CC BY
168
УДК 629.4.027.27
О НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАДРЕССОРНЫХ БАЛОК ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
B. И. СЕНЬКО, И. Ф. ПАСТУХОВ,
C. В. МАКЕЕВ, М. И. ПАСТУХОВ
Белорусский государственный университет
транспорта, г. Гомель
Тележка модели 18-100 (ЦНИИ-Х3), работающая под 4-осными грузовыми вагонами свыше 60 лет (с 1956 г.), не отвечает уже современным требованиям по своим ходовым качествам и межремонтному пробегу, который должен быть сегодня от постройки до деповского ремонта не менее 500 тыс. км, а в последующие междепов-ские ремонты - 200 тыс. км. Однако долгожительство ее свидетельствует о том, что в ней было немало и хороших качеств, которые должны сохраниться и в новой модели тележки, идущей ей на смену, в частности - простота конструкции. Поэтому и в перспективе она сохранит свою основную суть - конструкцию с литыми боковыми рамами и надрессорной балкой.
За историю своего существования литые детали тележек непрерывно совершенствовались в своей конструкции, что привело к повышению их усталостной прочности на 60-80 % [1]. С целью дальнейшего повышения прочности и надежности литых деталей произведены исследования усталостной долговечности надрессорных балок тележек двух модификаций 18-100 (серийной) и 18-578 (опытной).
Классическим методом совершенствования конструкции деталей тележек, работающих в жестком динамическом нагружении, является метод, основанный на проведении усталостных испытаний натурных деталей с оценкой их результатов, внесением изменений в конструкцию и последующих новых испытаний, пока не достиг-нется прогнозируемый результат. Применение указанного метода требует значительных затрат времени и средств, и его целесообразно использовать только на заключительном этапе. До этого периода более эффективно решать поставленную задачу расчетным путем.
Авторами исследовано напряженно-деформированное состояние трех конструкций надрессорных балок: колоночной с жесткими скользунами (черт. 100.00.001-0, серийная, выпуск до 1980 г., тележка модели 18-100), бесколоночной с жесткими скользунами (черт. 100.00.001-5, серийная, выпуск с 1980 г., тележка 18-100), а также бесколоночной с упругими скользунами (черт. 578.00.001-0), опытная, выпуск с 2003 г., тележка 18-578). Расчет выполнен на статическую нагрузку 420 кН с использованием объемных конечноэлементных моделей в программном комплексе Кав1хап. Разбивка произведена на 17233 конечных элементов и 26376 узлов.
В эксплуатации в надрессорных балках возникают усталостные трещины с вероятностью 0,0046 [2]. Они охватывают 11 зон, но из них только трещины по нижнему поясу угрожают безопасности движения, так как их развитие приводит к разрушению балок с тяжелыми последствиями. Доля их в общем объеме трещин составляет примерно 20 % [2]. Поэтому в выполненных расчетах анализ напряженного состояния сделан только по нижнему поясу в трех сечениях, в которых в эксплуатации наиболее вероятно появление трещин. Сечение 1-1 - середина балки, в зоне подпятника на расстоянии 100 мм от поперечной оси симметрии; 2-2 - на расстоянии
425 мм от поперечной оси симметрии (зона технологических отверстий) и 3-3 - на расстоянии 746 мм от середины балки (зона скользунов).
На рис. 1 приведено распределение эквивалентных напряжений в надрессорной бесколоночной балке с жесткими скользунами от нагрузки 420 кН, серийно выпускаемой до настоящего времени, под тележками модели 18-100, а в табл. 1 - по всем трем балкам. Анализ приведенных напряжений показывает, что от указанной нагрузки во всех трех балках напряжения ниже допускаемых 250 МПа (для конструкционно легированной стали 20ГЛ) и что наибольшие напряжения в них возникают по нижнему поясу и колеблются в зависимости от конструкции балки от 50 до 75 МПа (20-30 % от допускаемых). Из табл. 1 также видно, что переход от колоночной конструкции (1980 г.) в подпятниковой зоне балки к бесколоночной привело к снижению напряжений в сечениях 1-1 и 2-2 (в зоне наиболее вероятных эксплуатационных повреждений) соответственно на 26 и 39 % (с 75 до 55 МПа и с 87 до 53 МПа). В зоне скользунов напряжения остались неизменными на уровне 62-65 МПа.
Таблица 1
Величины эквивалентных напряжений в надрессорных балках тележек грузовых вагонов по трем сечениям в нижнем поясе
Тип балки (чертеж), величины, место и способ приложения нагрузки, модель тележки Эквивалентные напряжения в сечениях, МПа
1-1 2-2 3-3
Ин- тервал вели- чин Сред- нее значе- ние Ин- тервал вели- чин Сред- нее значе- ние Интер- вал вели- чин Сред- нее значе- ние
Колоночная (100.00.001-0), Рст = 420 кН - равномерно по подпятнику, 18-100 68-88 75 85-90 87 41-83 62
Бесколоночная (100.00.001-5), скользуны жесткие, Рст = 420 кН - равномерно по подпятнику, 18-100 53-58 55 45-66 53 47-79 65
Бесколоночная (578.00.001-0), скользуны упругие, Рст = 380 кН, Рск = 20 кН - равномерно по подпятнику и скользунам, 18-578 49-54 52 41-61 49 49-79 64
Бесколоночная (578.00.001-0), скользуны упругие, Рст = 372 кН, Рск1 = 4 кН, Рск 2 = 44 кН - нагрузка с перекосом, 18-578 49-53 51 39-61 48 56-84 68
16«
8125
Рис. 1. Распределение эквивалентных напряжений в надрессорной бесколоночной балке с жесткими скользунами от нагрузки 420 кН
Очередное изменение конструкции балки (2003 г.) с введением упругих скользу-нов принципиального изменения напряженного состояния балки в статическом режиме нагружения не произвело. В средней зоне (сечения 1-1 и 2-2) снижение составило 5 % (с 55 до 52 МПа), а в зоне скользунов (3-3) напряжения остались на одном уровне - 64-65 МПа. При движении вагона по кривым участкам пути, когда нагрузка на один из скользунов возрастает с 20 до 44 кН, напряжения в этой зоне (3-3) возрастают на 5,8 % (с 64 до 68 МПа). То есть в целом можно констатировать, что переход от колоночной конструкции балки к бесколоночной дал значительное снижение напряжений, а переход от конструкций балки с жесткими скользунами на балки с упругими скользунами в статическом режиме нагружения не привел к заметному снижению напряжений. Он только обеспечил более равномерное распределение напряжений по длине балки. Но это только в состоянии статики. Чтобы оценить изменения напряженного состояния надрессорных балок в состоянии динамики найдены величины амплитудных напряжений в бесколоночных балках с жесткими скользу-нами (тележка 18-100) и с упругими скользунами (тележка 18-578).
Аплитуды динамических напряжений определены по зависимости [3]
а . = а к .
аг стг дв -
(1)
где остг - напряжения от статической нагрузки в г-м сечении; кдв - коэффициент
вертикальной динамики.
Величины коэффициентов вертикальной динамики получены расчетным путем для тележек модели 18-100 и 18-578 в зависимости от скоростей движения по распределению [3, табл. 3, 4, с. 72]. Средние значения их составили соответственно для надрессорных балок - кдв1 = 0,153 и кдв2 = 0,133. Снижение коэффициентов вертикальной динамики опытных балок составило 13 %, а по экспериментальным данным ПО «Уралвагонзавод» - 12-15 % [4, рис. 10, с. 60]. Таким образом, сходимость результатов, полученных расчетным и экспериментальным путем, вполне удовлетворительна.
Величины амплитудных напряжений в надрессорных балках тележек модели 18-100 при движении со скоростями от 20 до 120 км/ч изменяются: в сечении 1-1 -от 2,2 до 13,3 МПа, а в сечении 3-3 - от 2,6 до 15,7 МПа. Тогда как в балках тележек модели 18-578 они соответственно распределяются в пределах 2,1-10,3 МПа и 2,5-12,7 МПа. То есть в надрессорных балках тележек модели 18-578 амплитудные напряжения как по средней зоне, так и по скользунам снижаются на 22,5 %.
По спектрам амплитуд динамических напряжений найдены эквивалентные напряжения по формуле [3, с. 67]
= {%■<, • Л,, (2)
0
где Ыс - суммарное число циклов, воспринимаемых надрессорной балкой за срок службы, Ыс = 34,63-107; Ы0 - базовое число циклов при усталостных испытаниях надрессорных балок, Ы0 = 107; оа, - амплитуда динамических напряжений 1-го уровня; Ри, - вероятность появления напряжений 1-го уровня; т - показатель степени кривой выносливости, т = 4,5.
Коэффициенты запаса сопротивления усталостной прочности балок равны
((^аЫ )0,95 ґ-, \
п =--------, (3)
а .
азі
где (а м )0 95 - предел выносливости надрессорной балки по амплитудным напряжениям с вероятностью неразрушения 0,95; аазі - эквивалентные напряжения в 1-м сечении надрессорной балки.
Параметры эксплуатационных характеристик надрессорных балок с результатами расчета сведены в табл. 2.
Таблица 2
Эксплуатационные параметры надрессорных балок тележек грузовых вагонов
аз,
Тип надрессорной балки
Параметры Бесколоночная с Бесколоночная
жесткими скользу-нами (18-100) с упругими скользунами (18-578)
Суммарное число циклов за срок службы 32 года 34,63-107 34,63-107
Предел выносливости (оаМ )0 95 , МПа 30 35
Эквивалентные напряжения ааэг-, МПа 20,78 24,56 20,78 21,9
Коэффициент запаса сопротивления 1,44 1,68
усталости п 1,22 1,59
Примечание. Числитель - в сечении 1-1, знаменатель - в сечении 3-3.
Пределы выносливости современных надрессорных балок, изготовленных из конструкционной легированной стали марки 20ГЛ, тележек модели 18-100 и 18-578 при вероятности неразрушения по амплитудным нагрузкам (напряжениям) состав-
ляют Ра(0,95) = 165,3 кН ((о^)0,95 =30 МПа) и Ра(0,95) = 193,9 кН (^^,95 =35 МПа) [4, рис. 3, с. 57].
Как следует из табл. 2, несущая способность надрессорных балок существующих (тележек модели 18-100) и перспективных (модели 18-578) достаточна, причем коэффициент запаса сопротивления усталости новых балок на 23 % выше, чем у серийных. Однако в эксплуатации усталостные трещины в серийных балках все же возникают. Это уже является следствием эксплуатационно-технологических факторов: экстремальных условий нагружения и качества литья, что требует самостоятельных исследований. Тем более, что имеющийся статистический материал об эксплуатационных повреждениях надрессорных балок собран без разделения по их типам, что не позволяет дать объективную оценку о проводимых мероприятиях по повышению несущей способности деталей.
Заключение
Бесколоночные надрессорные балки с жесткими скользунами тележек модели 18-100 обладают достаточной несущей способностью для восприятия нормированных эксплуатационных нагрузок.
Введение в тележках модели 18-578 упругих скользунов снижает уровень амплитудных динамических напряжений в нижних поясах надрессорных балок на 22,5 % и увеличивает их эксплуатационную надежность на 23 % в сравнении с балками, имеющими жесткие скользуны.
Имеющийся статистический материал об эксплуатационных повреждениях над-рессорных балок без разделения по их типам недостаточен. Требуется дополнительные исследования по этому вопросу с дифференциацией по каждому типу балок.
Литература
1. Разработка методики диагностирования литых несущих деталей (надрессорных и боковых балок) тележек : ЦНИИ-ХЗ (18-100), проработавших более 30 лет, и порядок продления срока службы : отчет о НИР / ГосНИИВ-ВНИИЖТ; рук. Л. Н. Косарев. - Москва, 2000. - 88 с.
2. Сенько, В. И. Итоги комплексной оценки остаточного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов / В. И. Сенько, И. Ф. Пастухов, М. И. Пастухов // Вестн. БелГУТа. - 2006. - № 1-2. - С. 5-10.
3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - Введ. 22.01.96. - Москва : ГосНИИВ-ВНИИЖТ. - 1996. -319 с.
4. Бочкарев, Н. А. Организация серийного производства тележек 18-578 для новых вагонов / Н. А. Бочкарев // Железнодорожный транспорт. - 2006. - № 7. - С. 53-60.
Получено 23.10.2008 г.
