Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности работы конструкций подвижного состава в экстремальных условиях 15
1.1 Состояние вопроса 15
1.1.1 Анализ повреждаемости элементов конструкций ло комотивов 15
1.1 .2 Анализ теоретических и экспериментальных работ 32
11.3 Анализ методов расчета прочности и ресурса конструкций с учетом упругопластических деформаций элементов 49
1.1.4 Анализ технических решений для защиты конструкций локомотивов при аварийных столкновениях 66
1.2 Характеристики воздействий и предельных состояний конструкций 74
1.3 Постановка цели и задач диссертации 85
Глава 2. Исследование нагруженности несущих конструкций локомотивов и специального подвижного состава 92
2.1 Нагруженность локомотивов при эксплуатационных соударениях и аварийных столкновениях 92
2.1.1 Объекты исследования 94
2.1.2 Нагруженность локомотивов при эксплуатационных соударениях 106
2.1.3 Параметры удара при аварийных столкновениях 126
2.1.4 Оценка параметров ударозащитного устройства кабины машиниста кузова электровоза ЭП200 129
2.1.5 Анализ динамичности нагружения 133
2.1.6 Свойства материалов в зависимости от скорости деформации 137
2.2 Нагруженность специального подвижного состава . 138
2.2.1 Типовые статистические характеристики режимов нагружения специального подвижного состава 141
2.2.2 Вероятностные модели надежности конструкций . 150
Выводы по главе 2 163
Глава 3. Разработка модели усталости элементов конструкций при сложном нагружении 166
3.1 Исследование процесса накопления усталостных повреждений 169
3.2 Формирование модели усталости 184
3.3 Характеристики сопротивления усталости материалов 210
Выводы по главе 3 214
Глава 4. Исследования несущей способности конструкций экипажной части локомотива 217
4.1 Параметры и динамические свойства конструкций локомотива для моделирования продольного удара 217.
4.1.1 Динамическая продольная жесткость конструкции кузова 218
4.1.2 Энергоемкость конструкции кабины машиниста 225
4.2 Нелинейный анализ напряженно-деформированного состояния лобовой части кузова 228
4.2.1 Методика расчета 229
4.2.2 Расчетные модели кабины машиниста локомотива 236
4.2.3 Анализ результатов расчета 242
4.2.4 Несущая способность обшивки лобовой стенки кузова при ударно-волновом и статическом нагружениях 252
4.3 Моделирование предельных состояний высоконагруженных узлов локомотива 265
4.3.1 Напряженно-деформированное состояние шкворневого узла рамы в упругопластической области 265
4.3.2 Несущая способность консольной части рамы тепловоза 271
Выводы по главе 4 276
Глава 5. Критерии несущей способности конструкций в экстремальных режимах
Нагружения 281
Выводы по главе 5 286
Глава 6. Оценка технико-экономической эффективности разработок 290
6.1 Экономический эффект от повышения несущей способности конструкций локомотива 290
6.2 Экономический эффект от снижения эксплуатационных расходов при использовании более надежной и долговечной техники 297
Выводы по главе 6 299
Выводы по результатам работы
Список литературы 304
Приложения
- Анализ технических решений для защиты конструкций локомотивов при аварийных столкновениях
- Параметры удара при аварийных столкновениях
- Формирование модели усталости
- Несущая способность обшивки лобовой стенки кузова при ударно-волновом и статическом нагружениях
Введение к работе
В комплексе решаемых на железнодорожном транспорте масштабных и сложных задач главным остается обеспечение безопасности движения поездов и создание на этой основе условий для непрерывного перевозочного процесса, гарантированной сохранности жизни и здоровья пассажиров поездов и обслуживающего персонала, а также перевозимых грузов и технических устройств железнодорожного хозяйства. Это требует создания и освоения подвижного состава нового поколения. Эксплуатируемый в настоящее время на сети железных дорог подвижной состав построен по техническим требованиям 1960-х годов. Для него характерны недостаточный уровень надежности, высокие затраты на обслуживание и ремонт. За счет поставок качественно новой техники предполагается провести эффективную поэтапную замену существующего, значительно физически и морально устаревшего парка подвижного состава, по некоторым типам которого (электровозы, тепловозы, электропоезда) уже наблюдается острый дефицит.
Основные направления повышения технико-экономических и эксплуатационных показателей железнодорожного транспорта России на обозримую (до 2020 - 2030 г.г.) перспективу отражены в разработанной ВНИИЖТ научной концепции. Прогнозируя развитие технических средств, в качестве целевой задачи, интегрально отражающей совокупность параметров, которым они должны соответствовать, выделяется минимизация эксплуатационных расходов через повышенный жизненный цикл (ресурс), снижение повреждаемости, стоимости ремонта, повышение производительности техники и ее энергетической эффективности при безусловном обеспечении безопасности движения поездов. Выбор параметров, характеристик и конструкторских решений при создании локомотивов должен быть сделан с учетом указанных важнейших положений.
К 2030 году возрастет объем перевозок и соответственно объем путевых работ. Парк технических средств содержания и ремонта пути при этом будет оптимизирован по номенклатуре и качеству, благодаря применению прогрессивных организационных и технологических мероприятий. Будут широко внедрены машины для глубокой очистки балласта, динамические стабилизаторы, выправочно-подбивочно-рихтовочные машины нового поколения.
В транспортном материаловедении получат развитие направления, обеспечивающие безотказную и долговечную работу транспортной техники. Дальнейшее применение на транспорте найдут горячекатаные и литые стали новых марок с повышенными показателями прочности, а также легкие сплавы, полимерные-и—композиционные материалы, обладающие высокими демпфирующими свойствами и способностью необратимо рассеивать энергию для существенного снижения уровня динамических знакопеременных нагрузок. Степень металлозамещения за их счет может составлять до 20%, а сокращение эксплуатационных расходов - до 15%.
В числе основных направлений перспективных фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работ состоят:
- разработка технических требований к новому поколению локомотивов;
- выбор материалов для тягового подвижного состава (ТПС), обеспечивающих снижение массы и повышение прочности конструкций;
- внедрение модульного проектирования конструкций локомотивов и моторвагонного подвижного состава (МВПС);
- обеспечение ремонтопригодности, ресурса компонентов, совершенствование системы технического обслуживания и ремонта подвижного состава.
Решение задач ресурсосбережения и сокращения эксплуатационных расходов на железнодорожном транспорте требует повышения прочности и надежности конструкций, более полного использования свойств материалов с целью обеспечения заданного ресурса, безопасности движения и обслужива f ния.
С учетом тенденции к понижению запасов прочности, исходя из требований к максимальному использованию конструкционных и технологических возможностей, а также к техническому обслуживанию в эксплуатации и ремонтопригодности ответственных узлов и деталей, оказывается возможным допустить появление неупругих деформаций в элементах с надлежащим их учетом при проведении расчетов по допускаемым нагрузкам или деформаци- ям. Для этого необходимы новые подходы к расчетам и оценке прочности, несущей способности и долговечности конструкций на основе исследования их предельных состояний, в том числе и с применением деформационных критериев сопротивления малоцикловому разрушению. Суть такого подхода заключается в учете того, что при реализации предельных условий в результате упругопластических деформаций какого-либо элемента, происходит перераспределение напряжений и конструкция способна воспринимать даль-нейшее увеличение нагрузки. В результате появляется возможность проектирования конструкции как системы с безопасным отказом [12, 141].
Несущие конструкции механической части железнодорожного подвижного состава имеют сложную структуру элементов. Их размеры и формы определяются усилиями, деформациями и напряжениями в них, а также другими характеристиками состояния, которые формируются под действием нагрузок различного вида и характера, определяемых параметрами, назначени-ем и условиями эксплуатации подвижного состава. В зависимости от этого они рассчитываются на прочность и жесткость от статических и динамических нагрузок. При этом для обеспечения необходимой несущей способности и надежности конструкции при возможно меньшей массе ее расчетная модель должна достаточно полно отражать и учитывать фактический спектр эксплуатационных нагрузок, строиться и решаться с учетом сочетания технических, экономических и других условий. Имеются также конструкции, которые должны удовлетворять и требованиям безопасности для обслуживающего персонала и движения поездов.
Из анализа повреждаемости узлов локомотивов по сети железных дорог России, доля тепловозов, находящихся на неплановом ремонте, составляет ежегодно в среднем 1,5...2,0 %. При этом количество выходов из строя тепловозов в пути следования с поездами, а также неплановых ремонтов, связанных с повреждениями механического оборудования, составляет около 20 % от общего их числа. Ежегодно фиксируется до 50-70 обрывов автосцепок в поездах [6,36, 101].
По данным ремонтных заводов и эксплуатирующих депо у-8—.10 % те- --пловозов серий ТЭМ2, ЧМЭЗ за время их эксплуатации консольные части главных рам получают значительный изгиб, превышающий допускаемые Правилами ремонта (15 мм), отмечаются остаточные деформации и трещины в шкворнях и шкворневых балках рам.
Большое число преждевременных выходов из строя наблюдается в элементах несущих конструкций специального подвижного состава (СПС). На выправочно-подбивочно-рихтовочных машинах (например, типа ВПР-1200, 09-32) уже через 2...3 года их эксплуатации в главных рамах и рамах рабочих органов появляются трещины и остаточные деформации из-за недостаточной их прочности. В несущих балках рам щебнеочистительных машин (ЩОМ-6) обнаруживаются многочисленные трещины по некачественно выполненным сварным швам, в местах повышенной концентрации напряжений. По этим же причинам случаются поломки шкворневых балок рам головных машин снегоуборочных поездов СМ-2М. Зафиксирован ряд случаев поломок рам мотовозов МПТ-4, в которых под действием изгибающих моментов, возникающих при работе грузоподъемного крана, установленного на этой машине, появляются напряжения на уровне предела текучести материала.
Перечисленные повреждения связаны с несоответствием между конструкцией этих узлов, технологией их изготовления и эксплуатационной на-груженностью, являются следствием нерегламентированных, маловероятных в эксплуатации нагружений или их сочетаний, воздействий в экстремальных условиях и аварийных ситуациях.
Актуальность проблемы
Прочность, обеспечивающая работу узлов без повреждений в течение заданного срока службы локомотива (25-3Олет) или специального подвижного состава (20 лет), действующими Нормами [158-162] оценивается по допускаемым напряжениям или коэффициентам запаса по отношению к пределу текучести и пределу выносливости материала при рассматрении работы элементов конструкций в упругой зоне. Эти Нормы разработаны на основе длительных наблюдений за поведением конструкций в эксплуатации, статистического анализа экспериментальных данных. Вместе с тем, в результате накопления усталостных повреждений или остаточных деформаций из-за несоблюдения норм проектирования или неучета реальных условий нагруже-ния, неправильного выбора соотношения между характеристиками прочности и показателями эксплуатационной нагруженности, происходят отказы, требующие неплановых ремонтов подвижного состава.
Для конструкций железнодорожного подвижного состава, работающих, как правило, в условиях знакопеременного многоциклового нагружения и наряду с этим воспринимающих нагрузки, характеризующиеся большой величиной с относительно малым числом повторений, повышенной скоростью изменения и сопровождающихся упругопластическими деформациями (экстремальные режимы нагружения), расчеты и оценка прочности по упругим номинальным напряжениям становятся недостаточными. В развитие методов расчета на прочность и уточнения запасов, снижения материалоемкости и создания более рациональных конструкций традиционные инженерные рас четы методами сопротивления материалов целесообразно дополнить расчетами по деформационным или энергетическим критериям в неупругой области. Должны определяться не только прочность с линейными соотношениями между нагрузкой, деформациями и напряжениями, но и несущая способность деталей в нелинейной области деформаций с расчетом их предельных состояний. Действующими нормативами такие нагрузки, в том числе ударного, повторно-статического характера, не рассматриваются, не регламентированы и сводятся к постоянным или переменным (циклическим) нагрузкам с упругими деформациями элементов конструкций. Разработка моделей расчета и критериев прочности и долговечности конструкций в этих условиях является задачей актуальной и представляет научный и практический интерес.
Соответствие планам НИОКР МПС РФ
Тема диссертации посвящена указанным выше проблемам, соответствует планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ отрасли на 1993-2003 годы, утвержденным Указаниями МПС: № ЮЗу от 12.05.93 «Стратегия научно-технической политики в новых условиях работы железнодорожного транспорта»; № М-91у от 01.02.96 «Программа по производству запасных частей к импортному подвижному составу»; № К-1053у от 18.04.2000 «О мерах по улучшению технического состояния парка тепловозов и дизель-поездов Сахалинской железной дороги и укреплению ремонтной базы дороги»; № Е-71у от 30.01.2002 «Программа повышения ресурса колесных пар локомотивов»; № 80у от 21.04.2001, № 104у от 24.06.2002 -программы развития отечественного локомотивостроения, вагоностроения, путевого комплекса, а также Приказом МПС-МВД-Минтранс-ФДС России от 27.08.98; № ЗЦЗ/520/112/229 «О системе профилактических мер по предупреждению дорожно-транспортных происшествий на железнодорожных переездах МПС России».
Эти планы формировались для реализации «Государственной Программы по повышению безопасности движения на железнодорожном транспорте Российской Федерации на период 1993-2000 годов», принятой Правительством Российской Федерации 29.10.1992 г. № 833, «Концепции повышения безопасности движения на переездах на период 2000-2005 годов», «Комплексной программы действий по увеличению массы и длины грузовых поездов в 2001-2005 годах», «Комплексной программы реорганизации отечественного локомотиво- и вагоностроения, системы эксплуатации и ремонта подвижного состава на период 2001-2010 годов», программ ресурсосбережения, импортозамещения, создания подвижного состава нового поколения.
Работы выполнялись по заказам Департаментов технической политики, локомотивного хозяйства, вагонного хозяйства, пути и сооружений, безопасности движения и экологии.
Основные положения диссертации, выводы и результаты нашли отражение в нормативно-технических документах, внедрены в практику проектирования, расчетов и испытаний железнодорожной техники, опубликованы в научно-технических изданиях.
Научная новизна состоит в разработке:
1) Математическая модель накопления повреждений в материале деталей при сложном (с упругими и упругопластическими деформациями) на-гружении в много- и малоцикловой области;
2) Критерии несущей способности конструкций по предельным нагрузкам и деформациям за пределом упругости; деформационные критерии разрушения для расчетов накопления остаточных деформаций в рамах локомотивов;
3) Показатели динамичности нагружения и прочности конструкций при соударениях ж. д. подвижного состава;
4) Характеристики сопротивления усталости материалов при сложном нагружении.
Методика исследования
С целью получения фактических данных о нагруженности узлов и конструкций, идентификации расчетных моделей, проверки результатов теоретических исследований проведены многочисленные эксперименты на стендах под действием статических и динамических нагрузок, в поездных условиях и при соударениях на натурных объектах (тепловозах ТЭ109, 2ТЭ116, 2ТЭ10, 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭМ2, ТЭМ7; электровозе ЭП200; путёвых машинах щебнеочистительных, выправочно-подбивочных, снегоуборочных, мотовозах, автомотрисах и др.), а также их рамах, кузовах и отдельных узлах (шкворневые балки, кабины машиниста и их лобовые части и др.). При этом проводилось тензометрирование с применением программно-аппаратных средств автоматизированной регистрации и обработки информации. Использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории надежности, механики разрушения.
Для анализа напряженно-деформированного и предельных состояний конструкций локомотивов и СПС в упругой и упругопластической областях деформаций осуществлено их компьютерное моделирование с использованием программных комплексов «GNOM», «BASYS+», «Nastran», реализующих метод конечных элементов (МКЭ).
В процессе работы учитывались требования ГОСТ, ИСО, нормативно-технических и инструктивно-распорядительных документов МПС (Указания, Инструкции, Правила и т.п.).
Практическая значимость и внедрение результатов исследований
Разработанные методы теоретических и экспериментальных исследований и полученные результаты:
-использованы при создании несущих конструкций новых локомотивов перспективной серии и специального подвижного состава, в том числе лобовой части кабины машиниста при проектировании ОАО «БМЗ-Тепловоз» (г.Брянск) кузова тепловоза ТЭА25 с учетом требований по обеспечению безопасности локомотивной бригады, в конструкции кузова электровоза ЭП200 производства ОАО «Коломенский завод»;
- вошли в «Нормы для проектирования, расчетов и оценки прочности несущих металлоконструкций специального подвижного состава» (Н32.04.03.001,2002г.);
-реализованы в типовых методиках испытаний "(стандарты) системы сертификации (СТ ССФЖТ: ЦПО16-99; ЦТ048-99; ЦТ-ЦВ-ЦЛ084-2000; ЦТ085-2000, ЦТ-131-2002 и другие) и технических регламентов по сертификации (ФТС: ЦТ024-99; ЦТ-ЦВ-ЦЛ062-2000; ЦТ063-2000) на федеральном железнодорожном транспорте, в требованиях к составным частям и агрегатам локомотива (автосцепные устройства, кабина машиниста, шкворни, опоры и др.) по воспринимаемым нагрузкам, величине деформации (перемещений), необходимой энергоемкости и методах их расчета.
Разработанные конструктивно-технологические решения: Инструктивное указание 2139.30.02.003 И2,1993 г., Инструктивное указание 15.Т.17 ИУ2, 2001 г.; технологические инструкциия 15-01-01, 2002 г. и 15.Т.20 ИУ, 2002 г. внедрены в практику текущих и капитальных ремонтов тепловозов типа ТЭ10, ТЭМ2, ЧМЭЗ, в том числе с продлением их сроков службы.
Публикации и апробация работы
Основное содержание диссертации и результаты выполненных исследований опубликованы в периодических научных изданиях. Перечень статей, написанных лично и в соавторстве, указан в списке литературы.
Всего опубликовано 62 научные работы, из них по теме диссертации -42, в том числе 14 работ опубликовано лично автором.
Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях: «Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности», г. Ворошиловград, 1985 г.; III «Проблемы развития локомотиво-строения », г. Луганск, 1990 г.; «Конструктивно-технологические методы повышения надежности и их стандартизация», г. Тула, 1988 г.; на II, III и IV научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», г. Москва, МИИТ, 1999, 2000 и 2001 г.г; на II научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г. Москва, МИИТ, 2000 г.; на III Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава», г. Новочеркасск, 2000 г. Материалы диссертации обсуждались на секции «Динамика и прочность» научно-технического совета ВНИКТИ и на НТС ВНИКТИ в 1999-2004 г.г.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов по результатам работы, списка литературы из 320 наименований. Работа изложена на 389 страницах, в том числе содержит 57 таблиц, 104 рисунка и 7 приложений на 52 страницах.
Анализ технических решений для защиты конструкций локомотивов при аварийных столкновениях
С целью уменьшения риска для персонала и объема затрат при устранении последствий аварийных столкновений железные дороги ряда европейских стран разрабатывают и реализуют проекты стандартов на ударную прочность конструкций подвижного состава [81-85, 209, 315, 316, 320]. В них участвуют предприятия машиностроения и исследовательские институты, в частности, институт подвижного состава в Берлине, университет в Валансьене (Франция). По результатам этих работ предполагается установить нормы воспринимаемых нагрузок, разработать указания по проведению испытаний и концепцию их технической реализации.
При аварийных столкновениях локомотивов энергоемкости поглощающих аппаратов, как правило, оказывается недостаточно для предотвращения разрушений несущих элементов конструкции кузова (рамы), а также обеспечения безопасности локомотивной бригады. В качестве дополнительных мер в настоящее время широко используются пассивные средства защиты. Оригинальные технические решения предложены для высокоскоростного поезда Duplex Национального общества железных дорог Франции (SNCF), электропоезда серии 480 и 481/482 городской ж.д. Берлина, моторвагонного поезда ЕТ 2000 фирмы DWA, электровоза Euro Sprinter 152, поезда ETR 460 [65, 96]. Это, прежде всего, буфера и установленные последовательно с ними поглощающие устройства (рис. 1.17, 1.18). а - квазистатические; б - динамические, при соударении двух буферов, оба вагона имеют массу по 80 т, скорость соударения 13,5 км/ч
Европейские стандарты (AEIF F973/98/D/F, ERRI В 205/RP1, -В 165/RP12, - В 106/RP20 и RP26) рекомендуют устанавливать устройства, способные поглощать энергию до 1 МДж при деформации сжатия не менее 270 мм [96]. Так, в сцепке поездов Eurostar, электровозов Taurus серий 1016, 1116 Федеральных железных дорог Австрии (ОВВ) используются комбинированные буфера специального исполнения с пружинно-гидравлическим амортизатором типа COMBIGARP С 105, корпус которого для дополнительного поглощения энергии соединяется с деформируемым элементом. В зависимости от скорости при столкновении (до 40 км/ч) амортизатор срабатывает, а элемент деформируется (складывается) в разной степени с укорочением на 600 мм с поглощением энергии до 500 кДж при максимальной силе 2400 кН. При этом каркас кузова, элементы его конструкции или груз не повреждаются. Другой пример принципа конструирования ударозащитной лобовой части кабины управления и способов преобразования энергии при возможных столкновениях единиц подвижного состава представляет проект Siemens - Duewag для дизель-поезда VT 642 DB AG (рис. 1.19).
С целью защиты котла цистерн для перевозки опасных грузов предлагается наряду с более энергоемкими поглощающими аппаратами устанавливать над автосцепкой предохранительные щиты (экраны) для защиты нижней
Разработана методика расчета режимов нагружения в аварийной ситуации для изучения влияния конструктивных элементов на защищенность котла при проектировании таких технических средств [18, 19, 23, 272]. Учитывая возможность обезгрузки рессорных комплектов тележек, повреждения шкворня и нарушения связи тележек с кузовом, вагон представлен тремя жесткими элементами [272], колебания которых описываются системой дифференциальных уравнений:
Модель учитывает характеристики поглощающих аппаратов и продольную жесткость конструкции вагона. Вертикальные реакции межвагонной связи (PZi) находятся с учетом зазоров в автосцепном оборудовании, изгиба хвостовика автосцепки и коэффициента трения на ударных поверхностях из кинематических уравнений в зависимости от углов отклонения оси автосцепки от продольной оси вагона и перекоса, определяемого разностью уровней автосцепок.
Расчеты, выполненные по этой методике, и проведенные натурные эксперименты показали возможность значительного взаимного отклонения автосцепок взаимодействующих вагонов за время аварийного столкновения и удара автосцепки в защитный экран или (при его отсутствии) в котел на высоте около 600 мм [272]. Данная математическая модель описывает аварийные ситуации, вызванные расцеплением или обрывом автосцепок при выжимании или сходе вагона, для определения условий саморасцепа, способа и места расположения защитного устройства (экрана) торца вагона. Но при этом не исследуются свойства самого экрана (конструктивное исполнение, напряженно-деформированное состояние, условия разрушения).
Вопросам исследования аварийных ситуаций, связанных с ударом в котел цистерны и возможным разрушением его оболочки, посвящена работа [19]. Рассмотрены процесс образования вмятины и условия пробоя котла при контактном взаимодействии с инородным телом (ударником). Вмятина, образующаяся при внедрении ударника, аппроксимируется пирамидой. Разрушение оболочки характеризуется значением продольной силы, необходимой для вырезания из оболочки .фигуры, „соответствующей поперечному сечению ударника. Предельная контактная сила [Рк] рассчитывается из условия возникновения по всей глубине контура ударника напряжений среза [Рк] = Lydh тср, (1.82) где ЬУд - периметр поперечного сечения ударника; h - толщина оболочки
Считая, что энергия деформации (Э,„) затраченная на образование вмятины, равна работе контактной силы от ударника на перемещении w03T=]pKdw, (1.83) о контактная сила находится как производная функции энергии по со0 PKM=31T{W0) (1.84)
Затем, из равенства контактной силы предельному значению определяется глубина вмятины womax, соответствующая предельному состоянию, когда вмятина сопровождается изломом ребер пирамиды с появлением в них пластических шарниров, а также появлением пластических деформаций в боковых гранях.
Параметры удара при аварийных столкновениях
С целью проверки поведения узлов экипажной части локомотива при аварийных столкновениях, определения параметров удара при этом и уточнения расчетных нагрузок для оценки несущей способности конструкции кузова по условиям безопасности проведены "соударения секции тепловоза 2ТЭ109 и прицепленного к нему вагона с составом из восьми груженых вагонов при скорости 20 км/ч. Для этого на лобовом брусе рамы кузова тепловоза на кронштейнах крепления буферов устанавливались разработанные ВНИТИ совместно с ВНИИЖТ специальные устройства, поглощающие энергию удара за счет деформации и разрушения его рабочих элементов. Они представляли собой комплект решеток, набранных из прямоугольных стальных полос толщиной 3-4 мм, которые вставлялись в коробчатый корпус. Общий вид этих устройств, смонтированных на опытном тепловозе, показан на рис. 2.17. Автосцепки тепловоза были снабжены гидрогазовыми поглощающими аппаратами ГА-500, обладающими, как было показано выше, повышенной энергоемкостью.
В результате соударения продольная сила сопротивления амортизирующего устройства в конце его рабочего хода (165 мм) достигла 1600 кН. Суммарная энергоемкость двух комплектов этих устройств составила примерно 350 кДж. Сила удара, передаваемая через автосцепку, равнялась 2500 кН, энергоемкость ПА ГА-500 при ходе 117 мм получена равной 140 кДж. Напряжения в элементах рамы и кузова тепловоза не превысили допускаемых значений. Близкими к пределу текучести они были в центральной, боковых балках и раскосах концевых частей рамы (тензорезисторы №№ а также в углах дверных и оконных проемов кабины и в средней части боковых стен кузова (тензорезисторы №№ 101, 102, 137, 140; см. рис. 2.5).
Второй вариант соударения при скорости 21,6 км/ч был выполнен непосредственно через автосцепки соударяющихся тепловоза и вагона без применения на тепловозе указанных энергопоглощающих устройств. Сила удара в автосцепку достигла 4500 кН. Ход ПА был выбран полностью (120 мм), энергоемкость составила 160 кДж и на конечной стадии удара он работал как жесткое тело. Схода тепловоза с рельсов, как и в первом случае, не произошло. Напряжения в упомянутых выше элементах.. рамы„и._кузова превысили... предел текучести. При осмотре тепловоза после соударения было обнаружено следующее: разрушена передняя и изогнута задняя автосцепки тепловоза; трещины на лобовом брусе рамы вокруг упорной розетки; в нижнем углу окна кабины машиниста и в углах дверных проемов в боковых стенах кузова; потеря устойчивости (волнистость) обшивки кузова по верхнему и нижнему поясам боковых стен.
Ударные процессы длились в течение 0,4...0,5 с. Величины продольных ускорений (в долях g), замеренных в различных частях тепловоза, составили (обозначения - по рис. 2.4):
ПУ1 - 4,2; ПУЗ - 6,0; ПУ6 - 3,5; ПУ8 - 6,0...6,2; ПУ9 - 3,7...4,0; ПУ12-4,5...5,0; ПУ13-3/7.
На рис. 2.17 показан также несущий кузов тепловоза 2ТЭ121, поврежденный в результате столкновения с тепловозом 2ТЭ116 при скорости 12... 15 км/ч. Кузов тепловоза 2ТЭ121 несущий (см. раздел 2.1.1) с кабиной машиниста капсульного типа. Она отъемная, устанавливается между боковыми стенками и закрепляется на каркасе кузова через резиновые амортизаторы.
В результате столкновения была изогнута соударявшаяся автосцепка, разрушена концевая (консольная) часть рамы (излом боковых балок рамы по сечению у передних опор кузова), получила значительные повреждения и сдеформировались обшивка боковых стен и настил рамы на этом участке. Собственно кабина машиниста повреждений не получила, стекла лобовые и боковых окон не потрескались, не нарушилось их крепление. Следовательно, кабина машиниста капсульного типа, отделенная от несущей системы кузова, больше удовлетворяет условиям безопасности.
Формирование модели усталости
В сварных конструкциях при действии переменных напряжений слабыми местами являются соединения отдельных деталей и их элементов, места изменения сечений из-за влияния концентрации и неравномерности распределения напряжений. Их предел выносливости в большой мере зависит от формы сечения, качества сварки.
Явление усталости исключительно сложно по своей природе и исчерпывающего описания, охватывающего все его стороны, нет. Все особенности, отличающие условия усталостного повреждения конструкций от условий испытаний гладких образцов, подвергающихся действию симметричной циклической нагрузки при однородном напряженном состоянии, характеризуются рядом факторов. Основу современных представлений об усталости заложили исследования многих специалистов середины девятнадцатого века. В 1870 г. опубликованы результаты многолетних исследований усталости осей железнодорожных вагонов, выполненных А. Вёлером. Одним из основных выводов этой работы явилось понятие о пределе выносливости. Анализируя диаграммы циклического деформирования сталей, И.Баушингер установил, что напряжения, отвечающие линейной части диаграммы, примерно в два раза больше предела выносливости. Факторы, влияющие на сопротивление усталости детали по результатам испытаний конструкций машин, исследовали В. Вейбулл, М. А. Майнер, Г. Мазинг, Б. Ф. Пальмгрен, Е. О. Орован, Осгуд, Л. Ф. Коффин, П. Форрест, Р. Хейвуд, Гудман, Гербер, Гартман, Р. Петерсон, Ф. Макклинток, Филипс, Лер, В. М. Даль, Дж. Коллинз, С. Инглис, Т. Дагген, В. X. Мюнзе [95, 123, 140, 146-148, 199, 204, 273, 277, 305-307, 309, 310, 318]. Трудами в этой области прославились С. В. Серен-сен, Р. М. Шнейдерович, А. П. Гусенков, В. П. Когаев, В. В. Ларионов, И. М. Петрова, А. Н. Романов, Н. А. Махутов, В. В. Болотин, В. Т. Трощенко, Г. А. Николаев, С. А. Куркин, В. А. Винокуров, И. А. Одинг, Н. О. Окерблом, В. С. Чувиковский, О. М. Палий, М. М. Гохберг, Л. В. Коновалов, И. В. Куд рявцев, И. А. Биргер, Н. Н. Малинин, А. А. Ильюшин, Г. В. Ужик, B. В. Москвитин, С. Д. Пономарев, М. Н. Степнов, Н. Н. Давиденков, C. Н. Стрелецкий, С. Н. Киселев, Н. Н. Воронин, Н. И. Марин, В. С. Иванова, В. Ф. Лукьянов, М. Н. Овечников, Г. С. Писаренко, А. А. Лебедев, В. В. Ко бищанов, А. П. Шлюшенков и другие [47, 48, 57, 61, 63, 73, 74, 89, 90, 91, 93, 97, 98, 107, 108, 112, 115, 120, 121, 125, 128, 129, 134, 137, 138, 150, 157, 165, 200-203, 208, 221, 222, 233, 261, 262, 264, 265, 268, 285-287]. Для получения представления об усталости материала при циклическом нагружении влияние отдельных факторов или их комбинаций совмещается. Анализ,результатов опытов позволяет выделить роль этих факторов, установить закономерности разрушения, протекающего при их участии. На основе композиции описаний влияний наиболее существенных из них строится приближенная модель усталости реальной конструкции. Достоверность такой модели затем оценивается по результатам испытаний натурных конструкций или технологически адекватных им крупномасштабных образцов.
К числу наиболее значительных факторов, присущих сварной конструкции, влияющих на сопротивление переменному нагружению, выделяют следующие: концентрация напряжений; постоянная составляющая нагруже-ния; случайный характер нагружения в условиях эксплуатации; частота на-гружения; предварительная пластическая деформация; остаточные, в том числе сварочные, напряжения. Усталостные повреждения возникают и накапливаются в ходе эксплуатации объекта при условии атах=ссст-ан (7-і (аст -теоретический коэффициент концентрации напряжений, ан - номинальное значение напряжений в этой зоне). Для появления признаков и накопления пластических деформаций необходимо также, чтобы повышенные напряжения охватывали некоторый объем материала. Поэтому в качестве факторов, определяющих условия деформирования и усталости материала, учитываются также вид напряженного состояния области, в которой зарождается и развивается усталостное повреждение, геометрия и абсолютные размеры дета лей объекта, их роль в конструкции, степень ее статической неопределимости, свойства материала.
При высоких номинальных напряжениях, на уровне 0,8 - 0,9 ат, в результате концентрации напряжений в местах резких изменений геометрической формы, в зоне сварных швов (коэффициенты концентрации аа= 1,5 3,5), возможно возникновение упругопластических деформаций при рабочих нагрузках. Циклический характер нагружения сварных металлоконструкций с изменяющимися от нуля до максимального расчетного значения нагрузками приводит к малоцикловой усталости сварных соединений. Так работают, например, газгольдеры, подкрановые балки, пролетные строения под подвижные нагрузки и др. В настоящее время разработаны методы расчета элементов конструкций на малоцикловую усталость, которые с успехом применяются в энергомашиностроении и регламентированы соответствующими Нормами. Известны, например, Нормы американского общества инженеров-механиков [292]. Они основаны на использовании кривой малоцикловой усталости материала при жестком нагружении, выраженной зависимостью Мэнсона-Коффина, и значений упругих коэффициентов концентрации. В Нормах расчета энергетического оборудования, разработанного в СССР [163], учтены закономерности, связанные с особенностями деформирования при циклическом нагружении за пределом упругости: квазистатических повреждений, кинетика напряженного состояния в связи с циклическими упру-гопластическими свойствами материала и др.
Однако для оценки несущей способности сварных металлоконструкций требуются более полные данные о напряженном состоянии в сварных соединениях с учетом их геометрических отклонений, возможных дефектов шва (подрезы, непровары, угловатости и др.), а также о свойствах материала различных зон сварного соединения при малоцикловом нагружении. К числу таких параметров, определяющих напряженно-деформированное состояние сварных соединений, относятся [4, 25, 26, 29, 34, 35, 53, 73, 74, 89, 108, 112, 127, 134, 138, 148, 150, 165, 192, 203, 205, 246-248, 261-265, 268, 269, 277-279, 282, 285-287, 293, 298, 300-310]: толщина детали, угол подхода от наплавленного металла к основному, а также катет шва и глубина проплавлення основания шва, а при наличии подрезов - их глубина и раскрытие. Как показано в работе [34], обобщение геометрических размеров большого числа сварных швов может быть представлено в виде статистического образа реального профиля швов.
Несущая способность обшивки лобовой стенки кузова при ударно-волновом и статическом нагружениях
Для оценки динамической прочности обшивки лобовой стенки кузова (кабины) в первом приближении ее можно представить упругой прямоугольной (в общем случае), гибкой (стрела прогиба превышает толщину в пять и более раз), тонкой (толщина не превышает 1/5 наименьшего размера основания) пластинкой размерами axbxh-\,0 мх1,0 мх 0,003 м, шарнирно опертой по контуру, при действии на всю ее поверхность поперечной ударно-импульсной нагрузки P(t) (рис. 4.14). Нагрузка действует только на ограниченном интервале времени / є (0,Г,). Для решения задачи используем энергетические (интегральные) соотношения [8].
В результате ударно-импульсного нагружения по пластинке распространяются поперечные волны изгиба по направлению к опорному контуру и (после отражения от него) к центру, суперпозиция (наложение) которых приводит пластинку в сложное колебательное состояние. Основной вклад в процесс деформации поверхности вносят только первые гармоники, поэтому для приближенного описания поперечного прогиба применяется первая (основная) форма поперечных колебаний
Полная кинетическая энергия Г, переданная точкам прямоугольной пластины при ее ударном нагружении, выражается формулой T=l-mVt= ) = ( . (4.53) 2 0J0J 2ph 2ph
Приравнивая правые части равенств (4.52) и (4.53), получают формулу для максимального прогиба центральной точки прямоугольной пластинки в режиме импульсного (ударно-волнового) нагружения всех точек ее поверхности
Зависимость между нормальными напряжениями и деформациями при поперечном изгибе пластинки в форме закона Гука [255, 283]
Максимальные значения компонентов напряженного состояния в центре упругой пластинки при действии равномерно распределенного волнового давления вычисляются по формулам вида [8]:
Для определения ударной прочности упругой прямоугольной пластинки в качестве критерия прочности выбирается гипотеза о максимальной удельной потенциальной энергии формоизменения в виде условия Мизеса -Генки [5, 300, 307]. Если принять для предельного случая нагружения эквивалентное напряжение ( тэ) равным пределу текучести материала пластинки (сгт), это условие принимает вид: к, - т„ У + { т у - е-.-. )2 + ( г= - хх У = т (4-58)
В прямоугольной пластинке, шарнирно опертой по контуру, линии пластических шарниров начинаются в центре, а затем распространяются по диагоналям к угловым точкам. Можно считать, что когда эти линии достигнут углов, пластинка теряет несущую способность, наступает ее предельное состояние (разрушается). В угловых точках нормальные напряжения малы, разрушение инициируется касательными напряжениями т - Gsxy, достигающими предела текучести на сдвиг
На основании зависимости (4.49) с использованием соотношения (4.48) деформация сдвига в угловой точке
