Исследование усталостной прочности заделок стоек боковой стены новой конструкции кузова полувагона

Исследование усталостной прочности заделок стоек боковой стены новой конструкции кузова полувагона

Заделка стойки боковой стены является одним из наиболее нагруженных элементов конструкции кузова полувагона. Это обусловлено особенностями конструкции, в которой не используется система внутрикузовных усиливающих элементов стенки или диафрагм между боковыми стенками. Конструкция заделки стойки современного полувагона совершенствовалась на основе более чем двадцатилетних исследований. Эти исследования проводились в основном путем сравнительных стендовых усталостных испытаний вариантов натурных узлов. При этом следует отметить, что конструкция кузова полувагона принципиально не изменялась в течение нескольких десятилетий.

С возникновением современных методов расчета стало возможно более точно прогнозировать напряженное состояние конструкции вагона или его отдельных узлов. Тем самым появилась возможность разработать конструкцию с наименьшим количеством конструктивных концентраторов напряжений. Однако расчет прочности не дает полной оценки сопротивления усталости. Основным направлением повышения уровня надежности вагонов является улучшение характеристик сопротивления усталости его узлов на основе усталостных испытаний. По результатам испытаний можно достаточно точно прогнозировать характеристики усталостной прочности.

Инженерным центром разработана принципиально новая конструкция кузова полувагона с глухим полом (рис. 1). Вагон отличается повышенной грузоподъемностью, уменьшенной массой тары и увеличенным объемом кузова. В конструкции кузова полувагона использовано принципиально новое решение для узла заделки стойки боковой стены к раме вагона, а также увеличено общее количество стоек боковой стены. В качестве нижней обвязки в новой конструкции применен горячекатаный равнополочный швеллер вместо горячекатаного уголка, а для стойки использован гнутый швеллер взамен специального fi-образного профиля. Новая конструкция также отличается от существующих применением гладкого листа (негофрированного) для обшивки боковой стены. Однако использование гладкого листа снижает коэффициент запаса устойчивости обшивки, в то же время увеличение общего количества стоек боковой стены позволяет избежать потери устойчивости обшивки. Следует отметить, что увеличение количества стоек боковой стены позволило снизить момент сопротивления стойки и соответственно ее массу. В связи с этим возникла необходимость подтверждения показателей надежности данного узла.

При создании нового кузова был выполнен первый этап, однако для прогнозирования срока службы полувагона необходимо было сделать оценку усталостной прочности. Для сравнения показателя усталостной прочности в качестве базовой конструкции была принята унифицированная заделка стойки полувагона, хорошо зарекомендовавшая себя при эксплуатации. Как показал опыт, эта конструкция, созданная на основе результатов многочисленных усталостных испытаний, обеспечивает срок службы более 22 лет.

В 2009 году после длительного перерыва Инженерным центром вагоностроения были возобновлены работы по проверке усталостной прочности новых конструкций узлов полувагонов путем проведения сравнительных усталостных испытаний. Испытания проводились по общей методике, которая была использована в работах [1-4] и включает в себя следующие этапы:

-     определение геометрических размеров натурного образца;

-    выбор эквивалентного по повреждающему воздействию режима нагружения;

-     определение схем приложения нагрузок и закреплений;

-     обоснование необходимого количества опытных образцов;

-     принятие программы приложения нагрузок;

-     оценка результатов испытаний.

В методике испытаний унифицированных узлов были приняты следующие положения.

Определение геометрических размеров натурного образца производилось исходя из высоты приложения нагрузки (≈1/3 высоты боковой стены), а также чтобы исключить влияние закреплений на напряженное состояние конструкции в целом (≈1/3 длины промежуточной балки).

Выбор эквивалентного по повреждающему воздействию режима нагружения был выбран из расчета максимальной распорной нагрузки, возникающей в ходе эксплуатации. Это позволило также значительно сократить время на проведение сравнительных испытаний. Испытательная нагрузка принималась равной 4,5±1,5 тс.

Определение схем приложения нагрузок и закреплений производилось на основе анализа эксплуатационных нагрузок, в результате принималась эквивалентная нагрузка, действующая в точке на определенной высоте стойки вместо неравномерно распределенной по всей высоте стойки нагрузки. Закрепление осуществлялось по плоскости сечения промежуточной балки в виде жесткой заделки (рис. 2).

Рис. 2. Проведение усталостных испытаний узла заделки стойки боковой стены полувагона: а) 1982 г.; б. 2009 г.

Обоснование необходимого количества образцов производилось на основании надежных статистических данных, необходимых для сравнительных испытаний. Принято, что испытания образцов в количестве 4 штук дают надежные статистические данные, необходимые для сравнительной оценки их усталостной прочности.

Программа приложения нагрузок состояла в следующем: на первом этапе выполнялось статическое нагружение образца для сравнительной оценки его напряженного состояния и жесткости; на втором этапе проводились сравнительные динамические испытания. Одновременно на одном стенде могли испытываться два образца с целью экономии времени на проведение испытаний.

Оценка результатов производилась на основе сравнения полученных при динамических испытаниях данных о количестве циклов до появления первой трещины и до полного разрушения. На основании этих данных выбирался вариант с наибольшим количеством циклов.

Для проведения усталостных сравнительных испытаний узла заделки стойки новой конструкции согласно общей методике были выбраны следующие размеры: высота стойки от уровня пола равна 1 м, длина промежуточной балки до места крепления на испытательном стенде - 0,45 м.

Испытательная нагрузка, эквивалентная максимальному повреждающему воздействию при эксплуатации, определялась аналогично ранее проведенным испытаниям и рассчитывалась по формулам (1-3):

F = F_y+F_ц.с. 

где F- суммарная нагрузка, приходящаяся на одну стойку;

F_y- сила распора груза с учетом коэффициента вертикальной динамики;

F_ц.с. - центробежная сила, действующая на стойку при движении в кривой.

Сила распора груза с учетом коэффициента вертикальной динамики рассчитывалась по формуле:

где Р - грузоподъемность;

L - длина кузова внутри;

Н - высота боковой стены;

к_дв - максимальный коэффициент динамики, рассчитывается по Нормам [6];

V - объем кузова;

n - количество стоек на одной боковой стене.

Центробежная сила F_ц.с действующая на стойку при движении в кривой, определялась по формуле:

В результате получен эквивалентный по повреждающему воздействию режим нагружения для новой конструкции заделки стойки, равный 2,55±0,85. Указанный режим нагружения эквивалентен использованному при испытаниях унифицированной конструкции. Следовательно, для создания лучшей конструкции заделки стойки необходимо было получить при заданном режиме нагружения количество циклов большее, чем у унифицированной конструкции.

Схема приложения нагрузки была аналогична ранее проведенным испытаниям, за исключением высоты приложения силы l, которая определялась по формуле:

Высота приложения силы в результате расчета равна 0,836 м. Схема закрепления опытного образца на стенде была полностью идентична ранее проведенным испытаниям.

Для проведения испытаний в 2009 году количество опытных образцов узла заделки стойки новой конструкции принималась равным четырем.

Оценка результатов испытаний также осущест влялась путем сравнения количества циклов, полученных при циклической нагрузке до появления первой трещины (не менее 200 тыс. циклов), а затем до разрушения (не менее 600 тыс. циклов).

С использованием опыта предыдущих испытаний и учетом требований современных нормативных документов [5, 6] методика проведения испытаний была уточнена.

Как уже говорилось выше, в соответствии с методикой каждый образец (рис. За) испытывался в два этапа: первый - статические испытания; второй - динамические. Целью первого этапа являлось определение напряженного состояния конструкции узла, выявление наиболее нагруженных зон, определение статического прогиба конструкции, а также тарировка тензорезисторов, установленных на опытном образце согласно специально разработанной схеме (рис. 36) для определения режима нагружения динамическими нагрузками. Целью второго этапа являлось получение трещины в конструкции при заданном режиме нагружения. В процессе динамических испытаний определялась амплитуда динамических напряжений, количество циклов до появления первой трещины и до разрушения, а также длина трещины и ее развитие с увеличением числа колебаний. По результатам второго этапа проводилась сравнительная оценка с данными испытаний, полученными ранее для существующих аналогов.

Рис. 3. Опытный образец (а) и схема его нагружения (б) при стендовых усталостных испытаниях

Статическое и динамическое нагружение образцов производилось на специальном стенде (рис. 4). Нагружение статическими нагрузками осуществлялось при помощи гидравлического домкрата, при этом величина нагрузки определялась с помощью силоизмерительного датчика. Нагружение динамическими нагрузками выполнялось с помощью гидроцилиндра испытательной машины ЦД-100. Использовалась различная аппаратура для регистрации статических и динамических напряжений для обеспечения измерений устойчивых показаний тензодатчиков (тензорезисторы с базой 20 мм). Для измерения статических напряжений применялась микропроцессорная многоканальная тензометрическая система ММТС-64.01, а для измерения динамических напряжений - мобильный измерительный усилитель Spider8.

Рис. 4. Схема установки и нагружения опытных образцов при статических и динамических испытаниях

При статических испытаниях определялась величина прогиба при помощи прогибомера, установленного на образце, в точке приложения нагрузки (рис. 5) и напряжения в опытном образце при помощи тензодатчиков.

В результате испытаний при действии статической нагрузки были получены значения прогибов образцов в точке приложения нагрузки (табл. 1), а также напряжения в контрольных точках для всех испытываемых образцов.

Рис. 5. Схема установки прогибомера на опытном образце

Таким образом, при проведении статических испытаний было установлено, что напряжения в образцах возрастают линейно с увеличением нагрузки. Также наблюдается симметричность показаний тензодатчиков в симметричных контрольных точках, что подтвердило достоверность полученных значений напряжений.

На основе результатов динамических испытаний опытных образцов выявлено, что возникновение первой трещины происходит в месте приварки П-образной накладки к верхнему листу шкворневой балки по внешним углам П-образной накладки (рис. 6 а). Характерным местом возникновения трещины является зона шва приварки верхнего листа к вертикальному листу шкворневой балки в месте окончания П-образ- ной накладки (рис. 6 б). Также в конструкции данного узла наблюдаются трещины в верхней части вваренного в обшивку боковой стены листа увеличенной толщины (рис. 6 в) и в нижней части стойки в месте окончания сварных швов приварки вертикального швеллера стойки к нижней обвязке (рис. 6 г).

Рис. 6. Трещины, образовавшиеся при усталостных испытаниях: а) в месте приварки П-образной накладки к верхнему листу шкворневой балки по внешним углам П-образной накладки; б) в шве приварки верхнего листа шкворневой балки к вертикальном листу шкворневой балки в месте окончания П-образной накладки; в) в верхней части вваренного в обшивку боковой стены листа увеличительной толщины; г) в нижней части стойки в месте окончания сварных швов приварки вертикального швеллера стойки к нижней обвязке 

Для сравнительной оценки усталостной прочности новой и унифицированной конструкции были использованы их данные о количестве циклов до появления первой трещины и до разрушения (табл. 2). Было определено, что среднее количество циклов до появления трещины у новой конструкции составляет 812 тыс. циклов. Эта величина в четыре раза превышает аналогичную у унифицированной конструкции. Среднее количество циклов до разрушения у новой конструкции равно 1996 тыс. Это в три раза выше аналогичного показателя у унифицированной конструкции.

Таким образом, был разработан узел заделки стойки боковой стены полувагона с улучшенными показателями усталостной прочности. При сравнении данных усталостных испытаний было установлено, что новая конструкция выдерживает большее количество циклов, чем существующие аналоги.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы:

-    предложена и апробирована уточненная методика усталостных испытаний однотипных узлов конструкций полувагонов;

—     проведены усталостные испытания узла заделки стойки боковой стены полувагона новой конструкции, в результате которых обосновано, что конструкция по показателям усталостной прочности в несколько раз превосходит серийно выпускаемые аналоги.

Список литературы 

1.   Оптимизация параметров угловых швов заделки стоек боковых стен и швов соединений боковых и торцевых стен : отчет о НИР (заключ.): тема 85.90.7.169 п. 6. / Всерос. науч. исслед. ин-т вагоностроения, Калининский филиал. - Калинин, 1986. - 100 с.

2.   Битюцкий А. А. Анализ напряженного состояния и совершенствование конструкций соединений несущих элементов кузова полувагона : дис. ... канд. техн. наук/ Битюцкий Александр Анатольевич - Л., 1983. - 183 с.

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

4.   Ченцов Е. И. Выносливость узлов крепления стоек к раме полувагона/

Е. И. Ченцов, С. И. Михайлов //Совершенствование конструкции, технического обслуживания, ремонта вагонов и погрузочно-разгрузочных средств : сб. науч. тр. / под ред. Г. К. Сендерова, В. В. Зубарева. - М., 1978.-С. 45-48.

5.   Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества : РД 24.050.37 95. - М., ГосНИИВ, 1995. - 102 с.

6.   Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. -317 с.

Содержание Сборники научных трудов