О несущей способности надрессорных балок тележек грузовых вагонов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 629.4. 027. 27
О НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАДРЕССОРНЫХ БАЛОК ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
B. И. СЕНЬКО, И. Ф. ПАСТУХОВ,
C. В. МАКЕЕВ, М. И. ПАСТУХОВ
Белорусский государственный университет
транспорта, г. Гомель
Тележка модели 18−100 (ЦНИИ-Х3), работающая под 4-осными грузовыми вагонами свыше 60 лет (с 1956 г.), не отвечает уже современным требованиям по своим ходовым качествам и межремонтному пробегу, который должен быть сегодня от постройки до деповского ремонта не менее 500 тыс. км, а в последующие междепов-ские ремонты — 200 тыс. км. Однако долгожительство ее свидетельствует о том, что в ней было немало и хороших качеств, которые должны сохраниться и в новой модели тележки, идущей ей на смену, в частности — простота конструкции. Поэтому и в перспективе она сохранит свою основную суть — конструкцию с литыми боковыми рамами и надрессорной балкой.
За историю своего существования литые детали тележек непрерывно совершенствовались в своей конструкции, что привело к повышению их усталостной прочности на 60−80% [1]. С целью дальнейшего повышения прочности и надежности литых деталей произведены исследования усталостной долговечности надрессорных балок тележек двух модификаций 18−100 (серийной) и 18−578 (опытной).
Классическим методом совершенствования конструкции деталей тележек, работающих в жестком динамическом нагружении, является метод, основанный на проведении усталостных испытаний натурных деталей с оценкой их результатов, внесением изменений в конструкцию и последующих новых испытаний, пока не достиг-нется прогнозируемый результат. Применение указанного метода требует значительных затрат времени и средств, и его целесообразно использовать только на заключительном этапе. До этого периода более эффективно решать поставленную задачу расчетным путем.
Авторами исследовано напряженно-деформированное состояние трех конструкций надрессорных балок: колоночной с жесткими скользунами (черт. 100. 00. 001−0, серийная, выпуск до 1980 г., тележка модели 18−100), бесколоночной с жесткими скользунами (черт. 100. 00. 001−5, серийная, выпуск с 1980 г., тележка 18−100), а также бесколоночной с упругими скользунами (черт. 578. 00. 001−0), опытная, выпуск с 2003 г., тележка 18−578). Расчет выполнен на статическую нагрузку 420 кН с использованием объемных конечноэлементных моделей в программном комплексе Кав1хап. Разбивка произведена на 17 233 конечных элементов и 26 376 узлов.
В эксплуатации в надрессорных балках возникают усталостные трещины с вероятностью 0,0046 [2]. Они охватывают 11 зон, но из них только трещины по нижнему поясу угрожают безопасности движения, так как их развитие приводит к разрушению балок с тяжелыми последствиями. Доля их в общем объеме трещин составляет примерно 20% [2]. Поэтому в выполненных расчетах анализ напряженного состояния сделан только по нижнему поясу в трех сечениях, в которых в эксплуатации наиболее вероятно появление трещин. Сечение 1−1 — середина балки, в зоне подпятника на расстоянии 100 мм от поперечной оси симметрии- 2−2 — на расстоянии
425 мм от поперечной оси симметрии (зона технологических отверстий) и 3−3 — на расстоянии 746 мм от середины балки (зона скользунов).
На рис. 1 приведено распределение эквивалентных напряжений в надрессорной бесколоночной балке с жесткими скользунами от нагрузки 420 кН, серийно выпускаемой до настоящего времени, под тележками модели 18−100, а в табл. 1 — по всем трем балкам. Анализ приведенных напряжений показывает, что от указанной нагрузки во всех трех балках напряжения ниже допускаемых 250 МПа (для конструкционно легированной стали 20ГЛ) и что наибольшие напряжения в них возникают по нижнему поясу и колеблются в зависимости от конструкции балки от 50 до 75 МПа (20−30% от допускаемых). Из табл. 1 также видно, что переход от колоночной конструкции (1980 г.) в подпятниковой зоне балки к бесколоночной привело к снижению напряжений в сечениях 1−1 и 2−2 (в зоне наиболее вероятных эксплуатационных повреждений) соответственно на 26 и 39% (с 75 до 55 МПа и с 87 до 53 МПа). В зоне скользунов напряжения остались неизменными на уровне 62−65 МПа.
Таблица 1
Величины эквивалентных напряжений в надрессорных балках тележек грузовых вагонов по трем сечениям в нижнем поясе
Тип балки (чертеж), величины, место и способ приложения нагрузки, модель тележки Эквивалентные напряжения в сечениях, МПа
1−1 2−2 3−3
Ин- тервал вели- чин Сред- нее значе- ние Ин- тервал вели- чин Сред- нее значе- ние Интер- вал вели- чин Сред- нее значе- ние
Колоночная (100. 00. 001−0), Рст = 420 кН — равномерно по подпятнику, 18−100 68−88 75 85−90 87 41−83 62
Бесколоночная (100. 00. 001−5), скользуны жесткие, Рст = 420 кН — равномерно по подпятнику, 18−100 53−58 55 45−66 53 47−79 65
Бесколоночная (578. 00. 001−0), скользуны упругие, Рст = 380 кН, Рск = 20 кН — равномерно по подпятнику и скользунам, 18−578 49−54 52 41−61 49 49−79 64
Бесколоночная (578. 00. 001−0), скользуны упругие, Рст = 372 кН, Рск1 = 4 кН, Рск 2 = 44 кН — нагрузка с перекосом, 18−578 49−53 51 39−61 48 56−84 68
16″
8125
Рис. 1. Распределение эквивалентных напряжений в надрессорной бесколоночной балке с жесткими скользунами от нагрузки 420 кН
Очередное изменение конструкции балки (2003 г.) с введением упругих скользу-нов принципиального изменения напряженного состояния балки в статическом режиме нагружения не произвело. В средней зоне (сечения 1−1 и 2−2) снижение составило 5% (с 55 до 52 МПа), а в зоне скользунов (3−3) напряжения остались на одном уровне — 64−65 МПа. При движении вагона по кривым участкам пути, когда нагрузка на один из скользунов возрастает с 20 до 44 кН, напряжения в этой зоне (3−3) возрастают на 5,8% (с 64 до 68 МПа). То есть в целом можно констатировать, что переход от колоночной конструкции балки к бесколоночной дал значительное снижение напряжений, а переход от конструкций балки с жесткими скользунами на балки с упругими скользунами в статическом режиме нагружения не привел к заметному снижению напряжений. Он только обеспечил более равномерное распределение напряжений по длине балки. Но это только в состоянии статики. Чтобы оценить изменения напряженного состояния надрессорных балок в состоянии динамики найдены величины амплитудных напряжений в бесколоночных балках с жесткими скользу-нами (тележка 18−100) и с упругими скользунами (тележка 18−578).
Аплитуды динамических напряжений определены по зависимости [3]
а. = а к.
аг стг дв —
(1)
где остг — напряжения от статической нагрузки в г-м сечении- кдв — коэффициент
вертикальной динамики.
Величины коэффициентов вертикальной динамики получены расчетным путем для тележек модели 18−100 и 18−578 в зависимости от скоростей движения по распределению [3, табл. 3, 4, с. 72]. Средние значения их составили соответственно для надрессорных балок — кдв1 = 0,153 и кдв2 = 0,133. Снижение коэффициентов вертикальной динамики опытных балок составило 13%, а по экспериментальным данным ПО «Уралвагонзавод» — 12−15% [4, рис. 10, с. 60]. Таким образом, сходимость результатов, полученных расчетным и экспериментальным путем, вполне удовлетворительна.
Величины амплитудных напряжений в надрессорных балках тележек модели 18−100 при движении со скоростями от 20 до 120 км/ч изменяются: в сечении 1−1 -от 2,2 до 13,3 МПа, а в сечении 3−3 — от 2,6 до 15,7 МПа. Тогда как в балках тележек модели 18−578 они соответственно распределяются в пределах 2,1−10,3 МПа и 2,5−12,7 МПа. То есть в надрессорных балках тележек модели 18−578 амплитудные напряжения как по средней зоне, так и по скользунам снижаются на 22,5%.
По спектрам амплитуд динамических напряжений найдены эквивалентные напряжения по формуле [3, с. 67]
= {%¦& lt-, • Л, (2)
0
где Ыс — суммарное число циклов, воспринимаемых надрессорной балкой за срок службы, Ыс = 34,63−107- Ы0 — базовое число циклов при усталостных испытаниях надрессорных балок, Ы0 = 107- оа, — амплитуда динамических напряжений 1-го уровня- Ри, — вероятность появления напряжений 1-го уровня- т — показатель степени кривой выносливости, т = 4,5.
Коэффициенты запаса сопротивления усталостной прочности балок равны
((^аЫ)0,95 ґ-,
п =--------, (3)
а.
азі
где (а м)0 95 — предел выносливости надрессорной балки по амплитудным напряжениям с вероятностью неразрушения 0,95- аазі - эквивалентные напряжения в 1-м сечении надрессорной балки.
Параметры эксплуатационных характеристик надрессорных балок с результатами расчета сведены в табл. 2.
Таблица 2
Эксплуатационные параметры надрессорных балок тележек грузовых вагонов
аз,
Тип надрессорной балки
Параметры Бесколоночная с Бесколоночная
жесткими скользу-нами (18−100) с упругими скользунами (18−578)
Суммарное число циклов за срок службы 32 года 34,63−107 34,63−107
Предел выносливости (оаМ)0 95, МПа 30 35
Эквивалентные напряжения ааэг-, МПа 20,78 24,56 20,78 21,9
Коэффициент запаса сопротивления 1,44 1,68
усталости п 1,22 1,59
Примечание. Числитель — в сечении 1−1, знаменатель — в сечении 3−3.
Пределы выносливости современных надрессорных балок, изготовленных из конструкционной легированной стали марки 20ГЛ, тележек модели 18−100 и 18−578 при вероятности неразрушения по амплитудным нагрузкам (напряжениям) состав-
ляют Ра (0,95) = 165,3 кН ((о^)0,95 =30 МПа) и Ра (0,95) = 193,9 кН (^^, 95 =35 МПа) [4, рис. 3, с. 57].
Как следует из табл. 2, несущая способность надрессорных балок существующих (тележек модели 18−100) и перспективных (модели 18−578) достаточна, причем коэффициент запаса сопротивления усталости новых балок на 23% выше, чем у серийных. Однако в эксплуатации усталостные трещины в серийных балках все же возникают. Это уже является следствием эксплуатационно-технологических факторов: экстремальных условий нагружения и качества литья, что требует самостоятельных исследований. Тем более, что имеющийся статистический материал об эксплуатационных повреждениях надрессорных балок собран без разделения по их типам, что не позволяет дать объективную оценку о проводимых мероприятиях по повышению несущей способности деталей.
Заключение
Бесколоночные надрессорные балки с жесткими скользунами тележек модели 18−100 обладают достаточной несущей способностью для восприятия нормированных эксплуатационных нагрузок.
Введение в тележках модели 18−578 упругих скользунов снижает уровень амплитудных динамических напряжений в нижних поясах надрессорных балок на 22,5% и увеличивает их эксплуатационную надежность на 23% в сравнении с балками, имеющими жесткие скользуны.
Имеющийся статистический материал об эксплуатационных повреждениях над-рессорных балок без разделения по их типам недостаточен. Требуется дополнительные исследования по этому вопросу с дифференциацией по каждому типу балок.
Литература
1. Разработка методики диагностирования литых несущих деталей (надрессорных и боковых балок) тележек: ЦНИИ-ХЗ (18−100), проработавших более 30 лет, и порядок продления срока службы: отчет о НИР / ГосНИИВ-ВНИИЖТ- рук. Л. Н. Косарев. — Москва, 2000. — 88 с.
2. Сенько, В. И. Итоги комплексной оценки остаточного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов / В. И. Сенько, И. Ф. Пастухов, М. И. Пастухов // Вестн. БелГУТа. — 2006. — № 1−2. — С. 5−10.
3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). — Введ. 22. 01. 96. — Москва: ГосНИИВ-ВНИИЖТ. — 1996. -319 с.
4. Бочкарев, Н. А. Организация серийного производства тележек 18−578 для новых вагонов / Н. А. Бочкарев // Железнодорожный транспорт. — 2006. — № 7. — С. 53−60.
Получено 23. 10. 2008 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой