CC BY
96
УДК 539.3:4
Рузметов Ядгор Озодович
ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I» Россия, Санкт-Петербург1 Аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» E-Mail: [email protected]
Якушев Алексей Вячеславович
ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I» Россия, Санкт-Петербург Доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство»
Кандидат технических наук E-Mail: [email protected]
Комиченко Станислав Олегович
ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I» Россия, Санкт-Петербург Аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» E-Mail: [email protected]
Методика расчета прочности литых боковых рам тележек грузовых вагонов с учетом внутренних литейных дефектов
1 190031, Московский пр. 9, ПГУПС
Аннотация. Рассмотрены достоинства и недостатки литых боковых рам тележек грузовых вагонов. Установлено, что в местах сопряжения криволинейных поверхностей боковых рам, Т-образных сечениях нагруженных зон, а также из-за наличия не удаляемого пригара в труднодоступных полостях, внутренние литейные дефекты становятся не обнаруживаемыми для методов неразрушающего контроля. Зачастую, внутренние дефекты в таких местах приводят к преждевременным изломам боковых рам в эксплуатации. Отмечено, что прочность боковых рам при проектировании оценивается на компьютерных моделях, толщины стенок в которых имеют средние размеры по чертежу, вероятность появления внутренних литейных дефектов в нагруженных зонах не учитывается.
Предложена методика расчета прочности боковых рам с учетом минимально возможных толщин стенок отливки и возможного появления внутренних литейных дефектов в опасных сечениях. Разработка новой боковой рамы начинается со сравнения осевых моментов инерций несущих сечений с уже существующими конструкциями рам. Методика предполагает оценку прочности боковых рам в двух приближениях: в первом - без дефектов, во втором - с внутренними литейными дефектами. В первом и втором приближениях критерием прочности боковой рамы является предел текучести стали с учетом возможного его понижения на 20% в отливке. Дополнительно, во втором приближении применен критерий порогового коэффициента интенсивности напряжений отрыва в вершине моделируемого остроугольного внутреннего литейного дефекта в стенке боковой рамы, определенного на оригинальных образцах при центральном растяжении.
Ключевые слова: боковая рама; прочность; внутренние литейные дефекты; толщины стенок; методика оценки прочности; коэффициент интенсивности напряжений; предел текучести; сталь.
Идентификационный номер статьи в журнале 123ТУЫ314
Введение
Боковые рамы литых тележек грузовых вагонов обладают преимуществами по сравнению со сварными, влияющими на прочность. Это - изотропность механических свойств стали, однородность структуры металла, плавность переходов несущих элементов, цельность конструкции, пониженный уровень остаточных напряжений после термообработки. Недостатками литых боковых рам являются: высокая масса отливок, низкая
контролепригодность, и самое главное наличие поверхностных и скрытых дефектов литейного происхождения в нагруженных поперечных сечениях.
Поверхностные литейные дефекты в виде трещин, пористости и утяжин на нагруженных поверхностях боковых рам достаточно эффективно выявляются магнитными методами неразрушающего контроля. Подповерхностные и внутренние дефекты, например усадочные раковины, песочные засоры, газовые поры, становятся трудно обнаруживаемыми для феррозондового и ультразвукового методов. Сложные формы галтельных переходов, состоящих из сопрягаемых 3 - 4 радиусов, литейная корка, пригар в скрытых полостях отливок боковых рам, Т - образные сечения не позволяют корректно использовать средства дефектоскопии в условиях поточного выпуска и 100% контроля. Многие дефекты вскрываются разрушающими способами: механическая расчистка или разрезка в местах залегания предполагаемых дефектов, стендовые испытания на усталость, эксплуатационные испытания.
На сегодняшний день, уровень технологии изготовления литых боковых рам (БР), применяемых методов неразрушающего контроля для обнаружения внутренних литейных дефектов не гарантирует их отсутствие в высоко нагруженных зонах. Многочисленные изломы в эксплуатации, стендовых испытаниях на усталость показывают, что внутренние усадочные раковины и песочные засоры существенно сокращают запас сопротивления усталости [1].
Отметим, что на стадии проектирования оценка прочности боковых рам ведется на идеализированной модели, выполненной в номинальных толщинах, без учета возможных внутренних дефектов внутри стенок ответственных сечений.
Поэтому разработка расширенных методик расчета статической и усталостной прочности литых боковых рам, позволяющих учитывать особенности технологии изготовления, является актуальной задачей.
Постановка задачи исследований
В настоящей работе поставлена задача: разработать и обосновать методику расчета прочности, литых боковых рам тележек грузовых вагонов с учетом внутренних дефектов.
Предлагаемая методика состоит из следующих основных стадий:
1. Разработка исходных данных для построения твердотельной модели боковой рамы новой конструкции;
2. Построения твердотельной модели боковой рамы без литейных дефектов и расчет на прочность;
3. Разработка технологии и симуляция литейных процессов при заливке боковой рамы; определение зон и размеров внутренних дефектов;
4. Построения твердотельной модели боковой рамы с внутренними литейными дефектами, и расчета на прочность.
5. Разработка чертежей детали и отливки боковой рамы;
6. Изготовление.
Подробно, методика изложена в виде структурной схемы на рис.1.
Рис.1. Структурная схема методики расчета прочности боковых рам с учетом внутренних
литейных дефектов
Подразумевается, что разработка новых конструкций боковых рам начинается с изучения существующих. На рис.2 приведены расчетные значения осевых моментов инерций (ГхДу^) в опасных, с точки зрения разрушения, сечениях боковых рам известных конструкций.
Рис. 2. Осевые моменты инерций опасных сечений некоторых литых боковых рам, с осевой
нагрузкой 23,5 тс.
Как видно из рис.2, наибольшие значения Jx и Jy у боковой рамы 4536.07.00.02.001 (Barber). Они приблизительно равны между собой во внутренних и наружных углах буксовых проемов, наклонном поясе, что означает равнопрочность этих зон при действии вертикальных, продольных и поперечных нагрузок.
По результатам проведенных испытаний [2] боковая рама Barber имеет самый высокий коэффициент запаса сопротивления усталости n из всех существующих моделей. Её коэффициент запаса n>2,14 . Поэтому, при разработке конфигураций поперечных сечений узлов буксового проема, наклонного пояса и узлов рессорного проема новых боковых рам
необходимо стремиться, чтобы новые сечения не уступали сечениям боковой рамы Barber по осевым моментам инерций. Данные по осевым моментам инерций боковых рам, приведенные на рис.2, можно использовать как базу для проектирования новых конструкций.
Следующим этапом методики является разработка твердотельной компьютерной модели боковой рамы, но с минимально допустимыми размерами по чертежу, в отличии от номинальных. Расчеты показывают, что напряжения Мизеса в опасных зонах боковой рамы с минимально допускаемыми стенками сечений, выше на 10 - 20%, чем в боковой раме с номинальными толщинами стенок по чертежу (рис.З.).
а) б)
Рис. 3. Напряженное состояние литой боковой рамы тележки 18-100 с минимально допускаемыми (а) и номинальными (б) толщинами стенок поперечных сечений от действия сочетаний по Iрежиму эксплуатационных нагрузок при движении вагона в кривой.
Заключения о соответствии по прочности литых боковых рам требованиям [3], модели которых разрабатываются с номинальными толщинами элементов, приведет к повышенной концентрации напряжений в натурных деталях, выполненных с минимальными толщинами по чертежу. Дело в том, что в чертеже боковой рамы поля допусков имеют симметричные отклонения стенок от номинала (средней толщины). Производитель вправе воспользоваться разрешенным снижением толщины, и выполнить деталь с минимальными размерами, с целью экономии металла. Поэтому, на железной дороге могут оказаться «легкие» боковые рамы, прочность которых не проверена на стадии проектирования.
Эксперимент, проведенный авторами, по оценке усталостной прочности двух литых боковых рам от действия циклической вертикальной нагрузки с амплитудой 25 тс, при средней нагрузке цикла 35 тс, показал пониженный ее запас у боковой рамы с минимальными толщинами стенок по чертежу (табл.1). Боковые рамы тележки грузового вагона модели 18100 были отлиты на одном заводе из стали 20ГЛ с нормализацией. Одна рама отлита с минимальными толщинами всех стенок по чертежу, вторая с максимальными. Отметим, что после допуска толщин боковой рамы по чертежу составляло 2-5 мм. Боковые рамы испытаны на одной машине ЦДМ 200 при температуре +15.. .+23 °С.
Таблица 1
Результаты испытаний на усталость боковых рам тележки грузового вагона модели 18-100
Наименование Боковой рамы Нагрузка цикла, тс Число циклов до появления первой трещины, тыс. Число циклов до разрушения или потери несущей способности, тыс Место разрушения
Средняя Амплитуда
С минимальными толщинами стенок 35 25 1206,0 1260,0 Центр нижнего пояса рессорного проема
С максимальными толщинами стенок 35 25 3128,0 3340,0 По наклонному поясу поддомкратной подушки
Контрольное число циклов, тыс. 1200,0
Разрешенное ОСТ 32.183 (отраслевой стандарт) снижение механических свойств на 20% в натурных боковых рам при их производстве не моделируются разработчиками на стадии проектирования. Если учесть, что предел текучести стали 20ГЛ в отливке после нормализации, который является критерием прочности, снижен с 294 МПа до 235 МПа, и малые толщины стенок, то боковая рама не будет соответствовать по прочности требованиям [3] (рис.3).
Поэтому, оценка прочности вновь разрабатываемых литых боковых рам на моделях с минимальными толщинами стенок и пределом текучести стали, с учетом разрешенного [ОСТ] для производителей снижения на 20% является базовыми положениями в разрабатываемой методике.
Следующим важным этапом методики отмечается отработка боковой рамы на технологичность и разработка технологического процесса заливки. Современные программные комплексы типа MAGMA позволяют определить зоны залегания внутренних литейных дефектов [4], но их размеры, расстояния от поверхностей отливки до дефекта оценить можно лишь условно, не по твердотельной модели, а по снимку в формате JPEG (рис.4).
P-°3,W мЛамя
Рис. 4. Распределение внутренних литейных дефектов в продольном сечении боковой рамы тележки 18-100, определенное в программе MAGMA
Воспользоваться результатами моделирования литейных процессов в MAGMA при последующих прочностных расчетах боковой рамы с дефектами напрямую не удается, т.к. MAGMA не реализует дефекты в твердотельной модели. Но получить зоны вероятного расположения дефектов, вид дефекта, характер его границ (острые кромки, округлые формы) спрогнозировать возможно.
Например, в Г - образных и Т - образных соединениях элементов рамы возникают внутренние усадочные раковины с острыми вершинами. Сопряжения элементов существенно разных сечений приводят к появлению горячих поверхностных трещин. Вероятность попадания неметаллических включений в тело элемента рамы способствует залеганию внутренних остроугольных дефектов. Газовые поры являются меньшими концентраторами напряжений, и от них не зарождается усталостная трещина.
Наиболее корректно оценивать влияние внутренних литейных дефектов с острыми вершинами методами механики разрушения.
В методике используется алгоритм построения внутренней трещины с малым радиусом в вершине, и определения коэффициента интенсивности напряжений (КИН) при отрыве Ki, реализованный в конечно - элементном пакете ANSYS версии 14.5.
Поскольку ANSYS 14.5 позволяет задавать полуэллиптическую трещину только на поверхности, т.е. построить внутреннюю трещину внутри элемента боковой рамы напрямую нельзя, то в методике применен альтернативный способ моделирования внутреннего острого дефекта.
Наибольшую опасность в эксплуатации боковых рам представляют трещины по внутренним углам буксовых проемов [5]. В расчете боковой рамы тележки 18-100, от действия вертикальной нагрузки, выявлены зоны наибольшей концентрации напряжений Мизеса (см. рис.7) - сопряжение вертикальных стенок и нижнего пояса во внутреннем углу буксового проема (по радиусу 55 мм).
Щ Standard Earth Gravity: 9,8066 m/s’
В: Static Structural
Static Structural Time: 1, s 10.06.2014 19:47
Type: Equivalent (von-Mises) Stress Unit: Pa
1,8066 m/sa
B: Static Structure
Equivalent Stress
B: Static Structural
[B] Displacement
[C] Frictionless Support [|g Force: 3,14e+005 N
0,300
0,200
Рис. 7. Схема нагружения боковой рамы тележки 18-100 в стендовых испытаниях и ее
напряженное состояние
Отметим, что в условиях стендовых испытаний на гидропульсаторных машинах типа ЦДМ с нижним расположением нагружающего цилиндра, максимальные напряжения Мизеса возникают по внутренним углам буксовых проемов. Предположительно, учитывая многочисленные изломы боковых рам на сети, такая схема нагружения может реализовываться в эксплуатации.
Затем, в модели рамы с торца радиуса 55 мм условно «высверливается» отверстие диаметром 10 мм и глубиной 40 мм так, чтобы дно отверстия располагалось в зоне максимальных напряжений. На донной поверхности отверстия в центре создается локальная система координат одна из осей которой совпадает с большой полуосью создаваемой полуэллиптической трещины, другая - с малой полуосью. В программе ANSYS 14.5 задаются длины полуосей и радиус в вершине. Автоматически строится конечно - элементная сетка для боковой рамы и для созданной трещины в модуле Crack, задаются граничные условия и запускается расчет. Результатом расчета являются значения КИН Ki в вершине трещины (рис.8), напряжения Мизеса.
а) б)
Рис. 8. Конечно - элементная сетка в вершине исходной трещины размером 3,16x3,16 мм внутри радиуса 55 (а) и результаты расчета К (б) от действия вертикальной нагрузки 62
тс на боковую раму 18-100
Представленные на рис.8 результаты расчета К в исходной трещине 3,16x3,16 мм, площадью описанного прямоугольника 10 мм2, показывают, что максимальное значение Кг= 11,6 МПам12. Размеры исходной трещины, моделирующей внутренний остроугольный литейный дефект, выбраны на основе измерений размеров дефектов в изломах более 50 боковых рам после стендовых испытаний. Площадь 10 - 20 мм2, рассчитанная по результатам двух измерений дефектов, встречалась наибольшее количество раз при средней толщине стенки боковой рамы с дефектами 18 мм. Дефекты площадью 10-20 мм2 привели к зарождению усталостных трещин от них и снижению запаса усталостной прочности испытанных боковых рам.
Расчеты КИН при тех же граничных условиях, но с размерами внутренней трещины 2х2 мм, расположенной в той же зоне радиуса 55 мм показали, что К=6,5 МПам12. Реальных усталостных трещин в изломах, зародившихся от внутренних дефектов таких размеров выявлено не было.
Стоит предположить, что значение порогового КИН при отрыве для стали 20ГЛ Кй=6,3 МПам12 установленные по результатам масштабных экспериментов [6 - 11] справедливо только для поверхностных трещин. Пороговый КИН, в случае оценки страгиваемости усталостной трещины от внутреннего остроугольного дефекта, скорее всего будет находиться в пределах К1=8,0.. .10,0 МПам12, что требует экспериментальной проверки.
Разработанная методика предполагает определение КИН на авторских образцах с центральной трещиной при центральном растяжении. Площадь описанного прямоугольника инициирующего надреза в образце эквивалентна площади наиболее популярного дефекта в изломе боковой рамы. Ширина образца соответствует средней толщине стенки боковой рамы, в которой чаще встречается дефект.
Таким образом, прочность боковой рамы предлагается оценивать по двум критериям:
С <0,8[а„] и КГ <[КЛ]
После того, как критерии будут удовлетворены, размеры допускаемых остроугольных внутренних литейных дефектов будут установлены для всех опасных сечений, то происходит
переход к заключительному этапу методики - оформление чертежей и нормативных документов.
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Разработанная методика расчета прочности боковых рам основана на единых с производством фактах по толщинам стенок, уровню механических свойств, возможному наличию внутренних дефектов, и более приближена к реальным деталям.
2. Методика рассчитана на использование в повседневной инженерной практике, позволяет установить максимально допускаемые размеры внутренних литейных дефектов с острыми вершинами в любой зоне боковой рамы.
3. Использование последней версий программного обеспечения ANSYS 14.5 с модулем Crack, представило возможность спрогнозировать пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений при отрыве для внутренних литейных дефектов с острыми вершинами в зоне радиуса 55 мм в боковой раме на уровне Kth=8,0...10,0 МПам12 Этот прогноз необходим в проведении базовых экспериментов на авторских образцах с центральным инициирующим надрезом при центральном растяжении.
ЛИТЕРАТУРА
1. Криворудченко В. Трещины боковых рам тележек грузовых вагонов: анфас и в профиль // РСП Эксперт. - 2013. - № 3. - С. 22 - 24.
2. Орлова А.М. Унификация тележек грузовых вагонов: проблемы и перспективы // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2010. - № 3. - С. 40 - 41.
3. Нормы расчета и проектирования грузовых вагонов колеи 1520 мм. ГосНИИВ -ВНИИЖТ, М., 1996. - 319 с.
4. Глебов С.М, Якушев А.В. Оптимизация технологии изготовления отливок «Балка надрессорная» тележек грузовых вагонов с применением компьютерного моделирования литейных процессов // Транспорт Российской Федерации. -2011. - № 2. - С. 63 - 65.
5. Самошкин С.Л, Хоменко А.А, Виноградов А.А. Исследование несущих
элементов тележек модели 18 - 100 грузовых вагонов // Тяжелое
машиностроение. - 2007. - № 9. - С. 23-25.
6. Северинова Т.П, Козлов А.Г. Исследование характеристик трещиностойкости стали типа 20ГФЛ при регулярном и случайном нагружениях // Вестник ВНИИЖТ. - 1994. № 2. - С. 32 - 35.
7. Конькова Т.Е, Беловодский В.Б, Великанов А.В. О путях повышения эксплуатационной надежности стальных литых деталей тележек грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. - 2009. № 1. - С. 22 - 26.
8. Змеева В.Н, Лебединский С.Г. Статистические закономерности развития усталостных трещин в литых сталях деталей грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. - 1999. № 3. - С. 26 - 31.
9. Миронов В.И, Якушев А.В, Емельянов И.Г. Трещиностойкость несущих деталей вагонов // Вестник РГУПС. - 2009. № 1. - С. 56 - 60.
10. Северинова Т.П. Расчетно - теоретическое обоснование живучести боковых рам и надрессорных балок с допустимыми дефектами // Вестник ВНИИЖТ. - 2002. № 5. - С. 40 - 45.
11. Змеева В.Н, Лебединский С.Г. Вероятностное прогнозирование длительности развития усталостных трещин в литых сталях деталей грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. - 2000. № 2. - С. 44 - 47.
Рецензент: Самаркина Ирина Константиновна, доцент, к.т.н., Россия, г. Санкт-Петербург, ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I», заместитель заведующего кафедрой «Вагоны и вагонное
хозяйство» по учебной работе.
Ruzmetov Yadgor
Petersburg State Transport University Russia, St.Petersburg E-Mail: [email protected]
Yakushev Alexey
Petersburg State Transport University Russia, St.Petersburg E-Mail: [email protected]
Komichenko Stanislav
Petersburg State Transport University Russia, St.Petersburg E-Mail: [email protected]
The method of strength calculation of freight bogie cast side frames with regard to the internal casting defects
Abstract. The advantages and disadvantages of freight bogie cast side frames have been viewed. It has been determined that at the intersection of side frame curvilinear surfaces, T-shaped cross-sections of loaded areas, as well as because of presence of metal penetration in remote cavities, the internal casting defects are not detectable for nondestructive testing. The internal defects in those places frequently lead to premature fractures of side frames in operation. It has been noted that the strength of side frames at designing is evaluated on computer models, which have average wall thickness sizes in the drawing, the probability of presence of internal casting defects in loaded areas is not considered.
The method of strength calculation of side frames with regard to lowest possible wall thickness and the possible appearance of internal casting defects in dangerous cross-sections has been proposed. The designing of a new side frame begins with a comparison of bearing axial moment of inertia of the cross sections with existing designs of side frames. The method includes strength calculation in two approximations: the first - with no defects, the second - with internal casting defects. In both approximations the side frame strength criterion is yield strength of steel with the possibility of lowering it up to 20% in the casting. Additionally, in the second approximation the criterion of threshold stress intensity factor at the top of the simulated acute-angled internal casting defect in the wall of the side frame has been applied, that had been specified on the original samples at the central tension.
Keywords: side frame; strength; internal casting defects; wall thickness; method of strength calculation; stress intensity factor; yield strength; steel.
Identification number of article 123TVN314
REFERENCES
1. Krivorudchenko V. Treshhiny bokovyh ram telezhek gruzovyh vagonov: anfas i v profil' // RSP Jekspert. - 2013. - № 3. - S. 22 - 24.
2. Orlova A.M. Unifikacija telezhek gruzovyh vagonov: problemy i perspektivy // Vagony i vagonnoe hozjajstvo. - 2010. - № 3. - S. 40 - 41.
3. Normy rascheta i proektirovanija gruzovyh vagonov kolei 1520 mm. GosNIIV -VNIIZhT, M., 1996. - 319 s.
4. Glebov S.M, Jakushev A.V. Optimizacija tehnologii izgotovlenija otlivok «Balka nadressornaja» telezhek gruzovyh vagonov s primeneniem komp'juternogo modelirovanija litejnyh processov // Transport Rossijskoj Federacii. - 2011. - № 2. -S. 63 - 65.
5. Samoshkin S.L, Homenko A.A, Vinogradov A.A. Issledovanie nesushhih jelementov telezhek modeli 18 - 100 gruzovyh vagonov // Tjazheloe mashinostroenie. - 2007. -№ 9. - S. 23-25.
6. Severinova T.P, Kozlov A.G. Issledovanie harakteristik treshhinostojkosti stali tipa 20GFL pri reguljarnom i sluchajnom nagruzhenijah // Vestnik VNIIZhT. - 1994. № 2. - S. 32 - 35.
7. Kon'kova T.E, Belovodskij V.B, Velikanov A.V. O putjah povyshenija jekspluatacionnoj nadezhnosti stal'nyh lityh detalej telezhek gruzovyh vagonov // Vestnik VNIIZhT. - 2009. № 1. - S. 22 - 26.
8. Zmeeva V.N, Lebedinskij S.G. Statisticheskie zakonomernosti razvitija ustalostnyh treshhin v lityh staljah detalej gruzovyh vagonov // Vestnik VNIIZhT. - 1999. № 3. -
S. 26 - 31.
9. Mironov V.I, Jakushev A.V, Emel'janov I.G. Treshhinostojkost' nesushhih detalej vagonov // Vestnik RGUPS. - 2009. № 1. - S. 56 - 60.
10. Severinova T.P. Raschetno - teoreticheskoe obosnovanie zhivuchesti bokovyh ram i nadressornyh balok s dopustimymi defektami // Vestnik VNIIZhT. - 2002. № 5. - S. 40 - 45.
11. Zmeeva V.N, Lebedinskij S.G. Verojatnostnoe prognozirovanie dlitel'nosti razvitija ustalostnyh treshhin v lityh staljah detalej gruzovyh vagonov // Vestnik VNIIZhT. -2000. № 2. - S. 44 - 47.
