіл

зсуваються паралельно Oz на відстані та (які вважаються додатніми

для кожного тіла) відносно віддалених точок і . Якщо точки і

дотикаються в результаті деформації, то

(3.5)

22

Використовуючи (3.3), отримуємо вираз для пружних перміщень

, (3.6)

де х та у – загальні координати точок та , спроектованих на

площину .

Якщо точки та лежать поза зоною контакту, то

. (3.7)

Рішення контактної задачі полягає в знаходженні розподілу тиску, що

передається від одного тіла до іншого через поверхню контакту, при якому

нормальні пружні переміщення поверхонь задовольняють умовам в формі

рівняння (3.5) всередині зони контакту і нерівності (3.6) поза нею.

3.2 Програмні продукти, що використовувалися

Рішення задачі було вирішено проводити в програмному комплексі

ANSYS. Адже аналіз сучасних систем комп'ютерного моделювання показав,

що він є одним із світових лідерів в області розрахункових технологій.

ANSYS - це універсальний, скінчено елементний пакет, призначений для

вирішення в єдиному середовищі на одній і тій же скінчено елементної

моделі завдань з механіки суцільних середовищ, теплофізики,

електромагнетизму, гідро- і газодинаміки, міждисциплінарних задач, а також

оптимізації проекту на основі всіх вище наведених типів аналізу. Ця система

успішно використовується в багатьох галузях промисловості, таких як,

автомобільна, аерокосмічна, енергетична, нафтова і газова промисловість,

23

суднобудування, теплообмінне обладнання, вентиляція та кондиціонування

повітря, біомедичні програми.

Але так як розрахункова модель досить складна, було вирішено в

ANSYS її імпортувати, а побудувати - в SolidWorks.

Програмний комплекс SolidWorks призначений для автоматизації робіт

промислового підприємства на етапах конструкторської та технологічної

підготовки виробництва виробів будь-якого ступеня складності і

призначення. Спеціалізовані модулі програмного комплексу вирішують

завдання на етапі виробництва і експлуатації.

24

4 МЕТОДИКА ПРАКТИЧНОЇ РЕАЛІЗАЦІЇ

При розрахунку пари «колесо-рейка» на міцність в даній роботі

прийняті наступні вихідні основні положення та допущення:

а) рейка має нескінчену довжину; практично це означає, що рейка

розраховується в перерізі, досить віддаленому від стику (більше 3,5 м), де

вплив стику вже не позначається;

б) розрахунки на міцність ведуться на вертикальні навантаження, а

дію бічних сил можна врахувати множенням величини осьових

напружень в підошві рейки від вертикально прикладених сил

по осі симетрії на спеціальний коефіцієнт;

в) при розрахунку дії на шлях системи вантажів прийнятий закон

про незалежність дії сил, тобто напруження і деформації

в будь-якому перерізі від кожної з діючих сил складаються

з урахуванням їх величини і знака.

Передача навантаження від коліс рейки відбувається за дуже невеликий

порівняно з розмірами коліс і рейок майданчику. Матеріал біля цієї

площадки відчувае об'ємний напружений стан.

Розподіл цих напружень, званих контактними, досить складний і

піддається дослідженню лише методами теорії пружності.

Визначення контактних напружень ускладнюється ще й тим, що

величина цих напружень в рейках під колісними навантаженнями, що

обертаються, перевищує межу текучості сучасної рейкової сталі, визначений

випробуванням стандартних зразків на стиск. Слід враховувати, що метал

головки рейки, що зазнає контактні напруження, особливо при розташуванні

контактної площадки ближче до середини головки, працює в умовах,

близьких до умов всебічного стиснення, і тому може витримувати без

пластичних деформацій більше високі напруги, ніж стандартний зразок, що

стискається. Однак наклеп металу в зоні контактних напружень і спливи

25

металу у країв головки рейок свідчать про наявність пластичних деформацій,

а отже, про більш високі напруження в зоні контактів з колесом, ніж межа

текучості рейкового металу навіть в умовах його роботи в головці рейки. Все

ж користування розрахунковими формулами, виведеними на основі теорії

Герца – Бєляєва для роботи металу в пружній стадії, є допустимим.

Обґрунтовується це тим, що кожний окремий динамічний додаток колісного

навантаження є дуже короткочасним, залишкова пластична деформація від

окремого навантаження в порівнянні з пружною деформацією незначна;

помітні пластичні деформації з'являються в результаті поступового їх

накопичення.

Завдання контакту кочення двох пружних тіл, що мають однакові

характеристики пружності, як це має місце для колеса і рейки, може бути

представлена окремо у вигляді нормальної і тангенціальної задач. Мета

першої задачі полягає у визначенні розміру і форми площадки контакту, а

також розподілу нормальних контактних напружень. Результати рішення

нормальної задачі використовуються для знаходження рішення

тангенціальною, що полягає в знаходженні розподілу дотичних напружень і

моменту в зонах зчеплення і прослизання контактної площадки.

Г. Герц дав перше надійне математичне рішення нормальної задачі, яка

формулюється таким чином. Два ненавантажених тіла (поверхні кочення

колеса і рейки) контактують в одній точці. Відстань між недеформованими

тілами може бути знайдена геометрично, якщо відомі радіуси кривизни тіл в

точці контакту. Пружні властивості колеса і рейки, що описуються

коефіцієнтом Пуассона і модулем пружності , вважаються однаковими.

Якщо тіла навантажені нормальною силою , з'являється зона контакту

еліптичної форми з великою піввіссю в напрямку поздовжньої осі рейки,

представлена на рисунку 4.1.

26

Рисунок 4.1 – Зона контакту колеса з рейкою

Максимальне контактне напруження може бути розраховано за

формулою:

(4.1)

де - еквівалентний радіус, що залежить від характерних радіусів

взаємодіючих тіл (колеса і рейки) в місці контакту.

Таким чином, нормальне напруження на поверхнях кочення рейки і

колеса залежить від навантаження від колеса на рейку, радіусів поверхонь

кочення колеса і рейки, властивостей взаємодіючих матеріалів.

Слід мати на увазі, що контактна теорія Герца справедлива при

наступних припущеннях:

контактують поверхні однорідні й ізотропні;

сили тертя в зоні контакту не діють;

розмір контактної площадки малий в порівнянні з розмірами

контактуючих тіл і характерними радіусами кривизни недеформованих

поверхонь;

для контактної задачі використано рішення лінійного пружного

півпростору;

27

контактуючі поверхні гладкі.

При русі екіпажу положення колісної пари по відношенню до рейок

істотно змінюється, приводячи до виникнення різних поєднань контактних

зон колеса і рейки, рис 4.2.

Рисунок 4.2 - Зони рейок і коліс з різним характером зносу в

залежності від рівня контактних напружень

Коли колісна пара рухається по кривій, при певному куті набігання

колесо може контактувати з рейкою в двох різних точках. Двоточковий

контакт призводить до утворення двох площадок контакту: А на поверхні

катання рейки і В на бічній поверхні головки рейки в районі викружки

(рис. 4.3, а). Через те що колісна пара при русі по кривій переміщається з

деяким кутом набігання а, площадка контакту В зрушена вперед

(рис. 4.3, б). Збільшення кута набігання призводить до збільшення відстаней

між площадками контакту (забігу) і до миттєвої осі обертання колісної пари і

тим самим до зростання відносного прослизання і тангенціальної сили, з ним

пов'язаної. У зоні торкання гребеня колеса і робочої грані головки зовнішньої

рейки рівень розрахункових контактних напружень може досягати 3000 МПа.

При контакті сильно зношеного рейки з новим або зношеним колесом

змінюється форма області розподілу тисків. Розмір площадки контакту

істотно зменшується, вона зсувається до зовнішньої поверхні зовнішньої

28

рейки, приводячи до збільшення контактних тисків, рівень яких може

досягати межі текучості, що викликає пластичну деформацію головки рейки.

а) А, В - точки контакту колеса з рейкою; - осі координат

  - кут набігання колеса на рейку; - кут подуклонки рейки; - вектор

швидкості руху колісної пари б) А, В - площадки контакту; I, II, III - зони

контакту; - радіуси кривизни головки рейки

Рисунок 4.3 - Положення і розміри контактних площадок при

двоточковому контакті колеса і рейки

Зазвичай контактні напруження на поверхні катання (область А) колеса

вантажного вагона знаходяться в межах 1300 - 1700 МПа. Збільшення

осьового навантаження призводить до зростання герцівських контактних

напружень пропорційно ступеня 1/3 від її величини, див. формулу (4.1).

Отже, величина і розподіл контактних напружень істотно залежать від

профілів колеса і рейки і від того, який має місце контакт: одноточковий або

двоточковий, а також від навантажень, що діють від колеса на рейку. Але для

оцінки загального напруженого стану в парі колесо-рейка досить вирішити

завдання Герца для одноточкового контакту колеса і рейки.

29

В дипломній роботі розраховується колесо цільнокатане ГОСТ 10791-

89, що використовується для візків вантажних вагонів локомотивної тяги.

Профіль поверхні обода цього колеса, рис. 4.4, має гребінь, що слугує

для направлення руху і запобігання сходу колісної пари. Гребінь має висоту

28 мм, вимірювану від його вершини до горизонтальної лінії, що проходить

через точку перетину круга катання з профілем. Кут нахилу зовнішньої грані

гребеня впливає на безпеку руху: його збільшення підвищує стійкість

колісної пари на рейках і зменшує знос.

Також профіль має конічність робочої частини 1:20, яка забезпечує

центрування колісної пари при її русі на прямій ділянці шляху і запобігає

утворенню нерівномірного зносу по ширині обода колеса, а також покращує

проходження кривих ділянок колії. Разом з тим, конічність 1:20 створює

умови для появи звивистого руху, що несприятливо впливає на плавність

ходу вагона. Поверхня профілю катання колеса з конічність 1:7 набагато

рідше котиться по рейці, тому вона менше зношується.

Рисунок 4.4 - Профіль поверхні обода колеса, що розраховується

Геометрія колеса і рейки, поряд з іншими параметрами візка та шляху,

впливає не тільки на плавність руху колісних пар, але також на знос

контактних поверхонь колеса і рейки і, як слідство, на контактні напруження.

30

В ході виконання дипломної роботи буде досліджено, як зміна

конічності робочої частини (1:20) позначиться на контактних напруженнях в

розрахунковій парі «колесо-рейка».

Враховуючи «м’якість» напруженого стану в небезпечних точках (всі

три головних напруження – стискаючі), перевірку міцності при контактних

напруженнях слід проводити по третій і четвертій теоріям міцності:

Вносячи в цю формулу значення головних напружень в небезпечній

точці, вираз умови міцності через найбільше напруження в центрі площадки

контакту можна записати в наступному вигляді:

(4.2)

звідки

(4.3)

де — значення для найбільшого напруження в місці

контакту, що допускається;

m – коефіцієнт, що залежить від частки півосей еліптичної

площадки контакту та обраної теорії міцності.

Найбільші напруження в місці контакту , що допускаються для

рейкової сталі приймають до 800-1000МПа.

31

5 РОЗРАХУНОК ЗАДАЧІ

5.1 Побудова комп’ютерної моделі

На першому етапі виконання дипломної роботи було побудовано

трьохвимірну модель розрахункової зборки в CAD-системі SolidWorks, яка

складається з 18 деталей. З них 6 унікальних: вал, колесо, підшипник, букса,

бокова рама, рейка.

При вирішенні поставленого завдання потрібно, щоб модель якомога

точно копіювала фізичні події, що спостерігаються і зафіксовані.

Трьохвимірна модель розрахункової зборки представлена на рис. 5.1.

Рисунок 5.1 – Комп’ютерна модель

Спочатку було вирішено розглянути лінійний контакт між колесом та

рейкою. Тому колесо на цьому етапі циліндричне.

32

Так як контактні задачі потребують значних затрат ресурсів

комп’ютера, розглядати всю зборку повністю не раціонально. Тому було

розглянуто одну контактну пару «колесо-рейка», рис. 5.2.

Рисунок 5.2 – Трьохвимірна модель пари «колесо-рейка»

Так як модель симетрична, було взято одну половину. А також було

вирішено внести в модель деякі зміни: відкинути зайві деталі (невеликі

скруглення, отвори і т. п.), які незначною мірою вплинуть на напруження в

зоні контакту, але внесуть складності при рішенні задачі, рис. 5.3.

33

Рисунок 5.3 – Спрощена модель

Зборку було збережено у вигляді текстового файлу формату Parasolid,

тобто з розширенням *.x_t (можна також *.xmt_txt). Це потрібно для

подальшого її імпорту в комплекс ANSYS.

5.2 Розрахунок в ANSYS

Введення

Контактні задачі вирішуються із застосуванням ітерацій, в яких

визначаються зони контакту, узгоджуються контактні зусилля і переміщення.

Такі задачі формулюються для двох або більшої кількості тіл. При цьому тіла

34

можуть мати як кінцеву (тіла, що деформуються), так і нескінченну

жорсткість (жорстке тіло або обмеження). В залежності від цього відрізняють

два основні класи контактних задач: піддатливо-піддатливий та жорстко-

піддатливий. У цій роботі розглянуто контакт 2 тіл, що деформуються.

Аналіз будь-якої задачі в ANSYS відбувається за допомогою наступних

етапів:

побудова моделі;

рішення завдання;

постпроцесорна обробка результатів.

5.2.1 Побудова моделі

Моделювання об'єкту - це основний і самий трудомісткий за часом етап

розрахунку задачі. Моделювання проводиться в препроцесорі. На цьому

етапі, виходячи з математичних моделей механіки, задається геометрична

модель об'єкта, визначаються типи використовуваних елементів, задаються

властивості матеріалу і крайові умови.

Дії, що були виконані при побудові моделі:

1 Імпорт моделі. Існує можливість прямого імпорту зборок в форматі

Parasolid в комплекс ANSYS засобами ANSYS Connectiоn for Parasolid. В

результаті в комплексі ANSYS буде стільки ж об’ємів, скільки було деталей у

комплексі CAD, що використовувався для створення файлу Parasolid. Для

створення моделі, що складається з суміжних об’єктів, треба було провести

операцію «Склеювання» (суміщення границь) об’ємів за допомогою команди

VGLUE для валу і колеса та створити контакт із склеюванням за допомогою

контактних елементів типу CONTA175 для з’єднання несумісних сіток для

колеса і рейки. Склеювання передбачає, що на границі різних геометричних

об’єктів при генерації сітки вузли об’єднаються. А введення контакту

перешкоджає взаємному просторовому проникненню деталей і дозволяє

35

передавати навантаження (детальніше створення контакту буде описано

далі).

2 Вибір типу елемента. Для всієї конструкції було обрано елемент

типу SOLID186. SOLID186 – трьохвимірний елемент об ємного НДС, що

взмозі використовувати нерегулярну форму сітки (наприклад, ті, що

створюються на основі моделей, імпортованих з різник CAD-комплексів).

Елемент визначається двадцятьма вузлами, що мають три ступеня свободи в

кожному вузлі: переміщення в напрямку осей X, Y, Z вузлової системи

координат.

3 Встановлення властивостей матеріалу. Для нашої конструкції

задаємо лінійний, пружній, ізотропний матеріал. Вводимо модуль пружності

21011 Па і коефіцієнт Пуассона 0,3. Цього вистачить для вирішення лінійної

задачі.

4 Розбиття моделі на скінчено елементну сітку. Вона є основою для

складання і рішення системи рівнянь в матричному вигляді. Сітка з великою

кількістю розрахункових вузлів дозволяє знаходити більш точне рішення, але

збільшує задіяні ресурси розрахункової системи (час, пам'ять і т. ін.).

Отже, в глобальній декартовій системі координат проводилось

розбиття колеса та рейки на тетроедральні скінчені елементи з розміром

сторони 0,03м. Скінченоелементна сітка представлена на рисунку 5.4.

36

Рисунок 5.4 – Скінченоелементна модель пари «колесо-рейка»

Кількість елементів у моделі: 16631.

5 Встановлення контактної пари, рис. 5.5. В задачі, що включає

контакт між двома границями, одна з них умовно приймається «цільовою»

поверхнею (target), а інша – «контактною» поверхнею (contact). Для

піддатливо-піддатливого контакту і контактна, і цільова поверхні

передбачають деформацію обох тіл. Ці дві поверхні разом складають

«контактну пару».

Так як передбачено випуклу поверхню (колесо) зробити контактуючою

з плоскою поверхнею (рейка), плоску поверхню було задано цільовою і

змодельовано за допомогою елемента TARGET170

TARGET170 – трьохвимірний цільовий контактний елемент. Вузли – I,

J, K, L, M, O, P.

Контактну поверхню було змодельовано елементом CONTA174.

37

CONTA174 – трьохвимірний контактний елемент типу поверхня з

поверхнею з вісьмома вузлами.

Задаємо коефіцієнт тертя 0,28.

Якщо не задати контактні умови, деталі в зборці взаємодіяти не будуть.

Рисунок

5.5 –

Контактна

пара

6

Прикладення навантажень.

Поняття навантажень включає в себе граничні умови (закріплення,

значення обмежень), а також інші силові фактори, що прикладені внутрішнім

і зовнішнім способами.

В дипломній роботі було розглянуто випадок, коли вагон знаходиться в

стані спокою і єдиною силою, що на нього діє, є його власна вага і корисне

навантаження.

Одним із способів отримання нелінійного рішення є розбиття

навантаження на деяке число його збільшень. Це реалізується за допомогою

кроків навантаження. Крок навантаження – це сукупність навантажень, для

яких проводиться розрахунок. На кожному кроці рішення відбувається

38

виправлення матриці жорсткості перед виконанням наступного кроку.

Недолік цього способу полягає у неминучому накопиченні похибки з ростом

числа кроків навантаження. Перед початком вирішення обчислюється вектор

неврівноважених сил, тобто різниця між відновлюючими силами

(навантаженнями, що відповідають напруженням в елементі) і прикладеними

навантаженнями. Потім на основі вектора неврівноваженості виконується

лінійне рішення і перевіряється умова збіжності. Якщо ця умова не

виконується, то заново обчислюється вектор неврівноважених сил,

оновлюється матриця жорсткості і вирішується система рівнянь задачі.

Процес триває до тих пір, поки не буде досягнута збіжність рішення.

Таким чином, нелінійний аналіз включає три рівні операцій:

самий "верхній" рівень складається з вибору кроків навантаження в

межах всього "часу" навантаження; на кожному такому кроці

навантаження передбачається мінливим лінійно;

всередині кроку навантаження можна вибрати крок рішення, щоб

забезпечити поступове прикладення навантаження;

на кожному кроці рішення програма буде виконувати рівноважні

ітерації для отримання збіжності.

Для отримання рішення поставленої задачі було вирішено

навантажувати конструкцію в два кроки.

На першому кроці було задано:

обмеження жорстка заділка для поверхні рейки, щоб закріпити

конструкцію;

властивості симетрії, де потрібно;

переміщення вздовж осі ОУ 10-5 м для поверхні валу, що необхідно для

створення початкового контакту двох тіл .

Симетричні граничні умови означають, що переміщення вузлів з

поверхні та обертання даного вузла навколо нормалі до поверхні заборонені.

39

На другому кроці замість переміщення на поверхню валу було

прикладено силу величиною 58750 Н, що відповідає одній восьмій від ваги

вагону.

5.2.2 Вирішення задачі

На цьому етапі необхідно використовувати процесор рішення

SOLUTION для того, щоб визначити тип аналізу і параметри аналізу,

прикласти навантаження, задати початкові умови і вирішити задачу.

Тип розрахунку обирається відповідно до умов навантаження і відгуку

системи, що вичислюється. У комплексі ANSYS виконуються наступні типи

розрахунків: статичних (або стаціонарних) процесів, перехідних процесів,

вимушених коливань, власних коливань, стійкості та застосування

суперелементів (підконструкцій).

Для нашої задачі обираємо тип розрахунку статичних процесів.

Можливості статичної аналізу на міцність програми ANSYS

використовуються для визначення переміщень, напружень, деформацій і

зусиль, які виникають в конструкції або її складових частинах в результаті

прикладання механічних сил. Статичний аналіз придатний для задач, в яких

дія сил інерції або процеси розсіювання енергії істотно не впливають на

поведінку конструкції.

Статичний аналіз може бути лінійним і нелінійним. Дозволені всі типи

нелінійностей: пластичність і повзучість матеріалу, великі прогини, великі

деформації та контактна взаємодія (в нашому випадку).

Опції розрахунку дозволяють проводити налаштування розрахунку

типу, що виконується.

Задаємо:

кількість кроків - 10;

максимальна кількість підшагів - 1000;

мінімальне число підшагів - 1.

40

5.2.3 Постпроцесорна обробка результатів

Перегляд результатів, можливо, є найважливішим етапом виконання

завдання, адже на цьому етапі відбувається встановлення впливу

прикладених навантажень на об’єкт, що розраховується, оцінка адекватності

сітки скінчених елементів і таке інше. Після збереження потрібних

результатів у базі даних їх можна переглядати в графічному режимі чи у

вигляді текстових таблиць.

Після створення моделі і отримання рішення нам необхідне отримання

відповіді на ряд принципових питань: про придатність даної пари «колесо-

рейка» до використання при діючих навантаженнях, про рівень напружень в

зоні контакту.

В якості результатів було виведено розподіл переміщень, рис. 5.6,

напружень по Мізесу, рис. 5.7, і контактних тисків, рис. 5.8, в контурному

вигляді.

Рисунок 5.6 – Переміщення, м

41

Рисунок 5.7 - Епюра розподілу напружень у парі «колесо-рейка», Па

42

Рисунок 5.8 – Розподіл контактних тисків, Па

Отже, максимальні переміщення склали 0,787 мм, максимальні

напруження – 274 М Па, максимальний контактний тиск – 268 МПа.

43

6 АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ

Для оцінки похибки обчислень треба згустити сітку в 2 рази і

повторити розрахунки. Щоб зменшити затрати ресурсів комп’ютера було

вирішено внести деякі зміни в геометричну модель: відділити зону контакту і

згущувати сітку безпосередньо в ній, рис. 6.1.

Рисунок 6.1 – Зміни в геометричній моделі

Для валу було встановлено розмір сторони скінченого елемента, що

дорівнює 0,03 м. Для рейки і колеса - скінчений елемент зі стороною 0,02 м .

Зону контакту було розбито на sweep-елементи зі стороною 0,01 м. Нова

скінчено-елементна сітка представлена на рисунку 6.2.

44

Рисунок 6.2 – Нова скінчено-елементна сітка

Кількість елементів у моделі з зменшеною кількістю елементів: 33662.

Аналогічно були прикладені навантаження та обмеження і створена

контактна пара, рис. 6.3.

Рисунок 6.3 – Нова контактна пара

В якості результатів знову було виведено розподіл напружень і

переміщень. Максимальні переміщення та напруження склали 807 мм і

537МПа відповідно.

45

Похибка обчислень для напружень склала:

(6.1)

де – максимальні напруження в розрахунковій моделі пари

«колесо-рейка»;

– максимальні напруження в моделі пари «колесо-рейка» зі

збільшеною кількістю елементів.

Аналогічно була отримана похибка 2,5% для переміщень і 140,3% для

контактних напружень, що значно перевищує допустиму (допустима похибка

- 5%). Тому розрахунки були повторені знову.

На четвертому етапі похибка для результатів склала 1 %. На рисунках

6.4, 6.5, 6.6 представлені відповідно переміщення напруження та контактний

тиск, отримані на останньому етапі.

46

Рисунок 6.4 – Переміщення, м

Рисунок 6.5 – Еквівалентні напруження, Па

47

Отже, максимальні переміщення склали 0,797 мм, максимальні

напруження – 503 М Па.

Рисунок 6.6 – Розподіл контактних тисків, Па

На цьому рисунку в точці початку координат знаходиться максимальне

значення контактного тиску, що дорівнює 730 МПа. Різними відтінками

сірого показані діапазони змін цієї величини: по мірі віддалення від початку

координат спостерігається зменшення абсолютної величини напруження.

Розміщення зон зчеплювання та ковзання зображено на рисунку 6.7.

48

Рисунок 6.7 – Контактний статус поверхні взаємодії

Результати на всіх етапах представлені в таблиці 6.1.

Таблиця 6.1

Сторона елемента, мм 3 1 0,7 0,4

Максимальні

переміщення, мм0,787 0,807 0,800 0,797

Максимальні

напруження, МПа274 537 498 503

Контактний тиск, МПа 268 644 649 730

49

Перевірка міцності для пари «колесо-рейка» з циліндричним колесом

за четвертою теорією міцності:

=1000МПа

Контактний тиск було порівняно з межею витривалості для рейкової

сталі:

=900МПа

Отже, максимальні напруження та контактний тиск в місці контакту не

перевищують допускаємі для рейкової сталі.

Результати розрахунків для профеля з конічністю робочої частини 1:20:

1 Переміщення:

50

Рисунок 6.7 – Переміщення, м

2 Еквівалентні напруження:

Рисунок 6.8 – Напруження, Па

3 Контактний тиск:

51

Рисунок 6.9 – Котактний тиск, Па

4 Контактний статус поверхні взаємодії: розміщення зон зчеплення

і ковзання:

Рисунок 6.10 – Контактний тиск

52

Отже, максимальні переміщення для контактної пари з конічним

профелем колеса (1:20) склали 1 мм (в зоні контакту 0,3-0,5 мм), максимаоьні

напруження – 832 МПа, максимальний контактний тиск – 1180 МПа.

Перевірка міцності для розрахункової пари «колесо-рейка за четвертою

теорією міцності:

=1000МПа

Максимальні напруження в місці контакту не перевищують допускаємі

для рейкової сталі.

Контактний тиск було порівняно з межею витривалості для рейкової

сталі:

=900МПа

Величина контактного тиску в контакті «колесо-рейка» перевищує

межу текучості рейкової сталі.

Аналогічно були отримані результати для профелей колес з іншими

конічностями. Максимальні значення було занесено до таблиці 6.2

Таблиця 6.2

Уклон Од. - 1:50 1:35 1:22,5 1:20 1:10

Переміщення мм 0,797 0,930 0,978 1,031 1,056 1,159

Напруження МПа 503 570 642 694 832 1240

Контактний тиск МПа 780 801 1080 983 1180 1192

Як видно з результатів, із збільшенням конічності контактні

напруження та переміщення збільшуються. Наочно це видно з відповідних

графіків. Графік залежності еквівалентних напружень та контактного тиску

53

від величини уклона зображено на риунку 6.7, а залежність переміщень від

величини уклона – на рисунку 6.8.

Рисунок 6.7 – Графік залежності напружень та контактного тиску

від величини уклона

Рисунок 6.8 – Графік залежності переміщень від величини уклона

54

7 ОХОРОНА ПРАЦІ ТА НАВКОЛИШНЬГО СЕРЕДОВИЩА

7.1 Загальні питання охорони праці

Техніка безпеки являє собою систему організаційних та технічних

заходів і засобів, що запобігають впливу небезпечних виробничих факторів

на труд працівників.

Широкомасштабні заходи, спрямовані на поліпшення здоров'я людей,

повинні здійснюватись на кожному підприємстві у встановленому

законодавчому порядку. Суворе додержання умов гігієни та фізіології праці є

не тільки особистою справою людини, але й колективу, оскільки порушення

принципів гігієни позначається не тільки на здоров'ї порушника, але й інших

членів колективу.

Головною метою охорони праці є – поліпшення умов праці та

підвищення її продуктивності, запобігання професійним захворюванням,

виробничому травматизму тощо.

У процес праці на людину впливають шкідливі й небезпечні виробничі

фактори. До небезпечних виробничих факторів належать такі, дія яких на

працюючого призводить до травми; до шкідливих виробничих факторів -

такі, дія яких на працюючого викликає хворобу. Згідно з ГОСТ 12.0.003-

74[18] небезпечні й шкідливі фактори по природі дії поділяються на такі

групи: фізичні, хімічні, біологічні та психофізіологічні.

При роботі у обчислювальному центрі на нас діють такі групи

шкідливих факторів: фізичний – електромагнітне випромінювання,

небезпечне значення напруги в електричному колі, недостатньо або

відсутність природного світла, недостатня освітленість робочого місця;

нервово-психічні перевантаження – розумова перенапруга, перенапруга

органів почуттів, монотонність праці, емоційні перевантаження. При роботі

55

за ЕОМ виникають наступні небезпечні й шкідливі фактори, які зведенні в

таблицю 7.1 відповідно до ГОСТ 12.0.003-74[18].

Закон України «Про охорону праці»[17] визначає основні положення

щодо реалізації конституційного права працівників на охорону їх життя і

здоров'я у процесі трудової діяльності, на належні, безпечні і здорові умови

праці, регулює за участю відповідних органів державної влади відносини між

роботодавцем і працівником з питань безпеки, гігієни праці та виробничого

середовища і встановлює єдиний порядок організації охорони праці в

Україні.

7.2 Промислова санітарія

7.2.1 Мікроклімат

В даній бакалаврській роботі об'єктом дослідження є комп’ютерне

моделювання контактної взаємодії складнопрофільних тіл.

Робота виконувалася в приміщенні, що знаходиться на четвертому

поверсі п’ятиповерхової будівлі, загальна площа якого складає 34 м2, висота

– 4 м, об’єм 136 м3. Кабінет обладнано п’ятьма робочими місцями, тому

фактично на одне робоче місце припадає 6,8 м2, 27,2 м3. Дане приміщення

відповідає нормам ДСанПіН 3.3.2.007-98 [28], згідно яким норма площі

виробничого приміщення на одне робоче місце повинна складати не менше

6,0 м2, а об’єм - 20,0 м3 /людину.

Параметри мікроклімату можуть мінятися в широких межах, тоді як

необхідною умовою життєдіяльності людини є підтримка постійності

температури тіла завдяки терморегуляції, тобто здібності організму

регулювати віддачу тепла в оточуюче середовище.

56

Таблиця 7.1 – Таблиця небезпечних і шкідливих виробничих факторів

Найменування фактора Джерела виникнення

Мікроклімат у приміщенні

Незадовільна система природної й

штучної вентиляції і опалення,

підвищена або знижена температура

повітря робочої зони, підвищена

вологість, рухомість повітря

Підвищена яскравість Екран монітора комп’ютера

Знижена контрастність Екран монітора комп’ютера

Пульсація світлового потокуЛампи денного світла й екран

монітора

Висока електрична напруга Мережа живлення ЕОМ

Підвищений рівень шумуПристрій охолодження комп’ютера,

допоміжне устаткування

Психофізіологічні фактори Перенапруга зору, монотонність

праці

Обчислювальна техніка є джерелом істотних тепловиділень, що може

привести до підвищення температури і зниження відносної вогкості в

приміщенні. В приміщеннях, де встановлені комп’ютери, повинні

дотримуватися певні параметри мікроклімату згідно ГОСТ 12.1.005-88[26]. В

санітарних нормах встановлені величини параметрів мікроклімату, що

створюють комфортні умови. Ці норми встановлюються залежно від пори

року, характеру трудового процесу і характеру виробничого приміщення.

Категорія тяжкості праці «Легка Іа» (див. табл. 7.2).

57

Таблиця 7.2 – Параметри мікроклімату

Період року Параметри мікроклімату Величина

Холодний

Температура повітря в приміщенні 22–24 °С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря До 0,1 м/с

Теплий

Температура повітря в приміщенні 23–25°С

Відносна вологість 40–60%

Швидкість руху повітря 0,1–0,2 м/с

Норми подачі свіжого повітря в приміщення, де розташовані

комп’ютери, приведені в таблиці 7.3.

Для забезпечення комфортних умов використовуються як організаційні

методи (раціональна організація проведення робіт залежно від пори року і

доби, чергування праці і відпочинку), так і технічні засоби (вентиляція,

кондиціювання повітря, опалювальна система).

Таблиця 7.3 – Норми подачі свіжого повітря в приміщення, де розташовані

комп’ютери

Характеристики

приміщення

Об’ємна витрата свіжого повітря, що подається

в приміщення на людину в годину, м3

До 20 м3 на людину Не менше 30

20–40 м3 на людину Не менше 20

Більше 20 м3 на людину Природна вентиляція

7.2.2 Промислове освітлення

Залежно від джерел світла освітлення може бути природним, що

створюється прямими сонячними променями та розсіяним світлом

58

небосхилу; штучним, що створюється електричними джерелами світла, та

суміщеним, при якому недостатнє за нормами природне освітлення

доповнюється штучним.

Суміщене освітлення – це освітлення, при якому до загального

додається місцеве освітлення. Згідно ДБН В.2.5-28-2006[27] в приміщень

обчислювальних центрів необхідно застосувати систему комбінованого

освітлення. При виконанні робіт категорії високої зорової точності

(найменший розмір об’єкту розрізнення 0,3–0,5мм) величина коефіцієнта

природного освітлення (КПО) повинна бути не нижчою 1,5%, а при зоровій

роботі середньої точності (якнайменший розмір об’єкту розрізнення 0,5–

1,0 мм) КПО повинен бути не нижчим 1,0%. У якості джерела штучного

освітлення звичайно використовуються люмінесцентні лампи типа ЛБ, або

ДРЛ, які попарно об’єднуються в світильники, які повинні розташовуватися

рівномірно над робочими поверхнями. Нормовані значення КПО (еN%) для

будівель розташованих в різних районах визначаються по формулі:

( 7.1)

де - значення КПО за таблицею 1 ДБН В.2.5-28-2006, дорівнює

1,2%;

mN - коефіцієнт світлового клімату за таблицею 4 ДБН В.2.5-28-2006,

дорівнює 0,9 (вікна на північ);

N - номер групи забезпеченості природним світлом за таблицею 4 ДБН

В.2.5-28-2006.

Вимоги до освітленості в приміщеннях, де встановлені комп’ютери,

наступні: при виконанні зорових робіт високої точності загальна освітленість

59

повинна складати 300 лк, а комбінована – 750 лк; аналогічні вимоги при

виконанні робіт середньої точності – 200 і 300 лк відповідно.

7.2.3 Електромагнітне і іонізуюче випромінювання

Джерелом електростатичного поля й електромагнітних випромінювань

у широкому діапазоні частот є комп’ютери і відеодисплейні термінали на

електронно-променевих трубках, які використовуються як у промисловості

та наукових дослідженнях, так і в побуті. Небезпеку для користувачів являє

електромагнітне випромінювання монітора в діапазоні частот 20 Гц-300 МГц

і статичний електричний заряд на екрані.

Вважається, що як короткочасна, так і тривала дія всіх видів

випромінювання від екрану монітора не небезпечна для здоров’я персоналу

чи користувача комп’ютера. Проте вичерпних даних щодо небезпеки дії

випромінювання від моніторів на працюючих з комп’ютерами не існує і

дослідження в цьому напрямі продовжуються. На електронно-променевій

трубці кінескопа є потенціал близько 20 000 вольт (в 100 разів вище напруги

в мережі). Цей потенціал створюється між екраном дисплея і обличчям

оператора, і розганяє порошинки, що осіли на екран, до величезних

швидкостей. І ці порошинки, як кулі, врізаються в шкіру того, хто сидить

перед екраном.

Для нейтралізації зарядів статичної електрики в приміщенні, де

виконується робота на комп'ютерах, в тому числі на лазерних та

світлодіодних принтерах, рекомендується збільшувати вологість повітря за

допомогою кімнатних зволожувачів. Не рекомендується носити одяг з

синтетичних матеріалів.

Максимальний рівень рентгенівського випромінювання па робочому

місці оператора комп’ютера звичайно не перевищує 10 мкбер/год, а

інтенсивність ультрафіолетового і інфрачервоного випромінювань від екрану

монітора лежить в межах 10..100 .

60

Для зниження дії цих видів випромінювання рекомендується

застосовувати монітори із зниженим рівнем випромінювання (MPR-II,

ТСО-92, ТСО-99, ТС О-03), а також дотримувати регламентовані режими

праці і відпочинку.

7.2.4 Шум

Творча діяльність, керівна робота з підвищеними вимогами, наукова

діяльність, конструювання та проектування, програмування, викладання та

навчання, лікарська діяльність: робочі місця в приміщеннях - дирекції,

проектно-конструкторських бюро; розраховувачів, програмістів

обчислювальних машин, в лабораторіях для теоретичних робіт та обробки

даних, прийому хворих у медпунктах передбачає рівень звуку 50 ДБА[19].

Звукові хвилі виникають при порушенні стаціонарного стану

середовища в наслідок впливу на них сили збудження и поширюючись у

ньому утворюють звукове поле.

За частотою звукові коливання поділяються на три діапазони:

інфразвукові з частотою коливань менше 20 Гц, звукові (ті, що ми чуємо) від

20 Гц до 20 кГц та ультразвукові більше 20 кГц . Швидкість поширення

звукової хвилі C ( м/с) залежить від властивостей середовища і насамперед

від його щільності. Так, в повітрі при нормальних атмосферних умовах

C~344 м/с; швидкість звукової хвилі в воді ~1500 м/с , у металах ~ 3000-6000

м/с.

Людина сприймає звуки в широкому діапазоні інтенсивності (від

нижнього порога чутності до верхнього - больового порога ) . Але звуки

різних частот сприймаються неоднаково. Найбільша чутність звуку людиною

відбувається у діапазоні 800-4000 Гц. Найменша - в діапазоні 20-100 Гц.

61

7.3 Забезпечення безпечних умов праці на робочому місці

7.3.1 Електробезпека

Електричний струм розділяється на постійний і змінний. Постійний

струм приблизно в 4–5 разів менш небезпечний, чим змінний струм частотою

50 Гц. В електричній мережі обчислювального центра на виробниче

устаткування й на освітлення подається змінний струм величиною 220 В і

частотою 50 Гц.

Залежно від характеру середовища розрізняють кілька видів приміщень

по ступені поразки. У нашім випадку приміщення обчислювального центра

відноситься до нормальних – сухі приміщення , у яких відсутні ознаки

жарких і запилених місць.

Захист від статичної електрики повинен проводитись згідно з

санітарно-гігієнічними нормами напруженості електричного поля, які є

допустимими. Ці рівні не повинні перевищувати 20 Кв протягом години

(ГОСТ 12.1.045-84)[24].

7.3.2 Ергономічні вимоги до робочого місця

Робоче місце і взаємне розташовує всіх його елементів повинне

відповідати антропометричним, фізичним і психологічним вимогам. Зокрема,

при організації робочого місця оператора ПК повинні бути дотримані

наступні основні умови: оптимальне розміщення устаткування, що входить

до складу робочого місця і достатній робочий простір, що дозволяє

здійснювати всі необхідні рухи і переміщення.

Ергономічними аспектами проектування термінальних робочих місць є:

висота робочої поверхні, розміри простору для ніг, характеристики робочого

крісла, вимоги до поверхні робочого столу, можливість регулювання

елементів робочого місця.

Робочі місця мають бути розташовані на відстані не менше 1,5 м від

стіни з вікнами, від інших стін на відстані 1м, між собою на відстані не

62

менше 1,5 м. Відносно вікон робоче місце доцільно розташовувати таким

чином, щоб природне світло падало на нього збоку, переважно зліва.

Робочі місця слід розташовувати так, щоб уникнути попадання в очі

прямого світла. Джерела освітлення рекомендується розташовувати з обох

боків екрану паралельно напрямку погляду.

Монітор повинен бути розташований на робочому місці так, щоб

поверхня екрана знаходилася в центрі поля зору на відстані 400-700 мм від

очей користувача.

Зручна робоча поза при роботі з комп'ютером забезпечується

регулюванням висоти робочого столу, крісла та підставки для ніг.

Раціональною робочою позою може вважатися таке положення, при якому

ступні працівника розташовані горизонтально на підлозі або підставці для

ніг, стегна зорієнтовані у горизонтальній площині, верхні частини рук -

вертикальні.

Створення сприятливих умов праці і правильне естетичне оформлення

робочих місць на виробництві має велике значення як для полегшення праці,

так і для підвищення його привабливості, позитивно впливає на

продуктивність праці.

7.4 Пожежна безпека

Категорія приміщення по вибухо-пожежонебезпеки – В[18],

вогнестійкість, що вимагається, будівлі - ІІ [19]. Зона класу приміщення П-

ІІа. Ступінь захисту оболонки для вказаної пожежонебезпечної – ІР44.

Залежно від розмірів матеріальних збитків пожежі поділяються на

особливо великі (коли збитки становлять від 10000 і більше розмірів

мінімальної заробітної плати ) і великі (збитки сягають від 1000 до 10000

розмірів мінімальної заробітної плати ) та інші.

63

Основними напрямками забезпечення пожежної безпеки є

усунення умов виникнення пожежі та мінімізація її наслідків. Об'єкти

повинні мати системи пожежної безпеки, спрямовані на запобігання пожежі

дії на людей та матеріальні цінності небезпечних факторів пожежі, в тому

числі їх вторинних проявів.

Відповідно до ГОСТ 12.1.004.-91[34] пожежна безпека об'єкта повинна

забезпечуватися системою запобігання пожежі, системою протипожежного

захисту і системою організаційно-технічних заходів. Використовувати

необхідно вогнегасники типу ВВК-2 або ВВК-5 у розрахунку 2 шт. на 20 м2.

7.5 Охорона навколишнього середовища

Під охороною навколишнього середовища розуміється система мір,

спрямована на підтримку раціонального взаємозв’язку між діяльністю

людини й навколишнім середовищем, що забезпечує збереження й

відновлення природних ресурсів і визначає шкідливий вплив на навколишнє

середовище.

При проектуванні в конструкторських бюро з’являються відходи у

вигляді паперу, картриджів принтерів, дисків. Для захисту оточуючого

середовища необхідно утилізувати ці види відходів: папір і диски здати на

переробку, картриджі заправити фарбою для повторного використання.

Закон України «Про охорону навколишнього природного середовища»

встановлює, що завданням законодавства про охорону навколишнього

природного середовища є регулювання відносин у галузі охорони,

використання і відтворення природних ресурсів, забезпечення екологічної

безпеки, запобігання і ліквідації негативного впливу господарської та іншої

діяльності на навколишнє природне середовище, збереження природних

ресурсів, генетичного фонду живої природи, ландшафтів та інших природних

64

комплексів, унікальних територій та природних об'єктів, пов'язаних з

історико-культурною спадщиною[36].

65

8 ЕКОНОМІЧНА ЧАСТИНА

Введення

Провідну роль в економічному розвитку займає науково-технічний

прогрес, а на даному етапі він пов'язаний з розвитком персональних

комп'ютерів (ПК) та комп'ютерних технологій. Тому потрібно впроваджувати

системи автоматизованого проектування (САПР), за допомогою яких буде

значно скорочено весь процес від моменту постановки технічного завдання

до моменту початку виготовлення готової продукції, що в свою чергу

сприятиме зростанню продуктивності праці.

Це можна досягти завдяки тому, що на сучасних комп'ютерах можна

змоделювати просторову модель конструкції практично будь-якої складності.

Після моделювання конструкції в CAD-системі, можна приступити до

розрахунку її механічних властивостей в CAE-системі. Такі розрахунки

дозволяють визначити придатність моделі і її відповідність висунутим

вимогам. Більш того, відпадає потреба в проведенні великої кількості

практичних іспитів.

Вибір конкретних програмних комплексів здійснюється виходячи з

кола поставлених задач проектування і економічної віддачі від їх

впровадження. Для конструкторського складу буває необхідно створити

адаптований під полегшене використання спеціалізований програмний

комплекс для вирішення завдання. Цей комплекс створюється таким чином,

що зводить спілкування конструктора з комп'ютером до введення декількох

параметрів в окремій формі.

66

8.1 Техніко-економічний огляд прийняття рішень

В даній бакалаврській роботі об'єктом дослідження є дослідження

контактного тиску при взаємодії складнопрофільних тіл (комплексна).

Розрахунок виконано методом скінченних елементів, для побудови моделі

використовувався програмний комплекс SolidWorks, при розбивці на

скінченні елементи використовувався програмний комплекс АNSYS 13.0.

Результатом застосування комплексу може бути:

1) скорочення часу необхідного на розрахунок конструкції;

2) підвищення продуктивності праці конструкторів;

3) підвищення довговічності проектуємого вибору.

Все це потребує розрахунку загальних витрат, пов'язаних з розробкою

НДР.

8.2 Розрахунок витрат на науково-дослідницьку роботу (НДР)

Виконання наукових досліджень вимагає певних витрат, які необхідно

розглядати як додаткові капіталовкладення.

При цьому приймаємо:

- вартість оренди 1 м2 площі/міс, P=180 грн.;

- площа приміщення, S=14 м2;

- потужність персональної електронної обчислювальної машини

(ПЕОМ), W1=0.8 кВт;

- потужність освітлювального приладу, W2=0,4 кВт;

- вартість електроенергії 1 квт·год, ТТ=0,7626 грн.;

- коефіцієнт невиходів =5 %;

- вартість ПЕОМ, Sk=6000 грн.;

- кількість робочих днів у місяці, Др=25 днів;

- час роботи на комп'ютері, Тk=5 міс;

- час розробки НДР, tp=5 міс.

67

Розраховуємо ефективний фонд часу:

(8.1)

Отже,

(год).

8.2.1 Заробітна плата

Розрахунок основної заробітної плати виконавців проводиться,

виходячи зі штатного розкладу зайнятості виконавців цієї НДР, що

наведений у таблиці 8.1.

Таблиця 7.1 – Штатний розклад

Посада Кількість

виконавців

Оклад в

місяць, грн

Кількість

місяців

зайнятості

Сума зарплати

Керівник

проекту1 1800 1 1800

Інженер-

дослідник2 1200 5 12000

Всього 3 13800

8.2.2 Відрахування в бюджет

На заробітну плату з урахуванням преміального фонду нараховуються

відрахування, що направляються в бюджет держави:

68

ВБ= З% ВБ (8.2)

- пенсійні внески – 33,2 %;

- внески на страхування від непрацездатності – 1,5 %;

- внески на страхування від безробіття – 1,3 %;

- внески на страхування від нещасного випадку на виробництві – 0,8 %

Розрахунки:

0,332+0,015+0,013+0,008=0,368,

13800·0,368=5078,4 (грн).

8.2.3 Витрати на матеріали

Витрати на матеріали, канцелярсько-письмові приналежності

розраховуються за кількістю та їхніми прейскурантними цінами. Перелік

використовуваних матеріалів і їхні ціни приведені в таблиці 8.2.

Таблиця 8.2 - Витрати на матеріали

Найменування Ціна за одиницю, грн Кількість Сума

Диски DVD-RW, шт 6 4 24

Папір для друку А4, шт 38 2 76

Чорно-білий друк на

принтері А4, лист0,40 500 200

Папка, шт 10 3 30

Ручка кулькова, шт 2 5 10

Всього 340

8.2.4 Витрати на електроенергію

Витрати на електроенергію розраховуються через потужність

електроустановок. У перелік електроустановок входять:

69

-прилади освітлення лабораторії;

-ПЕОМ.

Витрати на електроенергію розраховуються по формулі:

, (8.3)

де – тариф на електроенергію;

, – час використання ПЕОМ і приладів освітлення відповідно;

, – потужність ПЕОМ і приладів освітлення відповідно.

, (8.4)

де – кількість годин, що використовувався ПЕОМ в день.

(8.5)

де – кількість годин, що використовувалися прилади освітлення, в

день.

Отже,

8.2.5 Витрати на воду й інші ресурси

Витрати на воду і інші ресурси для технічних цілей визначаються

аналогічно витратам на електроенергію, виходячи з добової потреби і

поточних роздрібних цін. При виконанні НДР витрати на воду й інші ресурси

були враховані у орендній платі.

70

8.2.6 Витрати на устаткування і покупні вироби

До кошторису включається вартість тільки того устаткування, що

безпосередньо використовується для проведення даної НДР, тобто

одноразове застосування. Ці витрати визначаються з розрахунку числа такого

устаткування і його цін. При виконанні даної НДР подібне устаткування не

використовувалося.

8.2.7 Витрати на малоцінний інвентар

Витрати на малоцінний інвентар та інструмент, що швидко зношується,

приймають у розмірі 10 – 15 % вартості використовуваного устаткування.

При виконанні даної НДР подібне устаткування не використовувалося.

8.2.8 Амортизаційні відрахування

Амортизаційні відрахування розраховуються на основні фонди

лабораторії, що знаходяться в експлуатації тривалий час. При виконанні

даної НДР використовувався наступний елемент основних фондів –

персональний комп’ютер. 

Розрахунок амортизаційних відрахувань має такий вигляд:

, (8.6)

де – норма амортизації основних фондів, %;

– тривалість виконання НДР, міс;

– вартість основних фондів, грн.

Норма амортизації основних фондів приймається в наступних розмірах:

ПЕОМ – 25 %.

Вартість ПЕОМ оцінюється в 6000 грн. Таким чином вартість

амортизаційних відрахувань обчислювальної техніки складає:

71

. (8.7)

Розрахунок витрат на НДР приведений в таблиці 8.3

Таблиця 8.3 - Розрахунок витрат на НДР

№ Стаття витрат Методика розрахунку Сума, грн

1Основна зарплата за штатним

розкладом

Табл. 8.1 13800

2 Відрахування в бюджет Пункт 8.2.2 5078,4

3 Витрати на матеріали Табл. 8.2 340

4 Витрати на електроенергію Пункт 8.2.4 610,08

5 Амортизаційні відрахування Пункт 8.2.8 625

ВСЬОГО 20453,48

72

ВИСНОВКИ

В ході виконання дипломної роботи були отримані результати, наочно

представлені і проілюстровані вище. Після їх аналізу можна зробити

наступні висновки:

1 Під час моделювання контактної взаємодії пари «колесо-рейка»

було встановлено залежність контактних напружень від геометрії колеса: із

збільшенням конічності контактні напруження збільшуються. Наочно це

видно з відповідних графіків.

2 Величина контактного тиску в контакті «колесо-рейка»

перевищує межу текучості сучасної рейкової сталі. Тому в реальних умовах

експлуатації мають місце пластичні деформації, які і викликають процеси

стирання.

Проведені розрахунки необхідні для проведення на їх основі

подальших досліджень. Аналогічно можна отримати рішення для ще двох

випадків: коли нерухоме колесо навантажується і вертикальними, і

продольними силами та випадок, коли колесо ковзає по рейці при

гальмуванні.

73

СПИСОК ДЖЕРЕЛ ІНФОРМАЦІЇ

1 Практические методы расчета пути/ Чернышев М. А. Изд-во

«Транспорт», 1967 г. 1—236.

2 Сакало В. И. Контактные задачи железнодорожного транспорта

[Текст] / В. И. Сакало, В. С. Колосов._М.: Машиностроение, 2004. _ 495 с.

3 Буйносов А.П. Взаимодействие колеса и рельса // Путь и путевое

хозяйство. 1999. № 5. С. 22 — 25.

4 Джонсон К. Механика контактного взаимодействия: Пер. с англ. –

М.: Мир, 1989. – 510 с., ил.

5 Марочник стали и сплавов //www.splav.kharkov.com, 12.04.2012

6 Метод скінчених елементів.Основи.Галлагер Р., 1984

7 Теорія методу скінчених елементів. Стренг Г, Фікс Дж., 1977.

8 SolidWorks 2005/2006. Навчальний курс», 2006.

9 SolidWorks 2009 на прикладах, 2009

10 SolidWorks. Практическое руководство/ В. Прохоренко Изд-во

«Бином», 2004г. – 448с.

11 Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А./ ANSYS в руках

инженера: Практическое руководство. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 272 с.

12 Эффективная работа: SolidWorks 2005/ Тику Шам Изд-во «Питер»,

2006 г. – 816с.

13 Басов К. А. ANSYS и LMS Virtual Lab, Геометрическое

моделирование. – М.: ДМК Пресс, 2006. – 240с.: ил.

14 Басов К. А. ANSYS: справочник пользователя. – М.: ДМК Пресс,

2005. – 640 с., ил.

15 ГОСТ 31373-2008 Колесные пары локомотивов и моторвагонного

подвижного состава. Расчеты и испытания на прочность //vsegost.com,

14.03.2012

74

16 Конституція України. Розділ // Стаття 23.- від 28.06.96 р.

17 Закон України «Про охорону праці». – від 21.11.2002.

18 ГОСТ 12.0.003.74*. ССБТ. Опасные и вредные производные

факторы. Классификация.- Введ. 01.01.76. Изменен 1978.

19 ГОСТ 12.1.003-83*. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. –

Введ. 01.07.84.

20 ГОСТ 12.1.029-80. ССБТ. Средства и методы защиты от шума.

Классификация. – Введ. 01.07.81.

21 ДСТУ ГОСТ 12.1.012.2008.Вібраційна безпека. Загальні вимоги. –

Введ. 01.02.2008.

22 ДСТУ ГОСТ 26566885:2009. Методи й засобі вібраційного захисту.-

Введ. 01.02.2009.

23 ДСТУ ГОСТ 12.1.006:2008. Електромагнітні поля радіочастот.

Допустимі рівні на робочих місцях і вимоги до проведення

контролю. – Введ. 01.02.2008.

24 ГОСТ 12.1.045-84. ССБТ. Электростатические поля. Допустимые

уровни на робочих местах и требования к проведению контроля. –

Введ. 01.01.85.

25 ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санітарно-гигиенические

требования к воздуху раб очей зоны.- Введ. 01.01.89.

26 СНиП 2.04.05-91. Строительные нормы и правила. Отопление,

вентиляция и кондиционирование воздуха. – М. : Стройиздат. 1992-

110с.

27 ДБН В.2.5-28-2006. Державні будівельні норми. Інженерне

обладнання будинків і споруд. Природнє і штучне освітлення. – К.:

Мінбуд України, 2006. – 80с.

28 НПАОП 0.00-1.28:2010.Правила охорони праці під час експлуатації

електронно-обчислювальних машин. – К.: 1999- 26с.

75

29 ПУЭ – 87. Правила электроустановок. – М.: Энергоатомиздат. 1988 -

648с.

30 ГОСТ 12.1.019-79*. ССБТ.Электробезопасность. Общее требование

и номенклатура видов защиты. – Введ.01.07.80. Измен.1986.

31 ГОСТ 12.1.030-81*. ССБТ. Электробезопасность. Защитное

заземление.Зануление. – Введ. 01.07.82. Измен. 1987.

32 НАПБ Б.03.002-2007. Нормативний акт пожежної безпеки. Норми

визначення категорій приміщень, будинків та зовнішніх установок

за вибухопожною та пожежною небезпекою. – Затвердж. Наказом

МНС від 03.12.2007, №833.

33 ДБН В.1.1-7-202. Державні будівельні норми. Захист від пожежі.

Пожежна безпека об’єктів будівництва. – К.: 2003. – 41с.

34 ГОСТ 12.1.004-91*. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие

требования. – Введ. 01.07.92.

35 ДСТУ Б В.2.5-38.2008. Інженерне обладнання будинків і споруд.

Улаштування блискавко захисту будівель і споруд(IEC

62305.2006,NEQ).

36 Закон України «Про охорону навколишнього природного

середовища» - 25.06.1991 року

76