Проблемы машиностроения и надежности машин, 2020, № 5, стр. 52-55
Моделирование нагруженности и ресурса корпуса автосцепки численно-аналитическими методами
Э. С. Оганьян 1, *, В. С. Коссов 1, М. Н. Овечников 1, Г. М. Волохов 1, А. С. Гасюк 1
1 Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава
Московская обл., г. Коломна, Россия
* E-mail: vnikti@ptl-kolomna.ru
Поступила в редакцию 25.03.2019
Принята к публикации 29.05.2020
Аннотация
В настоящей статье описан подход для оценки ресурса автосцепных устройств по критериям деформационной повреждаемости металлоконструкций. По результатам исследований проведен анализ ресурса автосцепного устройства с определением срока безопасной эксплуатации.
Анализ данных по эксплуатации составов в различных климатических регионах России показывает, что нередки случаи разрушения сцепных устройств вагонов и локомотивов, которые сопровождаются потерей связи локомотива с составом, что приводит к возникновению потенциально опасных ситуаций. Особенно это усугубляется в зимний период эксплуатации при отрицательных температурах.
Для обоснования безопасного и эффективного функционирования подвижного состава и инфраструктуры железнодорожного транспорта на всех стадиях жизненного цикла необходима разработка методов расчета и прогнозирования долговечности элементов конструкций железнодорожной техники при регулярном и нерегулярном циклическом нагружении в упругой и упругопластической областях с учетом силовых и деформационных критериев повреждаемости. Решение этой задачи связано с поиском общих закономерностей, описывающих кинетику накопления повреждаемости в металле в условиях, наиболее близких к эксплуатационным. Учитывая, что эксплуатационное нагружение объекта в основном носит случайный характер, возникают вопросы к моделированию такого нагружения и его использования в анализе повреждаемости.
Постановка проблемы. Рост грузооборота железнодорожного транспорта, повышенные скорости маневровых соударений вагонов, увеличение средней по сети и максимальной массы поездов обуславливают более интенсивную нагруженность автосцепных устройств (АС) продольными силами.
Фактические данные об эксплуатационной нагруженности АС являются основой для расчетов долговечности. Нагруженность характеризует статистика появления растягивающих и сжимающих сил различного уровня при разных режимах работы (маневровой, поездной) в виде блока нагрузок. Этот блок формируется действующими в эксплуатации нагрузками на локомотивы и вагоны через их автосцепные устройства [1, 2]. При этом характер нагружения определяется родом работы и условиями эксплуатации подвижного состава (ПС). В связи с этим рассматриваются два режима нагружения.
а) При маневровой работе с составами: в процессе их формирования на станциях, в том числе на сортировочных горках, а также при переходных режимах движения поезда (трогание, торможение) и на переломах пути с тяжеловесным составом. Возникающие при этом режиме нагружения продольные силы являются максимальными и достигают предельных нормативных значений (нормативный I режим нагружения [1]). Эти нагрузки (от 1.0–1.5 до 2.0–3.0 МН и выше), имеющие малоцикловый характер, вызывают напряжения, близкие или достигающие предела текучести, с возможным появлением и накоплением упругопластических деформаций в металле элементов корпуса АС, способных привести к его разрушению.
б) При вождении составов: в процессе движения поезда, сопровождающегося сжатием и растяжением состава, соударением и рывками в поезде, а также при разгоне и торможении поезда. Работа автосцепных устройств в поездных условиях соответствует III нормативному режиму нагружения [1]. Возникающие при этом силы преимущественно знакопеременного циклического характера с большим количеством относительно малых (на уровне 50–300 кН) сил, способных вызвать усталостное повреждение АС, и редких продольных сил, достигающих 700–1000 кН при переходных режимах движения. Напряжения в автосцепных устройствах при этом находятся в упругой области.
Наиболее частым (до 70%) из числа повреждений АС является разрушение хвостовика автосцепки типа СА-3. Из них более 50% приходится на сечения в зоне отверстия под тяговый клин (рис. 1а).
Распределение продольных сил, действующих на вагон через автосцепные устройства, нормировано [1, 2].
Согласно [3], автосцепка должна обеспечивать восприятие продольной силы растяжения не менее 2000 кН и сжатия 2500 кН. При этом наибольшие расчетные напряжения не должны превышать предела текучести материала.
В соответствии с [4] оценка ресурса детали производится по ее базовому элементу, который выбирается из числа критических. Основой выбора служат эксплуатационные данные повреждений, результаты расчетов.
Расчет напряженно-деформированного состояния. По результатам расчетов напряженно-деформированного состояния (НДС) корпуса автосцепки, выполненных в программном комплексе MSC.MARC методом конечных элементов в физически и геометрически нелинейной постановке, обусловленной упругопластическим поведением металла, большими деформациями и контактным взаимодействием деталей, наиболее нагруженной является зона контакта хвостовика с клином по цилиндрической части отверстия (рис. 1б).
В этой зоне при растяжении автосцепки силой 2 МН напряжения в отдельных элементах достигают предела текучести материала σ0.2. Высокие напряжения (~0.8σ0.2) получены также в месте перехода хвостовика к голове автосцепки.
Математические модели для оценки ресурса. Критическим элементом (зоной) в рассматриваемом случае выбрана перемычка хвостовика АС. Расчет ресурса для нее выполнялся с учетом возможности появления и накопления остаточных деформаций в материале.
Такое нагружение описывается деформационными критериями малоцикловой усталости в форме уравнений [5–9], характеризующих исчерпание пластических свойств при разрушающем числе циклов нагружения Np
(2)
$\mathop {\Delta \varepsilon }\nolimits_p = CN_{p}^{{ - {{m}_{p}}}} + \frac{{\mathop {2\sigma }\nolimits_{ - 1} }}{E}.$В развитие уравнений (1), (2) на основании анализа эксплуатационной нагруженности и условий накопления повреждений в материале несущих деталей экипажной части локомотива [10] до достижения ими предельного состояния предложена модель
(3)
$\mathop {\Delta \varepsilon }\nolimits_p = CN_{p}^{{ - {{m}_{p}}}} + \frac{{\mathop {2\sigma }\nolimits_{ - 1} }}{E}\left[ {1 - {{{\left( {\frac{{\mathop P\nolimits_Y }}{{\mathop P\nolimits_{\lim } }}} \right)}}^{2}}} \right] - \alpha \left( {\frac{{\mathop N\nolimits_H }}{{\mathop N\nolimits_1 }}} \right),$Из приведенных моделей накопления деформаций (1)–(3) наиболее полно позволяет рассматривать действующие на АС нагрузки в указанных выше режимах эксплуатации ПС модель (3), поскольку в ней учитываются нагрузки разного вида и уровня в упругой и упругопластической области и в различном их сочетании. В этой обобщенной модели оценка циклов нагружения до разрушения производится на основе выбора предельной величины остаточной деформации в критическом элементе детали автосцепки. В настоящем исследовании она принималась равной 0.0020 и 0.0018. Результаты выполненных расчетов при некоторых вариантах сочетания вида и величины нагрузок, действующих на АС, представлены в табл. 1. Для заданного годового блока нагрузок [1, 2] расчетный ресурс корпуса автосцепки по отмеченным на рис. 1б зонам может достигать в зависимости от сочетания нагрузок 30–50 лет, что согласуется с данными эксплуатации.
Таблица 1.
Режим нагружения | σ–1, МПа | PY, МН | Plim, МН | α | NH, цикл | N1/103, цикл | Δε = 0.0020 | Δε = 0.0018 | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
N/103, цикл | Т, лет | N/103, цикл | Т, лет | |||||||
I | 40 | 2.5 | 4.5 | 0.5 | 10 | 20 | 410 | 20.5 | 535 | 26.5 |
40 | 2.5 | 4.5 | 0.5 | 6 | 17.5 | 450 | 25.7 | 600 | 34.3 | |
III | 40 | 2.5 | 4.5 | 0 | − | − | 570 | 32.6 | 780 | 44.6 |
45 | 2.0 | 4.5 | 0 | − | − | 650 | 37.1 | 900 | 51.4 |
Выводы. 1. Оценка ресурса АС выполнена в численно-аналитической форме на основе конечно-элементного анализа НДС детали с использованием деформационных моделей разрушения. Существенным при этом является анализ НДС исследуемой конструкции и выбор ее критических зон. Они оказываются опасными, если образующиеся локальные зоны высоких уровней напряжений получают развитие и приводят к предельному состоянию. 2. В расчетах использованы статистические распределения продольных сил, действующих на вагон через АС, принятые в [1, 2]. Блоки этих сил в диапазоне 300–3600 кН охватывают максимальные из возможных в эксплуатации, в том числе при маневровых и горочных операциях (I нормативный режим), а также в поездных условиях (III режим). 3. Расчеты сил и ресурса АС, выполненные для указанных режимов нагружения, показали, что ресурс АС по ее наиболее нагруженным элементам (хвостовик в зоне отверстия под клин и место перехода от хвостовика к голове) заметно снижается при расчете с учетом сил, отвечающих по величине I режиму, ориентировочно до 20–30 лет (вместо 40–50 лет от сил по III режиму нагружения). 4. Разработанная для расчета ресурса деталей ПС деформационная модель разрушения (3) позволяет в широком диапазоне варьировать параметры нагружения в зависимости от долей нагрузок I и III режимов в спектре.
Задействованные в оценке теоретические, программные, экспериментальные методы могут существенно различаться. Это зависит от поставленной задачи, полноты исходных данных объекта исследования, эксплуатационных и других факторов. В частности, для повышения достоверности получаемых результатов расчетное распределение нагрузок должно быть максимально приближено к фактическому в эксплуатации.
Список литературы
ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. М.: Стандартинформ, 2016. 54 с.
ГОСТ 33788-2016. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества. М.: Стандартинформ, 2016. 41 с.
ГОСТ 33434-2015. Устройство сцепное и автосцепное железнодорожного подвижного состава. Технические требования и правила приемки. М.: Стандартинформ, 2016. 15 с.
ГОСТ Р 57445-2017. Железнодорожные технические средства. Общие требования к методам определения ресурса. М.: Стандартинформ, 2017. 26 с.
Coffin L.F. A note on low cycle fatigue laws // Journal of Materials. 1971. V. 6. N. 2. P. 388.
Manson S.S. Inversion of the strain and strain-stress relationships for use in the metal fatigue analyses // Fatigue of engineering materials and structures. 1979. V. 1. N. 1. P. 37.
Пестриков В.М. Механика разрушения / Под ред. В.М. Пестрикова, Е.М. Морозова. СПб. 2012. 552 с.
Партон В.З. Механика разрушения: От теории к практике. М.: ЛКИ. 2016. 240 с.
Проблемы прочности, техногенной безопасности и конструкционного материаловедения / Под ред. Н.А. Махутова, Ю.Г. Матвиенко, А.Н. Романова. М.: Ленанд, 2018. 720 с.
Oganyan E.S., Volokhov G.M., Gasyuk A.S., Fazliakhmetov D.M. Calculated experimental evaluation of the operating life of basic locomotive parts for ensuring their safe operation // Journal of Machinery Manufacture and Reliability. 2018. V. 47. Iss. (2). P. 155.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Проблемы машиностроения и надежности машин