Оценка механических свойств вагонных сталей методом полных диаграмм Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

202

Общетехнические задачи и пути их решения

10. АЭ 001-04. Правила эксплуатации автомобильных шин. http://www.texkom-avto.ru/showpage/?name=tyres_rules.

11. Методика оценки остаточной стоимости транспортных средств с учетом технического состояния. Р-03112194-0376-98. http://www.6pl.ru/insure/r0376-98-2.htm.

12. Резина в автомобилях / В. М. Харчевников. - 354 с. http://shinyavto.ru/.

УДК 539.3:4

В. И. Миронов, А. В. Якушев

ОЦЕНКА МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВАГОННЫХ СТАЛЕЙ МЕТОДОМ ПОЛНЫХ ДИАГРАММ

Приведены основные положения метода полных диаграмм. Установлено, что данный метод дает более полное представление о механических свойствах сталей. В этой связи применение энергетического подхода в задачах прогнозирования долговечности деталей вагонов является перспективным.

Предложена методика расчета долговечности деталей вагонов с учетом истории их нагружения и деградации механических свойств стали. Даны рекомендации по расширению области внедрения метода полных диаграмм.

полная диаграмма деформирования, свойства сталей, испытания, многоцикловая усталость, прогнозирование, долговечность, прочность, трещиностойкость, детали вагонов.

Введение

Максимальное использование резервов материала снижает металлоёмкость вагонов и затраты на перевозку тары, что повышает эффективность использования подвижного состава. При этом грузовые вагоны должны обладать высокой долговечностью и эксплуатационной живучестью, предполагающей безопасную эксплуатацию при наличии различных повреждений. Эффективное решение проблем вагоностроения предполагает использование резервов традиционных и внедрения новых материалов, новых технологий изготовления и обработки несущих элементов вагонов.

В результате приходится проводить целый комплекс разного рода испытаний образцов материала, высокозатратных натурных испытаний деталей и узлов, а также ходовых испытаний вагонов. Обоснованное сокращение объема испытаний уменьшит затраты и время на доведение вновь проектируемых изделий, повысит их конкурентоспособность.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

203

1 Основные положения метода полных диаграмм

В методе полных диаграмм исследование разрушения как нового явления в поведении конструкций начинается традиционно для механики с выделения нового свойства материала, а именно стадии деформационного разупрочнения [1]—[4]. Для этих целей используются полные диаграммы деформирования (ПДД), давшие название методу. Выделение новых свойств материала вносит определенные коррективы в методы проведения механических испытаний. Нововведения часто небесспорны, затрагивают устоявшиеся аксиоматические положения и продиктованы внутренними потребностями той или иной методики исследования новых свойств материала. Так обстоит дело и с изучением стадии разупрочнения, выделенной в общем сценарии деформирования конструкционных сталей и сплавов.

Анализ поведения системы машина-образец методами теории катастроф выявил взаимосвязанное влияние на устойчивость процесса деформирования образца при падающей нагрузке двух основных факторов: жесткости системы нагружения и структурной неоднородности материала. Многочисленные испытания с построением ПДД убедительно доказывают, что устойчивость процесса деформирования образца при падающей нагрузке прямо зависят именно от жесткости нагружающего устройства.

Снижение структурной неоднородности материала, достигаемое различными способами, увеличивает скорость разупрочнения и тем самым повышает жесткость системы нагружения, требуемую для равновесного деформирования. Рассматривая макроразрушение материала как результат потери устойчивости сопряженного с накоплением повреждений процесса деформирования, следует отметить, что критерии разрушения не могут быть локальными, то есть зависеть только от свойств материала.

Диаграммы с падающей ветвью, отражающей стадию разупрочнения, построены для конструкционных материалов разных классов (рис.1). Реологически неустойчивые состояния материала, отвечающие падающей ветви ПДД, зафиксированы при растяжении малых однократных образцов в достаточно жестком нагружающем устройстве [3]. Таким образом, в описании высоколокального процесса разрушения используются локальные же показатели степени деформации. А номинальные напряжения адекватно отражают роль несущей способности данного структурного элемента материала в процессе коллективного деформирования.

Полная диаграмма деформирования - это условная диаграмма с падающей до нуля ветвью (см. рис. 1). В ней отражены все физические процессы, протекающие в материале при нагружении. Такая диаграмма дает наиболее полное и логически завершенное представление о служебных свойствах материала. Прочность, располагаемая пластичность, упругость, трещиностойкость и энергоёмкость материала оцениваются соответствующими параметрами диаграммы: высотой, длиной, углами наклона восходящей и падающей ветвей, площадью под кривой деформирования.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

204

Общетехнические задачи и пути их решения

Рис. 1. Экспериментальные ПДД сталей и сплавов

Сравнительный анализ указанных параметров дает больше информации при замене одного материала другим, чем сравнение пределов пластичности и усталостной прочности. Падающая ветвь на машинной диаграмме характерна лишь для структурно неоднородных материалов, в которых возможны синергетические эффекты при появлении микроразрушений. Таким образом, в континуальном в целом подходе структура неявно вводится в рассмотрение через параметры падающей ветви диаграммы связи.

2 Результаты испытаний вагонных литых сталей методом ПДД

Начнем с показательного примера о замене стали 20ГЛ, используемой для литья крупных деталей тележки вагона, на сталь 20ГЛА улучшенного химического состава. Статические и усталостные испытания стандартных образцов новой стали показали, что ее свойства лучше, чем у стали 20ГЛ: выше пределы текучести и прочности, больше число циклов до появления трещины при одинаковых параметрах стационарного цикла напряжений. Меньше оказалось лишь число циклов развития трещины.

На рисунке 2 приведены осредненные машинные диаграммы литых сталей 20ГЛ и 20ГЛА и конструкционной вагонной стали 09Г2С, построенные в кольцевом нагружающем устройстве регулируемой жесткости [3].

Сравнение диаграмм для литых сталей (см. рис. 2) позволяет заключить, что новая сталь 20ГЛА имеет большую прочность и располагаемую пластичность, определяемую длиной диаграммы, а вместе с ней и большую долговечность. В то же время трещиностойкость более однородной

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

205

по структуре стали 20ГЛА, определяемая углом наклона падающей ветви, оказалась существенно ниже [5].

Рис. 2. Машинные диаграммы сталей в исходном состоянии

Натурные испытания надрессорных балок и боковых рам тележки 18100 показали, что число циклов до появления усталостной трещины возросло, но стадия ее развития в балке и раме из новой стали сократилась втрое, что неприемлемо для несущих деталей вагона. Замена серийной стали 20ГЛ за счет внедрения дорогостоящей технологии по очистке от вредных примесей дала неприемлемый результат. В целом эксперименты со сталями 20ГЛ и 20ГЛА показали перспективность применения метода полных диаграмм в исследовании усталостной прочности как самих литых вагонных сталей, так и изделий из них.

Метод ПДД будет показателен и при оценке целесообразности замены серийной стали 09Г2С на более высокопрочные стали для использования в кузовах инновационных вагонов.

3 Применение энергетического подхода в расчетах долговечности

Оценка циклических свойств материала по результатам статических испытаний представляет самостоятельный научный и практический интерес. Взаимосвязь статических и циклических свойств материала на основе энергетических представлений определяется отношением

W

Aw ’

(1)

где W - общая предельная энергия разрушения при статическом нагружении; Aw - величина диссипации энергии за один цикл нагружения, определяемая площадью петли гистерезиса.

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

206

Общетехнические задачи и пути их решения

Экспериментально установлено, что формула (1) дает заниженное значение долговечности N [6]. Представляется логичным связать величину W с площадью под полной диаграммой деформирования, которая в несколько раз больше площади под восходящей ветвью.

В работе [7] для определения площади петли гистерезиса приведена формула

A w = 2 п A

Ea - E,

Ea

ю г ю 0

2 2 ’ Ю 2 + Ю 0

(2)

где А - работа внешних сил за один цикл; Еа , E, - адиабатический и изотермический модули деформирования; юг- - частота вынужденных колебаний; ю0 - собственная частота колебаний элемента конструкции в результате тепловых потоков, вычисляемая по формуле

юо

3пХ

су d2 ’

(3)

в которой X - коэффициент теплопроводности материала; су - удельная объемная теплоёмкость; d - диаметр образца, по испытаниям которого определялась площадь под ПДД.

В области многоцикловой усталости нагружение считается упругим, работа внешних сил за один цикл нагружения определяется по формуле

, 1

A = — 08,

2

где о, 8 - размах напряжений и деформаций в сечении образца.

В работе [7] приводится также соотношение адиабатического и изотермического модулей:

E =

Ет

а гт1

1 - ЕТа

где Т - абсолютная температура испытаний; а - коэффициент линейного температурного удлинения.

Подстановка двух последних выражений в формулу (2) дает

Aw = по8Е,

Та2 юг. ю0 су ю2 + ю2

В расчете долговечности стали 20ГЛ на уровне напряжений о = 260 МПа приняты следующие теплофизические характеристики: Ei = 2-105 МПа, а = 12,5 • 10-6 град-1, су = 4,9 Дж/см3-град, X = 0,42 Дж/см-страд. Значение W = 180 H/мм подсчитано по исходной полной ус-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

207

ловной диаграмме деформирования. По условиям усталостных испытаний юг- = 1500 мин-1, Т = 290°К, ю0 = 1212 мин-1 - собственная частота, подсчитанная по формуле (3). Расчетное значение долговечности 187 500 циклов отличается от среднего (по шести образцам) экспериментального значения 180 020 циклов на 4 %.

Предельная энергия статического разрушения в соответствии с ГОСТ 1497 может быть оценена по формуле:

2

где от, ов - предел текучести и предел прочности материала; 5 -относительное удлинение образца при разрыве. Механические характеристики стали 20ГЛ из испытаний на растяжение: от = 340 МПа,

2

ов = 550 МПа, 5 = 28 %. Тогда по последней формуле имеем W = 124 Н/мм и расчетную долговечность, найденную по формуле (1), 129 600 циклов, что на 20 % меньше опытного числа циклов.

Рис. 3. Циклическая деградация стали 20ГЛ

В расчетах приняты приближенные значения теплофизических свойств литой стали 20ГЛ и площади под ПДД. Тем не менее при использовании в расчетах полной диаграммы деформирования получен хороший прогноз долговечности. Энергетический подход в целом представляется

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

208

Общетехнические задачи и пути их решения

перспективным для решения актуальной проблемы прогнозирования долговечности вагонов на основе статических испытаний материала.

Прогноз усталостных свойств конструкционных сталей по полным статическим диаграммам базируется на опытах по деградации параметров ПДД с ростом предварительной наработки и корреляцией модуля хрупкости материала с трещиностойкостью [5]. На рисунке 3 приведены ПДД стали 20ГЛ в исходном состоянии и после тренировки до различного числа циклов на уровне максимального напряжения цикла ом = 260 МПа.

Результаты испытаний дают макроскопическое представление об усталостном процессе как переходе пластичного материала в хрупкое состояние, что согласуется с физическими представлениями о природе явления усталости металлов и, кроме того, позволяет описать процесс в категориях напряжений и деформаций. Последнее обстоятельство имеет важное значение для разработки новой модели многоцикловой усталости с учетом циклической деградации материала.

4 Модель материала, учитывающая историю нагружения

и деградацию механических свойств с ростом циклической тренировки

В простейшей однопараметрической модели в качестве контролирующего параметра выбираются предел прочности £в(ам, п) или располагаемая пластичность ер(ем, п), которые становятся функциями условий нагружения. В области многоцикловой усталости семейство подобных экспериментальных кривых аппроксимируется подходящей функцией, например степенной:

^b(°m; n)=5bo - k„n" >

а усталостное разрушение связывается со снижением предела прочности до уровня максимального напряжения цикла, то есть определяется равенством

S B ( ° N , N ) = ° M ,

где N - число циклов по усталостной кривой.

Нагрузки конструкций железнодорожных вагонов носят выраженный нерегулярный характер, и число смен уровня напряжений в опасных точках необозримо велико. Необходима та или иная теория накопления повреждений при нестационарном нагружении, основанная на понятии циклически эквивалентных состояний материала при разной истории нагружения. Определив эквивалентность состояний равенством

SB (°Ml, п1) = SB (°M2 , n2 ) ,

смену напряжений можно интерпретировать как переход с одной кинетической кривой на другую и смену интенсивности накопления поврежде-

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

209

ний. В этом случае нет необходимости вводить явно в расчет понятие по-врежденности, а критерий усталостного разрушения обобщается на ступенчатое нагружение:

а

МК

>

Приемлемость такого подхода для расчета долговечности образцов из стали 20ГЛ подтверждена в испытаниях со ступенчатым изменением нагрузки, выполненных А. В. Якушевым.

Модель материала, основанная на приведенных выражениях, апробирована в расчетах долговечности пластины с отверстием, надрессорной балки тележки грузового вагона, котла вагона-цистерны. Принципиально важный вопрос о переносе данных испытания образцов в расчет конструкций решался введением приведенного напряжения. В пользу первого главного напряжения отметим экспериментальный факт деградации пластических свойств материала перед разрушением. Испытания трубок на двухосное растяжение показали, что второе главное напряжение не влияет на долговечность, если оно составляет менее 0,8 от первого главного напряжения [8]. Форма приведенного напряжения, предложенная

П. А. Павловым,

аП

а

1-агт/а

B

удобна для практических расчетов, так как интенсивности амплитудных aia и средних aim напряжений определяются на выходе стандартных вычислительных комплексов.

5 Методика расчета долговечности с учетом деградации свойств

Сначала методика расчета на основе новой модели и вопросы согласования авторских рабочих программ ее реализации со стандартными вычислительными комплексами отрабатывались на примере расчета пластины с отверстием [9]. Причем рассматривалась возможность построения методики сквозного расчета усталостного ресурса детали вагона, то есть как стадии зарождения, так и стадии развития усталостной трещины.

При выполнении критерия усталостной прочности в наиболее нагруженном конечном элементе на краю отверстия к нему применялась операция деактивации. Ввиду несопоставимо разных физических времен процессов накопления повреждений и перераспределения напряжений, вызванного усталостным разрушением одного из элементов, циклирование условно останавливалось. Решалась статическая задача по нахождению нового поля напряжений в пластине с разрушенным элементом. Если в соседних элементах нарушалось условие статической прочности, они тоже

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3

210

Общетехнические задачи и пути их решения

деактивировались и решалась новая статическая задача. Итерационный процесс прекращался, когда во всех уцелевших конечных элементах напряжение оказывалось ниже текущего сопротивления. Далее циклирование продолжалось с новыми параметрами цикла, установленными по условию эквивалентности в каждом элементе.

Экспериментальная проверка на образцах, пластине с отверстием и в натурных испытаниях надрессорной балки тележки грузового вагона показала, что методика дает заниженное значение числа циклов развития трещины. Что связано, на наш взгляд, с непригодностью модели однородного материала для задач усталости ввиду аномальных свойств поверхностного слоя детали, когда зародившаяся на поверхности трещина развивается в практически неповрежденном основном металле. Основание для такого утверждения дают эксперименты с периодической обточкой образца, когда долговечность возрастает на порядок. Так, долговечность образцов из стали 20ГЛ со 100 000 циклов возросла при двух промежуточных обточках до 550 000 циклов. Схема разделения свойств поверхностного слоя и основного металла [10] находится в стадии экспериментальной проверки. Ее завершение позволит по-новому подойти к построению объединительной методики расчета долговечности и живучести элементов конструкций.

Заключение

Таким образом, приведенные примеры экспериментальных исследований литой стали 20ГЛ позволяют рекомендовать метод полных диаграмм для исследования механических свойств других вагонных сталей и построения новых расчетных методик. Метод формирует новое представление о свойствах материала на стадии разупрочнения и условиях их реализации в элементах грузовых вагонов, а также о взаимосвязи статических и циклических свойств материала.

Работа выполнена при поддержке Правительства Российской Федерации, Министерства образования и науки 2010-218-01-228.

Библиографический список

1. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. Ч. 1 / Дж.Ф. Белл; пер. с англ.; ред. А. П. Филин. - М. : Наука, 1984. - 542 с.

2. Свойства материала в реологически неустойчивом состоянии / В. И. Миронов // Заводская лаборатория. - 2002. - № 10. - Т. 68. - С.41-47.

3. A.C.G. 01 N 3/08 Устройство и способ для испытания образцов материалов на растяжение / В. И. Миронов, В. А. Андронов, А. В. Якушев и др. : заявл. 09.10.2003 ; опубл. 10.05.2005, Бюл. № 13-2005. - С. 1.

4. Функция сопротивления материалов и постановка краевых задач механики разрушения / С. Д. Волков // УНЦ АН СССР, Институт металлургии. - Свердловск, 1986. - 65 с.

2011/3

Proceedings of Petersburg Transport University

Общетехнические задачи и пути их решения

211

5. Феноменологические основы оценки трещиностойкости материалов по параметрам падающих участков диаграмм деформаций / А. А. Лебедев, Н. Г. Чаусов // Проблемы прочности. - 1983. - № 2. - С. 6-10.

6. Энергетические критерии разрушения при циклическом нагружении (обзор) /

A. Н. Романов // Проблемы прочности. - № 3. - 1971. - С. 3-9.

7. Нелинейные проблемы теории упругости / И. И. Гольденблат. - М. : Наука. -1969. - 336 с.

8. Вопросы усталостной прочности машиностроительных конструкций. Н. И. Гриненко // Усталостная прочность машиностроительных конструкций : труды школы-семинара. - Челябинск : Челябинский рабочий, 1975. - 92 с.

9. Моделирование усталостного разрушения пластины с отверстием /

B. И. Миронов, А. В. Якушев, О. А. Лукашук // Вестник УГТУ-УПИ. - 2006. - № 11. -

C. 87-92.

10. Деградация свойств поверхностного слоя материала / В. И. Миронов // Материалы III Российской научно-технической конференции «Разрушение, контроль и диагностика материалов и конструкций». - Екатеринбург : ИМАШ УрО РАН, 2007. -С. 1-2.

УДК 621.225 А. В. Осипов

РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕМЕНТАХ ТЯГОВОГО ПРИВОДА ТЕПЛОВОЗА С ГИДРОПЕРЕДАЧЕЙ

Точное определение гидравлических потерь дает более ясную картину энергетических процессов, проходящих внутри гидроаппарата (ГА). Одними из наиболее значимых конструкционных параметров в ГА является лопастная система, изменение которой в определенных пределах снижает гидравлические потери, позволяет характеристике КПД смещаться в сторону малых и больших передаточных отношений, а также изменять энергоёмкость ГА и другие показатели, влияющие на его качество и экономичность.

гидропередача, гидротрансформатор, гидравлические потери, углы наклона лопастей.

Введение

В гидропередаче тепловоза возникают потери энергии, которые можно разделить на механические, объемные, гидравлические. Наибольшая доля потерь энергии приходится на гидравлические, которые даже при максимальном гидравлическом КПД составляют 10.. .15 %.

Гидравлические потери в лопастных системах и круге циркуляции гидротрансформатора (ГТР) связаны с течением реальной жидкости. В зависимости от режима работы и места расположения в круге циркуляции

ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС

2011/3