автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование методов оценки несущей способности и остаточного ресурса кузовов пассажирских вагонов после ремонта

На правах рукописи

г.....

КОРШУНОВ Сергей Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПОСЛЕ РЕМОНТА

Специальность 05.22.07 — «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 2014

1 г МАГ12014

005548393

Работа выполнена на кафедре «Подвижной состав железных дорог» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «БГТУ»)

Научный руководитель Доктор технических наук, профессор,

директор Учебно-научного института транспорта ФГБОУ ВПО «БГТУ» КОБИЩАНОВ Владимир Владимирович

Официальные оппоненты ТРЕТЬЯКОВ Александр Владимирович,

доктор технических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» (ФГБОУ ВПО «ПГУПС»)

АФАНАСЬЕВ Александр Евгеньевич, кандидат технических наук, руководитель отдела Общества с ограниченной ответственностью «Инженерный центр вагоностроения» (ООО «ИЦВС»)

Ведущее предприятие Открытое акционерное общество

«Научно - исследовательский институт вагоностроения» (ОАО «НИИ вагоностроения»)

Защита состоится 18 июня 2014 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Брянский государственный технический университет» по адресу: 241035, г. Брянск, ул. Харьковская, д.Ю-Б, учебный корпус №4, ауд. Б101

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «БГТУ» и на сайте http://www.tu-bryarisk.ru/

Автореферат разослан 16 мая 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

С.Л. Эманов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Правительством России в 2011 году утверждена Стратегия и программа развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года, призванная привести качественные и количественные характеристики деятельности железных дорог к требованиям экономики страны. В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируются более 20 тысяч пассажирских вагонов различных моделей. При этом свыше половины вагонов имеют срок службы 18 и более лет. Уровень износа парка пассажирских вагонов превысил 50%. Старение вагонов продолжается быстрыми темпами и не компенсируется поступлениями новых вагонов. Даже при нарастании объемов производства вагонов ежегодный дефицит будет составлять около тысячи вагонов, и покрываться постепенно он может за счет проведения капитально-восстановительного ремонта (далее - ремонта) вагонов и обоснованного продления их срока службы. При выводе вагонов в ремонт их физический износ неодинаков, что приводит к подаче в ремонт вагонов, как с недоиспользованным ресурсом, так и с повышенной степенью износа. И если в первом случае затраты на ремонт могут необоснованно завышаться, то во втором случае, даже при дополнительных затратах трудно гарантировать безопасность эксплуатации таких вагонов.

Таким образом, экспериментальные и теоретические исследования, направленные на совершенствование методов оценки несущей способности и остаточного ресурса кузовов пассажирских вагонов, прошедших ремонт, с учетом динамической нагружености являются актуальными.

Целью работы является разработка методики уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом прочностных характеристик и оценки несущей способности кузовов типовых вагонов пассажирского парка, направленной на обоснование на ее основе периода безопасной эксплуатации вагона, прошедшего ремонт.

Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи.

1 Проведен общий анализ структуры пассажирского парка по моделям вагонов и годам выпуска.

2 Современными экспериментальными и теоретическими методами определено напряженно-деформированное состояние металлоконструкций кузовов основных типов пассажирских вагонов, новых и восстановленных, с учетом имеющегося износа несущих элементов.

3 На основе экспериментальных исследований обосновано уточнение требований «Норм для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» в ред. 1983 года («Норм ...») в части расчетных инерционных нагрузок.

4 Методика проверена на новых кузовах пассажирских двухэтажных вагонов модели 61-4465, (61-4472, 61-4473), вагонов моделей 61-4447 и 61-4179, а также вагонов моделей 61-425, 47 и 61-517, прошедших ремонт, что дает основа-

ния внедрять прочностные расчеты кузовов на вагоноремонтных заводах при существующей системе ремонта, для уменьшения объемов и затрат на испытания.

Объект исследования. Объектом исследования является металлоконструкция кузова пассажирского вагона, в том числе после ремонта.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы фундаментальные положения науки о прочности и современные программные разработки на основе метода конечных элементов. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояние несущих элементов кузова вагона при действии нормативных квазистатических и динамических испытательных воздействий базируется на тензометрии. Для оценки прочностных показателей основных конструктивных типов кузовов вагонов пассажирского парка используется экспериментально-теоретический метод.

Основные положения предлагаемого метода следующие. На первом этапе выполняется прочностной расчет нового кузова заданной модели вагона от действия основных расчетных нагрузок (I и Ш расчетный режим «Норм ...»). Затем исходные данные корректируются в зависимости от технического состояния (коррозионного износа) несущих элементов кузова. Для оценки технического состояния реальной металлоконструкции кузова выполняется дефектация и толщинометрия основных несущих элементов кузова вагона. С учетом полученных результатов, определяется объем ремонта или замены основных несущих элементов кузова. Для оценки влияния коррозионного износа основных несущих элементов кузова (хребтовая балка, шкворневые балки, продольные обвязки) на его несущую способность выполняется повторный расчет его напряженно-деформированного состояния. На заключительном этапе выполняется прочностной расчет восстановленной несущей конструкции кузова.

Средства испытаний. Для экспериментальных исследований использованы средства испытаний (средства измерений и испытательное оборудование) поверенные и аттестованные в установленном порядке:

- стенд для испытаний вагонов на прочность нормативными нагрузками

до 3,5 МН (350 тс);

- гидропульсационная испытательная машина ЦДМ 200/400;

- измерительные усилители SPIDER НВМ и ММТС;

- динамометрическая автосцепка типа СА-3 и вагон-боек;

- датчики для измерений ускорений, перемещений и микродеформаций;

- вибромашина ВМ-10.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1 Предложены конечно-элементные модели, созданные современными программными комплексами метода конечных элементов (МКЭ), основных конструктивных типов пассажирских вагонов, обеспечивающие достоверное определения показателей прочности несущей конструкции основных типов кузовов пассажирских вагонов. Расчетные модели позволяют изменять заданные параметры основных несущих элементов кузова и на их основе оценивать прочностные характеристики металлоконструкции, в том числе с коррозионным износом.

2 Проведена проверка расчетных моделей на основе комплекса статических и динамических натурных испытаний кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов.

3 Выполнена экспериментальная и теоретическая оценка прочности несущих металлоконструкций основных типов кузовов вагонов пассажирского парка, новых и прошедших капитальный ремонт, отличающаяся учетом имеющегося износа кузова.

4 На основании обширных экспериментальных исследований обоснованы инерционные нагрузки на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов, позволившие уточнить нормативные требования.

5 Проведены взаимодополняющие исследования по верификации результатов численного моделирования при прочностных расчетах кузовов вагонов и результатов экспериментальных комплексных исследований прочности основных конструктивных типов кузовов. Это позволило обеспечить достоверность прочностных расчетов вагонов, на основании которых возможно уточнить период безопасной эксплуатации отремонтированного пассажирского вагона по критерию прочности, сократить объем испытаний, а следовательно и финансовые затраты, связанные с их проведением.

Практическая ценность работы.

1 Для основных конструктивных типов кузовов вагонов пассажирского парка экспериментально-теоретическим методом проведена оценка прочности, на основании которой может обосновываться срок службы вагона при обеспечении требований норм безопасности.

2 На основании данных экспериментальных исследований предложено уточнение требований «Норм ...» в части расчетных инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование как новых так и имеющих износы пассажирских вагонов.

3 Применение методики способствует повышению безопасности вагонов, прошедших ремонт, по критерию статической, динамической и усталостной прочности основных несущих элементов кузовов.

4 Экспериментально проверенная методика оценки прочностных показателей несущих конструкций кузовов вагонов с коррозионным износом при воздействиях нормативных нагрузок позволяет внедрять расчетные методы оценки прочности каждого кузова пассажирского вагона на вагоноремонтных заводах при существующей системе ремонта. Разработанная методика позволит уменьшить объемы и общую стоимость испытаний вагонов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1 Методика исследования экспериментально-теоретическим методом напряженно-деформированного состояния и оценки несущей способности кузовов типовых пассажирских вагонов прошедших ремонт, отличающаяся учетом износа их несущих элементов.

2 Апробация методики уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом оценки несущей способности кузовов основных конструктивных типов вагонов, новых и прошедших ремонты на различных заводах.

3 Методика и результаты экспериментальных исследований по обоснованию инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов при нормативных расчетных режимах.

Реализация. Отдельные разделы экспериментальных и теоретических исследований использованы в научных отчетах и протоколах испытаний Закрытого акционерного общества Научная Организация «Тверской институт вагоностроения» (ЗАО НО «ТИВ»), в научно-исследовательских работах по испытаниям пассажирских вагонов Открытого акционерного общества «Тверской вагоностроительный завод» (ОАО «ТВЗ»), Тамбовского и Воронежского вагоноремонтных заводов (ВРЗ), Вологодского и Новороссийского ВРЗ, Московского завода по модернизации и строительству вагонов, Октябрьского электровагоноремонтного завода (ЭВРЗ), пассажирского вагонного депо Орехово-Зуево, Владикавказского ВРЗ, Красноярского ЭВРЗ, Улан-Удэнского локомо-тивовагоноремонтного завода (JIBP3). Основные положения и результаты работы использовались на большинстве вагоноремонтных заводов при оценке прочности и ресурса пассажирских вагонов. На отдельных вагонах проведены доработки металлоконструкций кузовов с использованием результатов настоящей работы.

Достоверность и надежность научных положений и выводов основывается на общепринятых допущениях строительной механики, сопоставлении теоретических результатов с экспериментальными, методологически обоснованном комплексе экспериментальных исследований с применением поверенного и аттестованного в установленном порядке испытательного оборудования и приборов, использовании современных средств регистрации контролируемых динамических параметров, достаточной воспроизводимости экспериментальных величин. Необходимая для практического использования точность разработанной методики подтверждена удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об-суэвдались на семи научно-технических конференциях: «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» ПГУПС (2009 г., 2013 г.); «Безопасность движения поездов», МИИТ, 2006 г., «Проблемы безопасности на транспорте» Бел ГУТ, 2010 г.; «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» БГТУ (2005 г., 2008 г., 2010 г.). В полном объеме диссертация рассмотрена и одобрена на заседаниях научно-технического совета (НТС) ЗАО НО «ТИВ» и ОАО «ТВЗ», а также на кафедре «Подвижной состав железных дорог» БГТУ.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе в четырех статьях в рецензируемых журналах и изданиях, входящих в перечень, рекомендованный Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Минобрнауки Российской Федерации.

Личный вклад соискателя. Разработка программ и методик динамико -прочностных испытаний пассажирских вагонов. Проведение натурных испытаний большинства моделей отечественных пассажирских вагонов и оценка их прочности при действии квазистатических нагрузок, соударениях, оценка динамических качеств вагонов при ходовых динамических и прочностных испы-

таниях, оценка собственных частот колебаний кузовов вагонов при вибрационных испытаниях и другие экспериментальные исследования подвижного состава. Экспериментальное обоснование инерционных нагрузок на несущие узлы и оборудование на наиболее массовых моделях пассажирских вагонов. Разработка, на основании прочностных расчетов и опыта испытаний схем нагружений и установки тензоизмерительных схем на несущих элементах металлоконструкции вагона. Аналитические расчеты и разработка конечно-элементных расчетных схем кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, пять глав, заключение, список использованных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 171 страницу машинописного текста, содержит 10 таблиц и 116 рисунков, список использованных источников включает 116 наименований, приложение на 3 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы с обоснованием актуальности темы исследования, указана научная новизна, практическая ценность, реализация результатов работы на предприятиях вагоностроительной отрасли, апробация и публикации по работе, личный вклад соискателя, приведен краткий обзор структуры и объема диссертации.

В первой главе кратко изложено состояние вопроса и постановка задачи. В России вопросами исследования и научными разработками по оценке прочности и технического состояния кузовов пассажирских вагонов, совершенствованию конструкций подвижного состава и методов их технического обслуживания и ремонта, повышению прочности вагонов занимаются различные организации и научные коллективы: МГУПС (МИИТ), ПГУПС, БГТУ, ВНИИЖТ, НИИВ, ВНИКТИ, БелГУТ, РГУПС, ДНУЖТ, ЗАО НО «ТИВ», ЦКБ ТМ, УрГУПС, ИрГУПС, ПКТБ ЦП ОАО «РЖД», ФГУП «НВЦ «Вагоны», ИЦПС и ряд других университетов и научно-производственных объединений и организаций. Капитально-восстановительный ремонт (КВР) пассажирских вагонов выполняют вагоноремонтные заводы: Тамбовский, Вологодский, Воронежский, Новороссийский, Московский ВСЗ (до 2014 г.), Октябрьский ЭВРЗ, пассажирское вагонное депо Орехово-Зуево, Владикавказский, Красноярский ЭВРЗ, Улан-Удэнский ЛВРЗ. Среди научных разработок, посвященных организации КВР, обслуживанию и ремонту, оценке прочности пассажирских вагонов, следует отметить работы Ю. М. Черкашина, А.В.Третьякова, А. М. Краснобаева, А.П.Лаврова,

A. М. Орловой, М. Д. Александрова, А. А. Битюцкого, А. В. Пигунова,

B. И. Сенько, С. В. Борисова и других ученых. Разработке расчетных конечно-элементных моделей кузовов пассажирских вагонов и совершенствованию методов их расчета посвящены работы ученых БГТУ (БИТМ): Е. Н. Никольского, В. В. Кобищанова, Д. Я. Антипина, А. А. Ольшевского, М. В. Боброва, В. А. Атрощенко, Д. Ю. Расина и других.

Значительный вклад в развитие пассажирского вагоностроения и совершенствование аналитических и экспериментальных методов оценки прочности кузовов

пассажирских вагонов внесли научные разработки ученых ЗАО Научная организация «Тверской институт вагоностроения» А. А. Юхневского, А. Н. Скачкова, С. JI. Самошкина, С. Г. Малина, В. М. Мейстера, И. И. Павлушина, И. С. Доронина, П. С. Ломакова, А. М. Мейстера, Ю. П. Органова, А. Г. Меркурьева, В. П. Богданова, В. В. Василевского, С. Е. Петракова, Ю. Г. Гончарова, Е. В. Подсосова, А. И. Колесниченко, А. А. Хоменко, С. А. Соловьева и др. Настоящая диссертационная работа выполнена на экспериментальной базе ЗАО НО «ТИВ».

Научные разработки ученых МИИТа: Г. И. Петрова, В. Н. Филиппова, А. П. Азовского, Н. Н. Воронина, В. Н. Котуранова М. Н. Овечникова посвящены оценке напряженно-деформированного состояния кузова вагона на этапе проектирования.

В условиях эксплуатации в результате коррозионного износа происходит уменьшение сечений элементов кузова, то есть появляется необходимость учета изменения их геометрических и прочностных свойств. Среди работ, связанных с оценкой остаточного ресурса и прочности кузовов пассажирских вагонов, можно отметить исследования Ю. М. Черкашина, А. М. Краснобаева, а грузовых нагонов - А. В. Третьякова и В. Ф. Лапшина.

Необходимо отмегить работы ученых Украины в разработке отдельных вопросов, связанных с ресурсом тягового подвижного состава: Е. П. Блохина, A.M. Бондарева, В. Л. Горобца, Н.Э. Мартынова, С. В. Мямлина.

Большой вклад в развитие и совершенствование подвижного состава, внесли научные труды отечественных и зарубежных учёных: Ю.С. Ромена, К. А. Бернгарда, В. П. Бугаева, М. Ф. Вериго, В. К. Губенко, В. И. Дмитриева,

A. А. Долматова, В. Д. Литвина, В. В. Лукина, Н. Г. Мартынюк, В. П. Медведева, Е. В. Михальцева, В. В. Повороженко, Г. В. Райкова, А. П. Ступина, Е. М. Тишкина, П. А. Устича, В. В. Чиркина, А. С. Чудова, Л. А. Шадура, и др.

Значительный вклад в развитие отечественного вагоностроения и вагонного хозяйства внесли научные труды следующих ученых: Е. В. Вертинского, Г. П. Виноградова, М. В. Винокурова, Г. П. Гладовского, В. И. Дмитриева,

B. В. Кобищанова, А. А. Камаева, М. А. Короткевича, В. Н. Котуранова, Б. Г. Кеглина, И.Н. Серпика, А.П.Болдырева, В.В.Лукина, В. П. Лозбинева, В. С. Коссова, Э.С. Оганьяна, М. М. Машнёва, Е. В. Михальцева, Е. Н. Никольского, Л. Н. Никольского, O.A. Ворона, И.В. Волкова, А.Н. Гуды, Л.Б. Цвика, В. В. Повороженко, Л. А. Шадура, А. А. Хохлова, В. М. Богданова,'

A. А. Битюцкого, Л.Д.Кузьмича, B.C. Плоткина, М.Н. Закса, В. А. Лазаряна,

B. Н. Орлова, Е. Д. Ханукова, И. И. Челнокова, В. В. Чиркина, А. С. Чудова, Н. А. Чуркова, и др.

Учеными - коррозионистами ВНИИЖТа были заложены основы экспериментального подхода к разработке конструкционных материалов и средств защиты от коррозии железнодорожного транспорта. Значительно меньшее внимание уделялось разработке теории и способов управления индивидуальным ресурсом вагонов, как при их проектировании, так и в эксплуатации.

В работах В. П. Лозбинева, на основе метода параметрической оптимизации, разработана методика определения оптимальных характеристики несущих

элементов кузовов и рам вагонов.

Впервые вопросы обоснования возможности продления сроков службы вагонов и способов определения их остаточного ресурса с целью сохранения рабочего парка вагонов были рассмотрены в работах Ю. П. Бороненко, М. Б. Кельриха, А. Д. Кочнова, А. В. Третьякова, В. Н. Цюренко.

В результате проведенного краткого обзора и анализа работ по исследованию прочности и ресурса подвижного состава сделаны следующие выводы.

Авторы большинства работ склоняются к необходимости управления индивидуальным ресурсом подвижного состава, важнейшим элементом которого является оценка прочности и остаточного ресурса несущих конструкций. Однако наиболее значительные наработки в области определения остаточного ресурса подвижного состава касаются в основном грузовых вагонов.

Исследования по совершенствованию теоретической и экспериментальной оценки несущей способности и остаточного ресурса кузовов пассажирских вагонов, позволяющие снизить затраты на их ремонт, обосновать достаточный запас прочности отремонтированного кузова пассажирского вагона с учетом уже имеющегося коррозионного износа, снизить объем испытаний и как следствие повысить эффективность ремонта, являются актуальными и имеют практическую значимость. В связи с усложнением оборудования пассажирских вагонов, целесообразно провести работу по экспериментальному определению и уточнению расчетных ускорений, воздействующих на оборудование и системы жизнеобеспечения типовых моделей вагонов при нормативных расчетных режимах эксплуатации.

Во второй главе дана обобщенная структура пассажирского парка вагонов по моделям и годам выпуска, приведены технические описания конструктивных особенностей основных вагонов пассажирского парка, дана обобщенная схема типовых конструкций кузовов пассажирских вагонов и состояние вагонов после 20 лет эксплуатации. Определены основные факторы, влияющие на несущую способность кузовов пассажирских вагонов (коррозия, механические и усталостные повреждения кузова).

Парк состоит из цельнометаллических вагонов следующих типов: некупейных; купейных с двух- и четырехместными купе; класса «люкс» с двух- и четырехместными купе; штабных вагонов, межобластных с креслами для сидения; вагонов-ресторанов, вагонов специального назначения (прачечные, электростанции, багажные, сопровождения ядерных эшелонов, вагоны для перевозки спецконтингента, вагоны пожарных поездов и ряд вагонов для узкоколейных железных дорог и пр.), а также для международного сообщения - габарита РИЦ модели 61-4476, и двухэтажных вагонов моделей 61-4465 (купейный), 61-4472 (штабной), 61-4473 (вагон-ресторан) и 61-4492 (межобластной с местами для сидения, разработанный и проходящий испытания). Вагоны пассажирского парка представлены в основном моделями различных пассажирских, специальных и багажных вагонов производства ОАО «ТВЗ».

Сбор и анализ информации о техническом состоянии кузовов пассажирских вагонов, поступающих в ремонт, осуществлялся на большинстве вагоноремонтных заводов, где было обследовано более ста кузовов пассажирских вагонов постройки 1982-1994 годов.

В третьей главе проведен теоретический анализ напряженно-деформированного состояния кузовов типовых пассажирских вагонов моделей 61-425, 47, 61-517, 61-1179, 61-4447 и 61-4465. Для оценки несущей способности кузовов в данной работе использовалась интегрированная система анализа конструкций SCAD Office. Эта система представляет собой набор программ, предназначенных для выполнения прочностных расчетов и проектирования различного вида и назначения строительных и машиностроительных конструкций достаточно сложной структуры. В систему основным модулем входит вычислительный комплекс Structure CAD (ВК SCAD), который является универсальным расчетным инструментом конечно-элементного анализа конструкций. С помощью данного комплекса в интерактивном графическом режиме сгенерированы расчетные схемы (с учетом ортогропии) кузовов, выполнены статические и динамические расчеты и проведен графический анализ результатов расчетов. Выполнены расчеты на комбинации нормативных нагрузок по расчетным режимам, анализ устойчивости сжатых несущих элементов кузовов, вычислены напряжения и графически (в виде изолиний) представлены результаты расчетов. Расчеты проведены по I и III расчетным режимам «Норм ...» для нового и восстановленного кузова, а также для изношенного кузова с имеющимися коррозионными повреждениями. На основании результатов проведённых теоретических исследований прочности и устойчивости несущих конструкций кузовов рассматриваемых моделей вагонов сделаны следующие выводы.

1 При расчётах на прочность рассматриваемых кузовов вагонов при номинальных толщинах базовых элементов прочность несущих конструкций обеспечивается; максимальные напряжения в обоих режимах возникают в шкворневых узлах рамы при статическом и ударном нагружениях, напряжения при сжатии и растяжении не превышают 70 % от допускаемых величин.

2 Исследование изменения коэффициента запаса устойчивости элементов кузовов вагонов при их коррозионном износе или илом повреждении показало, что наименьшим запасом устойчивости обладают элементы обшивки крыши и нижнего пояса боковин, элементы подкрепления боковых стен. При сквозном коррозионном износе указанные элементы подлежат усилению или замене в процессе ремонта.

В четвертой главе представлены экспериментальные исследования несущей способности кузовов основных конструктивных типов пассажирских вагонов, в том числе с коррозионными износами элементов и изложены основные положения методики экспериментальных исследований при статических и динамических испытаниях (прочностные статические, ударные, ходовые динамические и прочностные, вибрационные и др.).

В сочетании с возрастающими скоростями движения, ростом грузоперевозок и пассажиропотока требования безопасности эксплуатации подвижного состава определяются в значительной степени прочностью и надежностью конструкций вагонов. Не смотря на постоянное совершенствование методов прочностных расчетов, существуют зоны конструкции вагонов все еще трудно поддающиеся расчетной оценке, в том числе из-за наличия факторов технологического характера. В целом, на сегодняшний день, экспериментальная оценка параметров подвижного состава пока остаётся единственным и до-

10

вольно затратным методом, определяющим соответствие конструкции требованиям норм безопасности. Одной из целей работы является обоснование возможности замены хотя бы части трудоемких дорогостоящих испытаний экспериментально проверенными расчетами или минимальными контрольными испытаниями. Наиболее рациональным и информативным методом экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния несущих конструкций кузова вагона является тензометрия. В работе представлены разработанные схемы установки тензометрических датчиков для каждой рассматриваемой модели кузова. При разработке схем учтены зоны конструкции с максимальными напряжениями, а также наиболее ответственные и нагруженые узлы кузова (хребтовая балка, шкворневая, нижние обвязки (продольные балки), узлы крепления подвагонного оборудования и др.). На рисунке 1 в качестве примера приведены схемы установки тензодатчиков и расположения исследуемых сечений для кузова двухэтажного пассажирского вагона. Проведена экспериментальная оценка прочности исследуемых кузовов вагонов с учетом наиболее невыгодного сочетания квазистатических и ударных нормативных испытательных нагрузок в соответствии с требованиями руководящих и нормативных документов.

На основании проведенных вибрационных испытаний определены собственные частоты изгибных колебаний кузовов основных типов пассажирских вагонов, формы которых представлены на рисунке 2. Полученные результаты по собственным формам и частотам колебаний использованы для верификации разработанных конечно-элементных моделей кузовов пассажирских вагонов.

Экспериментальная и аналитическая оценка усталостной прочности несущих конструкций вагона оценивается в соответствии с «Нормами...» по коэффициенту запаса усталостной прочности по формуле:

п = ^>[п]

>

где и - расчётный коэффициент усталостной прочности;

О"

- предел выносливости для натурной детали при симметричном цикле, установившемся режиме и базовом числе циклов N0= 107;

а

- расчетное эквивалентное значение амплитуды эксплуатационных напряжений;

[п] - допускаемый коэффициент запаса по усталостной прочности.

Ходовые испытания вагонов проводились на испытательном полигоне ВНИИЖТ в Щербинке, Белореченском скоростном полигоне и магистральных путях Октябрьской железной дороги. Обработка экспериментальных данных, полученных на испытаниях, проводилась в соответствии с рекомендациями РД 24.050.37-95 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества». На рисунках 3 и 4 представлены осцилограмма амплитуд напряжений и спектральная плотность процесса напряжений в боковой стене кузова вагона.

11

Неторьозкой конец

Тормозной конец

н__н н

СЁ)

си га си га га

С

□

э 0 и 0 э 0 С

□ □

о

■у

Узел 1 (опорная балка)

Раскос (коробка)

Р и с}'но к 1 - Схема расположение исследуемых сечений на несущих элементах кузова двухэтажного вагона

□□□поаоппп

щи ЩШ

из Г= 11,25

-0,25 0,1

®3 ®7) щй

0,2 0,25 0,22

0,18 -0,25

□ □ □ п п п п □ □ □

ГдгГП Гдпг1

ЕЗ

£=11,3

тз

Гдпл

0,22 -0.1

-0,28 -0,3 -0,25 0,1 о,26

□□□□□□□□□□

щз шз

нз

из

^=11,2

О

Гдпп ГдпТ]

-0,22 0,1

0,1

0,2 0,1 0,1 -0,2

Рисунок 2 - Форма вертикальных изгибных колебаний кузова пассажирского вагона

Динамический процесс

-1 I, мс

60 ООО

Рисунок 3 - Осциллограмма амплитуды напряжений в боковой стене кузова вагона, шкворневая зона (скорость 1 бОкм/ч)

МПа2/Гц

о.е

0,7 :

0,6 I

0,5 ; 0,4 -М

0,3 -

- . . Т г---,-Г—,--.-,-,-,-,-,-,--,-,--!-,-,-,--,-,--,-,-,-,-р-,-

3 ю 15 20 25 зо £ Га

Рисунок 4 - График спектральной плотности процесса напряжений в боковой стене кузова вагона при движении со скоростью 160 км/ч

Постоянное совершенствование и усложнение оборудования и систем, устанавливаемых на пассажирские вагоны при их строительстве и модернизации, рост скоростей движения и интенсивности эксплуатации требует периодически уточнять и актуализировать основные критерии технических требований к проектированию пассажирских вагонов.

Обоснованный выбор параметров внутри- и подвагонного оборудования, а также его креплений способствует повышению показателей безопасности и надежности пассажирских вагонов. 1В работе приводятся результаты экспериментальных исследований по определению и уточнению расчетных ускорений, действующих на оборудование и системы жизнеобеспечения рассматриваемых моделей пассажирских вагонов при нормативных режимах эксплуатации. На рисунках 5-7 приведены наиболее характерные осциллограммы процессов ускорений (вагон модели 61-425 с хребтовой балкой из двух швеллеров №30), полученные для трех направлений измерения на полу середины салона при нормативной силе удара.

А. 8

Динамический процесс

Рисунок 5 - Осциллограмма процесса продольного ускорения вагона (декремент колебаний X = 1,0986)

Динамический процесс

I «а ,!, Г, 1 ,

-1.5

500 10» 1500 2 000

3000 5 500 4 000 I. МС

Рисунок 6 - Осциллограмма процесса вертикального ускорения вагона (декремент колебаний X =0,9439)

Динамический процесс

0,60,40,2 0 •0,2 -0.4

I

О 500 1 ООО 1500 2 000 2 500 3 000 3 503 4 ООО

Рисунок 7 - Осциллограмма процесса поперечного ускорения вагона (декремент колебаний X = 1,2238)

В настоящее время рекомендуемые для расчета значения инерционных нагрузок на оборудование отечественных пассажирских вагонов при первом расчетном режиме определяются «Нормами...». Вместе с тем есть и другие рекомендации для учета инерционных нагрузок. Так, например, в 1ЛС 566 Международного союза железных дорог и ЕС ЕКТ 12663 существуют другие значения ускорений. В таблице 1 приведены соответствующие значения ускорений и полученные в работе экспериментальные величины.

Таблица 1 - Данные о максимальных расчетных величинах ускорений

№ п/ п Параметры «Нормы...» 1ЛС 566 Экспериментальные значения

1 Продольные ускорения 4,3§

2 Поперечные ускорения 0 1в 0,58

3 Вертикальные ускорения 0,5В 3§ 1,4

С учетом вышеизложенного, в целях повышения показателей безопасности и надежности новых и модернизируемых при капитальных ремонтах пассажирских вагонов российского производства целесообразно использовать полученные экспериментальные величины ускорений.

Апробация методики выполнена на примере кузовов пассажирских вагонов моделей 61-425,47 и 61-517, прошедших капитальный ремонт, а также новых кузовов пассажирских вагонов производства ОАО «ТВЗ» моделей 61-4179, 61-4447 и, кузова двухэтажного вагона модели 61-4465. На первом этапе рассмотрен кузов пасса;кирского вагона модели 61-425, пришедший капитальный ремонт. Апробация заключалась в оценке напряженно деформированного состояния трех случайным образом выбранных кузовов вагонов модели 61-425 из поступающих на испытания после капитального ремонта с различных ВРЗ. Оценка прочности выполнялась с использованием конечно-элементной модели кузова. Прочность оценивалась как новой конструкции кузова вагона, так и кузова, прошедшего капитальный ремонт. На основании результатов замера толшин несущих элементов кузова в конечно-элементную модель вносились соответствующие корректировки. Полученные результаты расчетов и данных экспериментальных исследований позволяют сделать следу ющие выводы.

1 Предложенные расчетные модели кузовов дают адекватную сходимость расчетных результатов с экспериментальными данными. Расхождение расчетных и экспериментальных результатов оценки напряженно-деформированного состояния несущих конструкции кузовов основных конструьгтивных типов пассажирских вагонов не превышает 20%.

2 Результаты аналитических и экспериментальных исследований показывают, что восстановленные после ремонта кузова соответствуют нормативным требованиям по прочности.

3 Разработанные расчетные схемы могут использоваться на вагоноремонтных заводах для оценки прочности кузовов вагонов при существующей системе ремонта.

В пятой главе дана оценка экономической эффективности от внедрения разработанной методики, которая по предварительной оценке составит до 18% экономии с каждой модели пассажирского вагона, прошедшего ремонт и подвергающегося испытаниям.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЩШ

1 На основании анализа структуры пассажирского парка по моделям вагонов и годам выпуска, выделены типовые конструкции кузовов пассажирских вагонов (двухэтажные и одноэтажные, пассажирские, багажные, специальные, рамой без хребтовой балки на длине базы и с хребтовой балкой, с различными конструкциями боковых стен). В работе рассмотрены указанные типы кузовов вагонов, и предложенная методика проверена на новых кузовах двухэтажных вагонов модели 61-4465, (61-4472,61-4473), топовых пассажирских вагонов моделей 61-44-47 и 61-4179, а также вагонов моделей 61-425,47 и 61-517, прошедших ремонты.

2 Предложена и апробирована методика уточненного исследования экспериментально-теоретическим методом прочностных характеристик и оценки несущей способности кузовов типовых вагонов пассажирского парка, направаен-ной на обоснование на ее основе периода безопасной эксплуатации вагона, прошедшего ремонт.

3 Выполнена экспериментальная, а также теоретическая оценка прочности несущих конструкций основных типов кузовов вагонов пассажирского парка, новых и прошедших капитальный ремонт и отличающаяся учетом имеющегося износа кузова.

4 Предложены конечно-элементные модели, созданные современными программными комплексами МКЭ, основных конструктивных типов кузовов пассажирских вагонов, обеспечивающие достоверное определения показателей прочности их несущих конструкций. Расчетные модели позволяют изменять заданные параметры основных несущих элементов кузова и на их основе оценивать прочностные характеристики металлоконструкции, в том числе с коррозионным износом.

5 Проведена верификация результатов численного моделирования при прочностных расчетах кузовов вагонов результатами экспериментальных комплексных статических и динамических натурных испытаний основных типов кузовов. Это позволило обеспечить достоверность прочностных расчетов, на основании которых можно уточнить период безопасной эксплуатации отремонтированного кузова.

6 Применение методики повышает безопасность пассажирских вагонов, прошедших ремонт, по критерию статической, динамической и усталостной прочности основных несущих элементов кузовов.

7 На основании обширных экспериментальных исследований обоснованы величины продольных, поперечных и вертикальных ускорений, создающих

инерционные нагрузки на несущие узлы и оборудование пассажирских вагонов, позволившие уточнить требования «Норм ... », с учетом влияния коррозионного износа элементов крепления навесного оборудования вагона при длительном сроке эксплуатации.

8 Экспериментально апробированная методика оценки прочностных показателей конструкции кузова вагона с коррозионным износом позволяет внедрять прочностные расчеты кузовов пассажирских вагонов на вагоноремонтных заводах с учетом существующей системы ремонта Такие расчеты могут обеспечить уменьшение объемов испытаний и затрат на их проведение.

РЕЗУЛЬТАТЫ ВНЕДР ЕНИЯ

Результаты работы использованы при оценке несущей способности кузовов пассажирских вагонов моделей 61-425, 61-820, 61-821, 61-4179, 61-4194, 61-4447, 61-4440, 61-4462, 61-4463, 61-4465, 61-4472 и 61-4473 производства ОАО «ТВЗ». Отдельные разделы экспериментальных и теоретических исследований использованы ЗАО НО «ТИВ» в научно-исследовательских работах по испытаниям пассажирских вагонов ОАО «ТВЗ», Тамбовского и Воронежского ВРЗ, Вологодского и Новороссийского ВРЗ, Московского завода по модернизации и строительству вагонов, Октябрьского ЭВРЗ, пассажирского вагонного депо Орехово-Зуево, Владикавказского ВРЗ, Красноярского ЭВРЗ, Улан-Удэнского ЛВРЗ.

Основные положения и результаты работы использовались на большинстве вагоноремонтных заводов при оценке прочности и ресурса пассажирских вагонов. Это подтверждено актами и письмами ряда указанных предприятий. На отдельных вагонах проведены доработки несущей металлоконструкции с использованием результатов настоящей работы. Результаты оценки прочности и испытаний вагонов приняты приемочными комиссиями, на вагоны получены сертификаты соответствия кормам безопасности. Разработанные методики исследования прочности металлоконструкции кузова пассажирского вагона применяются ЗАО НО «ТИВ» при испытаниях и расчетах на прочность кузовов вагонов пассажирского парка. Определенные в работе экспериментальные величины ускорений на пассажирских вагонах использованы ЗАО НО «ТИВ» при разработке проекта ГОСТ «Вагоны пассажирские. Требования к прочности и динамическим качествам».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

Публикации в печатных изданиях, рекомендованных ВАК

1 Коршунов, С.Д., Ломаков, П.С., Юхневский, A.A. Восстановление ресурса несущей способности кузовов пассажирских вагонов / A.A. Юхневский, С.Д. Коршунов, П.С. Ломаков. Тяжелое машиностроение - 2007. - № 12. - С. 5-8.

2 Коршунов, С.Д., Антипин, Д.Я., Черкашин, Ю.М. Разработка методики оценки ресурса несущих конструкций вагонов прошедших капитально-восстановительный ремонт / Ю.М Черкашин., С Д. Коршунов, ДЛ. Антипин. Вестник ВНИИЖТ,-2011.-№1,-С. 19-22.

3 Коршунов, С.Д. Оценка прочности пассажирских вагонов прошедших капитальные и восстановительные ремонты / С.Д. Коршунов. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. - 2011. - № 1 - С. 62-66.

4 Коршунов, С.Д., Ворон, O.A. Комплексные испытания, оценка несущей способности и остаточного ресурса специализированного пассажирского вагона / С.Д. Коршунов, O.A. Ворон. Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. -2014. -№1. - С. 8-12.

Публикации в прочих изданиях

5 Коршунов, С.Д. и др. Оценка несущей способности кузовов пассажирских вагонов, прошедших капитальный ремонт. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». Материалы II международной научно-технической конференции / С.Д. Коршунов, A.A. Юхневский, К.В. Холявин, под ред. д.т.н., проф., Кобищанова В.В., БГТУ, - Брянск - 2005. - С. 45-47.

6 Коршунов, С.Д. и др. Совершенствование методов прочностных испытаний вагонов с использованием микропроцессорных многоканальных измерительных систем. Труды VII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов» / С.Д. Коршунов, - М.: МИИТ, 2006. - С. IV-77.

7 Коршунов, С.Д., Юхневский, A.A. Экспериментальная оценка несущей способности кузовов пассажирских вагонов, прошедших капитально-восстановительный ремонт. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». Материалы IV международной научно-технической конференции / С.Д. Коршунов, A.A. Юхневский, под ред. д.т.н., проф., Кобищанова В.В., БГТУ, - Брянск - 2008. - С. 49-50.

8 Коршунов, С.Д. и др. Экспериментальная оценка прочности кузовов пассажирских вагонов, прошедших КВР для прогнозирования их остаточного ресурса. «Подвижной состав XXI века. Идеи, требования, проекты». Материалы VI международной научно-технической конференции/ С.Д. Коршунов, под ред. д.т.н,, проф., Бороненко Ю.П., ПГУПС, СПб., 2009. - С. 62-65.

9 Коршунов, С.Д., Антипин, Д.Я. Разработка методики оценки ресурса несущих конструкций кузовов вагонов с учетом коррозионных повреждений. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». Материалы V международной научно-технической конференции / С.Д. Коршунов, Д.Я. Антипин, под ред. д.т.н., проф., Кобищанова В.В., БГТУ, - Брянск - 2010. - С. 41-43.

10 Коршунов, С.Д. и др. Экспериментальная оценка напряженно-деформированного состояния опытного кузова двухэтажного пассажирского вагона. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». Материалы V международной научно-технической конференции / С.Д. Коршунов, под ред. д.т.н., проф., Кобищанова В.В., БГТУ, - Брянск - 2010. - С. 28-30.

11 Коршунов, С .Д., Василевский, В.В. Уравнение коррозионно повреждаемых тонкостенных подкрепленных конструкций. «Проблемы и перспективы развития вагоностроения». Материалы V международной научно-технической

конференции / С.Д. Коршунов, B.B. Василевский, под ред. д.т.н., проф., Коби-щанова В.В., БГТУ, - Брянск - 2010. - С. 44-48.

12 Коршунов, С.Д., Самошкин, СЛ., Юхневский, A.A. Применение современного испытательного оборудования в системе обеспечения безопасности железнодорожного подвижного состава, прошедшего ремонты различных объемов и вновь построенного. «Проблемы безопасности на транспорте». Материалы V международной научно-практической конференции / С.Д. Коршунов, СЛ. Самошкин, A.A. Юхневский, под общ. ред. д.т.н., проф. Сенько В.И., БелГУТ,-Гомель-2010.-С. 123-125.

13 Коршунов, С.Д., Самошкин, СЛ. Современные методы испытаний железнодорожного подвижного состава / С.Д. Коршунов, СЛ. Самошкин. Вагонный парк. - 2012. - №7 - С. 21-24.

14 Коршунов, С.Д. и др. Отработка металлоконструкции кузова двухэтажного вагона при прочностных статических испытаниях. «Подвижной состав XXI века. Идеи, требования, проекты». Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции / С.Д. Коршунов, под ред. д.т.н., проф., Боро-ненко Ю.П., ПГУПС, СПб., - 2013. - С. 84-86.

15 Коршунов, С.Д., Никифоров. Д.А., Самошкин, СЛ. Ходовые динамические испытания двухэтажного купейного штабного вагона модели 61-4472, производства Тверского вагоностроительного завода. «Подвижной состав XXI века. Идеи, требования, проекты». Тезисы докладов VIII международной научно-технической конференции /С.Д. Коршунов, Д.А. Никифоров, СЛ. Самошкин, под ред. д.т.н., проф., Бороненко Ю.П., ПГУПС, СПб., - 2013. - С. 89-91.

КОРШУНОВ Сергей Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ И ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ

ПОСЛЕ РЕМОНТА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация. Подписано в печать 16.04.2014 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная.

Офсетная печать. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 112 Бесплатно

Издательство Брянского государственного технического университета. 241035, г. Брянск; БГТУ, бульвар 50-летия Октября, 7. Тел. 55-90-49.