К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИК ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ ЛОКОМОТИВОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

Гасюк Александр Сергеевич; Фазлиахметов Дамир Муратович; Муравлев Евгений Владимирович; Лобачев Олег Александрович

Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127994, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ).

Тел.: +7 (905) 779-97-21.

E-mail: [email protected]

Тимченко Александр Юрьевич

ООО «АВП Технология».

Электрозаводская ул., д. 21, стр. 16, г. Москва, 107023, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, советник генерального директора.

Тел.: +7 (985) 774-80-22.

E-mail: [email protected]

ЕИБЛИОГРАФИЧЕОСОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Савоськин, А. Н Сравнительный анализ показателей динамических качеств и диссипатавных сил в гидравлических гасителях колебаний, включенных по типовой схеме и по схеме упру незащищённого гасителя для упрощенной одномас совой модели электровоза / А. Н. Савоськин, А. П. Васильев, А. Ю. Тимченко. - Текст: непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. - № 2 (58). -С. 9-17.

9, b. 9, Obrazcova St., Moscow, 127994, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, associate professor, associate professor of the department «Electric multiple-unit trains and locomotives», RUT (MIIT).

Phone: +7 (905) 779-97-21.

E-mail: [email protected]

Timchenko Aleksandr Yur'evich

LLC «AW Technology».

21, b. 16, Elektrozavodskaya st, Moscow, 107023, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, Advisor to the General Director.

Phone: +7 (985) 774-80-22.

E-mail: [email protected]

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Savos'kin A.N., Vasil'ev A.P., Timchenko A.Yu. Comparative analysis of dynamic quality parameters and dissipative forces in hydraulic vibration dampers included according to the standard scheme and according to the scheme of an elastic-protected damper for an electric locomotive simplified single-mass model. Journal of Tramsib Railway Studies, 2024, no. 2 (58), pp. 9-17 (In Russian).

УДК 629.4.027.2(045)

С. В. Чунин, А. С. Гаснж, Д. М. Фазлиахметов, Е. В. Муравлев, О. А. Лобачев

Акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), г. Коломна. Российская Федерация

К ВОПРОСУ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДИК ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ локомотивов ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ

Аннотация. Данная статья отражает возможность по амплитуде сия определшпь коэффициент запаса сопротивления усталости несущих конструкций экипажной части локомотивов. Статья посеягцена анализу применимости использования предела выносливости по амплитуде сил для определения коэффициента запаса сопротивления усталости несущих конструкций экипажной части (рач тележек промежуточных рам, боковин и др.) локомотивов по результатам стендовых и ходовых испытаний

Исследования включали в себя анализ существующих подходов к определению коэффициента запаса сопротивления усталости несущих конструкций экипажной части локомотивов (рам тележек, промежуточных рам, боковин и др.).

В работе предложено усовершенствование метода оценки прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов. Показана возможность (целесообразность) использования предела выносливости по силам (амшитудамсил) для определения минимального коэффициента запасасопротивленияусталости. Предложено оценку прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов проводить по результатам испытаний их на усталость при ступенчатой схеме погружения с учетом теории линейного суммирования повреждений, данных об эксплуатационной погруженности и последующей обработки статистическими методами. Приведены примеры схемы приложения вертикальных и горизонтальных сил к раме тележки и ступенчатого погружения вертикальными силами трех образцов рамы тележки, а также результаты расчетов приведенных пределов выносливости.

Ключевые слова; локомотив, рама тележки, промежуточная рама боковина, предел выносливости, коэ ффициент запаса сопротивления усталости, испытания.

■Él -И ЩЕСТИЯ Транссиба 17

-

Sergey V. Chunin, Aleksandr S. Gasyuk, Damir M. Fazliakhmetov, Evgeny V. Muravlev,

Oleg A. Lobachev

Joint-stock company «Scientific-Research and Design-Technology Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»),

Kolomna, the Russian Federation

ABOUT IMPROVING METHODS FOR ESTIMATING THE STRENGTH OF LOCOMOTIVE UNDERFRAME LOAD-BEARING ELEMENTS BASED ON BENCH TEST RESULTS

Abstract The article describes the possibility to determine the fatigue strength safety factor of locomotive underframe load-beaimg elements based on force amplitudes. The article is devoted to the analysis of the applicability of using the endurance limit based on force amplitudes to determine the fatigue strength safety factor of locomotive underframe load-bearing elements (bogie frames, intermediate frames, side frames, etc.) based on the results of bench and running tests.

The research included the analysis of current approaches to determine the fatigue strength safety factor of locomotive underframe load-bearing elements (bogie frames, intermediate frames, side frames, etc.).

The article proposes an improvement in the method for estimating the strength of locomotive underframe load-bearing elements. The possibility (expediency) of using the fatigue strength based on forces (force amplitudes) to determine the minimum fatigue strength safety factor is shown. It is proposed to estimate the strength of locomotive underframe load-bearing elements based on the results of their fatigue tests under a stepwise loading scheme, taking into account the theory oflinear damage summation, data on operating load and subsequent processing by statistical methods. Examples of a scheme for applying vertical and horizontal forces to the bogie frame and stepwise loading of three bogie frame samples with vertical forces are provided a<i well as the results of calculations of the mentioned endurance limits.

Keywords: locomotive, bogie frame, intermediate frame, side frame, endurance limit, fatigue strength safety factor,

tests.

По действующим отраслевым нормативным документам сопротивление усталости несущих конструкций локомотивов оценивается коэффициентом запаса сопротивления усталости при его минимальной допускаемой величине. Такая оценка обоснована результатами исследований и анализом технического состояния деталей, подтверждена многолетним опытом эксплуатации локомотивов и соответствует конструкгорско-технологическим особенностям экипажной части локомотивов.

В существующих методиках при расчете несущих конструкций локомотивов на прочность коэффициенты запаса вычисляют в точках с наибольшими номинальными напряжениями и в зонах значительной концентрации напряжений.

При этом наименьший из вычисленных коэффициентов запаса принимается как коэффициент запаса сопротивления усталости детали. В зонах с наименьшим коэффициентом запаса сопротивления обычно и происходит разрушение детали (возникают трещины) от действия испытательных нагрузок. В некоторых случаях методом тензометрирования проблематично с достаточной точностью определить зоны максимальных напряжений и соответственно обеспечить достаточную точность определения предела выносливости и коэффициента запаса сопротивления усталости (он может быть завышен).

В данной статье предложено усовершенствование метода оценки прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов, заключающееся в возможности использования предела выносливости по амплитуде сил для вычисления минимального коэффициента запаса сопротивления усталости.

Согласно п. 15 ГОСТ 16504-81 методики испытаний должны быть аттестованы для подтверждения их точности, достоверности и (или) воспроизводимости результатов испытаний и их соответствия заданным требованиям. То же относится и к методикам расчетов, применяемым при проектировании, согласно ст. 18 гл. 4 Федерального закона [1]. В этой связи в настоящей статье рассмотрены вопросы совершенствования действующих методик испытаний в условиях коллизии требований п. 15 ГОСТ 16504-81 и требований ст. 18 гл. 4 Федерального закона [1,2J.

----------

Коэффициент запаса сопротивления усталости п практически зависит только от величины условного предела выносливости по амплитуде сил Ра(о,95) - единственного экспериментального параметра, определяющего качество деталей [3].

Следует отметить, что в соответствии с п. 9.5.4 ГОСТ 33788-2016 результаты определения предела выносливости по амплитуде силы используют для вычисления коэффициента запаса сопротивления усталости п боковой рамы и надрессорной балки согласно требованиям ГОСТ 32400-2013:

п =

Рт +• А

(1)

где Рт - предел выносливости по амплитуде силы при базовом числе циклов Л/о = 107 и односторонней доверительной вероятности а = 0,95; Рд э - приведенная амплитуда вертикальной сипы, Н, действующей на деталь; Д - корректирующая добавка, вычисляемая по формуле: Д = ц/ (Рт - Рст), где ц/ - коэффициент чувствительности к асимметрии цикла, принимают \|/ = 0,05; Рт - средняя сила, действующая на деталь при испытаниях, Н; Рот - действующая на деталь сила тяжести вагона с максимальной расчетной массой, Н.

По другой методике [4] коэффициент запаса сопротивления усталости литых деталей тележек производится по зависимости

п —

Ра(0,95) + ^ (Рт ~ РстКи)

РстКиКд э

(2)

где Ра(о,95) - предел выносливости детали при вероятности неразрушения 0,95 при базовом числе циклов нагружения А'о = 107, полученный по результатам усталостных испытаний; коэффициент чувствительности детали к асимметрии цикла; Р7 - постоянная средняя нагрузка цикла; Рсг - вертикальная статическая нагрузка брутто на деталь; Ки - коэффициент использования грузоподъемности вагона; Кд э - коэффициент вертикальной динамической нагрузки на деталь.

По результатам стендовых испытаний на сопротивление усталости конструкций экипажной части локомотивов в соответствии с п. 8.3.5.2 ГОСТ Р 55513-2013 показатель п определяют по формуле:

п =

_ а-1д

Ог.

> [п],

(3)

где о -1д- предел выносливости образца для заданной вероятности неразрушения Р = 95 %, полученный по результатам стендовых испытаний на сопротивление усталости нескольких образцов; оа э - амплитуда (эквивалентная) динаьшческих напряжений от эксплуатационных нагрузок. Она определяется путем статистической обработки схематизированных случайных процессов с построением гистограмм распределения текущих значений амплитуд динамических напряжений (оа,) при различных скоростях движения локомотива с учетом их доли в эксплуатации; [п] - нормативное значение показателя, для стальных конструкций [п] = 2,0, для конструкций из алюминиевых сплавов [п] =2,2.

Анализ данных, полученных по результатам стендовых испытаний несущих конструкций экипажной части локомотивов, проведенных в АО «ВНИКТИ», показал, что величины напряжений (амплитуды напряжений) объектов испытаний в основном пропорциональны значениям испытательных эквивалентных нагрузок, т. е. существует линейная зависимость между вертикальной испытательной нагрузкой (при условии неизменного значения испытательной боковой (рамной) силы) и значениями напряжений в наиболее нагруженных зонах объектов, где существует наибольшая вероятность появления усталостных трещин. Незначительная нелинейность зависимости между значениями силы и напряжения объясняются неидеальностью прилегания испытуемых объектов в местах опирания и выбором зазоров в процессе нагружения.

ЗВЕСТИЯ Транссиба

В процессе испытаний к объектам (рамам) может прикладываться комбинация испытательных вертикальных и горизонтальных (боковых) переменных сил, или, например, к боковинам - только вертикальная переменная сила. Пример схемы приложения вертикальных и горизонтальных сил к раме тележки приведен на рисунке 1. При этом нагружение объектов проводится ступенями, путем увеличения амплитуды цикла вертикальной силы

Рисунок 1 - Схема приложения испытательных нагрузок к двухосной раме тележки: Е*сп = Р3 ± Е/ - нагрузка на раму тележки от вертикальных сил; Г" - постоянная составляющая цикла; Гак — амплитуда цикла; Гигсп -

поперечная нагрузка (рамная сила)

ш

■ а. э

(5)

Предел выносливости по амплитуде сил РГ]-, кН, для каждого/'-го объекта при вероятности неразрушения Р = 0,5 в детерминированной постановке, с учетом линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений проводится по формуле:

Г} 1 "

(6)

где Ло= 10'' - приведенная база испытаний; М - число циклов, воспринимаемых конструкцией на каждой 1-й ступени нагрузки; Г¡. - амплитуда сил на 1-й ступени нагружения, кН; п - число уровней нагружения; т - показатель степени наклона кривой усталости, можно принимать по результатам испытаний деталей аналогичной конструкции.

Расчет приведенного предела выносливости по формуле (6) выполняется с учетом ранее полученных данных при испытаниях на базе 107 циклов.

Предел выносливости по силе Ррк для вероятности неразрушения 95 % определяется по формуле (табл. 6.2 ГОСТ Р 50779.21-2004):

"Як' ~ гякпп ~ ' "7Б (7)

р __г_ .

г як ср Л/р

где

Як

к}

ср

среднеарифметическое значение предела вьшосливости по силе;

С_=

Zí(/7RkJ-FRkc р)

к-1

среднеквадратическое отклонение значения предела

выносливости по силе; 1а - коэффициент Стьюдента (табл. 6.1 ГОСТ 50779.21-2004); к - количество испытуемых объектов. На рисунке 2 показаны примеры ступенчатого нагружения вертикальными силами трех образцов рамы тележки и результаты расчетов приведенных пределов выносливости для вероятности неразрушения 50 и 95 %. 0,8

'I

и

л

0,7 0,6 0,5

й н вл

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

<ц н м й

*I

<ю 8 § §

§ § 0,4 •е

0,3

0,2

2,8Е + 06 0,7

Режим нафужения для третьей рамы

для

5,5Е + 06; 0,6

Режим нагружения

второй рамы

0,46 0,41

1,4Е + 07; 0,5

0,44

х-

0,39 Режим нагружения для первой рамы

1,5Е + 07

0,0Е + 00 5,0Е + Об 1,0Е + 07

Число циклов, N

Рисунок 2 - Схема ступенчатого нафужения вертикальными силами трех образцов рамы тележки: кд в - коэффициент вертикальной динамики, равный отношению к Fв;

X - появление видимой усталостной трещины; 0 - приведенный предел выносливости;

О - предел выносливости для вероятности неразрушения 95 %

ЗВЕСТИЯ Транссиба

На основании изложенного можно сделать выводы.

1. Предложено усовершенствование методики оценки прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов по результатам проведения стендовых испытаний, заключающееся в возможности определения минимального коэффициента запаса сопротивления усталости по силам (амплитудам сил).

2. Оценку прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов можно проводить по результатам испытаний их на усталость при ступенчатой схеме нагружения с учетом теории линейного суммирования повреждений, данных об эксплуатационной нагруженности и последующей обработки статистическими методами.

Список литературы

1.0 техническом регулировании: Федеральный закон № 184-ФЗ (с изменениями на 2 июля 2021 г.): [Принят Государственной думой 15 декабря 2002 г.: Одобрен Советом Федерации 18 декабря 2002 г.]. - Москва, 2022. - 22 с. - Текст : непосредственный.

2. Плоткин, В. С. К вопросу совершенствования методик оценки прочности литых детапей тележек грузовых вагонов при их проектировании и испытаниях для цели подтверждения соответствия / В. С. Плоткин, А. М. Краснобаев, О. А. Краснобаев. - Текст : непосредственный // Вестник ВНИИЖТ. - 2014. -№ 6. - С. 33-37.

3. Сухов, А. В. К оценке сопротивления усталости литых деталей тележек грузовых вагонов // А. В. Сухов, В. А. Рейхарт. - Текст : непосредственный // Вестник ВНИИЖТ. -2015. -№ 1.-С. 43-48.

4. Пастухов, М. И. Оценка технического ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов по коэффициенту запаса сопротивления усталости / М. И. Пастухов. - Текст : непосредственный // Вестник ГГТУ им. П. О. Сухого. - 2017. - № 2. - С. 11-17.

5. Расчетно-экспериментальная оценка ресурса рамы тележки и промежуточной рамы восьмиосного тепловоза / С. В. Чунин, А. С. Гасюк [и др.]. - Текст : непосредственный // Вестник ВНИИЖТ. -2023. - Т. 82. -№ 4. - С. 335-346.

References

1. About technical regulation: Federal Law No. 184-FZ, Moscow, 2022. 22 p. (In Russian).

2. Plotkin V.S., Krasnobayev A.M., Krasnobayev O.A. On the Improvement of Strength Assessment Procedures of Freight Car Bogie Cast Parts at the Design and Test Stages as Performed for Validation Purposes. Vestnik Nauchno-issíeclovatel'skogo instituía zheleznodorozhnogo transporta —Russian Railway Science Journal, 2014, no. 6, pp. 33-37 (In Russian).

3. Sukhov A. V., Reikhart VA. More on the Fatigue Resistance Assessment of the Freight Car Bogies' Cast Parts. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituía zheleznodorozhnogo fransporla -Russian Railway Science Journal, 2015, no. 1, pp. 43-48 (In Russian).

4. Pastukhov M.I. Estimating the service life of freight wagon bogie cast parts based on the fatigue strength safety factor. Vesfnik Gomel"skogo Gosudarsívennogo Tekhnicheskogo Universiíeía imeni P.O. Sukhogo - Bulletin of the Gomel Siafe Technical University named after P.O. Sukhoi, 2017, no. 2, pp. 11-17 (In Russian).

5. Chunin S.V., Gasyuk A.S., Timakov M.V., Fazliakhmetov D.M., Muravlev E.V., Lobachev O.A. Calculation and experimental evaluation of bogie frame and intermediate frame life of an eight-axle diesel locomotive. Vestnik Nauchno-issledovateVskogo instituía zheleznodorozhnogo fransporla -Russian Railway Science Journal, 2023, vol. 82, no. 4, pp. 335-346 (In Russian).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Чунин Сергей Владимирович Chunin Sergey Vladimirovich

AO «Научно-исследовательский и конструкторе- JSC «Scientific-Research and Design-Technology

ко-технологический институт подвижного состава» Institute of Rolling Stock» (JSC «VNIKTI»). (AO «ВНИКТИ»),

22 ИЗВЕСТИЯ ТранссиШ^^ш!

Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, заведующий лабораторией испытаний на усталость.

Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 13-36.

E-mail: [email protected]

Гасюк Александр Сергеевич

АО «Научно-исследовательский и конструкторс-ко-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»),

Октябрьской революции ул., д. 410, г. Коломна, Московская область, 140402, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, заведующий отделом прочности.

Тел.: +7 (496) 618-82-48, доб. 11-88.

E-mail: [email protected]

Фазлиахметов Дамнр Муратович

АО «Научно-исследовательский и конструкторс-ко-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. 13-36.

E-mail: [email protected]

Муравлев Евгений Владимирович

АО «Научно-исследовательский и конструкторс-ко-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. 13-36.

E-mail: [email protected]

Лобачев Олег Александрович

АО «Научно-исследовательский и конструкторс-ко-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. 13-36.

E-mail: [email protected]

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

К вопросу совершенствования методик оценки прочности несущих конструкций экипажной части локомотивов по результатам стендовых испытаний // С. В. Чунин, А. С. Гасюк, Д. М. Фазлиахметов, Е. В. Муравлев, О. А. Лобачев. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2024. - N° 2 (58). -С. 17 - 23.