Способ повышения живучести несущих элементов вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.02.539.4

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЖИВУЧЕСТИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАГОНОВ

Е.С. Ефименко

В.П. Лозбинев

По нормам проектирования вагонов при появлении в несущих элементах трещины длиной 10 мм вагон должен отправляться в отцепочный ремонт.

Чтобы избежать внеплановых ремонтов из-за трещин, выполняются расчеты на сопротивление усталости. Расчеты, как правило, показывают, что трещины не должны появляться. Однако трещины в грузовых вагонах возникают уже в первый год эксплуатации. Выполненные нами исследования показали, что причиной появления трещин является наличие начальных технологических трещиноподобных дефектов.

Размер технологических трещин, связанных со сваркой, намного больше, чем размер дефектов кристаллической структуры металла, учитываемой в теории сопротивления усталости.

Вагон может сохранять работоспособность и при наличии начальных трещин, длина которых меньше 10 мм. Это возможно в том случае, если начальная трещина растет медленно и достигает нормируемой длины к очередному капитальному ремонту, в процессе которого она будет устранена. Следовательно, важное значение имеет время роста трещины до длины 10 мм. Это время определяет живучесть несущего элемента вагона. По аналогии с коэффициентом запаса усталости несущих элементов целесообразно дополнить нормы проектирования вагонов рекомендацией определять коэффициент запаса живучести.

,

где - число циклов динамических нагрузок, приводящих к росту трещины от начальной длины до нормируемой;- фактическое число циклов динамических нагрузок за время между капитальными ремонтами.

Коэффициент запаса живучести для обеспечения работоспособности должен быть больше или равен 1.

Фактическое число циклов динамических нагрузок можно определить по данным, приведенным в нормах проектирования вагонов.

,

где - число циклов динамической вертикальной нагрузки за 1 год эксплуатации; - число циклов динамических продольных нагрузок за 1 год эксплуатации .

Число циклов в формуле (1) определяется с использованием механики разрушений[1]:

,

где - размах коэффициента интенсивности напряжений (определяется по справочным данным для материала несущего элемента);- амплитуда эквивалентного по повреждаемости симметричного цикла нагрузки; - длина начальной трещины; мм - нормируемая длина трещины. трещина живучесть конструкция напряжение

Эквивалентная амплитуда динамических напряжений может быть рассчитана по формуле

,

где ,- соответственно число циклов вертикальной и продольной нагрузки; - суммарное число циклов нагрузок;,- эквивалентная амплитуда вертикальных и продольных циклических нагрузок соответственно.

Выполненные расчеты показали, что для грузовых вагонов при начальной длине технологической трещины 3 мм коэффициент запаса живучести меньше единицы, т.е. живучесть не обеспечивается, что и подтверждает эксплуатация вагонов.Приходится допустить, что трещина будет расти, и задача заключается в том, чтобы обеспечить ее медленный рост. Возникла задача отыскания способа повышения живучести несущих элементов грузовых вагонов. В результате исследований предложен следующий способ.

Поскольку циклов вертикальной нагрузки намного больше, чем продольных, целесообразно привести циклы вертикальной нагрузки к неповреждающим, не приводящим к росту начальной трещины. Так как число циклов продольных нагрузок относительно мало, они вызовут медленный рост трещины.

Рис. 1. Зависимость числа повреждающих циклов от времени роста трещины

В зависимости от величины напряжений в несущем элементе конструкции возможны два варианта развития трещины:

1. Рост трещины обусловлен совместным действием продольных и вертикальных нагрузок.

2. На первом этапе рост трещины обусловлен совместным действием продольных и такого же количества циклов вертикальных нагрузок. На втором этапе рост трещины обусловлен дополнительно действием оставшихся циклов вертикальных нагрузок.

На рис. 1 представлен график зависимости числа повреждающих циклов от времени роста трещины.

Для того чтобы циклы вертикальной нагрузки стали неповреждающими, должно выполняться условие

,

где - напряжения в несущем элементе от вертикальной статической нагрузки;- коэффициент вертикальной динамики;- пороговый коэффициент интенсивности напряжений, при котором трещина не растет.

Таким образом, при проектировании вагона необходимо обеспечить, чтобы напряжения в несущем элементе от вертикальной нагрузки с учетом динамики были меньше величины, которую можно рассматривать в качестве допускаемого напряжения. Добиться этого можно подбором размеров поперечных сечений несущих элементов.

Использование предложенного способа для кузова крытого грузового вагона показало, что с учетом всех нагрузок коэффициент запаса живучести, а после приведения вертикальной нагрузки к неповреждающей. При применении данного способа может быть приемлемой увеличенная длина начальной технологической трещины.

Разобьем рост трещины на интервалы согласно распределению вертикальных нагрузок и найдем эквивалентные длины трещин, при которых каждый интервал вертикальных нагрузок станет повреждающим. Построим график зависимости роста трещины от времени эксплуатации при условии приведения вертикальных циклов к неповреждающим и без него (рис. 2).

Из графиков видно, что трещина может дорасти до 10 мм в первые годы эксплуатации, а приведение циклов вертикальной нагрузки к неповреждающим способствует увеличению живучести. Это позволяет эксплуатировать вагон в период до капитального ремонта.

Рис. 2. Зависимость длины трещины от времени ее роста: 1,2 - повреждающие и неповреждающие циклы вертикальных нагрузок соответственно

Рис. 3.Пример определения допустимой начальной длины трещины

Актуальной задачей является определение допустимого при производстве размера трещины. Длина такой трещины(при известном напряженном состоянии) может быть найдена из зависимости (2) путем итерационного перебора от 0 до конечной длины (при условии, что). Практическая ценность определения размера такого дефекта состоит в возможности выбора рациональных средств производства и контроля сварных узлов. Пример определения допустимой начальной длины трещины представлен на рис. 3.

Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Причиной внеплановых отцепочных ремонтов кузовов грузовых вагонов из-за трещин и связанных с ними дополнительных затрат являются начальные технологические трещиноподобные дефекты.

2. Важное значение для обеспечения работоспособности вагона имеет скорость роста трещины.

3. Время роста начальной трещины до нормируемой длины определяет живучесть несущего элемента.

4. Целесообразно дополнить нормы проектирования вагонов рекомендацией определять коэффициент запаса живучести по предлагаемой в настоящей статье методике.

5. Для повышения живучести несущих элементов грузовых вагонов следует приводить циклы вертикальной нагрузки к неповреждающим в соответствии с предложенным способом.

6. При приведении вертикальной нагрузки к неповреждающей длина начальной трещины может быть увеличена, что облегчает условия производства вагонов.

Список литературы

1. Шлюшенков, А.П. Механика разрушения и расчеты на прочность и долговечность элементов машин и конструкций с трещинами/А.П. Шлюшенков. - Брянск: БГТУ, 1996. - 232 с.

Аннотация

Исследованы причины появления трещин в несущих элементах вагонов. Предложен способ снижения скорости роста начальных технологических трещин и повышения живучести несущих элементов.

Ключевые слова: трещина, работоспособность, живучесть, вагоны, несущие элементы.

Размещено на Allbest.ru