Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1. Краткий обзор расчётных моделей кузова полувагона и шкворневого узла 10
1.2. Обзор методов оценки несущей способности сварных соединений 16
1.2.1. Несущая способность при статических нагрузках 16
1.2.2. Несущая способность и долговечность при циклических нагрузках 24
1.3. Цель и задачи исследования 39
2. Анализ технического состояния и оценка показателей надёжности сварных узлов рамы полувагона по статистическим данным об отказах в эксплуатации 41
2.1. Разработка методики натурного обследования технического состояния сварных узлов полувагонов 41
2.2. Анализ технического состояния сварных узлов рамы полувагона 46
2.3. Оценка показателей надёжности по статистическим данным об отказах сварных узлов рамы полувагона 56
Основные результаты и выводы по главе 2 67
3. Теоретическое исследование напряжённо-деформированного состояния сварных соединений шкворневого узла рамы. полувагона 69
3.1. Разработка методики уточнённой оценки напряжённо-, деформированного состояния сварных соединений шкворневого узла 69
3.2. Определение и анализ силовых факторов, действующих на шкворневой узел рамы . 78
3.3. Разработка и обоснование расчётной модели шкворневого узла 92
3.4. Расчёт напряжённо-деформированного состояния и анализ особенностей распределения напряжений в сварных соединениях шкворневого узла 100
3.5. Анализ напряжённо-деформированного состояния сварных соединений при некоторых вариантах изменения конструкции шкворневого узла 133
Основные результаты и выводы по главе 3 142
3. Экспериментальное исследование характеристик нагруженности шкворневого узла рамы полувагона 144
4.1. Разработка методики экспериментального исследования напряжённо-деформированного состояния в зоне сварных соединений 144
4.2. Обработка и анализ результатов статических испытаний 149
4.3. Анализ динамической нагруженности шкворневого узла рамы полувагона 157
Основные результаты и выводы по главе 4 174
5. Разработка методики оценки несущей способности и надёжности шкворневого узла по критерию усталостного повреждения сварных соединений 175,
5.1. Полная кривая усталости. Шбор и обоснование уравнений, аппроксимирующих её в различных областях 175
5.1.1. Область малоцикловой усталости 175
5.1.2. Область многоцикловой усталости 181
5.2. Расчётная оценка функции распределения наработки до отказа по критерию усталостного повреждения сварных соединений шкворневого узла в многоцикловой области 185
5.3. Оценка несущей способности шкворневого узла по критерию усталостного повреждения сварных соединений в малоцикловой области 202
5.4. Общая схема расчёта напряжённо-деформированного состояния, несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла рамы 218
Основные результаты и выводы по главе 5 223
Общие результаты и выводы 225
Список использованных источников 229
- Несущая способность и долговечность при циклических нагрузках
- Оценка показателей надёжности по статистическим данным об отказах сварных узлов рамы полувагона
- Расчёт напряжённо-деформированного состояния и анализ особенностей распределения напряжений в сварных соединениях шкворневого узла
- Анализ динамической нагруженности шкворневого узла рамы полувагона
Введение к работе
В числе основных задач, поставленных перед железнодорожным транспортом "Основными направлениями экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 года" /I/, важное место занимает дальнейшее увеличение провозной и пропускной способности железных дорог на грузонапряжёиных направлениях. Один из путей решения этой задачи связан с повышением интенсивности использования вагонного парка, увеличением веса и длины грузовых поездов /2/. Необходимое условие решения поставленной задачи состоит в обеспечении надёжности и совершенствовании конструкции четырёхосных полувагонов, которые являются самым массовым типом грузовых вагонов»
Проблема оценки и обеспечения несущей способности и надёжности полувагонов по критерию сопротивления усталости сварных конструкций ответственного назначения является актуальной для железнодорожного транспорта. По данным подразделений надёжности проектно-конструкторского бюро Главного управления вагонного хозяйства Министерства путей сообщения СССР (ПКБ ЦБ МПС) /3/ каждый полувагон в течение года эксплуатации поступает в текущий отцепоч-ный ремонт в среднем 7 раз. При этом более половины всех зафиксированных отказов приходится на элементы кузова и рамы, то есть на несущие сварные узлы. Известно /4/, что на текущий отцепочный и плановый виды ремонта полувагона за срок службы расходуется примерно 12 тонн металла, что составляет более половины массы тары. Трудоёмкость деповского ремонта по основным узлам возрастает за 28 лет эксплуатации полувагона (срок службы, установленный ГОСТ 10936-75) в среднем в 4 раза, причём этот рост вызван в основном, необходимостью воостановления работоспособности кузова и рамы путём постановки различного рода накладок, заплат, швов, то
есть увеличением объёма сварочных работ /4/.
Приведенные данные убедительно показывают, что актуальность решения проблемы оценки и обеспечения заданного уровня надёжности несущих сварных узлов в современных условиях эксплуатации возрастает. В этой связи большое практическое значение приобретают расчётные методы прогнозирования несущей способности и надёжности сварных соединений, а также реализующие их алгоритмы и программы, которые должны использоваться на стадиях технического проектирования и создания опытного образна новых и модернизируемых конструкций полувагонов.
Важное значение имеет также сбор и систематизация статистических- данных об отказах в эксплуатации существующих сварных вагонных конструкций с целью получения объективной и достоверной информации о техническом состоянии сварных соединений, а также критериев оценки точности разрабатываемых методик прогнозирования надёжности несущих сварных узлов.
Появление усталостных трещин в сварных соединениях несущих элементов конструкции полувагонов задолго до исчерпания назначенного ресурса, отмеченное многими исследователями /3,5-8/, свидетельствует о том, что прочность и надёжность этих узлов не в полной мере отвечает современным и перспективным условиям эксплуатации вагонного парка. Особенно это относится к основному опорному узлу рамы - шкворневому узлу полувагона (соединению хребтовой и шкворневой балок), который в условиях эксплуатации подвергается действию интенсивных переменных во времени нагрузок.
В настоящее время при проектировании конструкций полувагона проверка статической прочности сварных соединений шкворневого узла производится упрощенными методами сопротивления материалов по номинальным напряжениям, что объясняется сравнительной сложностью
узла и отсутствием отработанных расчётных моделей. Оценка циклической прочности ведётся в основном экспериментальными методами путём многократных испытаний макетов /9/, что приводит к значительным материальным расходам, существенному увеличению сроков создания новых конструкций и не всегда гарантирует выбор рационального с точки зрения прочности и надёжности сварных соединений варианта конструкции. Решение этой проблемы возможно на пути создания, апробации и внедрения в практику единой расчётной методики оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС), несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла, которая с общих методических позиций на стадиях технического проектирования и создания опытного образца конструкции позволила бы обоснованно производить выбор наиболее рационального конструктивного или технологического решения.
Сложность этой проблемы обусловлена спецификой шкворневого узла, которая определяется:
сложностью его геометрической формы, большим количеством элементов конструкции и пространственно расположенных сварных соединений этих элементов между собой, что способствует неравномерному распределению напряжений и концентрации их в некоторых зонах;
сложным в пространстве и во времени характером нагружения шкворневого узла в эксплуатации, зависящим от многих факторов;
сложным характером распределения остаточных напряжений, возникающих в конструкции в результате термодеформационного цикла сварки, и их взаимодействия с циклически изменяющимися рабочими напряже ниями.
В связи с вышеизложенным проблема оценки и обеспечения несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого
узла полувагона является актуальной.
Диссертация посвящена совершенствованию практических методов оценки несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла рамы четырёхосного полувагона. В основу разработанной методики положен современный отечественный и зарубежный опыт наиболее передовых отраслей машиностроения, накопленный при разработке и экспериментальной проверке методов оценки несущей способности сварных соединений и элементов конструкции. При теоретическом исследовании НДС сварных соединений шкворневого узла применялся метод конечных элементов (МКЭ), базирующийся на использовании быстродействующих ЭВМ, что позволило на единой основе разработать ряд расчётных моделей от кузова полувагона до сварного шва. Оценка несущей способности в зонах концентрации основывалась на использовании деформационных критериев и линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений.
При экспериментальном исследовании применялся метод электротензометрии, в том числе малобазной. Обработка результатов ходовых испытаний производилась с использованием методов стационарных случайных процессов. При обработке результатов натурного обследования технического состояния сварных узлов применялись методы теории надёжности, теории вероятностей и математической статистики.
Несущая способность и долговечность при циклических нагрузках
В соответствии с "Нормами..."/12/ несущая способность вагонных конструкций оценивается применительно к нормируемым величинам и сочетаниям основных и дополнительных эксплуатационных нагрузок по критериям: допускаемых напряжений; допустимых запасов статической и усталостной прочности; допустимых запасов устойчивости; допускаемого прогиба; заданных показателей надёжности. При этом в каждом конкретном случае расчёты должны выполняться по тем критериям, которые являются наиболее характерными для условий работы данного элемента. Например, для элементов кузова "Нормы..."/12/ регламентируют производить расчёт по допускаемым напряжениям и запасам устойчивости, а в качестве вспомогательного рекомендуют расчёт на надёжность.
Допускаемые напряжения, приведённые в /12/, установлены в результате обобщения многолетнего опыта эксплуатации вагонов. Попытка учесть в одном показателе большое количество факторов делает допускаемые напряжения интегральной характеристикой, сравнению с которой подлежат номинальные напряжения, определённые вне зон концентрации. Многолетний же опыт эксплуатации и ремонта подвижного состава показывает, что разрушения начинаются в локальных зонах вблизи концентраторов напряжения, в первую очередь - сварных соединений. Таким образом, ни номинальные действующие напряжения, ни номинальные допускаемые напряжения, не имеют непосредственного отношения к реальным напряжениям в зонах, лимитирующих несущую способность сварной конструкции и должны служить лишь на первом этапе проектирования для определения основных размеров несущих элементов. Первый этап проектирования (выбор основных размеров ) осуществляется на основании расчёта статической прочности по номинальным напряжениям, позволяющим исключить разрушение при однократном нагружении максимальными эксплуатационными нагрузками.
Этот этап проектирования должен быть дополнен вторым этапом - поверочным расчётом, в задачу которого входит уточнённый анализ напряжённого состояния конструкции для всех основных режимов эксплуатации и определение на основе этого анализа циклической долговечности наиболее напряжённых узлов. Необходимо отметить, что подобный расчёт, содержащий два раздела (выбор основных размеров и поверочный расчёт), регламентирован рядом советских и зарубежных норм /46,47/, действующих в наиболее передовых отраслях машиностроения.
Хотя общие закономерности и методы оценки несущей способности распространяются и на сварные конструкции, тем не менее специфические особенности и свойства сварных соединений предопределили появление и развитие самостоятельного научного направления - прочности сварных соединений и конструкций. Основными из этих особенностей являются /48/: характерная форма швов и соединений, приводящая к своеобразному распределению напряжений и усилий в них; воздействие термодеформационного цикла сварки на свойства исходного основного металла; наличие закристаллизовавшегося подвергавшегося расплавлению металла и разнообразных зон термического влияния, создающих механические, физические, химические, структурные и другие неоднородности; остаточные напряжения, достигающие по величине предела текучести, а также значительные пластические деформации, способные снижать работоспособность сварной конструкции.
При решении задачи оценки НДС, несущей способности и надёжности сварных соединений, поставленной в работе, использовались-результаты основополагающих исследований советских учёных Е.О.Па-тона, Г.А.Николаева, Б.Н.Горбунова, Б.Н.Дучинского, Н.О.Окербло-ма, С.В.Серенсена, развитые в трудах советских учёных-сварщиков А.Е.Асниса, О.А.Бакши, Г.А.Бельчука, В.А.Винокурова, В.Н.Волчен-ко, К.М.Гатовского, А.Г.Григорьянца, В.И.Дворецкого, Н.Л.Зайцева, С.Н.Киселёва, Н.А.Клыкова, М.М.Крайчика, С.А.Куркина, А.С.Куркина, В.И.Махненко, Д.Й.Еавроцкого, А.Ф.Павленко, Б.Е.Патона, Г.В. Раевского, В.М.Сагалевича, В.Й.Труфякова, В.Б.Шляпина и ряда друг, гих, а также зарубежных учёных В.Х.Мюнзе, Р.Оливира, Ж.Воцнея, Ж. Кравмера, В.Лангенеккера, А.Солокиана и др.
При оценке несущей способности сварных вагонных конструкций необходимо знание особенностей распределения напряжений и усилий в сварных соединениях, особенно , в соединениях с угловыми швами, которые в сварных конструкциях вагонов составляют 80-90% /49,50/.
Рассмотрим условия нагружения углового шва (рис. 1.4,а) и одновременно напомним классификацию угловых сварных швов, принятую в ряде совревенных работ /51-53/, которой будем придерживаться и мы. Соединения с преобладанием силовых факторов Рх , Гу, "Z» действующих в плоскости соединения, называются нахлёсточными. Если в соединении преобладают составляющие силы Р% и момента 1ЧХ и Му - то соединение называется тавровым. Силы и моменты распределяются обычно неравномерно между отдельными швами соединения и по длине углового шва. Однако, если выделить малый участок шва единичной длины с « I и перейти к погонным нагрузкам, то можно считать, что погонная нагрузка ({ распределена по длине равномерно и моменты сил на выделенном участке не возникают (рис. 1,4, б). Будем придерживаться следующей классификации швов -см.рис. 1.4: а). При действии только одной составляющей й : (fx - фланговый шов; Jy - лобовой шов; cjz - тавровый шов; б). При действии двух составляющих: х и V - фланголобовой шов; ууи 2 - лоботавровый шов; Cfz и (х " таврофланговый шов; в). При действии всех трёх составляющих -шов общего вида.
Оценка показателей надёжности по статистическим данным об отказах сварных узлов рамы полувагона
Анализ технического состояния полувагонов с целью выявления наименее надёжных сварных узлов по статистическим данным об их отказах в эксплуатации и принятия мер по усилению этих узлов имеет важное значение. Полученные по статистическим данным об отказах значения показателей надёжности несущих сварных узлов необходимы также для использования в качестве критериев оценки точности разрабатываемых методов прогнозирования надёжности и усталостной долговечности на этапах проектирования и изготовления опытного образца конструкции.
В машиностроении разработан и действует комплекс Государственных стандартов и руководящих нормативных документов /103-105/, регламентирующих систему сбора и обработки информации о надёжности изделий. Однако, применение этих документов к грузовым вагонам затруднено в связи с тем, что сфера эксплуатации, технического обслуживания и ремонта грузовых вагонов имеет существенную специфику. При этом главной особенностью является обезличенность эксплуатации, то есть свободное обращение по всей сети железных дорог и отсутствие приписки грузового вагона к определённому пункту (депо), ответственному за его техническое состояние. Условия эксплуатации вагонов не позволяют выделить подконтрольную группу для организации непрерывного наблюдения.
В соответствии с РТМ /106/ оценка показателей безотказности грузовых вагонов должна производиться по данным статистического учёта состояния и ремонта вагонов грузового парка (форма ВУ-ЗІ). Однако информация об отказах сварных узлов кузова и рамы полувагона, получаемая из учётных форм ВУ-ЗІ, как правило, является недостаточно полной и объективной, поскольку в ней зачастую фиксируются только значительные отказы, дающие основание для отцепки вагона в текущий ремонт. Подавляющее большинство трещин в сварных соединениях кузова и рамы фиксируется лишь при поступлении вагона в деповской ремонт.
Учитывая, что невозможно проследить за эксплуатацией, техническим обслуживанием и ремонтом каждого отдельного грузового вагона на всей сети железных дорог в течение всего срока службы, для сбора информации о техническом состоянии грузовых вагонов часто применяются разовые натурные обследования, проводимые при поступлении их в плановые или текущие отцепочные ремонты. При этом используется выборочный метод, имеющий два варианта: простой случайный отбор и случайный отбор по типическим группам. Деление исследуемой совокупности на типические группы (например, по моделям полувагонов, по годам постройки и т.п.) даёт выигрыш в точности при оценивании характеристик всей совокупности /107/.
В работах д.т.н. Н.А.Костенко /108,109/ теоретически обоснована возможность получения достоверных оценок показателей надёжности по результатам разовых обследований. В них сделан вывод о том, что можно непрерывно длительный период не наблюдать с фиксированного года выпуска за совокупностью деталей, что для грузовых вагонов практически весьма затруднительно, а достаточно фиксировать отказы деталей всех лет изготовления в течение короткого промежутка времени (1-2 года).
Ранее ПКБ ЦВ МПС проводилось натурное обследование сварных злов грузовых вагонов на момент поступления их в деповской ремонт с заполнением карт обследования формы ФГ-72. В результате обработки информации, полученной из карт формы ФГ-72, было выявлено, что в рамах обследованных грузовых вагонов различной специализации наибольшее количество трещин сварных соединений приходится на шкворневой узел. Трещины этого ответственного узла были обнаружены примерно у 10% обследованных цистерн, 7% полувагонов, 4% крытых вагонов и 2% платформ /8/. В рамах полувагонов большое количество аналогичных дефектов в сварных швах приходится, кроме того, на узлы соединения хребтовой балки с промежуточной и средней. Проведенным обследованием были охвачены практически все наиболее ответственные сварные соединения грузовых вагонов. Однако карта ФГ-72 лишь фиксировала факт обнаружения трещины или другого дефекта в том или ином узле вагона, но не содержала информации о точном месте появления трещины, количестве отказавших узлов на данном вагоне, общем количестве обследованных вагонов, то есть не позволяла ни воссоздать картину разрушения (модель отказа), ни произвести оценку показателей надёжности сварного узла.
Поэтому для повышения точности и достоверности информации о характерных повреждениях сварных узлов, а также с целью получения исходных данных для расчёта показателей надёжности была разработана новая методика и карта обследования целевого назначения, охватывающая только наиболее повреждаемые и ответственные узлы полувагона: хребтовую балку, шкворневой узел рамы, узлы соединения промежуточной и средней балок с хребтовой и др.
Несмотря на наличие большого числа работ /7,110-113/, посвященных анализу технического состояния полувагонов, их узлов и деталей, до последнего времени практически отсутствовала единая методика .сбора и обработки информации,которая позволяла бы оценить показатели надёжности и одновременно детально описать зоны наивысшей повреждаемости и наиболее вероятные виды разрушений сварных соединений несущих элементов кузова и рамы полувагона.
Такая методика и карта обследования формы ФГ-723» были разработаны в соответствии с договором о социалистическом содружестве между ММИТом и ЇЇКБ ЦВ МПС совместно с инж. Ю.О.Фаерштейном, инж. А.Ф.Алещшковым и инж. В.Ю.Шуваловым с участием специалистов ПО "Уралвагонзавод им. Ш.Э.Дзержинского" к.т.н. О.Б.Камаева и инж. А.А.Пранова. Методика натурного обследования технического состояния сварных узлов полувагонов приведена в приложении I, а карта обследования формы ФГ-72 - в приложении 2.
Обследованию подвергались сварные соединения указанных узлов 4-осных магистральных полувагонов, изготовленных ПО "Уралвагонзавод им.5 .Э.Дзержинского"(УВЗ) / Крюковский вагоностроительный завод"(КрВЗ)и "Дцановтяжмаш"(ЖЗТМ). Натурное обследование производилось специалистами групп надёжности ПКВ ЦВ МПС по принципу случайного отбора по типическим группам. При этом, учитывая особенности конструкции и технологии изготовления в отдельные типические группы были выделены полувагоны различных моделей: 12-532 постройки УВЗ; 12-726 и 12-1000 постройки КрВЗ; 12-1505 постройки ЖЗТМ, а также полувагоны модели 12-515 постройки УВЗ ранее 1974 года, прошедшие модернизацию на вагоноремонтных заводах МПС. Внутри указанных типических групп были выделены подсовокупности, соответствующие одному году постройки - возрастные типические группы. Учитывая значительное рассеяние статистических данных, характеризующих техническое состояние, при сборе информации обеспечивалось необходимое количество наблюдений и получение информации по всем интересующим моделям и возрастным группам вагонов.
Расчёт напряжённо-деформированного состояния и анализ особенностей распределения напряжений в сварных соединениях шкворневого узла
В узлах соединения промежуточной и средней балок с хребтовой, кроме трещин в сварных соединениях, прилегающих к углу зета хребтовой балки, часто наблюдались разрушения сварных швов, соединяющих накладку с двутавром и с верхним листом поперечной балки (швы В и Г - см. рис. 2.4, 2.5). Трещины сварных соединений В и Г,в основном, преобладают в узлах полувагонов моделей 12-1000 и 12-726.
Одним из резервов улучшения технического состояния сварных узлов является снижение уровня производственной дефектности при изготовлении вагонов. Проведенный анализ показывает, что-примерно в 20-ЗС$ отказов сварных узлов в зоне трещины фиксировались и другие видимые дефекты сварных соединений, недопустимые в соответствии с нормативно-технической документацией /114,116,117/. Наиболее часто отмечались такие дефекты как подрез зоны сплавления, наплывы и неровности на поверхности, кратеры, поры, неплавное сопряжение, смещение продольной оси сварного шва и др. Являясь концентраторами напряжений, эти дефекты сварных соединений способствуют инициированию и развитию усталостных трещин в наиболее нагруженных сварных узлах.
Натурное обследование проводилось в условиях реальной эксплуатации, при которой не исключались нарушения установленных правил и условий эксплуатации вагонного парка. В результате было выявлено, что примерно в 10$ случаев отказы шкворневого узла сопровождаются наличием явных следов местных механических повреждений (вмятин, изгибов, пробоин и т.п.) элементов в зоне трещины, что косвенно характеризует.уровень эксплуатационной повреждаемости, связанной с нарушением правил эксплуатации вагонов. Для узлов соединения промежуточной и средней балок с хребтовой эта цифра превышает 30$, что свидетельствует о наличии значительного резерва в повышении уровня технического состояния сварных узлов за счёт снижения повреждаемости грузового вагонного парка в эксплуатации.
Проведенное натурное обследование позволило выявить ряд существенных недостатков в ремонте и техническом обслуживании несущих сварных узлов рамы полувагонов. Нередки случаи, когда нарушаются требования РТМ /117/: некачественно производится подготовка деталей и сборочных единиц к сварке, допускаются дефекты сварных соединений, снижающие их работоспособность. В ходе обследования фиксировались случаи, когда детали перед сваркой не очищались от грязи, продуктов коррозии и остатков груза, удаление дефектных швов и разделка трещин не производились. Дефектность сварных швов, наложенных во время выполнения ремонтных работ в депо и ВРЗ, значительно превышает аналогичный показатель для вагоностроительных заводов.
Нарушения технологической дисциплины при производстве текущих и плановых ремонтов приводят к резкому снижению качества, отремонтированных сварных соединений, что влечёт за собой повторное появление трещин в тех же зонах, накопление неустранённых или некачественно устранённых повреждений и преждевременный выход сварных конструкций из строя.
В процессе натурного обследования неоднократно отмечались случаи выхода полувагонов из деповского ремонта с незаваренными трещинами в шкворневых узлах. Это в основном трещины нахлёсточного соединения К (см. рис. 2.2), остающиеся как правило незамеченными под остатками груза, льдом и грязью. Редко завариваются и относительно труднодоступные трещины в сварных соединениях И,Н. Анализ эксплуатационной повреждаемости, выполненный в данном разделе, был использован в следующих главах для оценки приемлемости разработанных расчётных моделей и методики оценки несущей способности сварных соединений шкворневого узла.
Для изделий машиностроения методы оценки показателей надёжности (как точечных, так и интервальных) регламентированы ГОСТ /104/. Учитывая специфику эксплуатации грузовых вагонов использование указанного ГОСТа затруднено. Действующие в отрасли вагоностроения РТМ /106/ устанавливают основные положения методик оценки показателей надёжности, в частности, они содержат методику оценки вероятности безотказной работы за срок службы до первого деповского ремонта и до капитального ремонта. Однако, в рекомендуемых РТМ /106/ методиках предусматриваются лишь точечные оценки интенсивности отказов и вероятности безотказной работы.
Учитывая вероятностный характер показателей надёжности и значительный разброс статистических данных об отказах, при использовании точечных оценок интенсивности отказов Я(х) и вероятности безотказной работы вместо истинных их значений, важно знать, каковы пределы возможной ошибки и какова её вероятность, то есть важно определить точность и достоверность используемых оценок. Известно, что качество точечной оценки тем выше, чем на большем статистическом материале она получена. Между тем, точечная оценка сама по себе не несёт никакой информации об объёме данных, на которых она получена. Этим определяется необходимость интервальных оценок показателей надёжности (как дополнения к точечным). Поскольку желательно сохранение преемственности методов оценки надёжности вагонов, предлагается переход к интервальным оценкам интенсивности отказов и вероятности безотказной работы осуществить на основе методики, утверждённой в РТМ /106/.
Натурное обследование технического состояния сварных узлов полувагонов, как испытание на надёжность, с точки зрения прикладной статистики представляет собой последовательность статистических экспериментов следующего типа: в результате реализации каждого из экспериментов (наблюдений) интересующее нас случайное событие, заключающееся в обнаружении отказавшего сварного узла, может произойти с некоторой вероятностью р или не произойти с вероятностью 7 - 4-р . Использование при обследовании технического состояния принципа случайного отбора по типическим группам полувагонов позволило положить в основу расчёта интервальных оценок показателей надёжности сварных узлов следующие допущения.
Анализ динамической нагруженности шкворневого узла рамы полувагона
Подробное исследование НДС такой сложной пространственной системы, какой является кузов полувагона, в целом с учётом всех особенностей конструкции представляет даже при условии использования современной вычислительной техники практически трудно реализуемую задачу. Известно /31-34/, что, если решение краевой задачи затруднительно из-за сложной геометрии конструкции, применяется расчленение расчётной модели на подконструкции. Поэтапное проведение расчёта позволяет значительно снизить на каждом этапе размерность задачи и рационально сочетать необходимую подробность и точность расчёта с возможно меньшими затратами машинного времени ЭВМ.
Для построениям расчётных моделей в качестве базового в работе был принят метод конечных элементов (МКЭ) /122,123/, обладающий достаточной универсальностью, что позволило на единой основе разработать ряд расчётных моделей для решения поставленной задачи уточнённой оценки НДС сварных соединений шкворневого узла рамы.
Первый этап предусматривал оценку НДС несущей конструкции все го кузова. Определялись перемещения узлов, усилия в поперечных сечениях стержней и реакции опорных закреплений. При решении этой задачи использовалась расчётная модель кузова полувагона, в которой учитывались лишь основные его особенности и вместе с тем обеспечивалась необходимая точность определения усилий и перемещений. На втором этапе расчёта из конструкции кузова была выделена под-конструкция, представляющая собой исследуемый шкворневой узел, НДС которого исследовалось более подробно с использованием результатов первого этапа расчёта. На третьем этапе уточнялось напряжённое состояние отдельных наиболее нагруженных сварных швов, лимитирующих несущую способность узла. Второй и третий этапы расчёта позволили выявить особенности распределения усилий и напряжений по длине сварных соединений, концентрацию напряжений, связанную с их пространственным расположением и местными изменениями жёсткоо-ти элементов конструкции. На четвёртом этапе расчёта на плоской модели, имитирующей поперечное сечение углового шва в зоне максимальных усилий, исследовались особенности распределения напряжений в поперечном сечении шва, концентрация напряжений, связанная-. с его конфигурацией, наличием непровара и мест перехода к основному металлу.
На всех этапах расчёт производился в предположении линейной зависимости между напряжениями и деформациями. В случае превышения предела текучести материала (для стали марки 09Г2Д бт= 310 МПа /88/) в дальнейших исследованиях учитывались условно упругие напряжения. Для металла шва, выполненного сваркой электродами типа Э42 марки AH0-I, используемыми при изготовлении шкворневого узла, предел текучести составляет 6Т= 373 МПа /134/. В расчёте принимали меньшее значение 6Т = 310 МПа. При расчёте использовался программный комплекс для расчёта НДС пространственных конструкций "Спринт" /125/, реализующий МКЭ в форме метода перемещений.
Несмотря на наличие отработанного общего алгоритма решения задач МКЭ подобный поэтапный расчёт с декомпозицией сложной пространственной конструкции и переходом от одной расчётной модели к другой не является тривиальным. Возникает задача обеспечения соответствия выбранных расчётных моделей по условиям закрепления, по характеристикам жёсткости и параметрам нагружения, то есть правильного установления связей выделенного сварного узла со всей конструкцией. В каждом конкретном случае эта задача требует специального рассмотрения, отработки расчётной модели на тестах, проведения численных экспериментов, идентификации разработанной расчётной модели по экспериментальным данным.
Учитывая повышенную по сравнению с основным металлом повреждаемость в эксплуатации сварных соединений необходимо уточнить напряжённое состояние наиболее нагруженных сварных швов. При этом учитывалось, что большинство трещин наблюдается в соединениях с угловыми швами. Известно, что распределение напряжений в угловых швах крайне неравномерно. Однако у соединений из пластичных металлов разрушению предшествует существенная пластическая деформация, что позволяет вводить в расчёт средние по сечению напряжения и влияние концентраторов напряжений на этом этапе расчёта не учитывать. Экспериментальные данные МВТУ им. Н.Э.Баумана /51/ показывают, что в случае рассмотрения угловых швов, выполненных из пластичных металлов, по свойствам близких к основному металлу, наибольшие пластические деформации при нагрузке и последующее начальное разрушение в случае статического нагружения возникают вблизи такого сечения ВД (рис. 3.1), в котором эквивалентные напряжения U , вычисленные по средним напряжениям, являются максимальными.
