Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Современное состояние проблемы совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава 14
1.1 Обзор и анализ исследований, посвященных проблемам прочности и совершенствования конструкций подвижного состава 14
1.2 Обзор и анализ состояния проблемы совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава 35
1.2.1 Анализ структуры потока отказов конструкций подвижного состава 35
1.2.2 Обзор и классификация конструкций соединений, используемых на подвижном составе 41
1.2.3 Исследования, направленные на совершенствование методов моделирования конструкций соединений 48
1.3 Методы учета неопределенности в решении практических инженерных задач 56
1.3.1 Обзор и анализ видов неопределенности, возникающих при совершенствовании конструкций подвижного состава, а также основных методов оперирования неопределенностью 56
1.3.2 Основные подходы к решению задач прогноза прочности и надежности соединений элементов конструкций подвижного состава 60
1.3.3 Формирование требований к учету неопределенностей при моделировании прочности соединений и постановка задач исследования 67
Глава 2 Метод синтеза нечетких моделей прочности и его применение для моделирования и оценки прочности и надежности соединений элементов конструкций подвижного состава 74
2.1 Применение теории нечетких множеств для описания и оперирования неопределенностями при моделировании прочности соединений элементов конструкций подвижного состава 74
2.1.1 Нечеткие величины и принцип обобщения в применении к нечетким вычисления 74
2.1.2 Методы нечетких вычислений на основе аналитической аппроксимации нечетких параметров 76
2.1.3 Методы нечетких вычислений, основанные на численной аппроксимации нечетких операндов 78
2.1.4 Нечеткие вычисления на суррогатных функциях 82
2.1.5 Способы определения свойств нечетких параметров и представления нечеткой релевантности моделей прочности соединений 90
2.2 Метод синтеза нечетких моделей прочности (FDMS-метод) 96
2.2.1 Общее описание метода 96
2.2.2 Аналитическая часть FDMS-метода 101
2.2.3 Синтетическая часть FDMS-метода 105
2.2.4 Критериальные оценки прочности и надежности соединений 112
2.2.5 Резюмирующая часть FDMS-метода 118
2.2.6 Адаптирующая часть FDMS-метода 121
2.3 Выводы по главе 125
Глава 3 Совершенствование опорных и болтовых соединений элементов буксового узла тележки грузовых вагонов 128
3.1 Методы моделирования прочности опорных и болтовых соединений 128
3.1.1 Инженерные методы моделирования резьбовых соединений 128
3.1.2 Инженерные методы моделирования опорных соединений 132
3.1.3 Совершенствование методов моделирования опорных и резьбовых соединений 137
3.2 Обобщенная модель предметной области моделирования прочности стяжных и контактных соединений грузового подвижного состава 144
3.2.2 Особенности диаграммы прецедентов составляющих основу моделирования прочности стяжных соединений грузовых вагонов 150
3.2.3 Специфицирование элементарных факторов прочности обобщенной модели предметной области 152
3.3 Обзор и анализ исследований прочности и работоспособности буксового узла грузовых вагонов 164
3.3.1 Обзор конструкций корпусов буксового узла 164
3.3.2 Анализ работы опорных соединений буксового узла и предложения по модификации их конструкции 175
3.3.3 История развития конструкций креплений буксы грузового вагона на шейке оси колесной пары 180
3.4 Совершенствование опорных соединений корпуса буксы с боковой рамой тележки грузового вагона 183
3.4.1 Формирование обобщенной модели предметной области моделирования прочности опорных соединений корпуса буксы с боковой рамой 183
3.4.2 Фаззификация и синтез моделей прочности опорных соединений корпуса буксы 217
3.4.3 Анализ прочности типовой буксы и адаптация моделей прочности 223
3.4.4 Сравнение вариантов конструкции корпуса буксы по критерию прочности опорных соединений 233
3.5 Совершенствование торцевого крепления подшипников буксы тележки грузового вагона 236
3.5.1 Формирование обобщенной модели предметной области моделирования прочности болтового соединения торцевого крепления буксового подшипника 236
3.5.2 Синтез, анализ и адаптация нечетких моделей прочности болтового соединения 245
3.5.3 Совершенствование конструкции торцевого крепления по критерию прочности болтового соединения 251
3.6 Выводы по главе 255
Глава 4 Выбор параметров конструкции и технологии крепления заклепочных и сварных соединений упоров автосцепного устройства 258
4.1 Методы моделирования прочности заклепочных и сварных соединений 258
4.1.1 Инженерные методы моделирования сварных соединений 258
4.1.2 Методы моделирования сварных соединений 261
4.1.3 Особенности методов моделирования стяжных заклепочных соединений 266
4.2 Обобщенные модели предметной области моделирования
прочности сварных и топологических соединений 268
4.2.1 Обобщенная модель предметной области моделирования прочности сварных соединений 268
4.2.2 Особенности обобщенной модели моделирования прочности топологических соединений 271
4.3 Обзор и анализ конструкций упоров автосцепного устройства 273
4.3.1 Трансформация конструкций упоров автосцепки в практике отечественного и зарубежного вагоностроения 273
4.3.2 Анализ работы упора автосцепного устройства грузовых вагонов в эксплуатации 276
4.4 Совершенствование конструкции и технологии крепления приварных упоров автосцепного устройства 281
4.4.1 Формирование обобщенной модели сварной конструкции заднего упора автосцепного устройства с учетом страт конструирования, изготовления и эксплуатации 281
4.4.2 Анализ прочности и совершенствование конструкции сварных соединений упора с применением FDMS-метода 295
4.5 Выводы по главе 308
Глава 5 Идентификация моделей соединения и оценка экономической эффективности FDMS-метода при модификации соединений элементов конструкций подвижного состава 311
5.1 Принципы и методика идентификации обобщенной модели прочности соединений элементов конструкций грузовых вагонов 311
5.1.1 Назначение и методика идентификации модели прочности соединения 311
5.1.2 Идентификация модели сварного соединения элементов челюстного проема буксового узла хоппер-дозатора для текущего содержания пути 316
5.2 Подходы к определению экономической эффективности применения FDMS-метода 331
5.2.1 Методика оценки экономической эффективности модернизации соединений элементов конструкций грузовых вагонов 331
5.2.2 Оценка экономической эффективности совершенствования конструкции буксового узла тележек грузовых вагонов 336
Заключение 340
Литература 350
- Обзор и классификация конструкций соединений, используемых на подвижном составе
- Методы нечетких вычислений, основанные на численной аппроксимации нечетких операндов
- История развития конструкций креплений буксы грузового вагона на шейке оси колесной пары
- Обобщенная модель предметной области моделирования прочности сварных соединений
Введение к работе
Железнодорожный транспорт является одним из наиболее массовых видов транспорта в России и по объему перевозки грузов занимает второе место, уступая только трубопроводному транспорту. Эффективность функционирования железнодорожного транспорта зависит от надежности всех элементов его инфраструктуры, и в том числе от подвижного состава, как одной из основных его структурных единиц. Помимо эффективности к подвижному составу железнодорожного транспорта предъявляются особые требования по надежности. Следует заметить, что более трети грузов перевозимых железнодорожным транспортом являются опасными, скорости движения по железным дорогам достигают 200 км/ч, массы поездов - 9000 т, а продольные усилия взаимодействия подвижного состава нередко превышают 350 тс. В этих условиях одним из действенных резервов повышения эффективности и безопасности железнодорожных перевозок является совершенствование конструкций подвижного состава, с целью уменьшения их потока отказов и снижение последствий этих отказов.
В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется около 820 тыс. грузовых вагонов, при этом ежегодно в текущий отцепочный ремонт по различным неисправностям поступает свыше 2500 тыс. вагонов, а каждый вагон отцепляли в текущий ремонт в среднем 5,78 раза. Анализ статистики поступления вагонов в ремонт показывает, что наиболее распространенными причинами отцепок являются неисправности колесных пар, тележек и кузовов грузовых вагонов (от 0,8 до 1,6 отцепок вагона в год). К таким неисправностям относятся:
- износы опорной поверхности колесных пар (подрезы, прокаты, ползуны и т.п.);
- изломы или ослабления торцевого крепления буксового узла;
- неисправности подшипников буксового узла (разрушение сепаратора, износы роликов, колец, технологический нагрев и т.д.); - износы опорных поверхностей корпусов букс;
- обрывы и трещины сварных соединений кузовов вагонов;
- деформация и разрушение заклепочных соединений упоров автосцепного устройства.
Таким образом, более 80% отказов грузовых вагонов, влекущих поступление вагона во внеплановый отцепочный ремонт, являются отказами соединений элементов их конструкций (сварных, болтовых, опорных, заклепочных). При этом существенная часть прочих отказов напрямую связана с параметрами соединений элементов грузовых вагонов. Так, например, трещины, возникающие в обшивке кузовов грузовых вагонов (например, полувагонов) в основном зарождаются в зоне сварного соединения обшивки с ребрами жесткости.
Такое положение дел может объясняться следующими причинами. 1. Недостаточное совершенство нормированных методик расчета соединений элементов подвижного состава. «Нормами расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [221] регламентируются только упрощенные способы расчета сварных, заклепочных и болтовых соединений, которые не в полной мере отражают фактическое состояние соединений в эксплуатации. Существующие нормативные документы не позволяют учитывать в расчетах соединений элементов конструкций подвижного состава состояние соединений в других стадиях жизненного цикла, кроме эксплуатации, таких как изготовление, ремонт и техническое обслуживание. А тем временем, как показывает практика эксплуатации, значительную часть отказов вагонов связывают с нарушениями технологии изготовления и ремонта элементов его конструкции. 2. Существенные отклонения реального состояния конструкции соединения элементов вагона от проектного номинального состояния, вызванные массовостью производства достаточно сложных в технологическом плане конструкций вагонов. В современных конструкциях подвижного состава используется значительная часть существующих технологий и конструкций соединений элементов, начиная от обычной дуговой сварки и заканчивая такими экзотичными для тяжелого машиностроения, как клеевые соединения, лазерная сварка и т.п. Учитывая, что в пиковых режимах вагоностроительный завод может выпускать до 100 вагонов в сутки, а также востребованную коньюктурой рынка универсальность вагоностроительного производства, технологически сложно обеспечить точное соответствие фактически изготавливаемого соединения запроектированному. Появляющиеся отклонения конструкции соединения от расчетного состояния вносят существенные изменения в эксплуатационные характеристики соединения, такие как прочность, безотказность, долговечность и т.д. 3. Высокая концентрация конструктивных, технологических и эксплуатационных феноменов - «дефектов» - являющихся очагами зарождения и развития отказогенерирующего процесса. Основным отличием соединений элементов от других частей конструкции является высокая удельная плотность таких особенностей как геометрические концентраторы напряжений, скрытые дефекты, наведенные напряжения и деформации и т.п. При этом в фактических конструкциях подвижного состава определение реального состояния соединения, с учетом этих его особенностей, является весьма трудной, а зачастую и практически невыполнимой задачей. Отсутствие достоверной диагностической информации не позволяет принимать эффективные превентивные меры по предупреждению отказов подвижного состава в эксплуатации.
Указанные возможные причины чрезмерно высокого потока отказов соединений элементов конструкций подвижного состава позволяют говорить о весьма высокой актуальности проблемы комплексного подхода к совершенствованию соединений элементов конструкций подвижного состава. Комплексность в данном контексте подразумевает необходимость разработки единого методического подхода к оценке априорной и апостериорной прочности соединений и влияния на эту прочность различных условий окру 10 жения, таких как технология изготовления и ремонта, условия эксплуатации и технического обслуживания и т.п.
Особую актуальность проблемы совершенствования соединений элементов конструкций подвижного состава подчеркивает тот факт, что сокращение частоты поступления грузовых вагонов во внеплановый отцепочный ремонт по причине отказов соединений элементов их конструкций только на 10% позволит сократить затраты на ремонт парка грузовых вагонов более чем на 2 млрд. руб.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка научно-обоснованных технических решений по совершенствованию соединений элементов конструкций грузовых вагонов, с использованием разработанного метода синтеза нечетких моделей прочности (FDMS-метода), позволяющего учитывать основные виды неопределенности в оценке прочности соединений на всех стадиях жизненного цикла подвижного состава.
Научная новизна исследований заключается в следующем:
1. Разработан метод синтеза нечетких моделей прочности, основанный на теории нечетких множеств, позволяющий проводить комплексную оценку прочности соединений, с учетом основных видов неопределенности исходной информации и релевантности моделей.
2. Проведен системный анализ и выполнена классификация элементарных факторов прочности соединений, а также сформированы обобщенные модели прочности основных видов соединений грузовых вагонов, для чего был адаптирован и применен понятийный аппарат унифицированного языка моделирования - UML.
3. Разработаны математические модели для оценки прочности опорных и болтовых соединений буксового узла тележки грузовых вагонов, с учетом основных видов неопределенности технологической и эксплуатационной информации, а также исследовано влияние геометрических параметров и типов конструкции, а также свойств материала элементов буксы на прочность буксового узла. 4. Разработаны математические модели для оценки прочности и установлены основные зависимости прочности сварных и заклепочных соединений от параметров конструкции упоров автосцепного устройства грузовых вагонов, с учетом неопределенности технологической и эксплуатационной информации.
5. Разработаны методика идентификации обобщенной модели прочности соединений, позволяющая сократить затраты на совершенствование соединений при освоении выпуска новых и модернизированных грузовых вагонов, а также методика оценки экономической эффективности совершенствования соединений элементов конструкций вагонов, основанная на положениях FDMS-метода
Практическая ценность работы заключается в использовании результатов исследований при решении научных и практических задач, связанных с созданием грузовых вагонов и их составных частей.
Разработан программный комплекс, реализующий предлагаемый метод синтеза нечетких моделей прочности, позволяющий эффективно проводить оценку прочности и совершенствовать соединения элементов конструкции подвижного состава на всех стадиях его жизненного цикла. Данный программный комплекс основан на разработанном математическом методе стохастической аппроксимации нечеткого результата и эффективно используется для создания и диагностирования остаточного ресурса конструкций вагонов в ЗАО «Инженерный центр «Объединения вагоностроителей» и ЗАО «Интернаучвагонмаш».
Сформированы рекомендации по совершенствованию конструкции буксового узла тележки грузовых вагонов и предложена рациональная конструкция торцевого крепления буксового узла, а также узла опирання боковой рамы на буксу тележки. Результаты исследований использовались для уменьшения межремонтного потока отказов при деповских ремонтах вагонов-цистерн транспортных компаний «М.Синтез-Бизнес» и «Сантранс». Обоснована прочность литой приварной конструкции, а также предложена рациональная сварная конструкция заднего упора автосцепного устройства, позволяющая существенно уменьшить отказы консольных частей рам грузовых вагонов. Результаты исследований использованы в конструкции приварного упора, установленной на опытных образцах вагонов-цистерн для нефтепродуктов, которые успешно прошли приемочные испытания, а предложенная конструкция упора рекомендована для внедрения на опытной партии вагонов.
Реализована конструкция устройства для тепловой обработки сварных соединений на основе тепловой трубы, позволяющего уменьшить уровень остаточных сварочных напряжений при изготовлении сложных сварных конструкций подвижного состава.
Результаты диссертационной работы использованы при разработке конструкции вагонов: хоппер-дозатора для текущего содержания пути модели 55-9270, вагонов-цистерн моделей 15-1221 для перевозки авиационного топлива и нефтепродуктов, 15-1229 для перевозки сжиженных углеводородных газов, 15-1208 для перевозки пентана, вагона-хоппера модели 19-9734-01 для перевозки минеральных удобрений и зерна. Вагоны успешно прошли предварительные и приемочные испытания, а часть из них выпускается серийно на ОАО «Рузхиммаш».
Результаты проведенных исследований использованы при разработке программ и методик технического диагностирования грузовых и рефрижераторных вагонов, которые утверждены Департаментом вагонного хозяйства МПС России и приняты Комиссией Совета полномочных специалистов вагонного хозяйства стран СНГ, Латвии, Литвы и Эстонии в качестве рабочих на территории этих стран. Разработанные методики успешно используются ЗАО «Интернаучвагонмаш» и ЗАО «Экспертный центр подвижного состава» для технического диагностирования грузовых вагонов с целью продления срока службы парка вагонов ряда транспортных компаний, организаций и фирм. На предложенные по результатам диссертационных исследований конструктивные решения получены 6 патентов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технических конференциях: в Дальневосточной Государственной академии путей сообщения (1993 г.), в Петербургском Государственном университете путей сообщения (1996, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005 г.г.), в Манчестерском государственном университете (Великобритания, 1997 г.), на научно-технических совещаниях Департамента вагонного хозяйства МПС России, ОАО «Российские железные дороги», Объединения вагоностроителей Российской федерации, на научных семинарах кафедр «Вагоны и вагонное хозяйство», «Подъемно-транспортные, путевые и строительные машины» ПГУПСа (1996,1997,1999,2003,2004).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в одной монографии и 11 научных статьях, отдельные разделы теоретических исследований приведены в 8 научных отчетах. На изобретения, выполненные по результатам исследований, получены 6 патентов. Для проведения теоретических исследований разработаны две программы, зарегистрированные в Реестре программ для ЭВМ Роспатента.
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, два приложения и изложена на 384 страницах машинописного текста, включающих 97 рисунков и 4 таблицы. Список использованных источников насчитывает 288 наименований.
Обзор и классификация конструкций соединений, используемых на подвижном составе
Другим примером применения такого подхода является использование контактной сварки для изготовления кузовов вагонов, при этом соединение деталей осуществляется не за счет направленного металла сварного шва, а за счет взаимной диффузии материала соединяемых деталей друг в друга, под действием высокого контактного давления и высокой температуры в месте контакта. Применение этого нового (для данной конструкции) физического эффекта позволяет избежать появления таких отказо-генерирующих факторов, как газовые поры и шлаковые включения, характерные для дуговой сварки. Однако применение контактной сварки вносит другие факторы, которые потенциально могут являться причиной возникновения и развития отказа, такие как конструкционный концентратор напряжений, возможные несплавления в зоне контакта и др.
В целом, применение такого рода способов для борьбы с отказами конструкций использует следующие предпосылки. Во-первых, создается та или иная модель возникновения отказа у существующей конструкции. Борьба с отказом иными методами признается слабо- или неэффективной, причем основной причиной неэффективности по сути является высокая степень неопределенности модели или ее параметров. Для устранения отказогенерирую-щего феномена привлекается новый физический эффект или их сочетание. В некоторых случаях при этом упускается из виду, что инкорпорирование нового физического эффекта привносит в модель новые факторы и соответственно повышает сложность и неопределенность модели. 3. Разработка и использование адаптивных конструкций и автоматизированных технологий изготовления подвижного состава.
Практически любая достаточно адекватная модель прочности многих конструкций подвижного состава показывает, что отклонения ее параметров могут значительно влиять на надежность конструкции в эксплуатации. Однако, как было показано ранее, повышение адекватности модели зачастую связано с увеличением числа ее параметров, и пропорционально растет уровень неопределенности модели связанный с неопределенностью ее параметров. На практике это означает, что, например, неопределенность фактических размеров заготовок, влечет за собой неопределенность геометрических параметров сварного шва и неопределенные параметры его дефектов, что, в конечном счете, вытекает в неопределенный уровень надежности соединения. Для некоторого управления этой неопределенностью используют адаптивные конструкции и технологии, которые подстраиваются под фактические значения параметров конструкции (и соответственно параметры используемой модели) и, тем самым, уменьшают уровень неопределенности прочности и надежности конструкции.
Примерами таких конструкций могут быть самоустанавливающиеся подшипники [283], системы активного подвешивания и демпфирования колебаний [93]. Адаптивные автоматизированные технологии изготовления конструкций в последнее время все активнее применяются на железнодорожном транспорте. Например, фирма Siemens TS использует для изготовления сварных рам тележек промышленные перепрограммируемые сварочные роботы, которые оснащены датчиками для обнаружения неисправностей и отклонений сварочного процесса от заданных параметров, а также для контроля геометрических допусков. На стадии заготовительных работ там используются автоматические гибочные прессы, снабженные системой активного контроля толщины. Применение таких адаптивных автоматизированных технологий позволяет заводу быстро переналаживать производство на другие виды конструкций тележек [180].
Применение самых точных моделей не может однозначно предсказать состояние реальной конструкции в эксплуатации, так как подвижной состав является динамической системой в широком смысле этого понятия и относительно незначительные отклонения параметров конструкции и условий ее эксплуатации, содержания и ремонта от номинально принятых в модели приводит эту систему в состояние динамического хаоса. В этой ситуации для адекватной оценки фактической прочности и надежности конструкции необходимо обладать актуальной информацией об ее состоянии. Для этого разра зо
ботаны и активно применяются различные методы и технологии контроля и диагностирования конструкций подвижного состава. Развитие методик и технологий контроля параметров конструкции и диагностирования их состояния в эксплуатации идет в следующих основных направлениях. 1. Автоматизация, а также применение дистанционных методов контроля и диагностирования состояния конструкций.
Совершенствование методов контроля и диагностирования идет в направлении повышения разрешения сканирования конструкций, объема извлекаемой информации о фактическом состоянии конструкции, скорости сканирования и т.д. При этом, однако, все эти достижения, уменьшающие степень неопределенности информации о состоянии конструкции, могут быть нивелированы влиянием человеческого фактора. Для снижения влияния этого обстоятельства на достоверность информации о фактическом состоянии конструкции разрабатываются и внедряются методы автоматизированного контроля и диагностирования подвижного состава. Так, например, на ФГУП «Уралвагонзавод» разработана и внедрена в производство автоматизированная система измерения и обработки результатов испытаний изделий подвижного состава (АСИОР), которая предназначена для измерения механических деформаций, ускорений, перемещений, усилий, возникающих при статодинамических нагружениях вагонных конструкций и их узлов, предоставления отчетов в цифровом виде с последующей автоматизированной обработкой информации. Система позволяет в сжатые сроки проводить конструктивно-технологическую доработку конструкций [176].
Другим примером автоматизированного диагностирования может служить автоматизированная система ультразвуковой дефектоскопии колесных пар AURA, применяемая на железных дорогах Германии. Система позволяет проводить автоматизированный ультразвуковой и вихретоковыи контроль наличия внутренних и поверхностных дефектов в ободе и диске колеса, а также сплошных и полых осей колесных пар [138]. Применение системы по 31 зволяет существенно сократить издержки, повысить производительность контроля и достоверность информации о состоянии колесной пары.
Методы нечетких вычислений, основанные на численной аппроксимации нечетких операндов
Резьбовые соединения, к которым относятся болтовые соединения, соединения ввертными болтами или винтовые соединения, а также шпилечные соединения, применяются на подвижном составе для крепления различного функционального оборудования и других частей экипажей, предусматривающих размонтирование при проведении регламентных работ, техническом обслуживании и ремонте. Опорные соединения, представляют собой соединения посредством контакта двух частей конструкции с нулевой или относительно малой кривизной контактирующих поверхностей. К опорным соединениям подвижного состава относятся соединения пятника и подпятника, котла и лежневых опор вагона-цистерны, надрессорной балки и боковой рамы, буксового узла и боковой рамы тележки и т.п. Зачастую на опорные соединения подвижного состава помимо соединения двух частей конструкции возлагают задачу демпфирования динамических колебаний за счет сил трения. К таким соединениям относятся, например, соединения кузова вагона и ходовых частей через опорные скользуны, соединения фрикционного клина с боковой рамой тележки и т.п. И, наконец, к шарнирным соединениям относятся соединения посредством контакта двух частей конструкции со значительной относительной кривизной обеих контактирующих поверхностей. Такие соединения на подвижном составе используются для создания различного рода кинематических пар, в частности, для соединения элементов автотормозной передачи, погрузочно-разгрузочных устройств, элементов сцепного механизма и расцепного привода автосцепного устройства и т.п.
Неразъемные соединения, к которым относятся соединения с натягом, соединения, полученные пластическим деформированием, сварные и адгезионные соединения, образуются различными методами формоизменения: упругим, пластическим деформированием, молекулярным схватыванием или сплавлением. Неразъемные соединения являются самым распространенным типом соединений на подвижном составе, в основном за счет сварных соединений, которые используются для соединения элементов несущих конструкций всех основных частей подвижного состава. Сварные соединения по спо 45 собу сварки разделяются на соединения, полученные различными видами дуговой сварки и контактной сваркой. Соединения контактной сваркой в основном используются для соединения несущих тонколистовых конструкций таких, как цельнонесущие кузова экипажей. Соединения с натягом реализуются за счет упругого, термического и микропластического деформирования деталей типа «вал» - «отверстие» и используются для крепления различных конструктивных элементов на валах и осях, например колес на осях колесных пар или роликового подшипника на шейке оси колесной пары. Соединения методами пластической деформации используются в основном в узлах подверженных значительным вибрационным нагрузкам, а также для стопо-рения и фиксации деталей. В ранних конструкциях подвижного состава эти соединения, к которым относятся заклепочные, фальцевые соединения и соединения чеканкой, достаточно широко использовались для соединения в основном кузовных деталей, однако к настоящему времени их количество значительно сократилось из-за относительной сложности их изготовления и монтажа, а также из-за значительной доли отказов этих соединений в эксплуатируемых конструкциях экипажей. Заклепочные соединения - наиболее представительный вид этих соединений - используются для крепления пятников, упоров автосцепного устройства, то есть элементов, подвергающихся значительным динамическим нагрузкам ударного характера. Адгезионные соединения, которые получают методами склеивания и пайки, в настоящее время мало распространены в конструкциях подвижного состава, однако ряд их преимуществ перед конкурирующими с ними сварными соединениям в последнее время способствует их более широкому использованию в конструкциях экипажей.
Соединительные узлы представляют собой конструкции, в свою очередь состоящие из ряда соединений и предназначенные для соединения заданных типов деталей с заданной функциональностью. К соединительным узлам, широко применяемым на подвижном составе относятся: подшипники скольжения и качения, фланцевые соединения и соединения, предназначен 46 ные для передачи крутящего момента. Подшипники применяются для соединения деталей с обеспечением свободного вращения их относительно друг друга, например, для соединения колесных пар с корпусами букс или для опирання валов различных механизмов. Фланцевые соединения используются для плотных соединений люков кузовов экипажей. Соединения, предназначенные для передачи крутящего момента, к которым относятся шпоночные, штифтовые, шлицевые и фрикционные соединения, в основном применяются для крепления на валах и осях конструктивных элементов различных механизмов, например, погрузочно-разгрузочных механизмов.
Несмотря на достаточно большое количество типов соединений, представленных в классификации по конструктивным признакам, количество, которое может быть еще расширено в специальных частных случаях, функционирование всех указанных типов соединений осуществляется за счет ограниченного количества физических эффектов.
Так, основные конструкции резьбовых соединений, соединения горячей клепкой, соединения с натягом и фрикционные соединения функционируют путем связывания набора контактирующих деталей за счет реализации сжимающих их усилий и, соответственно, сил трения в контакте между деталями, которые и препятствуют относительным перемещениям деталей. Такие соединения можно сгруппировать под общим названием «стяжные соединения». Другая группа соединений, основанная на эффекте появления молекулярных сил связывания, включает в себя сварные и адгезионные соединения и имеет групповое название «молекулярные соединения». Соединения, основанные на свободном контакте между соединяемыми деталями, включают в себя шарнирные и опорные соединения и имеют собирательное название «контактные соединения».
История развития конструкций креплений буксы грузового вагона на шейке оси колесной пары
В некоторых случаях, при моделировании прочности резьбовых соединений по расчетной схеме, представленной на рис. 3.1, б, учитывают стадии монтирования и размонтирования соединения. В процессе монтирования к болту, помимо осевого усилия затяжки, прикладывается также крутящий момент затяжки, который создает в сечении стержня болта дополнительные касательные напряжения, в результате чего прочность соединения определяется сравнением эквивалентных напряжений с допускаемыми. Так, для болтов из пластичных металлических материалов для определения наступления пластичности или накопления повреждений при многоосном напряженном состоянии с достаточной точностью верна теория энергии формоизменения (Губера-Мизеса-Генки), в соответствии с которой эквивалентные напряжения в стержне болта определяются как:
Таким образом, подводя итог инженерным методам моделирования прочности резьбовых соединений, можно вычленить их основные особенности: - все многообразие сочетаний нагрузок на болтовое соединение сводится к трем основным расчетным схемам; - соединение рассматривается локально без учета влияния окружающих соединение конструкций; - геометрические характеристики соединения принимаются идеальными, то есть номинальными и соответствующими принятой расчетной схеме; - предполагается только упругое поведение материала соединений в рамках принимаемой расчетной схемы; - соединение исследуется в условиях эксплуатации, реже с учетом стадии изготовления или ремонта; - для моделирования прочности используется напряженное состояние в средних сечениях соединения без учета краевых эффектов, таких как концентрация напряжений и контактные напряжения между элементами соединения; - конструкция соединения предполагается бездефектной. В случае, когда реальное соединение соответствует вышеприведенным допущениям, инженерные модели прочности резьбовых соединений дают весьма качественную оценку их прочности. Однако в практике применения болтовых соединений на грузовом подвижном составе такие идеальные конструкции резьбовых соединений встречаются крайне редко, что обуславливает, зачастую, невысокую достоверность оценок их прочности.
Опорные соединения представляют собой взаимное сочленение деталей без дополнительного крепления, смещение которых относительно друг друга лимитируется жесткими или упругими направляющими устройствами (ограничителями). Требования к опорным соединениям могут быть самыми разнообразными, но основными из них являются: равномерная передача больших контактных давлений; минимальные износы при работе в условиях сухого и полусухого трения; реализация, по возможности, стабильных моментов трения при небольших скоростях взаимного смещения элементов; простота конструкции, эксплуатации и ремонта и др. Особенностью опорных соединений является весьма богатая палитра отказогенерирующих процессов, порождаемых контактным взаимодействием деталей соединения, что весьма затрудняет реализацию простых инженерных методов их моделирования. В опорных соединениях в той или иной вариации потенциально могут возникать все виды сценариев отказов, приведенные в классификации на рис. 2.3: макро- и микроизменения формы и размеров соединения, разрушение или изменение кинематического состояния соединения (заедание и схватывание). Кроме того, природа этих отказогенерирующих процессов весьма сложна для описания их некоторыми математическими моделями, так, например, только напряженное состояние деталей соединение характеризуется объемным сжатием и зависит от многих трудноучитываемых факторов, таких как переменная нагрузка на опору, фактическая площадь контакта, функции распределения удельных давлений, жесткости деталей опоры и др.
К опорным соединениям грузового подвижного состава, как уже было отмечено выше, относятся пятниковое и боковое опирание рамы на тележку, опирание рамы тележки на буксы колесной пары, кинематические связи элементов фрикционного гасителя колебаний, шарнирные соединения элементов тормозной передачи и т.д. По характеру возникающих в таких соединениях сил их можно условно разделить на соединения посредством контакта деталей условно нулевой кривизны, двух деталей, кривизна контактных поверхностей которых значительно различается, и двух деталей, кривизна контактных поверхностей которых приблизительно одинакова.
К первому случаю можно отнести пятниковое опирание. Вследствие приведенных выше причин, моделирование реального процесса отказа такого соединения для широкого круга конструкций не представляется возможным.
По этому в инженерной практике моделирования опорных соединений ограничиваются определением среднего удельного давления в контакте деталей соединения и сравнением его с допускаемыми значениями [221], которые определяются с учетом всех основных неопределенностей: неопределенности сценария отказа соединения, его напряженного состояния, макро- и микрогеометрии соединяемых деталей, свойств поверхности контакта и других. При этом как сама пята (пятник), так и взаимодействующая с ней опора (подпятник) принимается в виде абсолютно твердых тел. В этом случае удельное давление для пят определяется по формуле:
Обобщенная модель предметной области моделирования прочности сварных соединений
Следуя методологии FDMS-метода для описания характерной обобщенной модели предметной области моделирования прочности контактных соединений, сформируем группу характерных прецедентов, лежащих в основе их прочности. Как было указано ранее, контактные соединения могут реа-лизовывать множество сценариев потери прочности, которые по признаку их локализации можно разделить на две группы: локальные сценарии потери прочности, проявляющиеся непосредственно в зоне контактной поверхности соединения, и узловые отказы, распространяющиеся на узел, включающий в себя рассматриваемое соединение, но начинающие свое развитие в зоне контактной поверхности. К первой группе из наиболее характерных для грузового подвижного состава сценариев относятся различного рода износы, бри-неллирование, поверхностная усталость, заедание и схватывание.
Износы контактных соединений характерные для грузового подвижного состава в основном сочетают в себе элементы адгезионного износа, фрет-тинга и коррозионного износа. Адгезионный износ представляет собой сложный процесс, включающий в себя сцепление контактирующих поверхностей под воздействием молекулярных сил схватывания с дальнейшим отрывом частей от одной поверхности, срез неровностей или пропахивание одной поверхности неровностями другой и т.д. Соответственно процесс адгезионного износа в первую очередь зависит от контактного давления и процессов трения, реализующихся в контакте. Фреттинг представляет собой процесс разрушения контактирующей поверхности под воздействием микросмещений другой поверхности, создающих высокие касательные напряжения сдвига. Особенно фреттинг проявляется в зоне краевого опирання или в зонах мик ропроскальзывания контактирующих поверхностей под действием вибрации. Соответственно процесс фреттинга также зависит от контактного давления и реализуемых в контакте сил трения. И наконец процесс коррозионного износа заключается в химическом или электрохимическом преобразовании материала контактирующих поверхностей под воздействием находящихся в зазоре химических агентов или электролитов с последующим удалением продуктов коррозии из соединения. Процесс коррозионного износа зависит от процесса образования продуктов коррозии.
Бринеллированием называется процесс внедрения частей одной контактирующей поверхности в другую. В процессе контактного взаимодействия при локальном превышении контактных напряжений предела текучести одной из поверхностей начинается процесс выдавливания ее материала частями более твердой поверхности, который останавливается после упрочнения пластически деформированных зон или после перераспределения контактных напряжений. Соответственно бринеллирование, как вид потери прочности соединением, зависит в первую очередь от развития поверхностной пластической деформации, которая в свою очередь зависит от напряженного состояния соединения и контактного давления.
Поверхностная усталость возникает в первую очередь в подвижных контактных соединениях, например на поверхности катания колец буксового подшипника, вследствие циклического нагружения микрообъемов материала поверхности с дальнейшим развитием усталостной трещины вглубь или вдоль поверхности. Поверхностная усталость в первую очередь зависит от динамики изменения контактных напряжений и контактного давления.
Заедание и схватывание являются видами нарушения кинематического состояния контактного соединения и могут вызываться различными причинами. Наиболее характерной причиной заедания является относительно редкое сочетание различных факторов, таких как относительное положение поверхностей, нагрузок, износов и отклонений геометрии поверхностей от номинала, адгезионного состояния контактной поверхности и т.п. Сочетание
146 этих факторов вызывает значительное локальное повышение сил трения, которые и нарушают кинематическую свободу соединения. Схватывание является более сложным процессом, который может развиваться по различным сценариям, к наиболее характерным из которых относятся адгезионное схватывание относительно больших контактирующих площадей и распирание и связывание поверхностей соединения продуктами коррозии, например окислами металла. Соответственно заедание в первую очередь зависит от реализуемых в соединении сил трения, а схватывание от контактного давления и образования продуктов коррозии.
Ко второй группе сценариев потери прочности относятся пластическое деформирование частей узла контактного соединения, раскрытие стыка, в случае плотного контактного соединения, разрушение деталей узла соединения по пластическому или хрупкому сценарию и их усталостное разрушение, инициируемое в зоне контакта.
Пластическое деформирование узла контактного соединения, как правило, инициируется высокими контактными напряжениями, но в отличие от бринеллирования процесс пластической деформации распространяется на детали узла соединения, что вызывает появление остаточных пластических деформаций и более или менее существенно нарушает параметры кинематики соединения. Пластическое деформирование, как вид потери прочности, в первую очередь зависит от напряженного состояния узла соединения, которое в свою очередь зависит от нагрузок на узел и контактного давления в соединении.
Раскрытие стыка является важным типом отказа прочности плотных контактных соединений, для которых главным является их герметичность. Раскрытие стыка, а точнее реализация зазора в стыке больше допускаемого, зависит от деформирования (упругого или упруго-пластического) деталей в контактном соединении, а также от их деформированного состояния, которое в свою очередь зависит от нагрузок на узел, контактного давления в соединении и может зависеть от пластической деформации деталей соединения.
Пластическое разрушение деталей соединения происходит, если в процессе пластической деформации исчерпывается лимит деформационной пластичности материала и происходит ее разрушение. Существуют различные взгляды на механизмы, вызывающие развитие пластического разрушения, однако большинство из них имеют в своей основе процессы динамики развития пластической деформации и связанных с этим полей напряжений.
