Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. ОБЗОР МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГИППЯНОСШ,
УСТАЛОСТНОЙ ДОЛГОВЕЧНОСТИ И НАДЁЖНОСТИ
ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ВАГОНОВ '. 12
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОБРАт-
БОТКИ ДАННЫХ И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ В ИССЛЕДОВАНИИ
НАГРУЖЕННОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ
ВАГОНОВ . . . 22
Технические средства АСОД и их соверпенст-вование 23
Алгоритм работы АСОД 27
Основные принципы разработки программного обеспечения АСОД 30
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОЦЕНОК
ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЖЕННОСТИ ПО ЭКСПЕРИ
МЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ 35
Общий подход к организации обработки экспериментальных данных с использованием АСОД . 37
Амплитудный анализ 40
3.2.1. Оценка эмпирических рядов распределений,
выбор параметров обработки 40
Алгоритм и программа амплитудного анализа . 43
Определение характеристик динамической нагруженности элементов ходовых частей
вагонов при амплитудном анализе 4?
3.3. Спектральный анализ 55
Оценка спектральной плотности, выбор параметров обработки 55
Алгоритм и программы спектрального анализа , 65
Определение характеристик динамической нагруженности элементов ходовых частей вагонов при спектральном анализе ........ 76
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТАТИСТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ХАРАКТЕ
РИСТИК НАГОТЕННООТ ЭЛЕМЕНТОВ ХОДОВЫХ
ЧАСТЕЙ ВАГОНОВ 81
Общий подход к выбору статистических моделей 81
Статистическая модель нагруженности в вертикальной плоскости(по коэффициенту вертикальной динамики Кв. ) 82
Статистическая модель нагруженности в горизонтальной плоскости(по рамной силе Нр ) . 88
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЁЖНОСТИ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ ВАГОНОВ 93
Разработка метода оценки показателей надёжности элементов ходовых частей вагонов , , . 94
Определение показателей надёжности оси колёсной пары на основе распределений нагруженности и предела выносливости 100
Определение показателей надёжности оси колёсной пары на основе данных эксплуатационных наблюдений 107
Оценка показателей надёжности оси колёсной
пары по разработанному методу , 119
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ .............. 129
ЛИТЕРАТУРА 132
ПРИЛОЖЕНИЕ I. Листинга модулей программы амплитуд
ного анализа 138
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Листинги модулей программ спектраль
ного анализа 147
ПРИЛОЖЕНИЕ 3, Листинга модулей программы вычисления
показателей надёжности оси колесной
пары 161
Введение к работе
В постановлениях Партии и Правительства, в решениях ХХУІ съезда КПСС и Пленумов ЦК КПСС, в приказах МПС неоднократно предъявлялись серьёзные требования по обеспечению безопасности движения и надёжности подвижного состава железных дорог, указывалось на необходимость широкого проведения научных исследований, направленных на их повышение. С надёжностью технических средств железнодорожного транспорта^ частности, с надёжностью элементов и узлов вагона) тесно связана пропускная и провозная способность железных дорог. Повышение скоростей движения грузовых и пассажирских поездов, увеличение осевых нагрузок вагонов, рост интенсивности их использования влияют на техническое состояние вагона, на его надёжность, которая, в конечном итоге, определяет такие важные показатели работы железнодорожного транспорта, как выполнение планов пассажирских перевозок, объёма грузооборота.
Несмотря на большой объём проведенных ВНИИЖТ и другими институтами и организациями ШС и МИНШЕШШ работ, направленных на обеспечение надёжности конструкции вагонов, ряд их узлов и деталей обладают недостаточно высоким уровнем надёжности, из-за чего всё ещё велик удельный вес затрат на техническое обслуживание и ремонт вагонов. По данным групп надёжности и проведенным исследованиям [I, 2] частота выхода из строя и поступления в ремонт вагонов по неисправностям таких ответственных элементов, как ходовые части, от которых зависит безопасность движения, остаётся вы-сокой(для грузовых вагонов средняя частота отказов по ходовым частям, в том числе из-за усталостных трещин и изломов, составляет 8,8 % от отцепок по всем видам неисправностей С43] ). Приведенные результаты указывают, что проблема повышения надёжности и прочно-
сти подвижного состава(в частности, элементов ходовых частей вагонов) остаётся актуальной.
Одним из путей научно обоснованного решения этой проблемы является разработка методов, учитывающих физику явления отказа, позволяющих задавать характеристики надёжности на стадии проектирования и оперативно контролировать их уровень в эксплуатации. Необходимость оценки прочности и надёжности возникает при конструировании новых вагонов и для вагонов существующего парка с целью определения степени их соответствия новым условиям экс-плуатации(с повышенной нагрузкой, с повышенной скоростью). Для решения проблемы на современном уровне нужно учитывать случайный характер нагрузок, действующих на элемент, и факторов, влияющих на возникновение в нём напряжений; механических свойств используемого материала и факторов, влияющих на прочность элемента из него. Таким образом, требуется проведение более глубокого исследования динамики и прочности вагонов, усоверпенство-вание методов расчета на прочность, усталостную долговечность, устойчивость, а также развитие и разработка новых методик экспериментальной оценки статистических характеристик эксплуатационной нагруженности, долговечности, прочности элементов конструкции вагонов. Осуществление этого невозможно без применения мощных средств высокопроизводительной вычислительной техники.
Целью данной работы является разработка методов определения характеристик нагруженности и показателей надёжности основных элементов ходовых частей вагонов в вероятностном аспекте по экспериментальным данным с использованием новых средств и методов анализа на основе применения вычислительной техники и аппарата математической статистики и теории случайных процессов; получение оценок нагруженности и надёжности для грузовых ваго-
нов на примере элементов тележки ЦВИИ-ХЗ.
До недавнего времени не существовало единого понятия "на-груженности" и единого способа её определения как по экспериментальным данным, так и по данным теоретических расчетов. С 1980 года введен в действие ГОСТ С 3 ] , разработанный при участии автора, который устанавливает понятие нагруженности как "состояние машин и механизмов, обусловленное внешними воздействиями и условиями функционирования" и даёт основные положения и этапы для определения оценок статистических характеристик нагруженности. Получение этих оценок важно ещё и потому, что она используются как исходные данные для расчетов на прочность и надёжность по методам, учитывающим случайный характер действующих в эксплуатации нагрузок.
Как рекомендуется в Нормах [15, 4] при расчете вагонов на прочность должны учитываться следующие нагрузки, определяющие их нагруженность: полезная нагрузка и собственный вес конструкции; силы взаимодействия между вагонами, между грузом и вагоном при движении поезда и маневровой работе; силы, связанные с торможением и троганием поезда с места; инерционные силы, вызванные ускорениями, возникающими при колебаниях вагона и его узлов и изменениями скорости движения вагона; силы, возникающие при движении вагона по кривым и стрелочным переводам; аэродинамические силы; силы давления жидких и распора сыпучих и других навальных грузов с учетом их изменения при движении вагона в поездах и при маневрах; внутреннее давление и вакуум в резервуарах; усилия, возникающие при механизированной погрузке и выгрузке вагона; силы, прикладываемые к вагону при его постройке и ремонте; силы от работы механизмов, установленных на вагоне; силы, вызванные важнейшими технологическими факторами при изготовлении.
Все действующие на вагон нагрузки методом схематизации сводятся к четырем основным грушам сил: вертикальным, боковнм(горизон-тальным), продольным и группам самоуравновешенных сил. Часть перечисленных нагрузок имеет вполне определенные (независящие от времени) характер воздействия и величину (статические нагрузки), остальные являются переменными во времени (динамические нагрузки), возникающие вследствие колебаний массы вагона и груза в нем из-за неровностей рельсового пути. Эти нагрузки мої^т быть расчетным путем выражены через обобщенные координаты и обойденные скорости, либо непосредственно замерены экспериментально. Следовательно, состояние конструкции вагона(её динамическую нен груженность) можно представить либо детердаанированными функциями времени, либо случайными функциями времени, или скорости. Многие динамические силы(их величины и повторяемости) носят случайный характер и не могут быть определены достаточно точно детерминированным выражением. При их описании используется вероятностный подход.
В данной .. : работе задача нахождения оценок динамической нагруженности сводится к отысканию вероятностных характеристик состояния элементов конструкции вагона по вероятностным характеристикам внешнего воздействия на них, используя статистические модели для описания последних. Такие модели сочетают в себе достаточную адекватность исследуемым процессам и простоту, позволяющую использовать полученные результаты(оценки) для дальнейших расчетов. Исходной информацией для построения моделей служат результаты статистического анализа экспериментальных данных -- записей динамических сил, действующих на элементы конструкции вагона в процессе движения.
Проведение анализа для исследования вероятностного характе-
pa внешних воздействий, а тем самым и нагруженности, требует применения новых средств, какими являются созданная в отделении вагонного хозяйства ШШШ автоматизированная система обработки данных(АСОД) на базе вычислительного комплекса М-6000 и разработанное математическое обеспечение - пакет прикладных программ (ППП) для обработки экспериментальных данных о нагруженности. Использование АСОД поаволяет проводить комплекс разнообразных статистических обработок( амплитудный и корреляционно-спектральный анализ) значительного объёма данных с большой надёжностью и эффективностью и в итоге строить статистические модели характеристик нагруженности элементов вагона.
Согласно Нормам [4, 15] , при проектировании несущую способность конструкции вагонов оценивают применительно к сочетаниям основных эксплуатационных нагрузок по критериям, которые являются наиболее характер>ными для условий работы данного элемента. Для элементов ходовых частей вагонов наибольший вклад в их на-груженность(по величине и частоте воздействий за срок службы) вносят нагрузки в вертикальной и горизонтальной плоскостях. При ориентировочном расчете этих элементов по допускаемым напряжениям и запасам усталостной прочности можно принять, что основное значение оказывают вертикальные и боковые нагрузки, которые складываются из статических и динамических составляющих. Динамическая нагруженность для них обусловливается в основном вертикальной динамической нагрузкой, определяемой по коэффициенту вертикальной динамики К^. , и силами динамического взаимодействия вагона и пути в горизонтальной плоскости, определяемыми рамной силой Нр . Таким образом, коэффициент вертикальной динамики К^ и рамную силу Нр можно рассматривать как характеристики динамической нагруженности ходовых частей вагона в вертикальной
и горизонтальной плоскостях, которые при расчетах считаются действующими независимо [6]. В работе задача построения статистических моделей характеристик динамической нагруженности этих элементов решается путем разработки методики определения коэффициента вертикальной динамики ходовых частей вагона и рамной силы с учетом их вероятностного характера на основе статистического анализа экспериментальны, данных - замеров К* и Н„ в различных точках ходовых частей при динамико-прочностных испытаниях вагонов. Полученные статистические оценки характеристик нагруженности могут быть использованы для решения задачи нормирования уровня нагруженности и как исходные данные для расчетов на прочность, надёжность, устойчивость.
Действующий сейчас ГОСТ [41] устанавливает требуемые при проектировании показатели надёжности для изделий. Для ходовых частей вагонов основными из них являются вероятность безотказной работы и интенсивность отказов. Современные методы расчета надёжности должны давать их оценки в вероятностном аспекте с учетом распределений эксплуатационных нагрузок и механических характеристик рассматриваемых элементов. В работе развитие и совершенствование методов расчета надёжности основных элементов ходовых частей вагонов проводится в этом направлении. Полученные в работе статистические модели характеристик динамической нагруженности этих элементов дают закон распределения для них и позволяют вычислить с заданным уровнем вероятности значения его параметров в зависимости от скорости движения, типа тележки и величины статического прогиба рессорного подвешивания. Также могут быть использованы статистические оценки характеристик нагруженности, определенные при обработке экспериментальных данных о нагруженности с применением АСОД. Для вероятностного представления
пределов выносливости элементов ходовых частей используются результаты ранее проведенных исследований [5, 44](законы распределения и их параметры, определенные приближенно расчетным методом или по экспериментальным данным натурных испытаний). Наиболее подробно разработанный метод рассмотрен на примере оси колесной пары, для которой рассчитаны оценки показателей её надёжности для различных условий эксплуатации. Также получены показатели надёжности оси колесной пары грузового вагона по данным эксплуатационных наблюдений более чем пяти тысяч осей. Это позволяет сравнить результаты и оценить предложенный расчетный метод.
Таким образом, разработанные методы определения характеристик нагруженности и показателей надёжности основных элементов ходовых частей вагонов и их программная реализация для АСОД позволяют получать оценки нагруженности и надёжности с учетом их случайного характера, что является основой для проектирования более надёжных и прочных элементов.
