Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние проблемы прочности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава и постановка задач исследования 9
Глава 2. Теоретические методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава 27
Глава 3. Экспериментальные методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава 74
Глава 4, Устойчивость характеристик прочности конструкционных сталей, используемых для изготовления несущих металлоконструкций тягового подвижного состава 101
Глава 5. Обоснование предельных состояний несущих металлоконструкций тягового подвижного состава 123
Глава 6, Результаты оценки остаточного ресурса металлоконструкции унифицированной челюстной рамы тележки тепловозов 146
Глава 7. Внедрение результатов исследований и экономическая эффективность основные результаты и выводы 177
Литература 179
Приложение 196
- Состояние проблемы прочности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава и постановка задач исследования
- Теоретические методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
- Экспериментальные методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
- Устойчивость характеристик прочности конструкционных сталей, используемых для изготовления несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
Введение к работе
В транспортной системе России железные дороги исторически занимают ведущее место. Работа железных дорог и, прежде всего, её основной показатель - объём перевозок, являются интегральной характеристикой состояния экономики страны в целом.
В связи со снижением объемов грузовых и пассажирских перевозок наметившихся после 1988 года на железных дорогах к 1996 году оказались невостребованными: 58,7 % грузовых вагонов, 33,5 % магистральных грузовых электровозов, 26,4 % магистральных и 8,3 % маневровых тепловозов [84]- Избыток грузового и тягового подвижного состава сохранялся до 1999 года, но вместе с тем происходило его естественное сокращение из-за выбытия по назначенному сроку службы. В парке локомотивов интенсивно нарастало количество техники, эксплуатируемой с превышением назначенного срока службы. На настоящий момент в эксплуатации находится 37 % пассажирских и 27 % грузовых локомотивов, у которых срок службы превышает назначенный [84,129],
В целом состояние подвижного состава железных дорог приходит к критическому уровню. Непринятие срочных незамедлительных мер приведет к тому, что к 2010 году выработают назначенный срок службы; 58 % вагонов; 71,5 % электропоездов постоянного тока, 39,8 % электропоездов переменного тока; 93,0 % магистральных тепловозов и 71,4 % маневровых тепловозов. До 2005 года планируется списание около 5000 пассажирских вагонов локомотивной тяги старше 28 лет службы, то есть около 20 % парка.
При эксплуатации подвижного состава сверх назначенного срока службы существенно ухудшаются показатели безопасности и экономической эффективности, растет ресурсо- и энергоемкость перевозок. В перспективе возникает ряд проблем: с одной стороны - резкое повышение расходов на эксплуатацию устаревшего подвижного состава, а, следовательно, и тарифов, с другой стороны - невозможность осуществлять перевозки из-за физического отсутствия грузового и пассажирского подвижного состава. И то и другое совершенно недо пустимо, так как приведет к прекращению не только поступательного развития экономики страны, но и затруднит ее функционирование вообще.
Указанные обстоятельства усугубляются ещё и тем, что с 1999 года началось увеличение объемов перевозок и к 2003 году они выросли более чем на 18 %. На основании данных технико-экономических исследований (ТЭИ) института «Гипротранс» определена потребная численность парка локомотивов до 2010 года [129]. При сопоставлении с имеющимся в наличии количеством следует отметить, что уже сегодня образовался существенный дефицит (более 50 %) пассажирских и грузовых локомотивов.
Здесь следует отметить, что назначенный срок службы (нормативный) ™ величина, прежде всего, экономическая, обеспечиваемая достигнутым уровнем проектирования и поддержания жизненного цикла машины - конструкции [129]- Техническое состояние локомотивов, исчерпавших этот срок, в большинстве случаев позволяет оставаться им в эксплуатации при условии поддержания исправности подвижного состава соответствующей системой ремонта. Однако при современном уровне развития локомотивостроения имеющийся на сегодня отечественный парк электровозов и тепловозов морально устарел и отвечает техническим требованиям лишь сорокалетней давности.
Чтобы привести численность парка и его рабочие параметры в соответствие с прогнозируемым объёмом перевозок, требованиям безопасности движения и энергоэкономичности, необходимо принять неотложные меры по оздоровлению парка и его обновлению. При ограниченных инвестиционных возможностях полная замена имеющегося парка на локомотивы нового поколения до 2010 г. нереальна. Поэтому в данный период целесообразно наряду с постепенным обновлением парка за счёт поставок новых локомотивов продлить срок службы части парка выполнением капитальных ремонтов, в том числе с модернизацией (КРП) [84,129].
Изложенная постановка хозяйственной проблемы подразумевает под собой сё обязательное научное сопровождение в виде решения конкретных задач по оценке величины возможного продления назначенного срока службы (оста точного ресурса) и технологических мер его обеспечения в процессе проведения капитального ремонта. Это направление научных исследований приобретает особую значимость с учетом устойчивой тенденции к организации ремонта и технического обслуживания объектов по текущему состоянию.
Результатом постановки проблемы по продлению назначенного срока службы несущих металлоконструкций подвижного состава явилась формулировка ряда задач, решение которых позволило достичь необходимой цели.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- обоснован усредненный эквивалентный режим нагружения маневрового тепловоза для условий горочной эксплуатации, а также получен эквивалентный спектр нагруженности, с использованием ограничений по величине минимальных амплитуд напряжений;
- предложен и обоснован метод назначения критерия предельного состояния несущих, рамных, коробчатых конструкций тягового подвижного состава;
- предложена и апробирована линейная гипотеза суммирования повреждений на этапе роста трещины в несущих металлоконструкциях тягового подвижного состава;
- предложена и апробирована методика оценки устойчивости характеристик прочности конструкционных сталей, применяемых для изготовления несущих металлоконструкций тягового подвижного состава, во времени с использованием моделей теории катастроф и критериев механики разрушения;
- разработана и апробирована детерминировано-вероятностная методика оценки остаточного ресурса металлоконструкций тягового подвижного состава на базе локально-деформационного подхода и статистического моделирования ситуаций по алгоритму метода Монте-Карло;
- осуществлена оценка остаточного ресурса металлоконструкции унифицированной челюстной рамы тележки и шкворневого узла главной рамы тепловозов типа ТЭМ2, которая подтвердила возможность продления их срока службы на 15 лет.
Состояние проблемы прочности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава и постановка задач исследования
В данной работе под механической прочностью металлоконструкции заданных форм и размеров, изготовленной из определённого материала, понимаются все, что связанно с обеспечением механической целостности и её функциональной предназначенности в необходимых временных рамках и эксплуатационных условиях [126].
Сопротивление материалов разрушению рассматривается как совокупность физических процессов, протекающих в них под воздействием нагрузки при её статическом и динамическом приложении.
Усталостная повреждаемость не может быть однозначно описана в рамках модели сплошной среды, поскольку процессы, её определяющие, протекают на атомарном - кристаллическом уровнях (модель дискретной среды). Это влечёт за собой широкое использование всевозможных эмпирических подходов, зависимостей и коэффициентов, являющихся настоящей справочной и нормативной базой. Отсюда вытекает необходимое условие для возможных новых подходов к анализу прочности материалов - они должны органически включать в себя нормативный и эмпирический базис, накопленный к концу XX века.
В этой связи следует выделить два перспективных направления поиска новых подходов к решению актуальных задач прочности материалов и конструкций: 1) создание альтернативных моделей на базе новых разделов математики; 2) более широкое использование критериального подхода (критерии прочности; теории прочности; механические теории предельного состояния) к оценке всех аспектов прочности материалов и этапов разрушения конструкций. Предпосылками для выделенных направлений исследований являются: а) новые разделы математики, возникшие во второй половине XX века (теория нечётких множеств; теория катастроф; теория странных аттракторов; кластерный анализ и др. [3,13, 120,121]); б) современные программные средства анализа напряжённо деформированного состояния конструкций (NASTRAN; САТ1А; ANSIS и др.), которые позволяют выявлять и оценивать уровень сложности её локальных зон [27,48]. Несущая способность металлоконструкции ограничивается их предельным состоянием, после чего эксплуатация конструкции становится небезопасной по причине возможного её хрупкого разрушения от развивающейся трещины в диапазоне воздействия эксплуатационных, климатических температур. Предельное состояние конструкции определяется по максимально допустимой длине усталостной трещины (ГтаД которая должна удовлетворять условию [54,55,126]: где [Пр]-назначенный, с некоторым запасом, критерий предельного состояния металлоконструкции по длине трещины из соображений безопасной эксплуатации.
Анализ процессов усталостного повреждения рассматривается в рамках термодинамической аналогии в детерминировано-вероятностнои постановке, с учётом факторов, влияющих на скорость ее протекания [14, 127, 128, 141, 142]. При этом на стадии качественной оценки используется детерминированный подход, а на стадии оценки конечной величины (ресурса, например) используется вероятностный подход на базе метода статистического моделирования ситуаций (Монте-Карло).
Теоретические методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
Традиционные методы анализа напряжённо-деформированного состояния, отраслевые нормы прочности, обоснованные в курсах строительной механики, величины допускаемых напряжений уже изначально, на стадии проектирования, нацелены на обеспечение ресурса металлоконструкций [116]. Они позволяют проанализировать металлоконструкцию глобально, выявить её наиболее напряжённые локальные зоны, которым в дальнейшем уделяется значительное внимание конструкторов, технологов и исследователей. Эти методы нашли широкое отражение в многочисленных учебниках, монографиях, современных программных средствах и в настоящей работе не рассматриваются. Подразумевается, что они используются для выявления указанных локальных зон, которые более тщательно исследуются методами излагаемыми ниже.
Расчетная оценка усталостной долговечности металлоконструкций традиционно производится из сопоставления кривой усталости материала (конструкции) с реальной эксплуатационной нагруженностью (рис. 2.1) систематизированной в удобном для пользования виде.
При этом непосредственно расчёт ресурса осуществляют с использованием гипотезы суммирования повреждений, например линейной или корректированной, с учетом факторов, определяющих его величину [79, 80]. Здесь следует отметить, что разработано достаточно много альтернативных гипотез суммирования повреждений, но ни одна из них не получила прямого инструментального подтверждения [82], Поэтому предпочтение всегда отдается простым и наглядным [46, 79, 109,128].
Со времен Вёлера кривые усталости было принято строить в координатах «амплитуда напряжения - логарифм числа циклов до разрушения». Это объясняется тем, что при испытаниях образцов на усталость поддерживать постоянной легче амплитуду силы (или номинального напряжения), приложенной к образцу, чем амплитуду деформации образца. В то же время эксплуатационные случайные процессы нагруженности измеряют с помощью тензорезисторов, которые регистрируют деформацию. Поэтому при сопоставлении данных о нагруженности с кривой усталости необходимо сделать приведение к одной единице измерения, которой традиционно является напряжение. Пересчёт обычно ведется в соответствии с законом Гука.
Но, как выяснилось в последние десятилетия, линейная связь между напряжением и деформацией при статическом нагружений становится существенно нелинейной при циклическом нагружений [32, 79, 100]. Явление усталости оказалось тесно связанным с механическим гистерезисом в координатных осях «напряжение - относительная деформация» [79, 155].
Следовательно, практикуемый пересчёт деформаций в напряжения вносит в расчёт ошибку, которая для упрочняющихся металлов тем больше, чем интенсивнее процесс и чем ближе усталость к малоцикловой- Истинные напряжения для циклически упрочняющихся сталей, к которым относятся мало и среднеуглеродистые, из которых изготавливаются несущие металлоконструкции тягового подвижного состава, выше расчетных или равны им в области напряжений меньше предела выносливости [116].
Во избежание этой ошибки необходимо либо учитывать при пересчёте деформаций в напряжения существующую нелинейность, либо пользоваться кривой усталости, полученной от величины амплитуды относительной деформации.
В качестве примера рассмотрим более подробно описание зоны многоцикловой усталости. Многоцикловая усталость происходит при напряжениях, не превышающих макроскопический (осредненный по объему образца) предел упругости. Механизм многоцикловой усталости состоит в накоплении рассеянных повреждений в наиболее слабых или наиболее напряженных зернах- Совокупности этих повреждений путём коалесценции образуют зародыш усталостной трещины (рис, 1.3) которая служит сильным концентратором и имеет тенденцию к росту при продолжении циклического нагружения. Если для данного материала существует амплитуда напряжений, при которой опасное повреждение или разрушение от усталости не может произойти даже при сколь угодно большом числе циклов, используют понятие предела выносливости.
Существование предела выносливости означает, что материал обладает свойством приспособляемости к повторным пластическим деформациям на уровне структуры материала. Гипотеза о существовании предела выносливости по-видимому, соответствует преимущественно лишь тем опытным данным, КО торые относятся к углеродистым сталям при нормальных условиях окружающей среды на достигнутой базе испытаний. Для многих конструкционных сталей, цветных металлов и сплавов на их основе, предел выносливости является условной характеристикой: усталостные повреждения могут возникать и при меньших напряжениях, если только число циклов нагружения достаточно велико. В этих случаях предел выносливости имеет смысл повреждающего или разрушающего напряжения, соответствующего заданному числу циклов.
Поскольку очагом зарождения усталостных трещин обычно служат концентраторы напряжений, в том числе микроконцентраторы (микропоры, микровключения, дефект поверхности сварного шва и т.д.), то результаты испытаний на усталость весьма чувствительны к этим факторам и обнаруживают значительный статистический разброс и масштабный эффект-Результаты базовых испытаний на усталость представляют в виде регрессионных зависимостей между характерным напряжением цикла S (амплитудой, размахом или максимальным напряжением цикла) и числом циклов до видимого повреждения образца.
Экспериментальные методы оценки ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
Системный подход к оценке остаточного ресурса металлоконструкций подразумевает под собой обязательные экспериментальные исследования отдельных узлов и зон обследуемого объекта [45, 76, 93, 136, 182]. В случае приемлемых временных и финансовых затрат проводят разрушающие испытания натурных конструкций, в противном - ограничиваются испытаниями вырезанных образцов металла или применяют всевозможные неразрушающие методы контроля [52, 81, 149], В любом из перечисленных вариантов полученной информации должно быть достаточно для принятия объективного и достоверного решения.
Также необходимо учитывать фактор деградации прочностных свойств материала конструкции во времени под нагрузкой. Он возможен только во взаимосвязи с другими факторами, определяющими остаточный ресурс конструкции в целом. Так как все виды разрушающих натурных испытаний являются форсированными, а неразрушающие методы исследований - локальными, то возможно неверное заключение по их результатам.
Наиболее адекватные результаты испытаний могут быть подучены при воспроизведений на объекте исследований реальной схемы сил и приложении их величии по законам, характерным для эксплуатации. Поэтому вначале следует уделить жншытт. испытаниям при многоосном иагружении с возможностью тепратттшії сет по гармоническим и случайным татоиам распределения Дт этого рассмотрим гїринцидишьнуад схему действия шігружателей современных еерюгадрамшееких стендов (рис. 3.2), Здесь следует отметить три важные особенности нагружателей, используемых в комплексе стенда: двухкамерный цилиндр нагружателя, электрический управляемый сервоклапан и реализацию обратной связи с использованием «быстрого преобразования Фурье» управляющей вычислительной машиной по минимизации рассогласования между величиной задаваемого сигнала и реализуемого на стенде, (серый контур). Указанные особенности современного стендового оборудования позволяют воспроизводить в лабораторных условиях любой нестационарный режим нагружения, воспринимаемый конструкцией в эксплуатации. Далее, с учетом изложенного, рассмотрим все аспекты проведения эквивалентных стендовых испытаний рам тележек подвижного состава.
Пространственная система сил, воспринимаемая рамой тележки в составе локомотива в реальной эксплуатации, представлена на рис. 33, я, гармоническая и квазистатическая форма воспроизведения указанных сил при проведении стендовых испытаний представлена на рис. 3.3, б5 а кинематическая схема стенда и его общий вид показаны на рис. 3.4.
Не смотря на свою привлекательность, изложенный метод проведения эквивалентных стендовых испытаний так и не получил широкого распространения. Это связано с технической сложностью, дороговизной и их длительностью ввиду низкой частоты проведения испытаний. Поэтому большинство испытаний по оценке остаточного ресурса несущих металлоконструкций подвижного состава проводят обычно при простых схемах нагружения, рис. 3.5. и 3,6, позволяющих реализовывать более высокие частоты нагружения.
Статическая нагрузка на все боковины была одинакова и составляла 785 кН, что соответствовало изгибающему моменту в наиболее нагруженном сечении балки 650 кН м. Эта величина задавалась в соответствии с нагрузками от надтележечного веса тепловоза. Динамическая составляющая стендовой нагрузки изменялась в процессе испытаний для каждой боковины. Первоначальный уровень динамических напряжений принимался равным пределу выносливости новых боковин (30 МПа, [123])- Если при испытаниях на этом уровне нагрузки на базе 10 циклов боковина повреждалась с зарождением трещин, последующая нагрузка снижалась на 10-К5 %. Таким образом, каждая исследуемая зона боковины испытывалась на двух ступенях динамической нагрузки с частотой 33 Гц. На следующем этапе испытаний развившиеся в боковинах трещины заваривались, заваренная зона подвергалась упрочнению путем наклёпа [123]. После этого испытания боковины продолжались до наработки 10 циклов нагружений. Таким образом, исследовалась возможность ремонта повреждённых рам.
Заключение о целостности и работоспособности конструкции должно базироваться на четком знании типа и интенсивности действующих напряжений, а также на степени повреждённости её металла. Не всегда предоставляется возможность провести разрушающие испытания по оценке прочности металлоконструкции на момент обследования. Поэтому особую надежду возлагают на всевозможные виды неразрушающих исследований, которые в связи с этим получили бурное развитие в последнее десятилетие [62, 66, 81, 114, 130, 154, 164, 165].
Неразрушающие испытания всё более широко применяются не только для выявления дефектов, но и для количественной оценки их типа, размеров и степени изменения характеристик прочности материалов [17]. Переход от простого обнаружения дефектов к установлению их количественных характеристик связан с необходимостью определять остаточный срок службы металлоконструкций. Этот переход осуществляется параллельно с развитием механики разрушения и других методов управления долговечностью, которые требуют количественной информации о степени опасности дефектов.
Несмотря на то, что создано много новых, более совершенных неразрушающих методов, позволяющих произвести количественную оценку дефектов, многие из них основаны на традиционных неразрушающих методах дефектоскопии.
Устойчивость характеристик прочности конструкционных сталей, используемых для изготовления несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
Существующие методики выбора конструкционных сталей базируются на сопоставительном анализе механических свойств материалов и используются на стадии предварительного обоснования их применения [22,23, 24, 75, 116, 117, 119, 146, 181]. Они не учитывают влияния возможных факторов (как указывалось в разделе 1Л), которые подразделяются на: - конструкционные; - технологические; - эксплуатационные. Первая группа факторов является определяющей для размеров сечений, толщин, организации узлов сопряжения пересекающихся элементов металлоконструкции. С точки зрения анализа НДС конструкции, они считаются глобальными факторами (охватывающими все сечения и узлы). Обобщенным показателем прочности, характеризующим качественно конструкционные факторы, является вид напряженного состоятся [127].
Основным способом сборки несущих металлоконструкций тягового подвижного состава считается сварка. Поэтому к технологическим факторам относится анизотропия свойств металла зоны сварного шва. Следует отметить, что технологические факторы являются локальными и в соответствии с принципом Сен-Венана распространяются на область сварного шва и зону его термического влияния [161],
К эксплуатационным факторам относятся: климатические, из которых выделяют диапазон температур 213-323 К; режимы работы, движения и состояния пути, определяющие повреждаемость конструкции вследствие усталости металла, а также ее живучесть на этапе подрастания трещины [119, 128].
Следовательно, методика выбора материала по прочностным свойствам должна позволять решать следующие задачи оценки: 1. Сопротивления металла разрушению при квазистатическом (монотонном - ударном) нагруженш с учетом возможного охрупчивания до температуры 213 К, 2. Повреждаемости металла конструкции вследствие усталости до зарождения трещины, 3. Трещиностойкости металла конструкции до назначенного (допустимого) предельного состояния с учетом возможности хрупкого разрушения, путем скола, при температуре до 213 К. В основу методики положены: - современный уровень разработанности теории предельных состояний, механики усталостного повреждения и механики разрушения со всеми допущениями лежащими в их основе; - отраслевые нормы прочности, требованиям которых должна отвечать создаваемая металлоконструкция [116].
Использование деформационного подхода позволяет учитывать энергетический гистерезис внутри металла (включая эффект Баушингсра) проявляющийся фактически в виде условной классификации металлов на «упрочняющиеся - разупрочняющиеся». Теоретически известно, что для сварных конструкций тягового подвижного состава предпочтительными являются металлы относящиеся к категории «упрочняющиеся» [128, 158], В этом случае критерий оценки их свойств приобретает вид и чем жестче выполняется это неравенство, тем лучше металл сопротивляется структурной повреждаемости (эффект «тренировки»), где a_iF - величина предела выносливости металла при «растяжении-сжатии», либо другим нормативным документам [116]. Решение задачи №3 базируется на применении критериев и характеристик механики разрушения материалов полученных: а) при однократном (монотонном - ударном) приложении нагрузки б) циклическом приложении нагрузки (KfaKfi) [100, 101, 166], где параметром анализа являются пороговый (Kth) и предельные (КІСі} Кс, К/с) величины коэффициента интенсивности напряжений К (КИН) в климатическом диапазоне температур. В варианте а) критерием оценки двух возможных альтернатив материалов, либо их технологической анизотропии, является [166] где Кс - критический КИН для образца данной толщины при максимальной нагрузке; (7 - условный предел текучести материала; (І), (2) - индекс характеристик первого и второго анализируемых материалов соответственно. Критерий (4.7) может использоваться во всем интервале эксплуатационных температур [166], При анализе трещиностойкости металла конструкции тягового подвижного состава от воздействия циклической нагрузки (вариант б) наиболее адекватным является комплексный подход, заключающийся в исследовании зависимости его характеристик от воздействия отрицательных температур в эксплуатационном диапазоне их изменения. Качественная сторона такого анализа заключается в следующем.
Изменение скорости роста усталостной трещины (РУТ) во всем диапазоне температур характеризуется смещением кинетической диаграммы усталостного разрушения (КДУР) относительно ее положения, полученного при нормальной температуре (293 К), Существует три основных типа смещения КДУР, рис. 4.1 [122].
Типы смещения низкотемпературных кинетических диаграмм усталостного разрушения: сплошная линия - при нормальной температуре; пунктирная - при низкой (V- скорость, ЛК- размах КИН, I тип - в широком диапазоне изменения ЛК(размаха КИН, от AK!h до АК#) скорость РУТ при низкой температуре всегда ниже, чем при нормальной; II тип - при низких ЛК скорость роста трещины с понижением температуры убывает, а при высоких ЛК наоборот увеличивается; III тип - скорость роста трещины при низкой температуре выше, чем при нормальной практически во всем диапазоне.
![Медико-организационные подходы к оценке влияния факторов военной службы на заболеваемость офицерского состава [Электронный ресурс]](/i/i/4263/185822.png "Медико-организационные подходы к оценке влияния факторов военной службы на заболеваемость офицерского состава [Электронный ресурс] Беседина Ольга Владимировна")
![Особенности изменений микробиоценоза кишечника при нарушении липидного обмена у летного состава [Электронный ресурс]](/i/i/4434/209019.png "Особенности изменений микробиоценоза кишечника при нарушении липидного обмена у летного состава [Электронный ресурс] Матюшенко Константин Витальевич")
