Введение к работе
Актуальность проблемы. В принятых ХХУП съездил КПСС основных направлениях экономического и социального развития СССР поред железнодорожным транспортом поставлена задача повысить пропускную и провозную способность железных дорог. В этой связи одним из наиболее актуальных является, требование по созданию конструкций, обеспечивавдих длительный безремонтный пробег подвижного состава. Баянов значение приобретают исследования по повышению сопротивления усталости локомотивных узлов, вопросы оценка статистических распределений их пределов выносливости, анализ случайных нагрузок, действующих на исследуемые объекты, выбор критериев для определения наилучших вариантов, обеспечивающих безремонтную эксплуатацию.
Эти вопросы применительно к много-элементным узлам локомотивов нуздаются в специальном исследовании, так как накопилось немало проблем по повышению их сопротивления усталости.На тепловозах, дизель-поездах, энерговагонах имели место разрушения таких узлов, как центробежные вентиляторные колеса для охлаждения тяговых электродвигателей, осевые вентиляторы холодильных камер, зубчатые колеса тяговых редукторов. Калдкй аз этих узлов содертат несколько одинаковых элементовг лопаток, лопастей, зубзев. Из-за сложности конструкции усталостные испытания таких узлов могут быть проведены
на небольшом числе экземпляров и связаны со значительными затратами, особенно еслл исследуется несколько вариантов. Но имеется возможность провести исследования и дать оценку выносливости всей многоэлемент-ной конструкции по испытаниям её элементов. Однако при этом должно Сыть учтено, что сопротивление усталости мяогоэлементных узлов зависит не только от усталостной прочности элементов, но и от их взаимодействия между собой. Поэтому обычно невозможно определить выносливость всей конструкции по результатам испытаний отдельно взятых элементов. Доданы быть раэ-работаяы методы моделирования конструкций, включающие вопросы оценки статиотических параметров выносливости. Кроме того, нагруяение многозлементнызс узлов не локомотивах в эксплуатационных условиях чаще всего является случайным и зависит не только от режимов работы, но и от варианта конструктивного исполнения. Поэтому необходимо разработать методы оценки эквивалентной нагрузка по параметрам случайного процесса яагругазння, чтобы уао во время испытаний проводить объективный а оперативный анализ каздого варианта.
Решение изложенных задач исследования несущей* способности и эксплуатационной нагрукенности много-элементных узлов локомотивов позволит разработать конкретные конструктивные и технологические мероприятия по повышению их сопротивления усталости.
Цель работы: разработать для многоэлементных узлов локомотивов методы исследования сопротивления" усталости, которые позволяли бы на основе статистического анализа выносливости и нагруженяости элементов осуществлять объективный выбор конструкций, обеспечивающее длительный безремонтные пробег.
Общая методика исследования. 3 работе все полученные теоретические соотношения и зависимости подвергаются экспериментальной проверке, со статистической оценкой достоверности результатов.
Для ускоренного определения предела выносливости используется метод экстраполяции по обобщенной кривой усталости, а для оценки точности получаемых характеристик сопротивления усталости - метод статистических испытаний.
Критерием достоверности результатов при переходе от модели к конструкции принимается совпадение теоретических и экспериментальных значений пределов выносливости, а такяе аналогичность распределения напряжений и усталостных разруиений элементов. Для исследования распределения напряжений на моделях и конструкциях применяются наряду с другими методами хрупкие лаковые покрытия,для повышения чувствительности которых используется быстрое охлаздение или малоцикловое нагруяеяне.
Критерием усталостного разрушения при испытаниях на резонансных режимах принимается падение частота
- б -
собственных колебаний модели и конструкции на 2 Іїі, что соответствует появлению макротрещин на элементах. Испытания осуществляются на колесах и конструктивних моделях, укомплектованных из элементов, подбираемых случайным образом по методике Вейбулла. Вероятное количество дефектных лопаток в колесе определяется на основе теоретических исследований Д. Раиса и .Вира о распределении разностей двух последовательных экстремальных значений случайного процесса.
Теоретические основы разработанного метода опенки параметров распределения пределов выносливости многоэлемантных конструкций базируются на модели последовательной системы, нагрузка между компонентами которой распределена неравномерно.
Определение эквивалентных нагрузок ооновывается на линейной теории суммирования повреждаемости, формулах распределения ординат максимумов случайного пронесся С.Райса и рекуррентных соотношениях моментов нормального распределения. С иелью получения сравнимых результатов случайный характер процесса нагруженая вариантов определяется при испытаниях их на одной и той же машине, то есть при одних и тех яе уровнях и характере возмущений.
Наилучший вариант выявляется путем сравнения фактических и необходимых коэффициентов запаса, которые подсчитываются на основе статистических данных
о распределении предела выносливости и случайных нагрузок с учетом широкополосное промесса нагру-жения.
Научная новизна работы. Теоретически и экспериментально исследованы особенности опенки выносливости многоэлементкых узлов локомотивов и методы объективного выбора наилучших вариантов на стадии разработки и испытаний конструкций.
Предложены и на ряде узлов тепловозов апробированы принципы создания конструктивных моделей, на которых могут быть в полном объеме проведены усталостные и динамические испытания и учтены все факторы, влиявшие на сопротивление усталости.
Разработан метод определения на конструктивных шделях параметров статистического распределения предела выносливости конструкции, которая рассматривается как последовательная система с неравномерно распределенной нагрузкой по элементам.
На примере центробежных и осевых вентиляторных колес и их конструктивных моделей доказана эффектив^-ность использования обобщенной кривой при сравнительных-ускоренных испытаниях вариантов. Выявлена везгюа-ность на этой основе ооушествлять многофакторный анализ сопротивления усталости конструкции.
Разработан метод сравнения сопротивления усталости вариантов по кривой выносливости в относительных
шлряяениях, параметры которой получены по результатам испытаний одного из вариантов на ограниченном числе образцов.
Получены зависимости для опенки вероятного количества дефектных лопаток в центробежном колесе и доказано, что разрушаются главным образом эти лопатки. Установлено, что исследование сопротивления усталости центробежных колес должно осуществляться только с учетом вероятности появления дефектных лопаток.
Разработан метод определения эквивалентной нагрузки, позволяющий оперативно давать количественную опенку влияния случайного процесса нагружения на сопротивление усталости исследуемых вариантов и осушесгв- ; лять объективный выбор наилучшего из них.
Установлены характерные формы резонансных колебаний исследуемых многоэлементных узлов, выявлено влияние жесткости, собственных частот элементов, демпфирования колебаний, определены способы снижения эксплуатационных нагрузок центробежных и осевых вентиляторов на локомотивах.
Практическое значение работы. Разработана на основе комплексного исследования конструкция нового, защищенного авторскими свидетельствами, центробежного колеса с наборным насушим диском и бандажом, снижают ая сборочные напряжения и обеспечивающая длительную безремонтную эксплуатацию.
Исследованы и внедрены в производство конструк-пии осевых вентиляторных колес, позволившие устранить разрушения на отечественных тепловозах и передвижных . дизельных электростанциях (энерговагонах).
На основе разработанной методики исследований на конструктивных моделях и шгода анализа их результатов стало возможным проводить сравнение нескольких вариантов и получать статистические характеристики сопротивления усталости многоэлементных конструкций на стадии проектирования.и выбора оптимального варианта. Появилась возможность осуществлять планирование эксперимента и многофакторный анализ сопротивления усталости таких конструкций, выявлять наиболее значимые факторы.
Применительно к исследованным вариантам центробежных вентиляторных колес получены важные для расчета параметры статистического распределения пределов выносливости. Методика оказалась эффективной и при анализе вариантов аналогичных многоэлементных конструкций подвижного состава: осевых вентиляторных колес, шестерен тягового редуктора а т.п. Так, для осевых вентиляторов получены уравнения в относительных напряжениях, по которым ускоренными методами определены пределы выносливости и их отатистические-распределения практически всех вентиляторов, изготавливаемых для тепловозов, энерговагонов, дизель-поездовь
-ІО-
На основе метода сравнения вариантов по кривой вшюсливости в относительных напряжениях выбрани радиусы перехода к отбуртовкам и технология изготовления лопаток центробежных колес. Установлены размеры литых воротников и диаметры демпфирующих отверстий в лопастях осевых вентиляторов. Наилучшие из рассмот- . ренных вариантов внедрены в производство.
На основе многофакторного анализа для центробежных колес установлены наиболее значимые факторы, снижающие сопротивление усталости. Использование разработанных методов позволяет осуществить аналогичные исследования значимости факторов других сложных конструкций, например, карданных валов, зубчатых колес, электронагревателей, антивибраторов и т.п.
Метод анализа случайного процесса нагружения вариантов конструкции во время испытании их в натурных условиях позволяет оперативно давать опенку исследуемых мероприятий по совершенствованию конструкции, вносить изменения и дополнения непосредственно пра испытаниях. На практике это существенно сокращает процесо доводки конструкции и анализ результатов. Получены соотношения для определения эквивалентных нагрузок в зависимости от параметров широкополосноета, показателя кривой выносливости и максимальных амплитуд нагрудения. Соотношения использованы для определения фактического коэффициента запаса испытанных вариантов иентробажных
- II -
и осевых вентиляторных колес. Составлена табїша этих соотношений, которая значительно упрощает анализ. Таблзша охватывает наиболее часто встречавшиеся на практике процессы случайного нагружекия многоэлементных конструкций.
Внедрение разработанной в диссертация а защищенной авторским свидетельством оригинальной методики исследования хрупкими покрытиями с применением малоциклового нагружения позволяет определять напряженное состояние сложных конструкций. Значительно расширяются возможности исследований при действии реальних статических а динамических нагрузок, существенно ускоряется и упрощается проведение испытаний. Это подтверждено практикой исследований не только миогоэлементных узлов локомотивов, ко и таких конструкций, как стяжные яшики, главные рамы, карданные валы и т.п.
Реализация работы. Настоящая работа проведена на ПО Брянский машиностроительный завод, поэтому она тесно увязана с теми задачами, которые были поставлены перед объединением по планам новой техники Мантяяыаша и Министерством путей сообщения.
Для центробежных вентиляторных колес основной проблемой являлись высокие сборочные напряжения а динамические нагрузки от крутильных колебаний колеса а изгибных колебаний лопаток. Была разработана, исследована и внедрена конструкция нового колеса, которая снизила
сборочные налрдашшш, устранила штабные колебания лопаток и уменьшила за счет демпфирования в наборной диске крутильные колебашш колеса. ПКБ ЦТ по материалам и чертедаы ПО БШ ^ыли разработаны чертежи для оамвіш статных колес при коыплвсной модернизации тепловозов типа ТЗЗ и ТЭЮ. Серийный выпуск колес о наборнім несушам диском и бандажом для этих тепловозов освоен в МПС на Ишиыском механическом заводе и в ряде депо. Установлены они также на тепловозах типа ТЭМ5Р ТЭЫ6. Экономический эффект от внедрения новых вентиляторных колес составляет Солее миллиона рублей в год.
Для осевых вентиляторных колес основной проблемой являлись значительные резонансные колебания лопастей и высокие концентрации напряжений в зоне электрозаклвпок. Была предложена, испытана и внедрена в серийное производство на Брянском машшостроитвльном заводе конструкция с литым воротником гшсткоста, которая позволила вывести собственную частоту колебаний лопастей за зону частот наибольших во змушений, снизить концентрацию напряжений в сварном соединении, устрашіть колебания листов лопасти. Колеса внедрены на тепловозах тала ТЭЮ, І.Б2, энерговагонах П36. Новая конструкция во иного раз повысила длительную безремонтную эксплуатапшо осевых вентиляторных колес. Практически срок слуябы вентиляторного колеса теперь равен сроку службы тепловоза или энерговагона.
- ІЗ -
Разработана и принята к внедрению на дизель-поездах ДР-1 конструкция вентиляторных колес с повышенным демпфированием колебаний лопастей, позволявшая снизить амплитуды резонансных колебаний в 3...8 раз.
Результаты проведенных исследований использованы при разработке ОСТ 24.140.08 "Колеса вентиляторные главных холодильников тепловозов. Обшие технические условия".
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации были доложены и одобрены на:
- межотраслевой научно-технической конференции
специалистов заводов/ научно-исследовательских и учеб
ных железнодорожных институтов "Основные направления
и задачи научно-исследовательских работ по обеспечению прочности и динамических качеств перспективных тепловозов", г.Коломна, 1977 год (доклад опубликован в трудах ШИТИ),
второй Всесоюзной научно-технической конференции "Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности", г.Ворошиловград, 1985 год (доклад опубликован в тезисах конференции),
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава БИТМ с 1969 по 1989 годы (часть докладов опубликована в трудах БИТЫ),
сетевом совещании МПС в депо Сарепта и Аткарок Приволжской железной дс-у-'--'с I960 год,
семинаре кафедры "Электрическая тяга" МИИТа, 1987 год,
семинаре ЕНТО машиностроителей "Повышение надежности и прочноета машиностроительных конструкпий" Брянского областного управления, 1989 год.
Публикации. Основные научные и практические результаты работы изложены в 23 статьях и авторских свидетельствах, опубликованных в журналах "Вестник машиностроения", "Проблемы прочности", "Вестник ВНИЖГ", -грудах ВНИИ, БШМ, бяшштенях об изобретениях.
Структура д объем работа. Диссертация состоит, из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, приложения.
Ео введении изложена актуальность и особенности исследования сопротивления усталости многдслз.',:оятяих узлов локомотивов»
Каздая глава посвящена решению определенной задачи. Ока соцвршт: подробный анализ литературы до данной проблема, теоретическое решение задачи и обоснование предлагаемого метода, его экспериментальную проверку на центробежных вентиляторных голесах, ста-тистическуи оценку точности разработанного метода, выводы.
В приложение включен полный расчет экономического эффекта от внедрения центробежных колес, приведены результаты испытаний, таблицы и графики.
Материал диссертации изложен на 279 страницах машинописного текста, содержит 76 таблиц, 103 рисунка. Список использованной литературы насчитывает 181 наименование .
На зашиту выносятся;
I. Метод определения на конструктивных моделях параметров статистического распределения предела выносливости конструкции, являшейся многокомпонентной последовательной системой с неравномерно распределенной нагрузкой по компонентам. Защищается и принцип создания конструктивных моделей для усталостных и динамических испытаний многоэлементных узлов локомотивов.
2» Метод определения эквивалентной нагрузка на узлы подвияного состава, позволяхшй оперативно давать количественную опенку влияния случайного процесса нагруяения на сопротивление усталости исследуемых взг-риантов и осуществлять объективный выбор наилучшего из них.
3. Метод сравнения сопротивления усталости вариантов по кривой выносливости'в относительных напряжениях, параметры которой получены по результатам испытаний одного из вариантов на ограниченном числе образцов.
4. Конструкция нового центробежного колеса с наборній несущим диском и бандажом, обеспечивающая длительную безремонтную эксплуатацию вентилятора к эконо-шчесхий эффект более миллиона рублей в год.
