Анализ развития методов оценки усталостной прочности несущих конструкций кузовов грузовых вагонов

Анализ развития методов оценки усталостной прочности несущих конструкций кузовов грузовых вагонов

Срок службы и эксплуатационная надежность конструкций вагонов и их узлов являются предметом исследования вагоностроителей с момента начала производства подвижного состава железных дорог. При создании первых конструкций вагонов использовались классические методы проектирования и расчета методами строительной механики. Однако по мере накопления опыта эксплуатации создавались и совершенствовались методические подходы к проектированию конструкций вагонов. Разработка прикладной нормативной базы проектирования конструкций вагонов была завершена практически одновременно с формированием отечественной вагоностроительной промышленности как самостоятельной отрасли машиностроения.

Методическая основа исследования усталостной прочности несущих вагонных конструкций и их узлов, на основе которой прогнозировались эксплуатационная надежность и срок службы, была сформирована в 60-х годах прошлого столетия. Специалистами Центрального научно-исследовательского института Министерства путей сообщения (ЦНИИ МПС), Всесоюзного научно-исследовательского института вагоностроения (ВНИИВ) и машиностроительных предприятий была разработана единая методика исследования и оценки усталостной прочности вагонных конструкций и их узлов [1]. В основу этой методики был положен опыт эксплуатации конструкций вагонов и результаты многочисленных испытаний, проведенных в 50 и 60-х годах прошлого столетия. Основной предпосылкой создания методики явилось отсутствие на тот момент отработанных методов расчета и недостаток необходимых экспериментальных данных по усталостным испытаниям узлов вагонов сложной конфигурации, на которых должны базироваться методы расчетной оценки усталостной прочности.

Еще одной важной предпосылкой, определившей разработку единой методики, было создание на вагоностроительных заводах и в исследовательских организациях специализированных экспериментальных участков. Эти участки оснащались необходимым стендовым оборудованием для проведения вибрационных испытаний. Таким образом, был выполнен большой объем сравнительных усталостных испытаний деталей и узлов вагонов.

На базе ЦНИИ МПС была создана экспериментальная база для усталостных испытаний с применением модельных и натурных образцов узлов кузовов вагонов. Значительная экспериментальная база была организована на Урале: на Уральском вагоностроительном заводе и в Уральском отделении ЦНИИ МПС. На испытательном оборудовании этих предприятий наряду с работами по исследованию литых и штампосварных рам тележек проводились испытания заделок стоек полувагонов, узлов соединения хребтовой балки с поперечными балками рам полувагонов и платформ. На базе Калининского и Рижского филиалов ВНИИВа были созданы испытательные участки, на которых исследовались различные узлы конструкций кузовов вагонов. Кроме этого, небольшие испытательные участки были организованы на других вагоностроительных и сталелитейных предприятиях (Ждановском заводе транспортного машиностроения, Днепродзержинском вагоностроительном заводе, Алтайском вагоностроительном заводе, Кременчугском стателитейном заводе и др.). Работы по испытаниям вагонных конструкций проводились под руководством ве¬дущих специалистов - представителей практически всех испытательных и исследовательских центров вагоностроения того времени, которые со¬ставили коллектив авторов разработанной методики [ 1 ]: Вершинский С. В., Кузьмич Л. Д., Тарлинский И. В., Деркач Б. А., Березовский А. М., Битюцкий А. С., Малин С. Г.

Разработанная методика [1] определяла порядок проведения экспериментальных исследований натурных узлов вагонных конструкций и содержала рекомендации по выбору режима нагружения, общего порядка проведения испытаний, способов обработки результатов и оценки усталостной прочности. Методика была предназначена в основном для унификации методов исследования усталостной прочности вагонных конструкций и их узлов и основана на всех современных на то время достижениях науки. Было принято, что методика подлежит дополнению и корректировке по мере накопления новых данных и развития вопросов усталостной прочности. Практически все основные положения методики были включены в Нормы проектирования [2] редакции 1972 года и так и оставались без значительных изменений в течение последующих 25 лет.

Согласно методике проверка усталостной прочности узлов вагонных конструкций производится двумя способами на основе зависимости:

где σ_{а, э} - расчетная эквивалентная величина амплитуды эксплуатационных динамических напряжений в детали;
[n] - допускаемый коэффициент запаса.

Первый способ: в качестве σ_а,N принимается предел выносливости для натурной детали при установившимся режиме нагружения и базовом числе циклов N₀=10⁷. Второй способ:  σ_а,N определяется по формуле:

Величина допускаемого коэффициента запаса усталостной прочности устанавливается с целью обеспечить необходимую надежность узлов. Эта величина принимается на основе данных, полученных из эксплуатации, и должна отражать совершенство методов расчета и полноту необходимых данных по усталостным испытаниям узлов.

Вся процедура проведения стендовых испытаний на усталость может быть условно разделена на следующие этапы:
- определение геометрических размеров натурного образца;
- выбор эквивалентного по повреждающему воздействию режима на¬гружения;
- определение схем приложений нагрузок и закреплений;
- обоснование необходимого количества опытных образцов;
- принятие программы приложения нагрузок;
- оценка результатов испытаний.

В период 60, 70 и 80-х годов прошлого столетия проводился значительный объем испытаний натурных узлов: соединения хребтовой и шкворневой балок различных типов грузовых вагонов, заделок стоек полувагонов. После обобщения этого опыта было установлено, что для проведения первых двух из вышеперечисленных этапов испытаний не всегда удается, исходя из возможностей стендового оборудования, воспроизвести необходимые силовые схемы. Поэтому для шкворневого узла грузовых вагонов в результате большого количества испытаний были подобраны такие схемы нагружения и закрепления, которые позволяли получить повреждения, аналогичные эксплуатационным. На основе этого была начата разработка отдельных методик для усталостных испытаний узлов. Однако в результате была создана только одна отраслевая методика [3], а все остальные работы были приостановлены.

Разработанная Методика исследования напряженного состояния и испытаний на выносливость крестообразных макетов шкворневых узлов грузовых вагонов обобщала опыт по испытаниям шкворневых узлов и определяла геометрические размеры натурного образца, описывала режим нагружения, схемы приложений нагрузок и закреплений, программу нагрузок при испытаниях. При этом принятые схемы нагружения и закрепления нельзя назвать в полной мере идентичными тем, которые действуют при эксплуатации. Однако в результате стендовых испытаний были получены усталостные разрушения, по своему характеру и месту расположения эквивалентные тем, что наблюдались при эксплуатации. К сожалению, должное обоснование количества образцов и алгоритм оценки результатов не вошли в эту методику. Описанная методика для шкворневых узлов была успешно использована для отработки вариантов конструкции для различных вагонов. При этом с определенной достоверностью из различных вариантов конструкции выбирался лучший по количеству циклов при равных режимах нагружения, но количественно прогнозировать срок службы не представлялось возможным.

Наибольшее количество стендовых испытаний было выполнено для конструкции заделки стоек боковой стены полувагона [4, 5]. В результате были значительно усовершенствованы конструкции заделок стоек, проведена их унификация, но, к сожалению, единая методика, аналогичная раз¬работанной для шкворневого узла, не была создана.

Как уже говорилось выше, в редакции Норм 1983 года практически полностью была сохранена методика оценки усталостной прочности кузовов вагонов и их узлов. По этим Нормам было создано поколение грузовых вагонов с осевой нагрузкой 23,5 тонны и первые модификации кузовов всех типов грузовых вагонов для осевой нагрузки 25 тонн. Кроме того, в 1984 году на основе ранее действовавшего руководящего документа (РТМ) был разработан отраслевой стандарт [6], который устанавливал общие требования к методам испытания на усталостную прочность. Этот документ определил минимальное число образцов для усталостных испытаний.

Если провести сравнение методики оценки усталостной прочности редакции 1983 года с предыдущей редакцией 1972 года, то можно кон¬статировать, что основные положения в них не изменились. В частности, допускаемые значения коэффициента запаса усталостной прочности [n] остались прежними, что косвенно свидетельствует о том, что методы рас¬чета вагонных конструкций те же и данных об усталостных испытаниях узлов по-прежнему недостаточно.

В 80-е годы произошло широкое внедрение в практику проектирования вагонов численных методов расчета, например метода конечных элементов. Вагоностроители на основе результатов натурных испытаний успешно отработали расчетные схемы и методики расчета, в результате чего значительно повысилась достоверность расчетного исследования статической прочности. Постепенно вариантные расчеты конструкций узлов с использованием уточненных расчетных схем пришли на смену более дорогостоящим натурным испытаниям. Испытания проводились только для окончательного варианта конструкции, выбранного на основе расчетных исследований, и для сравнительной оценки усталостной прочности. Это послужило одной из причин сокращения количества испытаний натурных узлов.

В результате детальных уточненных расчетов становилось все больше данных о напряженно-деформированном состоянии конструкций кузовов вагонов, вследствие чего появилась возможность оценить напряжения практически в каждой точке. Однако методика оценки усталостной про¬чности не изменилась. Следует отметить, что в основу оценки усталостной прочности была положена гипотеза о том, что для расчетной оценки узлов используются данные о номинальных напряжениях [7], полученные по обычным формулам сопротивления материалов. То есть таким, при которых рассматривается идеализированная «стержневая» расчетная схема кузова, построенная на нейтральных осях центров поперечных сечений несущих элементов. Поэтому применение при расчетной оценке усталостной прочности зависимости (2) при использовании уточненных расчетных данных о напряженно-деформированном состоянии конструкций становится не совсем корректным.

Это обосновывается тем, что в формуле (2) используется коэффициент  - общий коэффициент снижения усталостной прочности. В соответствии с [7] этот коэффициент учитывает следующие факторы: концентрацию напряжений, форму и масштабный фактор (влияние абсолютных размеров поперечных сечений и их соотношение с толщинами элементов сечения). При проведении уточненных расчетов численными методами эти два фактора уже учтены. Таким образом, при использовании результатов расчета напряжений от эксплуатационных нагрузок, полученных с применением уточненных расчетных схем, возникает необходимость усовершенствования методики оценки усталостной прочности.

В 70 и 80-х годах прошлого столетия первоначально во ВНИИЖТе [8], а затем в Кременчугском филиале ВНИИВа [9] проводились ударные ресурсные испытания грузовых вагонов. При испытаниях груженый вагон подвергался продольному ударному воздействию вагона-бойка с предельными нормативными нагрузками. В результате таких испытаний на вагоне были получены повреждения, эквивалентные эксплуатационным. При этом преимущественно оценивался ресурс не основных несущих элементов кузова, а деталей упоров ударно-тягового устройства, навесного оборудования - подножек, поручней, механизмов разгрузки и тормозного оборудования. По окончании испытаний были зафиксированы также и начальные повреждения несущих элементов, подобные тем, что фиксировались при эксплуатации. Аналогичные испытания были продолжены в начале 90-х годов. Результаты этих испытаний составили методическую основу работ по обоснованию продления срока службы сверх назначенного технической документацией при постройке вагона.

В 90-х годах была развернута большая работа по оценке ресурса вагон¬ных конструкций и определения возможности его продления. Обследование технического состояния практически всех типов грузовых вагонов показало, что их несущие конструкции не исчерпали несущую способность. Одной из причин сложившейся ситуации являются завышенные коэффициенты запаса прочности и более жесткие нормативные требования эксплуатации по сравнению с реальными условиями. Работы по продлению срока службы продолжаются до настоящего времени. Срок службы массово продлевается вагонам, спроектированным и построенным по Нормам 1972 и 1983 годов. Значительное количество этих вагонов сейчас находится в эксплуатации. Однако до сегодняшнего дня не сделано полного обобщения результатов анализа технического состояния кузовов вагонов, который достигнут на момент истечения назначенного срока службы и на момент списания. Такой анализ позволит обосновать более реальные коэффициен¬ты запаса прочности и нормативные эксплуатационные требования.

В 1996 году была введена в действие новая редакция Норм. В ней объем раздела, посвященного методике оценки усталостной прочности, по сравнению с предыдущими редакциями был значительно увеличен. Ключевые формулы для расчета коэффициента усталостной прочности (1) и (2) остались неизменными. При этом в несколько раз было увеличено количество различных поправочных коэффициентов, что затрудняет ее практическое применение при проектировании конструкций вагонов. Для определения  - общего коэффициента снижения усталостной прочности для данной натурной детали - была предложена формула:

В открытой литературе не было обосновано применение формулы (3), которая отличается от общепринятой формулы для расчета этого коэффициента [7].

где k_σ - фактор, учитывающий концентрацию напряжений;

k_дσ - масштабный фактор, или влияние абсолютных размеров поперечного сечения;

k_Fσ - фактор, учитывающий качество обработки поверхности;

k_υ - технологические методы поверхностного упрочнения деталей;

 k_А - эксплуатационные факторы (температура, коррозия и др.).

Работы по исследованию коэффициентов k_σ, k_υ, k_дσ ,используемых в формуле (4), успешно проводились во ВНИИВе [10]. Они показали, что их учет может в 1,5-3 раза изменить результаты расчетной оценки усталостной прочности. Кроме вышеуказанного, в редакции Норм 1996 года величина допускаемого коэффициента запаса прочности [n] была увеличена по сравнению с ранее принятой более чем на 15%. Таким образом, было проигнорировано появление и успешное внедрение уточненных методов расчета, а также результаты более чем 40-летнего опыта многочисленных усталостных испытаний узлов вагонов. Такая ситуация сложилась в том числе и потому, что Нормы были введены в действие без обсуждения с ведущими исследовательскими организациями вагоностроения и вагоностроительными заводами под давлением МПС, представлявшего тогда владельца инфраструктуры железных дорог. Новые отраслевые методики расчетно-экспериментальной оценки усталостной прочности несущих конструкций не создавались. Практически единственным новым отраслевым документом можно назвать методику испытаний стального проката для определения возможности его использования при изготовлении котлов цистерн [11].

Новых конструктивных решений в период с начала 90-х годов на вагоностроительных заводах было внедрено немного. В конструкции новых вагонов были использованы узлы, отработанные за последние 10-15 лет и хорошо зарекомендовавшие себя при эксплуатации. Сложилась ситуация, когда в эксплуатационном парке успешно работает значительное количество грузовых вагонов различных типов, спроектированных по Нормам 1983 года. Для конструкций таких грузовых вагонов были хорошо отработаны основные узлы, которые без особых изменений остаются до настоящего времени. Состояние этих вагонов на момент окончания срока службы удовлетворительное, и они продолжают успешно эксплуатироваться. В соответствии с Нормами редакции 1996 года создаются новые вагоны, в которых используются конструктивные решения, аналогичные применяемым в ранее выпускавшемся, но масса кузовов при этом увеличена. В конечном счете это отрицательно сказывается на экономической эффективности вагонов.

В последние 3-5 лет на ряде вагоностроительных заводов предприняты попытки создания вагонов с применением принципиально новых конструктивных решений. Реализация таких попыток будет невозможна без развития методов проектирования, в первую очередь - методов оценки усталостной прочности несущих конструкций.

Таким образом, актуальной является задача развития отраслевых методик расчетно-экспериментальной оценки усталостной прочности несущих конструкций. Требуется разработать более лаконичный и нормативно верный документ для создания которого необходимо:

- доработать методику усталостных испытаний основных несущих элементов: заделок стоек боковой и торцевой стены кузова, соединения рам платформ, элементов рам кузовов вагонов без хребтовой балки;

- продолжить исследование по обоснованию снижения коэффициентов запаса усталостной прочности при использовании результатов расчета напряжений от эксплуатационных нагрузок, полученных с применением уточненных расчетных схем;

- провести обобщение результатов работ по анализу технического состояния кузовов вагонов на момент истечения назначенного срока службы и на момент списания и на их основе обосновать реальные коэффициенты запаса прочности и нормативные эксплуатационные требования.

Список литературы

1. Методика исследования и оценки усталостной прочности вагонных конструкций и их узлов. - М. : ВНИИВ-ЦНИИ МПС, 1968. -36 с.

2. Нормы для расчета на прочность и проектирования механической части новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1972. - 180 с.

3. Методика исследования напряженного состояния и испытаний на выносливость крестообразных макетов шкворневых узлов грузовых вагонов.-М. : ВНИИЖТ-ВНИИВ, 1982. - 14 с.

4. Стулишайко И. Г. Исследование причин разрушения поперечных балок рамы полувагона//Сб. науч. тр. /ВНИИВ. - М., 1966. - Вып. 1. - С. 56-61.

5. Плоткин В. С. Исследование усталостной прочности заделок стоек 4-осных цельнометаллических полувагонов / В, С. Плоткин, С. С. Дружинин, Е. И. Ченцов //Сб. науч. тр./ВНИИВ. -М„ 1978. - Вып. 35. - С. 21-26.

6. ОСТ 24.050.37-84. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества. - Введ. 1984-10-11. - М., 1984.-38 с.

7. Когаев В. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность / В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А. П. Гусенков : спра¬вочник. - М.: Машиностроение, 1985. -224 с.

8. Котиков В. А. Усталостные ударные испытания хребтовой балки четырехосной цистерны со сварными узлами упоров автосцепки / В. А. Котиков//Сб.науч.трудов/ВНИИЖТ;подред.С. В. Вершинского. - М. : Транспорт, 1976. - Вып. 548. - С. 129-137.

9. Исследование по повышению надежности вагонов для минеральных удобрений:отчет о НИР(закпюч.): 8889.1.143.1 /ВНИИВ; рук. А. С. Кухто. - М„ 1989.-139с.

10. Кашкин А. И. Исследование усталостной прочности макетных образцов и натурных узлов платформ, изготовленных из стали марки 10Г2БД / А. И. Кашкин, Н. И. Миронов // Сб. науч. тр. / ВНИИВ. - М., 1980. - Вып. 42.-С. 76-90.

11. Программа и методика испытаний стального проката в целях определения его пригодности для изготовления котлов вагонов цистерн маги¬стральных железных дорог колеи 1520 мм : 5790-05.00.00.000 ПМ. - СПб., 2006.-24с.

Содержание Сборники научных трудов