Локомотив SD70ACe

Компания Electro-Motive Diesel (EMD) является крупнейшим в мире производителем электро­дизельных локомотивов для коммерческого железнодорожного транспорта, включая грузо­вые перевозки, междугороднее и пригородное пассажирское сообщение. С начала 30-х годов компания выпустила более 58 тыс. локомотивов для потребителей из более чем 70 стран. Кроме того, EMD поставляет по всему миру судовые дизельные двигатели, приводы для морских и наземных нефтедобывающих буровых устано­вок, а также стационарные газотурбинные дви­гатели. Штаб-квартира, конструкторское бюро и основные производственные мощности EDM расположены в г.Лагранж (шт.Иллинойс, США). Но окончательная сборка локомотивов прово­дится в Лондоне (провинция Онтарио, Канада). Отсюда изделия отгружаются заказчикам.

Одна из главных новинок компании — электровоз переменного тока SD70ACe с силой тяги порядка 698 кН (тс), что позволяет эксплуа­тировать его для вождения грузовых поездов, а также высокоскоростных поездов при перевозке контейнеров. Возможен вариант исполнения для работы на железнодорожных путях, электрифи­цированных на постоянном токе.

Компания EMD был вынуждена приступить к разработке локомотива SD70ACe, чтобы со­хранить позиции лидера отрасли. В новом элек­тропоезде должны были сочетаться требования эффективности, надежности, экономичности топлива, безопасности и эргономичности.

Локомотивы должны оставаться безопасны­ми и экономичными на протяжении многих деся­тилетий, перевозя тяжелые грузы в суровых ус­ловиях при минимальных простоях. Большинство машин накручивает миллионы километров уже за первые шесть лет эксплуатации. Срок их служ­бы составляет приблизительно 30 лет, причем некоторые узлы и агрегаты работают и свыше 50 лет. Главной проблемой является долговечность деталей, подверженных многоцикловой усталос­ти от неустранимых динамических нагрузок.

С помощью ANSYS была подтверждена несущая способность всех подкрепляющих конструкций на растягивающие и сжимающие ударные нагрузки в 1 млн фунтов

Достижение этих целей при сокращении цикла разработки и максимально ускоренном выходе на рынок чрезвычайно важны для про­изводителя локомотивов. Однако эти большие и сложные машины требуют длительных и доро­гостоящих натурных испытаний. Отдельные ком­поненты и сборочные узлы отличаются массив­ностью, для их перемещения требуется тяжелое подъемно-транспортное оборудование. Напри­мер, стальная конструкция несущей рамы раз­мером 21,3x3x0,61 м, соединяющая колесные пары с корпусом локомотива, весит около 33,5 т.

На заключительном этапе транспортные средства проходят испытания на железнодорож­ном полигоне Министерства транспорта США.

Подобные тесты весьма дорогостоящие, и заказывать их нужно заблаговременно. Про­блемы, выявленные во время испытаний, могут потребовать существенных доработок конс­трукции и дополнительных испытаний, что, в свою очередь, повлечет за собой экспоненци­альный рост затрат и существенное увеличе­ние срока выпуска готового изделия.

Компания EMD нашла выход из этой ситу­ации: она применила средства CAE на всех эта­пах проектирования, начиная со стадии эскизно­го проекта. Расчеты проводились для полнораз­мерной 3D-модели локомотива, включающей основные узлы и агрегаты. Благодаря этому EDM удалось свести к минимуму объем натур­ных испытаний, сократить цикл разработки и оп­тимизировать конструктивные характеристики электровоза SD70ACe.

Полная трехмерная КЭ-модель локомотива SD70ACe

Программный комплекс ANSYS Mechanical стал ключевым инструментом реализации этой стратегии моделирования. Например, перед из­готовлением несущей рамы в металле компания EMD с помощью ANSYS провела проверку, вы­держит ли эта крупногабаритная конструкция при минимизации ее массы растягивающие и сжимающие ударные нагрузки, отвечающие тех­ническим условиям.

ANSYS использовался также для деталь­ного анализа динамики подвески, изолирующе­го крепления кабины и других подсистем в усло­виях вибрации. Кроме того, он применялся при разработке таких узлов двигателя локомотива, как картер, головки цилиндров, шатуны и другие детали, задействованные в возвратно-поступа­тельном движении.

На протяжении всего цикла разработки SD70ACe конструкторы и расчетчики тесно со­трудничали между собой, поэтому инженеры могли в первом приближении анализировать от­дельные детали на ранних стадиях проектирова­ния и оперативно вносить в них изменения.

В повседневной работе группа расчетчиков использовала компьютеры HP X-класса. Полная модель локомотива прогонялась на рабочих станциях HP J6000 под управлением ОС UNIX.

Повсеместное применение ANSYS на про­тяжении всего цикла проектно-конструкторс- ких работ позволило компании EMD выпустить SD70ACe точно в срок и в пределах выделенных средств. Исследуя альтернативные варианты, расчетная группа могла принимать обоснован­ные решения, к примеру добиваясь компромис­сов между требованиями к жесткости, массе и собственным частотам.

Проведенные расчеты сыграли ключевую роль в повышении топливной экономичности изделия при сохранении долговечности и обес­печении комфортных условий для машиниста за счет повсеместного снижения вибрации. Но­вое изделие построено на базе надежных ло­комотивов EMD, которые приводят в движение тяжеловесные составы на железных дорогах всего мира.

Сейчас компания EMD поставила 20 локо­мотивов SD70ACes корпорации CSX и заканчи­вает выпуск партии из 115 локомотивов для же­лезной дороги Union Pacific Railroad. Кроме того, корпорация BHP Billiton Iron Ore Pty. Ltd заказала 14 локомотивов для горных работ на северо-вос­токе Австралии.

В США 16 машин приобрела транспортная компания Montana Rail Link (MRL). Ею были про­ведены испытания электровоза SD70ACe для вождения тяжеловесных составов и подтверж­дена топливная экономичность. Выигрыш соста­вил более 20%.

«Нам не удалось бы создать конкурен­тоспособную конструкцию локомотива без ши­рокого применения CAE-технологии, начиная с формулировки концепции и заканчивая выпус­ком в производство, — заявил руководитель расчетного отдела компании EMD R. Thomas Scott. — Натурные испытания этих больших и сложных конструкций должны быть сведены к минимуму, и нам удалось это благодаря техно­логии численного моделирования, что позволи­ло сориентировать проектные работы в нужном направлении, проверить, выполняются ли тех­нические условия, и оценить окончательный вариант».