Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса
1.1 Конструктивно-технологические особенности соединительной балки модели 871.10.400-СБ, схемы нагружения при испытаниях и в эксплуатации 8
1.2 Анализ нормативно-технической документации технологий ремонта соединительных балок 30
1.2.1 Анализ технологии заварки трещин 33
1.2.2 Анализ технологического процесса восстановления геометрических параметров 35
1.3 Обобщение материалов, характеризующих работоспособность соединительной балки 38
1.4 Выводы по главе 41
2 Оценка эксплуатационной повреждаемости соединительных балок по результатам натурных обследований
2.1 Разработка методики обследования соединительных балок четырёхосных тележек 2.1.1 Постановка задачи 44
2.1.2 Методика фиксации параметров трещин и следов касания соединительной балки рядом расположенными элементами восьмиосной цистерны 44
2.1.3 Методика замеров изменения геометрии пятников и подпятника с целью определения величины износов 45
2.1.4 Методика замеров неплоскостности и непараллельности опорных элементов соединительной балки 48
2.1.5 Методика замеров прогиба верхней стороны соединительной балки 54
2.2 Комплексное натурное обследование геометрических параметров и
дефектов соединительных балок
2.2.1 Предварительный анализ результатов натурного обследования 56
2.2.2 Описание трещин, зафиксированных при обследовании 57
2.2.3 Описание прочих дефектов 66
2.2.4 Методика обработки и анализ результатов натурного обследования геометрии соединительных балок 68
2.2.4Л Прогиб соединительной балки 69
2.2.4.2 Неплоскостность соединительной балки
по подпятнику и крайним пятникам 76
2.2.4.3 Непараллельность соединительной балки 77
2.2.4.4 Расстояние между подпятником и центральными скользунами 80
2.2.4.5 Расстояние между пятниками и крайними скользунами 81
2.2.4.6 Износ центрального подпятника 81
2.2.4.7 Износ крайних пятников и толщина пятниковых отливок 83
2.2.4.8 Неплоскостность крайних и центральных скользунов 87
2.3 Статистический анализ геометрии и зон расположения дефектов соединительной балки 89
2.4 Статистическая модель возникновения дефектов в соединительных балках различных годов выпуска 106
2.5 Выводы и предложения по главе 109
3 Разработка предложений по усовершенствованию конструкции, технологии ремонта на основе компьютерного моделирования
3.1 Контрольные расчеты рекомендуемого варианта соединительной балки 115
3.2 Сравнительный анализ результатов расчетов рекомендуемого варианта соединительной балки и модификации соединительной балки 400 118
3.3 Поперечная перевалка 120
3.3.1 Поперечная перевалка с завалом на скользуны 129
3.3.2 Продольная перевалка с опорой на внешние стороны крайних пятников 130
3.4 Выводы по разделу 133
4 Исследование и разработка самозащитной порошковой проволоки для износостойкой наплавки рабочих поверхностей пар трения соединительной балки
4.1 Разработка и внедрение самозащитной порошковой проволоки. Оценка износостойкости восстановленных наплавкой узлов 135
4.2 Исследование структуры, химического состава и твёрдости металла сварных соединений 153
4.3 Вывод по разделу 161
5 Совершенствование технологии ремонта соединительной балки сваркой и наплавкой при их восстановительном ремонте
5.1 Анализ ремонтопригодности соединительных балок с учётом модели разрушения и степени износа 163
5.2 Технология разделки и заварки трещин 167
5.3 Технология восстановления геометрии подпятниковых узлов и скользунов наплавкой 176
5.3.1 Технология наплавки опорной поверхности подпятника 179
5.3.2 Технология наплавки цилиндрической поверхности подпятника 183
5.3.3 Технология наплавки опорной поверхности пятника 185
5.4 Методика замеров геометрических параметров соединительной балки, подлежащих контролю на этапе ремонта по разработанным методикам
5.4.1 Определение величины износа подпятника 186
5.4.2 Определение величины износа центральных скользунов 187
5.4.3 Определение непараллельности (пропеллеровидности) соединительной балки по центральным и крайним скользунам 188
5.4.4 Определение величины износа пятников 189
5.4.5 Определение величины износа крайних скользунов, а также непараллельности зеркала подпятника и пятников 190
5.5 Вывод по разделу 191
6 Выводы по работе 192
Список использованных источников 195
Список научных трудов 209
- Конструктивно-технологические особенности соединительной балки модели 871.10.400-СБ, схемы нагружения при испытаниях и в эксплуатации
- Разработка методики обследования соединительных балок четырёхосных тележек 2.1.1 Постановка задачи
- Контрольные расчеты рекомендуемого варианта соединительной балки
Введение к работе
Задачи повышения провозной способности, сокращения времени доставки пассажиров и грузов, уменьшения эксплуатационных расходов были и остаются актуальными для всех железных дорог. Эти критерии важны для грузовых и пассажирских перевозок ввиду конкуренции со стороны автомобильного, водного и авиационного транспорта. Производительность железнодорожных перевозок и их конкурентоспособность с перевозками другими видами транспорта во многом определяется составом и состоянием вагонного парка и состоянием пути. В связи с этим на первый план выдвигаются ресурсосберегающие технологии, позволяющие с наименьшими, как материальными, так и финансовыми затратами производить ремонт основных наиболее изнашиваемых изделий и деталей.
В настоящее время при эксплуатации 8-осных цистерн на сети железных дорог одной из значимых проблем является эксплуатационная надёжность соединительной балки четырёхосных тележек, являющимся одним из наиболее сложных и трудоёмких в изготовлении узлов. Её конструкция постоянно дорабатывалась в целях повышения статической и усталостной прочности. В процессе совершенствования восьмиосных вагонов было предложено и реализовано множество конструктивно и технологически различающихся вариантов соединительных балок.
Соединительная балка является одним из основных несущих узлов
восьмиосных вагонов. В тоже время значительная геометрическая сложность
конструкции, стеснённые габариты, высокая металлоёмкость, сложность в
расчётах и при натурных испытаниях всех основных схем нагружения,
воздействующих на балку в течение длительного времени эксплуатации
восьмиосных цистерн и полувагонов фактически предопределили крайне
медленное совершенствование этого сварного узла и огромный объём работ по
её изучению. Специфическая форма конструкции соединительной балки
четырехосных тележек обусловлена большими вертикальными и
горизонтальными нагрузками и стеснёнными габаритами. Стесненные габариты
размещения балки ведут к тому, что даже незначительное изменение ее геометрических параметров приводит к нежелательному контакту с различными близлежащими элементами вагона. Кроме этого, отсутствует возможность усиления отдельных зон накладками и т.п. Конструкция балки, имеющей большое количество контактирующих элементов, воспринимающих нагрузку, и имеющих четкую функциональную связь, ведет к тому, что отклонение параметров в любой паре сопряжений неизбежно влияет на работоспособность и нагруженность всей конструкции. Вследствие недостаточной эксплуатационной надёжности соединительной балки в процессе эксплуатации происходит выход её из строя из-за появления трещин и изменения геометрических параметров всех опорных поверхностей конструкции при износе, которые впоследствии требуют восстановления.
Таким образом, необходимо исследование закономерностей деформирования соединительной балки (СБ) при различных схемах нагружения в процессе её эксплуатации. На основе расчётов напряжённо-деформированного состояния (НДС) и применения перспективных сварочных материалов требуется разработать конструктивные и технологические рекомендации по повышению прочности и эксплуатационной надёжности соединительной балки. Поставленная задача является актуальной, имеющей существенное значение для обеспечения прочности данной конструкции и безопасности движения в целом.
Конструктивно-технологические особенности соединительной балки модели 871.10.400-СБ, схемы нагружения при испытаниях и в эксплуатации
В настоящее время при эксплуатации 8-осных цистерн на сети ж.д.одной из значимых проблем является эксплуатационная надёжность соединительной балки четырёхосных тележек. В сущности с момента создания в вагоностроении 8-осных цистерн (1964г. ПО ЖДАНОВТЯЖМАШ) одним из наиболее сложных и трудоёмких в изготовлении узлов, конструкция которого постоянно дорабатывалась в направлении повышения статической и усталостной прочности, является соединительная балка 4-осных тележек. В процессе совершенствования восьмиосных вагонов было предложено и реализовано в металле множество конструктивно и технологически различающихся вариантов соединительных балок. Большой комплекс научно-исследовательских и проектно — конструкторских работ, посвященных вопросам определения и исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС), прочности и надёжности, а также анализу технологии изготовления и ремонта соединительных балок (СБ),на «с основе расчетно-теоритических и экспериментальных методов, в течении длительного времени выполнялся рядом организаций, таких как: ПО «ЖДАНОВТЯЖМАШ», ГПО «УРАЛВАГОНЗАВОД» / 1 - 3 и др./, ВНИИЖТом, МИИТом / 4 - 7 и др./, ХабИИЖТом / 8 - 9 и дрУ, ИРИИЖТом, ОМИИТом / 10 - 11 и др./, ИЭС им. Патона / 24 / и рядом других организаций. Такое внимание к соединительной балке не случайно, т.к. она является одним из основных несущих узлов восьмиосных вагонов
В тоже время, значительная геометрическая сложность конструкции, стеснённые габариты, высокая металлоёмкость, не учёт в расчётах и при натурных испытаниях, в течение длительного времени эксплуатации восьмиосных цистерн и полувагонов, всех основных схем нагружения действующих на балку, фактически предопределили крайне медленное совершенствование этого сварного узла и огромный объём работ по её изучению. В процессе совершенствования 8-осных вагонов, было предложено множество конструктивно-технологических предложений по совершенствованию СБ, направленных не только на повышение долговечности конструкции, но и на оптимизацию параметров СБ с целью повышения надёжности и снижения металлоёмкости этого массивного узла, улучшения технологичности, с целью повышения прочности, как на этапе изготовления, так и этапе ремонта. Ряд работ посвящен совершенствованию формы сварных швов, применяемой сварочной проволоки, выбору исходных материалов конструкции и т.п. Однако, несмотря на значительное количество предложений по совершенствованию конструкции, технологии изготовления и ремонта СБ, реализацию в металле и тем более в серийных конструкциях, нашла только незначительная часть предложений СБ четырёхосных тележек соединяет попарно двухосные тележки и предназначена для передачи нагрузок от кузова (щтяа) вагона на тележки (см. рисунок 1.1). Основная часть воспринимается подпятником СБ и передаётся на крайние пятники. При боковой перевалке, с амплитудой, превышающей суммарный зазор в скользунах, дополнительная нагрузка, передаваемая через шкворневую балку вагона, воспринимается центральными скользунами в средней части СБ и через ее концевые скользуны передаётся на ртветные устройства надрессорных балок. Специфическая форма конструкции (см. рисунок 1.2) обусловлена выполнением функции восприятия больших вертикальных и горизонтальных нагрузок, а также стеснёнными габаритами. В настоящее время на сети ж.д. МПС в подавляющем большинстве эксплуатируются штампосварные СБ конструкции ПО «ЖДНОВТЯЖМАШ». В связи с тем, что первые варианты как литых, так и штампосварных СБ не обеспечивали требуемые прочностные характеристики, постоянно проводились работы по усовершенствованию узлов конструкции. В частности, под восьмиосными цистернами изначально устанавливались штампосварные СБ 100-ой модификации (см. рисунок 1.3).
Разработка методики обследования соединительных балок четырёхосных
Для устранения эксплуатационных дефектов соединительной балки необходимо разработать методику обследования обеспечивающую возможность решения следующих задач: обновление статистических данных о зонах расположения и характерных параметров трещин; получение статистических данных о наличии и величине износов пятников и подпятника соединительной балки; получение статистических данных о наличии и величине неплоскостности и непараллельности опорных элементов соединительной балки; получение статистических данных о наличии и величине прогиба соединительной балки. Разработанная методика и специальная оснастка должны лечь в основу «Методики замеров геометрических параметров соединительной балки в условиях депо».
Методика фиксации параметров трещин и следов касания соединительной балки рядом расположенными элементами восьмиосной цистерны
При обследовании соединительных балок отмечается наличие первичных трещин, ремонтных сварных швов, вторичных трещин (по ремонтным сварным швам). Место образования, схема расположения и размер трещин, а также ремонтных сварных швов указывается на эскизах соединительной балки приведённых в карте обследования (Приложение 1).Схема расположения трещин наносится любым цветом кроме чёрного. При этом: первичные трещины сплошной обозначаются линией ( ) и при указании размера трещин ни какого индекса не ставится, ремонтные сварные швы обозначаются штриховой линией ( ) и при указании размера ставится индекс «р», вторичные трещины по ремонтным сварным швам обозначаются двойной штриховой линией (= = =) и при указании размера ставится индекс «в». При обнаружении трещин, отличных от показанных на рисунок 2.1 (а также трещин № 12, № 13), необходимо обеспечить привязку схемы расположения трещин к контуру или другим характерным элементам конструкции. Т.е. необходимо указать расстояние до них от контура.
При обнаружении трещин в балках выпущенных позже 1987г., необходимо замерять диаметр верхнего кольцевого сварного шва приварки крайнего пятника к верхнему листу ( в поперечном оси СБ направлению). При радиусе более 280 мм, на эскизах карты обследования делать пометку «увеличенный радиус» (УВ).
При обнаружении следов касания головок заклёпок пятника восьмиосной цистерны с верхним листом соединительной балки или следов касания нижнего листа СБ оси колёсной пары или надрессорной балки, необходимо в соответствующей графе карты обследования поставить знак « + » (Приложение 2).
Контрольные расчеты рекомендуемого варианта соединительной балки
До проведения расчетов, в конечноэлементную модель соединительной балки, на основе результатов многочисленных натурных исследований, внесены следующие изменения:
1. Измененным раскроем нижнего листа в зоне крайних пятников. Указанное изменение обеспечивает снижение уровня и амплитуд напряжений в ранее наиболее повреждаемой части соединительной балки;
2. Измененной схемой расположения центральных поперечных диафрагм, что обеспечивает снижение максимальных напряжений в подпятнике при поперечной перевалке;
3. В центральной части подпятника введено дополнительное усиление d = 240 мм, h = 40 мм. Значительно изменена форма центральных внутренних и внешних поперечных диафрагм. Преимущества: - меньшая материалоемкость; - из зоны растянутых волокон выведен сварной шов, расположенный поперек основного силового потока.
Кроме того, принимая во внимание необходимость дополнительного снижения уровня напряжений в зоне перегиба нижнего листа над надрессорной балкой, в данной зоне, по верхнему листу СБ смоделированы усиливающие накладки.
Ранее, подобное техническое решение не рассматривалось, что связано с крайне стесненными допускаемыми габаритами балки. Действительно, с одной стороны, в кривой наименьшего радиуса соединительная балка поворачивается относительно оси вагона на 7 градусов. Т.е., хребтовая балка доходит практически до начала подкрылков крайних скользунов. С другой стороны, зазор 5 = 60 мм между хребтовой балкой и верхним листом соединительной балки необходим исходя из взаимного положения названных элементов при роспуске с сортировочных горок.
Несмотря на выше сказанное, известно, что на практике, в кривых малого радиуса, отсутствуют уклоны пути приближенные к условиям сортировочных горок. В связи с этим, учитывая реальные параметры пути, в КЭМ введены накладки, имеющие следующие габарита: L = 500MM, Ь=130мм, Ь = 30мм. Фрагменты вновь разработанной контрольной конечноэлементной модели представлены на рисунке 3.1.
Расчеты рекомендуемого варианта конструкции проводились при поперечной перевалке без завала и с завалом на скользуны, а так же при продольной перевалке с опорой на внешние стороны пятников. Нагрузка, схемы ее распределения, режимы нагрузок указаны в подразделе
