CC BY
49
расчетно-экспериментальные исследования
напряженно-деформированного состояния упругой вставки адаптера тележки модели 18-194-1
в. П. Ефимов,
канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ» -Уральское отделение
в. А. Пранов,
канд. техн. наук, старший преподаватель Уральского государственного университета путей сообщения
с. м. Буторин,
инженер ООО НПП «Уником-Сервис»
а. н. Баранов,
инженер ОАО НПК«Уралвагонзавод»
Предлагаемая расчетно-экспериментальная методика оценки упруго-прочностных характеристик полиуретановых деталей тележек грузовых вагонов хорошо соотносится с данными натурных экспериментов и может применяться для оценки напряженно-деформированного состояния упругих вставок адаптера буксовых узлов инновационных тележек. Исследования подтвердили наличие у детали проблемных зон, а также позволили разработать варианты усиления конструкции и наметить пути повышения эксплуатационной надежности вставок адаптера.
Рис. 1. Схема адаптерного буксового узла тележки и зоны появления трещин в полиуретановой вставке в эксплуатации
Одним из несущих элементов тележки модели 18-194-1 [1] является вставка адаптера, которая выполняет роль надбуксового рессорного подвешивания (рис. 1, 2). Наиболее остро вопрос о применении буксовых амортизаторов встал в связи с разработкой грузовых тележек нового поколения с нагрузкой на ось 25-30 тс, а также в связи со значительным повышением требований к эксплуатационной надежности и к обеспечению гарантийных межремонтных пробегов более 500 тыс. км. Для российских железных дорог разработано несколько инновационных тележек с повышенными осевыми нагрузками [2, 3], в конструкции которых реализованы буксовые амортизаторы.
Вставка устанавливается на адаптер подшипникового узла и является опорой боковой рамы. Известно, что в эксплуатации случаются преждевременные разрушения вставок по центру опорной части (рис. 1, поз. 1) и в местах соединения вертикальной стенки и опорной поверхности (рис. 1, поз. 2).
Таким образом, актуальным является вопрос оценки прочности и упругих свойств детали. Расчетно-эксперимен-тальные исследования жесткости полиуретановых элементов буксового подвешивания проводились из материала «Дуотан» [4]. Предложенные аналитический и конечно-элементный расчеты
без учета нелинейности в поведении материала показали хорошее совпадение с экспериментом только по вертикальной жесткости. Анализ напряженного состояния деталей не проводился.
В основе данного исследования использовался метод конечных элементов, учитывалось нелинейное поведение материала детали из полиуретана, то есть решалась задача гиперупругого деформирования. Деталь моделировалась объемными конечными элементами в форме тетраэдра (рис. 3) как наиболее подходящими для получения слож-
Рис. 2. Общий вид вставки адаптера
Рис. 3. Конечно-элементная модель вставки адаптера
Таблица 1. Начальные константы материала для уравнения Муни - Ривлина
1 Константа С10 С01 С20 С11 С02 С30 С21 С12 С03
| Значение константы, Па | -1,17-108 | 1,35-108 | 7,84-108 -1,76-109 | 1,06-109 | 7243 | -1,26-105 | -1,96-108 | 1,42-108 |
Таблица 2. Полученные константы материала для уравнения Муни - Ривлина
1 Константа С10 С01 С20 С11 С02 С30 С21 С12 С03
Значение константы, Па -5,87-107 6,77-107 3,94-108 -8,81-108 5,32-108 3621,5 -63301 -9,79-107 7,12-107
Таблица 3. Результаты испытаний вставок адаптера тележки продольной нагрузкой
№ образца Величина деформации, мм, для продольной нагрузки
1,0 тс 3,0 тс 5,0 тс
1 0,21 0,93 1,45
2 0,25 1,14 1,85
3 0,16 0,61 0,9
4 0,39 1,1 1,62
5 0,76 1,37 1,81
6 0,33 0,92 1,33
Результаты расчета 0,38 1,13 1,84
Таблица 4. Результаты испытаний вставок адаптера тележки вертикальной нагрузкой
№ образца Величина деформации, мм, для вертикальной нагрузки
5,0 тс 10,0 тс 15,0 тс
1 0,86 1,2 1,44
2 0,67 0,9 1,1
3 0,63 0,81 1,07
4 0,71 0,9 1,18
5 0,93 1,23 1,43
6 0,43 0,73 0,98
Результаты расчета 0,63 1,06 1,43
Таблица 5. Результаты испытаний вставок адаптера тележки поперечной нагрузкой
№ образца Величина деформации, мм, для поперечной нагрузки
4,0 тс 8,0 тс
1 1,85 2,60
2 1,78 2,56
3 1,72 2,44
Результаты расчета 1,79 2,54
ной формы вставки, количество элементов составило 14 757, узлов - 25 110.
Основной характеристикой материала при расчете на прочность служит модуль упругости. Однако у полиуретана, как и у других эластомеров, модуль Юнга не является постоянной величиной при нагружении, а зависимость напряжение-деформация - нелинейная. Поэтому в качестве первоначальных данных для расчета были взяты величины напряжений, полученные при испытаниях образцов из полиуретана вул-коллан 30 на растяжение [5] по стандартной методике ASTM D412 [6]. Полученная диаграмма приведена на рис. 4. Поскольку серийная деталь рассчитывалась для уретанового фторпо-лимера марки ТТ-194 системы ТДИ по ТУ 22-06-5180710-2007 (ООО НПП «Уником-Сервис»), далее значения на диаграмме (рис. 4) корректировались в соответствии с опытными данными по экспериментально найденным величинам деформаций.
В качестве расчетной использовалась девятипараметрическая модель Муни — Ривлина, так как она обладает низкой чувствительностью к качеству результатов испытаний. Согласно теории Муни — Ривлина, упругий потенциал является функцией инвариантов деформации, а выражение упругого потенциала через главные степени растяжения для изотропного несжимаемого материала представляется в виде
ш = сМ - з)+С0Д - 3)+с2Д - 3)4 С, Д - З)(72 - 3)+С02(72 - з)2 + +с,Д - З)3+С2Д - 3)2(72 - 3)+с12( I - 3 )(/2 - З)2+с03(/2 - 3)\
где V - упругий потенциал энергии деформации; I - инвариант тензора деформаций; с„ - константы материала.
На основе имеющейся диаграммы растяжения (рис. 4) полиуретановых образцов были рассчитаны величины с (табл. 1). Полученные константы (табл. 1) были использованы при начальном расчете вставки адаптера. На рис. 5 показана схема нагружения и закрепления детали, используемая при расчетах (нагрузки прикладывались раздельно). Задача решалась методом Ньютона — Рафсона, который для случая конечно-элементной задачи имеет вид
Деформация, % Рис. 4. Кривая напряжение-деформация при растяжении для вулколлана 30
где [К3] - матрица касательной жесткости;
{Дм (} - приращение вектора деформаций для 1-й итерации;
{Р } - вектор приложенных сил;
{К} - вектор сил полученных для 1-й итерации.
вертикальная
Рис. 5. Схема закрепления и нагружения вставки
По результатам расчета полученные константы материала были скорректированы (табл. 2, рис. 6).
В результате расчета с новыми константами были получены величины деформаций вдоль осей действия нагрузок. На рис. 7, 8 показаны поля деформаций для некоторых заданных усилий. Для получения опытных данных и верификации расчетной модели были проведены статические испытания полиуретановой вставки адаптера тележки на вертикальную, поперечную и продольную нагрузки. Детали предварительно нагружались три раза нагрузкой 10 тс. Температура во время проведения эксперимента составляла +20 °С. Было испытано шесть образцов на различную статическую нагрузку, при этом измерялась величина деформации деталей. Результаты расчета и опытные данные для продольного, поперечного и вертикального нагружений приведены в табл. 3-5.
Как видно из табл. 3-5, результаты расчета достаточно хорошо корррели-руют с данными испытаний, конечно-элементная модель адекватно отражает поведение материала при различных видах нагружения.
Поскольку вставка испытывает различные виды деформаций при нагру-жении, то для оценки напряженного состояния использовались величины эквивалентных напряжений по четвертой теории прочности. Эквивалентные напряжения по Мизесу находили по формуле
2 2 2 (°1-а2) ЧС2-°з)
О =
э
где а , а2, аз - главные действующие нормальные напряжения.
На рис. 9-12 показаны величины эквивалентных напряжений при некотором нагружении вставки. Как видно из расчетов, места изломов вставки в зоне поз. 1 (рис. 1) могут быть вызваны большими деформациями и напряжениями в местах
2 3 4 5 Деформация, %
Рис. 6. Полученная кривая напряжение-деформация для испытанного материала
Рис. 7. Величина деформаций вдоль оси г в мм от продольной нагрузки 5 тс
Рис. 8. Величина деформаций вдоль оси у в мм от вертикальной нагрузки 5 тс
33,355 МЛК
д.хэ
12Я7 19ЗД1
! 1,119
3,7063
СДОПНЖМ!
Рис. 9. Величина эквивалентных напряжений в МПа для продольной нагрузки 5 тс, вид сверху
перехода опорных поверхностей в тело детали, т. е. местными концентраторами напряжений. Кроме того, наличие больших деформаций вставки в продольном и поперечном направлениях при относительно небольших нагрузках ведет к повышенному растяжению детали в зоне
поз. 2 (рис. 1), так как вертикальные стенки при этом остаются неподвижными, поскольку они зажаты между адаптером и боковой рамой тележки. Следовательно, для повышения эксплуатационной на-дежности вставки адаптера необходимо применять полиуретан марки «Уник-
Рис. 10. Величина эквивалентных напряжений в МПа для продольной нагрузки 5 тс, вид снизу
>Цгн ЬЯЫ
W7M *HW
7JI5B
V* ДОИ
Рис. 11. Величина эквивалентных напряжений в МПа для вертикальной нагрузки 5 тс, вид сверху
Рис. 12. Величина эквивалентных напряжений в МПа для вертикальной нагрузки 5 тс, вид снизу
спур», обладающий улучшенными физико-механическими свойствами, не чувствительный к большим деформациям, но обладающий достаточной жесткостью для восприятия комбинированных на-
грузок. Перспективными направлениями повышения прочности и долговечности вставок адаптера являются применение составных конструкций типа «сэндвич» или применение армированных вставок
адаптера из полиуретана марки «Уникс-пур 1А 700».
Таким образом, можно сделать следующие выводы. Полученная рас-четно-экспериментальная методика хорошо соотносится с данными натурных экспериментов и может применяться для оценки напряженно-деформированного состояния упругих вставок адаптера буксовых узлов инновационных тележек. Проведенные исследования подтвердили наличие проблемных зон детали, а так же позволили разработать варианты усиления конструкции и наметить пути повышения эксплуатационной надежности вставок адаптера.
Литература
1. Ефимов В. П., Пранов А. А., Баранов А. Н., Белоусов К. А. Тележка для грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми нагрузками // Железнодорожный транспорт. 2009. № 6. С. 58-61.
2. Бороненко Ю. П., Орлова А. М. Тележки с повышенной осевой нагрузкой // Железнодорожный транспорт. 2008. № 10. С. 50-53.
3. Коссов В. С., Чаркин В. А., Добрынин Л. К. и др. Тележка с осевой нагрузкой 25 тс для грузового вагона нового поколения // Железнодорожный транспорт. 2008. № 7. С. 55-58.
4. Бороненко Ю. П., Орлова А. М., Васильев С. Г. и др. Полиуретановые элементы буксового подвешивания тележки грузовых вагонов // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты: сб. науч. ст. СПб.: ПГУПС, 2003. С. 39-45.
5. Потураев В. Н., Дырда В. И. Резиновые детали машин. М.: Машиностроение, 1977. 216 с.
6. ASTM D412. Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers-Tension.
портал для специалистов транспортной отрасли
www.rostransDort.com
