автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оценка нагруженности элементов колеса грузового вагона

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МИИТ)

На правах рукописи

Шевандин Василий Михайлович

УДК 629.4.027:625.033.037 Оценка нагруженности элементов колеса грузового вагона. ( 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов )

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Докт. тех. наук., профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Котуранов В. Н. Канд. техн. наук, доцент Меланин В.М.

Москва 1999

Оглавление

Введение 4

1. Краткий обзор исследований и анализ методов расчета деталей и узлов грузовых вагонов. 7

2. Выбор метода исследования и оценки нагруженности колеса 16

2.1. Краткий анализ статистической информации по отказам дисков колес. 16

2.2. Анализ конструкции и выбор расчетных методик 17

3. Определение напряженно-деформированного состояния колеса от динамических нагрузок 19

3.1. Постановка задачи 19

3.1.1. Выбор расчетной схемы и математической модели 19

3.1.2. Общие принципы построения методики расчета 23

3.1.3. Краткое обобщение принятых допущений 25

3.2. Формирование разрешающей системы уравнений 27

3.2.1. Формирование матрицы жесткости 28

3.2.1.1. Отсек оболочки 28

3.2.1.2. Обод 35

3.2.1.3. Формирование матрицы жесткости конструкции. 42

3.2.2. Формирование матрицы масс 43

3.2.2.1. Отсек оболочки 43

3.2.2.2. Обод 44

3.2.2.3. Конструкция в целом 45

3.2.3. Формирования матрицы демпфирования 45

3.2.3.1. Отсек оболочки 46

3.2.3.2. Обод 47

3.2.3.3. Конструкция в целом 48

3.2.4. Формирование вектора внешних нагрузок при действии радиальной реакции 48

3.2.5. Разрешающая система уравнений при действии постоянной по величине составляющей реакции рельса в процессе качения колеса 50

3.2.6. Разрешающая система уравнений при моделировании удара вследствие наличия ползуна 52

3.3. Интегрирование разрешающей системы уравнений. Описание методики расчета 54

3.3.1. Действие реакции со стороны рельса при движении 54

3.3.2. Ударное воздействие вследствие наличия ползуна 54

3.4. Результаты расчетов 61

3.4.1. Действие реакции со стороны рельса 62

3.4.2. Собственные частоты 67

3.4.3. Наличие ползуна от 1 до 2 мм при скорости 70 км/ч 67

3.4.4. Наличие ползуна от 2 до 6 мм при скорости движения 15 км/ч 73

3.4.5. Наличие ползуна от 6 до 12 мм при скорости движения 10 км/ч 80

3.4.6. Обобщение результатов расчетов 86

4. Методика экспериментальных исследований 89

4.1. Объекты испытаний 89

4.2. Методика определения нагруженности дисков колес 89

5. Результаты экспериментальных работ 94 5.1. Сравнительная оценка прочности цельнокатаных колес 94

5.1.1. Напряжения в диске с внутренней стороны колеса 94

5.1.2. Напряжения в диске с наружной стороны колеса 105 Выводы и предложения. 116 Литература 119 Приложения 129

Введение

Актуальной для всех железных дорог остается задача повышения провозной способности, сокращение времени доставки грузов, уменьшение эксплуатационных расходов. Эти критерии имеют важное значение в грузовых перевозках ввиду конкуренции со стороны автомобильного, водного и авиационного транспорта. Пути увеличения провозной способности неразрывно связаны с решением задачи увеличения массы и скорости движения поездов.

Увеличение скоростей для вагонов при сохранении традиционных конструкции тележек может ухудшить показатели, характеризующие динамическое взаимодействие узлов вагона, вагона и пути.

Изменение условий работы железнодорожного транспорта, связанное с переходом к рыночной экономике, требуют изменение подходов к разработке и производству нового подвижного состава. Надо иметь ввиду, что за последние годы материальная база по производству грузовых вагонов претерпела большие изменения. Большинство типов грузовых вагонов выпускается российскими предприятиями.

Поставленная перед вагонным хозяйством решением Коллегии МПС России №21 в декабре 1997 года задача, предусматривает обеспечение конкурентноспособности перевозок, сохранности грузов, создание безремонтных конструкций кузовов и тележек нового поколения.

При разработке нового поколения подвижного состава департаментом вагонного хозяйства обращается особое внимание на совместимость вагонов с существующими. Унификация в вагоностроении сохраняет свою роль и расширяется до производства многоцелевых вагонов на базе одной основной конструкции.

Переход от проектирования отдельных специализированных вагонов к созданию семейства на базе основной конструкции позволяет создать образцы с

заданным уровнем надежности и долговечности, повысить технологичность и ремонтнопригодность вагонов [1].

Повышение осевых нагрузок и скоростей движения в первую очередь отражается на ходовых частях вагонов. Отдельные узлы тележек подвержены достаточно быстрой изменчивости, другие узлы представляют довольно консервативные конструкции. Железнодорожные колеса являются важной частью подвижного состава, в значительной степени обеспечивающие эффективную работу и безопасность движения.

Выход из строя колесных пар влечет за собой отказ в эксплуатации целого вагона, вызывает увеличение времени их простоя в нерабочем парке. Причиной низкой надежности колеса исследуются расчетным путем и посредством испытания большого количества различных вариантов нагруженных образцов.

Рассматриваемая работа является развитием системного подхода к оценке работоспособности колес колесной пары с учетом многолетнего опыта исследований кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" Московского государственного университета путей сообщения (МИИТа).

Актуальность темы диссертации связана с тем, что в 1996 году введены новые "Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)", в которых предусматривается учет целого ряда новых видов нагружения вагонов, отражающих условия их эксплуатации. Кроме того, продолжают появляться отказы, связанные с повреждениями колес и сохраняется важность оценки качества проектных решений с помощью современных методов математического моделирования напряженно-деформированного состояния несущих узлов и деталей с учетом изменения расчетных режимов.

Научная новизна и практическая ценность связаны с применением специальных конечных элементов и аппроксимаци ими колес позволивших создать удобный и эффективный программный комплекс, для реализации

моделирования расчета колес на ПЭВМ при небольшом порядке разрешающей системы уравнений.

Практическое значение заключается в подробном исследовании динамической нагруженности максимально изношенного колеса, в том числе при ударном воздействии из-за дефектов круга катания и получении информации о работоспособности этого основного элемента ходовой части. Достоверность методики подтверждена результатами испытаний колес.

Исследовано влияние различных параметров: скорости движения, коэффициента внутреннего трения материала, глубины ползуна.

Результаты расчетных оценок обобщены в виде простых эмпирических формул для изношенного колеса, которые можно рекомендовать для применения в различной нормативной документации и в случаи экспертизы различных ситуаций при оценки максимальных напряжений.

1. Краткий обзор исследований и анализ методов расчета колесных пар и других деталей ходовых частей.

Конструкция колесной пары с жестко насаженными колесами на ось для железнодорожных экипажей в ближайшее время не будут иметь альтернативы. Преимущество этой конструкции по сравнению с колесной парой, у которой свободно насажены колеса, состоит в простоте конструкции и существенно более высоком уровне надежности.

Колесная пара является основным элементом, передающим статическую и динамическую нагрузку от перевозимой массы на путь, в любой конструкции тележки железнодорожного подвижного состава.

В исследованиях динамических нагрузок подвижного состава практикуется несколько основных подходов. Это натурный эксперимент, аналитические методы исследования, методы физического моделирования, методы электронного моделирования и методы цифрового моделирования. Ни один из перечисленных методов не имеет преимущества перед другим. Их достоинства и недостатки проявляются только при решении конкретных задач. На практике при исследовании динамики железнодорожных экипажей используют комбинацию указанных подходов.

Динамика железнодорожных экипажей как наука базируется на фундаментальных трудах Ю. Ломоносова, С.П. Тимошенко, Н.Е. Жуковского, С.А. Чаплыгина и многих их последователей. В настоящее время опубликовано большое количество научных работ по исследованию различных задач динамики железнодорожных экипажей.

Среди прикладных технических задач существовало немало таких, которые до появления современной вычислительной техники считались неразрешимыми строго теоретически. К ним можно отнести исследование прочности ходовых частей, детали которых отличаются сложностью

конструктивных форм. Решение таких задач чрезвычайно трудоемко. Поэтому было необходимо искать подходящие упрощения, прибегать к методам расчета балок и рам, обращаться к практическому опыту и экспериментальным исследованиям. Так, оси колесных пар принято рассматривать как цилиндрические брусья переменного сечения. Основы расчета разработаны А.А.Поповым [4]. На гладких цилиндрических и конических поверхностях оси получают достаточно достоверные значения напряжений, но в галтельных переходах и на подступичных частях, где чаще всего наблюдаются повреждения, результаты расчетов напряжений существенно отличаются от фактического их значения. Это побудило ввести эмпирические коэффициенты концентрации напряжений, которые снижают долю ошибки.

Решению задачи соединения с натягом оси и колеса методами теории упругости посвящены работы П.В.Шевченко [5,6]. В них ступица колеса рассматривается как толстостенный полый цилиндр, а ось идеализирована в виде бесконечно длинного цилиндрического стержня. Результаты исследований дали более достоверную информацию о распределении контактных давлений и напряжений в ступице колес и подступичных частях как сплошных, так и полых осей. Однако эта методика условно отражала реальные конструктивные формы деталей, а расчетные зависимости оказались громоздкими. Это затруднило их использование в практике проектирования.

Комплексными исследованиями колесных пар со сплошными и полыми осями, технологией их производства и ремонта успешно занимается JI.M. Школьник [7,8,9]. Главное внимание в его работах уделяется усталостной прочности, как показателю, характеризующему надежность. На основе обобщения опыта проектирования полых осей и валов, изучения их чувствительности к концентрации напряжений при циклических нагрузках, а также исходя из равнопрочности подступичной части полой и сплошной осей, им совместно с В.В. Новиковым, A.M. Хорхориным и др. предложена

оригинальная конструкция полой вагонной оси [10], которая после исследований и совершенствования, принята к широкому внедрению. Этой проблемой занимался В.Я. Френкель [11], H.A. Пастернак [12,13] и др.

C.B. Дувалян первым решил задачу теории упругости применительно к диску цельнокатаного колеса [14], рассматривая его как составную оболочку переменной толщины, состоящую из абсолютно жесткой ступицы, кольцевого обода без гребня и конического диска, толщина которого изменяется в зависимости от радиуса сечения.

Результаты расчета удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными. Однако практического распространения этот метод не получил ввиду большой трудоемкости ручного счета. Характер прочностных характеристик материала детали позволяет сделать вывод о реализации требуемого уровня надежности. Стыковка этой проблемы с теорией оптимального проектирования представляет собой крупную самостоятельную задачу, которая в настоящей диссертации не рассматривается.

Результаты проектирования зависят от правильного приложения в расчетных схемах нагрузок, действующих на узел или деталь.

Проблема определения нагруженности узлов и деталей подвижного состава изучается при исследовании динамики подвижного состава. Крупный вклад в эту область внесли работы В.А.Лазаряна [15], С.В.Вершинского, В.Н.Данилова, В.Д.Хусидова [16], Е.П.Блохина [17], М.М.Соколова [18], А.А.Львова [19], В.Ф.Ушкалова [20] и др. Так например В.Д.Хусидов [16] разработал методы цифрового моделирования, позволяющие определять динамические параметры ходовых частей при помощи единого аналитического аппарата как для детерминированных, так и для случайных воздействий со стороны пути. Это позволяет всесторонне оценить нагруженность деталей.

Оригинальный метод вычисления сил взаимодействия подвижного состава и пути, что весьма важно при проектировании колес и других деталей,

предложил в своих исследованиях А.Я.Коган [21]. Достоинство разработанных им вычислительных процедур в том, что исходной информацией служат статистические спектры неровности пути, замеренные на полигоне эксплуатации.

Вопросам нагруженности деталей и узлов подвижного состава посвящены работы С.В.Вершинского, Н.Н.Кудрявцева, В.Д.Хусидова, Ю.М.Черкашина и др. [22,23,24,25]. На основе обобщения результатов теоретических и экспериментальных исследований нагруженности вагонов ими разработана современная методика определения расчетных нагрузок на ось колесной пары и другие детали ходовых частей. Предлагается применять квазистатический расчет. Эта методика широко применена в практике проектирования [26,27]. Но в самой процедуре расчета авторы не ставили цели усовершенствования методики.

Количество работ по МКЭ исчисляется тысячами. Универсальность алгоритмов конечно-элементного метода делает возможным создание универсальных программных" комплексов для решения различного класса задач. Казалось бы, созданное математическое обеспечение должно удовлетворить запросы расчетчиков. Практикам остается только умело использовать разработанные программные комплексы. Не имеет однозначного ответа и вопрос выбора конечного элемента.

МКЭ внедряется в практику расчета деталей и узлов подвижного состава. Так, например, оригинальные алгоритмы расчета котлов цистерн разработаны на основе МКЭ В.Н.Котурановым [37,38] и В.Д.Хусидовым - при расчете прочностных характеристик кузова цельнометаллического полувагона [39].

Конечно-элементный метод применяли и применяют А.И.Александров[40], И.Г.Барбас [41], В.П.Лозбинев [42], М.Д.Никольский [43], Е.Н.Никольский [44], А.П.Приходько [45], В.С.Плоткин [46], О.М.Савчук [47],

А.С.Сахаров [48], Ю.А.Радзиховский [49], В.В.Татарчук [20], В.Ф.Ушкалов [51], Н.Н.Шапошников [34] и многие другие.

Значительный интерес к расчету деталей ходовых частей по программам МКЭ проявляют и зарубежные ученые. Так, например, расчеты деталей колесных пар отражены в работах И.Альбрехта и Г.Фрича (ФРГ) [53], Е.Ракета (ФРГ) [54], Т.Русина (Великобритания) [53], С.Сузуки (Япония) [54] и других. В зарубежных публикациях [58,59] упоминается о результатах исследования вариантной оптимизации колес, целью которого является повышение их прочности.

В связи с бурным развитием вычислительной техники возросла роль численных методов в решении прикладных задач. Применение численных методов сводит дифференциальные уравнения к алгебраическому виду.

Наиболее распространенным методом решения системы дифференциальных уравнений, встречается в физике, механике и технике, считается метод конечных элементов (МКЭ). Возникновение его связывают с решением задач космических исследований с именами американских ученых Агроса Тернера, Клафа и др.

Идея метода заключается в дискретизации сплошной непрерывной конструкции рядом элементов, связанных между собой конечным числом узловых связей. Это позволяет с большей точностью сохранить свойство конструкции при определении напряженно-деформированного состояния. Наличие конечного числа связей позволяет получить соотношения между силами и перемещениями в узлах каждого элемента. Эта взаимосвязь характеризуется матрицей жесткости конструкции. В нашей стране и за рубежом появилось много работ, посвященных этому методу. Из отечественной литературы следует отметить А.Л.Розина [60], в которой автор излагает основы МКЭ. Вначале автор описывает метод перемещений для стержневых систем, процедура которой весьма близка к процедуре МКЭ для континуальных систем.

Далее рассматривается математическая сущность этого метода. Во второй части книги автор рассматривает вопросы, связанные с конкретной формой реализации МКЭ для различных задач строительной механики.

Как отмечается в работе [61], наиболее важными преимуществами МКЭ, благодаря которым он нашел широкое применение в области расчета сложных конструкций, является следующие:

-свойства материалов смежных конечных элементов не должны быть обязательно одинаковыми;

-криволинейные области