Выбор пути совершенствования упоров автосцепного устройства грузовых вагонов

Выбор пути совершенствования упоров автосцепного устройства грузовых вагонов

Одним из основных направлений повышения безопасности грузового транспорта является реализация комплексного подхода к предотвращению эксплуатационных отказов. Решение этой проблемы может быть достигнуто на стадии проектирования путем совершенствования конструктивных схем, параметров, технологии изготовления и сборки узлов вагонов. Консольная часть рамы грузового вагона – это наиболее нагруженная зона, от надежной работы которой зависит безопасность движения поездов. Поэтому на сегодняшний день актуальным вопросом является внедрение нового узла консольной части рамы, отвечающего современным требованиям эксплуатации.

Для выявления специфики отказов проведен анализ эксплуатационной надежности консольных частей рам. По данным БД цниитэи МПС [1] до 30% вагонов эксплуатационного парка имеют повреждения консольных частей рам и деталей автосцепного устройства различной степени тяжести, это же подтверждается исследованиями эксплуатационного парка, проведенными инженерным центром вагоностроения. В результате были выявлены неисправности элементов автосцепного устройства, такие как трещины ребер упоров, ударной поверхности и поверхности, прилегающей к хребтовой балке (рис. 1а), излом упоров и обрыв заклепок (рис. 1б), дефекты изготовления и сборки (рис. 1в), пластические деформации ударной поверхности (рис. 1г), износ и трещины ударной розетки (рис. 1д), ненормативные зазоры между деталями, возникающие в процессе его эксплуатации (рис. 1е). Проведенный анализ статистики неисправностей деталей автосцепного устройства, элементов упоров и ударной розетки, а также требований нормативных документов показывает, что из-за различных неисправностей элементов автосцепного устройства происходят внеплановые отцепки вагонов.

Рис. 1. Основные неисправности элементов автосцепного устройства, выявленные в процессе эксплуатации

Полученные диаграммы позволяют установить, что доля каждого вида неисправностей деталей автосцепного устройства (рис. 2а) примерно одинакова. Анализ распределения неисправностей элементов упоров (ударной поверхности, ребер, стенки, прилегающей к хребтовой балке, заклепок) и ударной розетки (рис. 2б) позволил выявить аналогичную картину – доля каждого вида неисправностей составляет примерно 15–25%. Полученные результаты обследования позволили сделать вывод о том, что серийная конструкция передних и задних упоров не удовлетворяет нормативным требованиям по обеспечению надежности.

Рис. 2. Распределение неисправностей автосцепного устройства и неисправностей упоров

Для анализа причин возникновения отказов упоров автосцепного устройства и расчетной оценки показателей эксплуатационной надежности проведен нормативный расчет клепаного соединения упоров с хребтовой балкой. В соответствии с [2] и [3] были разработаны расчетные схемы приложения продольной нагрузки сжатия (растяжения) с моментом от внецентренного приложения нагрузки (рис. 3а), геометрического расположения заклепок переднего (рис. 3б) и заднего упоров (рис. 3в). Нумерация столбцов соответствует ряду заклепок от ударной розетки к шкворневой балке для переднего и заднего упоров. Нумерация строк соответствует ряду заклепок от верхней полки хребтовой балки к нижней.

Рис. 3. Расчетные схемы заклепочного соединения

Расчет произведен по формуле (1) в соответствии с [2]:

где а – коэффициент, учитывающий неравномерность нагружения заклепок (1,1);

– векторы сил от действия продольной силы и момента от эксцентриситета для каждой заклепки;

F – площадь отверстия под заклепку;

p_i – радиус, соединяющий центр сечения заклепки, в которой определяется напряжение, с центром тяжести сечений всех заклепок соединения, мм;

n – число заклепок (для переднего упора n =14, для заднего n =15).

Допускаемые напряжения среза заклепок нормальной точности в соответствии с таблицей 10.1 Норм [2] из Ст. 3 составляют 155 МПа, а из стали 09Г2 – 170 МПа. Для удобства представления результаты расчета сведены в таблицу, где номер столбца и строки заклепки на рисунке 3 соответствует номеру столбца и строки ячейки в таблице.

В результате анализа полученных напряжений среза (рис. 4) выявлено превышение напряжений над допускаемыми. Также выявлено, что наиболее сильно нагружено соединение заднего упора вследствие большего приложенного усилия. При этом максимально нагружен нижний ряд заклепок. В соединении переднего упора наблюдается картина ассиметрии нагружения заклепок в продольном направлении из-за меньшего их числа, при этом основная масса значений напряжений превышает допускаемые, а максимальные напряжения получены для заклепок нижнего ряда, так же, как и для заднего упора, что подтверждается проведенными эксплуатационными исследованиями.

Рис. 4. Распределение напряжений среза по заклепкам переднего (а) и заднего (б) упоров, МПа

Поскольку расчет по формуле 1 используется для предварительных инженерных расчетов, он имеет много допущений. Поэтому для более детальной оценки и на основании рекомендаций п. 6.2 Норм [2] проведена оценка клепаного соединения упоров с использованием метода конечных элементов. Для этого была разработана расчетная схема соединения стенки заднего упора толщиной 10 мм с вертикальной стенкой хребтовой балки толщиной 9,5 мм заклепками диаметром 23 мм. В качестве граничных условий по периметру вертикальной стенки хребтовой балки введено жесткое закрепление, а нагрузка приложена вдоль стенки упора. Элементы соединения описаны с применением объемных десятиузловых конечных элементов, размер которых выбирался из соображений минимизации затраченных ресурсов при достаточной детализации мест установки заклепок.

На основании анализа полученных эквивалентных напряжений (рис. 5) выявлено превышение напряжений над допускаемыми в заклепках, в стенке упора и в вертикальной полке хребтовой балки. Также необходимо отметить, что при приложении нагрузки происходит деформация стенки упора внутрь хребтовой балки. При такой деформации заклепки первого столбца соединения перестают работать на срез.

Рис. 5. Распределение эквивалентных напряжений в элементах при действии продольной нагрузки

В результате проведенных расчетов были получены зависимости напряжений от расположения заклепки в соединении, которые показали, что серийная конструкция клепаного соединения упоров автосцепного устройства с хребтовой балкой не отвечает требованиям Норм [2] и требует усовершенствования.

Для выбора пути модернизации и создания новой конструкции был проведен анализ существующих разработок. Вопросам проектирования конструкций деталей, показателей их надежности уделяли много внимания ученые ФГУП «ВНИИЖТ МПС России», ОАО «Азовмаш», ФГУП «ПО «Уралвагонзавод», ФГУП «НВЦ «Вагоны», ПГУПСа и других коллективов. Для определения основных направлений совершенствования проведен обзор и выполнена структуризация исследований в хронологическом порядке (рис. 6).

 

Проведенные исследования в области проектирования, расчета и испытаний описываемого узла показали множество путей развития для решения проблемы повышения прочности и надежности, в работах предложены различные варианты исполнения узла: упорный угольник (рис. 7а); клепаный объединенный задний упор (рис. 7б); приварная конструкция разработки НВЦ «ВАГОНЫ» и ВЛРЗ (рис. 7в); вариант сварной конструкции разработки ПГУПСа [4] (рис. 7г); приварная конструкция упора УВЗ (рис. 7д).

Рис. 7. Варианты конструкции упоров автосцепного устройства

Но несмотря на все разнообразие они не доведены до внедрения в серийное производство. Причиной этого могла быть недостаточность данных о прочности упоров и узла их установки. Анализ проведенных исследований показал необходимость комплексной оценки прочности и надежности хребтовой балки, упоров и соединения.

Среди современных методов решения задач строительной механики в последние годы наиболее интенсивное развитие получил метод конечных элементов (МКЭ), главным образом вследствие его широких практических возможностей. Оценке надежности деталей подвижного состава посвящены работы многих авторов [5], но для исследования узла установки упоров возникла необходимость уточнения методики оценки напряженного состояния. Для этого была разработана уточненная методика оценки напряженного состояния, реализованная в уточненной модели выбора параметров упоров автосцепного устройства и узла их установки.

Для детального анализа предложенной конструкции использована уточненная КЭ-модель для оценки нагруженности узла (см. рис. 8), позволяющая осуществлять выбор параметров элементов упоров автосцепного устройства и сварного соединения. Данная модель предусматривает многовариантную схему взаимодействия деталей автосцепного устройства и, соответственно, приложения нагрузки, что позволяет более полно оценить характер напряженного состояния и выявить причину его возникновения.

Рис. 8. Уточненная КЭ-модель

Наиболее детально моделируются соединительные элементы и зоны взаимодействия поглощающего аппарата и ударной плиты с опорной поверхностью упоров. Плотность сетки конечных элементов выбирается исходя из уровня концентрации напряжений, полученного при предварительном расчете. Исследование проводится также с целью анализа поведения сварных соединений элементов конструкции.

Моделирование конструкции упора производилось с применением объемных десятиузловых конечных элементов. Особое внимание при создании модели было уделено сварным соединениям как возможным концентраторам напряжений. Они моделировались призматическими конечными элементами по специально разработанному способу, позволяющему учесть реальные геометрические параметры сварных соединений (см. рис. 8).

При нанесении сетки конечных элементов плотность сетки была выбрана из условия увеличения точности решения при уменьшении требуемых вычислительных ресурсов.

Для моделирования конструкции был рассмотрен участок зетовой хребтовой балки с приварными упорами. Принято, что конструкция и схема ее нагружения имеют вертикальную продольную и вертикальную поперечную плоскость симметрии, поэтому при исследовании рассматривалась четверть конструкции с введением кинематических ограничений, соответствующих условию симметрии.

Анализ напряженно-деформированного состояния конструкции (рис. 9) позволил установить, что картина деформирования модели соответствует общим предварительным представлениям о характере деформирования.

На основе применения уточненной методики разработаны, изготовлены и предложены к внедрению опытные образцы приварных упоров, при установке которых создается узел консольной части хребтовой балки, отвечающий нормативным требованиям прочности и надежности (рис. 10).

Рис. 9. Распределение эквивалентных напряжений в элементах конструкции

    Рис. 10. Опытные образцы упоров, предложенных в результате апробации разработанной уточненной методики

Разработанные упоры планируется установить на опытную партию вагонов для проведения эксплуатационных и копровых испытаний и последующего внедрения в серийное производство.

В результате проведенной работы можно сделать следующие выводы:

– анализ эксплуатационной надежности узла установки упоров автосцепного устройства показал достаточно равномерное распределение между видами неисправностей с небольшим преобладанием дефектов, связанных с прочностью упоров автосцепного устройства;

– исследования в области проектирования, расчета и испытаний узла установки упоров автосцепного устройства показали необходимость комплексной оценки прочности и надежности хребтовой балки, упоров и соединения;

– разработана уточненная КЭ-модель для оценки нагруженности узла, которая позволяет более полно оценить характер напряженного состояния и выявить причину его возникновения;

– в результате проведенного нелинейного статического анализа получены распределения эквивалентных напряжений и деформаций конструкции и прочие данные, позволяющие с достаточной точностью оценить поведение реальной конструкции и выбрать ее параметры для заданных условий эксплуатации;

– с помощью разработанной уточненной методики разработаны опытные образцы приварных упоров, при установке которых создается узел консольной части хребтовой балки, отвечающий нормативным требованиям прочности и надежности.

Литература

1. База данных цниитэи МПС 1992-1995 (2 кв.)

2. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). – М. : ГосНИИВ- ВНИИЖТ, 1996. – 319 с.

3. Коломийченко В.В. Автосцепное устройство железнодорожного подвижного состава / В.В. Коломийченко , Н.А. Костин , В.Д. Прохоренков. – М. : Транспорт, 1991. – 232 с.

4. Соколов, А.М. Совершенствование приварных конструкций упоров автосцепного устройства // Транспорт Урала. – 2007. – № 1 (12). – С. 72–75.

5. Устич, П.А. Надежность рельсового нетягового подвижного состава. / П.А. Устич, В.А. Карпычев, М.Н. Овечников. – М. : ИГ «Вариант», 1999. – 416 с.

Содержание Сборники научных трудов