CC BY
3
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Харитонов, А. В. Динамическая модель скоростного Kharitonov A.V. Dynamic model of a high-speed
электропоезда и ее верификация / А. В. Харитонов. - electric train and its verification. Journal of Transsib
Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - Railway Studies, 2023, no. 2 (54), pp. 29-42 (In Russian). 2023. - № 2 (54). - С. 29 - 42.
УДК 629.4.027.31:539.4 (045)
С. В. Чунин, Э. С. Оганьян, Г. И. Гаджиметов, М. Ю. Балашов, М. В. Тимаков
Акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), г. Коломна, Российская Федерация
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРУЖИН РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ СКОРОСТНЫХ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
Аннотация. В статье приведены результаты исследований прочности и долговечности пружин рессорного подвешивания. Исследования включали в себя разработку конечно-элементной модели пружины с последующим проведением прочностных расчетов по определению напряженно-деформированного состояния пружины под действием статической и динамической нагрузки, тензометрирование опытных образцов пружин, выбор режимов нагружения пружин и проведение испытаний на циклическую долговечность. Установленный техническими условиями назначенный срок службы вагона составляет 32 года. Срок службы пружин рессорного подвешивания должен быть не менее 16 лет согласно ГОСТ 1452-2014 «Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия».
Полученные результаты испытаний показали, что пружины соответствуют требованиям, установленным в ГОСТ 32208-2013 «Пружины рессорного подвешивания железнодорожного подвижного состава. Метод испытания на циклическую долговечность», в части обеспечения минимальных коэффициентов запаса прочности по сопротивлению усталости.
Укрупненный алгоритм для определения расчетного ресурса несущих элементов экипажных частей подвижного состава в данной статье был сформирован по результатам испытаний пружин тележки трехосной скоростной платформы для перевозки контейнеров и включал в себя комплексный подход по решению данной задачи, что является неотъемлемой частью при решении стратегических вопросов долговечности и ресурса подвижного состава железных дорог.
Ключевые слова: пружина, усталостная прочность, напряженно-деформированное состояние, стендовые испытания, грузовой вагон, ресурс, живучесть.
Sergey V. Chunin, Eduard S. Oganyan, Gadzhimet I. Gadzhimetov, Maksim Yu. Balashov,
Maksim V. Timakov
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»),
Kolomna, the Russian Federation
STUDY OF THE FATIGUE STRENGTH OF SPRINGS OF SPRING SUSPENSION
OF HIGH-SPEED FREIGHT WAGONS
Abstract. The study results of the strength and the fatigue life of springs of spring suspension are presented in the paper. The studies included the development of a finite element model of a spring, followed by strength calculations to determine the stress-strain state of the spring under static and dynamic loads, strain measurement of spring prototypes, selection of spring loading modes andfatigue life testing. The designated service life of a wagon, specified by the technical conditions, is 32 years. The service life of springs of spring suspension must be at least 16years in accordance with GOST 1452-2014 «Helical springs for bogies and draw-and-buffer gears of railway rolling stock. Specifications».
The test results obtained showed that the springs meet the requirements established in GOST 32208-2013 «Springs of spring suspension of railway rolling stock. Method of fatigue life tests», in terms of ensuring minimum fatigue resistance safety factors.
An enlarged algorithm for determining the estimated life time of the bearing elements of the rolling stock underframe in this paper was formed based on the results of testing the bogie springs of a three-axle high-speed flat wagon for transporting containers and included an integrated approach for solving this problem, without which it is impossible to solve strategic issues of fatigue life and life time of the railway rolling stock.
Keywords: spring, fatigue strength, stress-strain state, bench tests, freight wagon, life time, survivability.
Настоящее исследование посвящено результатам испытаний железнодорожных пружин, применяемых в комплектах рессорного подвешивания ходовой части (тележках) грузовых вагонов.
Рынок грузоперевозок и рынок транспортного грузового вагоностроения являются одними из важнейших составляющих организационной структуры функционирования государственной экономики. Без доставки грузов от производителя к потребителю не может работать ни одно предприятие крупных или даже средних размеров. Грузовые вагоны являются главным инструментом при решении данной задачи.
Из-за быстрого роста объемов грузоперевозок все более актуальным становится вопрос увеличения провозной способности железных дорог. В связи с этим все большее распространение получают грузовые скоростные вагоны, предназначенные для перевозки контейнеров.
Одной из основных особенностей указанного типа подвижного состава является большой среднесуточный пробег (более 600 км в сутки), что обусловливает определенные требования усталостной прочности несущих элементов конструкций вагона, а также упругих элементов его рессорного подвешивания.
Конструкции и детали подвижного состава испытывают в эксплуатации нагрузки различного уровня. Поэтому для расчетов их долговечности и ресурса составляют суммарный режим нагрузки (блок нагрузок), наиболее полно отражающий нагружение детали в эксплуатации. Этот блок представляется в виде ступенчатого распределения амплитуд напряжений, заданный в виде таблиц пары чисел (хш-, ni) или в виде плотности вероятностей амплитуд (гистограмма).
Настоящая оценка ресурса (срока службы) пружин рессорного подвешивания подвижного состава (ПС) выполнена расчетно-экспериментальными методами в вероятностной постановке. Эти методы в качестве исходных данных используют результаты ходовых динамико-прочностных испытаний ПС на эксплуатационных участках железнодорожного пути или специальных полигонах, а также стендовых испытаний пружин при статическом и циклическом (на усталость) нагружении.
Представленные методы расчетов определяют долговечность указанного элемента экипажной части ПС, рассчитываемую на основе гипотезы (корректированной) линейного суммирования усталостных повреждений в вероятностной постановке, а также путем аналитического представления и решения уравнений кривой усталости детали.
В процессе разработки перспективного скоростного вагона-платформы были спроектированы и изготовлены пружины его рессорного подвешивания. Для оценки их характеристик усталости с учетом срока службы вагона (32 года) и среднесуточного пробега (750 км) необходимо проведение исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) пружины, определение параметров его эксплуатационной нагруженности и характеристик сопротивления усталости
Для решения поставленной задачи проведены расчеты НДС пружин при нагружении их статической и динамической нагрузкой. Для этого была создана конечно-элементная модель пружины (рисунок 1).
Рисунок 1 - Конечно-элементная модель пружины
Результаты расчетов представлены на рисунках 2 - 4.
Рисунок 2 - Эквивалентные напряжения: а - вид снаружи; б - вид изнутри
Рисунок 3 - Первое главное напряжение: а - вид снаружи; б - вид изнутри
Рисунок 4 - Третье главное напряжение: а - вид снаружи; б - вид изнутри
Для проведения сравнительного анализа напряженного состояния пружин, полученного расчетным и экспериментальным методами, по результатам расчетов определены места установки тензорезисторов (рисунок 5).
а б в
Рисунок 5 - Схемы установки тензодатчиков: а - общий вид; б - вид спереди; в - вид изнутри
Исследование НДС пружин проводилось методом тензометрии. Тензодатчиками оборудовались все рабочие витки пружин на внутренней и наружной сторонах витков. Использовались датчики базой 5 мм. Касательные напряжения определялись по показаниям тензодатчиков, расположенных под углом 45 ° к оси прутка.
Далее исследуемая пружина устанавливалась в испытательный стенд и проводились статические и циклические испытания, в результате чего были получены значения механического напряжения при статической нагрузке, амплитуды механического напряжения цикла и величина относительных разниц результатов, полученных расчетным и экспериментальным методами.
Из анализа полученных результатов следует, что расчетное касательное напряжение от кручения прутка на внутренней поверхности витка пружины, возникающее при приложении силы Fl, и предельная амплитуда напряжений цикла при испытании на базе 6х106 циклов согласно требованиям стандарта [1] составляют 528,2 и 184,9 МПа соответственно. Максимальное значение касательного напряжения получено равным 870 МПа при допускаемом 915 МПа для пружинной стали 60С2ХФА.
Максимальная относительная разница между значениями механических напряжений, полученных при статическом и циклическом нагружении экспериментальным и расчетным методами, не превышает 15 %. Таким образом, подтверждается возможность выбора адекватного режима нагружения для проведения стендовых испытаний на специализированном испытательном стенде.
Стендовые испытания на усталость проводились на 15 опытных образцах пружин в соответствии с требованиями п. 4.16 ГОСТ 1452-2011 [2]. Пружины устанавливали на испытательный стенд, нагружали заданными статическими нагрузками с учетом результатов предварительно проведенных расчетов НДС и статических испытаний, описанных выше, амплитудное значение которого выбиралось близким к полученному расчетом. При этом каждая пружина испытывалась до ее разрушения (излома).
Результаты, полученные при испытаниях на циклическую долговечность, приведены в таблице.
Как следует из полученных результатов испытаний, долговечность пружин имеет определенный разброс. Усталостные изломы имели вид, представленный на рисунке 6.
Результаты стендовых ресурсных испытаний пружин на циклическую долговечность
Номер пружины Амплитуда колебаний sа, мм Амплитуда напряжений Та, МПа Количество циклов до разрушения пружины N (циклы) Место и характер разрушения
1 33 222 1844100 Излом по наружной поверхности рабочего витка с началом разрушения от внутреннего дефекта (волосовина)
2 6000290 Без излома
3
4 41 277 413900 Излом крайнего рабочего витка от точечного контакта с опорным витком
5 36 240 1714200
6 41 277 1823400
7 28 185 6000170
8 Без излома
9 30 203 6000050
10 6000120
11 36 240 677200 Излом крайнего рабочего витка от точечного контакта с опорным витком
12 6000020 Без излома
13 39 253 1237200 Излом крайнего рабочего витка от точечного контакта с опорным витком
14 30 203 6000050 Без излома
15 39 253 943100 Излом крайнего рабочего витка от точечного контакта с опорным витком
а)
б)
Рисунок 6 - Виды изломов пружин: а — разрушение первого витка от контакта с опорным; б — разрушение от дефектов материала прутка
Кривая усталости, построенная по результатам испытаний на циклическую долговечность, приведена на рисунке 7. Из рисунка 7 следует, что предел выносливости та пред пружин данного типоразмера составляет 212,4 МПа.
т. МПа
300 280
260 240 220 200 180 160 140 120 100
о
5 с )
о ( 1 2 2 4
< 1
с )
100000 1000000 юооомнш
Рисунок 7 - Кривая усталости: т - значение предельной амплитуды напряжения цикла; N - количество циклов до разрушения
Пружины рессорного подвешивания грузового вагона при эксплуатации работают в условиях многоциклового нагружения с напряжениями, не превышающими предела выносливости детали.
Накопление усталостных повреждений в материале циклически нагружаемой детали
характеризует кривая усталости, которая описывается уравнением вида t™ • N = const на
основании гипотезы линейного суммирования повреждений.
Из уравнения кривой усталости (расчет ведется относительно второй наклонной ветви, так как эксплуатационные напряжения в пружине ниже предела выносливости с количеством циклов N > 107) следует:
( p=0,95 Y>2
Np =
Т
V аэ у
• No = <2 • No, (1)
где Np - число циклов нагружения детали до исчерпания сопротивления усталости (разрушения); т^-0,95 - предел выносливости детали для заданной вероятности разрушения P = 0,95,
тГ,95=та пред-(1 -ир^), (2)
где Та пред - значение предела выносливости, определенное с P = 0,5; U = 1,645 - квантиль нормального распределения при P = 0,95; у = 0,1 - коэффициент вариации; Таэ - амплитуда (эквивалентная) динамических напряжений в пружине рессорного подвешивания тележки от эксплуатационных нагрузок; Пт - коэффициент запаса прочности по сопротивлению усталости,
Р=0,95 0 111 а
соответствующий величине та ; Ш2 = 2 ш\ - 1 = 11; ш\ =6 - по кривой усталости; N0 = 6106 циклов.
Для грузового вагона с осевой нагрузкой 197 кН при конструкционной скорости Ук = 140 км/ч имеем: Уср = 90 км/ч (25 м/с) (таблица 3.4 источника [3]); Пт = 1,2; / = 2,5 Гц -частота амплитуд прогибов (напряжений) пружины; ресурс пружины по числу циклов нагружения до разрушения, посчитанный по уравнению (1).
N =
212,4 • (1 -1,645 • 0,1) 528,2 • 0,193
= 444,8 -106 = 444,8 • 106циклов.
С учетом доли скоростей движения грузового поезда от 81 до 90 км/ч, равной 0,54 (по таблице 6 ГОСТ 33211-2014 [4]) годовое число циклов нагружения N1 = 27,3 1 06 циклов/год.
При годовом пробеге вагона в груженом состоянии 274 тыс. км безопасный срок
г ^ (444,8 V1 162 эксплуатации пружины от даты изготовления составит ь = —— = -— = 16,2 года.
N { 27,3 )
На основании изложенного можно сделать следующие выводы.
1. Результаты испытаний пружин показали, что фактическое значение предельной амплитуды напряжения цикла (предел выносливости пружин) на базе 6 х 106 составляет та пред = 212,4 МПа, что выше расчетного значения для данного типоразмера пружин 184,9 МПа.
2. Безопасный срок эксплуатации пружин - 16,2 года, что соответствует требованиям ГОСТ 1452-2011 [2].
3. Полученные результаты целесообразно дополнить комплексом эксплуатационных испытаний пружин в различных условиях для оценки их релаксационной стойкости за этот период работоспособности в условиях низких температур и для уточнения блока нагрузок.
Список литературы
1. ГОСТ 32208-2013. Пружины рессорного подвешивания железнодорожного подвижного состава. Методы испытаний на циклическую долговечность. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 11 с. - Текст : непосредственный.
11
2. ГОСТ 1452-2011. Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия. - Москва : Издательство стандартов, 2011. - 16 с. - Текст : непосредственный.
3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). С изм. и доп. № 1 от 01.02.2000 и № 2 от 01.03.2002. - Москва : Государственный научно-исследовательский институт вагоностроения (ГосНИИВ), Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), 1996. - 319 с. - Текст : непосредственный.
4. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - Москва : Стандартинформ, 2016. - 57 с. - Текст : непосредственный.
References
1. GOST 32208-2013. Springs of spring suspension of railway rolling stock. Method of fatigue life tests. Moscow, Standartinform Publ., 2014, 11 p. (In Russian).
2. GOST 1452-2011. Helical springs for bogies and draw-and-buffer gears of railway rolling stock. Specifications. Moscow, Standards Publishing House, 2011, 16 p. (In Russian).
3. Standards for the calculation and design of railway wagons of the Ministry of Railways of the 1520 mm gauge (non-self-propelled). Moscow, GosNIIV, VNIIZhT Publ., 1996, 319 p. (In Russian).
4. GOST 33211-2014. Freight wagons. Requirements to structural strength and dynamic qualities. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 57 p. (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Чунин Сергей Владимирович
АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.
Кандидат технических наук, заведующий лабораторией.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 13-36.
E-mail: [email protected]
Оганьян Эдуард Сергеевич
АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.
Доктор технических наук, главный научный сотрудник.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 11-20.
E-mail: [email protected]
Гаджиметов Гаджимет Исамединович
АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.
Руководитель испытательного центра.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 11-27.
E-mail: [email protected]
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Chunin Sergey Vladimirovich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, the Russian Federation.
Ph. D. in Engineering, head of laboratory.
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 13-36.
E-mail: [email protected]
Oganyan Eduard Sergeevich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, the Russian Federation.
Doctor of Sciences in Engineering, chief researcher of the Strength department.
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 11-20.
E-mail: [email protected]
Gadzhimetov Gadzhimet Isamedinovich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, the Russian Federation.
Head of Rolling Stock Test Center.
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 11-27.
E-mail: [email protected]
Балашов Максим Юрьевич
АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.
Ведущий инженер.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 12-13.
E-mail: [email protected]
Тимаков Максим Владимирович
АО «Научно-исследовательский и конструк-торско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»).
Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.
Заведующий лабораторией.
Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 19-71.
E-mail: [email protected]
БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ
Исследование усталостной прочности пружин рессорного подвешивания скоростных грузовых вагонов / С. В. Чунин, Э. С. Оганьян, Г. И. Гаджиметов, М. Ю. Балашов, М. В. Тимаков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2023. - № 2 (54). -С. 42 - 49.
Balashov Maxim Yurievich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, the Russian Federation.
Leading engineer.
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 12-13.
E-mail: [email protected]
Timakov Maxim Vladimirovich
JSC «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»).
410, Oktyabrskoy Revolutsii st., Kolomna, 140402, the Russian Federation.
Head of laboratory.
Phone: +7 (496) 618-82-48, ext. 19-71.
E-mail: [email protected]
BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION
Chunin S.V., Oganyan E.S., Gadzhimetov G.I., Balashov M.Yu., Timakov M.V. Study of the fatigue strength of springs of spring suspension of high-speed freight wagons. Journal Of Transsib Railway Studies, 2023, no. 2 (54), pp. 42-49 (In Russian).
УДК 629.4.014.6:629.45
Д. Г. Евсеев1, С. В. Лагутин1, А. С. Шинкарук2
Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)), г Москва, Российская Федерация;
2АО «Федеральная пассажирская компания» (АО «ФПК»), г Москва, Российская Федерация
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЕГО ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
Аннотация. Целью настоящего исследования является определение и оценка технического состояния пассажирских вагонов моделей 47К и 47К/к с установлением предельного технического состояния и рекомендациями по остаточному ресурсу их конструкции.
Проведенное исследование пассажирских вагонов, изготовленных на Waggonbau Ammendorf Gruppe в 1979 и 1980 гг., с целью определения остаточного ресурса по разработанной программе включало в себя анализ конструкторской документации на данные модели вагонов; установление зон, подверженных в процессе эксплуатации повышенным нагрузкам; установление зон образования повышенной коррозийности; установление необходимости проведения ультразвукового дефектоскопирования, визуального и измерительного контроля ряда элементов конструкции вагонов.
По результатам оценки технического состояния основных элементов рамы и кузова вагонов (проведение метрических измерений, ультразвукового и визуального контроля) и расчетов циклической долговечности установлено, что пассажирские вагоны данных моделей, достигшие предельного срока службы (с учетом проведения капитально-восстановительного ремонта), сохраняют основные параметры, соответствующие требованиям ГОСТ 55182-2012 «Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования» и другим нормативным документам.
Расчеты на циклическую долговечность показали, что исследуемые пассажирские вагоны указанных моделей имеют остаточный срок службы не менее 63 лет и обладают ресурсом использования в 23 года до фактического достижения предельного критического состояния основных несущих элементов конструкции.
Ключевые слова: пассажирский вагон, нагрузки, циклическая долговечность, нагруженность, несущие элементы.
