автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повреждаемость колесных пар и расчетная оценка несущей способности соединения колеса с осью при повышении нагрузки на ось вагона

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ггв ад

2 0

На правах рукописи УДК 629.4.027.11.001.24:539.37

КРОТОВ Сергей Викторович

ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ КОЛЕСНЫХ ПАР И РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ КОЛЕСА С ОСЬЮ ПРИ ПОВЫШЕНИИ НАГРУЗКИ НА ОСЬ ВАГОНА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Гостов - на • Дону - (996

Работа выполнена в Ростовском государственном университете путей сообщениг

НАУЧНЫЙ РУКОВОЖГЕЛЬ я.т.н., про4ессор Н.А. МАЛОЗЕМОБ

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: д.т.н., профессор Л.В.. БАЛОН

к.т.н., доцент В.И. РЕЗНИКОВ

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ Управление Сев. Кав. же л. доо Служба вагонного хозяйства

Защита диссертации состоится >> /.^^.1996г. • в ... час.. ... мин. на заседании специализированного совета Д114.08.01. Ростовского государственного университета путей сообщения, аудитория М- .1116.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУПСа.

Автореферат разослан «.{?.» 1996г. Отзывы

на автореферат в двух экземплярах, заверенные печати просим высылать в адрес ученого совета: 344017, г. Ростов-ла-Дону, пл. им. Стрелкового палка Народного ополчения, 2, РПУПС.

УЧЕШИ СЕКРЕТАРЬ СПЩ/АГЛЗ№ОВАННОГО СОВЕТА

К. Т.Н.. ДОЦЕНТ ^г Д.Ш1Ц.

э .

- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гаГГпты В настоящее время научно-технические решения по созданию вагонов с повышенной грузоподъемностью и . повышенной до 24Бкн С25т5 нагрузкой на ось перешагнули априорные идеи возможности ев повышения в сторону практической реализации пмектно-конструкторских и технологических решений.

Испытания, проведанные с. опытной перегрузкой вагонов сущес-та|укшх конструкций, показали возрастание нагруженнОеги и . фактическое увеличений повреждаемое™ основных несущих элементов, включая и колесные пары, снижение надежности которых ожидается пйи повышении нагрузки и длительной эксплуатации. Это. прежде йеего, может сказаться на работоспособности соединения колеса с обью, поскольку имеются случаи ослабления и сдвига колеса с оси. Й)1я выявления таких Факторов необходимо проводить длительные и дорогостоящие испытания, так как существушие методы расчета и техника оценки прочности соединения по относительному коэффициенту прочности не учитывают характера эксплуатационного нагружения соединения. Элементы колесной пары, к тому же. испытывают перегруз от неровностей колес и пути. Учет всех Факторов на грунте ни я и оценка их влияния на насудаю способность соединения колеса с осью представляет ело жну к» проблему' даже в процессе длительных авторитетных испытаний, поскольку параметры взаимодействия элементов соединения неконтр8лируемы и неизвестны. Очевидна научная, практическая и экономическая актуальность разработки и развития методов расчета прикладных моделей, позволяющих учитывать и прогнозировать влияние повышения нагрузки на ось колесной пары и соединение ее элементов. Это дает определенные преимущества э предварительной оценке несушей способности, в сравнении с дорогостоящим и длительными ^испытаниями. Реализация реиений о повышении нагруз-

ки на ось подтверждает актуальность работы по изучению нагруженное™. исследованию эксплуатационной повреждаемости колесных •пар и расчетной оценке несущей способности соединения колеса с осью. Поэтому автор пришел к необходимости попыток развить' теоретические прикладные методы расчета, позволяющие' учитывать и про тонизировать состояние прочности колесной пары и -несущей способности весьма ответственного ее узла - соединения колеса с осью.

Пялъ пя^пти формулируется следующим образом: разработка методов расчета прикладных моделей колесных пар,3 позволяющих оцените несущую способность соединения колеса с-осью при повышении нагрузки на ось вагона.

Для достижения этой цели были поставлены следующие основные задачи исследования:

- определение характера и закономерности повреждаемости элементов колесный пар в современных условиях эксплуатации:

- разработка модели колесной пары, учитывающей деформированное состояние ее элементов:

- разработка модели прессового соединения, учитывавшей взаимные перемещения ступицы колеса и'оси:

."к

- разработка конечно-элементной модели прессового соединения, позволяющей провести численный экспериментальный расчет с целью определения иапрялсенно-деформированного состояния и перемещений в зоне сопряжения колеса и оси.

Н^ТОЩ'УП иесдепоааицд. В работе применен комплексны* метод, исследований. Долголетние натурные наблюдения и обор данных повреждаемости колесных пар в условиях текуь^го отиепочного ремонта, механизированного пункта ремонта, пункта технического осмотра, деповского ремонта и вагонных колесных мастерски* с исло/ьэоаа-

нием разработанные фэом наблюдений и анализом статистическим данных. Натурный эксперимент по запрессовкам и распрессовкам колесных пер. Теоретические исследования на основе \ предлагав!.«« расчетных моделей дебетированного состояния колесной пары и прессового соединения методами теоретической механики и сопротивления материалов, с решением дифференциальных уравнений изгиба с учетом сдвига. Численный экспериментальный расчет конечно-элементной модели соединения колеса и оси с привлечением метода чередования основных систем.

Ндучняя новизна. Разработаны методы расчета, предложены новые расчетные модели колесной пары и соединения колеса с осью прикладного назначения, ■ которые., в отличие от нормативных схем расчета прочности, позволяют оценить деформированное состояние элементов колесной пары, определить перемещения, зоны относительного проскальзывания элементов и несущую способность соединения колеса с осью. Методы расчета позволяют предварительно и приближенно прогнозировать состояние несущей способности соединения при повышении нагрузки на ось. Разработана приближенная конечно- элементная модель соединения колеса с осью, численное решение которой позволяет оценить напряженно-деформированное состояние элементов в соединении, определить зоны сцепления и скольжения и изменение параметров соединения при увеличении нагрузки на ось вагона или подыскнсго состава при механическом нагружении колесной пары.

Практическая ценность. В работе на основе анализа нагружен-ности и наблюдений определен характер и'закономерности повреждаемости колесных пар а современных условиях эксплуатации. Установлено, что повре*лаеиость колесных, пар и ее элементов линейно за-

а

висит от валичины нагрузки на ось. Повреждаемость наиболее нагруженных и интенсивно используемых полувагонов во много раз больше, чем остальных вагонов. ПрешдаксхвеннышгдеФектами стали тормоз-. ' ные: ползуны и наволакивание. Причем количество' ползунов увеличивается в сравнении со стабильно высоким наволакиванием, результат ты анализа повреждаемости и рекомендации по уточнению межремонт-НОТО1 проката и сроков службы колесник пар переданы в ЦВ МПС и ВНИИ вагоностроения для корректировки сроков ремонта вагонов, эксплуатируемых с превышением нормативной .нагрузки.

Теоретические разработки по расчетным моделям колесной пары и оценке несущей способности соединения колеса с осью и расчетные Формулы для вычисления перемещений и зон скольжения рекомендуются для-инженерной оценки эффекта повышения нагрузки на ось на несущую способность соединения колеса с осью в проектно-конструк-торских бюро.вагоностроения и подвижного состава. В повышении нагрузки на ось до 245кн С 25т} заложен известный высокий экономический эффект.

АпрпКяпна пяЯптм »ыгшнма пп.влмрнид ряДпты докладывались, обсуждались и полумили положительную оценку на Всесоюзных конйе-ренци?х по механике железнодорожного транспорта С Днепропетровск. 1984,1988гг. Э, Всесоюзных конференциях Минчермета по повышению качества колес и осей С Днепропетровск, 1985г.) и (Москва, ВДНХ. 1986г.?, Конференции молодых ученых БИТМа СБрянск. 1989г.), научно-технических конференциях РИИЖТа СРЬстов-на-Дону, 1983-5 989гг. 3, Ученых советов механического (1983г.) и Электромеханического факультета, совместно с кафелраьм Вагоны и ВХ, Локомотивы и ЛХ. Электроподвижной состав. Строительная и Теоретическая механика. Безопасности жизнедеятельности С!996г.).

Публикации^ По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, одно авторское свидетельство (в соавторство).

С.'гпу^т-!^ I« пбт^м работы. Диссертационная работа состоит из введения, пята глаз, общих выводов, списка использованной литературой и приложения. Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок, 1 таЯлицу, 148 наименовании использованных источников, приложение но 17 страницах.

содержание РАБОТЫ

Во введении кратко освещается состояние вопроса по нэгруген-иости подвижного состава и колесных пар, как важнейших несущих элементов вагонных конструкция, обеспечивающим безопасность движения к сохранность перевозимых грузов. Обоснована необходимость и актуальность проведения работ по теме.

В парада плача проведен обширный обзор приоритетных теоретически:? и экспериментальных исследований по нагружекности колесных пар подвижного состава и вагонов.

В развитое теории взаимодействия подвижного состава и пути большой вклад внесли И. П. Петров, С. П. Тимошенко, A.A. Попов, М.В. Винокуров, заложившие основу теория колебаний и расчета прочности вагонов. Известны таку.& работы по динамике и нагружен-ности подвижного состава К. П. Королева, В. А. Лазаряна, Л. Э. Кар-минского. С. В. Вериинского, С.М. Куцанко, М. Ф. Вериго, Т. А. Тиби-ловэ, О.П. Ерккова, А.Я. Когана, H.H. Кудрявцева, А.Н. Савоськи-Н-". В. Н, Кашниковэ. В. Н. Котураноеэ. В-Ф. Яковлева. Изучением природы, повреждаемость» колес и повышением кьчества колесной стали анимались Т. В. Ларин. В-А. Кис/члл. А. И. Кармазин.

т

В. П. Кротов, В. Г. Крысанов. Повышением качества осей и колес для повышенных режимов нагружения- Ю.М. Парьшев, А.М. Еихрова, И. Г. Узлов, Н.Г. Мирошниченко. Улучшением профиля катания и Формы колеса и оси - ВНИИЖГ, Т. К. Голутвина, В. П. Есаулов. Б.М. Климковский, В. Я. Френкель. В. В. Новиков. Эффективностью торможения и тормозным нагружением колесных пар - В. Г. Иноземцев, П. Т. Гребенкк, Л. В. Балон. С. А. Евдокимов. В. И. Колесников. Особенностями силовой нагруженности вагонов- Л. Л Кузьмич, Л И. Никольский. Б. Г. Ке-глин. Исследованиям прочности осей и прессовых соединений -ИВ. Шевченко.И.В. Наумов, H.H. Мартынов. В.М.Чебонанко,Ю.М. Чер-кашин.В. И. Сакало, В.И. Резников, A.C. Евстратов, Е.С. Гречииев, Е.С. Саввушхин, З.Н. Никольская, О.М. Савчук. Теоретические и экспериментальные исследования нагруженности колесных пар тесно связаны с работами Н. Н. Кудрявцева, занимавшегося внедрением прогрессивной электронной тензометрии и влиянием необрессоренных масс и неровностей колес и пути на нагруженность ко лесных пар.

По В. Н. Цюренко, в 70-е годы наметился постепенный переход на повышенные осевые нагрузки. ВНИЮГГ. ВНИИВ. ЛЮТ провели серии динамических ходовых испытаний полувагонов на тележках с повышенными осевыми нагрузками до 245кн С25т).

По результатам исследований М.Ф.Вериго, Л. О. Грачева, П. С. Ани-симов, A.A. Львов отмечают увеличение всех силовых факторов. Действующ™ на колесную пару от обрессоренных масс вагона и более высокий уровень негрухений от необрессоренных масс, а особенно от боковых сил.

H.H. Кудрявцевым установлено влияние необрессоренных масс ' колесной пары и неровностей колеса, в частиос-m. ползунов, наваров (наволакивания! и неравномерного проката, на перегруз элемент тов колесной лары. Им щ экспериментальна зафиксирован^ высокие вертикальные динамический филн b контакта колеса и рельса на

уровне 687-785ки (70-80тЭ. а боковые - 108кн С 11т). Это создает опасные перегрузки соединения элементов колесной пары.

Исследования соединения колеса с осью показывают, что основными причинами снижения несушей способности соединения, при воздействии знакопеременного изгиба, следует считать деформации элементов и им взаимное проскальзывание.. что не учитывается в расчетах соединения колеса с осью.

В свете изложило го. необходима разработка расчетных моделей. расширяющих возможности оценки допустимых деформация, условий взаимодействия элементов копесной пары и предельных перемещений. характеризую®« несущую способность соединения колеса с осью при повышении нагрузки на ось вагона. Сформулированы цель и задачи исследований.

Вторая глава посвяшена вопросам повреждаемости колесных пар в эксплуатации. В ней описывается методика наблюдений за повреждаемостью колесных пар при плановом, текущем отцепочном ремонте и на ПТО Батайск. Анализ распределения повреждаемости проведен по типам дефектов колесных пар в соответствии с классификацией неисправностей колесных пар ИТМ1-В. характерным для всего вагонного парка а целом - по типам вагонов, типам тормозных колодок, в зависимости от времени года, толщины и твердости обода, нагруженное™ и осеэой нагрузки, а также по металлургическим заводам,' поставляющим колеса. В разделе повреждаемость и осевая нагрузка останавливается зависимость нагруженности вагонов, осевой нагрузки и повреждаемости колесных пар. Проанализирован характер износа колесных пар. прочность и срок службы .прессовый соединений, стабильность формирования колесных пар. Проведен анализ по сдвигам колеса с оси, трещинам осей в лолступнчной части. В результате проведенной работы'

- определен характер и закономерности повреждаемости колесных пар разных типов вагонов: полувагонов, крытых, цистерн, платформ;

- установлено, что характер поЕрекдеемости колесных пар в современных условиях резко изменился. Преимущественными дефектами стали тормозные, с опасными неровностями - ползунами и наволакиванием. При этом дефекты колес при торможении композиционными колодками в 13-18 раз превышот дефекты колас при тормохении чугунными колодками:

- установлено, что повреждаемость ¡солесныя пар линейно зависит от нагруженноста и величины осевой нагрузки. Повреждаемость колесных пар полувагонов значительно превышает повреэдаемость колесных пар'других типов вагонов:

- обнаружено значительное С по возможному катастрофическому исходу) количество опасных сдвигов ступицы колеса с оси СО.03% за год):

- определен ресурс колесных пар по сроку службы:

- при анализе стабильности йоршровения определены параметры и некоторые направления повышения качества и стабильности формирования:

- опрэделена экономическая эффективность превышения на один год ресурса колесной пары.

й тпртьйй глава рассматривается разработанная модель колесной пары, учитывашая дегйормаци.» ее элементов.

Модель колесной пары подставляет собой балку чось"), допускающую изгиб, с дьумя насаженными на нее задьдками (колесами), заданных размеров. Балка предполагается однородной по всей длине.

Рассматриваемая модель нагружена вертикальными Р и горизонтальными Т внешними силами, приложенным* в некоторых точках ее

консольных частей.

Жесткие заделки Сколеса) опираются в достаточно произ вольных точках на негладкую ребристую опору Срелъсы) и могут, вслед за изгибаицейся балкой, отклоняться от вертикального положения на некоторый малый угол 8. Реакции негладких ребристых огюр С рельсов) представляют собой силы, и мешке произвольное направление и точку приложения. Эти силы изображаются в вмяв совокупности двух составлявдии X и У, приложенных во внутренних нижних час-т^я:< жестких заделок и некоторой пары сил с моментом М, значение которого определяет расстояние между крайней нижней точкой отклонения жестких заделок и линией действия рельных сил реакции нег-

I

лайкой ребристой опоры (рельса).«

В работа изучается задача о равновесии двумерной Сплоской)

I

модели колесной пар«, находящейся под действием заданной С несимметричной) внешней нагрузки. Несимметричность нагружения, геометрия контакта колеса и рельса Си другие причины) обуславливают некоторое вертикальнее смещение одной заделки относительно другой.

В работе не исследуется задача об определении точек приложения енеиних нагрузок,' поэтому размеры считаются заданными. Так же проблема взаимодействия колеса и рельса выносится за рамки предлагаемого исследования. Тем самым снимается вопрос о статической неопределимости реактивных характеристик. Предполагая условия контакта колеса и рельса известными,, можно считать все реактивные характеристики определенными или заданными.

Действие связи типа жесткой заделки между колесом и осью в . предлагаемой модели колесной пары осуществляется системой. реактивных сил Ы, 5л, Бп,, схСг). где закон распределения нагрузки о(г) определяется из условия отсутствия изгиба балки в .зоне хесткой заделки, а остальные неизвестнье - из условий внешнего нэгруяэния (.рис. 1). Наличие сосредоточенных сия 5.» и 5п. а также -то, что

точки их приложения расположены на краях контакта колеса и оси. обусловлено тем/ что здесь не учитывается смятие поверхности колеса в этой зона. ¿Нормальная составляющая-- К. представляет собой раанодейстйушую нормальных сил в этой зоне, аозникажлх за. счет-сцепления точек колеса и оси в области контакта С рис. 15.

Поскольку влияние горизонтальных составлягацик-нагружения оси существенно сказывается-на ее деформированном состоянии, то изт гиб первой,, третьей и пятой части оси рассматривается, как ; про-дольно-поеречный. Исследование второй и четвертой часта оси- проводится с;учатом сдвиговый деформаций, исходя"из равенства нуда кривизны упругой линии балки на этих участках. Каждая часть ыоде-ли ¡солеснойпары -рассматривается под воздействием внешней нагрузки, и системы сил, предстешшюиц« -воздействие отброшенной части . на рассматриваемую. Составляются и решаются дифференциальные уравнения упругой линии каждой части, удовлетворяя граничным ус- . лов^иям^ После определения значений углов наклона С поворота) :*.ее--тких заделок С колес!), мохсно определить .все характеристики деформированного состояния модели колесной пары: прогибы, углы поворота, изгибаидие моменты, перерезывакшиа и продольные силы.

Предложенная .'модель расчета, в отличие от нормативной, позволяет расширить возможности анализа (распределения) перемещений и усилия в элементах колесной пары для характерного Сиэ-за наличия неровностей колеса и рельса), несимметричного нагружения колесной пары в эксплуатации.

в чрт-ррртг)?. ГгП/авр рассматривается приближенная модель прессового соединения колеса и оси колесной лары вагона с учетом изгибающего момента, возникаюцего вследствие эксцентриситета вертикальной реакции рельса по отношению к центру соединения, а такие, погонного момента, создаваемого касательными напряжениями на по-

серхкссгм сопрж<есйИ1-;я оси и ступицы С рис. 23.

В средне^ чести А-В ось и ступица деформируются, как одно целое тело, то есть здесь ин прогибы, углы поворота и сдвиги рав-Изгибающие моменты и поперечные силы здесь распределяются пропорционально их жесткостям на изгиб и сдвиг.

При различном нагружении оси и ступицы' в сечениях на концевых участках А-Е и В-К их углы поворота будут неодинаковыми, что влачет за собой появление проскальзывания (сопровожлавдегося правлением касательных усилийЭ;

При равных углах поворота взаимодействуиаих элементов на поверхности контакта между ними возникает, кроме контактного, до-прлнительное давление, интенсивность которого qCz) будет изменяться в осевом направлении.

Для установления вида функции q(2) используются уравнения равновесия элементов оси и ступицы и уравнения, разрешающие - задачу; поперечного изгиба бруса и связывающие изгибающий момент и поперечную силу с перемещениями. После исключения из полученных уравнений внутренних силовых факторов получены аналитические уравнения для прогибаа и углов поворота по зонам скольжения и сцепления, отдельно для оси и ступицы. Далее получены однородные шКэренииальные уравнения, решения которых найдены из условий тождественного совпадения прогибов и углов поворота.' Аналогичным образом рассмотрен улучай разгрузки прессового соединения.

Подученные расчетные формулы позволили определить величины углов поворота различных сечений, величины зон скольжения и сцепления, опрелеляодик несущую способность соединения, с учетом момента, учитывающего эксцентриситет приложения нагрузки и момента, создаваемого касательными напряжениями.

Та«, Для существующих условий нагружения вертикальной нагрузкой Р-144.2кн Сс учетом колебаний подпрыгивания, ^ торможения.

4 I Б I

Рис. I. Деформация оси модели колесной пары

: I

шша

Рис. 2. Расчетная модель прессового соединения

центробежноп и ветровой нагрузок) суммарная величина зон проскальзывания составляет более 65% от длины сопряжения. Если не учитывать введенные моменты, величина зон скольжения еще больые.

Полученные по Формулам этой главы зависимости позволяют сделать едедувшие выводы:

1. Увеличение коэффициента трения снижает величину зон скольхения.

2. Увеличение натяга в соединении таю® снижает величину зон скольжения, но приводит к прямопорциональному росту контактного давления, сникшего коэффициент трения и способствующему сниманию усталостной прочности оси.1

3. Полученные йормулы позволяют! установить влияние на несущую способность соединения геометрических параметров прессового соединения.

4. Увеличение осевой нагрузки приводит.к росту зон скольжения, причем увеличение зоны,скольжения с внутренней стороны соединения значительнее. Аналоги1*ая картина наблюдается и при удар-, пых нагрузках.

5. Полученная зависимость зон скольжения от. вертикальной нагрузки позволяет приближенно рассчитать предельну» нагрузки, которая для современного соединения составляет 520кн/ось.

Предложенная модель расчета взаимодействия элементов соединения - ступицы колеса и оси, позволяет получить фогму'лы для вычисления зон проскальзывания и Углов поворота элементов, произвести приближенную инженернуо оценку влияния поперечного '"мзгмйа-вертикальной нагрузки, величины натяга и коэффициента трения. Таким образом, прикладная модель позволяет оценить конструкционные особенности и произвести расчетную .оценку несущей способно аду» соединения колеса и оси при необходимости повышения нагрузки на ось вагона. Метод расчета позволяет дать количественную и качес-

таенную оценку других способов соединения элементов машиностроительных конструкций.

В пятой гляйр рассмотрен численный эксперимент 'по изучений напряженно-дефоршрованного состояния соединения колеса и осп методом конечных элементов с привлечением метода чередования основных систем.

Напряженное состояние в прессовом соединении определяется как ¡условиями внешнего нагрузкения, так, и условиями контактирования колеса и оси,, которые определяют несущую способность соединения, что связано с безопасность» движения.

Разработанные специализированные программа позволяют автоматически определять размеры поверхности контакта деталей, распределение напряжений к области сцепления или взаимного проскальзывания контактирующих тел. Комплекс, использующий представление о релаксационной схема деформирования деталей, ' позволяет получать все перечисленные условия в контактер при использовании итерационного метода расчета. Однако использование итерационного метода для решения задачи в случае, когда перемещения конечно-элементной схемы значительны и не"совпадают с внешними нагрузками по направлению, дает значительную расходимость итерационного процесса, »точность решения неудовлетворительна. Таковой является задача' о рассмотрении схемы посадки диска колеса на ось с натягом при приложении вертикальной' и горизонтальной нагрузок, к тому же рассматриваемая расчетная схема имеет чередующиеся области относительно высокой и низкой жесткости.

В этом случае применяется метод чередования основных систем, позволяющий разделять расчетную схему на несколько основных систем С ОС). В данном случае расчетная схема, состоящая из шести ОС. разбивается на конечные элемента, причем схемы обидах областей для

различных ОС совпадает.,- Организуется Рлобалъкыа итерационный цикл перебора ОС с закреплением узлов, принадлежащих поверхности 'закрепления и.сообщением нагрузки ' узлам, принадлежащим поверхности нагружни-Я. При обратном ходе итерации узлам, лежащим на повер-хностй закрепления, .сообщается перемещения» умноженные на коэффициенты релаксации, подбираемые эмпирическим путем Сдля различных систем они лежат в пределах от 0.3 до 1). что обеспечивает сходи-,масть процесса.; Итерации обрываются, . когда норма перемещений для всех узлов, становится меньше некоторого' заданногсг" значения или количество итераций превзойдет заданное число-1 На каждой итерации определяются матрицы жесткости- узла, основных систем, схемы ¿/целом. С целью уменьшения времени при аычислении матрицы жесткости, соответствующей каждой ОС, используется осевая сммшттэи.я- колеса, а также наличие плоскости симметрии нагрузки. Образуемые системы линейных алгебраических уравнений решаются Методом Гаусса. Вычисляются перемещения и силы реакций/ по.величинам которых далее определяется напряженно-'деЗормированноэ состояние в . зоне- соедине-. ния, а также зоны, сцеплений и скдлъж9ния< ступицы колеса и оси.

Плоская разбивка сечения имеет 114 узлов и 146 треугольных, элементов Срис.3). Пространственная разбивка на конечные элементы, имевшие форму тетраэдров, использует 10 сечений, полное;, количество узлов 1077, на поверхности' контакта ,100 узлов.

Проведено исследование напря^внно-деформированного состояния зоны контакта при различных сочетаниях основных параметров -натяга, коэффициента трения, вертикальной и горизонтально^ нагрузки. Решениэ поставленной задачи приводится в численном и графическом íb плоскости и пространстве}--виде.

Проведенный численный экспериментальный расчет позволяет установить, что:

- увеличение натяга в соединении снижает величину зон прос-

Рис.3.

V и

Разбивка плоского сечения колеса с учетом основных систем

а 21 Ц ' £! 6! 7/ <У

,----г -----(. ; I Т^—Г--г

Рис. 4. Параметр скольжения ¿Р

Элюгь, ргарии^,,, „орва?1,1ш ,Ш1)яже1ш|. ^

кальзывания:

- увеличение коэффициента трения в соединении .приводит к снижению величины зон проскальзывания:

- при возрастании коэффициента трения в 2 раза происходит увеличение зон скольжения в 2.5 раза:

- концентрация зон скольжения происходит с внешней и внутренней стороны соединения, а также в плоскости круга катания, для существующих условий внешнего нагружэния суммарная .величина зон скольжения составляет примерно 60Z всей поверхности сопряжения, причем АОТ составляет прямое и 202 обратное проскальзывание Срис.4):

- величины зон скольжения, рассчитанные по величинам перемещений и отдельно по усилиям в контакте ступицы колеса и оси практически совпадают:

- напряженное состояние в зоне соединения колеса и оси не представляет опасности с точки зрения прочное™ элементов' соединения, поскольку значения напряжений не достигают допускаемым величин С при заданных условиях внешнего нагружения). Максимальные значения нормальных ежммаших напряжений при различных натягах и коэффициентах трения для различных условий нагружения вертикальной нагрузкой на ось 250-300кн и горизонтальной нагрузкой 60-120кн лежат в пределах 220-320 Мпа:

- величины нормальных растягиваюцнх и касательных напряжений также не превышают допускаемых величин:

- наблюдается характерная концентрация нормальных ежимаюцик напряжений в концевых сечениях соединения колеса и оси, а также в плоскости круга катания или вблизи него (рис.5):

- полуиенные параметры, определяющие несущую способность соединения колеса и оси. подтверждают выводы, полученные при рассмотрении плоской модели прессового соединения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе на основе анализа нагруженности и наблюдений • за повреждаемостью определены уровень нвгруженносы, характер и закономерности повреждаемости колесных пар в: современных- условиях эксплуатации.

2. Установлено, что повреждавмость колесных пар и ее злеывн-тЪв линейно зависит от величины нагрузки на ось.

Повреждаемость наиболее нагруженных и интенсивно используемых полувагонов намного, в 5-10 раз превышает повреждаемость крытых. цистерн и платформ.

3. Преимущественными дефектами колесных пар. в современный условиях эксплуатации являются неровности на поверхности катания колеса в виде ползунов и наволакивания, которые способствуют перегрузке элементов сопряжения колесной пары.

Эти дефекты вызываются, в основном, несоблюдением тормозных режимов' в эксплуатации при торможении композиционными тормозными колодками и неправильным режимом торможения прк роспуске вагонов с горок. Об этом свидетельствует существенный рост количества ползунов (2.9Х-14.4ХЭ при стабильно высоком показателе повреждаемости тормозными дефектами (67Х-903С), установленный за пятилетний срок наблюдений.

4. Результаты наблюдений повреждаемости рекомендованы ЦВ МПС и ВНИИ вагоностроения для корректировки сроков ремонта вагонов, эксплуатируемых с превышением нормативной нагрузки.

5. Разработана методика расчета - проведена теоретическая разработка прикладных расчетных моделей колесной' пары и соединения колесе с ось», позволяющих оценить влияние повышения нагрузки на взаимные перемещения элементов и несущую способность ' соединения колеса с осыо.

5.1. Разработана модель, учитыаавдая деформированное состояние колесной пары.

5.2. Разработана расчетная модель соединения ступицы колеса с осью с учетом эксцентриситета приложения внешних сил и момен-тных нагрузок, позволяющая определить влияние параметров соединения на величину эон скольжения и величину предельной нагрузки на ось. при котрой возколио полное проскальзывание.

6. Для инженерной оцэнки эффекта повышения нагрузки на ось рекомендуется использовать полученные Формулы для расчета перемещений-элементов колесной пары и зон проскальзывания в соединении ступицы колеса и оси.

7. Разработана конечно-алеыэнтная модель соединения колеса с ось» с привлечением метода чередования основных систем, позволившая определить напряженно-деформированное состояние в зоне сопряжения колеса и оси.

Проведан численный эксперимент, позволивший определить нал-ряжения, перемещения, зоны сцепления и скольнания, влиякхие на несущую способность соединения колеса с осью,

3. Разработанные расчетные «одели, а такжа модель прессового соединения по методу конечных элементов могут быть использованы для оценки повышения осевой нагрузки на несущую способность соединения, позволяют оперативно получать данные о напряжённо-деформированном состоянии колесных пар любой конфигурации и при ло-бых условиях нагруления, что не требует дорогостоящих и долгосрочных экспериментов в натурных условиях.

Разработанные модели рекомендуются для предааритальнэпо использования при проектных работе« в проектно-конструктор шх бюро вагоноетсоения и подвижного состава.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ШССЕРТАЩИ ЙПУБДУКОВАНЫ В РАБОТАХ:

Кротов С. В. Анализ качества Формирования колесных пар// Повышение эксплуатационной надежности локомотивов и улучшение их исполнения: Тр. ыежвуз. темат. сб. /РУОТГ. -Ростов н/Д,- 19821 -Вып.' 165. '

2. Малоземов Н. А., « Соловьев В. Л.. Кротов С. В. Срок службы колесных пар грузового вагона/ЛЪвьмение качества ремонта подвижного состава: Тр. межвуэ. темат. сб. /РМИЖТ. -Ростов н/Д. 1983. -Вып. 163 Зс.

3. Соловьев В..Л., Кротов C.B. Характер повреждаемости колесных пар грузовых вагонов//'Пов'ышени9 качества ремонта подвижного состава : Тр. межвуз. темат. сб. /РШЖГ. -Ростов н/Д,' 1983. -Вып. 169. -5с

4. Прйходысо ;В-И.. Кротов C.B. Качество, надежность, формирование и срок службы колесных пар грузовых вагонов/ЛЬвышение надежности и совершенствование конструкций подвижного состава: Тезисы докл. Всесоад. конф., Днепропетровск. 1984.-1с.

5. Кротов В.П., Муратов A.C., Кротов Ç.B. и др. Осевая нагрузка и повреждаемость колесных прР в эксплуатационных условиях// Тез. докл. Все союз. конф. по механике ж. д. тр-та/Повышение надежности и совершенствование конструкции подв. состава. .Днепропетровск. 1988. -1с.

6. Кротов В,П.. Муратов A.C.. Крюков Ю.М., Кротов C.B. ищх Стенд для испытания колесных пар рельсовых транспортных средств// Авг. свидетельство N"1245919.-22.03.1986.

7. Еве сков В. П.. Кротов C.B. Зависимость прочности прессового соединения вагонных колес с осью от срока службы в эксплуата-ици//РУШТ. -Ростов н/А \ 988- -Леп. в ЦИМШЭЙ МПС, N-4A66-198& -Зс

8. Кротов С. В. Внутренние усилия и перемещения а оси и с-гу -пще вагонного колеса//В кн. Динамика, прочность и надежность транспортных машин/ЁИТМ -Брянск. ¡1990. -Юс.

9. Кротов С. В., Шехов В. П. Расчет ' усилий и перемещений в элементах колёсной пары//Совертзнстеование конструкций, технического обслуживания и ремонта подвижного состава в современных условиях: Сб. науч. тр. /РГУПС. -Постов н/Д, 1995. -13с.

10. Кротов В. П.Муратов А. С., Кротов C.B. Результаты наблюдений и анализ повреждаемости колесных пар в эксплуатации//Совер~ шенствование конструкций, технического -обслуживания и ремонта подвижного состава в современных условиях: Сб. науч. тр. /РГУПС. -Ростов на-Дону, 1995. -12с.

КЮТОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ ПОВРЕЖДАЕМОСТЬ КОЛЕСНЫХ ПАР И РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ КОЛЕСА С ОСЬЮ ПРИ ПОВЫШЕНИИ НАГРУЗКИ НА ОСЬ ВАГОНА

05,22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов