автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение работоспособности вагонных колес за счет совершенствования профиля диска путем его спрямления

ГОСУДАРСТВЕННАЯ Ш-Ш/,(.1?МШ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ УКРАИНЫ

НЕПРОПЕТРОВСКШ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИ1 ТЗСКИЯ УНИВЕРСИТЕТ ЖЕЛЕЗЮДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правей рукописи

Р Г Б ОД

•' h "" ЛРЕЁЕЙКИН Николай Кириллович УЖ 629.4.027.4.001.57:539.37

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ВАГОННЫХ КОЛЕС ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОФИЛЯ ДИСКА ПУТИ-! ЕГО СПРЯМЛЕНИЯ

05.22.07. - Подвижной состав железный дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техническим наук

Днепропетровск - 1994

Работа выполнена в Харьковской государственной академии далезнодорожного транспог~а

Научные руководители - доктор технических наук,

профессор

I---:-1

I Шевченко Павел Васильевич | 1_1

- кандидат технических наук, доцент

Горбенко Анатолий Петрович

Научный консультант - доктор технических наук

Молдавский Анатолий Авраамович

Официальна оппоненты - доктор технических наук,

профессор Дашвич Виктор Данил- "шч

- кандидат технических наук Маркова Ольга Михайловна '

Вадуаее предприятие - Стахановский вагоностроительный завод.

Защита состоится " 27 " июня 1994 г. в " 14 " часов на заседании специализированного совета К 114.07.01 при Днепропетровском государственном техническом .университете железнодоро» ного транспорта по адресу: 320829, ГСП, г. Днепропетровск. - 10, ул.Акалеыика В. А. Лазаряна, 2, ДПУШ".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослал »Я» мая 1994 г.

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим налравлятс по адресу ссчата института.'

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук.

ДОЦС'НТ Л. В. НоТрЛВИЧ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСГОКА РАБОТЫ

Актуяпт-,нп~гь темм Железнодорожный транспорт призван удовлетворять потребности предприятий н населения стрелы в перевозках грузов и пассажиров при обеспечении должных условий их перевозок и безопасности движения. Интенсификация эксплуатации подвижного состава хелэзных дорог за счет увеличения грузоподъем зсти вагонов и повьмения скоростей движения, предпринятые в последнее десятилетие, привели к резкому увеличению соврелщений вагонов. В частности, значительно увеличилось число усталостных разрушений вагонных колес. Для выяснения причин этого явления необходимы исследования эволюции конструкции вагонных колес, в том числе качественный и количественный анализ конструктивных параметров и геометрических характеристик колес.

Требуются также углубленные исследования напряженис-де-Формированного состояния вагонных колес от эксплуатационных нагрузок с выявлением в них концентраторов напряжений. В этой связи научно-исследовательские работы, направленные на совершенствование конструкции вагонного колеса путем исследований эволюции колес и анализа их конструктивных параметров, а таюке углубленных исследований напряженно-деформированного состояния стандартных и улучшенных колес, являются актуальными как с научной,так и с практической точек зрения.

Особую актуальность имеют в настоящее врем исследования, направленные на создание методов расчета и экмериментов с автоматизированной обработкой геометрических объектов и экспериментальных данных при большом их количестве и громоздкой обработке.

Цель работы. Создать методику оценки качества конструкции вагонного колеса по его конструктивным признакам как детали, подверженной воздействию циклически меняющихся нагрузок. Пост~ роить математические модели геометрического профиля отечественных стандартных колес и выполнить расчеты их геометрических характеристик (толщины, площади, металлоемкости, массы). Произвести качественный и количественный анализ распределения металла по радиусу колес. Выявить зоны концентрации напряжений в стандартных колесах и причины появления этих зон. Предложить конструкцию колеса улучшенной геометрии за счет ликвидации концентраторов напряжений.

Разработать методику, технологию, необходимую оснастку для изготовления моделей колес и проведения на них экспериментальный исследований напряженно-деформированного состояния ко пас от эксплуатационных нагрузок методом фотоупругости. Выполнить ензлиэ напряженно-деформированного состояния колос по гелпге-

делению напряжений как на поверхности голое, так и во внутренних точная сечений по трехосной схеме с привлечением пята сос-тавлячимх напряженного состояния. Выполнить расчеты напрякен-но-доФормированного состояния стандартных и улучшенных колес на эксплуатационные нагрузки М?ГЗ с анализом результатов по всем шести компонентам напряжиного состояния.

ПЙчгря м^тппчк-н исследования. В работе использован комплексной подход. Проведено изучение отечественной и зарубежной научно-технической,-патентной и рекламной литературы по констру 1сции вагонных колес а также теоретическим и экспериментальным исследованиям их налряженко-деформированного состояния. Средствам'.; и методами геометрического моделирования созданы геометрические схемы, алгоритмы и пакет прикладных программ интерактивного и автоинтерактивного построения аналитических Сточных) математических моделей геометрического очертания профили колес "GAM1A" и ПШ автоматического расчета геометрических характеристик колес "PARXCL".

Раэрейотан метод поискового конструирования, ориэн'гпрованний via астоматгчзпросаинуи обработку геометрических очертаний профилей вагонных колес, включахьшй _геометрические схемы, алгоритмы и пакеты прикладных программ построения математических моделей профиля колес и их анализа. Выяалени невидимые по чертежам всех стандартных колес пороки их конструкции в виде локальных уменьшений и увеличений толщина дисков в приступкчной и приободной зонах. Предложена спрялмен-ная конструкция колеса, свободная от концентраторов напрязж-ния, присущих веем стандартным колесам.

Пзак-пшрская пгн'нпгтг, раЯптм. Создан метод поискового конструирования колес, включаздий пакеты прикладник программ автоматизированного построения математических моделей профиля колес "GAMMA" и программы автоматического расчета геометрических характеристик профиля колес "PARKOL". Предложена улучшенная за счет спрямления диска конструкция колеса, свободная от присущих всем отечественным колесам концентраторов напряжений в виде перегибов профиля и сопутствуших им локальных уменьшений и увеличений толщины диска в приступичной и приободной гонах. По исс-.едолваниям напряженно-деформированного состояния стандартных и улучшенных колес экспериментально (методом Фо-тоупругоспО и теоретически С МКЗ ) выявлены закономерности распозде пения напряжений по профилю колес от действия эксплуатационных нагрузок с учетом всех шести компонентов напряженного сотояния как на поверхности профиля так и so внутренних течхдх колес.

Реализация работы. На основе анализа размеров и геометрических характеристик стандартных колес , разработанным автором, методом поискового конструирования и углубленный исследования напряженного состояния им методом Фотоупругости и МКЗ., выявлены существенные пороки конструкций во всех стандартный колесах. Даны рекомендации по совершенствованию конструкции колес путем спрямления профиля диска в пристуличной и приобод-ной зонах. "эедложена улучшенная конструкция колеса, исследованы ее построение и закономерности. Результаты теоретических и экспериментальных исследований стандартных и улучикнных колес, выполненные в диссертации,учтены при разработке ГОСТ 9036-76. По рекомендациям автора Уралвагонзаводом разработаны чертелзч улучшенного за счет спрямления диска колеса, решение о внедрении опытной'партии которого принято ЦВ МПС.

ДпщЙ2Ш1Я. Основные .положения диссертации докладывались и обсуждались на:

- научно-технических конференциях кафедр ХИИТа о участием инженерно-технических работников Южной железкой дороги и предприятий города Харькова С1974 - 1993 г.г.):

- научно-техническом совете ОГК Вагоностроения Уральского вагоностроительного завода С1974 г.):

- заседаниях кафедры "Вагоны" ХИИТа (1974, 1976, 1978, 1882, 1985, 1986-1993 г. г.):

- заседании кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" УЭМИИТа С 1984 г.):

- заседании кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" МИИТа С 1984 г.):

- заседании кафедры "Вагоны и вагонное хозяйство" ДГТУЖТа С 1994 г.Э:

- Межвузовской научно-технической конференции "Повышение надежности и совершенствование технического обслуживания вагонов", г.Свердловск (1984 г.):

- научно-технической конференции "Метрополитен и планировка крупнейшего города". Харьков, 1986 г.;

- на юбилейной научно-технической конференции РИИЖТа С 1989 г.):

- на 8-ой международной конференции "Проблемы механики жел.--дор. транспорта",Днепропетровск, 1992 г.:

- на Днепропетровском городсксч семинаре по шханшса ("1994 г.).

Публикации. По теме писсертации опубликовано 16 статей в трудах БелЮТГа, УЭМИИТа, ХИИТа, одна статья депонировала в ЦНПИТЗИ МПС, издано 2 методические разработки в ХЮТе, изданы тезисы 6 докладов на научно-технических конференциях.

- б -

Оп-ьрц и гчруктура рабпты. Диссертация состоит из вселения, 4 разделов, заключения, списка ислэльзованныч источников, содержащего 13Н наименований, из которых /2/3 на русском языке.

Оиъем диссертации составляет 175 страниц машинописного текста, включая рисункоз, 5 таблиц, 7 прило.чкний.

. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Ееедеша посвящзно обоснованию актуальности диссертационной работы в свете развития келезнодорожного транспорта страны. По*сазана необходимости разработки методов оценки качества конструкций вагонных колес по их конструквным признакам на стадии проектирования и углубленного исследования их налряу.енно-деФормировзнного состояния теоретическими и экспериментальном ызтадаии на действие эксплуатационных силовых нагрузок.

В_П£ШоО_г,чан£ представлен исторический очерк эволюции конструкций вагонных колес,совершенствования их отдельных элементов, состояния и путеп развития отечественных и зарубе;шын конструкций колес. Дана классификация колес и их основных параметров. Выполнен обзор отечественных и зарубежных работ по расчету и экспериментальна исследованиям напрл.чйнко-десЕору.и-рованного состояния колес от технологических и эксплуатационных нагрузок.

Вагонное колесо - слоился и чрезвычайно ответственны,'; элемент вагона, работающий в тяжлых условиях на ряд противоречивых воздействий. Усилиями многих выдающихся отечественных и зарубежных ученых - А.А.Попова, В.А.Киелика. Т.В.Ларина, Г.Н.Кудрявцева. П. В. Шевченко, Г.Я.Андреева, Л. М. Школьника, Г. И. Узлова. О.М. Савчука. ]Л. Лаутенбаха, О. Рейха, большими работав! ведуких научно-исследовательских лабораторий ВНЮТТа, М*1-ИГа, ПуйСТа, ДПУЭТа, РИЖГа, ХГАУЛТа. 11ЧМ АН Украины, коллектива!,« заводов-изготовителей вагонных колос - Днепропетровского металлургического завода им. К. Либкнехта, Нижне-Тагильского металлургического комбината. Уральского' вагоностроительного завода проведена большая работа, приведшая к существенному повышению эксплуатационной надежности вагонных колес. Однако, эти исследования касаются , в основном, выбора . ме-

талла, улу!.л1£ния технологии изготовления и обработки колес, определения сил взаимодействия колес с рельсами и элементами вагона, а также между элементами самого колеса.

В меньшей степени изучены вопросы, касашиеся оценки качества конструкции различных колес по их конструктивным параметрам. Несмотря на ряд успекмо выполненных п последние десяти-

летая теоретически« работ Г. Я. Андреева, С. В. Дуваляна, П. В. Шевченко, А.Г.Андреева, В.П.Есаулова, Б. В.Калинского, 0.М.Савчука, Н.И.Вэпокникова,В.И.Сакало, Э.Н.Никольской, И.А.Пастернака, Г.А.Неклюдовой, И.Лаутенбаха. С. йонсона, О.Рейна, В. Пригге, У.Виллы, Г.Поля, Ф.Тепле, Б.Толике, Г.Крауза, А.Т.Хоппера основное внимание при создании новым конструкций колес уделяемся экспериментальной оценке напрякенпо-дефсркированного состояния колес и им вльной проверке колес в эксплуатационных условиях. При этом теоретические и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния колес ведутся по двухосной схеме с определением радиальных и окружных нормальных и касательных непряжний на поверхности дисков колес. В литературе отсутствует оценка остальных трех компонентов напряженного состояния на поверхности дисков и всех шести во внутренних зонах дисков колес.

Объектами отечественных исследований НДС колес практически являются две инструкции - с плоскокдничееким диском (традиционная) и с криволинейным волнистым диском (еврогзйская). В расчетах и экспериментах варьируются толщина обода, толщина диска, смещение ступицы относительно обода.

Зарубежными исследованиями НДС. колес оцениваются обычно традиционные для этих стран конструкции колес. При атом решаются задачи анализа сравнительными исследованиями нескольких вариантов конструкций колес. В них отсутствуют основополагающие •.■Зорин построения конструкций колес по конструктивным параметрам и решения задач синтеза конструкций вагонных колес по их расчетам на прочность.

Опыт эксплуатации вагонных колес нашей страны в последнее десятилетие показывает, что основные проблемы эксплуатационной кадешости колес связаны с повышенным появлением таких опасных неисправностей колес,как усталостные разрушения дисков в прио-бодноа зоне, усталостные разрушения ободъев колес.

На основании приведенного обзора сделан вывод о необходимости создания методики оценки качества конструкции цельнокатаных вагонньи колес по их конструктивным параметрам и методик углубленного исследования НДС колес экспериментальным методом фотоупругости на объемных моделях с привлечением трехосного анализа как на поверхности, так и во внутренних точках колес.

Для достижения поставленной цели были решены следующие основные задачи:

* ~ разработан метод поискового конструирования вагонных колес, включающий геометрические схемы, алгоритмы и ППП автоматизирован!¡ого псстрорния аналитических математических моделей профиля колеса:

разработаны алгоритмы и ППП автоматического расчёта гооматричееких характеристик стандарты«; отечестегнньм *огес;

- выполнен анализ конструкций отечественных стандартных колес, выявивший основные закономерности построения конструкция колес, в том числе пороки конструкций;

- предложена и подвергнута исследованиям улучшенная па счет спряжения диска конструкция колеса, имеющая повышенную стойкость 1С усталостным разрушениям колес;

- для углубленного экспериментального исследования НДС колес от действия вне аник нагрузок разработаны методика, технология, оснастка для выполнения зксперикэнтоз с объемными моделями колес:

- разработан алгоритм и вычислительная программе автоматизированной обрабопш результатов эксперимента с моделями колес методом Фстоупру гости:

-- методом ¿ото упру гости выполнены и. подвергнуты анализу сравнительна эксперименты НДС стандартных колес с различной приободной зоной и колес улучшенной конструкции:

- из решения задачи о разложении сосредоточенно приложенных к колесу нагрузок показано, что в плоскости приложения нагрузок ряда расходятся:

- №3 выполнены и подвергнуты анализу расчеты НДС колес улучшенной конструкции.

I

изложена методика построения математических шдельй профиля отечественных стандартна колес ;; расчет их геометрических характеристик. В ней построены и подвергнуты анализу аналитические (точные) модели стандартных отечественных вагонных колес.

Конструкция колеса задается его чертежом в графической (геометрической) Форде. Отсекающие поверхности геометрического очертания профиля стандартных колес выполнены пряшп.и линиями и дугами окрушостой. Примитивами математических мэоделей колес являются прямые линии, дуги окружностей, граничные контурные и вспомогательные точки. В математической модели профиля прямые линии и дуги окружностей выралсаются в алгебраической Форма. Геометрическим изображением профиля колеса С по чаг/гаку) часть граничишь и вспомогательных точек задается двумя координатами. Другая их часть задается одной координатой, втору» надо определить расчетом. Обе координата некоторых точек неизвестны без проведения алгебраических расчетов.

Система координат модели выбрана такой: ось абсцисс направлена по радиусу колеса с началом на оси вращения колеса: ось ординат совпадает с осью врааения. Начало оси ординат отстоит от внутренней грани обода на 102 мм. во внутреннюю стооону колеса.

Построение математических моделей профиля колес ведется на ЗВМ в диалоговом режиме интерактивным или аатоинтерактив-нш способом. Программы интерактивной обработки моделей включают расчеты коэффициентов ß и 6- уравнения прямой с угловым коэффициентом

у • & ж - 6- t CID

а также расчет координат точек С х , у ), лежащих на этой прямой. Параметры i и i определяются также из условия параллельности . перпендикулярности, пересечения двух прямых, прохождения прямой под заданным углом через заданную точку либо соединяющей две точки, заданные своими координатами.

Более сложные схемы и алгоритмы привлекается для моделирования узлов, включающих дуги окрух:ностей. Круговые переходы имеются на всех гранях ступицы и обода колеса,в приступичной и приободной зонах дисков и на некоторых участках поверхности катания колес. Такие модели по своей структуре требуют привлечения автоинтерактивной обработки, при которой решается обычно комплекс задач по сопрягаемым элементам модели.

Так при моделировании выкружек вводятся следу*_ше исходные данные: номер кцадранта ъ окружности, в котором, находится выкружка, радиус Я сопрягайте Я дуги.. ордината УХ граничной-точки на боковой грани обода или ступицы и коэффициенты и

&£ прямой проходящей отсеканцей поверхности конической сбра-зущей обода или ступицы С рис. 1).

Расчетами определяются ордината уз и абсцисса яз центра сопрягающей дуг

УЗ 3 * X или УЗ - У1 ~ Я г С 2 5 93 - dгз-б4)/&4 : С 3 >

абсцисса граничной точки ух на боковой грани обода или ступицы

лц » : С 4 Э

абсцисса т2 и ордината yz граничной точки на конической поверхности обода или ступицы

- : С 5 5

УЗ 'Ks сея + . С 6 )

Интересное решение в автоинтерактивном режиме имееч задача определения коэффициентов <f и б- прямых, проходящих по коническим образующим диска. Геометрическая схема их модели для стандартных колес представляется задачей на внутреннее сопряжение прямой линией двух окружностей С в 'этом геометрическая особенность конструкции диска стандартных колес). В бтой схеме известны координаты центра о;..юй С do ) и другой С ) окружностей - "О , У О и соответственно $Х , itx . а тгшке их радиусы Я о и Ях С рис. 2).

Длл определения неизвестных - к и b воспользуемся тем. что прямая с искомыми коэффициентами остоит от точки Ао на расстоянии RO, а от точки Ркх на расстоянии Ri mm. Из зтогс vc-

Рис.1. Геометрическая схема модели вксрукки 1-го кердранта

& (*<, Ь)

диска с наружной стороны колеса

ловия получим систему уравнения /€«.то - ira + 6-

1/Р

~ лв

а + 1

&'Xi - yt + b

-m

С 7 j

вычис-педут-

модели

— = - Л J + 1

из решения которой определяются значения к . £>. Затем ляются координаты обоим граничных точек диска. Расчеты ся по подпрограмме "DISK" ППП "GAMMA".

Эта noiiroграмма применяется для обработки спрямленного'диска колеса улучшенной конструкции. Геометрическая особенность этого колеса сотоит в том, что при построении образующих конических поверхностей диска они сопрягаются непосредственно с выкружками ступиц и ободьев с каждой стороны колеса. Прм этом производится наружное сопряжение окружностей расположенных на одной стороне колеса по касательной. 3 стандартный и® колесах два сопряжения выполняются правильно С по касательной), а два -. неправильно: образушие диска пересекают окружности выкружек, с которыми осуществляется их сопряжение с этими окружностями.

Для автоинтерактивной обработки разработаны также решения по построению моделей конических образующих ступиц и внутренних поверхностей ободгео. В этой • задаче вводятся наибольший и наименьший диаметры конусной части ступицы или обода Сдля колеса по ГОСТ 8035-88 - угол наклона конической образующей). По результатам расчета получаются коэффициенты пря-1шх, проходящих через конические поверхности обода или ступицы. Вычисления производятся подпрограммами "KOMiJSK" и "K0MUSU", входящих в ППП "GAMMA"-

Параметры математических моделей использованы нами для решения ряда позиционных и метрических задач; Координаты граничных точек моделей позволили определить размеры элементов и зон колес и их расположение (топологию). Кроме того, для оценки распределения металла в колесе выполнены расчеты геометри--' ческих характеристик конструкции колес. Последние отражают изменение по радиусу колеса толщины, площади сечения, материалоемкости С объема) и массы^а также градиенты этих величин в расчетных сечениях.

Для выполнения расчетов геометрических характеристик нами создан ППП "PARK0L". Он включает вычислительные программы расчета геометрических характеристик для всего колеса пс каждому стандарту с модификациями, соответстеушимн номиккльпш, средним, максимальным и минимальным размерам колеса с учетом поля допуска - K0L59N. KÛLS4SR. K0I.76MA и другир, а так»«

программы расчета геометрических характеристик отдельных зон все!-: ксструкций колес с модификациями - БТЬРвЗГд, 5ТИР593К, [)15КС5М\ Р0КАТ8&М и другие.

Расчета по всем программам ППП ''РЛЙКОЬ" выполняйся в автоматическом режиме с выдачей результатов в табличной форме. Основная часть расчетов - вычисление и печать геометрических характеристик на каждой шаге циклических расчетов Снами применялся, в основном, каг 1мм.) выполняется подпрограммой "СНАй".

¡3 работа выполнен сравнительный анализ эволюции конструкций отечественных стандартных цельнокатаных вагонных колес за врага ик выпуска з Н5шей стране - с 1334 года. Исследование геометрического очертания профиля, конструкции, размеров, топологии и геометрических характеристик колес по ОСТ/НКТЛ 8709/ 17р9. ГОСТ 9035-59, ГОСТ 10830-64, ГОСТ 9036-76, ГОСТ 9036-83 выполнено графически, численными методами и средства«»! САПР по разработанным автором ПГП7 "(ЗАММА" и "РАГЖОЬ". Оно показало, что все колеса имеют родственную конструкцию с массивными ступицей и ободом и с пологим коническим диском линейно-переменной толщины с уменьшением толщины диска при увеличении радиуса колеса. Переходные зоны диска в приступичной и приобод-ной части образованы круговыми переходами и содержат перегибы сечений.

В процессе эволюции изменениям подверглись все элементы колеса. Незначительно облегчена ступица и уменьшена толаина диска в приступичной зоне. Более существенно изменилась пеню-Содчая зона и,з особенности, очертание внутренних поверхностей обода колеса, приведшее к уменьшению площади сечения прио-бодной зоны на 20 проц. Произошла изменение топологии зон колеса: приступичная зона удлинилась ла 2 мм. за счет ступицы, приободная зона удлинилась на 2 мм. за счет обода, диск удлинился на 8 мм., а с учетом переходных зон-на 12 мм. Произошло смещение зон колеса.

Анализ геометрического очертания колес показывает, что все отечественные стандартные колеса имеют явные концентраторы напряжении в приступпчной и приободной зонах в виде перегибов сечений, осуществляемыми при штамповке Свыгибке) диска.

Анализ изменения"толщины диска по радиусу колеса показывает, что в тех же зона; все стандартнее колеса имеют еив и невидимые по чертежам колес скрытые концентраторы напряканий в виде местных уменьшений и увеличений толщины диска С рис. 3). Оба концентратора напряжения С перегибы сечения диска и локальные экстремумы их толщины).как известно, ведут к повышенна чуБСгвите.пьноста дисков к усталостным разрушениям, и их наличие свидетельствует о несовершенстве конструкции колес, а 'гочьее. о наличии порока конструкции.

Более благоприятное распределение тс.таны дне:«! т пс ра-

Рис.3. Распределение толщины лиска стандартных колес

1!..... V. \\ 1

V -- ГОСТ 9036-73 —----— ГОСТ Ш36-59 1 ф

•Л ХГ" иЬ

—' л *

150 200 250 300 350 И мм.

Рис.4. Распределение толщины диска улучшенного колеса

диусу колеса R имеет предложенное наш колесо улучшенной конструкции со спрямленным диским С рис. 4). Очевидно, что колесо с таким распреneлеиием толщины имеет меньшую по сравнению со стандартном колесом чувствительность к усталостным разрушениям, и, следовательно, noswsemwio надежность в эксплуатации и больший срок службы,чем стандартное.

изложена методика экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния вагонных колес методам фотоупругост» на объемных моделях , разработанная с участием автора, и результаты сранительного испытания колес fia действие эксплуатационных нагрузок. Исследование объемных моделей колес в 1:5 натуральной величины методом "замораживания" деформаций, выполненное в лаборатории Фотоупругости кафедры "Вагоны" Харьковской государственной ' гисадемии келезнодо-юьмсго транспорта, включает разработку технологии и необходимой оснастки для отливки и изготовления моделей колесных пар, нагрузочных приспособления, температурных режимов загружения моделей, проведения экспериментов по "замораживанию" деформаций в моделях и их откига, разрезки моделей на срезы и еубсре-зы, обмер геометрических и оптических параметров моделей колес.

Изготовление моделей колесный пар производилось из оптически активного компаунда ЭД-6М с соблюдением полного геометрического подобия. Модели колес отливались, а затем и обтачивались на токарном станке заодно с частью оси Сыейксй, пред-подступичной, подступичной часть:а и небольшими отрезками средней части оси). .Две таких детали и оставшийся отрезок средней части оси затем склеивались в мономодель колесной пары.

Нагрукениа моделей производилось на специальном грузовом нагрузочном приспособлении. Нагрузка нг колеса передавалась через опоры, изготовленные из того же компаунда ЭЛ-6М. что и колеса. Профиль опор имитировал геометрическое очертание головки рельса Р-65. Загружение моделей колес осуществлялось по схемам, соответствующем условиям нггрукинил колес в эксплуатации. К колесам прикладывались вертикальные и боковые нагрузки С с наружной или внутренней стороньО величиной 10, 12 или 15 Н. При этом нагрузочное приспособление вместе с моделью помещалось в термостат, где по графику подогревалось до температуры 135--140 градусов Цельсия, выдерживалось при этой температуре 8--10 часов. Затем температура в термостате медленно снижалась по графику до комнатной, посла чего моделг. колесной пари вынималась из печи.

Для проведения геометрических и оптических параметров из колйс- вырезались срезы и суосрозм. Бырезка срезов производилась раипиалынми сечениями о плоскости нагруби шя ког.яса, а ci бсовэоп - гюрз л ле льнами оси K'vtea г.,учениями. fV" pt.r-»"«-

лись на на алмазно-отрезном станке, а субсрезы-вручную- Замер геометрических размеров срезов осуществлялся с помощью оптического микроскопа и микрометров, а замер оптических параметр-ров с помошь*] ríCn-6 и CP к Красвсба.

В этой главе изложен разработанный автором алгоритм' автоматизированной обработки результатов экспериментов с моделями колес методом Фотоупругости, Эта разработка выполнена в связи с тем, что получение количественных значений напряжений по экспериментальны).» данным методом "замораживания" деформаций на объемных моделях связаны с большим объемом вычислений по обработке результатов эксперимента. При обработке экспериментальных данных по исследованию напряженного состояния моделей колес возникают специфические трудности. К ним относятся расчет напряжении в граничных точках, где контурные линии дисков колес имеют различный наклон к оси интегрирования, и необхо

мость задавать ЗВМ знак напряжения С плюс или минуй 1 Это тем, что по рабочей Формуле расчета нормальный напряжения в граничных точках они всегда получаются положитеяъными.

Алгоритм автоматизированной обработки результатов эксперимента с вычислением напряжений в модели и в натурном колесе реализован в составленной по нему автором вычислительной псог-рамме "GRIN". Программа автоматизирует выполнение всех расчетов по каждому сечению колеса, содержащему до 30 точек. Обработка данных производится в диалоговом режима, причем инфс^.а-ция. общая для нескольких сечений (условно постоянная), вводится в память ЭБМ один раз.

Программа составлена по модульному принципу и включает 13 последовательно выполняемых блоков. Наиболее сложными и интересными блок оптических параметров и касательных напряжений и блок нормальных напряжений. Б блоке нормальных напряжений автоматически ведутся вычисления граничных нормальных напряжений с учетом их знака. Расчеты нормальны},' напряжения в промежуточных и выходных точках выполняются численным интегрированием, затем в выходной точке сечения вычисляется ошбка интегрирования и с ее учетом корректируются напряжения во всех точках, кроме входной. в

ЭВМ автоматически вьполняет наряду с вычислительными one-, рациями ряд рутинных и логических операций с элементами анализа - чтение паспорта компенсатора (таблицы соответствия деления икали паспорта значению оптического параметра), определение экстремальных значений каждой состшлящея .напряженного состояния. " построение эпюр напряжений, печать таблиц исходной информации и результатов расчета в уяоТатй для обозрения Форме.

R чртйрргпй г.папр анализируются результаты экспериментальных и теоретических исследований напряженно-деформированного состояния стандартных и улучшенных вагонных колес от действия внешних эксплуатационных нагрузок, полученные методом itoToy пру гости и теоретически с помощью МКЗ.

Методом íotoупругости на объемных моделях выполнены сравнительные испытания колес, отличающихся геометрией приободной зоны - колеса с более развитой приободной зоной, присущей колесам первых стандартов С ГОСТ S036-59 и ГОСТ 10830-64) и колеса с уменыйнными уклонами на внутренних поверхностях обода < ГОСТ 9036-76 и ГОСТ 9035-83). Методика проведения испытаний изложена в предыдущей главе. Расчетные сечения принимались на расстоянии 150.17Й. 200.225.250,275,300,325,350.375,400 мм. от оси вращения колеси. В этих сечениях дисков и переходных зон колес на их поверхности,и в двух - восьми внутренних'точках С в зависимости от толщины диска в этом сечении) определялись оптические параматры и геометрические размеры среза и субсреза ► .одели. По ним далее рассчитывались нормальные радиальные (Уг. огружныэ и осевые (^напряжения, а также касательные напряжения в плоскости lOxVi в плоскости &Gx .

Испытания проводились при номинальной и.минимально допускаемой в эксплуатации толщине ободъев колес от действия вертикальной и боковых нагрузок с наружной и внутренней стороны. Поскольку они носипи сравнительный'характер, в каждой модели колесной пары монтировались колеса двух разных конструкций. Таким образом,обе сравниваемые конструкции испытывшшсь в одинаковых условиях, что повышало достоверность экспериментов. Положение колес относитепьно пэловкн рельса контролировалось специальным щупом.

По результатам исследов'ания выполнен анализ распределения напряжений как на поверхности дисков колес, так и во внутренних точках выбранных поограммой эксперимента сечений, установлены закономерности напряженного и деформированного состояния дисков колес. Установлено соотношение составлявших напряженного состояния дисков в различных зонах при номинальной и минимально допустимой в эксплуатации толщине обода. Выполнены численные эксперименты по расчету влияния нормальных осевых напряжений СГ^в различных зонах на уровень эквивалентных напряжений, вычисляемых с учетом осевых нормальных на-прлм.'нип С по трехосной схеме) и без их учета С по двухосной схеме). Установлено, что неучет осевых напряжений при оценке напряженного состояния по эквивалентным напряжениям существенно завышает послание.-

В рабст показано, что анализ отдельных состдвлякщих малоценного состояния позволяй'! оценить характер напрялонного состояния диоадв, что но лслучачтся npv. гкмшнании пкаигуалоич'-

нмх, сктаэдрических, приведенных напряжений. Кроме того, непосредственно из эксперимента Фотоупругости получены во все:; экспериментальных точках направления главных напряжений, позволившим углубить исследовании хзоекстера напряженного состояния дисков колос.

В связи с применением для расчета НСС колес улучшенной конструкции Снаряду со стандартными) МКЗ, применявшего разло-хюпие элементов решения С напряжений и перемещения) в тригонз-метрические ряды» в работе выполнено исследование задачи о разложении в пяды й|уръе сосредоточенно приложенных к. колесу нагруок. По результатам рзечетз па ЭВМ установлено, что сосгх"-даточеннмэ нагрузки хорошо представляются несколькими членам--: тригонометрического ряда далее + 30° от плоскости лрилэжрипл нагрузки, плохо сходятся в окрестности до + 30"от это^ плоскости. В работе показано, что в плоскости приложения нагрузки Р на радиусе колеса Г? ряд расходится, для этой плоскости получено аналитическое выражение для распределенной нагрузки Рх в зависимости от количеств удерживаемых членов- ряда п

Р

Рх «--С 1 + 7. п ), С В )

2 Л-Я

Известно, что именно эта плоскость представляет наибольший интерне при исследовании НДС колес на рнешниэ нагрузки.

Работа!®, выполненными на кафедке "Вагоны и вагонное хозяйство" ДГТУЭДТ под руководством проФ. Савчука О.М.^гюк ианс. что тригонометрические ряди разложения элементов решения с:<о ■ яятся и в плоскости приложения нагрузок.

Расчеты напрятанного состояния колеса улучшенной конструкции МКЭ производилось по вычислительной программе, составленной в ДПУНДГ. По рекомендациям и опыту авторов пюгрта.! мы колесо разбивалось на 227 кольцевых треугольных элементов, по тем да рекомендациям принималась й густота разбив;«!. Следует отметить, что количество расчетных точек в сечении колеса было близким количеству экспериментальных точек в модели колеса по методу фстоупругости. Применялось разложение элементов решения в тригонометрические ряды, при расчетах учитывалось семь составлявши ряда. Расчеты выполнены для колеса ^ номинальной толщиной обода при приложении к колесу вертикальной и боковой нагрузок. Расчетами определены все шесп, компонентов напряженного и деформированного состояния.

Сравнение полученных МКЭ результатов расчета напряженного состояния улучшенного и стандартного колес показало, что несмотря на меньшую массу, улучшенное колесо имеет в основна-.; зонах, в том числе в приободноп,значительно Сна 20 - 30 проц.) меньшие напояж.'ния,чам стандартное, и л кроме того,более благоприятное рзег.р.г/.'.'лриио напряжений по сечению, диска.что спид-.-'■V!'- ••:- < -'•■Мгктап'Х.'ОТИ спрямления диска кол-т.-а.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для оценки качества конструкций вагонник колес по их конструктивным и геометрическим параметрам (размерам и геометрическим характеристикам ) разработан метод . поискового конструирования, базирующийся на геометрическом моделировании. Он ьклшаэт геометрические схемы элементов колес, алгоритмы, пже'м вычислительных программ диалогового построения аналитических С точных 3 математических моделей про-Хиля колес и прог(«м.'.ы автоматического расчета геометрических характеристик ко пес.

2. Качественный и количественный анализ эволюции конструкций стандартных отечественных вагонных колес показал,что изменениям подварглись все зоны колес. Большинство размеров подверглось небольшим изменениям (до 3 процентов). Наибольшим изменениям подверглись: диск, (он удлинился на 12 мм.48 процентов) ч геометрия приободмой зоны (ее площадь уменьшилась на 20 процентов). •

3. Во всех отечественных стандартных колесах выявлены концентраторы напряжений в виде невыявляемш< по чертежам всех колес локальных уменьшений и увеличений толщины диска в присту-пичной и приободной зонах глубиной до 1,5-2 мм. и длиной до 20-25 мм. Характерно, что именно в этих зонах происходят усталостные разрушения колес в эксплуатации.

4. Анализ математических моделей профиля колес выявил также оыибки в система обмера колес. Нормативная толщина диска в пристуличной зоне относится к измерительной плоскости, не фиксируемой дискомераш, кронциркулями.Поэтому выполняемые измерения толщины будут относиться к плоскости, отстоящей от заданной чертежом измерительной плоское.-и более чем на 13 мм., где толщина диска меньше регламентируемой 1.а 0.75 мм. В процессе эволщии конструкции колес почта на 3 мм. уменьшена толщина обода, что сократило срок службы колеса на 6,5 месяцев и увеличило расходы на поставку транспорту новьш колес на 5 п г.« центов.

5. Применение математических моделей профиля колес позволяет выполнить с высокой точность.» расчеты металлоемкости, массы, площади боковой поверхности колес, их моментов инерции при лмбых сочетаниях размеров с учетом допусков, а та;сже задавать точную конфигурацию профиля при выполнении теоретических расчетов напряженно-деформируемого состояния, конструировании мерительного инструмента колес и составлении управляших программ для станков с ЧПУ при обработке колес.

6. Предложена улучшнкал га счет спрямления диска коне -трукии* колес л, ссободн-зя от местных уменьшений и увеличен: -толш/Ht. яисхой, обладающая позышенной по сравнению со стандартными колесами усталостной прочностью.

7. Лля углубленных экспериментальных исследоьанмп напряженного состояния колес методом Фотоупругости как; на поверхности ¡солгс, та}-, и so внутренних их точках с учетом составлявших трехосного капряг-енкого состояния разработаны оснастка для изготовления моделей колес, нагрузочное приспособление, методика проведения экспериментов, технология разрзэкн моделей из срезы и суперерези и измерения их гесм-эчрическич и оптических параметров. При атом обеспечивается передача нагрузки от колеса к рольсу с сохранением геометрического подобия очертания головки рельса и профиля колеса.

S. Разработан алгоритм и вычислительная программа автоматизированной обработки результата vi исслолсгзиий моделей kcjwc методом Фотоупругости, автоматизирующий громоздкие вычисли-телъные операции. 3521 выполняет помимо этого 'ряд рутинных on-. • раций и анализ результатов расата.

9. Полученные методом фотоупругости результата исследог." ния напряженного состояния колес от действия еняшшк нагру::ол свидетельствуют о том, что:

- при вертиклпьноя и боковин нагрузках нормальные радиальные 6*2 и нормальные окружные напряжения <><р в виска)- хидег одного порядка С до 50-С0 МСа от вертикально^ и до 200-220 »МП.; от боковых нагрузок.), на порядок ниже их комальиые осевые напряжения <5"х : касательные напряженияТ!^ соизмеримы с О^. , а <7Гох незначительны по величине:

- распределении по толщине дисков всех трех нормальных напряжений (Тг , , как при вертикальной, таг. и при боковых нагрузках близко к линейному и имеет в большинстве зон из-гибный характер:

- при номинальной тшгдане обод-шв напряженно-деформированное состояния дисков стандартных колес неблагоприятное - диск изгибается у обода и ступицы в разных направлениях, та есть по косинусоиде: напряжения у обода и ступииы с каждой сторона колес разные по знаку, а в средней части проходят через нуль:

- при минимальной тол-дане ободт^эв диск изгибается по дуге, на каждой стороне диска напряжения не меняются по знаку, что более благоприятно для нопряженно-деФормирозаниого состояния диска колеса:

- изменение профиля приободноп зоны при внедрении колес по ГОСТ 9036-73 и ГОСТ 003S-33 по сравнению с ГОСТ 10830-64 привело к повышению напряжений з приободной зоне и в значительной

части диска, прилогашей к приободной зоне. Это увеличение иапрядений незначительно' для колес с номинальной толщиной обода (на более 2 t ), и существенно больше при минимальной тол-ыипе обода С до 20 - 30 7. ):

- р.-асчьт эквивалентных напряжений с учетом значений напря-(51 и , как итю делается. при испытаниях колес методом

элелтротензом<?ти1и, ведет к зазьшении значений эквивалентных напряжений на 20-30 % по сравнению эквивалентными напряжениями, определенными с учетом всех трех напряжений 6~г . С в . СY- * наибольшее завышение имеет место в приступичной зоне;

10. Катодом Фотоупругости и МКЭ показано, что спрямление t¡í-xjiI»..ля диска изменяет характер напряженно-деформированного состояния диска улучшенного колеса по сравнению со стандартными колесами:

- в спрямленном диске улучшенного колеса наблюдаются из-гибные напряжения на всем протяжении диска, нейтральная ось близка срединной линии диска, напряжения на наружной и внутренней стороне диска близки по величине, но противоположны по знсйчу, напряжения на каждой стороне не меняют знак, что более благоприятно для работы диска:

- напряжения в приободной зоне колес улучшенной конструк-ь ции меньше напряжений а той же зоне стандартного колеса на 12/,

, а в приступичной - на 20 % при меньшей на 4,2 кг. массе колеса за счет уменьшения толщины диска в средней части.

Основные положения диссертации опубликованы в следуших работах:

1. Шевченко П-В.,Гребенкмн Н.К. К исследованию напряженного состояния дисков цельнокатаных вагонных колес. В сб.: Со-вериюнетвование конструкции и ремонта вагонов. // Тр. БелИЖГ. 1977. Вып. 154.- с. 17-20,-'

2. Шевченко П. В., Волькович И. Б., Гребинкин Н. К. Расчет на ЭЕМ "Наири-2" направлений ь дисках цельнокатаных вагонных колес от вертикальной нагрузки. // Методические указания к курсовому и дипломному проектированию. /ХМИТ. КаЗедра "Вагоны и вагонное хозяйство".- Харьков. 1078. - 12 с.

3. Шевченко П. В., Волысович И. Б., Гребенкин Н. К. Вычислительная программа для определения напряжений в дисках цельнокатаных вагонник колес поляризационно-оптическиы методом на ЭВМ "Паири-2"'. // В сб.: Совершенствование технического обслуживания и ремонта вагонов./ Бел!Д1/1ЖТ. - Гомель. 1979. - с.79-88.

4. Шевченко П. В. .Гребенкин Н. К. Расчет на ЭЕМ "Наири-£" напряжений в дисках цельнокатаных вагонник колес от горизонтальной нагрузки. // Методические указания к курсовому и дипломному пгльктировьниг.. / ХМИТ. Кафедра "Ейгсни и ьагокнея; хозяйство". Харьков. Í979. ■• 19 с.

5. i'JepuíiJiico Л. В. .Гребенкин Н.К. Оценка н«шря«с);|но~диц.ог>-

мирусмэго состояния дисков вагонных колес в зоне технологических отверстий. - В сб.: Совершенствование организации ремонта вагонов и их технического обслуживания: Межвузовский сборник, научных статей. БэлЮТГ. Гомель. 1983. с. 44-49.

6. Гребенкин Н.К. К представлению сосредоточенных - внешних нагрузок, действующих на вагонное колесо, с помощью тригонометрических рядов. В сб.: Повышение надежности и совершенствование технического обслуживания v ремонта пегонов: Межвузовский тематический сборник научных трудов. Труды УЗЖИТз, выпуск 72, Свердловск, 1984. с. 85-38.

7. Гребенкии Н. К. Анализ конструкция отечественных стандартных цельнокатаных вагонных колес. Рукопись деп. в ЦНЖТЭЛ МПС 20.06.1984 г.. N 318/>ед-£5Деп.

3. Гребенкии Н. К. Анализ развития конструкций и параметров отечественных стандартных цельнокатаных вагонных кшес и пути совершенствования их геометрии.В сб.: Метрополитен и планировка крупнейшего города, Херьхов. 1936, с. 1G.

9. Гребенкии К. К.. Ковопашна B.C. Адалин конструкций и параметров зарубежных вагонных колес. В сб.: Метрополитен и планиров!са крупнейшего города. Харьков, 193S, с. 16-17.

10. Гребенкии Н.К. Автоматизация расчета метрических параметров вагонных колес по их математическим моделям. В сб.: Тезисы докладов 53-й начно-техничос-коп конференции института и специалистов желазнодорогаого транспорта С' гь2:1 ноября 1091 г.). Харьковский институт инженера яял.-лор. транспорта имени С.М. Кироза. Харьков. 1G91,- с. 11-12.

11. Граб'енкин Н. К. Автоматизация расчета параметров сопрягаемых злементоп Еыкру;«эх вагонных колес. СМеквуз. сб. науч. тр.). XVMT.-bun. 16.-с.99-104.

12.Гребенкмн Н. К. Эволшия конструкций отечественных стандартных вагонных колес. Тезисы докладов конференции (Днепропетровск, май 1692г.). 8-я кон&ренция. Проблемы механики италезнодорокисго транспорта. Динамика, прочность и надемшеть подвижного состава. ДИИТ, 19d2. -с. 51.

13. Гребенкии Н. К. Аналитическое построение математической модели вагонного колеса.СМеквуз. сб. кауч. тр.) ХМ'.ТГ. 1992.-Вып. 20.-с 70-76.

14. Гребенк.1н М. К. Автсматизац1я розрахунк1в матемзтичних моделей поверхн! катання кол!с вагон!в. В сб.: 'Гези допов!дей 55-1 науково-техничноГ конФсренцП кафедр 1нституту та спец1ал1ст1в зал1зничного транспорту С 23-25 листопада 1993 року). ХИТ: XapiciD.-c. 8.

15.Молдавський A.A.. Гребенк1н М.К. Автоматизац1я побулови математичних моделей обод!в та ступкць кол1с Еагон1в. В сб.: Тези дзпсв!дей 55-1" наук:ово-техи1чноГ коферениИ' гсаЗвдр ■нстптату та споцичя1ст1ц зал1зничного транспорту C23-S5 .е:с-

.XI IT.','.3=vir.. с Э-9.