St. Petersburg, St. Petersburg, Russian Federation
employee
Tver, Tver, Russian Federation
employee
St. Petersburg, St. Petersburg, Russian Federation
employee
St. Petersburg, St. Petersburg, Russian Federation
employee
Tver, Tver, Russian Federation
employee
Tver, Tver, Russian Federation
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
GRNTI 73.29 Железнодорожный транспорт
In the paper there is presented a procedure for the life testing of a hinge pivot in a dump car. This unit is one of the most significant elements in the design on which depends traffic safety. As a method for the estimate of reliability and life of the element under consideration there are chosen accelerated life tests allowing the definition of fatigue strength characteristics using a limited number of samples at the specified forced mode. Particular attention is paid to the circuit of sample installation on a plant, to the circuit of loading, to the estimate and substantiation of load values at the known loading range of the hinge pivot unit corresponding to speed motion distribution of a car under operation. The analysis of acting loads in operation is carried out, a total damaging impact during car operation and an equivalent force of sample loading are defined identical by a damaging impact to an acting loading range of a sample under testing are defined. According to the investigation results there is developed and approbated successfully a new procedure for the fulfillment of bench tests allowing more complete and reliable estimates of hinge pivot unit life for a dump car in comparison with computational methods.
car, dump car, computation, resource, life, procedure, hinge pivot unit
Введение
В соответствии с действующим «Положением…» [1], в случае, если вагону устанавливают назначенный срок службы, превышающий численные значения, приведенные в «Положении…», новые значения назначенного срока службы должны быть подтверждены экспериментально путем проведения ресурсных испытаний вагона в целом или узлов, лимитирующих его срок службы.
В настоящее время типовые методики экспериментальной оценки срока службы отсутствуют. При этом, в зависимости от типа вагона определяющее срок службы повреждающее воздействие может быть различным. Так для интенсивно эксплуатируемых вагонов и подлежащих роспуску с сортировочных горок в основном лимитирующей нагрузкой является продольная нагрузка от соударения вагонов. Данная нагрузка при испытаниях может быть смоделирована ресурсными испытаниями при многократных соударениях. Однако для вагонов-самосвалов, не подлежащих роспуску с горок и большей частью эксплуатируемых в составе поездов постоянного формирования данный способ подтверждения ресурса не должен применяться, по причине не соответствия реальному нагружению в эксплуатации. Наибольший вклад в повреждающее воздействие, определяющее ресурс при многоцикловом нагружении вагона-самосвала вносит динамическая составляющая вертикальной нагрузки, возникающая при движении. Поэтому для данного типа подвижного состава наиболее целесообразна разработка методики, предусматривающей оценку назначенного ресурса.
Разработанные АО «ЗМК» вагоны-самосвалы моделей 32-626 и 32-626-01, согласно техническим условиям спроектированы на срок службы 32 года. При этом, согласно «Положению…» [1] назначенный срок службы вагонов‑самосвалов (думпкаров) составляет 22 года. Таким образом, для подтверждения срока службы вагонов-самосвалов 32-626 и 32-626-01 должна обязательно выполняться расчетно-экспериментальная оценка путем проведения ресурсных испытаний вагона или его наиболее нагруженных узлов.
Цель работы
Целью работы являлось экспериментальное подтверждение срока службы вагона‑самосвала, на основе разработанной методики. ООО «ИЦПС» в рамках работ по постановке на производство на АО «ЗМК» данных вагонов, разработал соответствующую методику и провел экспериментальное подтверждение срока службы шкворневого узла.
Методика экспериментального подтверждения срока службы
Отличия вагонов-самосвалов моделей 32‑626 и 32‑626‑01 заключаются в наличии у вагона модели 32‑626‑01 амортизирующего настила пола из деревянных досок, для установки которого, каркас верхней рамы накрывается металлическими листами, затем устанавливается деревянный настил, а затем закрывается листом пола, идентичным применяемому в вагоне 32‑626. Нижние рамы данных вагонов одинаковые.
На начальном этапе были определены узлы, которые определяют ресурс вагонов-самосвалов. Назначенный ресурс вагонов определяется возникновением при их эксплуатации неисправностей, описанных в ЦЧУ-ЦВ/4433 [2] и в «Требованиях по исключению вагонов из инвентаря» [3]. Неисправности, описанные в указанных документах, были классифицированы по причинам их возникновения и возможности возникновения в конструкции вагонов-самосвалов. Неисправности причиной которых является нарушение условий эксплуатации были исключены из рассмотрения. В результате определено, что элементом конструкции, определяющим ресурс вагона в целом, является хребтовая балка. Далее, на основании расчета сопротивления усталости, была выбрана зона хребтовой балки с наименьшим коэффициентом запаса. Такой зоной являлось место пересечения шкворневой и хребтовой балок. Данная зона является наиболее нагруженной с точки зрения усталостной прочности, воспринимающей весь комплекс нагрузок в течение всего периода эксплуатации и не подлежащей замене. Поэтому элементом конструкции вагона, определяющим его ресурс, является узел соединения хребтовой балки со шкворневой (шкворневой узел).
В 60-70-х годах прошлого столетия при оценке ресурса полувагонов широко применялись стендовые ресурсные испытания его узлов [4-15], и их методика апробирована при отработке различных конструкций шкворневых узлов. Кроме того, разработку методик оценки запаса сопротивления усталости шкворневых узлов вагонов-платформ выполнял ООО «ИЦПС» с последующим проведением испытаний в ЗАО НО «ТИВ». На основании имеющегося опыта силами ООО «ИЦПС» была разработана методика стендовых ресурсных испытаний шкворневых узлов вагонов-самосвалов. В целом методика состоит из аналогичных этапов, что и разработанные ранее, однако особое внимание в данной работе уделено начальным этапам, таким как определение нагруженности узла, расчет испытательных нагрузок и обоснование контрольного числа циклов.
Выполненная работа, по разработке методики является уникальной, поскольку до этого не применялась к шкворневым узлам вагонов-самосвалов.
В ходе испытаний выполнялся контроль характеристик, которые определяют усталостную прочность конструкции. При испытаниях фиксировались усталостные повреждения конструкции и количество циклов, при которых они обнаружены, а также значения статических и динамических напряжений.
При разработке схемы нагружения опытного образца составлена схема сил и определены изгибающие моменты нижней рамы, которые соответствуют нагружению узла при движении вагона. Схема нагружения хребтовой балки вагона-самосвала приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема сил и изгибающих моментов,
действующих на хребтовую балку рамы нижней
Реакция в пятнике определялась по формуле
(1)
Силы P1, P2 и P3 определялись пропорционально расстояниям между опорами, при условии, что нагрузка распределена равномерно по всей длине рамы нижней.
(2)
(3)
(4)
В результате вычислений по формулам (2) - (4) получаем P1=0,44P, P2=0,26P, P3=0,30P.
Из рис. 1 следует, что изгибающий момент в хребтовой балке в зоне пятника отсутствует, поэтому при испытаниях его не моделировали.
На шкворневую балку действует сила P1, следовательно, на один конец шкворневой балки действует сила 0,5*P1 или 0,22P. Расстояние действия силы на шкворневой балке соответствует роликовым опорам и равняется 600 мм от оси шкворня.
Таким образом, силы, приходящиеся на хребтовую балку, составляют P1+P2 или 0,56P. На один конец хребтовой балки приходится 0,5*0,56P=0,28P. Расстояние между опорами хребтовой балки не регламентировано, т.к. отсутствует изгибающий момент в данной зоне. В данном случае расстояние от оси шкворня до оси действия силы принимаем 800 мм исходя из особенностей конструкции и учета сварных швов в шкворневой зоне, чтобы хребтовая балка работала на изгиб, а не на смятие.
Кручение хребтовой балки реализовано также, как и в ранее выполняемых работах Уральского отделения ВНИИЖТ и ООО «ИЦПС», опора хребтовой балки располагалась со смещением на величину
Основным принципом при определении схемы нагружения являлось обеспечение, и сохранение на всем протяжении испытаний, необходимых реакций в опорах, а также в их соотношения между собой. Предложенная схема распределения нагрузок наиболее полно имитирует эксплуатационную нагруженность рассматриваемого узла вагона.
Расположение цилиндрической опоры под опорными балками было рассчитано по формулам, приведенным в статье [16]. По результатам расчета определены расстояния l и l1 которые составили 918 и 514 мм соответственно.
Для более точного распределения реакций в опорах опытного образца допускалось изменение расстояния вдоль оси хребтовой балки, при этом выполнялся контроль величин реакций во всех опорах.
Определение средней и амплитудной нагрузки цикла выполнено по формулам, приведенным в ранее выполненной работе [16]. В отличие от предыдущих работ был выполнен расчет накопленного усталостного повреждения для шкворневого узла по двум нормативным документам («Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [17] и «ГОСТ 33211‑2014» [19]) и выбрано наибольшее значение.
В разработанной методике были проведены данные вычисления, они показали, что накопленное усталостное повреждение в эксплуатации за срок службы для шкворневого узла разное, так при расчете по [19] данная величина больше на 10,4 %, чем при расчете по [17].
Результаты расчета, позволили определить среднюю и амплитудную нагрузку цикла Pm = 414,0 кН, Pa = 251,8 кН. Амплитудная нагрузка приведена к контрольному числу циклов Nисп=106. Контрольное число циклов Nисп=106 выбрано таким образом, чтобы при проведении испытаний материал шкворневого узла находился в зоне упругого деформирования, т.е. испытания выполнялись в зоне многоцикловой усталости в соответствии с ГОСТ 23207‑78 [18], с одновременным возможным сокращением временных затрат.
Таким образом для получения положительного результата опытный образец должен выдержать количество циклов до разрушения не менее 106 при установившемся режиме испытаний 414,0±251,8 кН.
Проведение испытаний и оценка результатов
Для проведения испытаний АО «ЗМК» изготовило четыре опытных образца, общий вид которых представлен на рис. 2.
Нагружение опытных образцов циклической нагрузкой выполнялось на специальном стенде. В качестве рабочего органа применялись два гидроцилиндра номинальным усилием 1000 кН. Данные гидроцилиндры были подключены к испытательной машине ПЦА-100. На рис. 3 и 4 представлены опытный образец, который помещен в стенд, и опоры образца.
|
Рис. 2. Опытный образец шкворневого узла для испытаний |
 |
Рис. 3. Опытный образец, установленный в стенд
|
|
а) б)
Рис. 4. Опоры опытного образца
а - опора хребтовой балки; б - опора шкворневой балки
В ходе испытаний контроль напряжений, возникающих в образцах, осуществлялся при помощи тензометрии. Контрольные точки, в которых были установлены тензорезисторы, были определены с помощью разработанной схемы. В основу данной схемы были положены результаты расчетов. Количество циклов приложения динамической нагрузки определялось по показаниям электромеханического счетчика. Наличие усталостных повреждений контролировалось визуально и фиксировалось при помощи фотоаппаратуры.
Проведение испытаний, выполнение требований безопасности, а также процедура обработки и анализа результатов испытаний были выполнены с учетом ГОСТ 33788-2016 [20].
По завершению статических испытаний, был проведен анализ, полученных результатов, в результате которого установлено, что зависимость изменения нагрузки и напряжения в контрольных точках имеют линейный характер, что показывает их достоверность, кроме того напряжения в элементах конструкции при приложении испытательных нагрузок не превышали предел текучести материала. Максимальные зафиксированные значения напряжений составили 81 МПа при нагрузке 700 кН.
Динамические испытания каждого образца выполняли при ассиметричном цикле нагружения до получения предельного состояния, либо разрушения. Под разрушением понималось такое повреждение образца, при котором становится невозможно дальнейшее поддержание установленного режима работы стенда, в связи со значительным снижением жесткости образца. При испытаниях частота изменения циклической нагрузки составляла 4 Гц. При достижении контрольного числа циклов Nисп=106 и отсутствии усталостных повреждений испытательную нагрузку увеличивали на 10% амплитудной нагрузкой и продолжали испытания до достижения N = 2,5·106. После достижения данного количества циклов нагружения (в 2,5 раза превышающего базовое число) было принято решение не продолжать испытания, так как отсутствие разрушений образцов, при достигнутом числе циклов однозначно свидетельствовало о том, что образцы выдержали испытания.
При проведении испытаний на одном из образцов шкворневого узла была обнаружена трещина представленная на рисунке на рис. 5. Количество циклов нагружения данного образца, при появлении трещины составило 7,4 млн. Испытания данного образца были продолжены, при этом развития трещины не происходило, при достижении 8,9 млн. циклов испытания были остановлены.
Рис. 5. Общий вид трещины в образце шкворневого узла
Как указано выше, в процессе испытаний шкворневой узел подвергался нескольким уровням амплитудной нагрузки, поэтому для оценки результатов, с учетом гипотезы линейного суммирования повреждающего воздействия при нагрузке, рассчитывалось приведенное к амплитуде Pa = 251,8 кН, количество циклов нагружения по формуле
, (5)
где N — приведенное к амплитудной нагрузке Pa число циклов нагружения; xi — полученное на испытаниях количество циклов при заданном режиме испытаний; Pi — фактическая амплитудная нагрузка при испытаниях, кН.
Полученное в результате пересчета число циклов до обнаружения трещины и до разрушения (остановки испытаний) было занесено в таблице. При этом ресурс до разрушения установлен более 32 лет для всех образцов, так как данному сроку службы соответствует контрольное количество циклов Nисп=106.
Таблица
Результаты ресурсных испытаний
№ образца |
Режим нагружения, кН (тс) |
№ трещины |
Количество циклов, млн |
Ресурс до разрушения, лет |
||||
Pm |
Pa |
Pmax |
Pmin |
До обнаружения трещины |
До разрушения (или остановки испытаний) |
|||
1 |
414,0(42,2) |
251,8(25,67) |
665,8(67,87) |
162,2(16,53) |
- |
- |
3,4 |
более 32 |
2 |
- |
- |
3,3 |
более 32 |
||||
3 |
1 |
7,4 |
8,9 |
более 32 |
||||
4 |
- |
- |
3,3 |
более 32 |
||||
Из-за того, что получена только одна трещина и ни один образец не разрушился и не достиг предельного состояния, выполнить статистический анализ результатов не представляется возможным. По результатам испытаний выполнена оценка действительного числа циклов по минимальному значению количества циклов до остановки испытаний для образца № 4 по формуле
, (6)
где 
— выборочное среднее значение циклов до появления первой трещины и до разрушения, вместо принято минимальное количество циклов до остановки испытаний; ε — относительная погрешность, принятая в соответствии с номограммой для значения доверительной вероятности β. Для деталей, влияющих на безопасность эксплуатации принимается β=0,9 (в соответствии с приложением 2 ГОСТ 25.507‑85 [21]). Принимаем ε = 0,38.
В результате получено минимальное значение количества циклов нагружения до остановки испытаний xср = (1-0,38)·3,3·106=2,0·106.
Анализ полученных результатов показал, что первая трещина в шкворневых узлах возникла при количестве циклов нагружения в несколько раз превышающем контрольное число циклов. Единственная трещина, полученная при стендовых испытаниях, получена при достижении более 7 млн. циклов. Что говорит о значительном запасе сопротивления усталости данного узла у вагонов‑самосвалов.
Выводы
Разработанная с целью оценки усталостной прочности шкворневых узлов методика позволила подтвердить назначенный срок службы вагона‑самосвала в наиболее сжатые сроки. При этом достоверность полученных результатов превышает расчетный метод оценки ресурса конструкции шкворневого узла вагона-самосвала.
Представленная в статье методика проведения стендовых испытаний на ресурс шкворневых узлов вагонов-самосвалов является частью комплекса работ по постановке на производство вагонов‑самосвалов моделей 32‑626 и 32‑626‑01, выполняемого совместно ЗАО НО «ТИВ» и ООО «ИЦПС». По результатам ресурсных испытаний оформлены протоколы 77702333‑530 Д10/1 [22] и 77702333‑530 Д10/2 [23], подтверждающие срок службы вагонов‑самосвалов. В результате данной работы успешно апробирована методика ресурсных испытаний, которая может быть использована при подтверждении назначенного срока службы данного типа вагонов.
1. Polozhenie o sisteme tehnicheskogo obsluzhivaniya i remonta gruzovyh vagonov, dopuschennyh na puti obschego pol'zovaniya v mezhdunarodnom soobschenii, Sovet po zheleznodorozhnomu transportu gosudarstv-uchastnikov Sodruzhestva, protokol ot 16-17 oktyabrya 2012. - № 57.
2. CChU CV/4433. Instrukciya po isklyucheniyu iz inventarya vagonov. - M.: - Transport. - 1987. - 29 s.
3. Trebovaniya po isklyucheniyu iz inventarya gruzovyh vagonov. Komissiya Soveta po zheleznodorozhnomu transportu polnomochnyh specialistov vagonnogo hozyaystva zheleznodorozhnyh administraci/ protokol ot 16 17 dekabrya 2008. - № 46.
4. Afanas'ev A. E. Sovershenstvovanie konstrukcii shkvornevogo uzla universal'nogo poluvagona // Sovershenstvovanie metodik issledovaniya gruzovyh vagonov : sb. nauch. tr. / pod red. A. A. Bityuckogo. - SPb., Inzhenernyy centr vagonostroeniya, 2011. - Vyp. 9. - S. 101 110.
5. Survillo A. B. Stendovye i ekspluatacionnye ispytaniya naturnyh uzlov sochleneniya hrebtovoy i shkvornevoy balok : otchet o NIR (zaklyuch.). Tema 138-V-68 / Ural'skoe otdelenie VNIIZhT ; UVZ ; isp. A. B. Survillo, A. G. Zocenko, S. V. Vershinskiy, I. V. Tarlinskiy. - Sverdlovsk, 1968. - 86 c.
6. Sokolov P. S. Eksperimental'nye issledovaniya raboty shkvornevogo uzla 4-osnyh poluvagonov i puti povysheniya ego ekspluatacionnoy nadezhnosti / P. S. Sokolov, V. I. Gamirov, I. V. Tarlinskiy, S. I. Mihaylov // Vagony i gruzovaya rabota: materialy III nauch.-tehn. konf. / Ural'skoe otdelenie VNIIZhT - Sverdlovsk, 1964. - Vyp. 5. - S. 26 38.
7. Survillo A. B. Issledovanie dinamicheskoy nagruzhennosti i ocenka ustalostnoy prochnosti nesuschih uzlov vos'miosnyh poluvagonov / A. B.Survillo , V. S. Plotkin , A. B. Bronivickiy // Dinamika i prochnost' perspektivnyh vagonov: sb. nauch. tr. / VNIIZhT; pod red. d-ra tehn. nauk S. V. Vershinskogo. – M., 1976.- Vyp. 548.- S. 94 109.
8. Gamirov V. I. Issledovanie effektivnosti usileniy shkvornevogo uzla chetyrehosnyh poluvagonov // Povyshenie nadezhnosti i sovershenstvovanie metodov remonta i ekspluatacii gruzovyh vagonov : materialy IV nauch.-tehn. konf. / Ural'skoe otdelenie VNIIZhT. - Sverdlovsk, 1965. - Vyp. 10. - S. 63 75.
9. Kuz'mich L. D. Uskorennye ispytaniya vagonnyh konstrukciy na ustalostnuyu prochnost' / L.D. Kuz'mich // Povyshenie prochnosti i nadezhnosti vagonnyh konstrukciy: sb. nauch. tr. / VNII Vagonostroeniya. - M., 1971. - Vyp. 14. - S. 3 15.
10. Chencov I. E. Issledovanie napryazhennogo sostoyaniya krestoobraznyh maketov shkvornevyh uzlov poluvagonov. Razrabotka predlozheniy po sovershenstvovaniyu konstrukcii sochleneniya shkvornevoy i hrebtovoy balok po rezul'tatam ustalostnyh ispytaniy krestoobraznyh maketov shkvornevyh uzlov : otchet o NIR (zaklyuch.). Tema 544-U-83, r. 3a / VNIIZhT ; isp. I. E. Chencov, V. A. Kosarev, V. V. Zubarev. M., 1983. - 74 c.
11. Sokolov P. S. Ispytaniya shkvornevyh uzlov poluvagonov : otchet o NIR (zaklyuch.). Tema 138-V-72, r. 7a / Ural'skoe otdelenie VNIIZhT ; isp. P. S. Sokolov i dr. Sverdlovsk, 1972. - 79 s.
12. Shmerman T. P. Povyshenie dolgovechnosti shkvornevyh balok vos'miosnyh poluvagonov / T. P.Shmerman, S. I. Mihaylov // Zheleznodorozhnyy transport. - 1978. - № 4. - S. 39 41. - ISSN 0044-4448.
13. Zhovtobryuh G. D. Issledovanie soprotivleniya ustalosti shkvornevogo uzla universal'noy platformy / G. D. Zhovtobryuh, M. N. Zaks, E. T. Iorsh i dr. // Problemy sovershenstvovaniya vagonnyh konstrukciy i metodov issledovaniya : sb. nauch. tr. / VNII Vagonostroeniya. - M., 1984. - Vyp. 53. - S. 63 72.
14. Kashkin A. I. Issledovanie ustalostnoy prochnosti maketnyh obrazcov i naturnyh uzlov platform, izgotovlennyh iz stali marki 10G2BD / A. I. Kashkin, N. I. Mironov // Povyshenie prochnosti i nadezhnosti vagonnyh konstrukciy: sb. nauch. tr. / VNII Vagonostroeniya. - M., 1980. - Vyp. 42. - S. 76 90.
15. Survillo A. B. Raschetno-eksperimental'naya ocenka ustalostnoy prochnosti i dolgovechnosti ramy universal'noy 4-osnoy platformy / A. B. Survillo, A. P. Pogrebnoy // Povyshenie prochnosti i nadezhnosti vagonnyh konstrukciy: sb. nauch. tr. / VNII Vagonostroeniya. - M., 1980. - Vyp. 42. - S. 8 21.
16. Dodonov A. V. Razrabotka i aprobaciya metodiki resursnyh ispytaniy shkvornevogo uzla vagona platformy dlya lesomaterialov / A. V. Dodonov, A. E. Afanas'ev, D. I. Zagorskiy, A. A. Homenko, A. N. Makarov // Transport Urala. - 2019. - № 2 (61). - S. 15 22. - DOI: 10.20291/1815-9400-2019-2-15-22. - ISSN 1815-9400.
17. Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov zheleznyh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamohodnyh). M.: GosNIIV ; VNIIZhT, 1996. - 319 s.
18. GOST 23207 78 Soprotivlenie ustalosti. Osnovnye terminy, opredeleniya i oboznacheniya.
19. GOST 33211 2014 Vagony gruzovye. Trebovaniya k prochnosti i dinamicheskim kachestvam. M.: Standartinform, 2016. - 52 s.
20. GOST 33788–2016 Vagony gruzovye i passazhirskie. Metody ispytaniy na prochnost' i hodovye kachestva. M.: Standartinform, 2016. - 42 s.
21. GOST 25.507 85 Raschety i ispytaniya na prochnost' v mashinostroenii. Metody ispytaniy na ustalost' pri ekspluatacionnyh rezhimah nagruzheniya. Obschie trebovaniya // Oficial'noe izdanie. Mehanicheskie ispytaniya. Raschet i ispytaniya na prochnost': Sb. standartov. - M.: Standartinform, 2005. - 19 s.
22. 77702333 530 D1/1 Vagon samosval. Model' 32 626 01. Protokol po rezul'tatam resursnyh ispytaniy shkvornevogo uzla. OOO «ICPS», 2019. - 34 l.
23. 77702333 530 D1/2 Vagon samosval. Model' 32 626. Protokol po rezul'tatam resursnyh ispytaniy shkvornevogo uzla. OOO «ICPS», 2019. – 34 l.
