автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкций массивных несущих деталей подвижного состава на основе анализа напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ МАССИВНЫХ НЕСУЩИХ ДЕТАЛЕЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.22.07 Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кобищанов Владимир Владимирович (БГТУ)

доктор технических наук, профессор Овечников Михаил Николаевич (МГОУ, Коломенский институт)

доктор технических наук, профессор Лапшин Василий Федорович (УрГУПС).

Ведущая организация - ЗАО «Тверской институт вагоностроения»

Защита состоится « 12 » октября 2005 г. в 1522 час в ауд 2505 на заседании диссертационного совета Д218 005.01 при Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу 127994, г. Москва, ул. Образцова 15, тел. 684-28-45

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета

Автореферат разослан «12» сентября 2005 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу Совета университета.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т н., проф.

Г И Петров

20О6-Ч

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт является основной, неотъемлемой частью всего транспортного комплекса Российской Федерации. На его долю приходится почти две трети общего грузооборота и около половины пассажирских перевозок От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.

Важное значение с позиции обеспечения безопасности движения подвижного состава представляют хрупкие разрушения элементов ходовых частей, автосцепного устройства и некоторых других ответственных элементов конструкций, связанные с зарождением и развитием трещиноподобных дефектов Анализ отцепок вагонов в текущий ремонт показывает, что свыше 40 % их приходится на неисправность ходовых частей и автосцепного оборудования Указанные элементы подвижного состава работают в сложных условиях: теплового, силового, упругопластического деформирования.

Кинетика напряженно-деформированного состояния ответственных элементов конструкций в эксплуатации определяется схемой и уровнем начальных напряжений, сформировавшихся в процессе изготовления, а также в результате тепловых и механических эксплуатационных нагружений.

Уточненная оценка кинетики тепловых и деформационных процессов на основе результатов компьютерного моделирования позволяет более существенно совершенствовать конструкции и сократить долю экспериментальной составляющей при разработке новых перспективных конструкций и упростить экспертную оценку причин разрушений Разработка принципиально новых методов анализа и контроля текущего состояния элементов конструкций на основе сочетания принципов компьютерного моделирования и инструментальных средств дает возможность достоверно оценить нагруженность элементов конструкций и выработать рекомендации по их учучшению

В связи с этим, разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния важных элементо!

.кпигтруицнй нидим>и1рго

«пг_ НАЦИОНАЛЬНАЯ!

РОС. НАЦИОНАЛ БИБЛИОТЕКА

эявтптрг КА I

г (/я А

состава от эксплуатационных и технологических воздействий в трехмерной постановке с учетом термоупругопластического деформирования материала является актуальным

Цель работы. Основной целью диссертации является: - совершенствование конструкций и технологии изготовления наиболее ответственных элементов подвижного состава и повышение их работоспособности в эксплуатации на основе создания современных методов компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях в трехмерной постановке с учетом термоупругопластического деформирования.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

1. Выполнен анализ конструктивных особенностей и технологии изготовления, статистических данных о повреждаемости в эксплуатации, методов компьютерного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования при технологических и эксплуатационных воздействиях на наиболее ответственные элементы конструкций подвижного состава.

2. Разработана методика решения нелинейных, нестационарных задач теплопроводности и термоупругопластичности в трехмерной постановке применительно к элементам конструкций подвижного состава с определением упругих и пластических составляющих всех компонентов деформаций, определяющих работоспособность конструктивных элементов при эксплуатационных, механических и тепловых нагружениях.

3. Разработана методика компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в колесной стали марки 2.

4. Для проведения компьютерного моделирования тепловых, деформационных, термодеформационных процессов и структурообразования в элементах подвижного состава разработано программное обеспечение, соответствующее методологии, изложенной в п. 2.

5. На основе применения разработанных методов и программного обеспечения для компьютерного моделирования тепловых и деформационных процессов в элементах подвижного состава при технологических и эксплуатационных воздействиях разработаны рекомендации по совершенствованию конструктивных и технологических решений с учетом работы материала в упругопластической области:

• Определены схемы и уровень нагрузок, соответствующих переходу материала в упругопластическую область в местах концентрации напряжений зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику на основе результатов компьютерного моделирования и уточненной оценки напряженно-деформированного состояния наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки при использовании конечно-элементных моделей повышенной степени дискретизации.

• Проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) перемычки хвостовика автосцепки на основе определения особенностей формирования граничных условий при компьютерном моделировании взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута и упорной плитой и с учетом предыстории нагружения при различных схемах и уровне нагруженности в эксплуатации. Установлены основные положения физической модели и механизма образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика.

• На основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упруго-пластической области сформулированы обобщенные рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки, защищенные патентами на изобретения.

• Проведено компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния и структурных превращений цельнокатаного колеса (ЦКК) при термообработке в процессе изготовления.

• На основе анализа результатов моделирования при различных режимах закалки и отпуска разработаны рекомендации по

совершенствованию технологического процесса термической обработки ЦКК.

б. На основе использования неразрушающего магнитоупругого метода определения напряжений разработан расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений в наиболее ответственных элементах конструкций подвижного состава.

Общая методика исследования.

Проведен сбор и обобщение данных о видах и причинах повреждений в эксплуатации ответственных элементов конструкций подвижного состава, таких как корпус автосцепки и цельнокатаные колеса. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов конструкций от технологических и эксплуатационных воздействий проведен на основе использования основных положений теории упругости, теории пластического течения и теории теплопроводности путем решения нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности и компьютерного моделирования конструктивных элементов объемными конечно-элементными моделями. Для экспериментального определения компонентов остаточных напряжений использован неразрушающий магнитоупругий метод. Компьютерное моделирование проведено на основе программного комплекса (ПК) БАЫАК, разработанного автором диссертации совместно с рядом специалистов.

Научная новизна работы.

Научная новизна состоит в следующем:

• Разработана методика компьютерного моделирования тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке с использованием основных положений теории теплопереноса и метода конечных элементов в пространственных трехмерных конструкциях железнодорожной техники Новизна разработанной методики заключается в том, что обеспечена возможность оценки и корректировки значений теплофизических характеристик и свойств материала в каждой точке конструкции с учетом ее текущего теплового состояния, а также структурного состава, сформировавшегося на предыдущих шагах решения. Для сокращения объема и времени вычислений оценка НДС производится не на каждом шаге решения тепловой задачи, а по достижении некоторого временного отрезка,

величина которого определяется в зависимости от градиента и скорости изменения температур в рассматриваемой зоне.

• С целью снижения количества итераций на отдельных шагах решения нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности и сокращения времени расчета при формировании вектора невязки и использовании объемных 8а узловых изопараметрических конечных элементов (КЭ) рассматриваются только КЭ, в которых протекают пластические деформации на текущем шаге решения. Правомочность такого подхода доказана на ряде верификационных примеров,

• Разработана методика разделения решения деформационной части задачи теплового нагружения конструкции с выделением приведения предела текучести к новому значению в отдельный этап решения, что обеспечивает устойчивое решение нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности при сложном нагружении на этапах нагрева и охлаждения.

• Разработана методика моделирования кинетики теплового состояния, НДС и структурных превращений при последовательном воздействии любых технологических и эксплуатационных факторов с учетом предыстории нагружения.

• Разработана методика анализа кинетики структурных превращений во всем температурном диапазоне существования аустенита, основанная на использовании серии диаграмм анизотермического распада аустенита при охлаждении колесной стали с различных максимальных температур от 900 °С до 1350 °С. При этом обеспечена возможность рассмотрения процессов с учетом незавершенности структурных превращений при нагреве и охлаждении, на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения.

• При условии учета совместного деформирования перемычки и клина установлены основные положения физической модели и механизма образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика, заключающиеся в возникновении и накоплении компонента пластической

деформации удлинения в зоне контакта перемычки с клином тягового хомута при нагружении как растягивающими, так и сжимающими нагрузками. Установлено возникновение при циклическом нагружении знакопеременных напряжений в этой зоне, что при наличии пластической составляющей деформации характеризует работу этой зоны в условиях малоциклового нагружения.

• Установлено, что схема и уровень остаточных напряжений в ЦКК после термообработки существенно зависит от времени закалки и схемы охлаждения спрейерами поверхности обода колеса. При этом наиболее неблагоприятная схема охлаждения с позиции НДС обода соответствует варианту охлаждения поверхности катания и гребня с двух сторон.

• Разработан расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений не только на поверхности, но и во всем объеме обода колеса на основе использования неразрушающего магнитоупругого метода и результатов компьютерного моделирования НДС ЦКК.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

• Автором совместно с рядом специалистов разработан программный комплекс БАИАК, обеспечивающий возможность проведения анализа кинетики тепловых и деформационных процессов в пространственных элементах конструкций подвижного состава. В отличие от известных ПК содержит ряд новых блоков и процедур, связанных с введением более совершенной физической модели материала и анализа протекающих процессов на основе учета в каждой точке тела (модели) структурных составляющих или их смесей, обусловленных спецификой предшествующих теплофизических процессов, а также температурой и параметрами теплофизического процесса в рассматриваемой точке тела в данный момент времени.

• Определены и обоснованы наиболее неблагоприятные схемы и уровни нагружения корпуса автосцепки, способствующие переходу материала в упругопластическую область в зонах

концентрации напряжений, к которым следует отнести соединение автосцепки с максимально допустимым вертикальным эксцентриситетом в контуре зацепления при наличии максимального нормативного продольного усилия, на основании чего сформулирована концепция поиска рациональных конструктивных решений, заключающаяся в перераспределении полей напряжений и выравнивании интенсивности силовых потоков по всему рабочему сечению.

• На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в зоне перехода от головы к хвостовику, заключающееся в введении дополнительного элемента жесткости (патент на изобретение). В геометрию поперечного сечения хвостовика предложено ввести овальную форму расчетной геометрии.

• Установлено, что при растяжении корпуса автосцепки нормативной нагрузкой 2,5 МН в центральной части перемычки материал деформируется в упругопластической области, причем расстояние зоны пластического деформирования от поверхности контакта с клином в направлении продольной оси автосцепки достигает 18 мм. Максимальные значения интенсивности пластических деформаций составляют е,=0,129 %. При этом зона расположения пластических деформаций совпадает с областью формировании трещин в перемычке в эксплуатации, компонента пластической деформации, перпендикулярная продольной оси автосцепки является деформацией удлинения (ех=0,0136...0,03 %) и представляет собой основную причину образования и развития трещин в этой зоне. Показано, что при сжатии автосцепки усилием 3 МН максимальные значения интенсивности пластических деформаций в зоне упругопластического деформирования составляют е,=0,0333 %. Наибольшее значение пластической деформации отмечается в горизонтальном направлении, перпендикулярном продольной оси автосцепки (поперечные), которое является деформациями

удлинения с абсолютными значениями ех=0,0152...0,0234 %, что способствует возникновению и развитию в этой зоне трещин.

• Новым конструктивным решением в зоне перемычки хвостовика, направленным на перераспределение контактного давления со стороны клина, является введение плоской площадки на поверхности контакта перемычки хвостовика и аналогичной плоской площадки на клине тягового хомута (патент на изобретение), что позволяет устранить возникновение пластических деформаций в опасных зонах и повысить стойкость против образования трещин.

• Проведенный анализ термической обработки ЦКК с определением напряженно-деформированного состояния и структурообразования явились основой рекомендаций по совершенствованию технологии термической обработки колес на заводе (акт внедрения).

• Разработаны рекомендации по практическому применению расчетно-экспериментального метода для неразрушающего контроля остаточных напряжений в ЦКК на заводе.

Работы по тематике диссертации выполнялись в соответствие с Планами НИОКР МПС и ОАО «РЖД».

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались: на 23 конференциях, в том числе на Второй международной конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта» (г. Москва, 1996), 4th International conference on railway bogies and running gears (Budapest, 1998), на Международной конференции «Сварка и родственные технологии» (г. Киев, 1998), на Всероссийской научно-технической конференции (с Международным участием), (г. Москва, 2000), на Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», (г. Москва, 2001, 2002, 2004), на Всероссийской с международным участием научно-технической конференции, «Сварка и контроль» (г. Пермь, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (г. Москва, 2003).

Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах и совместном заседании кафедр МИИТа «Вагоны и вагонное хозяйство», «Технология сварки, материаловедение и износостойкость деталей машин», «Организация и безопасность движения», а также некоторые разделы работы, связанные со структурообразованием при воздействии теплоты на материалы ж.д. подвижного состава рассматривались на научном семинаре кафедры «Сварка и диагностика» МГТУ им. Баумана.

Публикации.

Всего опубликовано 50 научных работ, из них по теме диссертации 33.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов по результатам работы, списка использованной литературы из 166 наименований и приложения копий документов на внедрение результатов работы и авторские права.

Работа изложена на 349 страницах, содержит 203 рисунка, 33 таблицы.

Во введении дана характеристика основных направлений анализа состояния ряда основных конструктивных элементов подвижного состава и кинетики изменения повреждаемости этих элементов за последние годы. Как показывает анализ отцепок вагонов в текущий ремонт, свыше 40 % приходится на неисправность ходовых частей и автосцепного оборудования. Наибольшую опасность для безопасности движения представляют хрупкие разрушения элементов ходовых частей и автосцепного устройства в эксплуатации, связанные с зарождением и развитием трещиноподобных дефектов. Наиболее тяжелые материальные последствия имеют место при возникновении трещин и изломов в ответственных элементах конструкций, которые являются следствием дефектов металлургического и прокатного производства, неудовлетворительной термообработки, неметаллических включений и расслоений металла, а также возникновения и накопления остаточных напряжений и недостаточностью изучения данного вопроса. Развитие математических методов моделирования нестационарных процессов в сочетании с развитием средств программирования и вычислительной техники позволили в последние годы качественно изменить систему проектирования и контроля текущего состояния машиностроительных конструкций. Уточненная оценка кинетики тепловых

и деформационных процессов на основе результатов компьютерного моделирования позволила существенно сократить долю экспериментальной составляющей при разработке новых перспективных конструкций и экспертной оценки причин разрушений. Это дало возможность разрабатывать принципиально новые методы анализа и контроля текущего состояния элементов конструкций на основе сочетания принципов компьютерного моделирования и инструментальных средств. Повышение работоспособности наиболее ответственных элементов конструкций подвижного состава железных дорог путем совершенствования их конструкций, технологии изготовления и ремонта на основе развития методов и средств оценки напряженно-деформированного состояния на всех этапах изготовления, ремонта и эксплуатации является актуальной задачей.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, связанной с обеспечением работоспособности в эксплуатационных условиях ряда наиболее ответственных элементов конструкций подвижного состава, который свидетельствует о том, что повреждаемость ряда элементов остается на достаточно высоком уровне.

По данным статистической отчетности в 1999 году на сети ж.д. России имели место 74 случая обрыва автосцепных устройств и 80 случаев саморасцепов автосцепок. При этом 78,8 % всех случаев обрывов произошли по корпусу автосцепки, а 21,2 % по тяговому хомуту. Обрывы корпусов автосцепок имели место по следующим зонам: зона перехода от головы к хвостовику - 28,3 %, перемычка хвостовика - 34,8 %, средняя часть хвостовика 23,9 %, в зоне большого зуба - 13 %. Наибольшее количество обрывов корпусов автосцепок в эксплуатации приходилось на долю перемычки хвостовика и зоны перехода от головы к хвостовику.

Анализ многолетних наблюдений по отказам корпусов автосцепок свидетельствует о том, что на протяжении последних 15-ти лет наибольшее количество повреждений приходится на перемычку хвостовика. Причем, их доля стабильно составляет не менее 40 %. Сократилось количество трещин по зеву, но возросло в последние годы количество корпусов, поврежденных трещинами в зоне перехода. По сравнению с первой половиной восьмидесятых годов в последние годы стабильно - около 10 % повреждений, приходится на долю остаточных деформаций боковой стенки головы автосцепки со стороны малого зуба. В сумме на долю трещин по

перемычке хвостовика и зоне перехода в совокупности в «выпучиванием» боковой стенки в последние годы приходится до 80% всех дефектов.

Анализ данных по отказам корпусов автосцепок в эксплуатации, поступивших в деповской ремонт, свидетельствует о том, что прочность корпуса автосцепки в указанных зонах во многом определяет прочность и безотказную работоспособность автосцепки в целом. Высокая повреждаемость трещинами и остаточными деформациями свидетельствует о необходимости совершенствования конструкции корпуса автосцепки с целью снижения концентрации напряжений в наиболее повреждаемых зонах, перераспределению силовых потоков между наиболее и наименее нагруженными областями.

Как показывают результаты обследования корпусов автосцепок, поступающих в деповской ремонт в настоящее время на ж.д. транспорте сохраняется опасная тенденция интенсивной повреждаемости корпусов автосцепок трещинами несмотря на повышение прочностных свойств сталей за счет изменения химического состава и совершенствования методов термической обработки при изготовлении. Это свидетельствует о том, что конструкция корпуса автосцепки нуждается в дальнейшем совершенствовании с целью снижения уровня концентрации напряжений в наиболее опасных зонах и перераспределения напряжений между наиболее и наименее нагруженными элементами.

Кинетика напряженно-деформированного состояния колеса в эксплуатации определяется схемой и уровнем остаточных напряжений, сформировавшихся в процессе термообработки колеса при изготовлении, а также напряженным состоянием, связанным с эксплуатационным механическим и тепловым нагружением. Уровень остаточных технологических напряжений в колесе, с которыми оно вступает в эксплуатацию, в ряде случаев является одним из основных показателей качества надежности и долговечности.

Анализ данных по отказам цельнокатаных колес в эксплуатации свидетельствует о том, что наиботее часто встречающимися дефектами являются: прокат по кругу катания более допускаемых размеров, износ гребня до предельно допустимой толщины, толщина и ширина обода колеса менее допустимых размеров, а также местное уширение, дефекты на поверхности катания в виде ползунов и выщербин. Наиболее тяжелые

последствия имеют место в результате возникновения трещин и изломов в ободе, диске и ступице колеса, которые являются следствием дефектов металлургического и прокатного производства, неудовлетворительной термообработки при воздействии эксплуатационных нагрузок.

Вплоть до последнего времени разрушения отечественных вагонных колёс в эксплуатации были связаны с зарождением и ростом усталостных трещин в приободной части дисков колёс Напряженное состояние колеса находящегося в эксплуатации определяется остаточными напряжениями, возникающими в процессе термообработки колеса, на которое накладывается напряженное состояние, связанное с эксплуатационным механическим нагружением, включая ее динамическую составляющую, а также тепловые нагрузки, возникающие при торможении колес колодочным тормозом.

Проблема влияния остаточных напряжений на прочность и работоспособность колес подвижного состава является одной из наиболее сложных проблем. Решением этой проблемы заняты специалисты наиболее развитых стран, таких как ФРГ, Канада, США и ряд других.

Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования по повышению работоспособности в эксплуатации и совершенствованию конструкций подвижного состава внесли такие ведущие ученые в области ж.д. транспорта как JI.A. Шадур, JI.H. Никольский, C.B. Вершинский,

B.Д. Хусидов, В.Н. Котуранов, Г.И. Петров, А.Н. Савоськин, С.Н. Киселев, И.В. Бирюков, H.A. Костенко, A.A. Хохлов, В.В. Кобищанов, М.Н. Овечников, В.И Лапшин, В.Н. Филиппов, П.С. Анисимов,

C.B. Беспалько, H.H. Воронин, Р.И. Зайнетдинов, П.А. Устич, Ю. М. Черкашин, A.A. Долматов, H.A. Костина, В.И. Сакало, И.Г. Жарикова, В.А. Татаринцев, И.Б. Феоктистов, В.Н. Максимов и др.

Развитие математических методов моделирования нестационарных процессов в сочетании с развитием средств программирования и вычислительной техники позволили в последние годы качественно изменить систему проектирования и контроля текущего состояния машиностроительных конструкций. Уточненная оценка кинетики тепловых и деформационных процессов на основе результатов компьютерного моделирования позволила существенно сократить долю экспериментальной составляющей при разработке новых перспективных конструкций и

экспертной оценки причин разрушений. Это дало возможность разрабатывать принципиально новые методы анализа и контроля текущего состояния элементов конструкций на основе сочетания принципов компьютерного моделирования и инструментальных средств.

Наиболее универсальным численным методом моделирования тепловых и деформационных процессов является метод конечных элементов (МКЭ).

В связи с вышеизложенным, очевидна необходимость дальнейшего развития методики компьютерного моделирования и совершенствования программного обеспечения сложных процессов воздействия технологических и эксплуатационных факторов на ответственные элементы конструкций подвижного состава с целью повышения их работоспособности.

На основании вышеизложенного определены цель и задачи диссертации, которые сформулированы выше.

Во второй главе на основе использования основных положений теории теплопереноса и метода конечных элементов разработана методика для проведения компьютерного моделирования тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке в пространственных трехмерных конструкциях железнодорожной техники. Применение при разработке методики принципа МКЭ дискретизации рассматриваемой области на совокупность конечных элементов обеспечило возможность при решении нестационарных задач осуществлять оценку и корректировку значений теплофизических характеристик и свойств материала в каждой точке конструкции с учетом ее текущего теплового состояния, а также структурного состава, сформировавшегося на предыдущих шагах решения. Как показал численный эксперимент, учет зависимости свойств материала от текущей температуры изменяет результаты расчета до 30%. Использование пошагового метода расчета позволило обеспечить взаимосвязь трех задач (теплопроводности, структурообразования и НДС). Причем оценка НДС может производиться не на каждом шаге решения тепловой задачи, а по достижении некоторого временного отрезка, т.е. с большими временными шагами. Это особенно важно для сокращения объема вычислений при решении задач термоупругопластичности больших объемов и высокой степени дискретизации на конечные элементы (КЭ).

На основе использования положений МКЭ применительно к рассмотрению задач механики деформируемого твердого тела разработана методика, основанная на создании новых 2х и 3" мерных моделей исследуемых объектов и соответствующего программного обеспечения, ориентированная на решение широкого круга проблем, связанных с обеспечением безопасной эксплуатации железнодорожной техники, среди них, стационарные деформационные и нестационарные термодеформационные. Решение этих задач строится в приращениях, т.е. рассматривается приращение тепловых и силовых нагрузок на текущем шаге, что при решении системы уравнений дает приращение значений перемещений узловых точек.

Для проведения анализа напряженно-деформированного состояния конструкций подвижного состава железнодорожной техники с учетом возникновения и накопления пластических деформаций использованы основные положения теории малых упругопластических деформаций, а также теории пластического течения, которые устанавливают связь между напряжениями и деформациями и бесконечно малыми приращениями этих величин. Для решения задачи упругопластического деформирования использован метод начальных напряжений, и физическая модель идеального упругопластического тела. С целью снижения количества итераций на отдельных шагах решения и сокращения времени расчета при формировании вектора невязки условия равновесия системы, при использовании объемных 8й узловых изопараметрических КЭ, предложено рассматривать только КЭ, в которых протекали пластические деформации на текущем шаге решения. Правомочность такого подхода доказана на ряде верификационных примеров.

Для решения нестационарной задачи термоупругопластичности в нелинейной неизотермической постановке предложена методика разделения решения деформационной части задачи теплового нагружения конструкции с выделением приведения предела текучести к новому значению в отдельный этап решения деформационной задачи.

Основные положения разработанной методики заключаются в следующем.

Пусть на (И)-ом шаге решения значение предела текучести КЭ составило сг,7!,, интенсивность напряжений - а, 1 и выполняется условие

а,-1 < ег,7., В результате решения 1-го шага тепловой задачи и уточнения значения предела текучести с учетом изменения температуры и структурного состава на текущем шаге решения деформационной задачи для каждого КЭ проводится анализ выполнения условия

<7,-1 >с]. (1)

где а]- предел текучести, определенный на текущем шаге решения тепловой задачи с учетом изменения теплового и структурного состава КЭ.

В случае выполнения этого условия деформационная задача решается в два этапа. На первом этапе, по всем КЭ, где выполнено условие (1) формируется невязка условия равновесия

Иг= (2)

V

где [б]- матрица, получаемая дифференцированием матрицы функций формы КЭ.

Далее корректируются значения перемещений, деформаций и напряжений в соответствии со следующими зависимостями

={£},_,(3)

где {Л(5}, и {Д«'}, приращения перемещений узлов и деформаций КЭ на текущем этапе решения

Полные напряжения определяются по формуле

Ас,

{а}, ={а};_,+ (4)

Л£, ,

|де матрица ¡Д.,,'"] связывает прирашения напряжений и деформаций в

упруго-пластической области и заменяет матрицу упругости ¡£> и)] КЭ.

На втором этапе решается деформационная задача 1-го шага, где правая часть системы уравнений представляет собой вектор {У7} =

Применение разработанной методики обеспечивает устойчивое решение задачи при сложном на1ружении, включая этапы как нагрева

(понижение предела текучести и накопление пластических деформаций), так и охлаждения.

Для уточненной оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции на различных этапах изготовления, эксплуатации и ремонта разработана методика моделирования кинетики теплового состояния, НДС и структурных превращений при последовательном воздействии любых технологических и эксплуатационных видов нагружений, когда при определенном виде воздействия новое состояние конструкции определяется с учетом начального поля напряжений, деформаций и состояния металла в каждой точке КЭ от предыдущих воздействий.

Для обеспечения наиболее полного соответствия модели материала его действительному состоянию при эксплуатационных и технологических нагревах ответственных элементов подвижного состава механические свойства при решении задач термоупругопластичности определялись с учетом наличия в каждом конечном элементе смеси различных структурных составляющих, которые определялись на каждом шаге решения. Для этого разработана методика анализа кинетики структурных превращений во всем температурном диапазоне существования аустенита (от начала а -у превращения до подсолидусных температур), основанная на использовании серии диаграмм анизотермического распада аустенита при охлаждении колесной стали с различных максимальных температур от 900 °С до 1350 °С, и построении обобщенной диаграммы.

Для обеспечения компьютерного моделирования процесса структурообразования в процессе нагрева и охлаждения во всем интервале температур структурных превращений углеродистых сталей, включая температуры аустенитно-перлитного превращения, соответствующие температурному интервалу 800...500 °С, разработана методика перестроения диаграммы в координатах Т - w^, полученной на основе расчета по программе МГТУ им. Баумана, в диаграмму в координатах T-w»/7.

Существенной новизной разработанных методик является использование для анализа структурных превращений серии диаграмм анизотермического распада аустенита для колесной стали марки 2, а также рассмотрение процессов с учетом незавершенности структурных

превращений при нагреве и охлаждении, на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения. Разработанная методика анализа кинетики структурных превращений как на этапе охлаждения, так и на этапе нагрева позволяет проводить оценку структурного состава во всем температурном диапазоне перехода аустенита в другие структуры с разных температур начала охлаждения, в полной мере учитывать незавершенность процессов перехода одной структурной составляющей в другую, т.е. наличие совокупности структур.

В третьей главе для реализации методики решения стационарных и нестационарных тепловых, деформационных и нестационарных термодеформационных задач в нелинейной, неизотермической постановке автором совместно с рядом специалистов разработан программный комплекс ЭАЫАК, обеспечивающий возможность проведения анализа кинетики тепловых, деформационных процессов и структурообразования в элементах конструкций подвижного состава.

При разработке программного комплекса использованы современные средства программирования и новейшие принципы построения программного обеспечения (ПО), ориентированные на оптимальное использование ресурсов компьютера и максимальное ускорение при решении задач больших объемов. Особенностью и новизной разработанного программного комплекса является реализованная схема организации размещения и хранения рабочих массивов, что обеспечивает возможность решения задачи на нескольких временных отрезках и позволяет существенно снизить зависимость уровня сложности рассматриваемой задачи от ресурсов конкретного компьютера.

Существенной новизной программного обеспечения является использование принципа разделения термодеформационной задачи на две отдельные самостоятельные задачи: тепловую и деформационную, что обеспечило возможность дифференцированного выбора шага решения каждой из задач и сокращения общего времени решения.

Выделение отдельных этапов работы пользователя (подготовка данных по расчетной модели, подготовка материалов по свойствам, обработка результатов расчетов) в общем алгоритме решения повысило эффективность работы пользователя с учетом многопоточности приложений

в использованной операционной системе и наличия отдельных блоков ПО для подготовки исходных данных, графического анализа модели результатор расчетов, постпропессорной обработки

Структура и форма хранения результатов расчетной оценки обеспечивает возможность реализации алгоритма анализа ки не гики теплового и напряженно-деформированного состояния конструкции при различных схемах и видах нагружения с учетом предыстории нагружения и наличия остаточных деформаций и напряжений

Результаты расчетной оценки выводятся в файлы в форматах, доступных для последующего анализа другими пакетами прикладных программ.

ПК содержит ряд новых блоков и процедур, связанных с введением в излагаемой работе более совершенной физической модели материала и анализа протекающих процессов на основе учета в каждой точке тела (модели) структурных составляющих или их смесей, обусловленных спецификой предшествующих теплофизических процессов, а также температурой и параметрами теплофизического процесса в рассматриваемой точке тела в данный момент времени. Укрупненная блок-схема ПК БАЬ'АК представлена на рис 1.

Проведено неоднократное тестирование программного обеспечения, которое дало положительный результат.

В четвертой главе на основе применения разработанных методов и программного обеспечения для компьютерного моделирования тепловых и деформационных процессов в элементах подвижного состава при технологических и эксплуатационных воздействиях с учетом работы материала в упругопластической области проведено моделирование и уточненная оценка НДС наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки и ЦКК на основе использования КЭМ повышенной степени дискретизации Определены и обоснованы наиболее неблагоприятные схемы и уровни нагружения корпуса автосцепки, способствующие переходу материала в упругопластическую область в зонах концентрации напряжений, к которым следует отнести соединение автосцепки с максимально допустимым вертикальным эксцентриситетом в контуре зацепления при наличии максимального нормативного продольного усилия.

Рис. 1. Укрупненная блок-схема программного комплекса БАИАК.

Анализ результатов проведенных исследований позволил сформулировать концепцию направления поиска рациональных конструктивных решений ориентированных на перераспределение полей напряжений, выравнивание интенсивности силовых потоков по всем рабочим сечениям, наиболее нагруженным в эксплуатации.

На основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упругопластической области, а также накопления остаточных деформаций и напряжений на предыдущих этапах нагружения разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в часто повреждаемой зоне перехода от головы к хвостовику, где возникают высокие напряжения сопоставимые с пределом текучести

материала, знак которых зависит от схемы нагружения На рис 2 представлены изолинии растягивающих напряжений в верхнем углу зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику при воздействии растягивающей нагрузки 2,5 МН и наличии вертикального эксцентриситета 50 мм.

Для повышения локальной жесткости и перераспределения полей напряжений в зоне перехода предложено ввести в конструкцию дополнительный элемент жесткости, который начинается на вертикальной стенке хвостовика автосцепки, а заканчиваться на боковой стенке головы со стороны малого зуба. Сравнительный анализ результатов оценки НДС типовой автосцепки СА-3 и автосцепки усовершенствованной

конструкции свидетельствует о том, что максимальные напряжения в зонах концентрации уменьшились на 50 % вследствие их перераспределения по сечению, а области максимальных значений напряжений смещаются от зоны перемычке На предложения по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки получен патент на изобретение № 2179127

НДС хвостовика типовой автосцепки СА-3 характеризуется сильной неоднородностью полей напряжений, наличием ярко выраженной зоны концентрации напряжений в области перехода к голове со стороны малого зуба НДС нового хвостовика, напротив, отличается выравниванием значений напряжений по сечению и длине, вследствие перераспределения силовых потоков между вертикальной стенкой и горизонтальными полками Учитывая неравномерность распределения силовых потоков по сечению хвостовика, существенное превышение уровня напряжений на вертикальных стенках при относительно низких значениях напряжений на горизонтальных

Рис. 2. Изолинии растягивающих напряжений в верхнем углу зоны перехода, при наличии вертикального эксцентриситета - автосцепка находится с провисанием,

изолинии, МПа: 1-+750,2- +700, 3- +650, 4- +600, 5- +550, 6- +500, 7- +450, 8- +400, 9- +350

перехода по телу хвостовика к

полках, предложено ввести изменения в геометрию поперечного сечения хвостовика, заключающееся в переходе внутреннего контура хвостовика от квадратной формы с ребрами жесткости на горизонтальных полках к овальной форме расчетной геометрии (патент на изобретение).

В отличие от ранее известных работ в излагаемой диссертации компьютерное моделирование контактного

взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута проведено с учетом их совместного деформирования (рис 3) и рассмотрения процесса в условиях упругопластического

деформирования материала, что позволило выявить зоны пластического

деформирования и причины образования в эксплуатации трещин в центральной части перемычки В случае отсутствия остаточных деформаций и напряжений, сформировавшихся на предыдущих этапах нагружения в центральном сечении на расстоянии 1 мм от поверхности контакта с клином и на расстоянии 5 мм от горизонтальной поверхности

максимальные напряжения изменяются от ах=-188,7 МПа, сту=-259,5 МПа при растяжении усилием 1 МН до Л^Ш^ШИ. 0,-1-370 МПа, ау= 16,1 МПа при сжатии нагрузкой 1 МН, т.е. при данном уровне нагружения материал перемычки хвостовика работает в упругой области.

Для проведения анализа результатов компьютерного моделирования и построения графиков распределения компонентов напряжений в центральной части перемычки выбраны линии Е-Е1 параллельная продольной оси автосцепки, расположенная на расстоянии 5 мм от верхней

1!Ш

\ А

Рис. 3. Конечно-элементная З1 мерная модель перемычки хвостовика с клином и схема нагружения (А- зона закрепления)

горизонтальной поверхности

перемычки хвостовика и Е1-Е2 -параллельная оси Ъ, расположенная на расстоянии 1 мм от поверхности контакта с клином тягового хомута (рис. 4).

В результате проведенных исследований установлено, что при растяжении автосцепки нормативным усилием 2,5 МН материал в центральной части перемычки деформируется в упругопластической области, причем расстояние зоны пластического деформирования

достигает 18 мм в направлении продольной оси автосцепки от поверхности контакта с клином и до 30 мм от горизонтальных поверхностей перемычки (по высоте перемычки).

Распределение компонентов напряжений в центральной части перемычки по линии Е-Е1 при растяжении приведено на рис. 5, а распределение компонентов пластических деформаций в центральном сечении зоны контакта по линии Е1-Е2 на рис. 6.

Максимальные значения интенсивности пластических деформаций составляют е,=0,129 %. Следует отметить, что зона формирования пластических деформаций совпадает с областью образования трещин в перемычке в эксплуатации. При этом установлено, что компонента пластической деформации, перпендикулярная продольной оси автосцепки, является деформацией удлинения (£,=0,0136...0,03 %) и представляет собой основную причину образования и развития трещин в этой зоне.

Рис. 4. Схема линий Е-Е1 и построения распределения напряжений в

расположения Е1-Е2 для графиков компонентов перемычке

хвостовика автосцепки

а, МП»

Рис. 5. Распределение компонентов напряжений по линии Е-Е1 при растяжении корпуса автосцепки усилием 2,5 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от поверхности контакта перемычки хвостовика с

упорной плитой)

Рис. 6. Распределение компонентов пластической деформации и интенсивности пластической деформации по линии Е1-Е2 на расстоянии 1 мм от поверхности контакта с клином при растяжении корпуса автосцепки усилием 2,5 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от верхней горизонтальной поверхности перемычки хвостовика)

Обращает на себя внимание тот факт, что в центральной части перемычки в зоне контакта совместное пластическое деформирование материала перемычки и клина приводит к изменению первоначальной геометрии поверхностей их сопряжения (по конструкции: сопрягаемые поверхности - цилиндрические с радиусами 16 и 18 мм)

Формируется зона с переходной геометрией, включающая в себя на начальной стадии деформирования поверхности близкие к цилиндрическим, с радиусами большими первоначальных Затем в центральной зоне начинается формирование поверхности близкой к плоской (рис. 7).

Рис 7. Изменение геометрии поверхности контакта перемычки с клином тягового хомута ( а)- при компьютерном моделировании, б) - в эксплуатации)

При наличии продольного сжимающего усилия 3 МН в центральной части перемычки в области контакта с клином имеет место образование и развитие зон упругопластического деформирования материала в направлении продольной оси автосцепки от поверхности контакта с клином на расстояние до 2 мм

В случае сжатия автосцепки в рассматриваемой зоне имеет место трехосное растяжение с компонентами' а*=+562 МПа, ау=+25 МПа, а2=+88 МПа (рис 8) Особо следует отметить тот факг, что напряжения, перпендикулярные продольной оси автосцепки, растягивающие (а„=+562 МПа) и достигают предела текучести материала, что является неблагоприятным фактором с позиции возможности образования и развития трещин в этой зоне.

Максимальные значения интенсивности пластических деформаций в зоне упругопластического деформирования составляют е ^0.0333 % (рис 9)

о, МПа

Рис 8 Распределение компонентов напряжений по линии Е-Е1, при сжатии корпуса автосцепки усилием 3 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от поверхности контакта перемычки хвостовика с упорной

плитой)

£, %

Рис 9 Распределение компонентов пластических деформаций и интенсивности пластической деформации по линии Е1-Е2 на расстоянии 1 мм от поверхности контакта с клином, при сжатии корпуса автосцепки усилием 3 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от верхней горизонтальной поверхности перемычки хвостовика)

Наибольшие значения компоненты поперечной пластической деформации отмечаются в центральной части перемычки и являются деформациями удлинения с абсолютными значениями £,.=0,0152...0,0234 % (рис. 9).

Следует отметить, что при сжатии автосцепки также как и при растяжении в рассматриваемой зоне образуются поперечные пластические деформации удлинения, ответственные за разрушения в этой зоне. Существенным является тот факт, что при сжатии автосцепки величина пластической деформации удлинения в зоне образования трещин ниже, чем при растяжении. Следовательно, условия для роста трещины в рассматриваемой зоне имеют место, как при растяжении, так и при сжатии автосцепки, однако, скорость роста трещины при приложении растягивающей нагрузки в рассматриваемой зоне должна быть соответственно выше.

Таким образом, установлены основные положения физической модели и механизма образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика.

Для оценки влияния предыстории нагружения на формирование НДС от действующих нагрузок выполнены расчеты для следующих вариантов: сжатие усилием 3 МН + растяжение усилием 2,5 МН, сжатие 3 МН + растяжение 1 МН, сжатие 3 МН + сжатие 1 МН, сжатие 3 МН + сжатие 3 МН, растяжение 2,5 МН + сжатие 3 МН, растяжение 2,5 МН + сжатие 1 МН, растяжение 2,5 МН + растяжение 1 МН, растяжение 2,5 МН + растяжение 2,5 МН.

В результате исследования установлено, что при предварительных нагружениях в зоне перемычки формируются остаточные напряжения, которые в зависимости от знака нагрузки могут быть положительными или отрицательными, т.е. могут быть растягивающими или сжимающими. При повторных нагружениях возникают напряжения противоположного знака, что приводит к работе материала в зоне перемычки хвостовика в условиях знакопеременного циклического нагружения наиболее опасного с позиции образования и развития трещиноподобных дефектов, что и наблюдается в эксплуатации (рис. 10).

Существенным конструктивным решением в зоне перемычки хвостовика, направленным на перераспределение контактного

Рис 10 Формирование трещины в центральной части перемычки хвостовика автосцепки в эксплуатации

давления со стороны клина, является введение плоской площадки на поверхности контакта перемычки хвостовика и аналогичной плоской площадки на клине тягового хомута (рис. 11).

Рис 11 Расчетная 3* мерная модель перемычки хвостовика улучшенной конструкции с клином тягового хомута с указанием линий для анализа распределения напряжений

Принимая во внимание тот факт, что введение плоской площадки на поверхности хвостовика в зоне контакта с упорной плитой обеспечивает качественное снижение и перераспределение напряжений при сжатии автосцепки нормативным усилием 3 МН, предложена конструкция перемычки хвостовика автосцепки, включающая две плоские площадки в зонах контакта с клином и упорной плитой. Введение плоской плошадки

в зоне контакта перемычки с клином обеспечивает распределение контактных давлений по фиксированной площади независимо от величины продольного усилия, в отличие от контакта цилиндрических поверхностей, когда величина зоны контакта зависит от величины продольного усилия .

Указанные выше изменения конструкции хвостовика и клина приводят к существенному изменению НДС в этой зоне, снижению уровня максимальных напряжений (рис. 12, 13) и работе материала в упругой области при всех нормативных продольных усилиях, что способствует повышению эксплуатационных характеристик этих конструктивных элементов и снижает вероятность образования трещин.

а, МП«

300 -1

-400

Рис. 12. Распределение компонентов напряжений в перемычке хвостовика улучшенной конструкции по линии С-С1 при растяжении корпуса автосцепки усилием 2,5 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от поверхности контакта перемычки хвостовика с упорной плитой)

о, МП«

Рис. 13. Распределение компонентов напряжений в перемычке хвостовика

улучшенной конструкции по линии Е-Е1, при растяжении корпуса автосцепки усилием 2,5 МН (по оси абсцисс отложено расстояние от поверхности со стороны контакта перемычки хвостовика с упорной плитой)

Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термического воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе решения нелинейной и нестационарной задачи теплопроводности и термоупругопластичности обеспечила возможность проведения уточненной оценки теплового, структурного и напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса по всему объему, как в процессе проведения термообработки, так и после завершения процесса.

Пошаговое рассмотрение процессов нагрева и охлаждения, связанных с нестационарным нагревом колеса при термообработке, учет кинетики свойств материала на каждом шаге решения в соответствии с кинетикой структурного и фазового состава материала, а также зависимости теплофизических характеристик каждой из структурных составляющих от температуры обеспечило хорошее соответствие результатов компьютерного моделирования реальным процессам, протекающим в колесе при термообработке.

На основе проведенных исследований установлено, что максимальные значения напряжений в ободе ЦКК имеют место на этапе завершения

процесса охлаждения при закалке и мало зависят от времени закалки. Максимальные значения интенсивности напряжений о, отмечаются в момент окончания закалки на охлажденных поверхностях обода и соответствуют значению предела текучести мартенсита, образующего в этой зоне. Окружные напряжения имеют наибольшие значения по сравнению с радиальными и осевыми и также близки к от колесной стали в закаленном состоянии. В средней части гребня и обода образуется зона трехосного растяжения, что при наличии дефектов металлургического характера может приводить к формированию трещиноподобных дефектов и являться причиной хрупкого разрушения ЦКК, что имеет место на практике (рис 14) Схема и уровень остаточных напряжений в ЦКК после термообработки существенно зависит от времени закалки и схемы охлаждения спрейерами поверхности обода колеса. Установлено, что наиболее неблагоприятная схема охлаждения с позиции НДС обода соответствует варианту охлаждения поверхности катания и гребня с двух сторон. В этом случае в момент окончания закалки в центре гребня возникает схема трехосного (объемного) растяжения с компонентами стг=+541 МПа, ст0=+315 МПа, о0=+978 МПа.

[»»»ЩЫР11 "

Ш- 1 IX. 001 )-! ОТС'ООЗ

ч|ие«т а><П*М)

6М ЛМОТ

7-ЛИГ.905 стеноз

МЕ+Ю1

п-»глх<-кп

ре*»} И-*$МЕ*ЮТ

Рис. 14. Хрупкое разрушение колеса в эксплуатации, вызванное наличием

литейного дефекта и высоким уровнем остаточных напряжений после термообработки. Распределение окружных напряжений в ободе ЦКК после закалки в течение 240 с по штатной схеме охлаждения

Проведение отпуска при 500 "С в течении 3 часов приводит к существенному снижению максимальных значений остаточных напряжений в ЦКК. После отпуска значения интенсивности остаточных напряжений снижаются почти в три раза по сравнению с аналогичными данными после закалки. Максимальные значения остаточных растягивающих окружных напряжений снижаются и не превышают +260 МПа.

Изменение температуры отпуска после закалки с 500 до 300 °С является весьма существенным фактором, определяющим как увеличение растягивающих остаточных напряжений почти в 2 раза (рис. 15), так и увеличение в поверхностных слоях обода более твердых и малопластичных структур, что, как установлено на практике, может приводить к хрупкому разрушению цельнокатаного колеса как после изготовления на заводе, так и после короткого периода эксплуатации.

ОТПУСК (Т=500 °С, т =3ч), ОТПУСК (Т=300 °С, т =3ч),

О9""=+260 МПа о0п"х=+481 МПа

Рис. 15. Распределение остаточных окружных напряжений в ободе ЦКК при различных температурах отпуска

Результаты расчетов подтверждены экспериментальными измерениями величин остаточных напряжений, проведенными на Выксунском металлургическом заводе (ВМЗ) совместно с представителями ВНИИЖТ и завода с использованием неразрушающего магнитоупругого и рентгенографического методов, а также тензометрирования.

Для повышения качества цельнокатаных колес предложена методика по применению заводского неразрушающего контроля остаточных

1ЮС. НАЦИОНАЛЬНА* БИБЛИОТЕКА С Петербург Ч ММ«

напряжений при термической обработке на основе сочетания инструментальных методов контроля и результатов компьютерного моделирования.

Таким образом, на основании проведенных работ предложены варианты по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки, а также рекомендации по совершенствованию технологического процесса термической обработки ЦКК и контроля остаточных напряжений, которые переданы ВНИИЖТ и Выксунский металлургический завод для апробации на опытных образцах.

В пятой главе разработана методика применения неразрушающего магнитоупругого метода для оценки НДС конструкций подвижного состава, основанная на использовании стандартных приборов ИМН-3 или ИМН-4. На основе специальных испытаний получены характеристики соответствующих материалов и разработана методика и схемы измерений в зависимости от особенностей геометрии исследуемого объекта. Результаты измерений остаточных напряжений после термообработки ЦКК на партии колес на Выксунском металлургическом заводе показали хорошее соответствие результатов полученных с использованием магнитоупругого метода в сравнении с результатами, полученными другими методами (тензометрия), а также с результатами расчетов.

Показана принципиальная возможность и построены номограммы для определения остаточных напряжений в ЦКК после термической обработки. Установлено, что предложенная методика может быть основой для проведения 100% неразрушающего заводского контроля остаточных напряжений в ЦКК. При этом предложенный метод отличается малыми сроками и простотой реализации, а также относительно невысокой стоимостью необходимого комплекта оборудования.

Разработан проект «Инструкции» для контроля остаточных напряжений в ЦКК магнитоупругим методом после полного цикла изготовления и проведен контроль партии колес в заводских условиях. Проект «Инструкции» передан ВМЗ для рассмотрения и использования.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ

1. Проведенный анализ состояния проблемы, связанной с обеспечением работоспособности в эксплуатационных условиях ряда наиболее ответственных элементов конструкций подвижного состава свидетельствует о том, что до настоящего времени имеют место факты разрушения элементов конструкций подвижного состава, например таких, как автосцепка, цельнокатаные и бандажированные колеса и ряд других, что свидетельствует о необходимости дополнительных исследований для обеспечения безопасности перевозочного процесса. Одним из важнейших направлений решения данной проблемы является разработка более совершенных методов компьютерного моделирования сложных процессов при эксплуатационных и технологических воздействиях на эти элементы, вскрывающие физическую сущность работы материала в условиях термоупругопластического деформирования.

Анализ многолетних наблюдений по отказам корпусов автосцепок свидетельствует о том, что на долю трещин по перемычке хвостовика и зоне перехода в совокупности с «выпучиванием» боковой стенки, в последние годы, приходится до 80% всех дефектов. Это свидетельствует о необходимости совершенствования конструкции корпуса автосцепки с целью снижения концентрации напряжений в наиболее повреждаемых зонах, перераспределения силовых потоков между наиболее и наименее нагруженными областями.

Анализ данных по отказам цельнокатаных колес в эксплуатации свидетельствует о том, что наиболее тяжелые последствия имеют место при возникновении трещин и изломов в ободе, диске и ступице колеса, которые являются следствием дефектов металлургического и прокатного производства, отклонений в термической обработке и наличия существенных временных и остаточных напряжений.

2. На основе использования основных положений теории теплопереноса и метода конечных элементов разработана методика для проведения компьютерного моделирования тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке в пространственных трехмерных конструкциях железнодорожной техники. Новизна разработанной методики заключается в том, что обеспечена возможность оценки и корректировки

значений теплофизических характеристик и свойств материала в каждой точке конструкции с учетом ее текущего теплового состояния, а также структурного состава, сформировавшегося на предыдущих шагах решения. Для сокращения объема и времени вычислений оценка НДС производится не на каждом шаге решения тепловой задачи, а по достижении некоторого временного отрезка, величина которого определяется в зависимости от градиента и скорости изменения температур в рассматриваемой зоне. Решение этих задач выполнено в приращениях, т.е. рассматривается приращение тепловых и силовых нагрузок на текущем шаге, что при решении системы уравнений дает приращение значений перемещений узловых точек.

Для проведения анализа напряженно-деформированного состояния конструкций подвижного состава железнодорожной техники с учетом возникновения и накопления пластических деформаций использованы основные положения теории малых упругопластических деформаций, а также теории пластического течения. Для решения задачи упругопластического деформирования использован метод начальных напряжений и физическая модель идеального упругопластического тела. С целью снижения количества итераций на отдельных шагах решения и сокращения времени расчета при формировании вектора невязки условия равновесия системы и использовании объемных 8й узловых изопараметрических КЭ, рассматриваются только КЭ, в которых протекают пластические деформации на текущем шаге решения. Правомочность такого подхода доказана на ряде верификационных примеров.

3. В отличие от ранее известных разработок для решения нестационарной задачи термоупругопластичности в нелинейной неизотермической постановке разработана методика разделения решения деформационной части задачи теплового нагружения конструкции с выделением приведения предела текучести к новому значению в отдельный этап решения деформационной задачи. Применение разработанной методики обеспечило устойчивое решение задачи при сложном нагружении, вклк^ая этапы как нагрева (понижении предела текучести и накоплении пластических деформаций), так и охлаждения.

Для уточненной оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции на различных этапах изготовления, эксплуатации и

ремонта разработан алгоритм решения задач моделирования кинетики теплового состояния, НДС и структурных превращений при последовательном воздействии любых технологических и эксплуатационных видов нагружений, когда при определенном виде воздействия новое состояние конструкции определяется с учетом начального поля напряжений, деформаций и состояния металла в каждой точке КЭ от предыдущих воздействий. »

4. Для обеспечения наиболее полного соответствия физической модели материала его действительному состоянию при эксплуатационных и технологических нагревах механические свойства при решении задач термоупругопластичности определялись с учетом наличия в каждом конечном элементе смеси различных структурных составляющих, которые определялись на каждом шаге решения. Для этого разработана методика анализа кинетики структурных превращений во всем температурном диапазоне существования аустенита (от начала а - у превращения до подсолидусных температур), основанная на использовании серии диаграмм анизотермического распада аустенита при охлаждении колесной стали с различных максимальных температур от 900 "С до 1350 °С. При этом обеспечена возможность рассмотрения процессов с учетом незавершенности структурных превращений при нагреве и охлаждении, на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения.

Для обеспечения компьютерного моделирования процесса структурообразования в процессе нагрева и охлаждения во всем интервале температур структурных превращений углеродистых сталей, включая температуры аустенитно-перлитного превращения, соответствующие температурному интервалу 800 ..500 °С, разработана методика перестроения диаграммы в координатах Т - полученной на основе расчета по программе МГТУ им. Баумана, в диаграмму в координатах Т - w8,7.

5. Для реализации методики решения стационарных и нестационарных тепловых, деформационных и нестационарных термодеформационных задач в нелинейной, неизотермической постановке автором совместно с рядом специалистов разработан программный комплекс необходимого уровня, обеспечивающий возможность проведения анализа

кинетики тепловых и деформационных процессов в пространственных элементах конструкций подвижного состава.

ПК содержит ряд новых блоков и процедур, разработанных лично автором и связанных с введением в излагаемой работе более совершенной физической модели материала и анализа протекающих процессов на основе учета в каждой точке тела (модели) структурных составляющих или их смесей, обусловленных спецификой предшествующих теплофизических процессов, а также температурой и параметрами теплофизического процесса в рассматриваемой точке тела в данный момент времени.

Проведена верификация методического и программного обеспечения путем сравнения результатов расчетов с результатами аналитических решений и экспериментальных данных полученных другими авторами.

6. На основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упругопластической области, а также накопления остаточных деформаций и напряжений на предыдущих этапах нагружения разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в наиболее часто повреждаемых зонах: перемычка хвостовика, зона перехода от головы к хвостовику. Для повышения локальной жесткости и перераспределения полей напряжений в зоне перехода предложено ввести в конструкцию дополнительный элемент жесткости, который начинается на вертикальной стенке хвостовика автосцепки, а заканчивается на боковой стенке головы со стороны малого зуба. Сравнительный анализ результатов оценки НДС типовой автосцепки СА-3 и автосцепки усовершенствованной конструкции свидетельствует о том, что максимальные напряжения в зонах концентрации уменьшились на 50 % вследствие их перераспределения по сечению, а области максимальных значений напряжений смещаются от зоны перехода по телу хвостовика к перемычке. На предложения по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки получен патент на изобретение. Учитывая неравномерность распределения силовых потоков по сечению хвостовика, существенное превышение уровня напряжений на вертикальных стенках при относительно низких значениях напряжений на горизонтальных полках, предложено ввести изменения в геометрию поперечного сечения хвостовика, заключающееся в переходе внутреннего контура хвостовика от

прямоугольной формы с ребрами жесткости на горизонтальных полках к овальной форме расчетной геометрии.

7. Проведено компьютерное моделирование контактного взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута с учетом их совместного деформирования и рассмотрения процесса в условиях упругопластического деформирования материала. Это позволило выявить зоны пластического деформирования и причины образования в эксплуатации трещин в центральной части перемычки. Установлено, что при растяжении корпуса автосцепки нормативной нагрузкой 2,5 МН в центральной части перемычки материал деформируется в упругопластической области, причем расстояние зоны пластического деформирования от поверхности контакта с клином в направлении продольной оси автосцепки достигает 18 мм. Максимальные значения интенсивности пластических деформаций составляют е,=0,129 %. Показано, что зона расположения пластических деформаций совпадает с областью формирования трещин в перемычке в эксплуатации, компонента пластической деформации, перпендикулярная продольной оси автосцепки, является деформацией удлинения (ех=0,0136...0,03 %) и представляет собой основную причину образования и развития трещин в этой зоне. Установлено, что при сжатии автосцепки усилием 3 МН максимальные значения интенсивности пластических деформаций в зоне упругопластического деформирования составляют е,=0,0333 %. Наибольшее значение пластической деформации отмечается в горизонтальном направлении, перпендикулярном продольной оси автосцепки (поперечные), которое является деформациями удлинения с абсолютными значениями ех=0,0152...0,0234 %.

При сжатии автосцепки также как и при растяжении в рассматриваемой зоне образуются поперечные пластические деформации удлинения, ответственные за разрушения в этой зоне. Существенным является факт, что при сжатии автосцепки величина пластической деформации удлинения в зоне образования трещин ниже, чем при растяжении и скорость роста трещины при приложении растягивающей нагрузки в рассматриваемой зоне соответственно выше.

При повторных нагружениях возникают напряжения противоположного знака, что приводит к работе материала в зоне перемычки хвостовика в условиях знакопеременного циклического

нагружения наиболее опасного с позиции образования и развития трещиноподобных дефектов, что и наблюдается в эксплуатации.

Таким образом, установлены основные положения модели образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика.

Другим важным конструктивным решением в зоне перемычки хвостовика, направленным на перераспределение контактного давления со стороны клина, является введение плоской площадки на поверхности контакта перемычки хвостовика и аналогичной плоской площадке на клине тягового хомута (патент на изобретение).

Указанные выше изменения конструкции хвостовика и клина приводят к существенному изменению НДС в этой зоне и работе материала в упругой области, что способствует повышению эксплуатационных характеристик этих конструктивных элементов и снижает вероятность образования трещин.

8. Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термического воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе решения нелинейной и нестационарной задачи теплопроводности и термоупруго пластичности обеспечило возможность проведения уточненной оценки теплового, структурного и напряженно-деформированного состояния ЦКК по всему объему как в процессе проведения термообработки, так и после завершения процесса. На основе проведенных исследований установлено, что максимальные значения напряжений в ободе ЦКК имеют место на этапе завершения процесса охлаждения при закалке и мало зависят от времени закалки. Максимальные значения интенсивности напряжений о,- отмечаются на охлажденных поверхностях: поверхности катания, гребня и на боковых поверхностях обода. Окружные напряжения имеют наибольшие значения по сравнению с радиальными и осевыми и близки к <гт колесной стали в состоянии закалки.

Схема и уровень остаточных напряжений в ЦКК после термообработки существенно зависит от времени закалки и схемы охлаждения спрейерами поверхности обода колеса. Установлено, что наиболее неблагоприятная схема охлаждения с позиции НДС обода соответствует варианту охлаждения поверхности катания и гребня с двух сторон. В этом случае в момент окончания закалки в центре гребня, имеющего структуру троостита возникает схема трехосного (объемного)

растяжения с компонентами ог=+541 МПа, о0=+315МПа, о@=+978 МПа. Такая схема наиболее опасна с позиции возможности образования здесь трещиноподобных дефектов, что соответствует данным эксплуатации ЦКК.

9. Установлено, что проведение отпуска при 500 °С в течении 3 часов приводит к существенному снижению максимальных значений остаточных напряжений в ЦКК. После отпуска значения интенсивности остаточных напряжений снижаются почти в три раза по сравнению с аналогичными данными после закалки. Максимальные значения остаточных растягивающих окружных напряжений снижаются и не превышают +260 МПа.

Изменение температуры отпуска после закалки с 500 до 300 °С является весьма существенным фактором, определяющим как увеличение растягивающих остаточных напряжений почти в 2 раза, так и увеличение в поверхностных слоях обода более твердых и малопластичных структур, что, как установлено на практике, приводит к хрупкому разрушению цельнокатаного колеса как после изготовления на заводе, так и после короткого периода эксплуатации.

Результаты расчетов подтверждены экспериментальными измерениями величин остаточных напряжений, проведенными на Выксунском металлургическом заводе совместно с представителями ВНИИЖТ и завода с использованием неразрушающего магнитоупругого метода, тензометрирования, а также рентгенографического методов (имеется акт внедрения).

Для повышения качества цельнокатаных колес предложена методика по применению заводского неразрушающего контроля остаточных напряжений при термической обработке на основе сочетания инструментальных методов контроля и результатов компьютерного моделирования.

На основании проведенных работ предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса термической обработки ЦКК и контроля остаточных напряжений, которые переданы ВНИИЖТ и ВМЗ для апробации на опытных образцах.

10. Разработана методика применения магнитоупругого метода для оценки НДС конструкций подвижного состава, основанная на применении стандартных приборов ИМН-3 и ИМН-4, получении на основе специальных

испытаний характеристик соответствующих материалов исследуемых конструкций и разработке схем и методик измерений в зависимости от особенностей геометрии исследуемого объекта. Результаты измерений остаточных напряжений после термообработки ЦКК на партии колес на Выксунском металлургическом заводе показали хорошее соответствие полученных результатов с измерениями, полученными другими методами (тензометрия), а также с результатами расчетов. Показана принципиальная возможность и построены номограммы для определения остаточных напряжений в ЦКК после термической обработки. Установлено, что предложенная методика может быть основой для проведения 100 % неразрушающего заводского контроля остаточных напряжений в ЦКК. При этом предложенный метод отличается малыми сроками и простотой реализации, а также относительно невысокой стоимостью необходимого комплекта оборудования. Разработан проект «Инструкции» для контроля остаточных напряжений в ЦКК магнитоупругим методом после полного цикла изготовления и проведен контроль партии колес в заводских условиях. Проект «Инструкции» передан ВМЗ для рассмотрения.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Саврухин A.B. Анализ напряженно-деформированного состояния несущих элементов конструкций подвижного состава при работе материала в упруго-пластической области// Наука и техника транспорта. - 2003.-№4-С.48-51.

2. Повышение безопасности в эксплуатации автосцепок по критерию обеспечения работы в упругой области материала в наиболее нагруженных зонах / Саврухин A.B. // В кн.: Безопасность движения поездов. Материалы науч-практ. конф. - М.: МИИТ, - 2004.-C.VI-24.

3. Патент на изобретение. Узел соединения автосцепки с тяговым хомутом поглощающего аппарата / A.A. Хохлов, A.B. Саврухин. -№2179126; заявл. 5.07.2001; Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.02.2001; приоритет от 5.07.2001.

4. Патент на изобретение. Автосцепное устройство / A.A. Хохлов, A.B. Саврухин. - №2179127; заявл. 5.07.2001; Зарегистрирован в

Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.02.2001; приоритет от 5.07.2001.

5. Саврухин A.B. , Неклюдов А.Н. Тепловые процессы при восстановлении наплавкой фрикционной планки тележки грузового вагона//Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2002.-№7.-С. 16-20.

6. Программный комплекс для компьютерного моделирования термодеформационных процессов с учетом нестационарности процессов нагружения и нелинейности характеристик материала / А.Н. Неклюдов, Д.Н. Абраменко, A.B. Саврухин // Неделя науки 99. Материалы науч-практ. конф. - М.: МИИТ., - 1999,- C.V-19.

7. Компьютерное моделирование тепловых процессов при восстановлении наплавкой элементов подвижного состава/ А.Н. Неклюдов, A.B. Саврухин // Неделя науки 2001: Материалы науч.-практ. конф. - М.: МИИТ., - 2001. - C.XIV-17.

8. Моделирование остаточных напряжений и структурообразования в колесах вагонов. / С.Н. Киселев, И.А. Петрухенцева, A.B. Саврухин и др. // Материалы 2-й Всерос. научно-техн. конф. - Тула, 1998. - С.3-4.

9. Остаточные напряжения в железнодорожных колесах/ A.B. Саврухин, И.А. Петрухенцева, A.C. Киселев // Повышение динамических качеств подвижного состава и поезда в условиях Сибирского региона: Межвуз. сб.-Омск, - 1998. - С. 25-30.

Ю.Компьютерное моделирование тепловых и деформационных процессов при сварке и сопутствующих процессах/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин // Инженерный журнал. Справочник. (Часть 1). - 1998. - №11 (20).-С.25-32. (Часть 2). - 1998. -№12 (20).-С.31-35.

11. Контроль остаточных напряжений в цельнокатаных колесах, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации на основе компьютерного моделирования/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.C. Киселев, И.Л. Пашолок, A.B. Саврухин // Контроль. Диагностика. - 1999. - №4 (Ю).-С.3-13.

12.Контроль напряженно-деформированного и структурного состояния бандажей локомотивов на базе компьютерного моделирования процессов при технологическом и эксплуатационном воздействии/

С.Н. Киселев, A.C. Киселев, Н.Г. Васильев, A.B. Саврухин // Контроль. Диагностика. - 2001. - №4 (34).-С.16-23.

13. Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния при изготовлении колес локомотивов/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.C. Киселев, И.Л. Пашолок, A.B. Саврухин, Н.К. Орлов // Тяжелое машиностроение. - 1999. - №7.-С.24-30.

14.0собенности моделирования деформационных и структурных процессов при воздействии концентрированных источников теплоты / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин // Материалы Всероссийской научно-технической конференции (с Международным участием). - М.: МЭИ. - 2000.-С.379-381.

15.Оценка взаимодействия колеса с рельсом с учетом остаточных напряжений / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов //Тяжелое машиностроение. - 2002. - №12.-С.20-21.

1 б.Расчетно-эксперименталъный метод определения остаточных напряжений с учетом распределения по глубине металла/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов // Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве: Материалы Всероссийской науч-техн. конф. М., МАТИ, - 2003.-С.270-275.

17. Возможности регулирования механических свойств железнодорожных колес при изменении параметров термической обработки/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, Г.Д. Кузьмина // Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2003. - №9.-С.2-5.

18.0ценка кинетики структурных превращений в колесах вагонов при восстановлении наплавкой/ A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов, С.Н. Киселев // Сварка и контроль -2004: Материалы Всероссийской с международным участием науч-техн. конф. - Пермь, 2004.-С.131-132.

19. Stress-strain and lifetime of haTdfaced wheel/ Kiselev S.N., Kiselev A.S., Zainetdinov R.I., Savruhm A.V. // 4-th International conference on railway bogies and running gears. Budapest. Hungary. Sept., 1998.-P.173-182. (Напряженно-деформированное состояние и ресурс цельнокатаных колес вагонов. / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, Р.Н. Зайнетдинов, A.B. Саврухин // Материалы 4й Международной конференции по

железнодорожным тележкам и ходовым частям. Будапешт. Венгрия, 1998.-С.173-182).

20.Влияние подогрева при наплавке цельнокатаных колес вагонов на остаточные напряжения и деформации/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев, Г.Д. Кузьмина, A.B. Саврухин // Сварочное производство. - 1995.-№12-С.3-7.

21. Обоснование минимально допустимой толщины обода ЦКК в эксплуатации по критерию обеспечения безопасности перевозочного процесса / Киселев С.Н., Черкашин Ю.М., Саврухин A.B. // Безопасность движения поездов: Материалы науч-практ. конф. - М., -2004.-C.VI-17.

22. Моделирование напряженно-деформированного состояния колес подвижного состава от эксплуатационных воздействий / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, И.Л. Пашолок // Проблемы взаимодействия колеса и рельса: Материалы Международной конференции ассоциации тяжеловесного движении. М., - 1999.-С.523-526.

23.Применение современных численных методов для анализа тепловых процессов в ответственных элементах подвижного состава / А.Н. Неклюдов, A.B. Саврухин // Неделя науки 2002: Материалы науч-практ конф. - М.: МИИТ. - 2002.-C.XXII-12.

24.Методика оценки кинетики тепловых процессов и структурных превращений в колесах вагонов при технологических и эксплуатационных тепловых воздействиях / А.Н. Неклюдов, С.Н. Киселев, A.B. Саврухин // Наука транспорту Материалы науч-практ. конф. Неделя науки 2003. - М.: МИИТ. - 2003.-C.IV-14.

25.Расчетно-экспериментапьный метод определения остаточных напряжений с учетом распределения по глубине металла / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов // Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве: Сборник докладов ВТНК. - М., - 2003.-С. 270-275.

26.Компьютерная диагностика тепловых процессов в колесах вагонов при различных режимах торможения / С.Н Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов // Контроль. Диагностика. - 2004.-№6.-С.22-26.

27.Напряжённо-деформированное состояние и ресурс колбе подвижного состава при малоцикловых технологических и эксплуатационных воздействиях / В.Г Иноземцев, С.Н. Киселев, A.C. Киселёв, A.B. Саврухин // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта: Материалы Второй международной науч-тенх. конф. - М., -1996. - С.92.

28.Напряженно-деформированное состояние и ресурс восстановленных наплавкой колес подвижного состава при малоцикловых эксплуатационных воздействиях / С.Н. Киселев, А.С.Киселев, А.В.Саврухин, Р.И. Зайнетдинов и др. // Восстановление и упрочнение деталей - современный эффективный способ повышения надежности машин: Материалы конференции. Центральный Российский Дом Знаний, М„ -1997,- С.43-44.

29.Остаточные напряжения и деформации в колесах вагонов при наплавке/ С.Н. Киселев, А.С.Киселев, А.В.Саврухин, И.А. Петрухенцева // Пути развития сварочных технологий на предприятиях Москвы: Материалы конференции. М.: Центральный Российский Дом Знаний. - 1997. - С. 87-88.

ЗО.Кузьмина Г.Д., Киселев С.Н., Саврухин A.B. Исследование влияния тепловых процессов на качество изделий, восстановленных методом наплавки// Ремонт. Восстановление. Модернизация. - 2002.-Jfel-C.21-24.

31.Оценка ресурса элементов конструкций при малоцикловом нагружении с учетом воздействия термического цикла сварки (наплавки) / С.Н. Киселев, А.С.Киселев, Р.И. Зайнетдинов, A.B. Саврухин // Материалы III международного конгресса и выставки «Защита-98». Секция №2. Прочность и оценка остаточного ресурса эксплуатируемых конструкций и оборудования повышенной экологической опасности. - M., - 1998.-С.28.

32.Напряженно-деформированное состояние колес грузовых вагонов при термообработке, восстановлении наплавкой и эксплуатационных нагружениях / С.Н. Киселев, A.B. Саврухин, И.А. Петрухенцева, A.C. Киселев // Сварка и родственные технологии - в XXI век: Тез. докл. HAH Украины. - Киев, - 1998. - С. 56.

33.Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния цельнокатаных колес вагонов от термических и механических эксплуатационных нагрузок/ С.Н. Киселев, Ю.М. Черкашин, A.C. Киселев, A.B. Саврухин // Тяжелое машиностроение.-2005. -№2-С.Зб-42.

10 8 7 1

РНБ Русский фонд

2006-4 7623

Саврухин Андрей Викторович

Совершенствование конструкций массивных несущих деталей подвижного состава на основе анализа напряженно-деформированного состояния при

эксплуатационных и технологических воздействиях 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Подписано к печати -30.06. OS. , Формат 60x90 1/16 Тираж 100 экз.

Объем печ.л. 3.0 Заказ № 4-SS,

127994, г. Москва, ул. Образцова 15. Типография МИИТ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ конструкции и данных по повреждаемости корпусов автосцепок в эксплуатации.

1.2. Анализ конструкции, технологии изготовления и данных по отказам цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации.

1.3. Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых, деформационных и термодеформационных процессов и структурных превращений при технологических воздействиях, связанных с изготовлением, ремонтом и эксплуатацией.

1.4. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования.

2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ, ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ.

2.1. Разработка методики моделирования нелинейных нестационарных процессов теплопроводности применительно к конструктивным элементам железнодорожного транспорта.

2.2. Разработка методов моделирования кинетики НДС в трехмерной постановке применительно к наиболее ответственным элементам конструкций подвижного состава.

2.3. Разработка методики решения нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности применительно к эксплуатационным и технологическим воздействиям на элементы подвижного состава.

2.4. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в колесной стали марки

2.5. Выводы по главе 2.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.

3.1. Принципы построения и требования к программному обеспечению для реализации поставленных задач. Структура программного комплекса.

3.2. Особенности реализации решения трехмерных нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности в объемной постановке.

3.3. Верификация математического аппарата и программного обеспечения.

3.4. Выводы по главе 3.

4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ С УЧЕТОМ РАБОТЫ МАТЕРИАЛА В УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ.

4.1. Моделирование и уточненная оценка НДС наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки на основе использования КЭМ повышенной степени дискретизации. Определение схем и уровня нагрузок, соответствующих переходу материала в упругопластическую область в зонах концентрации напряжений.

4.1.1. Анализ напряженно-деформированного состояния зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба.

4.1.2. Рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в зоне перехода от головы автосцепки к хвостовику и обоснование их эффективности на основе результатов компьютерного моделирования.

4.1.3. Анализ особенностей формирования граничных условий при компьютерном моделировании взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута и упорной плитой.

4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика автосцепки на основе решения задач в упругопластической области с учетом предыстории нагружения при различных схемах и уровне нагруженности в эксплуатации.

4.2.1. Разработка конечно-элементной модели для компьютерного моделирования процессов взаимодействия перемычки хвостовика с упорной плитой и клином тягового хомута.

4| 4.2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии растягивающего усилия на автосцепку в эксплуатации.

4.2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии сжимающих сил, соответствующих нормативным усилиям 3 МН.

4.2.4. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии сил растяжения и сжатия на автосцепку в эксплуатации с учетом предыстории нагружения.

4.2.5. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика автосцепки с измененной конструкцией. Верификация результатов компьютерного моделирования на основе сопоставления результатов расчета с экспериментом.

4.2.6. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции перемычки хвостовика автосцепки. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика предлагаемой конструкции и обоснование эффективности конструктивных изменений на основе результатов компьютерного моделирования.

4.3. Обобщенные рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки на основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упруго-пластической области.

4.4. Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термического воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе разработанной методики и программного обеспечения решения нелинейной нестационарной задачи термоупругопластичности.

4.4.1. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики тепловых процессов, структурообразования и напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса вагона при термической обработке, включающей закалку и последующий отпуск.

4.4.2. Анализ кинетики тепловых и термодеформационных процессов, а также структурных превращений в цельнокатаном колесе при различных режимах закалки и отпуска.

4.5. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологического процесса термической обработки цельнокатаных колес

4.6. Выводы по главе 4.

5. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНО

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В НАИБОЛЕЕ ПОВРЕЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА. ВЕРИФИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ.

5.1. Разработка методики применения магнитоупругого метода для оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций подвижного состава. Основные принципы оценки напряженно-деформированного состояния на основе использования магнитоупругого метода.

5.1.1. Особенности применения магнитоупругого метода для оценки остаточных напряжений в ободе цельнокатаного колеса после термообработки. Анализ результатов экспериментальных исследований и сопоставление с результатами расчетов.

5.2. Разработка расчетно-экспериментального метода заводского контроля остаточных напряжений в цельнокатаных колесах вагонов после термообработки.

5.3. Выводы по главе 5.

Железнодорожный транспорт является основной неотъемлемой частью • всего транспортного комплекса Российской федерации. На его долю приходится приблизительно две трети общего грузооборота по магистральным железным дорогам и около половины пассажирских перевозок в межобластном, пригородном и городском сообщении. От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.

Сложные процессы реформирования экономики в последние десятилетия существенно осложнили условия, в которых работает железнодорожный транспорт. Дробление единой сети железных дорог и раздел подвижного состава между отдельными государствами СНГ способствовало увеличению интенсивности эксплуатации подвижного состава. ^ Как показывает анализ отцепок вагонов в текущий ремонт, свыше 40 % приходится на неисправность ходовых частей и автосцепного оборудования.

Наибольшую опасность для безопасности движения представляют хрупкие разрушения элементов ходовых частей и автосцепного устройства в эксплуатации, связанные с зарождением и развитием трещиноподобных дефектов. Особую озабоченность вызывает значительное количество обрывов и саморасцепов автосцепного устройства в эксплуатации. Так, например, по данным статистической отчетности в 1999 году на сети ж. д. России имели место 74 случая обрыва автосцепных устройств и 80 случаев саморасцепов автосцепок. Следует отметить, что 78,8 % всех случаев обрывов произошли по корпусу автосцепки, а 21,2 % по тяговому хомуту. Обрывы корпусов автосцепок имели место по следующим зонам: зона перехода от головы к хвосто-^ вику - 28,3 %, перемычка хвостовика - 34,8 %, средняя часть хвостовика

23,9 %, в зоне большого зуба - 13 %. Очевидно, что наибольшее количество обрывов корпусов автосцепок в эксплуатации в 1999 году приходилось на долю перемычки хвостовика и зоны перехода от головы к хвостовику. В последние годы количество обрывов корпусов по перемычке возросло до 80 %.

Имевшая место положительная динамика снижения количества обрывов деталей автосцепного устройства с 1995 г. (158 случаев) по 1999 г. (74 случая) объясняется скорее не объективными причинами, связанными с повышением прочностных свойств элементов автосцепного устройства, обусловленных конструктивными изменениями, совершенствованием технологии изготовления или применяемых материалов, а субъективными причинами, обусловленными негативными процессами в экономике и, как следствие, снижением интенсивности эксплуатации подвижного состава и массы поездов.

Наиболее тяжелые материальные последствия имеют место при возникновении трещин и изломов в ободе, диске и ступице колеса, которые яв-щ ляются следствием дефектов металлургического и прокатного производства неудовлетворительной термообработки, неметаллических включений и расслоений металла, неровностей от прокатки, а также возникают от накопления остаточных напряжений. Вплоть до последнего времени разрушения отечественных вагонных колёс в эксплуатации были связаны с зарождением и ростом усталостных трещин в приободной части дисков колёс. Однако, в 1999 году наблюдались случаи разрушения колёс грузовых вагонов, причиной которых явилась недостаточная регламентация уровня остаточных технологических напряжений в ободьях колёс.

Кинетика напряженно-деформированного состояния колеса в эксплуатации определяется схемой и уровнем остаточных напряжений, сформировавшихся в процессе термообработки колеса при изготовлении, а также на-ф пряженным состоянием, связанным с эксплуатационным механическим и тепловым нагружением. Уровень остаточных технологических напряжений в колесе, с которыми оно вступает в эксплуатацию, в ряде случаев является одним из основных показателей качества надежности и долговечности. Сочетание напряженно-деформированного состояния, определяемого эксплуатационным нагружением с остаточными технологическими напряжениями при неблагоприятных условиях, например, при пониженной температуре, наличии микродефекта или локальных отклонений в формировании микроструктуры, может привести к образованию трещин в диске или хрупкому излому колеса, что неоднократно подтверждалось результатами экспертиз изломов колеса.

На практике возникает необходимость в адекватной оценке напряженно-деформированного состояния элемента конструкции от действующих эксплуатационных нагрузок, в оценке прочности и определении возможных причин преждевременного отказа отдельных элементов и конструкции в целом. В этом случае анализ необходимо начинать с оценки исходного напряженно - деформированного состояния (НДС), связанного с технологическими ^ операциями изготовления, с которым эта конструкция поступает в эксплуатацию, что трудно выполнимо на практике.

Развитие математических методов моделирования нестационарных процессов и многофакторного анализа текущего состояния системы в сочетании с развитием средств программирования и вычислительной техники позволили в последние годы качественно изменить систему проектирования и контроля текущего состояния машиностроительных конструкций. Уточненная оценка кинетики тепловых и деформационных процессов на основе результатов компьютерного моделирования позволила существенно сократить долю экспериментальной составляющей при разработке новых перспективных конструкций и экспертной оценки причин разрушений. Кроме того, это дало возможность разрабатывать принципиально новые методы анализа и ф контроля текущего состояния элементов конструкций на основе сочетания принципов компьютерного моделирования и инструментальных средств.

Повышение работоспособности наиболее ответственных элементов конструкций подвижного состава железных дорог путем совершенствования их конструкций, технологии изготовления и ремонта на основе развития методов и средств проектирования и оценки напряженно-деформированного состояния на всех этапах изготовления, ремонта и эксплуатации является актуальной задачей.

Выражаю благодарность д.т.н., профессору Хохлову A.A. за большую помощь и поддержку при выполнении данной работы и участие в обсуждении получаемых результатов.

5.3. Выводы по главе 5

1. Разработана методика применения магнитоупругого метода для оценки НДС конструкций подвижного состава, основанная на применении стандартных приборов ИМН-3 и ИМН-4, получении на основе специальных испытаний характеристик соответствующих материалов исследуемых конструкций и разработке схем и методик измерений в зависимости от особенностей геометрии исследуемого объекта.

2. Результаты измерений остаточных напряжений после термообработки ЦКК партии колес на Выксунском металлургическом заводе показали вполне удовлетворительное соответствие полученных результатов с измерениями, полученными другими методами (тензометрия, лазерная интерферен-тмия), а также с результатами расчетов.

3. Показана принципиальная возможность и построены номограммы для определения остаточных напряжений в ЦКК после термической обработки. Установлено, что разработанная методика может быть основой для проведения 100 % неразрушающего заводского контроля остаточных напряжений в ЦКК. При этом предложенный метод отличается малыми сроками и простотой реализации, а также относительно невысокой стоимостью необходимого комплекта оборудования.

4. Разработан проект «Инструкции» для контроля остаточных напряжений в ЦКК магнитоупругим методом после полного цикла изготовления, а также проведен контроль партии колес в заводских условиях. Проект «Инструкции» передан ВМЗ для рассмотрения и использования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведенный анализ состояния проблемы, связанной с обеспечением работоспособности в эксплуатационных условиях наиболее ответственных элементов конструкций подвижного состава свидетельствует о том, что до настоящего времени имеют место факты разрушения элементов конструкций подвижного состава, таких, как автосцепка, цельнокатаные и бандажирован-ные колеса и ряд других.

Анализ многолетних наблюдений по отказам корпусов свидетельствует о том, что на долю трещин по перемычке хвостовика и зоне перехода в совокупности с «выпучиванием» боковой стенки, приходится до 80% всех дефектов. Это свидетельствует о необходимости совершенствования конструкции корпуса автосцепки с целью снижения концентрации напряжений в наиболее повреждаемых зонах, перераспределению силовых потоков между наиболее и наименее нагруженными областями.

Анализ данных по отказам цельнокатаных колес в эксплуатации свидетельствует о том, что наиболее тяжелые последствия имеют место при возникновении трещин и изломов в ободе, диске и ступице колеса, которые являются либо следствием наличия дефектов металлургического и прокатного производства, или отклонениями в термической обработке, наличием существенных временных и остаточных напряжений.

2. На основе использования основных положений теории теплоперено-са и метода конечных элементов разработана методика для проведения компьютерного моделирования тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке в пространственных трехмерных конструкциях железнодорожной техники. Новизна разработанной методики заключается в том, что обеспечена возможность оценки и корректировки значений теплофизических характеристик и свойств материала в каждой точке конструкции с учетом ее текущего теплового состояния, а также структурного состава, сформировавшегося на предыдущих шагах решения.

Для проведения анализа напряженно-деформированного состояния конструкций подвижного состава железнодорожной техники с учетом возникновения и накопления пластических деформаций использованы основные положения теории малых упругопластических деформаций, а также теории пластического течения. Для решения задачи упругопластического деформирования использован метод начальных напряжений и физическая модель идеального упругопластического тела. С целью снижения количества итераций на отдельных шагах решения и сокращения времени расчета при формировании вектора невязки условия равновесия системы и использовании объемных 8й узловых изопараметрических КЭ, рассматриваются только КЭ, в которых протекают пластические деформации на текущем шаге решения. Правомочность такого подхода доказана на ряде верификационных примеров.

3. В отличие от ранее известных разработок для решения нестационарной задачи термоупругопластичности в нелинейной неизотермической постановке разработана методика разделения решения деформационной части задачи теплового нагружения конструкции с выделением приведения предела текучести к новому значению в отдельный этап решения деформационной задачи. Применение разработанной методики обеспечило устойчивое решение задачи при сложном нагружении, включая этапы как нагрева (понижении предела текучести и накоплении пластических деформаций), так и охлаждения.

Для уточненной оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкции на различных этапах изготовления, эксплуатации и ремонта разработан алгоритм решения задач моделирования кинетики теплового состояния, НДС и структурных превращений при последовательном воздействии любых технологических и эксплуатационных видов нагружений, когда при определенном виде воздействия новое состояние конструкции определяется с учетом начального поля напряжений, деформаций и состояния металла в каждой точке КЭ от предыдущих воздействий.

4. Для обеспечения наиболее полного соответствия физической модели материала его действительному состоянию при эксплуатационных и технологических нагревах механические свойства при решении задач термоупру-гопластичности определялись с учетом наличия в каждом конечном элементе смеси различных структурных составляющих, которые определялись на каждом шаге решения. Для этого разработана методика анализа кинетики структурных превращений во всем температурном диапазоне существования ау-стенита (от начала а - у превращения до подсолидусных температур), основанная на использовании серии диаграмм анизотермического распада аусте-нита при охлаждении колесной стали с различных максимальных температур от 900 °С до 1350 °С. При этом обеспечена возможность рассмотрения процессов с учетом незавершенности структурных превращений при нагреве и охлаждении, на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения.

Для обеспечения компьютерного моделирования процесса структуро-образования в процессе нагрева и охлаждения во всем интервале температур структурных превращений углеродистых сталей, включая температуры ау-стенитно-перлитного превращения, соответствующие температурному интервалу 800.500 °С, разработана методика перестроения диаграммы в координатах Т - \Уб/5, полученной на основе расчета по программе МГТУ им. Баумана, в диаграмму в координатах Т - \у8/7.

5. Для реализации методики решения стационарных и нестационарных тепловых, деформационных и нестационарных термодеформационных задач в нелинейной, неизотермической постановке автором совместно с рядом специалистов разработан программный комплекс необходимого уровня, обеспечивающий возможность проведения анализа кинетики тепловых и деформационных процессов в пространственных элементах конструкций подвижного состава.

ПК содержит ряд новых блоков и процедур, разработанных лично автором и связанных с введением в излагаемой работе более совершенной физической модели материала и анализа протекающих процессов на основе учета в каждой точке тела (модели) структурных составляющих или их смесей, обусловленных спецификой предшествующих теплофизических процессов, а также температурой и параметрами теплофизического процесса в рассматриваемой точке тела в данный момент времени.

Проведена верификация методического и программного обеспечения путем сравнения результатов расчетов с результатами аналитических решений и экспериментальных данных полученных другими авторами.

6. На основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упругопластической области, а также накопления остаточных деформаций и напряжений на предыдущих этапах нагружения разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в наиболее часто повреждаемых зонах: перемычка хвостовика, зона перехода от головы к хвостовику. Для повышения локальной жесткости и перераспределения полей напряжений в зоне перехода предложено ввести в конструкцию дополнительный элемент жесткости, который начинается на вертикальной стенке хвостовика автосцепки, а заканчивается на боковой стенке головы со стороны малого зуба. Сравнительный анализ результатов оценки НДС типовой автосцепки СА-3 и автосцепки усовершенствованной конструкции свидетельствует о том, что максимальные напряжения в зонах концентрации уменьшились на 50 % вследствие их перераспределения по сечению, а области максимальных значений напряжений смещаются от зоны перехода по телу хвостовика к перемычке. На предложения по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки получен патент на изобретение. [166]. Учитывая неравномерность распределения силовых потоков по сечению хвостовика, существенное превышение уровня напряжений на вертикальных стенках при относительно низких значениях напряжений на горизонтальных полках, предложено ввести изменения в геометрию поперечного сечения хвостовика, заключающееся в переходе внутреннего контура хвостовика от прямоугольной формы с ребрами жесткости на горизонтальных полках к овальной форме расчетной геометрии.

7. Проведено компьютерное моделирование контактного взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута с учетом их совместного деформирования и рассмотрения процесса в условиях упругопластическо-го деформирования материала. Это позволило выявить зоны пластического деформирования и причины образования в эксплуатации трещин в центральной части перемычки. Установлено, что при растяжении корпуса автосцепки нормативной нагрузкой 2,5 МЫ в центральной части перемычки материал деформируется в упругопластической области, причем расстояние зоны пластического деформирования от поверхности контакта с клином в направлении продольной оси автосцепки достигает 18 мм. Максимальные значения интенсивности пластических деформаций составляют 81=0,129 %. Показано, что зона расположения пластических деформаций совпадает с областью формирования трещин в перемычке в эксплуатации, компонента пластической деформации, перпендикулярная продольной оси автосцепки,, является деформацией удлинения (ех=0,0136.0,03 %) и представляет собой основную причину образования и развития трещин в этой зоне. Установлено, что при сжатии автосцепки усилием 3 МН максимальные значения интенсивности пластических деформаций в зоне упругопластического деформирования составляют £¡=0,0333 %. Наибольшее значение пластической деформации отмечается в горизонтальном направлении, перпендикулярном продольной оси автосцепки (поперечные), которое является деформациями удлинениях абсолютными значениями ех=0,0152.0,0234 %.

При сжатии автосцепки также как и при растяжении в рассматриваемой зоне образуются поперечные пластические деформации удлинения, от-Ф ветственные за разрушения в этой зоне. Существенным является факт, что при сжатии автосцепки величина пластической деформации удлинения в зоне образования трещин ниже, чем при растяжении и скорость роста трещины при приложении растягивающей нагрузки в рассматриваемой зоне соответственно выше.

При повторных нагружениях возникают напряжения противоположного знака, что приводит к работе материала в зоне перемычки хвостовика в условиях знакопеременного циклического нагружения наиболее опасного с позиции образования и развития трещиноподобных дефектов, что и наблюдается в эксплуатации.

Таким образом, установлены основные положения модели образования ^ и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика.

Другим важным конструктивным решением в зоне перемычки хвостовика, направленным на перераспределение контактного давления со стороны клина, является введение плоской площадки на поверхности контакта перемычки хвостовика и аналогичной плоской площадке на клине тягового хомута. Данные рекомендации защищены патентом на изобретение [165].

Указанные выше изменения конструкции хвостовика и клина приводят к существенному изменению НДС в этой зоне и работе материала в упругой области, что способствует повышению эксплуатационных характеристик этих конструктивных элементов и снижает вероятность образования трещин.

8. Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термическо-* го воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе решения нелинейной и нестационарной задачи теплопроводности и термоуп-ругопластичности обеспечило возможность проведения уточненной оценки теплового, структурного и напряженно-деформированного состояния ЦКК по всему объему как в процессе проведения термообработки, так и после завершения процесса. На основе проведенных исследований установлено, что максимальные значения напряжений в ободе ЦКК имеют место на этапе завершения процесса охлаждения при закалке и мало зависят от времени закалки. Максимальные значения интенсивности напряжений а; отмечаются на охлажденных поверхностях: поверхности катания, гребня и на боковых поверхностях обода. Окружные напряжения имеют наибольшие значения по сравнению с радиальными и осевыми и близки к ат колесной стали в состоянии закалки.

Схема и уровень остаточных напряжений в ЦКК после термообработки существенно зависит от времени закалки и схемы охлаждения спрейерами поверхности обода колеса. Установлено, что наиболее неблагоприятная схема охлаждения с позиции НДС обода соответствует варианту охлаждения поверхности катания и гребня с двух сторон. В этом случае в момент окончания закалки в центре гребня, имеющего структуру троостита возникает схема трехосного (объемного) растяжения с компонентами аг=+541 МПа, ст0=+315 МПа, а©=+978 МПа. Такая схема наиболее опасна с позиции возможности образования здесь трещиноподобных дефектов, что соответствует данным эксплуатации ЦКК.

9. Установлено, что проведение отпуска при 500 °С в течении 3 часов приводит к существенному снижению максимальных значений остаточных напряжений в ЦКК. После отпуска значения интенсивности остаточных напряжений снижаются почти в три раза по сравнению с аналогичными данными после закалки. Максимальные значения остаточных растягивающих окружных напряжений снижаются и не превышают +260 МПа.

Изменение температуры отпуска после закалки с 500 до 300 °С является весьма существенным фактором, определяющим как увеличение растягивающих остаточных напряжений почти в 2 раза, так и увеличение в поверхностных слоях обода более твердых и малопластичных структур, что, как установлено на практике, приводит к хрупкому разрушению цельнокатаного ф колеса как после изготовления на заводе, так и после короткого периода эксплуатации.

Результаты расчетов подтверждены экспериментальными измерениями величин остаточных напряжений, проведенными на Выксуиском металлургическом заводе совместно с представителями ВНИИЖТ и завода с использованием неразрушающего магнитоупругого метода, тензометрирования, а также рентгенографического методов (имеется акт внедрения).

Для повышения качества цельнокатаных колес предложена методика по применению заводского неразрушающего контроля остаточных напряжений при термической обработке на основе сочетания инструментальных методов контроля и результатов компьютерного моделирования. ® На основании проведенных работ предложены рекомендации по совершенствованию технологического процесса термической обработки ЦКК и контроля остаточных напряжений, которые переданы ВНИИЖТ и ВМЗ для апробации на опытных образцах.

10. Разработана методика применения магнитоупругого метода для оценки НДС конструкций подвижного состава, основанная на применении стандартных приборов ИМН-3 и ИМН-4, получении на основе специальных испытаний характеристик соответствующих материалов исследуемых конструкций и разработке схем и методик измерений в зависимости от особенностей геометрии исследуемого объекта. Результаты измерений остаточных напряжений после термообработки ЦКК на партии колес на Выксунском металлургическом заводе показали хорошее соответствие полученных результатов с измерениями, полученными другими методами (тензометрия), а также с результатами расчетов. Показана принципиальная возможность и построены номограммы для определения остаточных напряжений в ЦКК после термической обработки. Установлено, что предложенная методика может быть основой для проведения 100 % неразрушающего заводского контроля остаточных напряжений в ЦКК. При этом предложенный метод отличается малыми сроками и простотой реализации, а также относительно невысокой стоимостью необходимого комплекта оборудования. Разработан проект «Инструкции» для контроля остаточных напряжений в ЦКК магнитоупругим методом после полного цикла изготовления и проведен контроль партии колес в заводских условиях. Проект «Инструкции» передан ВМЗ для рассмотрения.

1. Вагоны / Л. А. Шадур, И. И. Челноков, Л. Н. Никольский и др. -М., Транспорт, 1980. -439с.

2. Технология вагоностроения и ремонта вагонов / В.И. Безценный и др. М., Транспорт, 1976, -432 с.

3. Расчетная оценка сопротивления автосцепки малоцикловой усталости / Л.Н. Никольский, И.С. Петрунина // В кн.: Вопросы исследования надежности и динамики элементов подвижного состава железных дорог (тр. БИТМ, вып. XXIY). Брянск. - 1971. - С.16-23.

4. Продольная динамика вагонов в грузовых поездах / C.B. Вершинский//Труды ВНИИЖТ, вып.143. М.:Трансжелдориздат, -1957.-263с.

5. Долматов A.A. Теоретическое и экспериментальное исследование прочности автосцепки. Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., ВНИИЖТ., 1953.-8с.

6. Костина H.A. Исследование повреждаемости и разработка предложений по повышению надежности корпуса автосцепки железнодорожного подвижного состава. Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., ВНИИЖТ., 1980. 16с.

7. Коломийченко В.В., Отвечалин В.И. Усталостная и статическая прочность автосцепки// Железнодорожный транспорт, 1976.-№5.-С.64-67.

8. Татаринцев В.А. Обоснование уровня прочностной надежности литых деталей грузовых вагонов и его обеспечение за счет механических свойств материала. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Брянск, БИТМ. 1984.* 20с.

9. Исследование влияния автосцепных устройств на поперечные силы при сжатии с введением стабилизирующего шарнира и выбор его характеристик / В.Н. Максимов // Отчет о НИР. Госрегистрация № 01.77.008656. МИИТ. М. 1979.

10. Исследование напряженно-деформированного состояния автосцепки четырехосных вагонов повышенной массы / A.A. Хохлов // Отчет о НИР. Тема №64/86. Госрегистрация № 01.86.0085363. МИИТ, М. 1986.

11. Уточнение характеристик нагруженности вагона продольными силами через автосцепку / Костенко Н. А. // Вестник ВНИИЖТ. Вып. 4. -1981.-С. 36-39.

12. Костенко Н; А. Прогнозирование надежности транспортных машин // М.: Машиностроение. 1989. -240с.

13. Вопросы исследования надежности и динамики элементов подвижного состава железных дорог // Тр. БИТМ, вып.ХХ1У. 1971; - 196с.

14. Разработка методики усталостных испытаний автосцепки и анализ влияния основных параметров автосцепки на ее прочность / Л.Н. Никольский и др. // Архив БИТМ. Брянск. 1971.

15. Совершенствование автосцепного устройства. Стендовые испытания перспективного автосцепного устройства / И.Б. Феоктистов и др. // Отчет о НИР. Тема И-545-В-80 р.2, Госрегистрация №30058467. Архив ВНИИЖТ.

16. Испытания новых образцов автосцепного устройства и разработка предложений по повышению надежности существующих конструкций // Промежуточный отчет о НИР. Тема № 07.1.92.89.90.93, ВНИИЖТ. М. 1989.

17. Испытания автосцепного устройства для перспективных условий эксплуатации // Отчет о НИР. Тема № 07.01.50.86.88.90. ВНИИЖТ. М. -1988.

18. Карабан Л. А. Прочность корпуса автосцепки в области проушины с учетом особенностей контактного взаимодействия с клином. Автореферат дисс. канд. техн. наук. Брянск. 1996. - 22с.

19. Исследование напряженного состояния большого зуба автосцепки / С.И. Лиляев, Л.Г. Панкова, A.B. Чечетов // В сб. Динамика и прочность транспортных машин и ПТМ. Тула.: ТИН. 1976. - С.30-37.

20. Костенко H.A., Сакало В.И., Чечетов A.B. К оценке прочности натурных литых деталей. Проблемы прочности. 1979. №9. с. 110-115.

21. Прочность при малом числе циклов нагружения / С.В. Серенсен и др. М.: Наука. 1969. - 258 с.

22. Махутов H.A. Деформационные критерии малоциклового и хрупкого разрушения. Автореферат дисс. д-ра. техн. наук. ИМАШ. М-1973. -71с.

23. Даунис М.А. Закономерности малоциклового деформирования и разрушения с учетом внутренней и внешней нестационарности. Автореферат дисс. д-ра. техн. наук. КПИ. 1979. - 50с.

24. Бекерман А.Ф. Повышение надежности корпуса автосцепки в условиях интенсивной эксплуатации (по критерию усталостного разрушения). Автореферат дисс. канд. техн. наук. ВНИИЖТ. М. - 1988. - 23с.

25. Расчетная оценка параметров усталости корпуса автосцепки / Шлюшенков А.П. // Вестник ВНИИЖТ. №6. М. - 1977. - С.28-30.

26. Шоташвили Автореферат дисс. канд. техн. наук. М. ВНИИЖТ. -1988.-23с.

27. Колеса цельнокатаные. ГОСТ 10791-89. М.: Издательство стандартов. 1989.-10 с.

28. Перспективные направления работ в области повышения износостойкости, восстановления и упрочнения железнодорожных колес / С.Н. Киселев, И.Л. Пашолок // Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте: Тез. докл. конф. М.:МИИТ. - 1988.

29. Прогнозирование предела выносливости и циклической несущей способности цельнокатаных колес вагонов / JIM. Школьник, A.C. Сунруров // Вестник ВНИИЖТ. №6. М. - 1983 - С.39-35.

30. Исследования в опытных составах / В.А. Иванов, М.В. Орлов, A.A. Пранов, A.A. Соломенников, Ю.В. Зыков, Н.Ф. Сирина // Жел.дор. транспорт. №12 1996.- С.32-35

31. Об остаточных напряжениях в цельнокатаных железнодорожных колесах / Ларин Т.В., Узлов И.Г., Мирошниченко Н.Г., Шевченко В.И., Узлов В.И., Староселецкий М.И. // Вестник ВНИИЖТ. №7 1978.

32. Нормативные материалы по контролю вагонных колес, соответствующие новому Европейскому стандарту ЕЙ 13262 7 Отчет о НИР. Рук. С.Н.

33. Киселев // МИИТ. М. - 2000 -173с.

34. Нормы для расчета и: проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / ГосНИИВ-ВНИИЖТ, М.-1996.-319с.

35. Разрушение: В 7-ми т./ Под ред. Г. Либовица. М. -1973-1977. -Т.1-6.

36. Механика разрушений и прочность материалов. Т. 1-5 / В. В. Па-насюк и др. Наукова думка. Киев. 1988.

37. Николаев Г. А., Винокуров В. А. Сварные конструкции, расчет и проектирование / М., Высшая школа. 1990. 446с.

38. Панасюк В. В. Механика квазиупругого разрушения материалов // Киев., Наукова думка. 1991. —409 с.

39. Мешков Ю. Я., Пахаренко Г. А. Структура металла и хрупкостьстальных изделий//Киев., Наукова думка. 1985. 268 с.

40. Статистическая прочность и механика разрушения сталей// Сб. науч. тр., пер. с нем., (ред. Даль В., Антон В.). М., Металлургия. 1986. -566 с.

41. Сварка в машиностроении // Справочник, т. 3, /под ред. Винокурова В. А. / М., Машиностроение. 1979. -567с.

42. Когаев В. П., Махутов Н. А., Гусенков А. П. Расчеты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность//Справочник. М., Машиностроение. 1985. -223с.

43. Прочность сварных соединений при переменных нагрузках / Под. ред. В.И. Труфякова. Киев., Наукова думка. 1990. -256 с.

44. Винокуров В. А., Куркин С. А., Николаев Г. А. Сварные конструкции. Механика разрушения и критерии работоспособности // М., Машиностроение. 1996. -576 с.

45. Прочность и безотказность подвижного состава железных дорог/ А. Н. Савоськин, Г. П. Бурчак, А. П. Матвеевичев и др.; Под общ. ред. А. Н. Савоськина. М., Машиностроение. 1990. -288с.: ил.

46. Савоськин А. Н. Об учете влияния характеристик экипажа и пути на возмущения, вызывающие вертикальные колебания рельсовых экипажей // Межвуз. сборн. науч. тр. / МИИТ. -Вып. 329. 1970. -С.14-32.

47. Савоськин А. Н., Сердобинцев Е. В. Надежность несущих деталей подвижного состава при усталостных повреждениях // Вестник ВНИИЖТ. № 7. 1984. С.33-36.

48. Савоськин А. Н., Франц В. В. Прогнозирование надежности несущих деталей при внезапных отказах // Проблемы прочности. № 6.-1984.-С.103-107.

49. Савоськин А. Н., Сердобинцев Е. В. Надежность деталей при постепенных отказах, вызванных накоплением усталостных повреждений / Надежность и контроль качества. Ежемес. прил. к журналу Стандарты и качество. №11.-1986-С.13-19.

50. Киселев С. Н., Зайнетдинов Р. И. Оценка показателей надежности сварочных узлов, работающих при циклических нагрузках // Сварочное производство. № 5. -1986. -С. 30-32.

51. Киселев С. Н., Бурчак Г. П., Зайнетдинов Р. И. Прогнозирование надежности несущих сварных конструкций грузовых вагонов при усталостных повреждениях // Вестник ВНИИЖТ. №7. -1986. -С. 40-43.

52. Киселев С. Н., Воронин Н. Н., Зайнетдинов Р. И. Метод оценки надежности сварных соединений подвижного состава с учетом пластических деформаций, возникающих в эксплуатации // Межвуз. сборн. науч. тр. / МИИТ. Вып. 783. 1986. -С. 4-13.

53. Киселев С. Н. Внедрение математических методов в исследование технологических процессов резерв повышения надежности транспортных конструкций // Межвуз. сборн. науч. тр. / МИИТ. Вып. 800 - 1988. -С. 4-15.

54. Расчет несущей способности и надежности сварных узлов транспортных конструкций / С. Н. Киселев, Р. И. Зайнетдинов, В. Ю. Шувалов // Математические методы в сварке. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, -1986. -С. 25-32.

55. Воронин Н. Н. Анализ повреждаемости и оценка работоспособности несущих сварных конструкций грузовых вагонов: Автореферат дис. доктора техн. наук: 05.22.07, 05.03.06. /МПС РФ. МИИТ/. -М. - 1994. - 48с.

56. Черкашин Ю. М. Динамика наливного поезда / Труды ЦНИИ МПС. М., Транспорт. Вып. 543. - 1975. -136с.

57. Котуранов В. Н. Методы исследования напряженно-деформированного состояния котлов железнодорожных цистерн: Автореферат дис. доктора техн. наук: 05.05.02 /МПС СССР. МИИТ/. -М. - 1973. -46с.

58. Котуранов В. Н., Глазкова Р. С. Исследование местных напряжений в зоне установки шпангоутов при нагружении оболочки котла цистерны внутренним давлением // Межвуз. сборн. науч. тр. МИИТ. Вып. 368. 1971. -С. 82-101.

59. Котуранов В. Н., Чугунов Г. Ф. Алгоритмы прочностных расчетов цистерн, подкрепленных шпангоутами // Межвуз. сборн. науч. тр. МИИТ. Вып. 368. 1971. -С. 102-127.

60. Котуранов В. Н., Чугунов Г. Ф. Методы определения напряжений в котлах цистерн, дискретно подкрепленных тонкостенными шпангоутами // Тр. ВНИИВ, вып. 14. -1971. -С. 80-98.

61. Котуранов В. Н., Хусидов В. Д., Устич П. А. Нагруженность элементов конструкции вагона// М., Транспорт. 1991. -238с.

62. Опыт эксплуатации и пути дальнейшего снижения металлоемкости восьмиосных цистерн / В; Н. Котуранов и др., М., ВНТО железнодорожников и транспортных строителей. Транспорт. 1988. -56 с.

63. Котуранов В. Н., Азовский А. П., Овечников М. Н. Выбор рациональных параметров оболочки и подкрепляющих элементов котла железнодорожной цистерны / МИИТ. М., 1986. - 8с.: ил. - Деп. в ЦНИИТЭИтяж-маш 06.04.86, № 1639-тм.

64. Котуранов В. Н., Овечников М. Н. Расчет котла цистерны с нерегулярными подкреплениями // Межвуз. сборн. науч. тр. МИИТ. 1986. -Вып. 780. -С. 60-65.

65. Устич П. А., Карпычев В. А., Овечников М. Н. Надежность рельсового нетягового подвижного состава// М.: ИГ "Вариант", 1999. 416 с.

66. Анисимов П. С., Желнин Г. Г., Куликовский Б. С. Допускаемые скорости движения восьмиосных цистерн габарита Т.// Межвуз. сборн. науч. тр. МИИТ. Вып. 780. 1986. -С. 10-26.

67. Хохлов А. А. Решение экстремальных задач динамики вагона// Учебное пособие. М.: МИИТ. -1982. -103с.

68. Быков А. И. Формулы суперэлементов для расчетов кузовов вагонов // Межвуз. сборн. науч. тр. МИИТ. Вып. 677. 1980. -С. 78-82.

69. Устич П. А. Работоспособность и надежность грузового вагона: Автореферат дис. доктора техн. наук: 05.22.07-/МПС СССР. МИИТ/. -М. -1992.-44с.

70. Вагоны. Схемы оценки проектных решений / А. П. Азовский, В. В. Кобищанов, В. Н. Котуранов, В. И. Светлов, В. А. Юхневский. Под ред. В. Н. Котуранова. М., МИИТ. 1999. -186 с.

71. В. В. Кобищанов. Выбор схемы предварительного напряжения пассажирского вагона блочной конструкции// Механика вагонов. Брянск. БГТУ.-1998. -С.61-69.

72. Киселев С.Н., Киселев A.C., Саврухин A.B. Применение компьютерного моделирования при анализе процессов сварки и наплавки// «Автоматизация и современные технологии». №10. М. -1998. С. 12-16.

73. Оценка взаимодействия колеса с рельсом с учетом остаточных напряжений / С.Н. Киселев, A.C. Киселев, A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов // Тяжелое машиностроение. 2002. - №12.-С.20-21.

74. Болотин В. В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений//М., Стройиздат. -1981.-351с.

75. Болотин В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций// М., Машиностроение. 1984. -312 с.

76. Болотин В. В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений// М., Стройиздат. 1981.-351 с.

77. Когаев В. П. Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени//М., Машиностроение. 1993. -364 с.

78. Коллинз Дж. Повреждение матреиалов в конструкциях. Анализ, предсказание, предотвращение. / Пер. с англ. А.М. Васильева. Под ред. Э.И. Григолюка. М., -1984. -624 с.

79. Ларионов В.П. Влияние усталости на хладостойкость сварных соединений//Новосибирск. 1976. - 135 с.

80. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике// Пер. с англ. -М.: Мир.- 1975.-544 с.

81. Винокуров В.А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений// М.: Машиностроение. -1984. 280 с.

82. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций// Киев. Наукова думка. - 1976. - 320 с.

83. Ueda Y., Murakawa Н. New trends of research on mechanics in welding and fabrication in Japan // Trans, of JWRI. 1993. - V. 22, № 2. - P. 189-200.

84. Three dimensional numerical simulation of various thermo-mechanical processes by FEM (Report IV) / Y. Ueda, J. Wang, H.Murakawa, M. Yuan// Trans, of JWRI. 1993. - V. 22, № 2. -P. 289-294.

85. Argyris J., Szimmat L., William K. Computational aspects of welding stress analysis // Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. -1982.-V. 33.-P. 635-666.

86. Куркин А.С. Прямое математическое моделирование процесса разрушения сварных конструкций для определения их прочности и трещино-стойкости: Дис. . докт. техн. наук. М., 1998. - 247 с.

87. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках/ М.: Мир, 1984. - 289 с.

88. Free J., Goff R. Predicting residual stresses in multi-pass weldments with the finite element method // Computers and Structures. 1989. - V. 12, № 2. -P. 365-378.

89. Karlsson R., Josefson B. Three-dimensional finite element analysis of temperatures and stresses in a single-pass butt-welded pipe // Trans. ASME. Journal of Pressure Vessel Technology. 1990. - V. 112, № 1. - P. 76-84.

90. Попова JI.E., Попов А.А. Диаграммы превращения аустенита в сталях и бета-растворах в сплавах титана/ М.:Металлургия. - 1991. - 504 с.

91. Gulick L. Finite element welding computations using general purpose nonlinear analysis codes // ASME Pressure Vessel and Piping div. 1988. - V. 143. -P. 13-22.

92. Leung C., Pick R., Mok D. Finite element modeling of a single passweld // Welding Research Council Bulletin Series. 1990. - № 356. - P. 1-10.

93. Three dimensional numerical simulation of various thermo-mechanical processes by FEM (Report 1) / Y. Ueda, J. Wang, H. Murakawa, M. Yuan // Trans, of JWRI. 1992. - V. 21, № 2. - P.l 11-117.

94. Лошкарев B.E. Математическое моделирование процесса закалки с учетом влияния напряжений на структурные превращения в стали. // Металловедение и термическая обработка металлов. 1986. - № 1 - С. 2-6.

95. Сварка и свариваемые материалы: Справочник: В 3 т. / Под ред. Э.Л.Макарова. М.: Металлургия, 1991. - Т. 1: Свариваемость материалов. -256 с.

96. Температурные поля, деформации и напряжения при наплавке гребней колес вагонов. Отчет о НИР (закл.) / МИИТ; Рук. С.Н. Киселев.142/92; -М., 1992 137 с.

97. Анализ кинетики температурных полей и НДС при восстановлении наплавкой поверхности катания и гребня цельнокатанных вагонных колес. Отчет о НИР (пром.) / МИИТ; Рук. С.Н. Киселев № 159/93; М., 1993 -150 с.

98. Исследование напряженно-деформированного состояния автосцепок четырехосных вагонов и вагонов повышенной массы. Отчет о НИР / МИИТ. Рук. A.A. Хохлов. № 64/86. М., - 1987. - 102 с.

99. Саврухин A.B. Уточненная оценка напряженно-деформированного состояния корпуса автосцепки и совершенствование его конструкции: Дис. . канд. техн. наук. М., 1990. - 224 с.

100. Томленов А.Д. Теория пластического деформирования металлов.

101. М.: Металлургия, 1977. 408 с.

102. Павлович A.A., Куркин A.C. Алгоритм расчета нестационарных температурных полей в массивных деталях // Изв. вузов. Машиностроение.1987. -№2.-С. 102-106.

103. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1979.- 392 е., ил.Ф

104. Ильюшин А.А. Пластичность. М.: Изд-во АН СССР, 1963.376с.

105. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести М.: Машиностроение. -1968. 360 с.

106. Вершинский А.В. Технологичность и несущая способность крановых металлоконструкций// М. -1984. -167 с.

107. Винокуров В .А., Григорьянц А.Г. Теория сварочных деформаций и напряжений// М., -1984. -280 с.

108. А.В. Вершинский, Ж.Н. Касымбек, М.Р. Нургужин, С.С. Базарба-ев. Несущая способность крановых металлоконструкций при пониженных температурах// АЛМАТЫ., «ГЫЛЫМ». 1997. - 308 с.

109. Yamada Y., Yoshimura N., Sakura N. // Int. J. Mech. Sci. 1968. V. 10, №5. P. 643-654

110. Победря Б .E. Численные методы в теории упругости и пластичности//М., 1981.344 с.

111. Морозов Е.М., Никишков Г.П. Метод конечных элементов в механике разрушения// М. -1980. -256 с.

112. Вершинский А.В., Касымбеков Ж.Н. Применение метода конечных элементов при расчете остаточных напряжений и деформаций в сварных крановых металлоконструкциях. //Теория, расчет и исследование подъемно-транспортных машин. М. -1981. -С.3-22.

113. Masubuchi К. Analysis of Welded Structures: Residual Stress, Distortion and their Consequences. Oxford, 1980. 642 p.

114. Аладинский B.B., Маханев B.O. Применение метода конечных элементов для решения некоторых нелинейных задач механики деформируемого твердого тела / Ин-т машиноведения АН СССР. М., 1985. - 9 с, (Деп. в ВИНИТИ, № 8634-В).

115. Махненко В.И. Расчетные методы исследования кинетики сварочных напряжений и деформаций// Киев. Наукова думка. -1976. 320 с.

116. Касаткин Б.С., Кудрин А.Б., Лобанов JI.M. и др. Экспериментальные методы исследований деформаций и напряжений// Справочное пособие. Киев.-1981. -584 с.

117. Макаров Э.Л., Коновалов A.B. Система компьютерного анализа свариваемости и технологии сварки легированных сталей // Сварочное производство. 1995. - № 3. - С. 6-9.

118. Сварка и свариваемые материалы / Под. ред. В.Н. Волченко, Справочник в трех томах. М.: Металлургия. -1991.

119. Исследование напряженно-деформированного состояния автосцепок четырехосных вагонов и вагонов повышенной массы. Отчет о НИР / МИИТ. Рук. A.A. Хохлов. М., -1987. -102 с.

120. Максимов В.Н. Взаимодействие вагонов с автосцепками СА-3 в вертикальной продольной плоскости// Межвуз. сб.науч. тр. МИИТ. -1971. Вып. 331.-С. 35-41.

121. Gladwell G.M.L. Contact Problems in the Classical Theory of Elasticity. Alphen aan den Rijn: Sijthoff and Noordhoff, 1980.

122. К. Джонсон. Механика контактного взаимодействия// М.: МИР. -1989. -512 с.

123. Стародубов К.Ф., Узлов И.Г. Исследование влияния скорости охлаждения на микроструктуру и свойства колесной стали // Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. М., 1959. - С. 125-130.

124. С.Н. Киселев, В.Г. Иноземцев, С.Ю. Петров, A.C. Киселев, Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатанных колесах при различных режимах торможения // Вестник ВНИИЖТ. -1994.- №4.-С.13-17.

125. Выбор показателей свойств колесных и бандажных сталей для существующих и перспективных условий эксплуатации: Отчет о НИР (пром.) / МИИТ; Рук. С.Н. Киселев, М., 1999 -175 с.

126. Sarkar N.K. Kirloskar Electric Co Ltd Bonglore/ AVestern Railway; Krichna Prasad В.N. Bombay/ -1989. - 40 с.

127. Норри Д., де Фриз Ж. Введение в метод конечных элементов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1981.-304 е., ил.

128. Сварка и свариваемые материалы: Справочник: В 3 т. / Под ред. Э.Л.Макарова. М.: Металлургия, 1991. - Т. 1: Свариваемость материалов. -256 с.

129. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

130. Прохоров H.H. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации// М.: Металлургия. - 1979. - 248 с.

131. Карзов Т.П., Леонов В.П., Марголин Б.З. Расчетное определение полей остаточных сварочных напряжений в конструкциях оболочечного типа (Сообщение 1) // Автоматическая сварка. 1992. - № 3. - С. 3-8.

132. Куркин A.C., Киселев A.C. Разработка программного обеспечения для моделирования термонапряженного состояния деталей и его применение для повышения качества сварных конструкций // Труды МВТУ им. Н.Э.Баумана; 1988. - № 511. - С. 89-105.

133. Аладинский В.В., Маханев В.О., Павлович A.A. Профессиональное программное обеспечение для моделирования в задачах индустрии сварки // САПР и экспертные системы в сварке: Сб. статей. Тула: Тульск. гос. техн. ун-т, 1995. - С. 32-36.

134. Малинин H.H. Прикладная теория пластичности и ползучести// М.: Машиностроение, 1968. 360 с.

135. Качанов JI.М Основы теории пластичности / М.: Наука, 1969.420с.

136. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. М.: Наука, 1966.-532 с.

137. Павлович A.A. Разработка метода определения напряженно-деформированного состояния при электрошлаковой сварке плит: Дис. . канд. техн. наук. М., 1987. - 204 с.

138. Европейские нормы EN 13260, 13261, 13262 для колесных пар в сборе, осей, колес и подшипников.

139. Постнов В. А. Численные методы расчета судовых конструкций. JL: Судостроение, 1977.-280 е., ил.

140. Е. Schneider, R. Herzer, IzfP, Saarbrucken; H. Hintze, W. Rode, Bundesbahn-Zentralamt, Minden Qualitats-und Betriebssicherung von Eisenbahradern mittels zerstörungsfreier Ultraschall Spannungsanalyse Deutsche

141. Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prufung e.V.3. Kolloquium Qualitätssicherungdurch Werkstoffprüfung in der Hochschule für Technik und Wirtschaft Zwickau (FH) am 23. und 24. November 1993.

142. Контроль остаточных напряжений в цельнокатаных колесах, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации на основе компьютерно

143. Щ го моделирования/ С.Н. Киселев, A.C. Киселев,

144. A.C. Киселев, И.JI. Пашолок, A.B. Саврухин // Контроль. Диагностика. -1999. №4 (Ю).-С.3-13.

145. Оценка кинетики структурных превращений в колесах вагонов при восстановлении наплавкой/ A.B. Саврухин, А.Н. Неклюдов, С.Н. Киселев // Сварка и контроль -2004: Материалы Всероссийской с международным участием науч-техн. конф. Пермь, 2004.-С.131-132.

146. Орехов Г.Т. Определение остаточных сварочных напряжений магнитоупругим методом. Автоматическая сварка, 1974, №4, с. 30-32.

147. Г.А. Николаев, С.А. Куркин, В.А. Винокуров. Саврные конструкции. Прочность сварных соединений и деформации конструкций. М. «Высшая школа», 1982, в 2 т., том 1, 272 с.

148. Инструкция по проведению оценки напряжений магнитоупругим методом.

149. Семыкин В.Н. Развитие магнитоупругого метода и создание средств определения напряженного состояния конструкций тяжелого машиностроения: Автореф. дис. канд.техн.наук: -М., 1992. -16 е.: ил.

150. Патент на изобретение. Автосцепное устройство / A.A. Хохлов, A.B. Саврухин. №2179127; заявл. 5.07.2001; Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10.02.2001; приоритет от507.2001.т ссш1с1ш1. фшшащшил ИЗОБРЕТЕНИЕ2179126

151. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение

152. УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ АВТОСЦЕПКИ С ТЯГОВЫМ ХОМУТОМ ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА

153. П атентообладател ь( л и):

154. Московский государственный университет путей сообщенияпо заявке № 2001118337. дата поступления: 05.07.2001 Приоритет от 05.07.2001 Автор(ы) изобретения:

155. Хохлов оАлександр сДлекжвн1, Сабрухин сАидрей $>икторови1

156. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 5 июля 2001 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

157. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерацииттжашмм:ил изобретение2179127

158. Российским агентством по патентам и товарным знакам на основании Патентного закона Российской Федерации, введенного в действие 14 октября 1992 года, выдан настоящий патент на изобретение1. АВТОСЦЕПНОЕ УСТРОЙСТВО1. Патентообдадатель(ли):

159. Московский государственный университет путей сообщенияпо заявке 2001118338. дата поступления: 05.07.2001 Приоритет от 05.07.2001 Автор{ы) изобретения:

160. Хохлоб (-Александр сАлекеееёнк, Сабрухнн ^Андрей Зднкшро6и1

161. Патент действует на всей территории Российской Федерации в течение 20 лет с 5 «юля 2001 г. при условии своевременной уплаты пошлины за поддержание патента в силе

162. Зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерацииг. Москва. 10 февраля 2002 г.