CC BY
183
Современные технологии - транспорту
45
УДК 629.4.023 Х. R Косимов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ РАМЫ ТЕПЛОВОЗА UZTE16M И ОЦЕНКА ЕЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
Проблема оценки возможного продления ресурса несущих конструкций тягового подвижного состава после выработки ими назначенного ресурса на Узбекской железной дороге возникла в последние годы в связи с увеличивающейся потребностью в железнодорожных перевозках. Увеличение скорости движения на железнодорожном транспорте и массы поездов ведут к росту динамических воздействий на ходовую часть и выдвигают повышенные требования для несущих конструкций подвижного состава, в частности, для рам тепловоза. Статья посвящена моделированию и анализу напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза.
подвижной состав, рама тепловоза, срок службы, несущие конструкции, прочность.
Введение
Основной задачей железнодорожного транспорта любой страны является полное удовлетворение ее потребности в перевозках народно-хозяйственных грузов и пассажиров. Увеличение скоростей движения на железнодорожном транспорте, массы поездов и грузоподъемности ведут к росту динамических воздействий на ходовую часть и выдвигают повышенные требования к несущим конструкциям подвижного состава, в частности, к рамам тепловоза [1]. Проблема оценки остаточного ресурса несущих конструкций после выработки ими назначенного ресурса возникла в последние годы в связи с продлением срока службы подвижного состава [2]. Она потребовала нового подхода к ее решению, в частности, исследования механических и усталостных характеристик материала несущих конструкций и сопротивления усталости самих деталей после их длительной эксплуатации, обоснования влияния экстремальных условий нагружения, физического состояния деталей на их напряженное состояние, а также поиска альтернативного метода оценки их остаточного ресурса.
В сложившейся ситуации, когда потребности дорог в обновлении локомотивного парка ограничиваются их финансовыми возможностями, значительно возрастает роль ремонта и модернизации как способа поддержания тяговой техники в работоспособном состоянии.
Решить проблему можно не только постепенным обновлением парка за счет поставок новых локомотивов, но и продлением срока службы части парка с помощью капитальных ремонтов, в том числе с модернизацией [3].
Наш расчет выполнен с целью оценки прочности рамы тепловоза UzTE16M, предъявляемого на продление срока службы, с учетом возможных наихудших параметров технического состояния, определенных при техническом диагностировании. Расчет проведен в соответствии с «Нормами для расчета и оценки прочности несущих элементов, динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм [4]. Прочность рамы в соответствии с «Нормами...» оценивается при I и II режиме:
• I - условный режим безопасности; учитывает возможность возникновения значительных продольных сил, обусловленных
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/4
46
Современные технологии - транспорту
маневровой работой, транспортировкой и аварийными соударениями;
• II - эксплуатационный режим; учитывает силы, действующие на кузов при разгоне поезда до конструкционной скорости, движении на выбеге или торможении с этой скорости при прохождении кривой.
1 Исходные данные для расчета
Схема нагружения рамы тепловоза UzTE16M и расчетная схема нагрузок, действующих на раму, приведены в [5].
Толщина элементов принимается с учетом возможных наихудших параметров технического состояния, определенных при техническом диагностировании.
Элементы рамы изготовлены из стали 09Г2С с пределом текучести [с]т = 295 МПа [4].
Допустимые напряжения для I режима определяются согласно [4]: [с] = 0,9 [с]т = = 265,5 МПа. т
Для второго расчетного режима допустимые напряжения принимаются равными 190 МПа.
2 Расчетная схема рамы
и принятые допущения
В соответствии с рекомендациями «Норм...» расчет производится методом конечных элементов с использованием известного конечно-элементного пакета ANSYS Workbench версии 12.1. Элементы рамы имитировались объемными квадратичными конечными элементами с тремя степенями свободы в каждом узле [6].
Кузов тепловоза и размещенное на нем оборудование моделировались точечными массами с соответствующими характеристиками.
Конечно-элементная модель (рис. 1) включает 116 060 элементов и 473 945 узлов.
3 Расчет на прочность
Сочетание нагрузок, действующих на элементы конструкции рамы при I и II расчетном режиме, определяется в соответствии «Нормами...». При расчете по I режиму принимается следующее сочетание:
• сила тяжести рамы, кузова и оборудования;
• продольная сила инерции рамы, кузова и оборудования (определяется исходя из ускорения массы тележки вдоль оси пути, 3g);
• продольная сила, приложенная по осям автосцепки (2500 кН).
При расчете по II режиму принимается следующее сочетание нагрузок:
• сила тяжести рамы, кузова и оборудования;
• вертикальная динамическая сила от колебаний кузова на рессорном подвешивании (определяется умножением силы тяжести кузова на коэффициент вертикальной динамики);
• вертикальная составляющая продольной силы инерции кузова;
• центробежная сила;
• сила давления ветра;
• продольная сила инерции рамы, кузова и оборудования;
• продольная сила, приложенная к хвостовой автосцепке локомотива.
Коэффициент вертикальной динамики в соответствии с «Нормами.» определяется по формуле
КД =
0,006
/от
- 0,004
W,
(1)
где V - конструкционная скорость движения, м/с; / - статический прогиб подвешивания, м.
Вертикальная составляющая (добавка) на кузов от продольной силы инерции определяется по формуле
AP = P • —
- рик 2L ’
(2)
2014/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
47
Рис. 1. Конечно-элементная модель рамы: а) вид сверху; б) вид снизу
где РИК - сила инерции кузова брутто; hK -расстояние от центра тяжести кузова до плоскости опор на тележку; 2L - база кузова.
Центробежная сила определяется отдельно для кузова исходя из непогашенного ускорения 0,7 м/с 2 [4]. Равнодействующая центробежной силы прикладывается в центре тяжести кузова.
Сила давления ветра определяется из расчета удельного давления ветра, равного 500 Н/м 2, на боковую проекцию кузова [4]. Равнодействующая боковой силы прикладывается к центру площади боковой проекции кузова.
Силы инерции, действующие на отдельные узлы и элементы локомотива, приклады-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/4
48
Современные технологии - транспорту
ваются в центрах тяжести их масс и определяются по формуле
р-=F M (3)
где Fa - продольная сила; т. - масса узла или элемента экипажа; М - масса локомотива.
Продольная сила, приложенная по осям автосцепки, согласно «Нормам...» составляет 700 кН.
Были получены напряжения, возникающие в элементах конструкции рамы при I и II расчетных режимах [4]. Их максимальные эквивалентные напряжения представлены в табл. 1, распределение эквивалентных напряжений - на рис. 2.
4 Оценка сопротивления усталости
Для увеличенного суммарного срока службы рамы Тр = 35 лет согласно «Нормам.» проведена оценка усталостной прочности по коэффициенту запаса сопротивления усталости:
п = Q-1--->[n], (4)
K °v+Wm
где n, [n] - расчетное и допустимое значения коэффициента запаса сопротивления усталости, соответственно; а_1 - предел выносливости гладкого стандартного образца из стали
09 Г2 С (принят 210 МПа); cv - амплитуда напряжений цикла (переменная составляющая при движении с конструкционной скоростью, находится как сумма напряжений от веса брутто, умноженных на коэффициент динамики и напряжений от сил инерции продольной динамики); ст - среднее напряжение цикла (напряжения от веса брутто); у - коэффициент, характеризующий чувствительность металла к асимметрии цикла, для растянутых волокон принят равным 0,3; K - коэффициент концентрации, учитывающий понижение сопротивления усталости, определяется по формуле
K =вк—, (5)
у-т
где вк - эффективный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий форму детали, рк = 1; к1 - коэффициент, учитывающий неоднородность материала детали, k1 = 1,1; к2 - коэффициент, учитывающий внутренние напряжения в детали, к2 = 1,05; у - коэффициент, учитывающий влияние абсолютных размеров, у = 0,7; m - коэффициент, учитывающий состояние поверхности детали, т = 0,8.
Таким образом, коэффициент концентрации K = 2,06.
Результаты расчета приведены в табл. 2.
Допустимый коэффициент запаса сопротивления усталости принимался [п] = 2. Усло-
ТАБЛИЦА 1. Максимальные напряжения в элементах конструкции рамы
Максимальные эквивалентные
Элемент напряжения, МПа
I режим II режим
Хребтовая балка в центральной части 39 79
Хребтовая балка в консольной части 175 69
Шкворневая балка в зоне соединения с хребтовой 197 146
Промежуточная балка 100 52
Лобовая балка 148 15
2014/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
49
Рис. 2. Распределение эквивалентных напряжений, Па: а) при I режиме; б) при II режиме
ТАБЛИЦА 2. Результаты расчета усталостной прочности
Зона Шкворневая балка в зоне соединения с хребтовой Хребтовая балка в центральной части Лобовая балка
о V 29 23 33
о m 52 41 10
n 2,8 3,5 3,0
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/4
50
Современные технологии - транспорту
вие прочности n > [n] выполнялось для всех зон.
Прочность рамы тепловоза UzTE16M обеспечена на расчетный суммарный срок службы с учетом срока продления 35 лет.
Заключение
Проведен расчет на прочность рамы тепловоза UzTE16M, предъявляемого на продление срока службы, с учетом возможных наихудших параметров технического состояния, определенных при техническом диагностировании.
Также оценена усталостная прочность на суммарный срок службы с учетом срока продления 35 лет.
По результатам расчетов на прочность можно сделать вывод, что прочность рамы тепловоза UzTE16M, предъявляемого на продление срока службы, с учетом возможных наихудших параметров технического состояния, определенных при техническом диагностировании, удовлетворяет требованием «Норм...». Расчет сопротивления усталости показал, что усталостная прочность рамы тепловоза UzTE16M обеспечена на 35 лет.
Библиографический список
1. Оценка остаточного ресурса рам тележек тепловозов : дисс. ... канд. техн. наук / Н. С. Зайнид-динов. - Санкт-Петербург, 2010. - 164 с.
2. Тепловоз 2 ТЭ116 / С. П. Филонов, А. И. Ги-балов. - Москва, 1985. - 328 с.
3. Разработка технологий освидетельствования и восстановления рам тепловоза серии UzTE16M для продления срока их службы : отчет по науч.-исследоват. работе. - Ташкент : ТашИИТ, 2007. -67 с.
4. Теория и конструкция локомотивов / В. А. Симонов ; под ред. Г. С. Михальченко. - Москва : Маршрут, 2006. - 584 с.
4. Нормы для расчета и оценка прочности несущих элементов динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - Москва : ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.
5. Исследование напряженно-деформированного состояния рамы тепловоза UzTE16M /
B. А. Кручек, Х. Р. Косимов // Изв. Петербург. унта путей сообщения. - 2013. - Вып. 4 (37). -
C. 36-43.
6. ANSIS в руках инженера : практич. руководство. - Москва : Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.
2014/4
Proceedings of Petersburg Transport University
