Содержание к диссертации
Введение
1. Существующие методо оценки прочностной надежности литых деталей грузовых вагонов 10
1.1. Объекты исследования, особенности их эксплуатации и типичные отказы 10
1.1.1. Условия эксплуатации 10
1.1.2. Нагруженность 11
1.1.3. Типичные отказы и надежность 16
1.2. Существующие методы расчета прочностной надежности и долговечности конструкций 26
1.3. Применение методов исследования операций для обоснования требований к уровню
прочности и надежности литых деталей 31
1.4. Задачи исследования. Особенности их-решения применительно к литым деталям грузовых вагонов 32
2. Методика обоснования уровня прочностной надежности литых деталей грузовых вагонов 37
2.1. Математическая постановка задачи 38
2.2. Анализ факторов, определяющих прочностную надежность детали 42
2.3. Выбор критерия оптимальности 48
2.4. Выбор параметров оптимизации 50
2.5. Построение математической модели оптимизации объекта 54
2.6. Анализ параметров математической модели 59
3. Экспешмшташюе исследование прочностных характеристик литых деталей грузовых вагонов 66
3.1. Исследование статических характеристик сопротивления разрушению 68
3.2. Исследование характеристик сопротивления усталости 69
3.2.1. Влияние малоцикловых перегрузок на накопление усталостных повреждений в литых сталях 71
3.2.2. Оценка повреждаемости стали в области весьма кратковременных перегрузок 78
3.2.3. Сравнение литых сталей по чувствительности к малоцикловым перегрузкам 79
3.2.4. Влияние малоцикловых перегрузок на накопление повреждений и кинетику разрушения литых сталей при наличии концентрации напряжений 83
3.2.5. Анализ результатов эксперимента 91
3.3. Исследование сопротивления развитию трещин в литых сталях 94
3.3.1. Влияние эксплуатационных факторов на трещиностойкость литых сталей 95
3.4. Исследование трещиностойкости натурных литых деталей - корпусов автосцепок 115
3.5. Влияние исправления дефектов сваркой на усталостную долговечность и трещиностойкость литых крупногабаритных образцов 123
4. Определение оптимальных характеристик прочностной надежности литых вагонных деталей 126
4.1. Математическая модель оптимизации надежности корпуса автосцепки 126
4.2. Вероятностные параметры математической модели 127
4.2.1. Вероятность появления трещин при перегрузке 127
4.2.2. Вероятность появления усталостных трещин 129
4.2.3. Вероятность разрушения детали с трещиной 130
4.2.4. Вероятность разрушения целой детали 133
4.3. Экономические параметры математической модели 135
4.4. Определение оптимальных параметров корпуса автосцепки 143
4.5. Определение оптимальных параметров надежности тягового хомута 145
5. Обеспечение рационального уровня прочностной надежности за счет механических свойств материала 149
5.1. Методика сравнительной оценки материалов по долговечности и вероятности усталостного разрушения 150
5.1.1. Формирование на ЭВМ блока нагрузкенности корпуса автосцепки 151
5.1.2. Построение блока нагружения образцов 153
5.1.3. Апробация режима нагружения образцов 156
5.2. Оценка эффективности применения легирования и термической обработки литой стали корпуса автосцепки для повышения его наделшости 161
5.2.1. Сравниваемые варианты литых сталей и методика проведения испытаний 163
5.2.2. Анализ результатов испытаний 166
5.3. Прогнозирование функции надежности корпуса автосцепки по результатам программных испытаний образцов 174
5.4. Получение и анализ зависимости между долговечностью при блочном нагружении и механическими свойствами 177
Заключение 184
Библиографический список 187
Приложения 205
- Существующие методы расчета прочностной надежности и долговечности конструкций
- Анализ факторов, определяющих прочностную надежность детали
- Влияние малоцикловых перегрузок на накопление повреждений и кинетику разрушения литых сталей при наличии концентрации напряжений
- Определение оптимальных параметров надежности тягового хомута
Существующие методы расчета прочностной надежности и долговечности конструкций
Надежность литых деталей грузовых вагонов определяется соотношением статистических характеристик конструкционной прочности и нагруженности. Современные методы расчета позволяют оценить надежность детали на двух стадиях развития разрушения: этапе зарождения трещины и на этапе ее развития. Вопросам оценки надежности конструкций на различных этапах развития разрушения посвящены фундаментальные работы советских исследователей А.Р. Ржаницына [ИЗ] , СВ. Серенсена [117], В.В. Болотина [II, 12], В.П. Когаева [53] , зарубежных - В. Вейбулла [18], A.M. Фрейденталя [138] , Д.Р. Раиса [165], Д. Бендата и А. Пирсола [8] и других.
Использование расчетных методов оценки надежности предполагает знание статистических распределений прочностных параметров детали. Причем определённая характеристика (или совокупность характеристик) контролирует определенный вид отказа при эксплуатационном нагружении. Например, вероятность возникновения усталостных трещин зависит от статистических характеристик сопротивления ус -талости, вероятность появления трещин (надрывов) при однократном нагружении - статистическим распределением предела прочности .Этап распространения трещин контролируется характеристиками механики разрушения, а вероятность - соответствующими статистическими распределениями этих характеристик.
Целесообразность применения различных расчетных методов зависит от стадии проектирования конструкции. Каждая из стадий связана с получением определенного объема информации о прочностных свойствах проектируемой конструкции и ее режиме нагружения. Осо -бенностью вероятностных методов является то, что они заканчиваются определением функции надежности детали, устанавливающей зависимость между вероятностью отказа и наработкой.
Вероятностным расчетам на прочность при статическом нагруже-нии посвящены работы [II, ИЗ, 138]. В них рассматриваются основные параметры статистических распределений несущей способности R, и нагруженности F конструкции и их влияние на вероятность отказа. Условие нарушения прочности при этом записывается в виде и отыскивается вероятность выполнения этого условия.
Несмотря на широкое распространения вероятностных методов расчета, сохранили свою значимость методы, построенные на определении запаса прочности [35, 70, ИЗ, 116, 119]. При этом запасу прочности придают вероятностную трактовку, позволяющую через коэф фициент запаса вычислять характеристики надежности. Вероятностные методы расчета на усталость рассмотрены в работах [8, 12, 18, 53, 117, 165]. Вероятность разрушения в этом случае определяется из условия аналогичного (I.I), в котором члены неравенства заменяются на соответствующие характеристики циклической нагруженности 3 и выносливости ё-ц
Вопросы оценки несущей способности элементов конструкций,основанные на подходах механики разрушения, рассмотрены в исследо -ваниях [12, 15, 39, 43, 78, 83, 92, 101, 115, 117, 128, 132, 138, 141, 144]. Рассмотренные методы положены в основу разработанных подхо -дов к оценке надежности литых деталей вагонов.
Разработке методических вопросов оценки надежности литых деталей грузовых вагонов посвящены исследования [36, 57, 64, 70,74, 88, 95, 98, 99, 109, 116,.118, 142, 152]. Среди них важное значение имеют диссертационные работы, выполненные под руководством Л«Н. Никольского.
И.Т. Жариковым (1972г.) [36] исследовалось влияние основных факторов - разности продольных осей автосцепок, геометрических характеристик сечений, прочностных свойств - на надежность корпуса автосцепки при низких температурах. Были получены статистические распределения перечисленных факторов и эксплуатационных темпера -тур для деталей, работающих в различных климатических районах, на основе которых проведен расчет надежности корпуса автосцепки для случая хрупких разрушений.
И.О. Петруниной (1973 г.) [88, 95] предложена инженерная методика расчета корпуса автосцепки на малоцикловую усталость. Задача о напряженном состоянии хвостовика в упруго-пластической об -ласти решалась на основе интегральных уравнений равновесия.Для известных статистических распределений сил, эксцентриситетов,геометрических характеристик сечений по предложенным зависимостям про -водился расчет статистического распределения долговечности.
А.П. Шлюшенковым (1975 г.) [152] исследована усталостная повреждаемость и проведена расчетная оценка долговечности корпуса автосцепки при режимах нагружения с малоцикловыми перегрузками . Экспериментально получены модели накопления повреждений в малоуглеродистых сталях при этих режимах. На основе методов ЙМАШ [52, 117] с учетом ряда особенностей проведена оценка долговечности различных вариантов корпуса автосцепки.
Анализ факторов, определяющих прочностную надежность детали
Прочность вагонных деталей и конструкций обеспечивается комплексом физико-механических свойств материала, из которого они из -готовлены. Оценка и прогнозирование надежности деталей должны ос -новываться на исследованиях прочностных свойств материала с учетом влияния формы и размеров деталей, особенностей их изготовления и эксплуатации. Известно [29], что прочность конструкций обусловлена совместным действием следующих факторов: металловедческого (отра -жающего свойства материала - прочность, коррозионную стойкость,свариваемость, вязкость разрушения и др.), конструктивного (учитывающего особенности формы детали), технологического (учитывающего особенности технологии изготовления), эксплуатационного (отражающего условия эксплуатации).
Методы исследования конструкционной прочности на основе комплексного подхода позволяют с максимальной полнотой учесть основные параметры, характеризующие состояние металла, технологию изготов -ления, условия эксплуатации. Наиболее эффективной для этих целей является методология системного подхода [28, 145]. Объект исследования рассматривается как система, состоящая из элементов, харак -теризующих как внутренние свойства системы, так и условия связи изучаемого объекта с более общей системой (системой более высокого иерархического уровня). В соответствии с этим повреждение материала детали, приводящее к ее отказу, факторы, определяющие это по -вреждение, а также процессы, вызывающие повреждение металла,вместе с системой диагностирования технического состояния и контроля, системой технического обслуживания и ремонтов представляют собой сложную пространственную систему, находящуюся в постоянном движе -нии. Для исследования сложные системы, как правило, подвергаются декомпозиции [19, 48, 131].
В работе [28] предложено характеризовать систему тремя разрезами, показывающими внутреннее строение системы и ее основные элементы - структурный разрез, характер связи и взаимодействия эле -ментов системы, основные процессы, обусловленные этим взаимодействием,- функциональный разрез, развитие системы во времени -хронологический разрез. Аналогично [28] на рис. 2.1, 2.2 и 2.3 показаны соответственно структурный, функциональный и хронологический раз резы системы.
Согласно структурной схеме объекта рис. 2.1 прочностная на -дежность литых деталей определяется физико-механическими свойствами металла, конструкцией детали и условиями ее изготовления, внешним эксплуатационным воздействием. В свою очередь свойства металла зависят от химического состава, способа получения заготовки, режима термообработки, структуры металла на различных уровнях и мето -дов определения этих свойств. Вид детали определяется ее формой и размерами, а условия изготовления - технологией получения заданной формы, качеством поверхностного слоя. Является важным учет влияния исправления литейных дефектов на прочность литой детали,оценивав -мого следующими факторами: формой шва, объемом заварки, режимом сварки, термической обработкой. В качестве эксплуатационного воздействия на деталь в схеме выделено силовое; температурное и коррозионное.
Структурный разрез системы не дает представления о характере взаимосвязи рассмотренных элементов системы, а также о процессах, приводящих к повреждению металла детали. Эти аспекты рассматрива -ются в функциональной схеме объекта (рис. 2.2) и дополняющей ее хронологической схеме (рис. 2.3). Функциональная схема объекта показывает, взаимодействием каких элементов обусловлены процессы, приводящие к повреждению металла литой детали, а также вскрывает факторы, влияющие на протекание процесса повреждения. Функциональная схема помогает выбрать для изучения факторы и процессы, имеющие определяющее значение при оценке надежности детали.
Хронологический разрез системы раскрывает факторы,влияющие на прочностную надежность литой детали вагона на этапах ее проектирования, производства и эксплуатации. Уровень прочностной надежности, закладываемый при проектировании детали, обеспечивается при изго товлении и контроле ее качества,а затем реализуется в эксплуатации и поддерживается в условиях принятой системы технического обслуживания и ремонтов.
Рассмотренные разрезы системы наиболее полно характеризуют процессы, протекающие в ней, и факторы, определяющие эти процессы, и служат основой для создания моделей при решении следующих вопросов, рассматриваемых в работе: исследование свойств материала деталей и процессов, приво -дящих к их отказам; прогнозирование свойств и поведения детали на различных этапах ее функционирования; принятие решения о способах и периодах ремонта детали; — создание математической модели функционирования детали, отражающей отказы различных типов; осмысление результатов расчета по разработанным моделям, а также использование этих результатов при проектировании новых и совершенствовании существующих литых деталей грузовых вагонов.
Влияние малоцикловых перегрузок на накопление повреждений и кинетику разрушения литых сталей при наличии концентрации напряжений
Натурные литые детали грузовых вагонов имеют значительные концентрации напряжений, измеряемые значениями коэффициентов кон -центрации напряжений Ы. = 1,5 5,0. Наличие этих концентраторов напряжений связано как с формой детали, так и с присутствием литейных технологических дефектов: раковин, засоров, пор, трещин и т.д. (При наличии литейных трещин о - возрастает в несколько раз). Для оценки ресурса детали, выбора материала, повышения ее надежности необходимо изучить закономерности накопления повреждений с учетом кинетики усталостного разрушения, т.е. до появления микротрещины и на различных этапах ее развития. Это имеет важное значение для конструкций со значительной концентрацией напряжений, поскольку продолжительность процесса развития трещины для них,как правило, превышает время до ее появления.
Как и в предыдущем случае (п. 3.2.1), одним из параметров характеризующих усталостную повреждаемость, является сумма относи -тельных долговечностей 0, = 2 / 1 . Повреждаемость оценивалась не только по окончательному разрушению, а также в момент появле -ния трещины и на отдельных стадиях ее развития. Определялось количество блоков программного нагружения в момент появления трещины и на различных этапах ее развития, а также в момент разрушения образца. Кроме этого оценивалась живучесть образцов и скорость роста трещин. Ути параметры в данном исследовании количественно ха -рактеризуют влияние концентрации напряжений на процесс усталост -ной повреждаемости материала, а также используются в расчетах на усталость.
Исследование проводилось по методике, изложенной в п. 3.2.1. Испытывались плоские изгибные образцы, изготовленные из стали 20Ш (химсостав и мехсвойства приведены в п.3,.2,і)иотличающиеся от описанных в п. 3.2.1 наличием в рабочей части, имеющей форму балочки равного сопротивления изгибу, отверстия диаметром 2 мм (рис.3.7).Форма образцов схожа с рабочей частью образца типа УП по ГОСТ 25.502-79. Величина коэффициента концентрации напряжений при изгибе составила olg =2,25 [93].
Определение номинальных деформаций в рабочем сечении образца осуществлялось по тарировочной кривой в зависимости от прогиба . Построение тарировочной кривой осуществлялось путем непосредственного измерения деформаций рычажным тензометром с базой 10 мм на серии образцов при различных величинах прогиба. При проведении усталостных испытаний на стенде контролировалась величина прогиба , соответствующая выбранному уровню деформаций.
Местные деформации в области отверстия оценивались по зависимости Втаэс = вп,Ке , в которой номинальные деформации 6а определялись по тарировочной зависимости, а коэффициент концент -рации деформаций Ке в упругом состоянии равен с б,(Ке ) , в упругопластическом рассчитывался по зависимостям, полученным Н.А. Махутовым [78, 117] Ке = 3,4. Местные деформации в двухступенчатом программном блоке на -гружения имели следующие значения: уровень основной упругой деформации был принят постоянным и равным 6У = 19,1.10 , упругоплас-тические деформации (малоцикловые перегрузки) варьировались на двух уровнях enJ4 = 33,7.КГ4 и ЄпЛг = 76,5.ТО"4. Размер блока принимался равным 5000 циклов.
В качестве факторов, характеризующих влияние малоцикловых перегрузок на сопротивление усталости, принимались,как и ранее (п. 3.2.1), факторы Х ҐІПЛ/МБЛ И Хг = ЄПлба , определяющие относительное количество и относительный уровень малоцикловых перегрузок ( Ппл - количество циклических нагружений малоцикловы ми перегрузками в блоке нагружения).
Для предварительных оценок ограниченной долговечности на принятых уровнях деформаций 6У , Є„л, и Єпцг были проведены испытания при стационарном нагружении, в результате которых определялись числа циклов Ny t Мпл » Мпла Д момента достижения трещиной фиксируемой длины I . Фиксировался момент зарождения трещины длиной 0,5 мм методом проникающих жидкостей, для чего использовалась жидкость "Судан-4". Дальнейшее развитие трещины до разрушения образца контролировалось с помощью 24-х кратного отсчет-ного оптического микроскопа типа МПБ-2 с ценой деления измерительной шкалы 0,05 мм. Сочетание метода проникающих жидкостей с ви -зуально-оптическим позволило фиксировать появление трещины длиной 0,5 мм непосредственно в процессе испытания, не снимая образца со стенда, и контролировать ее развитие. Это дало возможность, по -строить зависимости прорастания трещин от количества циклов нагружения. Полученные зависимости дают информацию о сопротивлении материала распространению трещины при циклическом нагружении. Рассматривались трещины, возникающие с обеих сторон образца в верхней и нижней частях концентратора напряжений.
Значения долговечностей для различных длин трещин, живучести и скорости роста трещины на участке ее стабильного прорастания от 0,5 до 2 ... 3 мм приведены в табл. 3.6, а на рис. 3.7 даны в относительных координатах диаграммы разрушения образцов при регулярном циклическом нагружении.
Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением уровня деформации живзгчесть образца, вычисляемая как отношение долговечности образца с трещиной к долговечности до разрушения, и скорость роста трещины возрастают, а долговечность падает при всех исследуемых длинах трещин. При высоких значениях амплитуд деформаций трещина в образце возникает раньше, но продолжительность ее развития увеличивается.
Определение оптимальных параметров надежности тягового хомута
В математической модели оптимизации надежности ТЯГОВОГО хомута должны быть учтены особенности, связанные с его расположением на грузовом вагоне и правилами ремонта этой детали. Например, из-за недоступности не производится диагностирование технического состояния тягового хомута на ПТО и ПИВ. В соответствии с правилами ремонта, любая трещина, расположенная в зоне перехода нижннй тяговой полосы в соединительные планки заварке не подлежит и приводит к выбраковке тягового хомута. С учетом этого математическая модель (4.1) несколько упрощается и имеет вид Расчет производился в последовательности, описанной в п. 4.4 с учетом величины f = 0,9 в уравнении (4.24) и расчетах зависимостей работы [74] для оценки напряженного состояния в зоне перехода нижней тяговой полосы в соединительные планки: г Л 0,5 +0,0і9Єп 0,034 -0,5em + (O,OOO4gt0,00G4em) - Вдесь gj в кгс/см ; F в тс; fl - см ; V/ - см3; 6п и 6т в см; Использовались блоки амплитуд напряжений из работы [74]. Повторяя аналогичную процедуру, как и в случае с корпусом автосцепки, определялась зависимость вероятности безотказной работы по трещинообразованию от срока службы. Зависимость представлена на рис. 4.3. Статистические распределения механических характеристик.обеспечивающие экономически обоснованный уровень надежности для тягового хомута, показаны на рис. 4.4. В результате проведенных в гл. 4 исследований можно сформу -лировать следующие выводы: I. На основе методики обоснования уровня прочностной надежности литых деталей грузовых вагонов, изложенной в главе 2, разработан алгоритм и программа расчетной оценки оптимального с экономи ческих позиций уровня прочностной надежности корпуса автосцепки и тягового хомута. Установлено,что надежность существующих автосцепок и тяговых хомутов из стали 201 ниже оптимальной, что видно из рис. 4.3. 2.
Определены оптимальные с экономических позиций распределения механических характеристик автосцепки и тягового хомута. Распределения получены в предположении о постоянстве параметров на-груженности деталей и относительной характеристики рассеивания,например, коэффициента вариации. 3. Полученные механические характеристики контролируют на -отупление соответствующего отказа, связанного с появлением трещины или разрушением, остальные характеристики могут быть найдены по корреляционным зависимостям, например, между и & или между Кіс И ан . Основой для полученных в гл. 4 механических характеристик, обеспечивающих минимум приведенных суммарных затрат, являются известные расчетные зависимости [12, 15, 78, 117] и результаты экспериментов, изложенных в гл. 3. Эти данные отражают общие зако -номерности процессов, приводящих к разрушению литых деталей. Для конкретных материалов и их термических обработок большое значе -ние приобретают структурные факторы, влияющие на повреждаемость материала детали под действием эксплуатационной нагруженноети. В связи с этим, а также потому, что комплекс рациональных механи -ческих свойств может быть достигнут различными способами, необ -холимо разработать методику сравнительной оценки способов обес -печения прочностной надежности. Мероприятия по повышению надежности литых деталей вагонов осуществляются, как правило, в следующих направлениях. Во-первых, путем снижения нагруженности детали, которое достигается за счет уменьшения действующих внешних нагрузок и (или) рационального изменения формы и размеров сечений опасных зон. Во-вторых, путем применения материалов с высокими механическими свойствами. В -третьих, путем совершенствования технического обслуживания литых деталей и их ремонтно-восстановительных работ. Оптимальный уро -вень надежности также может быть достигнут за счет совмещения перечисленных мероприятий. Анализ результатов экспериментальных исследований,изложен -ных в гл. 3, и расчетных оценок вероятностей отказов GUnW» QraW и QpM показывает, что существенное значение для обеспечения прочностной надежности имеет снижение вероятности образования трещин усталости 0114,(4). Уменьшение этой величины приводит к сниже -нию вероятности разрушения. Как правило, при повышении характе ристик сопротивления усталости наблюдается тенденция к увеличению характеристик прочности, контролирующих вероятность &тп ft) В целом снижение вероятностей отказов ведет к уменьшению суммы приведенных затрат. Поэтому задаче повышения сопротивления усталости уделяется большое внимание.
