автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Рациональное конструирование некоторых узлов рам тележек тягового подвижного состава

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООНЦЕНИЯ СССР ВСЕСОЮЗНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи

БУХАНЦЕВ Андрей Александрович

УДК 629.4.023.11

РАЦИЛНАЛНКЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ : КОТОРЫХ УЗЛОВ РАМ ТЕЛЕЖЕК ТНГОВОГО 1ВДВ ЛЮГ0 СОСТАВА

05.22.07 - ЕЬдвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРИЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1990

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта

Научный руководитель - доктор технических наук

Цкипуришвили Валерий Багратович (ВНИИЖТ

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Грачева Любовь Осиповна (ВНИИЖТ), кандидат технических наук Бунин Борис Борисович (ВНИТИ)

Ведущее предприятие - Главное управление локомотивного

хозяйства ЫПС СССР.

с

Защита состоится " £3 " пь^Аьлил I. в час.

на заседании специализированного совета Д 114.01.02 при Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, Москва, И-164, 3-я Мытищинская ул., д.10. - С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " с?с? " 19

Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета института.

Ученый секретарь специализированного^ сорет^

кандидат технических ¿наук ^ и Н.Н.Горин

¡У.чМПг.;^-,.' •к; "Г' Л !

" ' ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

им

Актуальность темы. Надежная работа тягового подвижного состава и, следовательно, безопасность движения поездов в значительной степени определяются прочностью различных элементов экипажной части, в частности, рам тележек. Сопротивление усталости рам тележек зависит от концентрации напряжений, создаваемой узлами раы тележек. Чтобы обеспечить прочность узлов, имеющих высокую концентрацию напряжений, приходится увеличивать размеры сечений элементов рамы тележки, что приводит к повышению ее веса. Это нежелательно как с позиции увеличения веса тягового подвижного состава, ограниченного нагрузкой на ось, так и с позиция экономии металла, что имеет важное народнохозяйственное значение.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования, направленные на снижение концентрации напряжений в узлах рам тележек я, следовательно, на создание прочной, отвечающей требованиям безопасности движения поездов я более легкой конструкции, являются актуальными.

Целью работы является разработка рекомендаций по рациональному конструированию некоторых узлов рам тележек тягового подвижного состава с целью повышения их сопротивления усталости. В соответствии с целью работы поставлены следующие задачи исследования:

- создание расчетной модели для зоны концентрации напряжений (граница сварного шва);

- определение влияния формы и толщины накладки, а также пояса балки на напряженное состояние сварного соединения;

- экспериментальные исследования напряженного состояния

узлов с помощью тензометрирования и метода лаковых покрытий; исследование сопротивления усталости ряда узлов при усталостных испытаниях натурных рам тележек;

- разработка предложений по рациональному конструированию рассматриваемых узлов на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований; определение величин теоретического коэффициента концентрации напряжений.

Методы исследования. В диссертационной работе применены теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования сварных соединений узлов рам тележек проводились методом конечных элементов с применением двадцатиузлово-го изопараметрического пространственного конечного элемента второго порядка. Экспериментальные исследования натурных узлов и рам тележек ведись с помощью тензометрирования, метода лаковых покрытий, вибрационных стендовых испытаний на сопротивление усталости, на базе 10 млн.цихлов.

Научная новизна. Разработана, с применением пространственного двадцатиузлового изопараметрического конечного элемента второго порядка, дискретная конечно-элементная расчетная модель сварного соединения, обеспечивающая сходимость расчетных и экспериментальных значений напряжений в зоне их концентрации (граница сварного шва).

Разработаны расчетные модели сварных соединений накладки с поясом полой балки прямоугольного сечения и стакана с противоположными листами полой балки.

Получена зависимость величины теоретического коэффициента концентрации напряжений ( ОС б ) от толщины накладки и толщины пояса балки. Даны рекомендации по выбору формы накладки в зависимости от схемы нагружения узла.

Показаны подробная картина напрятанного состояния и механизм возникновения деформаций в зонах сварных швов узлов рам тележек.

Практическая ценность работы:

- предложена расчетная модель зоны сварного шва, позволяющая на стадии проектирования оценить величины напряжений в зоне их концентрации (граница сварного шва);

- рекомендуются рациональные формы накладок в зависимости от нагружения узла;

- получены зависимости (Ха от толщины накладки и толщины пояса балки, позволяющие выбрать рациональные соотношения указанных толщин;

- даны предложения по рациональному конструированию ряда узлов рам тележек тягового подвижного состава, позволяющие создавать надежные узлы, повышающие безопасность движения поездов.

Реализация работы. Рекомендации работы внедрены при создании рам тележек тепловозов 2ТЭИ6, ТЭ1Т70, электровозов ВЛВ1, ВЛ84, ВЛ85, автомотрисы ¿42, вагона метрополитена типа 81-714.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научно-техническом совещании отдела динамики и прочности тягового подвижного состава ВНИИЖГа, г.Москва, май, 1988 г., на научно-техническом совете отдела главного конструктора по локо-мотивостроению, г.Коломна, май 1988 г., на техническом совете СКВ Метровагоностроение ГО "Метровагонмаш", г.Штищи, апрель, 1989 г., на научно-техническом совете секции динамики и прочности Всесоюзного научно-исследовательского тепловозного института, г.Коломна, июль, 1989 г.

Публикации. Пэ теме диссертации опубликовано 4 статьи.

г- о -

Объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и двух приложений. Объем составляет 229 страниц и содержит текста 140 стр., рисунков 61, таблиц 17, использованной литературы 141 наименование .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении рассматривается актуальность задачи рационального конструирования узлов рам тележек тягового подвижного состава, решение которой способствует созданию прочной, отвечающей требованиям безопасности движения поездов и более легкой конструкции рамы.

Отмечено, что от уровня напряжений в узлах, создающих концентрацию напряжений, зависит сопротивление усталости рам тележек. Из рассматриваемых вариантов узлов рациональной является конструкция с наименьшей концентрацией напряжений.

В первой главе дано краткое описание конструкций рам тележек тягового подвижного состава. Приводится обзор ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований в области прочности рам тележек и сварных соединений, широко применяемых в конструкциях рам тележек.

Показано, что для тягового подвижного состава характерно большое разнообразие конструкций рам тележек и их узлов. При их рациональном конструировании должны учитываться конструктивные и технологические достоинства и недостатки существующих конструкций. Анализ, выполненный в этой части работы, показал, что выбор рациональной конструкции узла из ряда его вариантов должен базироваться на оценке общего напряженного состояния раш, местных напряжений, возникающих в элементах конструкции -

от сил, прикладываемых к узлу, а также напряжений в зонах их концентрации.

На этом основании сформулирована цель настоящей работы и поставлены задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованию деформационно-напряженного состояния узлов раы тележек методом конечных элементов (ШЭ). Для проведения расчетов был принят программный комплекс ГЕМЫВ -80, разработанный в Брянском институте транспортного машиностроения. При создании расчетных моделей использовался пространственный изопараметрический двадцатиузловой конечный элемент второго порядка. Применение изопараметрического пространственного конечного элемента позволяет точнее передавать геометрические формы рассматриваемого узла, оценивать объемное напряженное состояние зоны, создающей концентрацию напряжений и получать распределение напряжений по толщине элементов конструкции, что важно при наличии местных деформаций.

Для расчета узла сварного соединения накладки с полой балкой прямоугольного сечения взята балка, по размерам соответствующая натурной боковине, к поясу которой по контуру приварена накладка. В балке создается чистый изгиб. На рис.1 представлена балка с накладкой круглой формы.

Расчетная модель балки с учетом симметрии конструкции и схемы нагружения включает четвертую часть рассматриваемой конструкции. На рис.2 показаны схемы расчетных моделей узла, которые использовались при расчете.

При исследовании влияния геометрической формы накладки на напряженное состояние сварного соединения были рассмотрены накладки четырех видов: круглая, овальная, прямоугольная и скругленная, у которой радиус округления составляет 60 мм (рис.3).

Рис Л

Рис.2

а) круи в я

¡ лр*юугймнам 10€

4-

í) tiüMMO»

tu

i) t-Ъщ tf*3m; (-К i »-J-. Í.-S-. Ь-1». Я Ъ-im.

t—4 _„ «.-(i- __ Я^-V-

3i сярцгмжал U

ш

^ 1 > Î

4M

ж) »-«-, b-l«. Jt Í-(£-;«.4 £,• JU.

Я-r-V-____ __ /W-W-

Гамщша чаяла дол paS*a Um

- i-d^mà шЛ; few.

Рис.3

Fhc.4

Длина и ширина накладок одинаковы и равна 200 мы. Расчетная модель этих вариантов расчета (рис.2,а) предусматривала соединение накладки толщиной 14 мы по ее периметру с поясом балки такой se толщины и шириной 290 им. Номинальные напряжения в поясе балки с накладкой для всех вариантов расчета в настоящей и последующих задачах были постоянны и равны 61,3 МПа.

В результате расчета получены распределения напряжений в зоне присоединения накладок различной формы к поясу балки. Расчетные максимальные значения напряжений бх получены: в узлах I (см.рис.3,а) и 2 (см.рис.3,6) накладок круглой и овальной формы, совпадающих с продольной осью балки; в узле 3 (см.рис.3,в) у края лобового (сварного) шва прямоугольной накладки; в зоне перехода от лобового шва к его скругленной части (узел 4, см. рис.3,г) у накладки скругленной формы.

Учитывая тот факт, что элементы рамы тележки тягового подвижного состава находятся, в основном, в условиях сложного пространственного нагружения, создающего изгиб в двух плоскостях и стесненное кручение, целесообразно использовать накладку такой формы, чтобы она имела зону повышенной концентрации напряжения в средней части пояса балки, то есть по его продольной оси. В этой зоне напряжения от изгиба балки в горизонтальной плоскости и стесненного кручения равны нулю. Кроме того, концентрация напряжений должна быть, по возможности, меньшей. Из рассмотренных вариантов формы накладки этим требованиям отвечает накладка круглой формы.

На этом основании решение последующих задач проводилось на примере балки с накладкой круглой формы.

Известно, что в зонах концентрации изменение величины напряжений происходит достаточно резко. В этой связи величина

замеренных в указанной зоне напряжений в значительной степени зависит от базы тензодатчика. В работе ставилась задача создания расчетной модели рассматриваемого узла, при которой величина максимальных напряжений, полученных в зонах их концентрации, создаваемой сварным швом, соответствовала бы величине напряжений, определенных тензометрированием, выполненным по методике ВНИИЖТ. Было рассмотрено 9 вариантов схем разбивки зоны сварного шва на конечные элементы.

В одном из вариантов расчета (см.рис.4,ж) получены максимальные нормальные напряжения бх , равные 142,8 МЛа, что хорошо соответствует эксперименту (бта|кспер-= 143,5 МЛа). Здесь принята разбивка пояса балки по его толщине и введен радиус скругления ( СКр) от пояса балки к сварному шву.

• Полученная расчетная модель (см.рис.4,ж) может быть рекомендована для использования при расчете сварных соединений подобного типа.

Анализ напряженного состояния сварного шва показал, что в узле 3 (см.рис.4,ж) по сравнению с узлом I (см.рис.4,ж), принадлежащем границе шва, имеет место увеличение нормальных напряжений бы = 29,6 МПа ( бы = -4,2 МПа) и касательных напряжений 'Сссг.з = -47,1 МПа (Тхх/ = -7,6 МПа) при одновременном уменьшении напряжений бхз =61,6 МПа (бх/ = 142,8 МПа).

Полученные расчетные данные позволили установить подробную картину деформационно-напряженного состояния рассматриваемого узла и механизм возникновения деформаций в зоне сварного шва и элементах узла. Так в поясе балки и приваренной к нему накладке возникают деформации растяжения, а также изгиб пояса и на- • кладки, вызванные изгибом балки. Кроме того, они изгибаются из-за эксцентриситета мевду срединными плоскостями пояса и на-

т II' -

кладки (рис.5,а). При этом пояс и накладка изгибаются в направлении обратном тому, в котором происходит изгиб балки. Этот эффект, а также сопротивление накладки изгибу балки являются причинами возникновения местной деформации (выпучивания) пояса балки в зоне соединения ее с накладкой. Проведенная сценка величины напряжений бос , возникающих в поясе балки на границе сварного шва (узел I, см.рис.5,а) в результате местной деформации пояса балки, показала, что для варианта расчета (см.рис.4,я) эта величина составляет 41 МПа или 28,7% от максимальной величины напряжений в концентраторе.

Уровень расчетных напряжений, полученных на накладке (сечение уох , см.рис.2,в) и учктываюгщх изгиб накладки, Еыззан-ний эксцентриситетом между срединными плоскостями накладки и пояса балки,ниже, чем напряжения, полученные при расчете балки методом сопротивления материалов.

При сжатии пояса с накладкой, так же как и при его растяжении, возникают деформации, равные по величине, но противоположного знака (рис.5,б).

Для исследования влияния толщины накладки ( 8н ) и толщины пояса балки (6л ) на напряженное состояние сварного соединения круглой накладки с поясом балки использовалась разработан-*ая расчетная модель. Всего рассмотрен 21 вариант узла с различными соотношениями указанных толщин.

На рис.6 показаны кривые зависимости величины теоретического коэффициента концентрации напряжений ОС а от отношения 8н / 8п • Из рис.6 видно, что при постоянной толщине пояса увеличение толщины накладки вызывает изменение величины ОС б. Сначала эта величина возрастает, достигая максииума, а затем уменьшается. Максимальные значения ОСб для балок с толщиной

пояса 10 юл; 14 мм; 20 мм и 30 мм получены соответственно равными: 2,233; 2,339; 2,546 и 2,883. Отношение 6Н / 6п , при котором получены максимальные значения <Хб , для всех рассмотренных толщин пояса составляет в среднем 1,86.

При выборе толщины накладки предпочтение должно отдаваться накладке меньшей толщины (см.рис.6; <5Н /<5п < 1,86). Расчеты показали, что с увеличением толщины накладки между ней и поясом балки образуется зазор. При этом происходит раскрытие корня сварного шва, что отрицательно влияет на прочность сварного соединения, сопротивление усталости которого будет в значительной степени зависеть от напряженного состояния в корне сварного шва, который является острым концентратором.

Увеличение толщины пояса ( <5п ) с 10 мм до 30 мм при неизменной толщине накладки ( <5н ) вызывает рост оСа (см.рис.6).

Анализ деформационно-напряженного состояния узла показал, что влияние толщин накладки и пояса балки на величину напряжений вызвано наличием местных деформаций пояса балки, а также перераспределением силового потока, проходящего через сварной шов, между поясом балки и накладкой. Причиной возникновения местных деформаций пояса являются сопротивление накладки изгибу балки и изгиб накладки и пояса балки из-за эксцентриситета между их срединными плоскостями.

Следует отметить также, что с увеличением толщины пояса балки возрастают нормальные напряжения бг и касательные Тхг • Так при 5н = 20 мм и £п = 10 мм имеем бг =30,ЭМПа; Тхт. = 37,6 МПа, а при <5„ = 20 мы и 8П = 30 мм - бг =35,7 ЫПа; Ста = -68,4 ЫПа. Увеличение нормальных напряжений бх и

6т. I а также касательных напряжений Тхх следует учитывать при повышении жесткости балки за счет увеличения толщины ее пояса.

Г- 14 -

Узел сварного соединения стакана, предназначенного для крепления кронштейна гидродемпфера, с вертикальными стенками боковины рамы тележки тепловоза ТЭП70 является сложной пространственной конструкциейрис.7). Крепление самого кронштейна осуществляется к фланцу стакана с помощью болтов. Для расчетной модели узла, варианты которой представлены на рис.8, взята половина рассматриваемой конструкции. Ее расчетная модель состоит из 118 пространственных изопараметрических конечных элементов, включающих 944 узла.

Принятые расчетные варианты предусматривают нагружение кронштейна силой Рк (см.рис.8,а) и дополнительное нагружение боковины изгибающими моментами в двух плоскостях (см.рис.8,6).

В результате проведенного расчета было оценено деформационно-напряженное состояние узла, выявлены-его наиболее напряженные зоны, которые совпадают с границей сварного шва приварки фланца стакана к вертикальной стенке. Полученная деформационная картина узла дает наглядное представление с работе всех элементов, составляющих узел. Так повышение напряжений в зоне сварного шва (особенно его горизонтальных участков) вызвано наличием местной деформации изгиб?, вертикальной стенки.

Наиболее напряженной зоной, учитывая знакопеременность напряжений в связи с изменением направлений действия силы Рк в процессе эксплуатации тепловоза, является верхний горизонтальный участок сварного шва (см.рис.8), расположенный ближе к краям фланца стакана у его закругленной части ( бх = 38,5 МПа).

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований напряженного состояния и сопротивления усталости узлов рам тележек, в том числе и тех, для которых были выполне-

ны расчеты на ЭВМ. Методика проведения исследований включает описание объектов исследования, принятых методов исследования, нагружающих устройств и регистрирующей аппаратуры.

При исследовании напряженного состояния сварных соединений накладок различных форм (овальной, прямоугольной, круглой и скругленной) с поясом полой сварной балки прямоугольного сечения определялись распределение напряжений и их уровень в зоне сварных швов приварки накладок-(граница сварного шва). Толщины накладок и поясов балок были одинаковыми. В балках создавался изгиб в одной и двух плоскостях.

Анализ зсверенных напряжений показал, что максимальные напряжения получены в тех же зонах сварных швов приварки накладок к поясам балок, что и при расчете ШЭ (см.выше). При изгибе в вертикальной плоскости наименее напряженной оказалась зона лобового сварного шва приварки накладки прямоугольной формы, которая при этом нагружении является рациональной. А при сложном пространственном нагружении балки (изгиб в вертикальной и горизонтальной плоскостях, стесненное кручение) наиболее рациональной являс-тся накладка круглой формы. '

Нагрузка, прикладываемая к накладке и ¡имитирующая нагрузку от пружины рессорного подвешивания, прижимает накладку к поясу балки и вызывает снижение напряжений растяжения в зоне сварно-* го шва.

В результате статического нагружения и усталостных испытаний боковины рамы тележки тепловоза 2ТЭ116 получены величины <х5 и ограниченные пределы выносливости на базе 5.10® циклов для концентраторов, которыми являются сварные швы приварки больших и малых буксовых кронштейнов и накладок под пружины рессорного подвешивания. На основе полученных данных даны ре-

комендации по их рациональному конструированию, связанные с изменением формы кронштейнов.

Накладка круглой формы, предназначенная для опирания пружины рессорного подвешивания, приваренная к поясу боковины по контуру отверстия или отверстий, является рациональной конструкцией этого узла, проверенной на сопротивление усталости при усталостных стендовых испытаниях рамы тележки тепловоза ТЭП75.

Исследование напряженного состояния узлов соединения больших буксовых кронштейнов с боковинами рам тележек электровоза ВЛ81 (рис.9) и тепловоза ТЭП70 (рис.10) проводилось на натурных образцах при их статическом нагружении. Большой буксовый кронштейн электровоза ВЛ81 представляет собой литую стальную конструкцию сложной формы, которая по контуру привалочной поверхности приваривается к нижнему поясу боковины.

У тепловоза ТЭ1Т70 большой буксовый кронштейн рамы тележки представляет собой сварную конструкцию с элементами кривого бруса. Схемы нагружения кронштейнов предусматривали нагружение вертикальными силами, приложенными к боковинам в местах установ ки пружин рессорного подвешивания и горизонтальными силами, соответствующими рамным силам, возникающим при движении локомотива. Были определены величины (Х.а для ряда концентраторов. Полученные данные показали, что напряженное состояние буксового кронштейна и его сварного соединения с поясом боковины рамы тележки в значительной мере зависит от схемы нагружения, изменение которой вызывает появление местных деформаций, характерных для данной схемы нагружения и вида концентратора.

Наиболее напряженной зоной буксового кронштейна электровоза ВЛ81 является радиальный переход , от тела кронштейна к выступу его привалочной части. Конструкция буксового кронштейна теп-

Рис.10

ловоза ТЭП70 включает криволинейные элементы, в которых при изгибе боковины в плоскости кронштейна будут возникать радиальные силы, стремящиеся оторвать криволинейный элемент от стенок боковины. Непременным условием повышения сопротивления усталости такого узла является обеспечение полного провара в сварном соединении криволинейных элементов с вертикальными стенками боковины. Были проведены испытания рам тележек тепловоза ТЭ1Г70 и электровозов ВЛ81 и ВЛ84 на сопротивление усталости (конструкции больших буксовых кронштейнов рам тележек электровозов ВЛ81 и ВЛ84 одинаковы). В рассматриваемых буксовых кронштейнах рам тележек тепловоза ТЭ1Г70 и электровоза ВЛ81 усталостные трещины не обнаружены, а в буксовых кронштейнах рам тележек электровоза ВЛ84 усталостные трещины возникли в наиболее напряженных местах, отмеченных выше. Кроме того, усталостные трещины возникли в поясных сварных швах приварки пояса к вертикальным стенкам боковины рамы тележки в зоне большого буксового кронштейна, где действующая на кронштейн горизонтальная сила вызывает отрыв пояса от вертикальных стенок. Трещины возникли от непроваров в односторонних поясных швах. Для повышения сопротивления усталости данного узла необходимо увеличить радиуо литейного перехода и обеспечивать полный провар в поясных ивах.

Наличие непроваров в сварных швах явилось причиной возникновения усталостных трещин в узле соединения кронштейна крепления буксового поводка с боковиной рамы тележки вагона метрополитена типа 81-717 (рис.11) и в кронштейне поперечной буксовой связи рамы тележки автомотрисы АЧ2 (рис.12). Эти рамы тележек проходили испытания на сопротивление усталости.

В первом случае качественная приварка кронштейна зависит от тщательной пригонки привалочной части кронштейна к боковине,

осуществить которую, учитывая сложную конфигурацию привалочной части, весьма трудно. Необходимо отметить и характер нагруже-ния кронштейна, на который действуют продольные и поперечные горизонтальные силы. Под действием этих сил сварной шов приварки кронштейна к боковине работает на отрыв. В этих условиях нагружения наличие непроваров недопустимо.

Кронштейн поперечной буксовой связи представляет собой кривой полый брус прямоугольного сечения, который приваривается в стык к боковине. Приварка поясов кронштейна к его вертикальным стенкам осуществляется односторонней сваркой. Усталостные трещины возникли на сварных швах приварки криволинейной части пояса кронштейна к его вертикальным стенкам. Работоспособность данной конструкции будет зависеть от наличия полного провара в соединении вертикальной стенки с поясом.

Исследование напряженного состояния узлов соединения кронштейна крепления демпфера (три варианта, рис.13,14,15) с боковиной рамы тележки тепловоза ТЭ1770 показало, что в вертикальной стенке боковины, к которой приварена накладка крепления

I

кронштейна, под действием демпфера возникают высокие местные напряжения. Эти напряжения вызваны местной деформацией изгиба вертикальной стенки. Для снижения местных напряжений целесообразно соединение с помощью диафрагмы двух вертикальных стенок ' боковины между собой. Эта конструкция узла является рациональной.

Нерациональна конструкция узла (см.рис.13), в которой накладка приваривалась к вертикальной стенке по контуру внутреннего отверстия в накладке. При этом наиболее нагруженной зоной сварного шва, работающего на отрыв, оказывается его корень, в котором имеет место высокая концентрация напряжений.

<9 &ммю сперма Ырпикалыт опенка кксёшш с mtHJwàtoù

S ¿уфеыи« стерта flji— mi} ит*\ш АакЫыш

а) Ьалмя* сторона Сермкамнои стенки fçmtum с наялодкой

Рис.14

/»# - w шМ-тмгшм awsHd

Рис.16

8) бмутртшп строя $сртитммы oiww SoKoium с

"arte

Рис.15

1

гОи

•г

го

о

Рис.17

Применение фланговых и прерывистых швов стало причиной возникновения усталостных трещин при испытании на сопротивление усталости рамы тележки электровоза ВЛВ5. Трещины возникли у концов фланговых швов приварки платика, предназначенного для крепления тормозного цилиндра к нижнему поясу боковины (рис.16) и у концов прерывистых сварных швов, примененных при изготовлении кронштейнов подвески тормозного оборудования (рис.17).

В четвертой главе приводится сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований. Полученный в результате расчетов характер распределения напряжений в зоне сварных швов приварки накладок различной формы к поябу балки полностью подтверждается экспериментальными исследованиями. При выборе расчетной модели балки с приваренной к ее поясу накладкой круглой формы максимальные расчетные напряжения в концентраторе сравнивались с напряжениями, полученными в аналогичной натурной конструкции экспериментальным путем. Характер распределения и величина расчетных напряжений, полученных в поперечном сечении балки, проходящем через середину накладки, хорошо согласуются с экспериментальными данными. ■

Полученная расчетным путем зависимость (Кб = &н / <5п) при переменной 8н также имеет подтверждение в экспериментальных работах, проведенных во Всесоюзном научно-исследовательском тепловозном институте и во Всесоюзном заочном машиностроительном институте.

Величины напряжений, полученных экспериментально (48 МПа и - 26 МПа) и при расчете МКЭ (43,5 МПа и - 24,4 МПа) в аналогичных точках узла, предназначенного для крепления кронштейна гидродемпфера к боковине рамы тележки тепловоза ТЭП70, тлеют хорошую сходимость.

Приведенные данные подтверждают правильность выбора типа конечного элемента, применяемого в расчете, принятых расчетных моделей и схем разбивки последних на конечные элементы. Принятая программа расчета, включающая пространственный изопарамет-рический конечный элемент, может быть применена для определения напряженного состояния сложных конструктивных узлов рам тележек тягового подвижного состава.

Далее в главе на основании проведенного выше анализа результатов теоретического и экспериментального исследований напряженного состояния ряда узлов и их сопротивления усталости даются предложения по их рациональному конструированию.

В пятой главе прёдставлено технико-экономическое обоснование работы. Показано, что результаты данной работы, направленные на повышение сопротивления усталости узлов рам тележек тягового подвижного состава, способствуют повышению безопасности движения поездов, предотвращению возможных значительных затрат, связанных с усталостными разрушениями узлов, экономии металла.

Предложения по рациональному конструированию узлов были использованы заводами-изготовителями тягового подвижного состава при проектировании и производстве рам тележек.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана, с применением пространственного двадцатиуз-лового изопараметрического конечного элемента второго порядка, дискретная конечно-элементная расчетная модель сварного соединения, обеспечивающая сходимость расчетных и экспериментальных значений напряжений в зоне их концентрации (граница сварного шва).

2. Разработаны расчетные модели сварных соединений накладки

с поясом полой балки прямоугольного сечения и стакана с противоположными листами полой балки.

3. Исследования деформационно-напряженного состояния сварного соединения накладки с поясом полой балки прямоугольного сечения, в случае изгиба балки, показали:

3.1. Концентрация напряжений в зоне сварного шва приварки накладки (граница сварного шва) зависит от ее формы. Для элементов рам тележек подвижного состава, работающих, в основном, в условиях пространственного нагружения, наиболее рациональной является накладка круглой формы.

3.2. Сопротивление накладки изгибу балки, а также изгиб накладки и пояса балки, возникающий из-за наличия эксцентриситета между срединными плоскостями накладки и пояса балки, вызывают местную деформацию (выпучивание) пояса балки в зоне границы сварного шва приварки накладки.

3.3. Величина теоретического коэффициента концентрации напряжений ( ОС(5 ) зависит от толщины накладки. С увеличением толщины накладки ( £н ) при неизменной толщине пояса балки ( 8п ) величина <Хб достигает максимума при определенном отношении

8ц / 8п ,

3.4. В рассмотренном соединении накладки с поясом балки с увеличением толщины пояса балки в пределах 10*30 мм, при неизменной толщине накладки, наблюдается рост ос<$ . Это явление следует учитывать при повышении жесткости балки за счет увеличения толщины пояса.

4. При рациональном конструировании узлов соединения накладок и кронштейнов с горизонтальными и вертикальными листами балок рам тележек необходимо учитывать следующее:

4.1. Узел соединения накладки сварным швом с листом балки по

контуру имеющегося в ней отверстия рационален в случае приложения к накладке силы, прижимающей ее к листу балки.

4.2. В сварном кронштейне, имеющем форму кривого бруса,пояс, расположенный с вогнутой стороны бруса, должен привариваться к вертикальным его стенкам с обеспечением полного провара.

4.3. В зоне приварки к поясу балки буксовых кронштейнов необходимо обеспечивать полный провар в поясных сварных швах, связывающих этот пояс с вертикальными стенками балки.

4.4. При изготовлении сварных кронштейнов, а также для приварки к листам балок накладок и кронштейнов недопустимо использование прерывистых сварных швов.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1.• Цкипуришвили В.Б., Буханцев A.A., Павлов Н.В., Крайчик U.U. Прочность балок коробчатого сечения с накладками различной форш /Сварочное производство - 1977 - # 12. - С.37-39.

2. Буханцев A.A. Исследование напряженного состояния балок коробчатого сечения с накладками различной формы /Вестник Всесою: НИИ ж.д.транс. - 1979. - # 7 - С.24-27.

3. Крайчик U.U., Цкипуришвили В.Б., Буханцев A.A., Солодкова В.Г. Усталостные испытания боковин рам тележек тепловоза 2ТЭП6 /Вестн.Всесоюзн.НШ ж.д.транс. - 1984. - № I. - С.23-26.

4. Крайчик Ы.Н., Цкипуришвили В.Б., Буханцев A.A., Солодкова В.Г, Влияние скрытых дефектов на сопротивление усталости сварных рам тележек локомотавов /Веста.Всесоюзн.НИИ ж.д.транс.-1987. -

Буханцев Андрей Александрович РАЦИОНАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ УЗЛОВ РАМ ТЕЛЕЖЕК ТЯГОВОГО ПОДБИВНОГО СОСТАВА