Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса. постановка задач исследования 10
1.1 Состояние вопроса 10
1.2 Обзор и анализ исследований по методам оценки несущей способности и оценке остаточного ресурса вагонов 14
1.3 Обоснование и постановка рассматриваемых в диссертации задач 23
2 Характеристика пассажирского парка вагонов российских железных дорог 27
2.1 Структура пассажирского парка 27
2.2 Состояние вагонов после 20 лет эксплуатации. Определение основных факторов, влияющих на несущую способность кузовов пассажирских вагонов. 54
2.3 Исследование дефектов сварных соединений несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов в эксплуатации 57
2.4 Выводы 59
3 Разработка конечно-элементных моделей. оценка прочности кузовов типовых вагонов пассажирского парка 61
3.1 Основные положения методики 61
3.2 Расчетные схемы МКЭ кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов 62
3.3 Определение напряженно-деформированного состояния и оценка прочности металлоконструкции кузова с износами, основных конструктивных типов пассажирских вагонов 72
3.4 Выводы 79
4 Экспериментальные исследования несущей способности кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов, в том числе с коррозионными износами элементов 81
4.1 Основные положения методики экспериментальных исследований при статических и динамических испытаниях 81
4.2 Экспериментальное определение напряженно-деформированного состояния и оценка прочности металлоконструкций кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов моделей 90
4.3 Виброиспытания кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов для определения собственных частот изгибных колебаний 115
4.4 Оценка усталостной прочности кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов 122
4.5 Экспериментальное обоснование расчетных инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов 137
4.6 Апробация методики уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом оценки несущей способности кузовов основных конструктивных типов вагонов пассажирского парка 146
4.7 Выводы 151
5 Использование результатов исследований и оценка экономической эффективности от их внедрения 153
5.1 Оценка экономической эффективности 153
5.2 Результаты внедрения 154
Заключение 155
Список литературы 157
Приложение А 169
- Обзор и анализ исследований по методам оценки несущей способности и оценке остаточного ресурса вагонов
- Исследование дефектов сварных соединений несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов в эксплуатации
- Определение напряженно-деформированного состояния и оценка прочности металлоконструкции кузова с износами, основных конструктивных типов пассажирских вагонов
- Виброиспытания кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов для определения собственных частот изгибных колебаний
Введение к работе
Актуальность темы. Правительством России в 2011 году утверждена Стратегия и программа развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, призванная привести качественные и количественные характеристики деятельности железных дорог к требованиям экономики страны. В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются более 20 тысяч пассажирских вагонов различных моделей. При этом свыше половины вагонов имеют срок службы 18 и более лет. Уровень износа парка пассажирских вагонов превысил 50%. Старение вагонов продолжается быстрыми темпами и не компенсируется поступлениями новых вагонов. Даже при нарастании объемов производства вагонов ежегодный дефицит будет составлять около тысячи вагонов, и покрываться постепенно он может за счет проведения капитально-восстановительного ремонта (далее - ремонта) вагонов и обоснованного продления их срока службы. При выводе вагонов в ремонт их физический износ неодинаков, что приводит к подаче в ремонт вагонов, как с недоиспользованным ресурсом, так и с повышенной степенью износа. И если в первом случае затраты на ремонт могут необоснованно завышаться, то во втором случае, даже при дополнительных затратах трудно гарантировать безопасность эксплуатации таких вагонов.
Таким образом, экспериментальные и теоретические исследования, направленные на совершенствование методов оценки несущей способности и остаточного ресурса кузовов пассажирских вагонов, прошедших ремонт, с учетом динамической нагружености являются актуальными.
Целью работы является разработка методика уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом прочностных характеристик и оценки несущей способности кузовов типовых вагонов пассажирского парка, направленной на обоснование на ее основе периода безопасной эксплуатации вагона, прошедшего ремонт.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи.
-
Проведен общий анализ структуры пассажирского парка по моделям вагонов и годам выпуска.
-
Современными экспериментальными и теоретическими методами определено напряженно-деформированное состояние металлоконструкций кузовов основных типов пассажирских вагонов, новых и восстановленных, с учетом имеющегося износа несущих элементов.
-
На основе экспериментальных исследований обосновано уточнение требований «Норм для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» в ред. 1983 года («Норм …») в части расчетных инерционных нагрузок.
4 Методика проверена на новых кузовах типовых пассажирских двухэтаж
ных вагонов модели 61-4465, (61-4472, 61-4473), моделей 61-4447 и 61-4179, а
также вагонов моделей 61-425, 47 и 61-517, прошедших ремонт, что дает основа-
3
ния внедрять прочностные расчеты кузовов на вагоноремонтных заводах при существующей системе ремонта, для уменьшения объемов и затрат на испытания.
Объект исследования. Объектом исследования является металлоконструкция кузова пассажирского вагона, в том числе после ремонта.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы фундаментальные положения науки о прочности и современные программные разработки на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояние несущих элементов кузова вагона при действии нормативных квазистатических и динамических испытательных воздействий базируется на тензометрии. Для оценки прочностных показателей основных конструктивных типов кузовов вагонов пассажирского парка используется экспериментально-теоретический метод.
Основные положения предлагаемого метода следующие. На первом этапе выполняется прочностной расчет нового кузова заданной модели вагона от действия основных расчетных нагрузок (I и III расчетный режим «Норм …»). Затем исходные данные корректируются в зависимости от технического состояния (коррозионного износа) несущих элементов кузова. Для оценки технического состояния реальной металлоконструкции кузова выполняется дефектация и толщинометрия основных несущих элементов кузова вагона. С учетом полученных результатов, определяется объем ремонта или замены основных несущих элементов кузова. Для оценки влияния коррозионного износа основных несущих элементов кузова (хребтовая балка, шкворневые балки, продольные обвязки) на его несущую способность выполняется повторный расчет его напряженно-деформированного состояния. На заключительном этапе выполняется прочностной расчет восстановленной несущей конструкции кузова.
Средства испытаний. Для экспериментальных исследований использованы средства испытаний (средства измерений и испытательное оборудование) поверенные и аттестованные в установленном порядке:
стенд для испытаний вагонов на прочность нормативными нагрузками до 3,5 МН (350 тс);
гидропульсационная испытательная машина ЦДМ 200/400;
измерительные усилители SPIDER HBM и ММТС;
динамометрическая автосцепка типа СА-3 и вагон-боек;
датчики для измерений ускорений, перемещений и микродеформаций;
вибромашина ВМ-10.
Научная новизна работы заключается в следующем: 1 Предложены конечно-элементные модели, созданные современными
программными комплексами метода конечных элементов (МКЭ), основных конструктивных типов пассажирских вагонов, обеспечивающие достоверное определения показателей прочности несущей конструкции основных типов кузовов пассажирских вагонов. Расчетные модели позволяют изменять заданные параметры основных несущих элементов кузова и на их основе оценивать прочностные характеристики металлоконструкции, в том числе с коррозионным износом.
-
Проведена проверка расчетных моделей на основе комплекса статических и динамических натурных испытаний кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов.
-
Выполнена экспериментальная и теоретическая оценка прочности несущих металлоконструкций основных типов кузовов вагонов пассажирского парка, новых и прошедших капитальный ремонт, отличающаяся учетом имеющегося износа кузова.
-
На основании обширных экспериментальных исследований обоснованы инерционные нагрузки на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов, позволившие уточнить нормативные требования.
-
Проведены взаимодополняющие исследования по верификации результатов численного моделирования при прочностных расчетах кузовов вагонов и результатов экспериментальных комплексных исследований прочности основных конструктивных типов кузовов. Это позволило обеспечить достоверность прочностных расчетов вагонов, на основании которых возможно уточнить период безопасной эксплуатации отремонтированного пассажирского вагона по критерию прочности, сократить объем испытаний, а следовательно и финансовые затраты, связанные с их проведением.
Практическая ценность работы.
-
Для основных конструктивных типов кузовов вагонов пассажирского парка экспериментально-теоретическим методом проведена оценка прочности, на основании которой может обосновываться срок службы вагона при обеспечении требований норм безопасности.
-
На основании данных экспериментальных исследований предложено уточнение требований «Норм …» в части расчетных инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование как новых так и имеющих износы пассажирских вагонов.
-
Применение методики способствует повышению безопасности вагонов, прошедших ремонт, по критерию статической, динамической и усталостной прочности основных несущих элементов кузовов.
-
Экспериментально проверенная методика оценки прочностных показателей несущих конструкций кузовов вагонов с коррозионным износом при воздействиях нормативных нагрузок позволяет внедрять расчетные методы оценки прочности каждого кузова пассажирского вагона на вагоноремонтных заводах при существующей системе ремонта. Разработанная методика позволит уменьшить объемы и общую стоимость испытаний вагонов.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика исследования экспериментально-теоретическим методом напряженно-деформированного состояния и оценки несущей способности кузовов типовых пассажирских вагонов прошедших ремонт, отличающаяся учетом износа их несущих элементов.
-
Апробация методики уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом оценки несущей способности кузовов основных конструктивных типов вагонов, новых и прошедших ремонты на различных заводах.
3 Методика и результаты экспериментальных исследований по обоснованию инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов при нормативных расчетных режимах.
Реализация. Отдельные разделы экспериментальных и теоретических исследований использованы в научных отчетах и протоколах испытаний Закрытого акционерного общества Научная Организация «Тверской институт вагоностроения» (ЗАО НО «ТИВ»), в научно-исследовательских работах по испытаниям пассажирских вагонов Открытого акционерного общества «Тверской вагоностроительный завод» (ОАО «ТВЗ»), Тамбовского и Воронежского вагоноремонтных заводов (ВРЗ), Вологодского и Новороссийского ВРЗ, Московского завода по модернизации и строительству вагонов, Октябрьского электровагоноремонтного завода (ЭВРЗ), пассажирского вагонного депо Орехово-Зуево, Владикавказского ВРЗ, Красноярского ЭВРЗ, Улан-Удэнского локомо-тивовагоноремонтного завода (ЛВРЗ). Основные положения и результаты работы использовались на большинстве вагоноремонтных заводов при оценке прочности и ресурса пассажирских вагонов. На отдельных вагонах проведены доработки металлоконструкций кузовов с использованием результатов настоящей работы.
Достоверность и надежность научных положений и выводов основывается на общепринятых допущениях строительной механики, сопоставлении теоретических результатов с экспериментальными, методологически обоснованном комплексе экспериментальных исследований с применением поверенного и аттестованного в установленном порядке испытательного оборудования и приборов, использовании современных средств регистрации контролируемых динамических параметров, достаточной воспроизводимости экспериментальных величин. Необходимая для практического использования точность разработанной методики подтверждена удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семи научно-технических конференциях: «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2009 г., 2013 г.); «Безопасность движения поездов», МИИТ, 2006 г., «Проблемы безопасности на транспорте» БелГУТ, 2010 г.; «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» БГТУ (2005 г., 2008 г., 2010 г.). В полном объеме диссертация рассмотрена и одобрена на заседаниях научно-технического совета (НТС) ЗАО НО «ТИВ» и ОАО «ТВЗ», а также на кафедре «Подвижной состав железных дорог» БГТУ.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в четырех статьях в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень, рекомендованный Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Минобрнауки Российской Федерации.
Личный вклад соискателя. Разработка программ и методик динамико -прочностных испытаний пассажирских вагонов. Проведение натурных испытаний большинства моделей отечественных пассажирских вагонов и оценка их прочности при действии квазистатических нагрузок, соударениях, оценка динамических качеств вагонов при ходовых динамических и прочностных испы-6
таниях, оценка собственных частот колебаний кузовов вагонов при вибрационных испытаниях и другие экспериментальные исследования подвижного состава. Экспериментальное обоснование инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование на наиболее массовых моделях пассажирских вагонов. Разработка, на основании прочностных расчетов и опыта испытаний схем нагружений и установки тензоизмерительных схем на несущих элементах металлоконструкции вагона. Аналитические расчеты и разработка конечно-элементных расчетных схем кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, список использованных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 171 страницу машинописного текста, содержит 10 таблиц и 116 рисунков, список использованных источников включает 116 наименований, приложение на 3 страницах.
Обзор и анализ исследований по методам оценки несущей способности и оценке остаточного ресурса вагонов
В России вопросами исследования и научными разработками по оценке прочности и технического состояния кузовов пассажирских вагонов, совершенствованию конструкций подвижного состава и методов их технического обслуживания и ремонта, повышению прочности вагонов занимаются различные организации и научные коллективы: МГУПС (МИИТ), ПГУПС, БГТУ, ВНИИЖТ, НИИВ, ВНИКТИ, ИЦВС, ОВС, БелГУТ, РГУПС, ДНУЖТ, ЗАО НО «ТИВ», ЦКБ ТМ, УрГУПС, Ир ГУПС, ПКТБ ЦЛ ОАО «РЖД», «НВЦ «Вагоны» и ряд других университетов и научно-производственных объединений и организаций. [1, 8, 10, 11, 15, 18, 19, 23, 28, 29, 32, 33, 34, 41-44, 55, 59, 62, 64, 67, 77, 84, 87, 90-95, 96, 108].
Капитально-восстановительный ремонт (КВР) пассажирских вагонов выполняют вагоноремонтные заводы: Тамбовский, Вологодский, Воронежский, Новороссийский, Московский ВСЗ (до 2014 г.), Октябрьский ЭВРЗ, пассажирское вагонное депо Орехово-Зуево, Владикавказский, Красноярский ЭВРЗ, Улан-Удэнский ЛВРЗ. Среди научных разработок, посвященных организации КВР, обслуживанию и ремонту, оценке прочности пассажирских вагонов, следует отметить работы Ю. М. Черкашина, А. В. Третьякова [97-102] А. М. Краснобаева, А. П. Лаврова, А. М. Орловой, М. Д. Александрова, А. А. Битюцкого [6, 7], А. В. Пигунова [85], В. И. Сенько [89], Е. М. Комского, С. В. Борисова и других ученых. Разработке расчетных конечно-элементных моделей кузовов пассажирских вагонов и совершенствованию методов их расчета посвящены работы ученых БГТУ-БИТМа Е. Н. Никольского [69-73], В. В. Кобищанова [2, 35-40], Д. Я. Антипина [2], А. А. Ольшевского, М. В. Боброва [9], В. А. Атрощенко, Д. Ю. Расина и других. Среди зарубежных ученных можно отметить работы П. К. Мюллера [63], В. К. Гарга [27], Р. В. Дуккипати [27]. Значительный вклад в развитие пассажирского вагоностроения и совершенствование аналитических и экспериментальных методов оценки прочности кузовов пассажирских вагонов внесли научные разработки ученых Тверского института вагоностроения А. А. Юхневского, А. Н. Скачкова, С. Л. Самошкина, С. Г. Малина, В. М. Мейстера, Г. П. Павлушина, И. С. Доронина, П. С. Ломакова, А. М. Мейстера, Ю. П. Органова, А. Г. Меркурьева, В. П. Богданова, В. В. Василевского, Е. В. Афанасьева. Вопросы разработки материалов и технологий, обеспечивающих высокую коррозионную стойкость и защиту от коррозии железнодорожной техники, решали С. Г. Веденкин, В. С. Синявский, С. А. Гладыревский, C. Н. Казарновский, В. С. Артамонов и др. Учеными - коррозионистами ВНИИЖТа были заложены основы экспериментального подхода к разработке конструкционных материалов и средств защиты от коррозии железнодорожного транспорта [45, 46, 110, 111]. Значительно меньшее внимание уделялось разработке теории и способов управления индивидуальным ресурсом вагонов, как при их проектировании, так и в эксплуатации.
Основы проектирования подвижного состава заложены в трудах Л. А. Шадура, В. В. Лукина, В. Н. Котуранова, Б. М. Карпова, В. П. Медведева,
B. И. Кирилова и др. [18, 20, 65, 86]. В работах В. П. Лозбинева, на основе метода параметрической оптимизации, разработана методика определения оптимальных характеристики несущих элементов кузовов и рам вагонов.
Впервые вопросы обоснования возможности продления сроков службы вагонов и способов определения их остаточного ресурса с целью сохранения рабочего парка вагонов были рассмотрены в работах Ю. П. Бороненко, М. Б. Кельриха, А. Д. Кочнова, А. В. Третьякова, В. Н. Цюренко [12-14, 97-102, 114, 115]. В исследовательской работе А. В. Третьякова и С. В. Борисова «Продление срока полезного использования вагонов метрополитена» [97] на основании результатов расчетов прочности кузова был сделан вывод о том, что, несмотря на истечение нормативного срока службы, технический ресурс вагонов метрополитена еще не выработан. При этом учитывалось, что электроподвижной состав метрополитена проходит регулярное техническое обслуживание, находится в условиях благоприятного искусственного микроклимата и не испытывает высоких продольных нагрузок (вследствие того, что все его оси – моторные). По результатам проведенного расчета была разработана конструкторско-технологическая документация по ремонту вагонов с выявленными дефектами. Выполненные, на основании результатов расчета, усиления элементов конструкции снижают действующие напряжения в элементах рам и кузовов вагонов, повышают остаточный ресурс вагонов и для них может быть дифференцированно продлен срок полезного использования. Срок продления зависит от темпа коррозионной деградации металлоконструкций и степени их коррозионного износа. В работах А. В. Третьякова о продлении сроков службы грузовых вагонов на основе расчетно-экспертно-статистического (РЭС) метода управления индивидуальным ресурсом констатируется, что на сегодняшний день парк вагонов неуклонно уменьшается, причм достаточно большое количество грузовых вагонов вынужденно работают за пределами нормативного срока службы в нарушение действующих норм и правил. Отсюда следует, что экономическая эффективность вагонов снижается, при этом ухудшаются показатели безопасности, увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте. Одним из решений указанных РЭС -методом проблем является управление ресурсом грузовых вагонов в эксплуатации на основе РЭС-метода, позволяющего продлевать сроки полезного использования вагонов. Блок-схема метода управления индивидуальным ресурсом вагона в эксплуатации приведена на рисунке 1.4. После выполнения комплексного расчетно-экспертно-статистического анализа технического состояния вагона разрабатываются варианты увеличения ресурсных возможностей экипажа.
Исследование дефектов сварных соединений несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов в эксплуатации
Сбор информации о дефектах сварных соединений несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов в эксплуатации осуществлялся с региональных филиалов ФПК: Октябрьского, Горьковского, Калининградского, Московского, Северо-Западного, Северного, Северо-Кавказского, Юго-Восточного, Приволжского, Куйбышевского, Уральского, Южно-Уральского, Западно Сибирского, Енисейского, Восточно-Сибирского, Забайкальского, Дальневосточного. Кроме того, информацию собирали на Тамбовском и Вологодском ВРЗ, Воронежском и Новороссийском ВРЗ, Московском ВСЗ, Октябрьском ЭВРЗ, пассажирском вагонном депо Орехово-Зуево, Владикавказском ВРЗ, Красноярском ЭВРЗ, Улан-Удэнском ЛВРЗ. В результате исследований дефекты сварных соединений несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов обнаружены на более чем 430 кузовах вагонов постройки 1972-2011 гг. моделей 61-425, 61-820, 61-821, 61-827, 61-828, 61-826, 61-836, 61-806, 61-838, 61-817, 61-850, 61-900, 61-4159, 61-4184, 61-4185, 61-4186, 61-4165, 61-4178, 61-4179, 61-4185, 61-4194, 61-4174, 61-4500, 61-4441, 61-4442, 61-4443, 61-4444, Р-9255, Р-10318, 61-4452, 61-4453, 61-4454. 61-4455, 61-4462, 61-4463, 61-9941, 61-4170, 61-4188, 61-4189, 61-4192, 61-4440, 61-4447.
Анализ полученных результатов показал, что основные выявленные дефекты сварных соединений – это трещины швов соединений основных несущих элементов кузова (хребтовой, концевой, продольных и шкворневой балок). Они зафиксированы преимущественно на кузовах вагонов моделей 61-425, 61-821, 61-827, 61-828, 61-826, 61-836 постройки 1972-1992 гг. Размеры трещин варьируются от 4 до 108 мм, имеют место также отслоения швов, непровар и значительная Значительная часть кузовов вагонов пассажирского парка изготовлена с применением малоуглеродистой стали обыкновенного качества. Это вагоны моделей 61-425, 61-820, 61-821, 61-827, 61-828, 61-826, 61-836, 61-838, 61-817, 61-850, 61-900, 61-4159, 61-4184, 61-4185, 61-4186, 61-4165, 61-4178, 61-4179, 61-4185, 61-4194, 61-4174, 61-4500 и др. Снижение и потеря несущей способности металлоконструкции кузова происходит вследствие коррозионного износа и усталостных повреждений всех несущих элементов кузова, накапливающихся с течением времени. При проведении плановых ремонтов металлоконструкции кузова на вагоноремонтном заводе проводится замена изношенных несущих элементов на новые, при этом оставшиеся на кузове элементы уже имеют коррозионный износ. После ремонта с каждым годом эксплуатации все элементы металлоконструкции (новые и старые) будут продолжать корродировать.
Для повышения безопасности отремонтированных вагонов по критерию прочности целесообразно проводить расчетную оценку прочности кузова после ремонта, в котором наряду с новыми элементами, есть и старые с уже имеющимися коррозионными износами. По результатам расчетов целесообразно определять напряженно-деформированное состояние (НДС) и другие прочностные характеристики несущей металлоконструкции конкретного кузова вагона. Аналитические методы прочностного анализа металлоконструкций новых и отремонтированных кузовов могут дать положительные результаты при использовании адекватных, экспериментально проверенных, расчетных схем.
Одна из задач данной работы и состоит в обосновании возможности замены хотя бы части трудоемких дорогостоящих испытаний – экспериментально проверенными методами расчетами или, при необходимости, минимальными контрольными испытаниями.
Таким образом, работа предназначена для использования в существующей системе ремонта пассажирских вагонов.
Определение напряженно-деформированного состояния и оценка прочности металлоконструкции кузова с износами, основных конструктивных типов пассажирских вагонов
На рисунке 3.8 приведены эпюры напряжений по среднему поперечному сечению кузова вагона модели 61-425 при I-м расчетном режиме нагружения для нового и восстановленного кузова (рисунок 3.8 а), для изношенного кузова, поступающего в ремонт, с имеющимися коррозионными повреждениями (рисунок 3.8 б). Как видно из рисунков при учете в расчете коррозионных повреждений несущих элементов напряжения в нижнем поясе выше допускаемых «Нормами…». При восстановлении конструкции при ремонте с заменой поврежденных несущих элементов конструкции кузова на новые существенно снижаются уровни напряжений в металлоконструкции от воздействия нагрузок.
Оценка устойчивости гофров обшивки нижнего пояса боковых стен и пола проводилась как для многопролетного стержня на упругих опорах с учетом жесткости стоек боковых стен и балок пола и действительного распределения продольных усилий по длине (полученных из расчта кузова по МКЭ). Согласно результатов расчетов коэффициенты запаса устойчивости в отремонтированном, по сравнению с новым, кузове несколько уменьшились, но не ниже допускаемых.
Кроме расчтов НДС, проведенных для новой, восстановленной и поврежднной коррозией конструкций кузова модели 61-425 (рисунки 3.9-3.11) были выполнены вариантные расчты с различными толщинами элементов подверженных коррозии. Результаты расчетов показали, что основные ограничения на коррозионный износ обусловлены устойчивостью нижних гофров боковых стен и пола в консольных частях при I-м режиме ударного нагружения «Норм…» [74]. При нормативном коэффициенте устойчивости равном 1,1 минимально допустимая толщина обшивки нижнего пояса боковин и стоек кузовов вагонов составила не менее 1,2 мм, пола в консольных частях рамы – 1,0 мм. При этом прочность несущей конструкции кузова обеспечивается при нормативных расчетных режимах. Минимальные коэффициенты запаса устойчивости элементов нижнего пояса боковой стены составили для первого режима при ударе 1,19; минимальные коэффициенты запаса устойчивости элементов крыши составили 1,2 (минимально допустимое значение [n]=1,1). На рисунках 3.12-3.17 показаны результаты расчетов кузовов вагонов моделей 61-4179, 47, 61-517 (37СБ), 61-4447 и 61-4465 при I расчетном режиме нагружения. Для других рассматриваемых в работе моделей вагонов оценка устойчивости обшивки проводилась для новых кузовов. Результаты оценки устойчивости обшивки представлены в таблице 3.4.
Расчетные минимальные значения коэффициента устойчивости обшивки нижнего пояса типовых кузовов вагонов.
Как видно из приведенных в таблице 3.4 результатов устойчивость новых кузовов вагонов всех типов обеспечена.
Результаты проведнных теоретических исследований прочности и устойчивости несущих конструкций кузовов вагонов моделей 61-425, 61-4179, 61-517, 47, 61-4447 и 61-4465 позволили сделать следующие выводы:
1 При расчте на прочность рассмотренных кузовов вагонов при номинальных толщинах базовых элементов прочность конструкции кузова обеспечивается при первом и третьем расчтных режимах. Максимальные напряжения в обоих режимах возникают в шкворневых узлах рамы при статическом и ударном нагружении, напряжения при сжатии и растяжении не превышают 70 % от допускаемых величин.
2 При номинальных толщинах базовых элементов устойчивость обшивки и продольных подкрепляющих элементов кузовов вагонов от действия наиболее значительных эксплуатационных нагрузок обеспечивается.
3 При коррозионном износе кузова, поступающего в ремонт, максимальные напряжения, соответствующие наиболее опасному режиму (удар), в отдельных несущих элементах рамы вагонов 61-425, 47, 61-517 и 61-4179 превышают допускаемые, и следовательно, кузов требует обоснованного расчетами усиления.
4 По результатам исследования напряженного состояния кузовов вагонов моделей 61-425, 47, 61-517, 61-4179 с учетом различных коррозионных износов, отремонтированных в соответствии с технологией проведения ремонта, максимальные эквивалентные напряжения в элементах кузовов вагонов не превышают допускаемых значений.
5 Исследование изменения коэффициента запаса устойчивости элементов кузовов вагонов моделей 61-425, 47, 61-517, 61-4179 при их коррозионном износе или ином повреждении показало, что наименьшим запасом устойчивости обладают элементы крыши и нижнего пояса боковин, элементы подкрепления боковых стен, которые при сквозном коррозионном износе, в том числе подлежат усилению или замене при производстве ремонта. Для кузовов вагонов моделей 61-4447 и 61-4465 элементы крыши и нижнего пояса боковин также имеют минимальные запасы устойчивости и соответствуют нормативным требованиям.
Виброиспытания кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов для определения собственных частот изгибных колебаний
Вибрационные испытания проведены с целью определения собственной частоты изгибных колебаний основных конструктивных типов пассажирских вагонов, новых и восстановленных после ремонта, с учетом уже имеющегося износа, для получения сравнительных оценочных показателей, с учетом требований п. 5.12 «Норм …» [74]. Испытания по определению собственных (резонансных) частот кузова вагона проводились с использованием вибромашины ВМ-10 и комплекта измерительной аппаратуры, состоящей из усилителей SPIDER и датчиков НВМ.
На рисунках 4.35, 4.37 и 4.40 показана схема установки вибромашины ВМ-10 и датчиков перемещения на вагонах при испытаниях.
Схема установки датчиков перемещения на вагоне при испытаниях
Проведены теоретические расчеты собственной частоты изгибных колебаний кузовов вагонов по разработанным расчетным схемам МКЭ и нормам, полученные результаты сопоставлены с экспериментальными результатами. Определены логарифмические декременты колебаний для оценки изменения сил конструкционного демпфирования в процессе эксплуатации.
Для указанных моделей вагонов был проведен расчет собственной частоты изгибных колебаний вагонов в соответствии с п. 5.12 «Норм … » [74]:
На рисунках 4.36, 4.38 и 4.39 приведены наиболее характерные формы вертикальных изгибных колебаний кузова 61-425 и гистограмма распределения частотных составляющих процесса вертикального перемещения от амплитуды возмущающего воздействия. Полученные в результате расчетов и эксперимента частоты типовых кузовов вагонов приведены в таблице 4.1.
Также частота собственных изгибных колебаний кузова определена с использованием расчетных схем МКЭ, показанных на рисунках 3.1 – 3.6. По требованиям п. 5.12 «Норм…» [74] частота не должна быть меньше 10 Гц.
Полученные результаты по собственным формам и частотам колебаний использованы для верификации разработанных конечноэлементных моделей кузовов пассажирских вагонов. Верификация выполнялась путем сопоставления собственных форм и частот изгибных колебаний, полученных экспериментально и расчетным путем с использованием программного комплекса, реализующего метод конечных элементов. Результаты сопоставления представлены на графиках (рисунок 4.40) и в таблице 4.1.
Как видно из приведнных результатов, данные, полученные экспериментально и расчетным путем, качественно и количественно близки, что свидетельствует об адекватности использования в динамических расчетах кузовов вагонов разработанных конечноэлементных моделей (рисунки 3.1-3.6).
Экспериментальные и расчетные значения собственной частоты изгибных колебаний типовых кузовов вагонов.
Сварные несущие конструкции вагонов подвергаются в процессе эксплуатации длительному и интенсивному воздействию переменных нагрузок, что приводит к возникновению усталостных повреждений, являющихся одной из основных причин потери их работоспособности. Основными источниками повреждающих воздействий, приводящих к появлению усталостных трещин, являются динамические напряжения в элементах несущих конструкций вагонов при движении. В связи с этим оценка усталостной прочности сварных несущих конструкций является важным фактором, определяющим ресурсы вагонов, время между плановыми ремонтами и, в итоге, безопасность пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте.
В данной работе динамическая нагруженность кузова пассажирского вагона определяется как в квазистатической постановке по рекомендациям «Норм …» [74], так и в динамической постановке.
Несущая способность сварной конструкции кузова вагона оценивалась на основе результатов всесторонних экспериментальных исследований статических и динамических показателей прочности, соответствующих испытаний вагонов. В разделе 4 представлены схемы расположения сечений и датчиков на основных несущих элементах кузовов, в которых оценивалась усталостная прочность.
Аналитическая оценка усталостной прочности несущих конструкций вагона
