CC BY
84
УДК 629.4.027.27
ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО РЕСУРСА ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ПО КОЭФФИЦИЕНТУ ЗАПАСА СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ
М. И. ПАСТУХОВ
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», г. Гомель
Ключевые слова: технический ресурс, боковая рама, надрессорная балка, предел выносливости, коэффициент запаса сопротивления усталости, назначенный срок службы.
Введение
Под четырехосными грузовыми вагонами эксплуатировались и продолжают эксплуатироваться трехэлементные двухосные тележки по ГОСТ 9246 с литыми боковыми рамами и надрессорными балками, изготавливаемыми из стали по ГОСТ 977. За истекший период тележки прошли длительный путь своего развития по конструктивному совершенствованию и технологии изготовления (отливки) боковых рам и надрессорных балок, направленных на повышение их несущей способности, надежности и технического ресурса. Поэтому, несмотря на значительный рост осевых нагрузок на детали тележек, технический ресурс литых деталей не только не снизился (табл. 1), но даже и вырос с 30 до 32 лет. Достигнутые результаты вагоностроительной отрасли промышленности являются следствием систематического роста допускаемого коэффициента запаса сопротивления усталости литых деталей, являющегося основным критерием их несущей способности.
Таблица 1
Параметры литых деталей (боковых рам и надрессорных балок) тележек грузовых вагонов, установленных нормативными документами: [1], ГОСТ 9246, ГОСТ 977, ОСТ 32.183
Тип, Годы выпуска Допускаемая осевая Марка стали Назначенный срок
модель тележки тележек нагрузка Р0, тс литых деталей службы Тн, лет
ЦНИИ-Х3 1956-1973 20,5 (1956-1971) 20Л 30
22,0 (1972-1973)
18-100 1974-2006 22,0 (1974-1980) 20ГФЛ 30 (1974)
23,25 (1981-1984) 20ГЛ 40 (1975-1983)
25,75 (1985-1986 20ГТЛ 30 (1984-2001)
экспериментально)
23,5 (1987-2006) 20ГТЛ 32 (2002-2006)
18-578 2007 23,5 То же 32
18-194-1 - 25,0 » 32
Если на начальном этапе изготовления тележек литые детали проектировались с допускаемым коэффициентом запаса сопротивления усталости [и] = 1,2, то в настоящее время, в соответствии с требованиями ГОСТ 32400 «Рама боковая и балка надрес-
сорная литых тележек железнодорожных грузовых вагонов» (технические условия), он возрос до [и] = 1,8. В перспективе прогнозируется создание литых деталей тележек грузовых вагонов с коэффициентом запаса сопротивления усталости [и] = 2,0.
Постановка задачи
Исследование влияния коэффициентов запаса сопротивления усталости боковых рам и надрессорных балок двухосных тележек грузовых вагонов на их технический ресурс в состоянии поставок или остаточный ресурс после длительной эксплуатации вагонов.
Метод решения задачи
Коэффициент запаса сопротивления усталости литых деталей тележек произведен по методике ВНИИВа [2] по зависимости
п = Ра (0,95)+ - РстК,), (1)
РстКиКдэ
где Ра (0,95) - предел выносливости детали при вероятности неразрушения 0,95 при
базовом числе циклов нагружения Л0 = 107, полученный по результатам усталостных испытаний. По результатам натурных испытаний деталей ФГУП «ПО Уралвагонза-вод» [3] предел выносливости боковой рамы из стали 20ГЛ при вероятности неразрушения Р = 0,95 в состоянии поставки составляет Ра (0,95) = 15,55 тс, а надрессор-
ной балки - Ра (0,95) = 16,53 тс (тележки модели 18-100); - коэффициент чувствительности детали к ассиметрии цикла; Рт - постоянная средняя нагрузка цикла; Рст - вертикальная статическая нагрузка брутто на деталь; Ки - коэффициент использования грузоподъемности вагона; Кдэ - коэффициент вертикальной динамической нагрузки на деталь.
Исходные данные для выполнения расчетов приведены в табл. 2.
Таблица 2
Исходные данные для определения коэффициентов запаса сопротивления усталости боковой рамы и надрессорной балки тележки 18-100
Наименование показателя Обозначение показателя Размерность Величины показателей
Осевая нагрузка Р0 тс 23,5
Допускаемые коэффициенты запаса сопротивления усталости [и] - 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0
Предел выносливости деталей из стали 20ГЛ при вероятности неразрушения Р = 0,95 [3]: - для боковой рамы - для надрессорной балки Ра(0,95) Ра(0,95) тс тс 15,55 16,53
Общие коэффициенты снижения усталостной прочности [1]: - для боковой рамы - для надрессорной балки (КД (КД - 4-4,5 4,3-4,8
Показатели наклона кривой выносливости, определяемые зави-А симостью т = —т— [1]: (К Д - для боковой рамы - для надрессорной балки т т 4,5; 4,28; 4,0 4,18; 4,0; 3,75
Окончание табл. 2
Наименование показателя Обозначение показателя Размерность Величины показателей
Коэффициенты вертикальной
динамики нагрузок: - на боковые рамы - на надрессорные балки Кдэ Кдэ - 0,5 0,35
Коэффициент использования Ки - 0,9
грузоподъемности вагона
Постоянная средняя нагрузка цикла: - на боковую раму - на надрессорную балку Рт Рт тс тс 35 45
Вертикальная статическая нагрузка брутто: - на боковую раму - на надрессорную балку Р 1 ст Р 1 ст тс тс 22 42
Коэффициент чувствительности - 0,05
детали к ассиметрии цикла
для низколегированных сталей
Величины коэффициентов запаса сопротивления усталости литых деталей тележки 18-100 в состоянии поставок составляют:
- для боковой рамы
15,55 + 0,05(35 - 22 • 0,9) п = —---—^-= 1,64;
22 • 0,9 • 0,5
- для надрессорной балки
16,53 + 0,05(45 - 42 • 0,9) п = —--—*-= 1,27.
42 • 0,9 • 0,35
Однако в процессе эксплуатации тележек происходит «выжигание» деталей с литейными дефектами в опасных зонах с изменением их предела выносливости в сторону его увеличения. Природа причин увеличения усталостной прочности литых деталей до конца не изучена. Невзирая на это, испытания боковых рам и надрессор-ных балок на усталость после их 30-летней эксплуатации показали, что предел выносливости рам при вероятности неразрушения Р = 0,95 возрастает на 28 %, а над-рессорных балок на 54 % [5]. Поэтому при оценке остаточного ресурса литых деталей через I лет эксплуатации в величину предела выносливости Ра(0,95) зависимости (1) вносится поправочный коэффициент Ки с учетом которого пересчитыва-ются коэффициенты запаса сопротивления усталости деталей (табл. 3). То есть в зависимость (1) вместо Ра(0,95) подставляется Ра(0,95)К
Технический ресурс литых деталей в состоянии поставок (до начала эксплуатации) определяется по зависимости
п
=Т У ' (2)
где Тн - назначенный срок службы детали, лет; п и [п] - соответственно расчетный и допускаемый коэффициенты запаса сопротивления усталости. Допускаемый коэф-
фициент запаса сопротивления усталости регламентируется [1] и до появления ГОСТ 32400 принимался:
- при использовании статистически надежных экспериментальных данных по пределу выносливости аЛ при доверительной вероятности Р = 0,95 и надежных экспериментальных данных по эксплуатационной нагруженности детали а а равным [и] = 1,4;
- при использовании статистически надежных экспериментальных данных по пределу выносливости ааЛ при доверительной вероятности Р = 0,95 и приближенных данных по а а, по установленным нормативам динамических сил либо при использовании средневероятностных данных по ааЛ при Р = 0,95 и надежных экспериментальных данных по аа равным [и] = 1,6;
- при использовании приближенных данных по ааЛ, определяемых расчетным путем или экспертной оценкой при Р = 0,5, и приближенных данных по а а, определяемых расчетным путем по установленным нормативам динамических сил, равным [и] = 1,8-2,0; т - показатель степени наклона кривой выносливости, определяемый по [1] по зависимости, приведенной в табл. 2.
Расчетный коэффициент запаса сопротивления усталости и определяется по зависимости (1).
Остаточный ресурс литых деталей после длительной эксплуатации определяется по зависимости
( V
^ =(н - Т, (3)
I[и])
где Т{ - срок службы детали на момент I контроля, годы.
Таблица 3
Величины скорректированных коэффициентов запаса сопротивления усталости, в зависимости от срока службы деталей
Срок службы детали Т, лет Поправочные коэффициенты К Величины коэффициентов запаса сопротивления усталости в зависимости от Т
для боковых рам для надрессорных балок боковых рам надрессорных балок
0 1,00 1,0 1,64 1,27
10 1,05 1,3 1,72 1,65
20 1,10 1,4 1,80 1,77
30 и более 1,20 1,5 1,96 1,84
Анализ полученных результатов
По материалам натурных испытаний ФГУП «ПО Уралвагонзавод» [3] определены остаточные ресурсы Тост боковых рам и надрессорных балок тележки 18-100, изготовленных из низколегированной стали 20ГЛ в состоянии их поставки.
Величины Тост найдены для пяти вариантов значений [и] зависимости (3) ([и] = 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 и 2,0) при постоянных значениях и (и = 1,64 - для боковых рам и и = 1,27 - для надрессорных балок) и трех вариантов значений т (т = 4,5; 4,28; 4,0 -для боковых рам и т = 4,18; 4,0; 3,75 - для надрессорных балок [1]) и сведены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Показатели (и/[и])т и Тост боковой рамы тележки 18-100
Допускаемые коэффициенты запаса сопротивления усталости [и] Величины показателей
(и/[и])т при т Тост*, лет при т
4,5 4,28 4,0 4,5 4,28 4,0
1,2 4,0783 3,8074 3,4885 130,5 121,8 111,6
1,4 2,0380 1,9683 1,8830 65,2 62,9 60,2
1,6 1,1175 1,1114 1,1038 35,7 35,5 35,3
1,8 0,6577 0,6713 0,6891 21,0 21,4 22,0
2,0 0,4207 0,4276 0,4521 13,4 13,6 14,4
Назначенный срок службы боковой рамы из стали 20ГЛ выпуска с 2002 г. составляет 32 года [4].
Таблица 5
Показатели (и/[и])т и Тост надрессорной балки тележки 18-100
Допускаемые коэффициенты запаса сопротивления усталости [и] Величины показателей
(и/[и])т при т Тост*, лет при т
4,18 4,0 3,75 4,18 4,0 3,75
1,2 1,2674 1,2545 1,2368 40,5 40,1 39,5
1,4 0,6654 0,6771 0,6938 21,3 21,6 22,2
1,6 0,3807 0,3969 0,4205 12,1 12,7 13,4
1,8 0,2327 0,2478 0,2703 7,4 7,9 8,6
2,0 0,1498 0,1625 0,1821 4,7 5,2 5,8
Назначенный срок службы надрессорной балки из стали 20ГЛ выпуска с 2002 г. составляет 32 года [4].
Анализ табл. 4 и 5 показывает, что ни боковая рама, ни надрессорная балка, изготовленные из стали 20ГЛ тележки 18-100, не обеспечивают требования ГОСТ 32400 на соответствие допускаемому коэффициенту запаса сопротивления усталости [п] = 1,8 в состоянии поставки и величине назначенного срока службы Тн = Тост = 32 года, установленного ОСТ 32.183 [4]. Фактически боковые рамы при Т = 0, п = 1,64 обеспечивают ресурс Тн = Тост = 35,5 лет только при [п] = 1,6, а надрессорные балки имеют Тн = Тост = 40,1 года - при [п] = 1,2. Тем не менее безопасность движения вагонов с тележками 18-100 в течение Тн = 32 года при [п] = 1,6 < 1,8 боковых рам и [п] = 1,2 < 1,8 надрессорных балок обеспечивается на требуемом уровне благодаря возросшему качеству диагностирования деталей при их плановых ремонтах в депо и исключению из работы тех из них, которые по дефектам не отвечают требованиям ОСТ 32.183 [4].
Как видно из табл. 3, расчетные значения коэффициентов запаса сопротивления усталости литых деталей возрастают с увеличением их срока службы, что приводит к сохранению их потенциала по несущей способности при длительной эксплуатации (табл. 6). Так, боковые рамы в состоянии поставки Т = 0 обладают ресурсом Тн = Тост = 35,5 лет при [п] = 1,6, а через 30 лет эксплуатации в них еще остается ресурс Тост = 3,6 года (30 + 3,6 > 32 нормированных лет). То же происходит и с надрессорными балками: при Т = 0 и [п] = 1,2 Тн = Тост = 40,1 год, а через 30 лет эксплуатации в них остается ресурс в 11 лет (30 + 11 > 32 лет). При [п] = 1,8 ресурс рам составляет 30 + 2 = 32 года, а надрессорных балок - 30 + 2,1 = 32,1 года.
Таблица 6
Остаточный срок службы литых деталей тележки 18-100 в зависимости от их срока службы и допускаемых коэффициентов запаса сопротивления усталости
Срок службы детали Tt, лет Величины остаточного срока службы Тост, лет
боковой рамы при надрессорной балки при
n [n] = 1,2 [n] = 1,4 [n] = 1,6 [n] = 1,8 n' [n] = 1,2 [n] = 1,4 [n] = 1,6 [n] = 1,8
0 1,64 121,8 62,9 35,5 21,4 1,27 40,1 21,6 12,7 7,9
10 1,72 85,9 44,4 25,0 15,5 1,65 78,6 42,4 24,8 15,5
20 1,80 63,3 32,7 18,1 11,1 1,77 56,8 30,6 17,9 11,2
30 1,96 7,6 6,4 3,6 2,0 1,84 11,0 5,9 3,4 2,1
Расчетные значения коэффициентов запаса сопротивления усталости с учетом выбраковки дефектных деталей при плановых ремонтах.
Новое поколение тележек (18-578) грузовых вагонов оборудовано боковыми рамами и надрессорными балками повышенной несущей способности [3]: пределы их выносливости при вероятности неразрушения Р = 0,95 соответственно составляют Ра(0,95) = 18,49 тс и Ра(0,95) = 25,01 тс. Как следствие, у тележек модели 18-578 коэффициенты запаса сопротивления усталости в состоянии поставки составляют: - боковых рам
18,49 + 0,05(35 - 22 х 0,9) ,
2->-V-^ = 1,
n = ^--1—L = 1,94;
22 х 0,9 х 0,5
- надрессорных балок
25,01 + 0,05(45 - 42 х 0,9)
n =---- = 1,91,
42 х 0,9 х 0,35
а технический ресурс при Т = 0 и [п] = 1,8 (в состоянии поставки):
- боковых рам
Т,ст = Т = (32 - 0) 194) = 44 года;
- надрессорных балок
С \ 4,0
Т,ст = Тн = (32 - 0))191] = 40,6 года.
То есть технический ресурс боковых рам и надрессорных балок тележек 18-578 на 8-12 лет превышает назначенный срок службы Тн = 32 года (табл. 7).
Таблица 7
Остаточный срок службы литых деталей тележек моделей 18-100 и 18-578 в зависимости от срока службы
Срок службы детали Тн, лет Величины расчетных коэффициентов запаса сопротивления усталости п и остаточного срока службы Тост при [п ] = 1,8
боковых рам тележек надрессорных балок тележек
18-100 18-578 18-100 18-578
n Тост, лет n Тост, лет n Тост, лет n Тост, лет
0 1,64 21,4 1,94 44,0 1,27 7,9 1,91 40,6
10 1,72 15,5 2,03 37,4 1,65 15,5 2,48 79,2
Окончание табл. 7
Срок службы детали Тн, лет Величины расчетных коэффициентов запаса сопротивления усталости п и остаточного срока службы Тост при [п ] = 1,8
боковых рам тележек надрессорных балок тележек
18-100 18-578 18-100 18-578
п Т ост, лет п Тост, лет п Т ост, лет п Т ост, лет
20 1,80 11,1 2,13 24,6 1,77 11,2 2,67 58,0
30 1,96 2,0 2,31 5,9 1,84 2,1 2,87 12,9
Практическое приложение результатов
Результаты исследований могут быть использованы при определении назначенного срока службы литых деталей тележек грузовых вагонов.
Заключение
Проведенные исследования показали, что литые детали тележки 18-100 обладают техническим ресурсом на пределе назначенного срока службы 32 года и изменению не подлежат. Технический ресурс литых деталей (боковых рам и надрессорных балок) тележки 18-578 превышает назначенный срок их службы 32 года на 8-12 лет, и для них установленный срок службы может быть пересмотрен в сторону его увеличения с 32 до 40 лет при проведении усталостных испытаний литых деталей после их 30-летней эксплуатации и подтверждении полученных теоретических расчетов.
Литература
1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М. : ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.
2. К оценке запасов усталостной прочности надрессорных балок и боковых рам тележки ЦНИИ-Х3-О по результатам полных усталостных испытаний / В. С. Плот-кин [и др.] // Сб. науч. тр. ВНИИВ. - М., 1978. - Вып. 35. - С. 41-47.
3. Технический уровень тележки 18-578 в сравнении с тележкой 18-100 / В. П. Ефимов // Железнодорож. транспорт. - 2006. - № 7. - С. 56-60.
4. ОСТ 32.183-2001. Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная. Технические условия. МПС Россия. -Утв. и введ. в действие с 01.05.2002 г. - 22 с.
5. Отчет о научно-исследовательской работе «Проведение испытаний на выносливость надрессорных балок и боковых рам тележек ЦНИИ-Х3 со сроком службы, превышающим 30 лет» / Брян. гос. техн. ун-т. - Брянск, 1999. - 57 с.
Получено 20.10.2017 г.
