Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей железнодорожного транспорта любой страны является полное обеспечение страны в перевозках народно-хозяйственных грузов и пассажиров. Повышение скоростей движения на железнодорожном транспорте, увеличение веса поездов и грузоподъёмности ведут к росту динамических воздействий на ходовую часть и выдвигают повышенные требования для несущих конструкций подвижного состава, в частности, и рам тележек.
Проблема оценки остаточного ресурса несущих конструкций после выработки ими назначенного ресурса возникла в последние годы, в связи с проведением на железнодорожном транспорте работ по продлению срока службы подвижного состава. Она потребовала нового подхода к её решению и, в частности, исследования механических и усталостных характеристик материала несущих конструкций и сопротивления усталости самих деталей после их длительной эксплуатации, обоснования влияния экстремальных условий нагружения, физического состояния деталей на их напряжённое состояние и поиска альтернативного метода оценки их остаточного ресурса.
В сложившейся ситуации, когда потребности дорог в обновлении локомотивного парка ограничиваются их финансовыми возможностями, значительно возрастает роль ремонта и модернизации как способа поддержания тяговой техники в работоспособном состоянии.
Одним из решений в данный период является наряду с постепенным обновлением парка за счёт поставок новых локомотивов, продлить срок службы части парка выполнением капитальных ремонтов, в том числе с модернизацией. Исходя из наличия остаточного ресурса тепловозов, целесообразно выполнить экспертное обследование их технического состояния для обоснования возможности продления срока службы за счет обновления изношенного оборудования и усиления ослабленных несущих конструкций. Модернизация или ремоторизация (замена силовых агрегатов) является оптимальным решением этой проблемы, которое позволяет удовлетворить самые разнообразные требования эксплуатации. Для проведения модернизации пригодны все тепловозы. Решающим условием является хорошее техническое состояние несущих конструкций. Имеется в виду, что несущие элементы рам кузова и тележек должны быть исправными и способными воспринимать достаточно высокие дополнительные нагрузки, чтобы служить базой для модернизации. Другим обязательным условием является техническая целесообразность и экономическая эффективность модернизации, что позволяет ей быть конкурентоспособной альтернативой заказу новых тепловозов.
Исходя из наличия остаточного ресурса несущих конструкций, целесообразно выполнить экспертное обследование их технического состояния для обоснования возможности продления срока службы за счет обновления изношенного оборудования и усиления ослабленных несущих конструкций. Следовательно, в настоящее время актуальной является задача оценки остаточного ресурса рам тележек тепловозов, с возможностью продления срока их безопасной эксплуатации.
Проблемами прочности, эксплуатационной надёжности несущих конструкций подвижного состава и комплексными работами по улучшению конструкций, надёжности и безотказности подвижного состава занимаются крупнейшие научно-исследовательские институты и центры Российской Федерации как ВНИИЖТ, ВНИИАС, ГипротрансТЭИ, ГосНИИВ а также в МИИТе, ПГУПСе, УрГУПСе, СамГУПСе и отраслевых лабораториях высших учебных заведений стран СНГ.
Вопросами надёжности металлоконструкций занимались многие учёные и ведущие специалисты, в том числе В.В. Болотин, А.П. Гусенков, В.П. Когаев, Н.А. Махутов, С.В. Серенсен, В.Т.Трощенко, В.И. Труфяков, и многие другие.
Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования несущих конструкций подвижного состава внесли такие ведущие учёные в области железнодорожного транспорта как Ю.П. Бороненко, Г.П. Бурчак, Б.Б. Бунин, Г.М. Волохов, Р.И. Зайнетдинов, В.И. Киселев, С.Н. Киселев, В.В. Кобищанов, В.Н. Котуранов, Б.А. Мейснер, Э.С. Оганьян, А.Н. Савоськин, Е.В. Сердобинцев, А.В. Третьяков, В.Б. Цкипуришвили, Л. А. Шадур, А.П. Шлюшенков, и многие другие, но следует отметить, что вопросам исследования остаточного ресурса и продления сроков службы тепловозов, либо определения назначенного срока службы по техническому состоянию в опубликованной к настоящему времени научно-технической литературе посвящено сравнительно мало публикаций и данная проблема остаётся по прежнему острой и актуальной. Анализ научных трудов и других исследований показывает, что основное внимание в них уделяется совершенствованию конструкций тепловозов, выявлению и обоснованию наиболее целесообразных конструктивных схем, улучшению технико-экономических параметров, унификации узлов и деталей, повышению надёжности и совершенствованию систем технического обслуживания. Значительно меньше внимания уделялось взаимосвязи отдельных узлов конструкции тепловозов и возможного изменения срока службы в сторону увеличения при его модернизации. При назревшем дефиците тепловозов, в частности магистральных, недостаточно внимания уделено вопросам сохранения данного подвижного состава в рабочем парке, его модернизации, технического и экономического обоснования продления его сроков службы.
Целью диссертационной работы является разработка методики оценки остаточного ресурса рам тележек грузовых тепловозов с возможностью продления срока их безопасной эксплуатации.
Объектом исследования является бесчелюстная рама тележки грузового тепловоза.
Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние рамы тележки тепловоза в процессе эксплуатации.
Основные задачи исследования:
- выполнить анализ и систематизацию теоретических и экспериментальных методов оценки остаточного ресурса несущих конструкций подвижного состава.
- разработать математическую модель напряженного состояния рамы тележки грузового тепловоза при различных эксплуатационных режимах.
- создать конечно-элементную модель напряженного состояния рамы тележки для установления зависимостей величины напряжений от технологических и эксплуатационных факторов.
- разработать методику оценки остаточного ресурса и выполнить стендовые испытания рам тележек.
Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи были решены с применением методов математического моделирования, с использованием метода конечных элементов для решения задач механически деформируемого твёрдого тела.
Построение конечно-элементной модели и имитационное моделирование рамы тележки тепловоза проводилось в программном пакете Solid Works 2009. В процессе анализа полученных результатов использовались электронные таблицы Microsoft Excel.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработана методика оценки остаточного ресурса рамы тележки тепловозов ТЭ10, ТЭ116 как одной из составляющих при продлении их срока службы.
-
Проведены исследования видов эксплуатационных повреждений несущих металлоконструкций рам тележек тепловозов, выявлены наиболее типичные, определяющие потерю их несущей способности.
-
Создана конечно-элементная модель рамы тележки тепловозов ТЭ116, ТЭ10, позволяющая проводить анализ их напряженно-деформированного состояния и выполнять сравнительную оценку показателей прочности, надежности и долговечности конструкции до и после продления срока их полезного использования.
-
Разработана методика проведения стендовых испытаний рам тележек после истечения их нормативного срока эксплуатации, включающая определение минимально необходимого количества циклов нагружения для оценки остаточного ресурса испытуемых образцов.
-
Разработана методика назначения критериев предельного состояния для несущих металлоконструкций тягового подвижного состава при оценке их фактического технического состояния и продлении срока полезного использования.
Практическую ценность работы составляют:
установленные зависимости показателей прочности и устойчивости рамы тележки тепловоза от геометрических размеров листов рамы позволяют провести выбор технических параметров и дать рекомендации при модернизации и продлении срока службы тепловозов;
построенная с помощью программного обеспечения конечно-элементная модель рамы тележки тепловоза позволяет проводить многовариантные расчёты, которые дают возможность определять и анализировать такие усилия как перемещения, напряжения и деформации, рассчитываемые в данной конструкции, также определить места критических напряжений в конструкции;
исследования напряжённо-деформированного состояния и механизмы разрушения сварных металлоконструкций на примере рамы тележки грузовых тепловозов и рекомендации по увеличению срока их полезного использования;
выполненные стендовые испытания рамы тележки позволяют установить наиболее нагруженные элементы рамы тележки для предложения вариантов усиления рам при продлении срока службы подвижного состава;
эксплуатационные и технологические рекомендации по продлению срока полезного использования несущих конструкций локомотивов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Обоснование оценки возможности эксплуатации рамы тележки, при наличии трещин не снижающих прочности рамы.
-
Математическая модель рамы тележки, учитывающая конструктивные особенности, размеры в соответствии с чертежами завода изготовителя и свойства материалов, из которых изготовлена сварная конструкция.
-
Конечно-элементная расчётная модель рамы тележки тепловозов позволяющая достаточно полно исследовать его напряжённо-деформированное состояние, дать оценку возможным изменениям при его модернизации, рекомендовать различные конструктивные изменения и определить эффективные способы усиления при ремонте.
-
Зависимость изменения напряжений в раме тележки и коэффициентов запаса прочности при различных режимах эксплуатации в зависимости от геометрических размеров ее базовых узлов.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается сходимостью результатов моделирования рамы тележки и анализа его напряженно-деформированного состояния с данными, полученными в ходе ранее проведенных экспериментальных исследований на стенде и в эксплуатации. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 8 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Шаг в будущее» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009 г., 2010 г.), Республиканской научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы проектирования транспортных средств» (г. Ташкент, 2009), Республиканской научно-технической конференции Джизакского политехнического института «Проблемы внедрения инновационных идей, проектов и технологий в производство» (г. Джизак, 2009, 2010), Республиканской научно-практи-ческой конференции «Молодой научный исследователь» (г. Ташкент, ТашИИТ, 2010).
На международном научно-практическом семинаре студентов и аспирантов “Системы автоматического проектирования на транспорте” (г. Санкт-Петербург 2010г.) за представленную на конкурс конечно-элементную модель рамы тележки тепловоза присужден диплом лауреата международной премии имени Н.Г. Неболсина.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, из них одна в периодическом издании, включенном в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 107 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 164 страниц, включая 57 рисунков и 3 таблицы.
