CC BY
34
иркутским государственный университет путей сообщения
периментально показано, что предложенная методика имеет приемлемую инженерную точность.
3. Предложена методика выбора сочетания параметров волочильного стана, процесса волочения и параметров изделия, исключающая возможность потери продольной устойчивости изделия в момент окончания процесса волочения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Еремеев В. К., Баранов Г. Л. Экспериментальное исследование трубоволочильного стана 2500кН // Сталь. 1988. № 2.
2. Еремеев В. К. Состояние и перспективы совершенствования волочильного
оборудования прямолинейного действия // Тяжелое машиностроение. 1993. № 2.
3. Еремеев В. К. Снижение силы осевого удара в изделии по окончании волочения на станах прямолинейного типа // Тяжелое машиностроение. 1999. № 7.
4. Тележка волочильного стана: А.с. №1132996 МПК В21С1/28 / Еремеев В. К., Пантелеев А. Ф.; Опубл. 07.01.1985. Бюл. № 1
5. Мальцев В. Ф. Роликовые механизмы свободного хода. М., Машиностроение, 1968.
6. Томсен Э. Механика пластических деформаций при обработке металла. М., Машиностроение, 1969.
7. Бидерман В. Л. Теория механических колебаний. М. Высшая школа, 1980.
УДК 629.4.01 Путято Артур Владимирови ч,
д. т. н., доцент, ведущий научный сотрудник отраслевой научно-исследовательской лаборатории «Технические и технологические оценки ресурса единиц подвижного состава», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375(232)953791, e-mail: [email protected]
Белогуб Виктор Владимирович, научный сотрудник отраслевой научно-исследовательской лаборатории ««Технические и технологические оценки ресурса единиц подвижного состава», Белорусский государственный университет транспорта, тел.: +375(232)953791, e-mail: [email protected]
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ КОТЛА ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ ПОСЛЕ 40 ЛЕТ ЭКСПЛУАТАЦИИ
A. V. Putsiata, V. V. Belahub
PREDICTION OF FATIGUE STRENGTH OF A COPPER OF THE TANK CAR AFTER 40 YEARS OF MAINTENANCE
Аннотация. Приведена методика расчетной оценки коэффициентов запаса усталостной прочности наиболее нагруженных конструктивных элементов котла железнодорожной цистерны. Выполнены расчеты по прогнозу запаса усталостной прочности котла вагона-цистерны для перевозки бензина после 40 лет эксплуатации, на основе которых установлено, что усталостная прочность котла рассмотренной модели вагона-цистерны обеспечена на срок эксплуатации не менее 40 лет.
Ключевые слова: котел вагона-цистерны, усталостная прочность, срок службы, методика расчета.
Abstract. The technique of a calculation estimation offactors of a store offatigue strength of the most loaded constructive elements of the tank car copper is resulted. Calculations under the prognosis of a store of fatigue strength of the tank car copper for transportation of benzine after 40 years of maintenance are executed. It is installed, that fatigue strength of a copper of
the observed model of the tank car is ensured on an expected life not less than 40 years.
Keywords: the tank car copper, fatigue strength, expected life, calculation procedure.
Введение
При разработке новой конструкции вагона в Технических условиях указывается его назначенный срок службы. В соответствии с ГОСТ 27.002, это календарная продолжительность эксплуатации, при достижении которой эксплуатация объекта должна быть прекращена независимо от его технического состояния. В то же время многолетняя практика эксплуатации железнодорожного подвижного состава показала, что зачастую техническое состояние вагона, отработавшего назначенный срок службы, весьма далеко от предельного и это может быть связано как с резервом, заложенным на стадии проектирования, так и с условиями эксплуатации. В связи с этим, в настоящее время широкое распространение получила проце-
дура продления срока службы грузовых вагонов до возраста, равного полуторному сроку назначенного срока службы вагона. На стадии становления и развития этой процедуры (уже более 15 лет назад), которая изложена в «Положении о продлении сроков службы грузовых и рефрижераторных вагонов государств-участников соглашений о совместном использовании грузовых вагонов в международном сообщении», на основе проведения ресурсных ударных испытаний получен огромный массив данных, характизующий остаточный ресурс различных типов вагонов после длительной эксплуатации. Таким образом, наряду с техническим диагностированием и расчетами соответствующего объема продлеваемого вагона, основанием назначения нового срока службы являются результаты ресурсных испытаний вагона-аналога, под которым понимается аналогичная модель либо модель с аналогичными техническими и конструктивными характеристиками. Процедура проведения ресурсных испытаний изложена в РД 24. 050.37-95 [2], и здесь следует отметить, что ресурсные испытания должны в полной мере отражать условия эксплуатации соответствующего вида вагона [3], лишь в таком случае они могут быть эффективными. В настоящее время отсутствуют результаты ресурсных испытаний новых вагонов, технико-экономические показатели которых существенно отличаются от вагонов старого поколения, а назначенный срок службы, например, для нефтебензиновых вагонов-цистерн уже более 40 лет составляет 32 года. В связи с этим, актуальной является задача развития методов экспериментальной и расчетной оценки ресурса вагона, в том числе и остаточного после длительной эксплуатации.
В настоящей работе решена задача оценки ресурса нового котла вагона-цистерны для перевозки бензина модели 15-9887 по критерию усталостной прочности при эксплуатации не менее 40 лет.
Все элементы котла выполнены из стали 09Г2С ГОСТ 5520-79 . Предел текучести [о]т = 325 МПа, временное сопротивление ов = 470 МПа. Временное сопротивление разрыву металла сварных швов ов = 490 МПа. При расчете на прочность котла толщины всех его элементов изменены с учетом возможного коррозионного износа на протяжении 40 лет со скоростью 0,02 мм/год [4].
Методика оценки сопротивления усталости котла
Методика основана на подходе, изложенном в «Нормах для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [4] и РД 24.050.37-95 [2]. Приняты следую-
щие 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 нагружения амплитудные значения динамических напряжений приводятся к эквивалентному симметричному циклу.
Оценка усталостной прочности производилась по коэффициенту запаса сопротивления усталости по формуле
с
п =
а, N
с
Ф],
(1)
где са,N - предел выносливости (по амплитуде)
для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом
7
числе циклов N0 = 10 ;
- величина амплитуды динамического
с,
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.
Расчетное значение са N определялось по фор-
муле
саN =саN (1 - гр ^ ),
(2)
где са N - медианное (среднее) значение предела выносливости контрольной зоны;
2р - квантиль распределения са,N, соответствующий односторонней вероятности 95 % (¿р = 1,645);
чСаЫ - коэффициент вариации предела выносливости материала, чСаМ = 0,07 [4].
Значение са N определялось по формуле - С-1
са,N = п~ л , (кс )к
где с-1 - среднее (медианное) значение предела выносливости гладкого стандартного образца из материала (по ГОСТ 25.502) при симметричном цикле изгиба на базе N = 107 циклов. Для листов
(3)
09Г2С с-1 = 210 МПа, для металла швов с-1 = 0,5св = 0,5 • 490 = 245 МПа; (кс )к - среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости в выбранной контрольной зоне по отношению к пределу выносливости гладкого стандартного образца. Значение принималось согласно [4]. Для элементов из низколегированных сталей коэффициенты приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Коэффициенты (кс )к
Зона Область люка Область лап Область лежней
(кс) 4,5 5,2 1,5
Таким образом, расчетные значения пределов выносливости для различных зон котла вагона-цистерны приведены в табл. 2.
Таблица 2
Пределы выносливости са N
Зона Область люка Область лап Область лежней
са, N, МПа 48,18 41,69 123,88
Для определения са э использовалась фор-
мула
N п
с„*= тXс а! • Р,
(4)
\1 Щ ,=1
где а - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;
Ыс - суммарное число циклов динамических напряжений за расчетный срок службы котла; N0 - базовое число циклов;
с ■ - уровень амплитуд напряжений в 7-м интервале;
Р1 - вероятность (частость) действия уровня амплитуд са э;
п - число интервалов напряжений. Уровень амплитуд напряжений са,- определяется при действии вертикальных динамических нагрузок при эксплуатации (блок нагрузок I) и от действия продольных ударных сил (блок нагрузок
II).
Определение уровней амплитуд напряжений от действия вертикальных динамических сил
Уровни амплитуд напряжений от действия вертикальных динамических сил определялись по
формуле
сш ссткдв, ■
(5)
где сст - статическое напряжение от силы тяжести брутто котла;
кдщ - коэффициент вертикальной динамики
в 7-м интервале.
Коэффициент вертикальной динамики определим по формуле
кпи, ,"4 1
" (6)
к ■ -кдв, =
дв,
Р
1п
1 - Р(кдв) '
где
кдв - среднее вероятное значение коэффи-
циента вертикальной динамики;
Р - параметр распределения; Р(кдв) - вероятность распределения, Р(кдв) = 0,97.
При и < 15 м/с
и,-
кдв! = а"
15
(7)
где а - коэффициент, равный для элементов кузова 0,05 [4];
и^ - скорость в 7-м интервале, м/с. При и > 15 м/с
к™ = а + 3,6 • 10"
дв! '
_4 и,- -15
Уст
(8)
где /ст - статический прогиб рессорного подвешивания, м.
Статическое напряжение от силы тяжести брутто котла было получено из расчета методом конечных элементов котла вагона-цистерны (к конечно-элементной модели прикладывались только силы тяжести котла и груза). На рис. 1 и 2 приведены расчетная схема и фрагменты напряженно-деформированного состояния элементов котла соответственно.
Величины статических напряжений от силы тяжести брутто котла для исследуемых (наиболее напряженных) зон котла приведены в табл. 3.
Таблица 3 Величины статических напряжений
Зона Область люка Область лап Область лежней
сст, МПа 31,4 22,2 76,7
В качестве и, приняты средние скорости интервалов распределения скоростей согласно [4]. Величины и,, кдв,- и р- приведены в табл. 4.
к
Рис. 1. Расчетная схема котла вагона цистерны для расчета статических напряжений от силы тяжести брутто
Рис. 2. Фрагменты напряженно-деформированного состояния (МПа) элементов котла вагона-цистерны
от силы тяжести брутто
Т а б л и ц а 4
Величины иг-, £двг- и р^
Интервал скоростей иг-, м/с 1- . Лдвг р1
0 - 12,5 6,25 0,039 0,03
12,5 - 15,0 13,75 0,085 0,07
15,0 - 17,5 16,25 0,111 0,09
17,5 - 20,0 18,75 0,145 0,12
20,0 - 22,5 21,25 0,179 0,16
22,5 - 25,0 23,75 0,213 0,19
25,0 - 27,5 26,25 0,248 0,16
27,5 - 30,0 28,75 0,282 0,10
30,0 - 32,5 31,25 0,316 0,06
32,5 - 35,0 33,75 0,351 0,02
1
Суммарное число циклов вертикальных динамических сил за срок службы в соответствии с [4] определяется по формуле
-103
N = /э ■ 365-
т
и
(9)
где /э - центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений, Гц;
Ьс - среднесуточный груженый пробег вагона, км/сутки;
ит - средняя техническая скорость движения вагона, м/с;
Тк - расчетный суммарный срок службы, Тк = 40 лет.
Центральную частоту процесса изменения динамических напряжений определим по формуле
271 ^/ст '
где а - коэффициент для кузова вагона-цистерны, равный 1,4 [4].
Для зоны лежней значение среднего коэффициента вертикальной динамики в 7-м интервале
иркутским государственный университет путей сообщения
определяется с учетом влияния перевалки кузова вагона по формуле
кдр = кдв,(1 + У) =
(10)
где у - коэффициент, рекомендуемый [4], у = 0,2 .
Рис. 3. Расчетная схема котла вагона цистерны для расчета напряженно-деформированного состояния котла от действия продольной ударной силы
Определение уровней амплитуд напряжений при ударном взаимодействии вагона-цистерны
При ударном взаимодействии вагона-цистерны с соседними вагонами возникают быстро затухающие колебательные процессы. Уровни амплитуд при ударном взаимодействии можно определить путем пересчета напряжений по формуле
сг
где сгу - расчетные эквивалентные напряжения,
возникающие при ударном взаимодействии вагона-цистерны с соседними вагонами, МПа;
N - продольная ударная сила, действующая на вагон, соответствующая полученным расчетным напряжениям сгу, МН;
- уровень амплитуды ударного продольного усилия на автосцепку в 7-м интервале, МН.
Эквивалентные напряжения от действия продольной ударной силы N = 3,8 МН получены путем расчета методом конечных элементов котла вагона-цистерны (к конечно-элементной модели прикладывались только силы и продольные силы инерции котла брутто). Конечно-элементная модель и фрагменты полученного напряженно-деформированного состояния котла представлены на рис. 3 и рис. 4.
Величины эквивалентных напряжений от действия продольной ударной силы для исследуемых (наиболее напряженных) зон приведены в табл. 5.
Таблица 5
Зона Область люка Область лап Область лежней
сгу, МПа 127,5 106,0 120,0
„II
са, =
гу р у
а! -
N
(11)
Обобщенное распределение ударных сил приведено в табл. 6.
продольных
Таблица 6 Статистическое распределение амплитуд ударных сил
Интервал сил Амплитуда нрюла рУ. ,МН Частотность амплитуд, р, Число циклов за год
0,1- 0,4 0,25 0,1258 2539
0,4- 0,8 0,6 0,2852 5761
0,8- -1,2 1 0,2802 5661
1,2- -1,6 1,4 0,1832 3699
1,6- 2,0 1,8 0,0772 1554
2,0- 2,4 2,2 0,0359 725
2,4- 2,8 2,6 0,0098 202
2,8- -3.2 3 0,0023 48
3,2- 3,6 3,4 0,0003 6
3,6- 4,0 3,8 0,0001 2
1 20197
I
с„ „ =
N
■¿¡Г I Р (кШУ
0 1=1
N1 ^ +—^ I р',
N 11
(
0 1=1
с
Р у N т
V
(13)
Результаты расчета эквивалентных амплитуд напряжений 1са э и коэффициента запаса п
приведены в табл. 7.
В соответствии с [2, 4], а также с п. 4 таблицы 1 НБ ЖТ ЦВ 01-98 [1], при использовании приближенных данных са N, определяемых расчетным путем, и приближенных данных по са э,
определяемых расчетным путем, по установленным нормативам динамических сил минимально допускаемый коэффициент запаса усталостной прочности составляет [п] = 1,8. Таким образом,
условие прочности п > [п] выполняется для всех трех зон.
Таблица 7 Результаты расчета эквивалентных амплитуд напряжений 1са э и коэффициента запаса п
Зона Область люка Область лап Область лежней
1с а , э 26,35 20,27 51,5
са ,М 48,18 41,69 123,88
п 1,82 2,05 2,40
Суммарное число циклов продольных сил на автосцепку за расчетный срок службы (40 лет) составляет
N1 = Nг-Тк = 20197- 40 = 807880 циклов, (12) где Nт - число ударных сил на автосцепку в год, N = 20197 (см. табл. 6).
Результаты расчета
Подставляя в формулу (4) с , и с а, из формул (5) и (11), получим
Заключение
Выполненные расчеты показали, что усталостная прочность котла вагона-цистерны модели 15-9887 обеспечена на срок эксплуатации не менее 40 лет.
Изложенную расчетную методику можно рекомендовать использовать организациям, занимающимся продлением срока службы грузовых вагонов, для оценки остаточного ресурса их металлоконструкций, преобразуя ее к расчетно-экспериментальному изложению, где необходимо при определении уровней амплитудных динамических напряжений для различных нагрузочных блоков использовать экспериментальные данные.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. НБ ЖТ ЦВ 01-98. Вагоны грузовые железнодорожные : требования по сертификации : утв. Указ. МПС России от 07.08.1998 N Г-935у.
2. 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.
3. Вучечич И. И., Деркач Б. А., Кочнов А. Д. Оценка остаточного ресурса грузовых вагонов железных дорог // Вестник ВННИЖТа. 2008. № 2. С. 14-18.
4. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / ГосНИИВ-ВНИИЖТ. М., 1996. 319 с.
п
