ОСОБЛИВОСТі МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ ВТОМНОї ДОВГОВіЧНОСТі НАПіВВАГОНУ З УРАХУВАННЯМ ЕКСПЛУАТАЦіЙНИХ УШКОДЖЕНЬ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

■а

В статті представлено особливості та результати використання запропонованої методики розрахунку втомної довговічності кузова напіввагону з урахуванням накопичених ушкоджень за весь термін експлуатації, розробленої на основі використання корегованої лінійної гіпотези підсумовування пошкоджень. Наведена методика дозволяє підвищити точність оцінки ресурсу кузовів напіввагонів на стадії проектування

Ключові слова: напіввагони, кузова, ресурс, втомні руйнування, лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджень

□----------------------------------□

В статье представлены особенности и результаты использования предложенной методики расчета усталостной долговечности кузова полувагона с учетом накопленных повреждений за весь срок эксплуатации, разработанной на основе использования корректированной линейной гипотезы суммирования повреждений. Приведенная методика позволяет повысить точность оценки ресурса кузовов полувагонов на стадии проектирования Ключевые слова: полувагоны, кузова, ресурс, усталостные разрушения, линейная гипотеза суммирования повреждений -----------------□ □---------------------

ОСОБЛИВОСТІ МЕТОДИКИ ВИЗНАЧЕННЯ ВТОМНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ НАПІВВАГОНУ З УРАХУВАННЯМ ЕКСПЛУАТАЦІЙНИХ УШКОДЖЕНЬ

О . В . Ф о м і н

Кандидат технічних наук, доцент Кафедра «Рухомий склад залізниць» Донецький інститут залізничного транспорту Української державної академії залізничного транспорту вул. Артема 184, м. Донецьк, Україна, 83122 E-mail: fomin1985@list.ru О. В. Бурлуцький Завідувач навчальними лабораторіями кафедри «Механіка і проектування машин» Українська державна академія залізничного транспорту майд. Фейєрбаха, 7, м. Харків, Україна, 61050 Е-mail: leha200681@rambler.ru

1. Вступ

В умовах дефіциту вантажного рухомого складу на залізницях України, практично вичерпані технічні можливості залізниць у збільшенні обсягів перевезень. Призначений термін служби напіввагону складає 22 роки. Відомо, що тільки у цьому році має бути виключено більше половини парку напіввагонів Укрзалізниці. При цьому середньодобовий дефіцит напіввагонів у 2012 році склав біля 6000 одиниць.

2. Постановка проблеми і аналіз результатів останніх досліджень

Напіввагони є найбільш пошкоджуваним видом рухомого складу, що пов’язано з особливостями їх експлуатації (завантажувально-розвантажувальні роботи, широка номенклатура перевозимих вантажів і інш.). При цьому значних ушкоджень зазнають елементи несучої системи напіввагонів: складові рами; обшива стін бокових та торцевих; вузли з’єднання стійок та обв’язування нижнього стін бокових; елементи каркасів стін торцевих. Успішне вирішення питань забезпечення високих показників технічного і якісного рівня вантажних вагонів, що визначають їх працездатність, надійність і економічність в експлуатації, значною мірою залежить від досконалості конструкції їх несучої системи [1, 2, 3].

Аналіз вітчизняної та зарубіжної літератури показав, що питання втомної довговічності несучих елементів залізничного рухомого складу та інших галузей промисловості вивчені недостатньо.

Відсутні методики, в яких з єдиних позицій розглядалися б стадії накопичення ушкоджень за весь термін експлуатації та сталого розвитку втомної тріщини. [4,

5].

На втомну довговічність впливають різні чинники: зовнішня змінна напруженого стану, частота навантаження, асиметрія циклу, структурний стан металу, стан поверхневих шарів, концентрація напружень і т. п. Втомна довговічність зразків за результатами випробувань на втому має досить великий розкид значень - на порядок і більше.

Публікацій, де розглядалися б аналітичні залежності для визначення втомної довговічності, набагато менше, ніж публікацій з прогнозування межі витривалості.

Це може бути пояснено тим, що, на відміну від межі витривалості, довговічність залежить від більшого числа факторів, внаслідок цього аналітичні залежності для її визначення виходять громіздкими. Вони можуть включати 10-20 параметрів, які треба якось визначити (що саме по собі представляє трудомістку задачу). Але оскільки кожна змінна має деяку похибку, то на виході маємо неприйнятну похибку розрахунку. До того ж така аналітична модель досить складна в розробці.

3. Мета статті та викладення основного матеріалу

В статті представлені особливості методики визначення втомної довговічності кузова напіввагону з урахуванням накопичених ушкоджень.

Властивість об’єкта виконувати потрібні функції до переходу у граничний стан при встановленій системі технічного обслуговування та ремонту називається довговічністю [6]. Довговічність кількісно оцінюється ресурсом.

Сумарний наробіток об’єкта від початку його експлуатації чи поновлення після ремонту до переходу в граничний стан називається ресурсом. В якості міри ресурсу може бути використана кількість циклів до досягнення граничного стану. Зазначимо, що для деталей вагонів, і особливо їх несучих частин, розглядається граничний стан по міцності і втомній довговічності, причому найбільш важливим є граничний стан до втоми.

Запропоновані діючими нормативними документами [7] методики визначення показників надійності ґрунтуються на даних експлуатаційних або динамічних ходових випробувань, таким чином, не містять алгоритму наближеного розрахунку на стадії проектування, що ускладнює їх використання в інженерній практиці. Розрахункова наближена оцінка ресурсу деталі, заснована на сучасних методах моделювання і даних результатів стендових випробувань зразків або аналогів, дозволяє прогнозувати на стадії проектування ефективність застосування різних конструкторсько-технологічних рішень.

Втомні руйнування конструкцій пов’язані головним чином з накопиченням необоротних пошкоджень в їх елементах. Розрахунки на циклічну міцність в цьому випадку проводять з використанням напівем-піричних (феноменологічних) моделей накопичення пошкоджень [8].

Вра ховуючи підвищені вимоги до безпеки руху, можна оцінювати граничний стан при оцінці якості проектування по критерію втомної тріщини. З урахуванням процесу накопичення втомних пошкоджень використовувалася корегована лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджень (Пальмгрена-Мейнера) [9], яка має такий вигляд:

_ Гіп К)

._!

N к

М(о.) _(фЛ]3

ф0 - коефіцієнт, враховуючий асиметрію циклу; оТ - середнє значення напруги циклу; т - показник ступеня кривої втоми;

N0 - базове число циклів.

Згідно [9], коефіцієнт асиметрії циклу навантаження визначається виразом

ф0 = (0,02 + 2 104) / Кк

(3)

де овр - межа міцності матеріалу, вимірюваний в МПа.

Коефіцієнт Кк враховує вплив концентрації напружень, нормується в [7].

Якщо межа втомної міцності деталі (овр -1/Кк) відома, то для легованих сталей, згідно [10,12], допускається визначати коефіцієнт асиметрії циклу навантаження за формулою:

Ф0 =

20вр - °вр-1

(4)

Показник ступеня т кривої втоми обчислювався за формулою:

С

(ко )к

(5)

де С - коефіцієнт, що приймається для зварних конструкцій С = 16 для низьковуглецевих сталей або С = 18 для низьколегованих сталей;

(ко )к - середнє значення спільного коефіцієнту зниження межі витривалості у вибраній контрольній зоні по відношенню до межі витривалості гладкого стандартного зразка.

Середній коефіцієнт зниження межі витривалості натурної деталі по відношенню_до межі витривалості гладкого стандартного зразка (к0 )к .

Прийняті значення коефіцієнтів (к0 )к згідно [7] наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Середній коефіцієнт зниження межі витривалості натурної деталі по відношенню до межі витривалості гладкого стандартного зразка

(1)

де ар - коректована сума пошкоджень при дії всіх пошкоджуючих амплітуд змінних напруг;

dn(oa) - число циклів за термін дії амплітуд напружень, в межах від оа до оа + doa;

N(03) - довговічність до руйнування або до утворення тріщини заданого розміру при дії що приводить до втомного руйнування деталі (визначалося по кривій Велера) оа;

В якості числа циклів N до руйнування при дії динамічних напружень з амплітудою оа використовувалося статичне рівняння кривої втоми [11]:

Зона Підстава стійки бокової стіни Хребтова балка в зоні упорів автозчепного пристрою Шкворнева балка в зоні хребтової балки

(ко )к 5,0 2,8 5,2

Кількість циклів дії амплітуди змінних напруг оа за термін служби N (оа) визначалося в залежності від виду функції розподілу діючих напружень за наступною формулою:

(6)

(2)

де о_1 - межа витривалості зразка;

де ^Оа) - функції щільності розподілу діючих змінних амплітуд відповідно;

Х = ^ - кількість блоків навантаження;

м

І1 - навантаження за термін служби вагона;

о

а

о

а

Е

N(оа); ^ - ефективна частота про-

цесу;

g(f) _

0(0

S0

нормована функція спектральної

:ГЦ

Рис. 1. Спектральна щільність динамічних напружень в зоні хребтової балки при дії випадкового порушення: а — вихідна конструкція; б — удосконалена конструкція

Таблиця 2

Значення дисперсій і середньоквадратичних відхилень напружень

щільності;

S0- дисперсія випадкового процесу динамічних напружень;

G(f) - функція спектральної щільності;

і - частота зміни динамічних напружень.

Оцінка довговічності виконувалася для найбільш навантаженого вузла.

Як спектр навантажень використовувались отримані раніше спектральні щільності потужності прискорень [13]. Отримані спектральні щільності динамічних навантажень базової та удосконаленої конструкцій кузова напіввагону представлені на рис. 1.

Найменування елемента Значення дисперсії, Па2 Значення середньо- квадратичного відхилення, МПа

Хребтова балка в зоні упорів автозчепного пристрою 0.7464Е+16 72

Хребтова балка в зоні упорів автозчепного пристрою (удосконалена конструкція) 0,4354Е+15 42

Шкворнева балка в зоні хребтової балки 0.3964Е+16 48

Шкворнева балка в зоні хребтової балки (удосконалена конструкція) 0,256Е+15 31

Отримані значеннями середньоквадратичних відхилень використовувалися для аналізу довговічності конструкції.

Величина ар, яка залежить від особливостей спектра змінного навантаження, визначалася за формулою [14,15]: "

и

(8)

де оатах - максимальна амплітуда діючих напруг;

и = 0.5 ■ о_1 - межа витривалості зразка нескінченно великого діаметра.

^_-

5

I f (0а ) ' ІОа

Фо-0.5-°-,

(9)

інтеграл, що характеризує на-

дЄ і = I °т ■ І (0а )■ ^а фо ■ 0_1

копичення втомлених ушкоджень;

Вираження для щільності розподілу амплітуд напружень і (оа) при схематизації випадкового процесу визначається за формулою [5, 13]:

З спектра відгуку отримані дисперсії шляхом інтегрування по частоті:

D _|S(f.

(7)

За дисперсій напруг визначалися середньоквадра-тичне відхилення:

о

_л/0.

Значення дисперсій і середньоквадратичних відхилень напруг в досліджуваних вузлах наведені в табл. 2.

В результаті проведення модального і спектрального аналізу були виявлені основні причини втомного пошкодження елементів кузова напіввагону, а саме збіг частоти власних коливань з частотою збуджуючого впливу з максимальною амплітудою.

А2 о ^(0 - а1 _ (к11 Р1 + к12 Р2 +... + к1і РІ) -^Е - с

8о ьі а

ІвОО - а2 _ (к21Р1 + к22 Р2 + ... + к2і Рі) ^ - С (10)

ь2 а

ІвОО - aj _ (к, Р1 + kj2 ' Р2 + ... + Ці Рі)^ - С

де У_

2'(у + 3' С)

У' С

,х-б-_-б-? 'ехр(0,5'Х2д),

•б- - коефіцієнт широкополосності, що характеризує розподіл максимумів випадкового процесу, який визначається за формулою:

аР _

0атах - и

а

З

Лf4 g(f) df f2. g(f}.d

(11)

Значення величин y,Z,x$ визначаються із системи рівнянь:

xfl = J—ln9 ,

lg(t) — al = (k11 P1 + kl2 P2 + .. + k1i c — ft"

bl d

lg(t) — a2 = (k21 . P1 + k22 P2 + . . + k2i c — ft"

b2 d

lg(t) — aj (kjl P1 + kj2 P2 +... + kj, c — ft"

bj d

(12)

Остаточна формула для визначення оцінки середнього терміну служби деталі або довговічності до руйнування (утворення тріщини заданого розміру) визначається на підставі рівнянь (1)-(12) наступний вигляд:

Х =

ap ■ No -ФЖі fe ■ J

(13)

Оцінка довговічності виконувалася для найбільш навантаженого вузла. Як спектр навантажень використовувалася отримана раніше спектральна щільність потужності прискорень варіантів конструкції на обраній швидкості руху. Постійними в розрахунках були прийняті наступні показники: базове число ци-

клів навантаження ^=107, показник ступеня кривої втоми т=4 згідно формули 5, врахування асиметрії циклу навантаження здійснювалась з урахуванням схематизованої по Гудману діаграми максимальних граничних напруг [16].

За результатами розрахунків отримані наступні значення втомної довговічності варіантів конструкцій кузова напіввагону:

1) вихідна конструкція -604362211 с. = 19,16 року,

2) удосконалена конструкція -805816281 с. = 25,55 року.

Наведені результати досліджень кількісно обґрунтовують причини появ відмов у кузовах вагона, що підтверджується експлуатацією.

Найбільші відмінності між частотами, визначеними розрахунком і експериментально, не перевищують 7%, що вказує на адекватність розрахункової схеми реальної конструкції.

4. Висновки і рекомендації щодо подальшого використання

Наведені у статті матеріали свідчать про доцільність проведеного авторами розрахунку втомної довговічності кузова напіввагону. Наведено результати чисельного аналізу власних частот коливань і спектральної щільності потужності переміщень кузова на-піввагону.

На основі аналізу спектральної щільності потужності отримані розрахунки втомної довговічності з урахуванням накопичених ушкоджень за весь термін експлуатації. Запропонована уточнена методика оцінки експлуатаційної надійності та динамічної наван-таженості, яка дозволяє підвищити точність оцінки ресурсу на стадії проектування за критерієм втомної довговічності.

Література

1. Ломотько, Д.В. Современный грузовой подвижной состав нового поколения как приоритетное направление развития украинских железных дорог [Текст]/ Д.В. Ломотько // Вагонный парк. Харків. - № 10(67}/2012 С.6,7.

2. Фомін О.В Метод оцінки надійності елементів кузовів сучасних залізничних напіввагонів з урахуванням цензурування ви-бірки[Текст]/ О.В Фомін О.В. Бурлуцький// Зб. наукових. праць. - Донецьк: ДонІЗТ, 2012. - Вип.№.29.- С.215-221.

3. Wolter W. Kollisionssicherheit von Schienenfahrzeugen [text]/ Wolter W.//Der Eisenbahningenieur, 2001, №5. - s . 63-68.

4. Schroeder M. Trein crashworthiness. Volidating analysis tools. [book]/ Schroeder M // Rail International, 1999 №6,. - s. 2-6.

5. Колинз Дж. Повреждение материалов в конструкциях [Текст]/ Колинз Дж. .[; под ред. Э.И.Григолюка. Пер, с англ]// - М.: Мир, 1984. - 624 с.

6. Надійність техніки. Терміни та визначення :ДСТУ 2860-94- [Чинний від 1995-01-01].-Київ: Держстандарт України ,1994.-(На-ціональні стандарти України).

7. Нормы расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) [Текст]. М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 354с.

8. Гусев А.А. Светлицкий В.А. Расчет конструкций при случайных воздействиях. [Текст]/ Гусев А.А.// - М.: Машиностроение, 1984. - 239 с.

9. Болотин В.В. Ресурс машин и конструкций. [Текст]/ Болотин В.В.//- М.: Машиностроение,1990.-448 с.

10. Блохин Е. П. Определение усталостной прочности несущих конструкций железнодорожных вагонов по результатам ходовых испытаний [Текст] /[ Е. П. Блохин и др.] ; под ред. Блохина Е. П -Вестник ВНИИЖТ. - 2005. - Н 4. - С. 14-18.

11. Агамиров Л.В. Разработка статистических методов оценивания характеристик усталостных свойств материалов и показателей надежности элементов конструкций авиационной техники: дис. доктора техн. наук: 05.07.03/ Агамиров Л.В. - Москва: МАТИ, 1993-528 с.

Е

12. Расчеты и испытания на прочность. Методы расчета характеристик сопротивления усталости: ГОСТ 25.504 - 82- [Чинний від 1983-07-01].-Москва: Государственый комитет по стандартам СССРД982.

13. Бурлуцький О.В Особливості методу визначення динамічного навантаження кузова напіввагона.[Текст]/ Бурлуцький О.В // Зб. наукових. праць. - Харків: Східно-Європейский журнал передових технологій , 2012. - Вип.№ 4/7 (58).- С.47-50.

14. Афанасьев Н.Н. Статистическая теория усталостной прочности металлов. [Текст]/ Афанасьев Н.Н//- К.: Изд. АН УССР, 1953, -123 с.

15. Савоськин А.Н Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог [Текст]/ Савоськин А.Н., Бурчак Г.П. и др.; под ред. А.Н. Савоськина// - М.: Машиностроение, 1990. - 288с.

16. Павлов В.С. До питання про визначення кофецієнта запасу в машинобудуванні .[Текст]/ Павлов В.С. // Зб. наукових. праць. -Хмельницьк: ХНУ, 2005. - Вип.№.5.- Ч.1,Т.1 С.58-64.

---------------□ □-----------------

В роботі розглянутий аналіз характеру руйнування біл диспер-гаторів та розроблені рекомендації щодо підвищення їх терміну служби шляхом оптимізації технологічних і матеріалознавчих чинників експлуатації

Ключові слова: оптимізація, ударно-абразивне зношування, мікрорі-зання, зносостійкість, деформація

□----------------------------□

В работе рассмотрен анализ характера разрушения бил дисперга-торов и разработаны рекомендации относительно повышения их срока службы путем оптимизации технологических и материаловедческих факторов эксплуатации

Ключевые слова: оптимизация, ударно-абразивное изнашивание, микрорезание, износостойкость, деформация ---------------□ □-----------------

УДК 621.791.92.04

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ АБРАЗИВНОГО ЗНОШУВАННЯ КОНТАКТНИХ ПОВЕРХОНЬ В УМОВАХ УДАРНИХ НАВАНТАЖЕНЬ РОБОТИ ДИСПЕРГАТОРІВ

С. М . Попов

Доктор філософських наук, професор Кафедра обладнання і технології зварювального виробництва Запорізький національний технічний університет вул. Жуковського,64, м. Запоріжжя, Україна, 69063

E-mail: spopov@zntu.edu.ua

1. Вступ

Робочі органи машин, що подрібнюють, зокрема біла диспергаторів, працюють у складних умовах інтенсивного ударноабразивного зношування, що призводить до значного їх зносу і передчасного виходу з ладу всієї установки. Актуальність цієї проблеми пов’язана з тим, що значні об’єми шлакових відвалів металургійних виробництв після відповідної обробки обумовлюють можливість повторного їх використання в багатьох галузях промисловості України. Отже, ефективне використання цих вторинних ресурсів, особливо в кризові періоди, є нагальною проблемою як світової, так і української промисловості.

2. Аналіз літературних джерел і постановка проблеми

За даними робіт [1-8] вказується, що найбільшу абразивну здатність, як правило, мають тверді абразивні частки, розмір яких знаходиться в діапазоні від

0,5 до 2 мм. Важливе значення має форма абразивних часток, оскільки при достатній твердості і міцності, вони здатні деформувати, різати і зношувати контактні поверхні деталей робочих органів.

Абразивне зношування залежить від числа чинників: структури і природи матеріалу інструмента, абразиву та його твердості, вологості, розмірів і форми абразивних частинок, їх рухливості і швидкості руху, тиску поверхні на абразивну частинку.

Для подрібнення фероматеріалів до дрібнодисперсної фракції (0,3-1,0 мм та 0,05 - 0,3 мм) використовують диспергатори, робочими органи яких є біла, що мають різну форму та геометричні розміри. Аналіз динаміки експлуатації цих деталей свідчіть про недостатній термін їх експлуатації (8-16 годин), що обумовлено інтенсивними умовами абразивного руйнування (значні лінійні швидкості відносного переміщення 12-18 м/с, високий тиск 10-20 ГПа, наявність локальних ударних навантажень). Тому, конче необхідним є проведення досліджень щодо визначення особливостей механізму руйнування контактних поверхонь тертя робочих органів диспергаторів, та

З

©