Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В связи со сложными условиями эксплуатации осей колёсных пар целесообразно уделять особое внимание обеспечению их надёжной работы. На оси колёсных пар действуют переменные во времени вертикальные и горизонтальные силы, приводящие к развитию усталостных процессов в их материалах. Для повышения усталостной долговечности осей можно применять различные методы упрочнения поверхностных слоёв. Одним из наиболее экономичных и результативных методов повышения сопротивления усталости является механическое упрочнение. Оно направлено на создание остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое. Необходимость механического упрочнения отражена в большом количестве нормативных документов по производству осей.
Методы оценки нагруженности осей, обусловленной статистическими распределениями действующих на них сил разработаны достаточно полно. Расчётные методы оценки нагруженности осей с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением, практически отсутствуют. Вследствие значительного интереса к этой теме со стороны производства отечественными (В .В. Иванов, В.М. Браславский, М.С. Дрозд, И.В. Кудрявцев, М.М. Матлин, В.М. Смелянский и др.) и зарубежными (A.J. Black, O.G. Horger, S. Kobayashi, S.A. Neagu-Ventzel, K. Rottger, M.S. Yung-Chang Yen и др.) исследователями выполнено большое количество научно-практических работ, в которых исследуется остаточное напряжённо-деформированное состояние (НДС) осей колёсных пар после упрочнения их поверхностей. Однако, несмотря на пристальное внимание к этой проблеме, её решение ещё далеко от завершения.
Как следствие этого, при эксплуатации имеются случаи усталостного излома осей, которые имеют значительные экономические последствия и являются угрозой безопасности движения на железнодорожном транспорте. Согласно, например, общедоступным статистическим данным в период с 1991 по 2000 год включительно в РФ каждый год в среднем случалось 0,000082 излома осей на 1 млн. ваг.-км.
Таким образом, в связи с чрезвычайной важностью для производства и эксплуатации железнодорожного подвижного состава, а также недостаточной проработкой с научной стороны данная тема является актуальной.
Целью работы является разработка расчётной методики определения нагруженности осей колёсных пар железнодорожного подвижного состава с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Для достижения поставленной цели при выполнении диссертационной работы решены следующие основные задачи.
-
Исследовано НДС оси и деталей буксового узла грузового вагона от эксплуатационных нагрузок с использованием конечноэлементных моделей.
-
Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое оси при его механическом упрочнении.
-
Выполнена программная реализация этой методики в виде специализированного программного комплекса.
Подтверждена работоспособность созданной методики путём сопоставления результатов работы программного комплекса с экспериментальными данными и известными численными и аналитическими решениями. Исследованы распределения остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары РУ1Ш ГОСТ 31334-2007, вызванных механическим упрочнением.
Предложены подходы к оценке влияния свойств поверхностного слоя оси колёсной пары на её сопротивление усталостному разрушению. Научная новизна проведённых исследований заключается в следующем: Разработана уточнённая математическая модель оси колёсной пары и деталей буксового узла грузового вагона для расчёта напряжений от эксплуатационных нагрузок.
Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхностных слоях осей колёсных пар грузовых вагонов, возникающих при механическом упрочнении, с использованием конечноэлементных моделей. С применением разработанной методики даны уточнённые оценки влияния режимов механического упрочнения на остаточное НДС поверхностного слоя оси колёсной пары.
Для оценки результатов, полученных с использованием разработанной методики, предложено применение функции распределения усталостной долговечности оси колёсной пары и коэффициента влияния упрочнения. На защиту выносятся:
Уточнённая математическая модель оси колёсной пары и деталей буксового узла грузового вагона, учитывающая их контактное взаимодействие. Расчётная методика определения остаточных напряжений в поверхностных слоях осей колёсных пар вагонов при механическом упрочнении. Математические модели и результаты расчётов по оценке влияния режимов упрочнения на остаточные напряжения в поверхностном слое оси колёсной пары грузового вагона.
Методика и результаты расчётов нагруженности оси колёсной пары с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением. Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанная методика оценки нагруженности осей может быть использована для повышения надёжности осей колёсных пар вагонов и локомотивов, продлению их срока службы.
Создан специализированный программный комплекс, ориентированный на определение остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением осей колёсных пар.
С использованием разработанного программного комплекса получены сведения о влиянии остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары грузового вагона на её прочность при переменных нагрузках. Результаты исследований использованы при выполнении работ по гранту РФФИ 09-08-01236-а, а также при выполнении дипломных и курсовых работ в Брянском государственном техническом университете.
Методология и методы исследования. Для оценки нагруженности оси колёсной пары применены методы статистической механики, теории вероятностей и математической статистики.
При разработке методики для решения контактной задачи качения ролика вокруг оси использованы методы теории упругости и пластичности, вычислительной механики, конечных элементов, теории дифференциального и интегрального исчислений, аналитической геометрии, векторной и матричной алгебры, тензорного исчисления.
При создании программного комплекса использованы методы программирования на языке C++ в среде операционной системы Windows.
Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается результатами решений тестовых задач, которые сопоставлены со значениями, полученными методом конечных элементов (МКЭ) и методом граничных элементов (МГЭ) другими исследователями. Для апробации результатов использовались также аналитические решения. Кроме того проведено сопоставление результатов с данными эксперимента.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской молодёжной научно- технической конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2007 г.), XVI Международной молодежной конференции «Новые информационные технологии» (Москва - Судак, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наука и производство - 2009» (г. Брянск, 2009 г.), научно-техническом семинаре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» (г. Брянск, 2009), Международной научно- технической конференции студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2011 г.), III Международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г. Брянск, 2011 г.), ХVIII международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера ХХ! века» (г. Севастополь, 2011 г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в виде статей и тезисов докладов, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы - 138 страниц машинописного текста, 66 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 119 наименований.
