CC BY
84
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
УДК 629.42.027.2:539.376
В. Р. СКАЛЬСЬКИЙ1, I. Я. ДОЛШСЬКА2*, Д. В. РУДАВСЬКИЙ3*, Р. Я. ЯРЕМА4, В. Р. БАС5*
'Ввддш акустико-емiсiйного дiагностування елеменпв конструкцш, Фiзико-механiчний iнститут iменi Г. В. Карпенка НАН Украши, вул. Наукова, 5, Львш, Украша, 79060, тел. +38 (032) 263 12 64, ел. пошта skal@ipm.lviv.ua, (ЖСГО 0000-0002-3799-0883
2*Вiддiл акустико-емiсiйного дiагностування елеменпв конструкцiй, Фiзико-механiчний iнститут iменi Г. В. Карпенка НАН Украши, вул. Наукова, 5, Львш, Украша, 79060, тел. +38 (032) 229 68 75, ел. пошта ira_dolinska@ukr.net, (ЖСГО 0000-0003-1143-8895
3*Вщдш акустико-емюшного дiагностування елеменпв конструкцш, Фiзико-механiчний iнститут iменi Г. В. Карпенка НАН Украши, вул. Наукова, 5, Львш, Украша, 79060, тел. +38 (032) 229 65 46, ел. пошта rudavskyy@gmail.com, (ЖСГО 0000-0001-5541-3003
4ПрАТ «Львiвський локомотиворемонтний завод», вул. Затзнична, 1а, Львш, Украша, 79018, тел. +38 (032) 233 30 25, ел. пошта general@lvivlrz.com, ОЯСГО 0000-0002-1560-6078
5*ПрАТ «Львшський локомотиворемонтний завод», вул. Залiзнична, 1а, Львш, Украша, 79018, тел. +38 (032) 233 02 96, ел. пошта v_bas@mail.ua, ОЯСГО 0000-0002-8308-8807
МОДЕЛЬ ОЦ1НКИ ЗАЛИШКОВО1 ДОВГОВ1ЧНОСТ1 РАМИ В1ЗКА ЛОКОМОТИВА З УРАХУВАННЯМ ПОВЗУЧОСТ1
Мета. Проблема визначення залишкового ресурсу елементiв рами вiзка електровозiв мае велике значения для прогнозування !х безпечно! роботи та уникнення можливих аварш на коли. Особливо це стосуеться випадшв, коли в таких елементах наявнi повзучо-втомнi трiщини, яш за ди циклiчного навантаження з ви-тримкою Т1 в циклi ростуть i досягають свого критичного розмiру. Тут постае питання про розвиток таких дефекпв (трiщин), 1х кшетику i, взагалi, про перiод 1х докритичного росту. Метою роботи е розроблення розрахунково! моделi визначення перюду докритичного росту повзучо-втомних трiщии у рамах вiзкiв електровозiв, яка враховувала б осиовиi параметри иаваитажеиня, геометрш елемента конструкцп та трiщиии. Методика. Сформульовано розрахункову модель для визначення перюду докритичного росту пов-зучо-втомних трщин в елементах коиструкцiй рами в умовах ди змiииого в час иаваитажеиня. Вона базу-еться на першому закоиi термодииамiки стосовно мехашки заповiльиеиого руйнування тiл тд час змiииого иаваитажеиня та низькотемпературно! повзучостi, коли домiиуюча роль при цьому вiдводиться перiоду не-усталено! повзучостi (перша дiлянка криво! повзучосл). Низькотемпературна повзучiсть - це повзучють матерiалiв за температур Т0 < 0,5ТщР, де Tmp - температура плавлення матерiалу. Результата. Отримано ана-лiтичну формулу для визначення коефщента iнтенсивностi напружень шкворнево! балки з технолопчним отвором. Показано, що за визначеними експериментально константами матерiалу з використанням запропо-нованих аиалiтичних залежностей можна легко визначати залишковий ресурс елеменпв рами вiзка. Наукова новизна. Запропоновано нову математичну модель для опису кшетики поширення повзучо-втомних трщин у рамах вiзкiв електровоза за змiнних у часi навантажень iз рiзними !х часовими витримка-ми та визначення на цш основi перiоду докритичного росту трщин. Практична значимкть. Сформульова-на модель може слугувати основою iнженерних методiв розрахунку з визначення залишкового ресурсу елеменпв конструкцiй iз трщинами, що працюють за сушсно! ди циклiчного наваитаження та неусталено! повзучосл.
Ключовi слова: рама вiзка локомотива; повзучо-втомна трiщина; залишкова довговiчнiсть; низькотемпературна повзучiсть; перiод докритичного росту повзучо-втомно! трiщини; коефiцiент iитенсивностi напружень
строку служби. А тому для вщвернення непе-редбачених аварш виникае потреба створення надiйних методiв оцiнки залишкового ресурсу !х несучих елеменпв конструкцiй.
Змiна рiвня яюсного стану рейкових шляхiв, технiчного обслуговування i умов експлуатацй електровозiв останшм часом все бiльше при-зводить до появ трщин рам вiзкiв вантажних
doi 10.15802/STP2015/38241 © В. Р. Скальський, I. Я. Долiнська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Вступ
Вантажш i пасажирсью електровози сери ВЛ [9, 10] становлять значну частину мапстра-льних електровозiв, що експлуатуються на в№ чизняних електрифшованих залiзничних дорогах. Однак вщомо, що на сьогоднi значна час-тина даного рухомого складу залiзниць Украши експлуатусться з перевищенням призначеного
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
електровозiв, !х руйнування, а вiдтак i схо-дження з рейок. Рама вiзка електрорухомого складу (рис. 1) е основним несучим вузлом конструкцп локомотива, який призначений для розмщення елементiв тягового приводу, галь-мiвного обладнання i ресорно! пiдвiски. Через раму вiзка здiйснюеться передача ваги кузова на колюш пари, вона сприймае також сили тяги i гальмування, що розвиваються кожною колю-ною парою, i передае !х на раму кузова, а по^м на автозчепку.
Одним iз основних елементiв рами вiзка, який сприймае силу тяги i гальмування, е шкво-рневий брус коробчастого перерiзу з двома технолопчними отворами та конiчним переходом вздовж висоти заглиблення, через який проходить шкворiнь. Як показуе практика, в процес експлуатацп рами вiзка зародження трiщин найчастiше вiдбуваеться в технолопч-них кругових отворах на нижнш поличцi шкво-рнево! балки (рис. 1). Подальший рiст таких трщин може призвести до руйнування балки, а вщтак i до повного руйнування рами вiзка тд час руху потяга. Таким чином, можна припус-кати, що шкворнева балка визначае ресурс рами вiзка локомотива. Виходячи з цього, постала задача ощнки довговiчностi вiзка залежно вщ розмiру трiщини, яка виникла з технолопчного отвору шкворнево! балки, за умов низькотем-пературно! повзучостi.
Рис. 1. Схема рами Bi3Ka локомотива ВЛ-80:
1 - шкворнева балка; 2 - технолопчш отвори; 3 - шкворневий отвiр
Fig. 1. Scheme of bogie frame VL-80:
1 - truck bolster; 2 - technological holes; 3 - pivoted hole
На цей час ощнщ ресурсу основних несучих конструкщй рухомого складу зал1зниць при-свячено багато наукових праць. Так, наприклад, у [4] запропоновано методику для ощнки дов-
doi 10.15802/STP2015/38241
говiчностi залишкового ресурсу рам вiзкiв локомотива, яка побудована на базi коректовано! гiпотези лiнiйного сумування втомних пошко-джень з використанням показниюв експлуата-цiйного навантаження i характеристик опору втомi натурних деталей шсля !х тривало! експлуатацп. Викладено методики визначення строку служби та залишкового ресурсу ходових частин рухомого складу на базi стендових ви-пробувань мало! кiлькостi деталей з рiзними термiнами експлуатацi! [6].
Авторами пращ [1] розроблено методи розв'язку прямих i обернених задач надiйностi рам вiзкiв вагонiв електропо!Здiв з урахуванням випадковостi навантаження та характеристик опору втомi i виконано числовi дослщження характеристик надiйностi.
У [5] здшснено оцiнювання залишкового ресурсу рам вiзкiв електровозiв ВЛ-10 за допо-могою 3-го розрахункового методу Серенсена, який передбачае розрахунок коефщента пере-вантаження. На основi лiтературних даних про ВЛ-10 розробник визначив вихщш даш для розрахунку ймовiрностi виникнення втомних трщин у найбшьш напружених мюцях рами.
Вагому частку наукових праць присвячено прогнозуванню та пiдвищенню втомно! довго-вiчностi боково! рами вiзкiв вантажних вагонiв [2, 3, 7, 8].
Однак у вищезгаданих працях запропонова-ш моделi оцiнювання ресурсу рам вiзкiв елект-ровозiв грунтуються на стендових дослiджен-нях або числових методах. Аналiтичних залеж-ностей для цього в лтературних джерелах не виявлено, особливо таких, що враховують пов-зучють.
Мета
Метою роботи е розроблення розрахунково! моделi визначення перюду докритичного росту повзучо-втомних трщин в рамах вiзкiв елект-ровозiв, яка враховувала б основнi параметри навантаження, геометрда елемента конструкцi! i трiщини.
Методика
Пiд час руху локомотива на шкворневу балку рами вiзка дiе постiйна тягова сила Р, яка збшьшуеться (зменшуеться) за його старту (зу-пинки) (рис. 2). Час зупинки чи старту локомо-
© В. Р. Скальський, I. Я. Долшська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
тива е набагато меншим за час його руху (тобто час навантаження i розвантаження по!зда), тому ними можемо знехтувати. Таким чином навантаження, що припадае на раму вiзка локомотива, можна моделювати циклiчним навантажен-ням з витримкою Т1 в циклi в умовах ди низь-котемпературного поля Т0 (Т0 < 0,5Тпл, Тпл - температура плавлення матерiалу елемента конструкцп), що забезпечуе в основному про-цес повзучо-втомного руйнування (рис. 2). Тут Т1 - тривалiсть руху по!зда в тяговому режимi; Т2 - час уповiльнення руху; Т3 - час стоянки; Т4 - час прискорення руху; Т1 >> Т2 + Т3 + Т4. За навантаження, яке домiнуе в цикт Т1, в шквор-невш балцi будуть зароджуватись i розвиватись повзучо-втомш трiщини.
Рис. 2. Схема часово! змiни в 4aci зовшшнього навантаження шд час руху i зупинки по!зда
Fig. 2. Scheme of hours changes in time of the external load during the driving and stopping of trains
Таким чином, задача полягае у визначенш перюду докритичного росту повзучо-втомно! трщини (кiлькостi циктв навантаження N = N„), яка розмщена в шкворневiй балщ рами вiзка локомотива i виходить з технологiч-ного отвору.
Розв'язування задачi виконаемо на основi запропоновано! рашше аналогiчноi розрахун-ково! моделi [11] для визначення перiоду до-критичного росту повзучо-втомних високотем-пературних трщин за змiнного в чаш навантаження. В основу моделi покладено принципи термодинамiки, а саме балансу енергетичних складових для елементарного акта поширення трiщини та балансу швидкостей !х змiни. За-пишемо рiвняння кiнетики поширення повзучо-втомно! трщини у витщщ
dl/dN = ÖWp/dN [ у с -у (]-1, (1) за початково! i кiнцевоi умов N = 0, l ( 0) = I0;
N = N.(21), l(N,(21 )) = l*;
Yt(l.) = Yfc . (2)
Тут Wp - частина роботи пластичних дефо-
рмацш, яка генеруеться самим тiлом шд час його розвантаження i статичного стиску зони передруйнування; y t = f St max - питома робота пластичних деформацш у зонi передруйнування за росту повзучо-втомно! трщини;
Y fC =а0 f5 fC - !! критичне значення; St max -
максимальне за цикл розкриття St трiщини в ii вершинi за усередненого напруження с0f в зонi передруйнування; SjC — критичне значення 5t; l0 — початковий розмiр трiщини; l* -граничний розмiр трiщини (для цього випадку приймаемо наближення вершини втомно! тр> щини до ребра жорсткостi, розмщеного на внутрiшнiй сторонi шкворневого бруса).
Енерпю деформування Wp, що входить в рiвняння (1) запишемо так [11]
Wp =а0 NCT0 f
(([St max(0, t)-St min (0, t)] -
[th max (0, t)-Sthmin(0, t)]2 )) , (3)
де St
S„
■>thmax, -thmin максимЗЛьне i мiнiмальне
нижне порогове значення розкриття St трщи-ни в ii вершиш, за якого не вiдбуваеться повзу-чо-втомне руйнування; а0 — константа, яка ви-значаеться експериментально.
Оскшьки ми розглядаемо практичш часи витримок, то основну долю часу iнкубацiйного перiоду займатиме неусталена повзучiсть (перша д^нка криво! повзучостi [13]). Також в> домо [13], що за вщношення температури Т0/Тпл вiд 0,05 до 0,3 деформащя повзучостi за розтягу змшюеться пропорцiйно натуральному логарифму. Тодi на основi результатiв пращ [13] для першо].' дiлянки дiаграми повзучостi розкриття зони передруйнування запишемо так
doi 10.15802/STP2015/38241
© В. Р. Скальський, I. Я. Долшська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
max (0, t )=5( max (0,0) + B 1П (( + t ) ) .
(4)
Тут B, t1 - константи, яю визначають експе-
N = N.(21), l(N.(T)) = l*;
Kimax (l* ) = Kfc , (8)
риментально; 5tmax (0,0) - максимальне ро3- де е - модуль Юнга; KImax - максимальне зна-
критгя зони передруйнування на початку циклу чення коефхщента штенсивност напружень KI
навантаження; B 1n ((t0 +t)t-1) - додаткове в циклх; Kfc - критичне значення KI за цикш-
рожршта ^ зони передруйнування за рахунок чного навантаження; Kh - нижне порогове повзучосп протягом циклу навантаження (на-
дат приймаеться, що t0 = 1 год). З (4) легко бачити, що B = 51max (0,0)^, Де 51max (0,0) -швидюсть розкриття у вершиш трщини за повзучосп в зош передруйнування.
Р1зницю розкриття трщини у формул1 (3) запишемо у вигщщ
5t max (0, t )-5( min (0, t ) = 0,5 [5( max(0,0) +
+51 max (0,0)t0ln ((t0 + t)t- )] (1 - R)\ (5)
де R - коефщент асиметрп циклу навантаження. Аналопчно, як це було запропоновано в працях [11, 12], швидюсть розкриття трщини повзучосп 51max (0,0) можна подати такою залежшстю
51max (0,0) = A, [5tmax (0,0)5-C ]" , (6)
значення KI, за якого не проходить повзучо-втомне руйнування; A2 = Ajt0с0fE .
Результати
Маючи швидюсть росту повзучо-втомно! трщини, значення докритичного перюду легко знайти за залежшстю
N* =-
4°ofE
«0(1 - R)
■J{[
KI
Im ax
A 2 [ KIm ax / Kfc ]m X
X ln
' tJ1+TL л
V t1 J
f
X ln
t0 + T
V t1 J
■[K, + A2[K, /Kfc]m x
\ (Kfc - x) dl. (10)
де A1, m - характеристики низькотемператур- Для цього випадку значення коефщента дано! повзучосп матер1алу, яю визначаються 1з тенсивност напружень визначаемо на основ1 експерименту. Тод1 з врахуванням цього i ств- пращ [14] за формулою
вщношень (3), (5) рiвняння (1) для визначення швидкост поширення макротрiщини набуде вигляду
KI =оу1к! FI -
(9)
dl а0(1 - R)4
dN 4aofE
KIm ax + A2
Ki
Im ax
K
fc
X ln
f t0 + T >
V '1
X ln
f t + T ^ «0 T-l]
V "1 J
[ Kh+a [ K,2,K-c ]m X )
де F V—J - протабульована безрозмiрна попра-
вкова функцiя.
За даними табличних значень функцп
F | 11 [14] 11 було апроксимовано методом
(( - KIm
найменших квадратiв iз високою точнютю (R2 не менше 0,999) за допомогою тако! залежностi (7) (рис. 3)
за наступних початково! i кшцево! умов N = 0, l (0) = l0;
FI 11 = 1,29 Jl + 0,535 r J v r
1,7
+0,768. (11)
Для побудови кiлькiсних дiаграм оцшки за-лишкового ресурсу балки з наявною повзучо-
doi 10.15802/STP2015/38241
© В. Р. Скальський, I. Я. Долшська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
втомною трщиною необхщно виконати додат-ков1 експериментальш дослщження для визна-чення повзучо-втомних характеристик матер1а-лу рами з урахуванням термшу експлуатування в1зка, як необхщно закласти для розрахунюв за отриманою аналггичною залежшстю (10).
Рис. 3. Апроксимащя методом найменших квадрапв коефщента штенсивносп напружень для трщини бшя кругового вир1зу:
кружечки - числовий розв'язок [14], суцыьна лШя - залежтсть (11)
Fig. 3. Approximation with the smallest squares method of stress intensity factor for cracks near circular neckline:
circles - numerical solution [14], solid line - dependence (11)
Наукова новизна та практична значимкть
Запропоновано нову математичну модель для опису кшетики поширення повзучо-втомних трщин у рамах в1зюв електровоза за змшних у час навантажень з р1зними !х часо-вими витримками i визначення на цш основ1 перюду докритичного росту трщин. В основу модел1 покладено перший закон термодинамши для елементарного акта руйнування за такого виду навантажень.
Сформульована модель може слугувати основою ¡нженерних метод1в розрахунку з визначення залишкового ресурсу елеменлв конструкцш 1з трщинами, що працюють за сумсно! дп циклч-ного навантаження i неусталено! повзучосп.
Висновки
Побудована розрахункова модель для ощнки перюду росту в рам1 в1зка локомотива повзучо-
втомних тр1щин за цикл1чно-зм1нних навантажень з р1зними часовими витримками у цикл { визначення на цш основ1 залишкового ресурсу рами в1зка. Модель ураховуе особливосп експлуатування локомотива в тяговому режима Вона передбачае мшмальну кшьюсть експери-ментальних дослщжень з визначення констант матер1алу 1 може бути покладена в основу методик розрахунку залишкового ресурсу силових елеменпв рухомого складу затзниць, шд час використання !х у виробничих умовах.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Жовдак, В. А. Прогнозирование надежности рам тележек вагонов электропоездов / В. А. Жовдак, А. Б. Белоцерковський // Вестн. НТУ «ХПИ». Динамжа та мщшсть машин : сб. науч. тр. -Харьков, 2005. - № 47. - С. 61-70.
2. Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов / А. Монастырский, В. Бубнов, С. Котенко, В. Балакин // САПР и графика.
- 2013. - № 1. - С. 95-99.
3. Особенности рамы тележки грузового вагона и усталостная выносливость / А. Л. Голубенко, Л. А. Губачева, А. А. Андреев, С. Д. Мокро-усов // Вюн. Схщноукр. нац. ун-ту iм. В. Даля.
- 2013. - № 9 (1). - С. 7-16.
4. Оценка долговечности и остаточного ресурса рам тележек локомотивов / Б. Б. Бунин, Э. С. Оганьян, Т. М. Пономаева, В. Г. Шевченко // Тяжелое машиностроение. - 2007. - № 11.
- С. 31-33.
5. Оцшювання залишкового ресурсу рам вiзкiв електровозiв ВЛ-10 / В. Леонець, Б. Шульпнов, А. Лукашевич, Л. Чаус // Вюн. Тернотл. нац. ун-ту. - 2011. - Спецвип., ч. 2. - С. 29-34.
6. Прогнозирование остаточного ресурса ходовых частей подвижного состава, исчерпавших свой ресурс / А. В. Донченко, Л. С. Ольгард, С. В. Бондарев, Л. Г. Волков // Вюн. Дншро-петр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Ла-заряна. - Дншропетровськ, 2007. - Вип. 15. -С. 83-87.
7. Самошкин, С. Л. Исследование несущих элементов тележек модели 18-100 грузовых вагонов / С. Л. Самошкин, А. А. Хоменко, А. А. Виноградов // Тяжелое машиностроение. - 2007.
- № 9. - С. 23-25.
8. Султан, А. В. Исследование усталостной прочности рамы тележки электровоза ДС3 методом конечно-элементного моделирования / А. В. Султан, Б. Н. Товт // Вюн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. ш. акад. В. Лазаряна. - Дншро-петровськ, 2009. - Вип. 30. - С. 230-234.
doi 10.15802/STP2015/38241
© В. Р. Скальський, I. Я. Долшська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
9. Электровозы ВЛ-10 и ВЛ-10у. Руководство по эксплуатации / под ред. О. А. Кикнадзе. - Москва : Транспорт, 1981. - 519 с.
10. Электровоз ВЛ-11. Руководство по эксплуатации / под ред. Г. И. Чиракадзе и О. А. Кикнадзе. - Москва : Транспорт, 1983. - 464 с.
11. Andreykiv, O. E. Estimation of the period of initiation and propagation of creep-fatigue cracks in thin-walled structural elements / O. E. Andreykiv, I. Ya. Dolinska, and N. V. Yavorska // Materials Science. - 2011. - Vol. 47. - Iss. 3 - P. 273-283. doi: 10.1007/s11003-011-9393-6
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з^зничного транспорту, 2015, № 1 (55)
12. Andreykiv, O. E. Strength of thin-walled structural elements with cracks under the conditions of creep / O. E. Andreykiv, N. B. Sas // Materials Science.- 2007. - Vol. 43. - Iss. 2. - P. 174-182. doi: 10.1007/s11003-007-0020-5
13. Garofalo, F. Fundamentals of creep and creep-rupture in metals / F. Garofalo. - New York ; London : Mac Millan Company, 1970. - 343 p.
14. Stress intensity factors handbook : in 2 Vol. / Ed. by Y. Murakami. - Tokyo : Pergamon Books LTD, 1982. - 1014 p.
В. Р. СКАЛЬСКИЙ1, И. Я. ДОЛИНСКАЯ2*, Д. В. РУДАВСКИЙ3*, Р. Я. ЯРЕМА4, В. Р. БАС5*
1Отдел акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций, Физико-механический институт имени Г. В. Карпенко НАН Украины, ул. Научная, 5, Львов, Украина, 79060, тел. +38 (032) 263 12 64, эл. почта skal@ipm.lviv.ua, ОЯСГО 0000-0002-3799-0883
2*Отдел акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций, Физико-механический институт имени Г. В. Карпенко НАН Украины, ул. Научная, 5, Львов, Украина, 79060, тел. +38 (032) 229 68 75, эл. почта ira_dolinska@ukr.net, ОЯСГО 0000-0003-1143-8895
3*Отдел акустико-эмиссионного диагностирования элементов конструкций, Физико-механический институт имени Г. В. Карпенко НАН Украины, ул. Научная, 5, Львов, Украина, 79060, тел. +38 (032) 229 65 46, эл. почта rudavskyy@gmail.com, ОЯСГО 0000-0001-5541-3003
4ЧАО «Львовский локомотиворемонтный завод», ул. Железнодорожная, 1а, Львов, Украина, 79018, тел. +38 (032) 233 30 25, эл. почта general@lvivlrz.com, ОЯСГО 0000-0002-1560-6078
5*ЧАО «Львовский локомотиворемонтный завод», ул. Железнодорожная, 1а, Львов, Украина, 79018, тел. +38 (032) 233 02 96, эл. почта v_bas@mail.ua, ОЯСГО 00-0002-8308-8807
МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ЛОКОМОТИВА С УЧЕТОМ ПОЛЗУЧЕСТИ
Цель. Проблема определения остаточного ресурса элементов рамы тележки электровозов имеет большое значение для прогнозирования их безопасной работы и избежания возможных аварий на пути следования. Особенно это касается случаев, когда в таких элементах имеются усталостно-ползучие трещины, которые при действии циклической нагрузки с выдержкой Т1 в цикле растут и достигают своего критического размера. Здесь возникает задача изучения развития таких дефектов (трещин), то есть получения данных об их кинетике, что определяет период их докритического роста. Целью работы является разработка расчетной модели определения периода докритического роста ползуче-усталостных трещин в рамах тележек электровозов, которая учитывала бы основные параметры нагрузки, геометрию элемента конструкции и трещины. Методика. Сформулирована расчетная модель для определения периода докритического роста ползуче-усталостных трещин в элементах конструкции рамы в условиях действия переменного во времени нагруже-ния. Она базируется на первом законе термодинамики относительно механики замедленного разрушения тел при переменной нагрузке и низкотемпературной ползучести, когда доминирующая роль при этом отводится периоду неустановившейся ползучести (Первый участок кривой ползучести). Низкотемпературная ползучесть - это ползучесть материалов при температурах Т0 < 0,57^, где 7шр - температура плавления материала. Результаты. Получена аналитическая формула для определения коэффициента интенсивности напряжений шкворневой балки с технологическим отверстием. Показано, что по экспериментально определенным константам материала с использованием предложенных аналитических зависимостей можно легко определять остаточный ресурс элементов рамы тележки. Научная новизна. Предложена новая математическая модель для описания кинетики распространения ползуче-усталостных трещин в рамах тележек электровоза при переменных во времени нагрузках с различными их часовыми выдержками и определение на этом основании периода их докритического роста. Практическая значимость. Предложенная в работе модель может служить основой инженерных методов расчета остаточного ресурса элементов конструкций с трещинами, работающих при совместном действии циклической нагрузки и неустановившейся ползучести.
doi 10.15802«ТР2015/38241 © В. Р. Скальський, I. Я. Долiнська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
Ключевые слова: рама тележки локомотива; ползуче-усталостная трещина; остаточная долговечность; низкотемпературная ползучесть; период докритического роста; ползуче-усталостная трещина; коэффициент интенсивности напряжений
V. R. SKALSKYI1, I. YA. DOLINSKA2*, D. V. RUDAVSKYY3*, R. YA. YAREMA4, V. R. BAS5*
'Dep. «Acoustic Emission Diagnostics of Structural Elements», Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Naukova St., 5, Lviv, Ukraine, 79060, tel. +38 (032) 263 12 64, е-mail skal@ipm.lviv.ua, ORCID 0000-0002-3799-0883 2*Dep. «Acoustic Emission Diagnostics of Structural Elements», Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Naukova St., 5, Lviv, Ukraine, 79060, tel. +38 (032) 229 68 75, е-mail ira_dolinska@ukr.net, ORCID 0000-0003-1143-8895 3*Dep. «Acoustic Emission Diagnostics of Structural Elements», Karpenko Physico-Mechanical Institute of the NAS of Ukraine, Naukova St., 5, Lviv, Ukraine, 79060, tel. +38 (032) 229 65 46, е-mail rudavskyy@gmail.com, ORCID 0000-0001-5541-3003 4JSC «Lviv Locomotive Repair Plant», Zaliznychna St., 1а, Lviv, Ukraine, 79018, tel. +38 (032) 233 30 25, е-mail general@lvivlrz.com, ORCID 0000-0002-1560-6078
5*JSC «Lviv Locomotive Repair Plant», Zaliznychna St., 1а, Lviv, Ukraine, 79018, tel. +38 (032) 233 02 96, е-mail v_bas@mail.ua, ORCID 0000-0002-8308-8807
ESTIMATION MODEL OF RESIDUAL LIFE-TIME OF LOCOMOTIVE FRAME BOGIE WITH ALLOWANCE FOR CREEP
Purpose. The problem of determining the residual life of frame bogie elements of locomotives is a great importance for predicting their work safely and avoidance potential failures on the track. This especially concern cases when such elements have creep-fatigue cracks which grow under action of cyclic loading with excerpts T in the cycle and reach their critical size. Here the question of the propagation of such defects (cracks) arises, their kinetics and about the period of subcritical cracks growth. The aim is to develop a calculation model for determination the period of subcritical creep-fatigue cracks growth in the bogies frames of electric locomotive. The model takes into account the basic parameters of load, geometry of the construction element and cracks. Methodology. The calculation model for determination the period of subcritical creep-fatigue cracks growth in structural elements of frame under conditions of variable load time has been formulated. It is based on the first law of thermodynamics concerning to mechanics of solids slow fracture at low temperature creep and variable loadings. It is assumed that the period of unsteady creep dominates here (the first section of the creep curve). Low-temperature creep is creep of materials at temperatures T0 < 0,5Tmp, where Tmp - the melting point of the material. Findings. The analytical formula for the determination of the stress intensity factor of truck bolster with technological hole has been obtained. It is shown that by experimentally established constants of the material using the proposed analytical relations can easily determine residual resource of the bogie frame elements. Originality. The new mathematical model for describing the kinetics of creep-fatigue cracks growth in the frames bogies of electric locomotive under variable in time loadings with various time excerpts and on this base the period determination of subcritical crack growth has been proposed. Practical value. Formulated model can serve as a basis for engineering calculation methods to determine the residual life of structural elements with cracks, working on joint action of cyclic loading and unsteady creep.
Keywords: bogie frame of the locomotive; creep-fatigue crack; residual life-time; low temperature creep; period of subcritical creep-fatigue crack growth; stress intensity factor
REFERENCES
1. Zhovdak V.A., Belotserkovskiy A.B. Prognozirovaniye nadezhnosti ram telezhek vagonov elektropoyezdov [Reliability prediction of bogie frames of electric trains]. Sbornik nauchnykh trudov. Vestnik natsionalnogo tekhnicheskogo universiteta Kharkovskogo politekhnicheskogo universiteta: Dynamika ta mitsnist mashyn [Proc. of the National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute»: Dynamics and machines strength], 2005, no. 74, pp. 61-70.
2. Monastyrskiy A., Bubnov V., Kotenko S., Balakin V. Izlom bokovoy ramy telezhki gruzovogo vagona. Analiz tekhnologii proizvodstva, puti ustraneniya defektov [Failure of side bogie frame in the freight car. Analysis of manufacturing technology, ways of defects removal]. SAPR i grafika - CAD and graphics, 2013, no. 1, pp. 95-99.
3. Golubenko A.L, Gubacheva L.A., Andreyev A.A., Mokrousov S.D. Osobennosti ramy telezhki gruzovogo vagona i ustalostnaya vynoslivost [Features of bogie frame in the freight car and fatigue endurance]. Visnyk Shidnoukrainskoho natsionalnoho universytetu imeni V. Dalia [ Bulletin of Volodymyr Dahl East Ukrainian National University], 2013, no. 9 (1), pp. 7-16.
doi 10.15802/STP2015/38241 © В. Р. Скальський, I. Я. Долiнська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2015, № 1 (55)
4. Bunin B.B., Oganyan Ye.S., Ponomayeva T.M., Shevchenko V.H. Otsenka dolgovechnosti i ostatochnogo resursa ram telezhek lokomotivov [Estimation of lifetime and residual resource of bogie frames in locomotives]. Tyazheloye mashinostroeniye - Heavy Engineering, 2007, no. 11, pp. 31-33.
5. Leonets V., Shulhinov B., Lukashevych A., Chaus L. Otsiniuvannia zalyshkovoho resursu ram vizkiv elektro-voziv VL-10 [Estimation of residual resource of bogie frames in the electric locomotives VL-10]. Visnyk Ter-nopilskoho natsionalnoho universytetu - Bulletin of Ternopil National University, 2011, special issue, no. 2, pp. 29-34.
6. Donchenko A.V., Olgard L.S., Bondarev S.V., Volkov L.G. Prognozirovaniya ostatochnogo resursa khodovykh chastey podvizhnogo sostava, ischerpavshikh svoy resurs [Residual resource prediction of running parts of the rolling stock which have exhausted their resource]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho uni-versitetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2007, issue 15, pp. 83-87.
7. Samoshkin S.L., Khomenko A.A., Vinogradov A.A. Issledovaniye nesushchikh elementov telezhek modeli 18-100 gruzovykh vagonov [Investigation of bogie supporting elements, model 18-100 of the freight cars]. Ti-azheloye mashinostroieniye - Heavy Engineering, 2007, no. 9, pp. 23-25.
8. Sultan A.V., Tovt B.N. Issledovaniye ustalostnoy prochnosti ramy telezhki elektrovoza DS3 metodom konechno-elementnogo modelirovaniya [Investigation of the fatigue strength of the bogie frame in the electric locomotive of DC3 by finite element modeling]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zal-iznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2009, issue 30, pp. 230-234.
9. Kiknadze O.A. Elektrovoz VL10 and VL10u. Rukovodstvo po ekspluatatsii [Electric locomotive VL11. Operations manual]. Moscow, Transport Publ., 1981. 519 p.
10. Chirakadze G.I., Kiknadze O.A. Elektrovoz VL11. Rukovodstvo po ekspluatatsii [Electric locomotive VL11. Operations manual]. Moscow, Transport Publ., 1983. 464 p.
11. Andreykiv O.E., Dolinska I.Ya., Yavorska N.V. Estimation of the period of initiation and propagation of creep-fatigue cracks in thin-walled structural elements. Materials Science, 2011, issue 47, no. 3, pp. 273-283. doi: 10.1007/s11003-011-9393-6.
12. Andreykiv O.E., Sas N.B. Strength of thin-walled structural elements with cracks under the conditions of creep. Materials Science, 2007, issue 43, no. 2, pp. 174-182. doi: 10.1007/s11003-007-0020-5.
13. Garofalo F. Fundamentals of creep and creep-rupture in metals, New York-London, Mac Millan Company Publ., 1970. 343 p.
14. Murakami Y. Stress intensity factors handbook. Stress intensity factors handbook. In 2 volumes. Tokyo, Per-gamon Books LTD Publ., 1982. 1014 p.
Стаття рекомендована до друку д.т.н., проф. О. С. Андрейювим (Украгна); д.т.н.,
проф. В. Л. Горобцем (Украгна)
Надшшла до редколегп 22.10.2014
Принята до друку 19.12.2014
doi 10.15802/STP2015/38241
© В. Р. Скальський, I. Я. Долшська, Д. В. Рудавський, Р. Я. Ярема, В. Р. Бас, 2015
