автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка метода оценки ресурса пятникового узла вагона по критерию износа

1У' I

/

/

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

ВОРОНИН НИКОЛАЙ НИКОЛАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА ВАГОНА ПО КРИТЕРИЮ ИЗНОСА

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических

наук, профессор

Павлов Вячеслав Георгиевич

Научный консультант - доктор технических

наук, профессор

Филиппов Виктор Николаевич

На правах рукописи

Москва - 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................4

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА И

ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН ЕГО ОТКАЗА...................................11

1.1. Назначение пятникового узла и анализ существующих конструктивных вариантов..................................................11

1.2. Анализ методов оценки износостойкости пар трения..............18

1.3. Анализ отказов пятникового узла и сопоставление их с другими видами отказов....................................................27

1.4. Анализ эксплуатационной нагруженности пятниковых

узлов...............................................................................34

1.5. Основные результаты главы 1.............................................41

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РАСЧЕТНОГО

МЕТОДА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА..........43

2.1. Соотношения для расчета износа и ресурса трибосопряжения но критерию предельного износа..............45

2.2. Разработка методики расчета изнашивания опорных поверхностей пятникового узла..........................................50

2.3. Разработка методики расчета изнашивания цилиндрических поверхностей пятникового узла..................55

2.4. Основные результаты и выводы по главе 2..........................62

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ И РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ

ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА.........................€4

3.1. Решение интегральных уравнений применительно к

расчету изнашивания опорных поверхностей пятникового узла.................................................................................64

3.2. Решение интегральных уравнений применительно к расчету изнашивания цилиндрических поверхностей пятникового узла..............................................................70

3.3. Разработка алгоритма вычисления контактного давления и износа плоских поверхностей пятникового узла...................74

3.4. Основные результаты и выводы по главе 3..........................79

4. ЧИСЛЕННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСОВ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА...........81

4.1. Проверка достоверности результатов, получаемых по разработанному методу.......................................................81

4.2. Результаты натурного обследования износов пятникового

узла.................................................................................86

4.3. Исследование влияния эксплуатационных параметров на износ в пятниковом узле....................................................99

4.4. Исследование влияния материала и типа вагона на износ в пятниковом узле..............................................................105

4.5. Основные результаты и выводы по главе 4.........................112

5. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА........................................115

5.1. Классы износостойкости...................................................115

5.2. Оценка триботехнических качеств материалов пятниковото узла по "Классам износостойкости"...................................119

5.3. Влияние твердости приповерхностных слоев и специальных вставок на износостойкость материалов..........122

5.4. Основные результаты и выводы по главе 5.........................126

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ..................................................128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Работоспособность машины, как механической системы, определяется прочностью и износостойкостью ее составных частей.

Проблемы прочности конструкции, включая поиск оптимальной конструкции, технологию выбора материалов и расчетно-теоретическую идеологию оценки ее ресурса, в настоящее время, хорошо развиты.

Создание сложных машиностроительных конструкций, к которым относятся и конструкции железнодорожной техники, связаны с необходимостью использования в них узлов трения. К большинству этих конструкций предъявляются высокие требования по прочности, надежности и работоспособности. В связи с этим, для разносторонней и наиболее полной оценки прочности, надежности и работоспособности этих конструкций обычно необходимы исчерпывающие сведения об износостойкости материалов, входящих в пару трения, нагрузках, действующих на рассматриваемый узел, наличии смазки и т.п.

Проведенный анализ показал, что машины примерно на 80 % выходят из строя в результате износа их деталей [ 1 ]. Расчетные методы оценки ресурса трибосопряжений, начиная с обоснования общетеоретических подходов к становлению этого научного направления, получили развитие лишь со второй половины XX века и в настоящее время находятся в стадии развития.

Определяя основные направления развития трибологии на XXI век, ведущие ученые выделяют, как одну из главных задач, завершение становления и развитие общих концептуальных положений расчета ресурса машин по критерию износа [2].

Особое внимание должно уделяться элементам подвижного состава железнодорожного транспорта, тле это связано не только с сохранностью перевозимых грузов, но и с безопасностью большого количества людей. Узлы трения вагонных конструкций, по сравнению с другими машиностроительными конструкциями, имеют характерные особенности как по спектру воспринимаемых нагрузок, так и по условиям эксплуатации - наличие абразива, отсутствие смазки и т.п.

Проведенные в последние десятилетия всесторонние исследования узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта показали, что в зонах контакта большинства из них имеет место значительный неравномерный износ, а на некоторых контактных поверхностях проходят заметные пластические деформации, приводящие к изменению заданных геометрических размеров. При значительных износах в пятниковом узле происходит ослабление надрессорной балки, увеличение радиального зазора между пятником и подпятником, вызывающее увеличение ударных воздействий при трогании и торможении, ухудшение динамики вагона, передачу продольных усилий через шкворень, его изгиб, срез и т.п. Кроме этого, в результате износа пятникового узла, в скользунах уменьшается зазор, предусмотренный конструкцией вагона. При повышенных износах в направлении продольной оси вагона пятника и подпятника появляется возможность относительного перемещения и соударения их, что может привести к повреждениям надрессорной балки, отколу внутреннего бурта подпятника и трещинам в пятнике [3]. Все это, в конечном итоге, может привести к разрушению пятникового узла вагона и возникновению аварийной ситуации.

До настоящего времени вопросы, связанные с влиянием вышеуказанных факторов на работоспособность вагонных конструкций, рассматривались недостаточно подробно.

Большое практическое значение приобретают расчетные методы прогнозирования несущей способности и усталостной долговечности конструкции, а также реализующие их алгоритмы и программы, которые должны использоваться на стадиях технического проектирования и создания опытных образцов новых и модернизируемых конструкций, а также при проведении различных ремонтных операций, направленных на восстановление и усиление наиболее повреждаемых мест.

Подобные подходы к решению проблемы повышения прочности и работоспособности конструкций подвижного состава являются наиболее эффективными, соответствуют современному уровню развития науки и техники, а получаемые результаты имеют значительный теоретический и практический интерес.

Большой вклад в решение вопросов но разработке расчетных и экспериментальных методов оценки работоспособности, прочности и надежности элементов конструкций подвижного состава внесли ведущие институты отрасли ВНИИЖТ, МИИТ, ПГУПС, ДИИТ, БИТМ, ГосНИИВ и др.

Для решения задач, связанных с изучением и повышением долговечности трибосопряжений различного технического назначения используются модели и методы механики деформируемого твердого тела. Разработке этих методов способствовали работы отечественных и зарубежных ученых. Ими были рассмотрены различные формы контактирующих тел с постоянными и переменными площадками контакта, с различными условиями нагружения, разработан ряд моделей деформируемого тела, учитывающих виды относительного скольжения тел [4-6 и др.].

Тенденция к повышению износостойкости конструкций различного назначения при одновременном сохранении или повышении их экс-

плуатационной надежности определяет необходимость совершенствования, на основе новейших достижений науки, численных методов расчета высоконагруженных конструкций.

Вагонные конструкции различного назначения работают в сложных условиях. Известно, что до настоящего времени подавляющее количество грузов перевозится из одного региона страны в другой по железной дороге, причем большинство перевозок приходятся на четырехосные полувагоны, которые составляют около 40 % вагонного парка. Проведенные натурные обследования технического состояния полувагонов показали, что уже в первые годы эксплуатации в наиболее нагруженных узлах трения появляются значительные износы. К наиболее ответственным и нагруженным узлам трения вагонов относятся: пятниковый узел, ударно-тятовые приборы, буксы, фрикционные таси-тели колебаний и т.п. Для ряда элементов ходовых частей четырехосных грузовых вагонов в работе [7] показана возможность снижения их нагруженности, что должно привести к увеличению долговечности.

В настоящее время актуальной научно-практической проблемой является развитие теоретических основ оценки ресурса узлов трения по критерию износа. Эта проблема включает совершенствование расчетных моделей с целью более точного учета условий работы трибо-сопряжения, установление элементных законов изнашивания материалов, величин предельно допустимых износов, характера изменения геометрии поверхностей трения в процессе эксплуатации с последующим учетом в расчетной модели и т.д.

Интенсивная эксплуатация грузовых вагонов приводит к образованию износов опорных поверхностей узла пятник - подпятник, что в последующем может вызвать закрытие регламентированных зазоров в скользунах, в значительной мере влияющих на динамические качества

вагона и безопасность движения. Износ упорных цилиндрических поверхностей пятника - подпятника приводит к уменьшению толщины бурта подпятника па надрессорной балке, ухудшению его прочностных свойств, а также к чрезмерному увеличению смещению тележки относительно рамы в продольном направлении, что приводит к передаче продольных усилий через шкворень, его изгибу и срезу.

Узлы трения вагонных конструкций, по сравнению с другими машиностроительными конструкциями, имеют характерные особенности как по спектру воспринимаемых нагрузок, так и по условиям эксплуатации - наличие абразива во внешней воздушной среде, отсутствие смазки и т.д. До настоящего времени вопросы, связанные с расчетной оценкой износа деталей трения вагонных конструкций, проработаны недостаточно подробно. В тоже время, наличие таких методов позволило бы не только определить ресурс трибосопряжения, но и оценить степень совершенства его конструкции.

В этой связи, в представленной работе поставлена и решена научная задача, имеющая большое народно-хозяйственное значение, связанная с разработкой инженерного метода расчета работоспособности пятникового узла грузовых вагонов при использовании теории изнашивания.

Целью настоящей работы является: определение закономерностей изменения геометрии поверхностей трения пятникового узла грузовых вагонов и разработка расчетного метода оценки их ресурса по допускаемым износам рабочих поверхностей трибосопряжения и обеспечению гарантированных зазоров в скользунах.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. установить типовые закономерности изменения геометрии поверхностей трения и предельно допустимые значения величин износа пятниковых узлов грузовых вагонов;

2. разработать расчетный метод определения износа в трибосопря-жениях применительно к пятниковому узлу грузового вагона;

3. создать алгоритм и программу по определению износа в пятниковом узле;

4. разработать методику расчета ресурса пятникового узла, позволяющую оценить влияние главных параметров на его ресурс;

5. дать рекомендации по повышению триболотических характеристик пятникового узла.

Практическую ценность работы представляют разработанные алгоритмы и программы: по оценке ресурса пятникового узла; установление закономерностей изнашивания; выявления уровня влияния основных параметров на ресурс пятникового узла; трибологическая карта трибосопряжения пятникового узла.

Представляемая работа выполнена на кафедре «Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин» МИИТ, где в течение ряда лет проводятся всесторонние исследования по эксплуатационной нагруженности, износостойкости, надежности и повреждаемости узлов грузовых вагонов.

Работа выполнена автором в соответствии с основными научными направлениями кафедры.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям д.т.н., профессору Павлову Вячеславу Георгиевичу и д.т.н., профессору Филиппову Виктору Николаевичу за помощь в постановке и решении научных задач, консультации и обсуждение полученных результатов, а также Эфросу Дмитрию Гавриловичу и сотрудникам

кафедры, помогавшим в реализации ряда научных разработок и проведении экспериментальных исследований.

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА И ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН ЕГО ОТКАЗА

1.1. Назначение пятникового узла и анализ существующих

конструктивных вариантов

В современных конструкциях вагонов одним из наиболее ответственных узлов является шкворневой узел, который выполняет функции связи между рамой вагона и тележкой и осуществляет передачу вертикальных и горизонтальных усилий между кузовом и ходовыми частями [8]. Узел состоит из пятника, подпятника и шкворня. Современные вагоны оборудуются различными конструкциями пятников, анализ которых проведен в работе [9] и отличающихся, в основном, геометрическими размерами и способом изготовления. В общем виде пятник представляет собой массивную плиту (фланец), на которой расположен цилиндр (яблоко) (рис. 1.1). Фланец имеет ряд отверстий, через которые, посредством заклепок пятник кренится к шкворневой балке. Яблоко пятника осуществляет передачу усилий между кузовом вагона и надрессорной балкой тележки через подпятник. Пятник изготавливается из сталей марок 15Л и 20Л, некоторые характеристики которых приведены в табл. 1.1.

Подпятник располагается на надрессорной балке тележки и имеет внутренний и наружный бурты, через которые передаются продольные усилия, а также рабочую плоскость, по которой осуществляется перемещение соответствующей опорной поверхности яблока пятника (рис. 1.2). Подпятник, являющийся частью надрессорной балки, изготавливается из сталей марок 15Л, 20Л, 20ГЛ, 20Г1ФЛ.

Таблица 1.1

Характеристики сталей пятникового узла

Параметр Ед. изм. Значение

15Л 20Л

1. Предел прочности МПа 390 500

2. Твердость по Бринеллю (ИВ) МПа 1090-1360 1310-1430

3. Модуль упругости Ша 206 201

4. Коэффициент линейного расширения 1/К 11,9 12,2

5. Коэффициент теплопроводности Вт/(м-К) 51 51

6. Удельная теплоемкость Дж/(кг-К) 470 470

7. Коэффициент Пуассона 0,3 0,31

о

конструкция, при которой взаи- Рис. 1.1. Конструкция пятника модействие происходит непосредственно по опорной поверхности и бурту подпятника.

Преимуществом такой конструкции является простота ее изготовления, низкая себестоимость и хорошая ремонтопригодность. Одним из основных недостатков является то, что при проведении повторных восстановительных работ методом наплавки возможно образование трещин, вследствие искусственного старения стали, вызванного воздействием повышенных температур сварки.

Необходимо отметить, что пятниковый узел находится в очень тяжелых условиях работы, приводящих к интенсивному износу трущихся поверхностей. К таким условиям следует отнести возможность на-

личия абразива на поверхностях контакта, высокие нагрузки, различающиеся по величине, направлению и характеру воздействия, отсутствие смазки и т.п.

За период эксплуатации вагонов были разработаны различные конструктивные варианты пятникового узла [10-16 И др.], однако НИ одному из Рис' 1/2■ Конструкция подпятника

них, по разным причинам, не удалось полностью решить проблему, связанную с обеспечением надежности, прочности и работоспособности этого узла.

Так, например, Днепропетровский вагоностроительный завод предложил конструктивное решение соединения пятник - подпятник, заключающееся в том, что подпятник надрессорной балки состоит из фланца с отверстием в центре и опорной пластины, которая выполнена в виде задвижки, �