CC BY
15
УДК 621.791.052:539.4/001.24
В. А. ЛЕОНЕЦЬ, д-р техн. наук О. Д. ТОКАРЕВ, шженер А. I. ТРЕГУБ, шженер Л. М. ЧАУС, шженер
Державний науково-дослщний центр залiзничного транспорту Укра1ни (Укра1на)
ВИМ1РЮВАННЯ ЗАЛИШКОВИХ ТЕРМ1ЧНИХ НАПРУЖЕНЬ В РЕБРАХ ЖОРСТКОСТ1 В1ЗК1В ЕЛЕКТРОВОЗ1В ВЛ60
Оцшено величини залишкових терм1чних напруг у ребрах жорсткосп другого конструкторського ршен-ня рам в1зшв електровоз1в ВЛ60. Розраховано резонансну частоту 1'хшх поперечних коливань. Зроблено ви-сновок про можливосп 1хнього руйнування, через юнування ударних навантажень, що дшть на раму в1зка.
Оценены величины остаточных термических напряжений в ребрах жесткости второго конструкторского решения рам тележек электровозов ВЛ60. Рассчитана резонансная частота их поперечных колебаний. Сделан вывод о возможности их разрушения, из-за существования ударных нагрузок, действующих на раму тележки.
Assessment of the value of thermal residual stresses in stiffness ribs produced in accordance with the second constructive and set on in bogie frames of ВЛ60 electric locomotives. Resonant frequency of their lateral oscillation is calculated. A conclusion is made concerning the possibility of their fracture due to the impact loading acting on a bogie frame.
Подовження призначеного термшу служби тягового рухомого складу Укрзалiзницi перед-бачае, зокрема, комплекс заходiв, яю проводить Головне управлшня локомотивного господарс-тва Укрзалiзницi та Служби локомотивних гос-подарств залiзниць щодо забезпечення його експлуатаци у подовжений термш служби. Державний науково-дослщний центр зал1знич-ного транспорту Украши (далi - ДНДЦ УЗ) як головна наукова оргашзащя Укрзалiзницi (далi - ГОУЗ) з питань подовження призначених по-казниюв тягового рухомого складу очолюе ро-боти з наукового супроводження цих заходiв. Сьогоднi актуальною задачею е забезпечення експлуатаци електровозiв ВЛ60 вс1х iндексiв з подовженим призначеним термшом служби.
У статтi описано дослщження можливих причин виникнення трiщин втоми в ребрах жо-рсткостi Э3.205.00.00.002 другого конструкторського ршення змщнених рам вiзкiв електрово-зiв ВЛ60 ус1х iндексiв. Виникають трiщини в цих елементах конструкци рам вiзкiв пiсля 70 тис. км пробпу електровозiв (рис. 1).
Трiщини 3 розвиваються в напрямку 13.30 циферблату годинника. Вщповщно до програ-ми ГОУЗ випробувань електровозiв ВЛ60 всiх модифiкацiй на двох рамах вiзкiв ВЛ60 п/к № 001, якому були виконаш роботи в об'емi КРП, були встановленi в точщ Т1 тензорезис-тор КФ5П1-100-15-А для вимiрювань деформа-
цш, а в Т2 - термокомпенсацшний тензорезис-тор.
■250
Рис. 1 Есшз ребра жорсткосл Э3.205.00.00.002
другого конструкторського ршення: 1 - ребро товщиною 8 = 12 мм, виготовлене 1з Ст. 3; 2 - рама вiзка; 3 - трщина; Т1, Т2 - мюця встановлення тензорезисторiв; + - мiсця вимь рювань залишкових термiчних напружень
Ходовi динам1чш мщносш випробування цих ребер жорсткосп здшснено з використан-ням бортового вим1рювального комплексу (дал1 БВК) [1], розробленого та виготовленого в ДНДЦ УЗ. Рееструвалась залежнють ампттуд мехашчних напружень вщ часу t. Щд час вим1рювань температура пов1тря змшювалася в д1апазош вщ +10 до -5°С. Був густий туман,
шов дощ, падав сшг. Вага пасажирських по1здв змiнювалась вiд 500 до 1100 тон. Максимальна швидюсть руху по]дщв становила 100 км/год. Випробування здiйснено на дiлянцi Знам'янка - Помощная Одесько! залiзницi. Електровоз експлуатувався у склад по]дщв №№ 59, 638.
Виявилось, що середньостатистична величина = 4,89 МПа. Залежшсть кiлькостi цик-лiв навантажень вiд включала в себе широкий спектр виникаючих в ребрах жорсткосп механiчних напружень, у тому числi i коротко-дiючих протягом 2,5...4 мiлiсекунд (рис.2). Роз-рахунок величини запасу мщносн Э3.205.00.00.002 здiйснено за формулою Сере-нсена-Кiнасошвiлi [2].
Виявилось, що втомне руйнування ребра жорсткостi можливе при юнуванш в ньому зна-чних залишкових термiчних напружень сзал. Якщо взяти сзал =180 МПа, то величина запасу мщносн п становить 1,37, що менше допустимого значения 2.
□„МПа
163,45 163,50
1 63,55 Ь сек
Рис. 2. Залежшсть амплггуди мехашчних напружень сту в1д часу 1 при ударному навантаженш ребра жорсткосп
Експериментальне вимiрювання сзал в еле-ментах конструкцш рам вiзкiв електровозiв ВЛ60 було здшснено за допомогою приладу БГШ, розробленого в Iнститутi проблем мщно-стi iм. Г. С. Писаренка НАН Укра!ни. Реестру-вались шуми Баркгаузена за допомогою накладного шдуктора-приймача. База вимiрювань не перевищувала 7 мм. Для здiйснення вимiрю-вань робоча поверхня полiрувалася за допомогою абразивних шкурок. Для зменшення впли-ву жорсткостi поверхш на результат вимiрю-вань мiж датчиком та контрольованою поверх-нею встановлювалась лавсанова плiвка товщи-ною 10...20 мкм. Градуювання приладу БГШ
здшснено на 4-х зразках, виготовлених iз Ст. 3 сп. ГОСТ 14637-89.
Розмiри двох зразкiв у вигщщ паралелет-педа становили (в мм) 11,8x19,6x171,5, де зна-чення 171,5 мм - вщстань мiж точкою прикла-дання навантаження та точкою зняття шформа-цн Два iншi зразки мали розмiри 20,4x19,1x171,5. Навантаження зразюв здшс-нювалось на копрi ДСО [3]. Дослiджувались зразки, вирiзанi уздовж та поперек прокату ме-талу.
Градуювальнi характеристики БГШ вияви-лись рiзними лише при вимiрюваннi шумiв Ба-ркгаузена у зразках, вирiзаних уздовж гаряче-катаного листа iз Ст. 3сп. ГОСТ 14637-89 (рис. 3).
Нажаль, експериментальне вимiрювання значення сзал в Э3.205.00.00.002 другого конструктивного ршення не вдалося через !х швид-ке руйнування. Рекомендована розробником чергова модершзащя цих ребер жорсткосп та-кож виявилась невдалою.
80
60
40
20
0
25 40
80
120
Рис. 3. Градуйоваш характеристики БГШ: 1, 2 - зразки з поперечним перетином 11,8x19,6 мм2;
3, 4 - 20,4x19,1 мм2; N - число подшок шдикатора приладу; + - розрахункове значення стзал;
1, 3 - уздовж прокату металу
Для визначення сзал була виршена стацю-нарна задача термопружносн Э3.205.00.00.002 за умови, що ребро миттево на^ваеться з трьох сторш до температури 400°С. Теплове розширення елементiв конструкцп рами вiзка (шкворневого бруса, боковини рами, кронштейна допомiжноl опори) дорiвнювало 0. Теплопередача в навколишне середовище вщбува-лася в зварних швах через метал рами вiзка, а на вшьних поверхнях - через на^вання повгг-ря. Початкова температура дорiвнювала 0°С. При цьому знехтували "усадочними" напру-женнями зварних швiв. Розрахунки здшснено за допомогою програми А№У8 (рис. 4, а).
•чк;'*
=400ДМШк Рис. 4, а. Розподш сзал
Найбшьш1 екв1валентш напруження вини-кали на кшцях зварних з'еднань. На середиш вшьно! торцево! поверхш ребра жорсткосп ю-нували мшмальш напруження, !х значення показано значком "+" (див. рис.3). При експлуатаци виникнення трщин на кшцях зварних шв1в спостерпаеться при руйнуванш гумового ковпака центрально! опори. При цьому рама кузова лягае на шкворневий брус, ускладнюю-чи можливють повороту рами в1зка в кривих. Для запобпання такому виду руйнування необ-хщно контролювати техшчний стан гумових ковпаюв центральних опор.
На рис. 4, б показано розподш вщносних амплиуд поперечних перемщень Э3.205.00.00-002 другого конструкторського ршення по пе-ршш форм1 коливань.
сдзз
ливань ребра жорсткост одного порядку з три-валютю експериментально отриманих ударних 1мпульс1в. Ми вважаемо, що резонансне коли-вання Э3.205.00.00-002 також може бути причиною !х руйнування.
З метою запобпання виникненню великих залишкових напружень сзал та динам1чних напружень вщ резонансних коливань в ребрах жорсткост нами запропоновано четверте конс-трукторське рмення I
Рис. 4, б. Розподш вщносних амплггуд коливань
Розрахунок коливань ребра жорсткост здш-снено за умови його жорсткого защемлення з 3-х приварених сторш.
Розрахунки здшснено за допомогою про-грами Л№У8. Резонансна частота коливань ребра жорсткосп по першш форм1 становила 1,3219 КГц, тобто перюд коливань був 0,756 мшсекунди. Розраховане значення перюду ко-
Рис. 5. Есшз ребра жорсткосп Э3.205.00.00-002 четвертого конструкторського ршення
Експериментально встановлено, що при цьому виникають сзал « 25 МПа (див. стршку на рис.3). Резонансш частоти суттево вщр1зняють-ся вщ тих, яш виникають в рам1 в1зка тд час ударних навантажень. Зараз Э3.205.00.00.002 четвертого конструкторського ршення прохо-дять експлуатацшш випробування.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Леонец В. А., Леонец А. А., Токарев О. Д. Система динамико-прочностных испытаний несущих конструкций подвижного состава и верхнего строения пути при повышенных скоростях движения // Экспериментальное кольцо ВНИ-ИЖТ-70: Сб. тр. междунар. конф.. - Щербинка. - 2002. - С. 180-182.
2. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. М.: ВНИИЖТ - 1998 г. - 145 с.
3. Дегтярев В. А. Установка типа ДСО для испытаний на усталость при повторном ударном и гармоническом нагружении с различной асимметрией цикла // Проблемы прочности. - 1982. -№ 10. - С. 110-113.
