Прогнозирование ресурса несущих конструкций вагонов с различным техническим состоянием на основе результатов испытаний типового представителя Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.4.014.3 Коновалов Евгений Николаевич,

научный сотрудник отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Технические и технологические оценки ресурса единиц подвижного состава», Белорусский государственный университет транспорта, Минск тел. +375(232)774673, e-mail: konovalov@belsut.gomel.by Путято Артур Владимирович, д. т. н., доцент, заведующий кафедрой «Динамика, прочность и износостойкость

транспортных средств», Белорусский государственный университет транспорта, Минск тел.: +375(232)953791, e-mail:pav78@list.ru

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВАГОНОВ С РАЗЛИЧНЫМ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ ТИПОВОГО ПРЕДСТАВИТЕЛЯ

Y. N. Kanavalau, A. V. Putsiata

PREDICTION OF RAIWAY CARS SUPPORTING STRUCTURES RESOURCE OF WITH VARIOUS TECHNICAL CONDITIONS ON THE BASIS OF STANDARD AGENT

TESTS RESULTS

Аннотация. Разработана методика прогнозирования ресурса несущих конструкций вагонов с различным техническим состоянием, основанная на использовании результатов экспериментальных исследований типового представителя. Приведены результаты апробации методики при оценке остаточного ресурса несущих конструкций вагонов - хоппер-дозаторов. Получены значения остаточного ресурса для различных областей конструкции вагона, а также зависимости его изменения от технического состояния (утонения) различных несущих элементов. Определен вклад в расход ресурса различных характерных режимов нагружения. Установлено, что при прогнозировании ресурса несущих конструкций вагонов с различным техническим состоянием относительно состояния типового представителя следует рассматривать совокупность зависимостей ресурса контрольных областей конструктивных элементов от их геометрических параметров. Наряду с оценкой остаточного ресурса предложенный подход предлагается использовать при разработке модифицированных конструкций вагонов с повышенной долговечностью.

Ключевые слова: несущая конструкции вагона, прогноз ресурса, испытания, типовой представитель.

Abstract. The technique ofprediction of a resource of railway cars supporting structures with various technical conditions, based on use of results of experimental researches of the typical representative is developed. Results of approbation of a technique are resulted at an estimation of a residual resource of supporting structure of hopper-batchers. Values of a residual resource for various areas of a construction of the railways car, and also dependence of its change on a technical condition various bearing elements are received. The contribution to the expense of a resource of various characteristic modes loading is defined. It is established, that at forecasting of a resource of bearing designs of cars with a various technical condition concerning a condition of the typical representative it is necessary to consider set of dependences of a resource of control areas of constructive elements from their geometrical parameters. Along with an estimation of a residual resource, the offered approach can be used when working out modified constructions of railways cars for durability increase.

Keywords: railways cars supporting structure, resource prediction, test, standard agent.

Введение

Практика эксплуатации и техническое состояние вагонов, в особенности специальных, показывают, что указанный в технических условиях срок службы в большинстве случаев далек от предельного. Во многом это связано как с существенным запасом прочности, заложенном при проектировании, так и с особенностями эксплуатации конкретного типа вагонов.

В связи с этим, когда в конце прошлого столетия стал проявляться дефицит подвижного состава, в том числе специализированного, а также в силу технической и экономической сложности его обновления по истечении нормативного срока службы было принято решение о частичном отказе от регламентированных нормативных сроков службы для тех единиц подвижного состава, индивидуальный ресурс которых позволял разрешить их дальнейшую безаварийную

эксплуатацию [5, 8]. Отметим, что проблемы оценки ресурса вагонов, выработавших нормативный срок службы, также актуальна и для других стран [2, 3, 7, 9].

Безусловно, подвижной состав, имеющий значительный срок службы, требует дополнительного контроля для обеспечения безопасности движения. В связи с чем, в отличие от существующей схемы продления срока службы вагонов, крайне важно знать, по нашему мнению, не только реальную картину напряженно-деформированного состояния, на основе которой выполняется оценка ресурса, но и фактические физико-механические характеристики металла. Как изменились основные механические характеристики (предел прочности, твердость, предел выносливости, ударная вязкость и т. п.) несущей конструкции после длительной эксплуатации - вопрос, на который предстоит

Транспорт

отвечать при обосновании продления срока службы вагонов. Следует также учесть, что интенсивность и специфика эксплуатационных нагружений у разных типов, а зачастую и моделей вагонов существенно различна. Изменение или не изменение указанных характеристик могут показать только соответствующие испытания, для чего потребуется отбор типовых образцов рассматриваемых моделей вагонов, несущие конструкции которых станут материалом для подготовки образцов. Наличие базы данных механических характеристик несущих конструкций вагонов, подлежащих продлению срока службы после длительной эксплуатации, является крайне важным с позиции обеспечения безопасной работы грузового подвижного состава. Наряду с вышесказанным отметим, что в настоящее время также отсутствует методика прогнозирования остаточного ресурса несущей конструкции вагона относительно технического состояния испытанного типового представителя.

Процедура прогнозирования остаточного

ресурса несущих конструкций вагонов

Предлагаемый подход прогноза остаточного ресурса несущих конструкций вагонов после длительной эксплуатации включает следующие этапы:

1. Изучение технической документации, условий эксплуатации, анализ информации по проведению технических освидетельствований и ремонтов вагонов.

2. Разработка диагностических карт кузова и рамы вагона, выполнение визуального контроля, измерение толщин элементов конструкции, контроль сварных швов и основного металла, отбраковка вагонов, а также отбор образца (типового представителя), желательно с худшим техническим состоянием, для проведения испытаний.

3. Разработка компьютерных моделей и выполнение виртуальных испытаний типового представителя с учетом фактических значений толщин элементов конструкции для определения соответствия деградированной конструкции требованиям актуальной нормативной документации.

4. Проведение натурных контрольных испытаний несущей конструкции типового представителя при характерных режимах нагружения.

5. Анализ результатов расчетов и испытаний, установление проблемных зон несущей конструкции, разработка схемы вырезки образцов и их изготовление для исследования химического состава и физико-механических характеристик материала несущей конструкции.

6. Исследование химического состава и физико-механических свойств материала несущей

конструкции вагона после длительной эксплуатации (от, Ов, о-1, 5, у, НВ, КСи);

7. Расчетно-экспериментальная оценка остаточного ресурса несущей конструкции типового представителя с учетом проведенных испытаний натурного объекта и установленных характеристик материала.

8. Прогнозирование остаточного ресурса для несущих конструкций вагонов с различным техническим состоянием на основе полученных результатов для типового представителя.

Расчетно-экспериментальная

методика оценки остаточного ресурса

Методика оценки остаточного ресурса металлоконструкции вагона базируется на подходе, изложенном в «Нормах для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм» [4] и РД 24.050.37 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества» [1]. Принимаются следующие допущения:

- усталостное повреждение или разрушение материала вагона в основном происходит при упругом деформировании;

- параметром, определяющим циклическую прочность, являлся коэффициент запаса сопротивления усталости;

- справедлива линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений;

- для неустановившегося режима нагруже-ния амплитудные значения динамических напряжений приводятся к эквивалентному симметричному циклу.

Коэффициент запаса сопротивления усталости определяется по формуле

°а, N . Г 1 П =--—> \П\,

^ а, э

где - предел выносливости (по амплитуде)

для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов N = 107, который в отличие от нормативной методики определяется с учетом фактического предела выносливости материала после длительной эксплуатации и коэффициента снижения предела выносливости в выбранной контрольной зоне; <5аэ - величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведенная к базовому числу циклов N0, эквивалентная повреждающему воздействию реального режима эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы; [п] - минимально допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости за выбранный срок службы.

о

Таким образом а,э - параметр, включающий в себя срок службы металлоконструкции, в том числе и уровень ее технического состояния. Для его определения при к режимах нагружения воспользуемся формулой

Т

N1 N

£ \т к

(о а,) • Р,

где т - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах; - суммарное число циклов динамических напряжений за расчетный срок службы котла для к-го режима нагружения; N0 - базовое число циклов; о £г - уровень амплитуд напряжений в 7-м интервале к-го режима нагружения; Рк - вероятность (частость) действия уровня амплитуд оаэ в 7-м интервале к-го режима

нагружения.

Суммарное число циклов для к-го режима представим в виде

N1 = КкТр,

где Кк - коэффициент, связывающий суммарное число циклов динамических напряжений с расчетным суммарным сроком службы для к-го режима нагру-жения; Тр - суммарный расчетный срок службы.

Амплитудные значения динамических напряжений для неустановившегося режима наг-ружения, полученные по результатам контрольных испытаний вагона, приводятся к эквивалентному симметричному циклу по формуле

^ исп . ^,,„исп

0а = 0а + У0 т ,

амплитуда динамического напряжения,

где оа

полученная по результатам испытаний при несимметричном цикле нагружения; у - коэффициент чувствительности асимметрии цикла нагружения; ои™ - среднее напряжение цикла, полученное по результатам испытаний.

Таким образом,

(

Т = N -

Тр 1У о

о

а, N

И

V

Т

тук^^ / к \т к

К Т(оа,) • Р,

В рамках описанной методики можно выполнить оценку остаточного ресурса несущей конструкции вагона после длительной эксплуатации с учетом фактических физико-механических характеристик материала. В то же время остается нерешенной задача определения остаточного ресурса (или установления его отсутствия) несущей конструкции вагона при техническом состоянии, от-

личном от состояния вагона (типового представителя), прошедшего комплекс соответствующих испытаний. Под типовым представителем следует понимать аналогичную модель (конструкцию) вагона.

Методика прогнозирования ресурса

несущих конструкций вагонов

с различным техническим состоянием

и ее апробация

Предлагаемую методику и процедуру ее реализации рассмотрим на примере несущей конструкции вагона - хоппер-дозатора модели ЦНИИ ДВЗ, которые в настоящее время эксплуатируются на Белорусской железной дороге для перевозки, механизированной разгрузки, дозировки и разравнивания балласта на путевой решётке при всех видах ремонта железнодорожного пути, а также при текущем его содержании. Значительная доля указанных вагонов выработала нормативный срок службы. Специфика эксплуатации вагонов рассматриваемого типа существенно отличается от условий эксплуатации грузовых вагонов при перевозке грузов в части как величин и частостей действия (например, продольных ударных усилий, во многом определяющих ресурс вагона), так и сезонной интенсивности их использования. В работе [6] на основе полученных экспериментальных данных выполнена оценка остаточного ресурса несущей конструкции вагона после 50 лет эксплуатации, который составил не менее 11 лет.

Таким образом, реализация описанной выше расчетно-экспериментальной методики позволяет для 7-й контрольной точки несущей конструкции испытанного вагона с у-м техническим состоянием (толщиной металла ) получить значение остаточного ресурса. Дальнейшее решение сводится к необходимости определения амплитудных значений динамических напряжений в 7-й контрольной

точке несущей конструкции с толщиной 5^ • ^ при

к-ом характерном режиме нагружения. Здесь 5/ -

коэффициент у-го состоянии системы, учитывающий износ (утонение) несущей конструкции в 7-й контрольной точке.

Учитывая, что получение массива экспериментальных данных динамических напряжений для каждого характерного режима нагружения и

широкого диапазона изменений 5/ - задача весьма дорогостоящая и зачастую невыполнимая, необходимо разработать процедуру определения массива соответствующих напряжений на основе имеющихся экспериментальных данных типового представителя. Предлагается, используя результаты виртуальных испытаний несущей конструкции

к

к

Рис. 1. Схема наклейки тензометрических датчиков Т1-Т15

вагона (комплекс расчетов на основе компьютерного моделирования), установить изменение напряжений в Ш контрольной точке для ^го характерного режима нагружения в зависимости от технического состояния (коррозионного износа) /

Для рассматриваемой модели вагона приняты три характерных режима нагружения: соударение вагонов (режим А), движение в составе поезда (режим В), режим загрузки-разгрузки (режим С). Схема расклейки тензометрических датчиков в контрольных точках 1.. .15 приведена на рис. 1.

На рис. 2 приведены значения остаточного ресурса в контрольных точках конструкции, полученные с использованием описанной выше методики.

Отметим, что каждый из рассматриваемых режимов нагружения вносит свой «вклад» в расход ресурса, соотношение которого связано с расположением контрольной точки (рис. 3).

Рис. 2. Остаточный ресурс в контрольных точках конструкции

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Номер контрольной точки

Рис. 3. Процент «вклада» различных режимов нагружения в расход остаточного ресурса

Очевидно, что более подробного внимания с позиции прогноза ресурса в зависимости от технического состояния заслуживают контрольные точки № 15 и № 3. Так, для контрольной точки № 15 наибольший «вклад» в расход ресурса составит режим А, а для точки 3 - режим В.

Для выбранных контрольных точек проведены расчетные исследования и получен массив данных изменения эквивалентных напряжений в зависимости от утонения конструктивных элементов для различных режимов нагружения. Установлено, что изменение напряжений от тол-

щины элементов с высокой достоверностью аппроксимируются уравнением вида о = М+Ь , где 7 - толщина конструктивного элемента в контрольной точке, а, Ь - некоторые постоянные. На рис. 4 и 5 приведены расчетные зависимости напряжений от толщины конструктивного элемента (приведено в долях от толщины элемента на испытанном вагоне 7исп) и соответствующие аппроксимирующие зависимости с уравнениями и величиной достоверности аппроксимации для различных грузовых состояний (в частности, продольных усилий в автосцепное устройство), а также от действия вертикальных сил.

записать

а Г1 -а j

а

100

ны, которые не превышают 1 %. Аналогичные результаты получены для контрольной точки № 3, для которой Д^3* не превысило 2 %.

Рис. 5. Расчетные зависимости напряжений от толщины

конструктивного элемента № 3 для режимов А и В (приведено в долях от толщины элемента на испытанном вагоне ^исп)

Рис. 4. Расчетные зависимости напряжений от толщины конструктивного элемента № 15 для режимов А и В (приведено в долях от толщины элемента на испытанном вагоне ¿исп)

Кроме того, установлено, что процент изменения напряжений в полученных зависимостях для широкого спектра нагрузок в пределах каждого шага

изменения sj остается практически неизменным.

ti

Так, для 7-й контрольной точки при k-м режиме нагружения для n-го грузового состояния можно

; const. Принимая шаг

изменения толщины равным 0,1 ¿Жп, обозначим в общем виде процент изменения напряжений для одного шага равным Aj , а, например, для шага изменения толщины от 0,77исп до 0,87исп при продольной силе соударения 0,96 МН - Л0,97б/о 8 •

О 96 18 2 7 3 7

Таким образом, получим Л° «Л «А «Л,; «const,

что подтверждается диаграммами на рис. 6 для контрольной точки № 15. На диаграммах указаны расхождения Л^35 между максимальным и минимальным значениями A для одного шага толщи-

Рис. 6. Диаграммы изменения Aj (точка № 15, режим А)

Таким образом, учитывая вышесказанное и базируясь на экспериментальных данных испытаний типового представителя (обозначим индексом «э») и полученных расчетных значениях (обозначим индексом «р»), определяют прогнозные рас-четно-экспериментальные зависимости изменения динамических напряжений (обозначим индексом «рэ») в 7-й контрольной точке конструкции вагона в зависимости от j-го технического состояния для k-го характерного режима нагружения. Причем, исходя из вышеизложенного (рис. 6), для получения прогнозных расчетно-экспериментальных зависимостей при режиме нагружения с широким спектром нагрузок достаточно воспользоваться одной из расчетных зависимостей, что существенно облегчает объем вычислений. Так, для k-го режима нагружения и j+1-го технического состояния

к

n

Т а б л и ц а 1

Расчетно-экспериментальные зависимости изменения амплитудных значений напряжений

Грузовое состояние режима Контрольная точка № 15 Контрольная точка № 3

атах а тт атах атт

Режим А

N = 0,967 МН -5,869/ + 109,6 1,707/ - 31,88 -0,045/ + 2,536 0,492/ - 27,89

N = 1,113 МН -6,722/ + 125,5 2,454/ - 45,82 -0,022/ + 1,268 0,514/ - 29,17

N = 2,713 МН -17,925/ + 334,7 6,509/ - 121,5 -0,268/ + 15,22 1,609/ - 91,31

N = 2,864 МН -19,846/ + 370,6 5,655/ - 105,6 -0,379/ + 21,56 1,363/ - 77,36

N = 3,095 МН -20,059/ + 374,6 4,802/ - 89,7 -0,268/ + 15,22 1,855/ - 105,25

N = 3,77 МН -24,327/ + 454,3 6,082/ - 113,6 -0,492/ + 27,89 2,056/ - 116,67

N = 4,58 МН -26,888/ + 502,6 8,536/ - 159,4 -0,447/ + 25,36 2,346/ - 133,15

Режим В

- -4,546/ + 88,27 2,866/ - 55,65 -0,939/ + 30,28 0,742/ - 23,9

массив напряжении в /-и контрольной точке можно определить по формуле

к «I

1 + <

к/+1 -а /

а;

•к I, •

Полученный массив данных фактически представляет собой массив зависимостей вида

а/+1 =

/Ы • )•

Применительно к рассматриваемому вагону для контрольных точек № 15 и № 3 прогнозные расчетно-экспериментальные зависимости изменения амплитудных значений напряжений для режимов А и В (приведены для нагрузок, полученных при проведении испытаний) сведены в табл. 1.

Приведенные зависимости подставляются в методику оценки остаточного ресурса, причем в качестве дополнительной экзогенной переменной, наряду со значениями механических характеристик материала, сезонностью эксплуатации и т. п., выступает параметр, связанный с геометрическими характеристиками области в контрольной точке или его аналог относительно характеристики контрольной области типового представителя.

Таким образом, для любого /-го технического состояния получена возможность оценки ресурса /-й контрольной области, т .е. получения массива долговечностей {г/ ]. На рис. 7 приведены зависимости остаточного ресурса несущей конструкции вагона - хоппер-дозатора в контрольных зонах № 15 (Т15) и № 3 (7з) от толщин соответствующих конструктивных элементов 51 (в долях относительно значения на испытанном вагоне). Полученные зависимости с высокой достоверностью (Я2) аппроксимируются полиномами пятой и третей степени соответственно.

Как видно из рис. 7, при прогнозировании ресурса несущей конструкции с техническим со-

стоянием, отличным от испытанного вагона, следует рассматривать совокупность контрольных точек. Например, в рассматриваемом случае для вагона испытанного и объекта с меньшими толщинами критерием является контрольная точка № 15, для которой ресурс оказался минимальным. В то же время при толщинах, более чем на 10 % больших ¿исп, определяющим станет ресурс для контрольной области № 3.

Рис. 7. Зависимости остаточного ресурса в контрольных зонах № 15 (Т15) и № 3 (Тз) от толщин соответствующих

конструктивных элементов 5( (в долях относительно значения на испытанном вагоне)

Заключение

В результате выполнения работы получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика прогнозирования ресурса несущих конструкций вагонов с различным техническим состоянием на основе результатов испытаний типового представителя.

2. Выполнена апробация методики при оценке остаточного ресурса несущих конструкций вагонов - хоппер-дозаторов, по результатам которой получены зависимости ресурса от технического состояния (утонения конструктивных

р

к

элементов) установленных контрольных точек.

3. Установлено, что оценку ресурса несущей конструкции вагона, в том числе остаточного, с техническим состоянием, отличным от состояния типового представителя, можно выполнять с использованием результатов экспериментальных исследований последнего, причем при прогнозировании следует рассматривать совокупность зависимостей ресурса контрольных областей конструктивных элементов от их геометрических параметров.

4. Наряду с оценкой остаточного ресурса предложенный подход может быть использован при разработке модифицированных конструкций вагонов, отличающихся от базовой модели повышенной долговечностью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества : РД 24.050.37-95. Введ. 02.02.1995. М. : ГосНИИВ, 1995. 101 с.

2. Жарова Е.А. Обоснование вариантов продления сроков службы специализированных вагонов-платформ : дис. ... канд. техн. наук. СПб., 2008. 129 с.

3. Зимакова М.В. Продление срока службы вагонов-цистерн с учетом изменения физико-

механических свойств металлоконструкций базовых узлов : дис. ... канд. техн. наук СПб., 2012.144 с.

4. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / ГосНИИВ-ВНИИЖТ. М., 1996. 319 с.

5. О корректировке «Положения о продлении срока службы грузовых вагонов, курсирующих в международном сообщении» / Ю. П. Боро-ненко и др. // Евразия Вести. 2012. -№ X. С.13-14.

6. Путято А.В., Коновалов Е.Н., Афанаськов П.М. Прогнозирование остаточного ресурса вагона хоппер-дозатора после длительной эксплуатации с учетом фактических физико-механических характеристик материала несущей конструкции // Механика машин, механизмов и материалов. 2016. № 1(34). С. 26-35.

7. Сычев В.П. Разработка и модернизация средств технического обслуживания железнодорожного пути : дис. ... докт. техн. наук. М., 2007. 308 с.

8. Третьяков А.В. Управление индивидуальным ресурсом вагонов в эксплуатации. СПб. : ОМ-Пресс, 2004. 348 с.

9. Boiko A. Assessment of Remaining Resource of Tank Wagons with Expired Life Time. Summary of Doctoral Dissertation: Engineering sciences. Riga, 2013. 39 p.

УДК 621.311: 621.321 Закарюкин Василий Пантелеймонович,

д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,

e-mail: zakar49@mail.ru Крюков Андрей Васильевич, д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения,

e-mail: and_kryukov@mail.ru Черепанов Александр Валерьевич, к. т. н., ст. преподаватель, Иркутский государственный университет путей сообщения,

e-mail: santela89@mail.ru

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЗОНАНСНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ВЫСШИХ ГАРМОНИКАХ В ТЯГОВЫХ СЕТЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

V. P. Zakaryukin, A V. Kryukov, A. V. Cherepanov

MODELLING OF HIGHEST HARMONICS RESONANT PROCESSES IN ALTERNATING CURRENT TRACTION NETS

Аннотация. Резонансные процессы в системах электроснабжения железных дорог, возникающие на основной частоте и частотах высших гармоник, могут создавать серьезные проблемы для электрооборудования. Токи высших гармоник (ВГ) не только протекают в тяговой сети, но и проникают также в систему внешнего электроснабжения и сети нетяговых потребителей. Ввиду наличия однофазных источников ВГ по трехфазным сетям распространяются гармоники с номерами, кратными трем. Этот факт имеет важнейшее значение ввиду существенного преобладания генерируемой электровозами третьей гармоники над остальными ВГ.

Резонансные эффекты в системах электроснабжения железных дорог (СЭЖД) могут возникать из-за запаздывания в распространении электромагнитного поля вдоль линий, а также вследствие наличия емкостных и индуктивный элементов. Аналитическое решение задачи распространения ВГ в СЭЖД с учетом основных влияющих факторов является слишком