CC BY
27
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
УДК 629.488.25 «401»:629.463.3
А. Р. М1ЛЯНИЧ1*
1 Каф. «Рухомий склад i колия», Львшська фiлiя Днiпропетровського национального унiверситету зализничного транспорту iменi академика В. Лазаряна, вул. I. Блажкевич, 12а, Львш, Укра!на, 79052, тел. +38 (067) 747 46 46, ел. пошта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-3583-792Х
ПОШКОДЖЕННЯ РОБОЧИХ ЕЛЕМЕНТ1В 1НСТРУМЕНТУ, ПОВ'ЯЗАНИХ 13 ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ 3АТВЕРД1ЛИХ ОРГАН1ЧНИХ РЕЧОВИН
Мета. Найбшьша частина вантажних перевезень в Укралш здшснюеться зализничним транспортом. Державна статистика щоричних вантажних перевезень зализницями (ачень-листопад) фжсуе наступш дани: 2011 р. - 468 млн. т (108,2 % до 2010 р.); 2012 р. - 421,5 млн. т (98,5 % до 2011 р.); 2013 р. - 441,8 млн. т (96,6 % до 2012 р.). Незважаючи на щоричне зменшення обсяпв вантажних перевезень, вагомий внесок при транспортуванш вантажв належить перевозкам у цистернах. Тому при експлуатацп цистерн надзвичайно актуальним на сьогодш е подовження термину !х довговичносп. Сучаст уявлення про накопичення втомних пошкоджень в деталях рухомого складу зализничного транспорту грунтуються на моделях, яки ощнюють довговичнють металевих систем, залежно вид умов навантажень. Ц модели дозволяють з достаттм ривнем точности виконувати оцшку знемщнення металевих систем в умовах багатоциклово! втоми та за наявносп пружних деформаций. Водночас, особливосп повединки контртш щ модели не враховують. Метою ще! роботи е побудова математично! модели, яка дозволяе оцшювати довговичнють робочих шструменпв, що використо-вуються при очищенш затвердших оргатчних вантажив зализничних цистерн. Методика. З використанням сучасних шдходав механики деформованого твердого тша було виконано анализ впливу параметрив будови оргашчних речовин на довговичнють високонавантажених елеменпв конструкций. Введення в данш роботи сшввщношення взаемоди пошкоджень вщноситься, головним чином, до тих елеменпв конструкци инструменту, яки, внаслидок впливу широкосмугових гаусавських випадкових навантажень, здшснюють коливання зи сво!ми резонансними або навколорезонансними частотами. Результати. Вивчено вплив особливостей втомних навантажень на довговичнють конструкци. Так, отримаш результати свидчать про зростання пошкоджень, яки вносяться циклами из малими амплитудами напружень, из-за нелшшного ефекту взаемоди робочого елементу инструменту з оргашчним материалом. Для наведеного прикладу була розрахована довго-вичшсть стомлюваносп, яка, зпдно уточнено! оцшки, виявилась зниженою на 10...15 %. Зниження на 10 % вщповщае максимальнш амплиуди напруження 5с , а зниження на 15 % - максимальнш амплиуди 7 с. Наукова новизна. Аналогично показано, що параметри знемщнення металевих систем пов'язат з кинетикою втомних пошкоджень, що накопичуються у металевих конструкциях щд час зовшштх навантажень. Практична значимiсть. Автором було запропоновано сшвввдношення, яки дозволяють оцшювати залишковий ресурс детали в умовах заданого послидовного багаторивневого цикличного навантаження.
Ключовi слова: цикл; довговичшсть; пошкодження; втома; напруження; цистерни рухомого складу; зализ-ничний транспорт
Вступ
Найбшьша частина вантажних перевезень в Укра!ш здшснюеться затзничним транспортом. Державна статистика щоричних вантажних перевезень затзницями (сичень-листопад) фш-суе таю дани:
- 2011 р. - перевезення вантажив складають 468 млн т (108,2 % до 2010 р.); вантажооборот доривнюе 243 556,4 млн т/км (111,7 % до 2010 р.);
- 2012 р. - перевезення вантажив складають 421,5 млн т (98,5 % до 2011 р.); вантажооборот доривнюе 218 026,2 млн т/км (98,1 % до 2011 р.);
- 2013 р. - перевезення вантаж1в складають 441,8 млн т (96,6 % до 2012 р.); вантажооборот до-р1внюе 224 017,8 млн т/км (94,2 % до 2012 р.) [2].
Незважаючи на щор1чне зменшення обсяпв вантажних перевезень, вагоме значення тд час транспортування ванташв належить перевозен-ням у цистернах. Тому при експлуатацп цистерн надзвичайно актуальним на сьогодш е подовження терм1ну ix придатностт
Питання щодо подовження терм1ну експлуатацп в деталях рухомого складу та безпечного перевезення вантагав у цистернах постшно до© А. Р. Мшянич, 2014
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
слщжуеться украшськими та iноземними вче-ними [1, 7-14]. Так, аналiз причин пошкоджен-ня залiзничних цистерн, автоцистерн i контей-нерiв-цистерн, а також порiвняння 1хнього екс-плуатацiйного «життя» дослiджено нiмецькими вченими [14]. Розгляду компромiсних рiшень мiж ефективнiстю перевезень з^зничними цистернами та забезпеченням !х безпечного транс-портування присвячена робота американських дослiдникiв [13]. Темi моделювання динамiчних пошкоджень затзничних цистерн з викорис-танням фiзично мотивовано! внутршньо! змш-но! пластичносп присвячено публiкацiю [12]. Дослiдження процешв втоми матерiалiв пiд дieю випадково! вiбрацil та !х аналiз стали провщни-ми у публiкацiях [1, 9-11]. Можливють постш-ного ознайомлення та обговорення варiантiв конструктивних i технiчних рiшень, що дозво-ляють пiдвищити показники eфективностi перевезень речовин в залiзничних цистернах, на-даеться вченим на сторiнках наукового журналу «Наука та прогрес транспорту» [3, 6].
У той же час недостатньо дослщженою за-лишаеться проблема пластичного деформуван-ня, яка виникае внаслщок контакпв оргашчного матерiалу iз робочими елементами шструмента.
Мета
Сучаснi уявлення про накопичення втомних пошкоджень в деталях рухомого складу залiз-ничного транспорту грунтуються на моделях, якi оцшюють довговiчнiсть металевих систем залежно вщ умов навантажень. Цi моделi до-зволяють з достатнiм рiвнем точност виконува-ти оцiнку знемiцнення металевих систем в умо-вах багатоциклово! втоми та за наявностi пруж-них деформацiй. Водночас особливостi пове-дiнки контртiл цi моделi не враховують. Метою ще! роботи е побудова математично! моделi, яка дозволяе оцшювати довговiчнiсть робочих iнструментiв, що використовуються пiд час очищення затвердших органiчних вантаж1в за-лiзничних цистерн.
Методика
До виконання дослщжень i роботи над цiею статтею спонукав аналiз кiлькостi залишкiв у залiзничних цистернах застиглих органiчних вантажiв (рщкий пек, рiдка сiрка, капролактам, паста сульфонола, суперфосфорна кислота, оле-
ум, жовтий фосфор, нафтобiтум тощо), якi перед повторним завантаженням необхiдно вида-лити iз порожнин котлiв цистерн. Для виконання дослщжень був вибраний матерiал пек, який пiсля вивантаження рщкого пеку, залишався у цистернi у виглядi застиглого пеку, що шдля-гав видаленню, яке на практищ здiйснювалось на промивально-пропарювальнiй станцп (III 1С) вагонного депо. Труднощi технологiчного про-цесу видалення застиглого пеку в першу чергу полягали у складносп руйнування його монол> тностi та порушення адгезiйностi iз металом внутршньо! поверхнi цистерни.
Вiдомо, що пек - тверда або в'язка маса чо-рного кольору, яка залишаеться вщ перегонки кам'яного вугiлля, торф'яного або деревного дьогтю, сiрки, смоли тощо. Вш застосовуеться для виготовлення покрiвельного гiдроiзоляцiй-ного матерiалу, графггових електродiв тощо.
На цей час для оргашчних матерiалiв, яким властивi мiцнiснi та пружнiснi характеристики, ще недостатньо розробленi, створенi i впровад-женi надiйнi методи, якi дозволяють визначати умови руйнування таких матерiалiв при складному напруженому сташ. [8]. Потреби проекту-вальникiв задовольняли методи розрахунку умов пластичного руйнування при комбшова-них навантаженнях. У цьому наданому дослщ-женнi припускаеться, що енергiя формозмш-нення е основою для опису пружно-пластично! поведшки застиглого органiчного матерiалу у випадку, коли головнi напруження за напря-мом спiвпадають з осями матерiалу [5].
Введення у цiй робот спiввiдношення взае-моди пошкоджень вщноситься головним чином до таких елеменпв конструкци iнструменту, якi внаслiдок впливу широкосмугових гаусшвсь-ких випадкових навантажень здшснюють коли-вання iз сво!ми резонансними або навколорезо-нансними частотами. При таких коливаннях напруження в робочих елементах е вузькосму-говим гаусшвським випадковим процесом iз наближеними до нуля середшми значеннями та iз середньоквадратичним значенням с. Густи-на ймовiрностi згинаючо! криво! циктв (ампл> туд) такого напруження наближено шдпоряд-ковуеться розподiленню Релея [4]. Таю закони змши напружень за часом характеризуются незначною кiлькiстю циклiв напруження висо-ко! амплiтуди порiвняно iз циклами невеликих амплiтуд [9]. Цикл високо! амплiтуди призво-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
дить до перевантаження, тобто до шдвищення деформацп. Зв'язок мiж ефектами вщ таких циклiв i бiльш часпших циклiв менших ампл> туд е причиною так званого явища послщовно-стi (або чергування циклiв) навантаження [11].
Максимальний тк напружень та модиф1ко-ване правило лгнШного додавання. Величина максимального шку Бт вузькосмугових гаусшв-ських випадкових напружень залежить вiд ши-рини спектра напруження та вiд тривалостi навантаження. Чим ширшим е спектр напруження i тривалiшим е процес навантаження, тим бшь-шим е величина Бт. Типове значення Бт в 4...7 разiв переважае с [11].
Далi покажемо, як запропонована Морроу модель взаемоди [1], пов'язано! iз роботою пластичного деформування, i вщповщне правило додавання поширюеться на ситуащю вузькосмугових гауссiвських випадкових напружень. Пошкодження вщ пiку напружень 5" визначаеться:
^ = n.
S Ns
( S >
s
V m /
(1)
де ns - к1лькють цикл1в напруження з ампл1ту-дою S; Ns - кшьюсть циктв до руйнування при ампл1туд1 напружень S; d - показник роботи пластичного деформування.
Зауважимо, що S < Sm i що (ns /Ns) е вщно-шення, яке використовуеться у правилах лшш-ного додавання. Ефект накопичення пошко-джень описуеться iнтегруванням нелшшно! функцп (1) по всiм рiвням ампл^уд напруження до Sm. Умова руйнування виражатиметься:
DSdS = 1
(2)
Сшввщношення (1) i (2) будемо називати запропонованим модифшованим правилом л> нiйного додавання.
Опис методики анал1зу. Довговiчнiсть стом-ленiстю, тобто очшувана кiлькiсть циклiв до руйнування NM, можна встановити на основi запропонованого модифiкованого правила л> ншного додавання шляхом пiдстановки в (1) i (2) параметрiв вузькосмугових гаусшвських випадкових напружень. Внаслiдок цього отриму-еться степенева залежнiсть довговiчностi вщ с . Doi 10.15802/stp2014/30461
Крiм того, виведена масштабована густина ймовiрностi руйнувань G(S)m, яка характеризуе розподшення пошкоджень вiд кожного циклу напруження.
Висновок залежносп довговiчностi вiд напруження. Позначимо:
l = Sm / С , P(S) = ns / Nm ,
(3)
(4)
де P(S) - доля циктв напружень з амплiтудою S; nS - кiлькiсть таких циктв; NM - середня ю-льюсть циклiв до руйнування.
Пiдставивши прийнят вирази в (1), отримуемо:
D = P(S) N
Ds N. Nm
(5)
Зауважимо, що при d = 0 ця функщя пошкодження вщповщае правилу лшшного додавання.
Враховуемо вирази (2) i (5) у процесi руйнування:
Sm N 1С
1 = J DsdS = -Mj J S
(/с)
P(S)
Ns
dS,
NM =
(/с)
M /с
J s'
P(S)
Ns
(6)
(7)
dS
Якщо напруження е вузькосмуговим гаус-сiвським випадковим процесом, то густина ймовiрностi огинаючих амплiтуд P(S) тдпо-рядковуеться розподiленню Релея [4]:
P (s ) =
S
-exp
2с2
, де S > 0,
(8)
причому P(S) = 0 при S < 0.
Застосовуемо рiвняння криво! стомленост S - N при синусоидальному напруженш
Ns =
S
,-1/ß
с
ß = -1/b,
(9)
(10)
де cf, ß та b - параметри стомлено! мiцностi
оргашчного матерiалу при циклiчному наван-таженш.
S
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
Пюля чого отримуемо:
(1с)
Nm =■
с2 с\ ß
:_flc $ i+ß+de
* ß J0
(11)
-S 2/2с2
dS
зыдки:
HM =
nm = hM c-ß:
Cf -ß
1 + ß + dIL
l-d [21+ß/2+d/2 ^^ ^ де у (а, т) - неповна гамма - функщя [5]
Y
у(а, т) = J ха-1 e~xdx .
(12) (13)
(14)
Формулу (12) можна переписати таким чином:
(15)
(16)
с = С N-i'ß •
C = H 1/ß
M 11M ■
HL =Cf ßj[2'+ß/2 + 2] £
(17)
Nl = Hl а
-ß
N H
JVM _IIM
nl hL
-d /2
y[(1+ß/2)((2/2)]
Y [(1+ß/2+d/2)(2/2)]
(18) . (19)
Зпдно з виразами (6) та (11)
NM J G (S )MdS = ^
(20)
g (s )m =
,1/ß
с2 Cf ß
S l + ß+de
S 2/2с2
(21)
У цих виразах G(S)M - масштабована густи-на ймов1рност1 пошкоджень DS ¡з нормуючим множником NM.
Поставивши в останнш вираз (21) значення d = 0, визначаемо масштабовану густину ймов1р-носп пошкодження G(S)L зпдно з правилом л> ншного додавання:
G (S )
G (S )l
f s >d
S
V m у
(22)
Вирази (12) i (13) разом ¡з (15) та (16) визна-чають шукану залежнiсть довговiчностi стом-лешстю вiд с.
При застосовуванш правила лiнiйного додавання слщ приймати d = 0. Тодi вираз (13) ма-тиме такий вигляд:
Результати
Автором дослщжено вплив особливостей втом-них навантажень на довговiчнiсть конструкций
Розглянемо як приклад таю параметри. Не-хай задано:
сг = 1 152 МПа; ß = 9,65; d = - 0,207.
Визначимо NM / NL при l = 3, 5 i 7 та побуду-емо графки G(S)M i G(S)L при l = 5.
Розрахунки виконуються зпдно з наведеними виразами (12)... (22), результати яких подають:
l Nm / Nl
3 0,97
5 0,90
7 0,85
Отриманi результати свiдчать про зниження розрахунково! оцшки довговiчностi на (10___15) %.
де шдексом L позначеш результати, якi гру-нтуються на основi правила лiнiйного додавання та отримаш при d = 0 [1].
Для очшувано! (середньо!) довговiчностi NL отримуемо:
S S / Sm G(S)m / g(s)l
с 0,2 1,40
2с 0,4 1,21
3с 0,6 1,11
4с 0,8 1,05
5с 1,0 1,00
Отриманi результати в той же час свщчать про зростання пошкоджень, якi вносяться циклами ¡з малими ампл^удами напружень, iз-за нелiнiйного ефекту взаемоди робочого елемен-ту iнструменту з оргашчним матерiалом.
На рис. 1 наведет масштабоваш густини ймовiрностей пошкоджуваностей, визначенi
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
правилами лшшного та нелiнiйного додавання. Зауважимо, що найбiльше пошкоджень вини-кають циклами напружень з амплiтудою вщ 2с до 5с . Цикли з ампл^удою вище 5с можуть викликати дуже значнi пошкодження; однак таю цикли, якщо i виникають, то дуже рiдко. Цикли з амплггудою менше 2с виникають до-волi часто, однак будь-яких значних пошкоджень не спричиняють. Максимум пошкоджень у наведеному приклащ припадае на цикли з ам-плггудою 3,23с .
№10'
л ß=9f65 а=-0,207 1=5
G(Sh \ / (И \\
7/ ' \\ \ < \ / Ы
// // \
у
а 2а За к! 5а 6а 1а
Рис. 1. Масштабована густина ймовiрностi пошкоджень зпдно з правилом лiнiйного та нелшшного додавання
Fig. 1. Scalable density of damage probability according to the rules of linear and nonlinear addition
Таким чином, на приклад1 ще! модел1 було розраховано довгов1чшсть стомлювашстю, яка зпдно з уточненою ощнкою виявилась зниже-
ною на (10___15) %. Зниження на 10 % вщповщае
максимальнш амплиуда напруження 5 с , а зниження на 15 % - максимальнш амплггущ 7с .
Крив1 напруження - довгов1чнють експлуа-таци в логарифм1чних координатах мають од-наковий кутовий коефщ1ент.
Густина ймов1рносп пошкоджень шюструе вплив нелшшно! взаемоди на р1зних р1внях взаемоди; найбшьше шдвищення р1вня руйнуван-ня за рахунок цього ефекту спостер1гаеться в област малих ампл1туд напруження. Основна частина пошкоджень утворюеться циклами на-пружень з ампл1тудою вщ 2с до 5 с .
Побудована математична модель дозволяе ощнювати довгов1чшсть робочих шструмент1в, що використовуються шд час очищення затвер-дших оргашчних вантажiв зал1зничних цистерн.
Наукова новизна та практична значимкть
У виконаному автором дослiдженнi було ана-л1тично наведено, що параметри знемiцнення металевих систем пов'язанi з кiнетикою втомних пошкоджень, що накопичуються у металевих конструкщях пiд час зовнiшнiх навантажень. За-пропонованi автором спiввiдношення, як дозво-ляють оцiнювати залишковий ресурс деталi в умовах заданого послщовного багаторiвневого циклiчного навантаження, дозволять подовжити термiн експлуатацii деталей рухомого складу та забезпечити безпечне перевезення ванташв у цистернах на залiзничному транспорта
Висновки
В результатi виконаного дослщження було встановлено, що iснують способи очистки цистерн вщ залишюв застиглих органiчних ванта-ж1в, яю перед повторним завантаженням необ-хщно видалити iз порожнин котлiв цистерн.
Автор запропонував методику встановлення впливу фiзико-механiчних характеристик орга-нiчних речовин на довговiчнiсть високонаван-тажених елемент1в iнструменту руйнування та видалення залишюв застиглого пеку з котлiв залiзничних цистерн.
Запропонованi спiввiдношення дозволять ощнювати залишковий ресурс робочих елемен-т1в iнструменту в умовах ефективного техноло-гiчного навантаження.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Андрейшв, О. £. Розрахункова модель зароджен-ня втомних трщин бiля наводненого вирiзу / О. £. Андрейкiв, Д. В. Рудавський // Фiз.-хiм. ме-ханiка матерiалiв. - 2004. - № 5. - С. 63-66.
2. Вантажш перевезення. Статистична шформа-цiя [Електронний ресурс] / Державна служба статистики Украни. - Режим доступу: http://www.ukrstat.gov.ua/. - Назва з екрана. -Перевiрено : 15.06.2014.
3. Воропай, В. С. Разработка метода принятия решения относительно вагона-цистерны с истекшим назначенным сроком службы в условиях окончания III стадии жизненого цикла / В. С. Воропай // Вюн. Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Д., 2012. - Вип. 42. - C. 201-204.
4. Ибатуллин, Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев :
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
монографiя / Д. Ибатуллин. - Самара : Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 387 с.
5. Кулiченко, А. Я. Вплив методу термомехашч-но1 очистки котав залiзничних цистерн на ймовiрнiсть розтрiскування поверхневого шару металу / А. Я. Кулiченко, В. В. Ковальчук // Зб. наук. пр. Донецького ш-ту затзн. трансп. -Донецьк, 2012. - Вип. 29. - С. 228-234.
6. Кулiченко, А. Я. Теорiя руйнування ортотроп-них матерiалiв у виглядi залишк1в застиглого пеку в котлах залiзничних цистерн / А. Я. Ку-лiченко, А. Р. Ммнич // Вiсн. Дшпропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - Д., 2012. - Вип. 41. - С. 64-70.
7. Пительгузов, Н. А. Особенности технологических операций подготовки цистерн при перевозке химически опасных грузов / Н. А. Пительгузов, Т. Б. Ивченко, В. В. Федорченко // Вюн. Схвдноукраш. нац. ун-ту iм. В. Даля. -2011. - № 6. - С. 135-139.
8. Hess, G. Tank car travails: Regulators mull new safeguards for railcars that carry liquid hazardous materials / G. Hess // Chemical and Engineering News. - 2013. - № 91 (41). - Р. 27-28.
9. Lambert, R. G. Analysis of Fatigue Under Random Vibration / R. G. Lambert // The Shock and Vibration Bulletin. - 1976. - № 46 (3). -Р. 55-72.
10. Lambert, R. G. Computation Methods. Technical Report AD A 103211 / R. G. Lambert. - Alexandria : Defense Technical Information Center, Mar. 1980. - P 57-74.
11. Lambert, R. G. Fracture Mechanics Applied to Step-Stress Fatigue Under Sine/Random Vibration / R. G. Lambert // The Shock and Vibration Bulletin. - 1978. - № 48 (3). - P. 93-101.
12. Modeling the Dynamic Failure of Railroad tank cars using a physically motivated internal state variable plasticity/damage nonlocal model / F. R. Ahad, K. Enakoutsa, K. N. Solanki et al. // Modelling and Simulation in Engineering. - 2013. - Vol. 2013. -11 p. doi: 10.1155/2013/815158.
13. Saat, M. R. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety / M. R. Saat, C. P. L. Barkan // J. of Hazardous Materials. - 2011. - № 189 (1-2). -P. 62-68. doi: 10.1016/j.jhazmat. 2011. 01.136.
14. Weltschev, M. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage / M. Weltschev, S. Schwarzer, F. Otremba // Chemical Engineering Transactions. - 2013. - № 31. - P. 559-564. doi: 10.1016/ j.jhazmat.2011.01.13610.3303/CET1331094.
А. Р. МИЛЯНИЧ1*
1 Каф. «Подвижной состав и путь», Львовский филиал Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. И. Блажкевич, 12а, Львов, Украина, 79052, тел. +38 (067) 747 46 46, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0003-3583-792Х
ПОВРЕЖДЕНИЯ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИНСТРУМЕНТА, СВЯЗАННЫХ С ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ ЗАТВЕРДЕВШИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
Цель. Наибольшая часть грузовых перевозок в Украине совершается железнодорожным транспортом. Государственная статистика ежегодных железнодорожных грузовых перевозок (январь-ноябрь) фиксирует следующие данные: 2011 г. - 468 млн. т (108,2 % до 2010 г.); 2012 г. - 421,5 млн. т (98,5 % до 2011 г.); 2013 г. -441,8 млн. т (96,6 % до 2012 г.). Несмотря на ежегодное уменьшение объемов грузовых перевозок, весомый вклад при транспортировке грузов принадлежит перевозкам в цистернах. Именно поэтому при эксплуатации цистерн сегодня очень актуальным является продолжение термина их долговечности. Современные представления о накоплении усталостных повреждений в деталях подвижного состава железнодорожного транспорта основываются на моделях, оценивающих долговечность металлических систем в зависимости от условий нагрузок. Эти модели позволяют с достаточным уровнем точности выполнять оценку разупрочнения металлических систем в условиях многоциклового утомления и при наличии упругих деформаций. В то же время, особенности поведения контртел эти модели не учитывают. Целью этой работы является построение математической модели, позволяющей оценивать долговечность рабочих инструментов, которые используются при очищении затвердевших органических грузов железнодорожных цистерн. Методика. С использованием современных подходов механики деформированного твердого тела был произведен анализ влияния параметров строения органических веществ на долговечность большегрузных элементов конструкций. Введение в данной работе соотношения взаимодействия повреждений относится, главным образом, к тем элементам
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
конструкции инструмента, которые, вследствие влияния широкополосных гауссовских случайных загрузок, совершают колебания со своими резонансными или околорезонансными частотами. Результаты. Изучено влияние особенностей усталостных нагрузок на долговечность конструкции. Так, полученные результаты свидетельствуют о росте повреждений, которые вносятся циклами с малыми амплитудами напряжений, из-за нелинейного эффекта взаимодействия рабочего элемента инструмента с органическим материалом. Для приведенного примера была рассчитана долговечность утомляемостью, которая, согласно уточненной оценке, оказалась пониженной на 10... 15 %. Снижение на 10 % соответствует максимальной амплитуде напряжения 5с , а снижение на 15 % - максимальной амплитуде 7с. Научная новизна. Аналитически показано, что параметры разупрочнения металлических систем связаны с кинетикой усталостных повреждений, которые накапливаются в металлических конструкциях при внешних нагрузках. Практическая значимость. Автором были предложены соотношения, которые позволяют оценивать остаточный ресурс детали в условиях заданной последовательной многоуровневой циклической нагрузки.
Ключевые слова: цикл; долговечность; повреждения; усталость; напряжения; цистерны подвижного состава; железнодорожный транспорт
А. R. MILIANYCH1*
1 Dep. «Rolling Stock and Track», Lviv Branch of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, I. Blazhkevych St., 12а, Lviv, Ukraine, 79052, tel. +38 (067) 747 46 46, e-mail [email protected], ORCID 0000-0003-3583-792X
OPERATING ELEMENTS DAMAGE OF TOOLS CONNECTED WITH THE PLASTIC DEFORMATION OF HARDENED ORGANIC COMPOUNDS
Purpose. Most of the freight traffic in Ukraine is made by railway transport. Government statistics of annual railway freight traffic (January-November) records the following data: 2011 - 468 million tons (108.2% to 2010); 2012 - 421.5 million tons (98.5% to 2011); 2013 - 441.8 million tons (96.6% by 2012). Despite the annual decrease of freight traffic volumes, a significant contribution during the freight traffic belongs to transportation in tanks. That is why the term of their service life extension is very topical today at the operation of tanks. Modern ideas about the accumulation of fatigue damages in the details of railway vehicles are based on models that assess the service life of metallic systems, depending on the load conditions. These models with sufficient accuracy let carry out an assessment of softening of metallic systems in high-cycle fatigue conditions and at the presence of elastic deformation. At the same time, peculiarities of counterbodies' behavior these models do not take into account. The purpose of this paper is to construct a mathematical model to evaluate the durability of the operating tools, which are used in the purification of solidified organic cargo of tank cars. Methodology. With the use of modern approaches of deformed solid body mechanics the parameters impact of organic substances structure on the service life of heavy structural elements was analyzed. We present the interaction of damages ratio in this article. It relates mainly to those elements of the tool structure, which due to the influence of broadband Gaussian random loadings oscillate with their resonant or near-resonant frequencies. Findings. The influence of the fatigue loads features on the structure durability was studied. Thus, the obtained results suggest the increase of damages that are entered with low-amplitude cycles of strain, because of the nonlinear effect of the interaction between instrument operational elements with organic material. For the given example durability with fatigue which, according to an updated assessment, had been reduced by 10...15% was calculated. A decrease of 10% corresponds to the maximum amplitude of the voltage 5с , and a decrease of 15% - the maximum amplitude 7с . Originality. It is analytically shown that parameters of the metallic systems softening are connected with the kinetics of fatigue damages that accumulate in the metal structures under external loads. Practical value. Authors have proposed correlation that allows estimating the residual life of the part in conditions of a given sequence of multilevel cyclic loading.
Keywords: cycle; durability; damages; fatigue; voltage; tanks of rolling stock; railway transport
REFERENCES
1. Andreikiv O.Ye., Rudavskyi D.V. Rozrakhunkova model zarodzhennia vtomnykh trishchyn bilia navodne-noho vyrizu [The computational model of fatigue cracks nucleation near flood cutout]. Fiziko-khimichna mek-hanika materialiv - Physics and chemical mechanics of materials, 2004, no. 5, pp. 63-66.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2014, № 5 (53)
2. Vantazhni perevezennia. Statystychna informatsiia [Freight traffic. Statistic information]. Available at: http://www.ukrstat.gov.ua/ (Accessed 15 June 2014).
3. Voropay V.S. Razrabotka metoda prinyatiya resheniya otnositelno vagona-tsisterny s istekshim naznachennym srokom sluzhby v usloviyakh okonchaniya Ill stadii zhiznenogo tsikla [Development of a method to make decision concerning the tank-car with the assigned expired lifetime in terms of final Ill-rd stage of the life cycle]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho transportu meni akademika V. Laza-riana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 42, pp. 201-204.
4. Ibatullin D. Kinetika ustalostnoy povrezhdayemosti i razrusheniya poverkhnostnykh sloyev [Kinetics of damage and fatigue fracture surface layers]. Samara, SSTU Publ., 2008. 387 p.
5. Kulichenko A.Ya., Kovalchuk V.V. Vplyv metodu termomekhanichnoi ochystky kotliv zaliznychnykh tsys-tern na ymovirnist roztriskuvannia poverkhnevoho sharu metalu [Effect of thermomechanical treatment method of railway tanks boilers on the cracking probability of the surface layer of the metal]. Zbirnyk naukovykh prats Donetskoho instytutu zaliznychnoho transportu [Proc. of Donetsk Institute of Railway Transport], 2012, issue 29, pp. 228-234.
6. Kulichenko A.Ya., Milianych A.R. Teoriia ruinuvannia ortotropnykh materialiv u vyhliadi zalyshkiv zasty-hloho peku v kotlakh zaliznychnykh tsystern [Theory of failure of orthotopic materials in the form of a frozen pitch residues in boilers tanks]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznichnoho transportu meni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2012, issue 41, pp. 64-70.
7. Pitelguzov N.A., Ivchenko T.B., Fedorchenko V.V. Osobennosti tekhnologicheskikh operatsiy podgotovki tsistern pri perevozke khimicheski opasnykh gruzov [Technological operations features of the tanks preparation during transportation of chemically dangerous goods]. Visnyk Skhidnoukrainskoho natsionalnoho univer-sytetutu meni V. Dalia [Bulletin of V. Dahl East-European National University], 2011, no. 6, pp. 135-139.
8. Hess G. Tank car travails: Regulators mull new safeguards for railcars that carry liquid hazardous materials. Chemical and Engineering News, 2013, no. 91 (41), pp. 27-28.
9. Lambert R.G. Analysis of Fatigue Under Random Vibration. The Shock and Vibration Bulletin, 1976, no. 46 (3), pp. 55-72.
10. Lambert R.G. Computation Methods. Technical Report AD A 103211. Alexandria, Defense Technical Information Center Publ., Mar. 1980, pp. 57-74.
11. Lambert R.G. Fracture Mechanics Applied to Step-Stress Fatigue Under Sine/Random Vibration. The Shock and Vibration Bulletin, 1978, no. 48 (3), pp. 93-101.
12. Ahad F.R., Enakoutsa К., Solanki K.N., Tjiptowidjojo Y., Bammann D.J. Modeling the Dynamic Failure of Railroad tank cars using a physically motivated internal state variable plasticity/damage nonlocal model. Modelling and Simulation in Engineering, 2013, vol. 2013, 11 p. doi: 10.1155/2013/815158.
13. Saat M.R., Barkan C.P.L. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety. Journal of Hazardous Materials, 2011, no. 189 (1-2), pp. 62-68. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.136.
14. Weltschev M., Schwarzer S., Otremba F. Comparison of the operating life of tank containers, tank vehicles and rail tank cars for the carriage of dangerous goods in practice, analysis of causes of damage. Chemical Engineering Transactions, 2013, no. 31, pp. 559-564. doi: 10.1016/j.jhazmat.2011.01.13610. 3303/CET1331094.
Стаття рекомендована до публтацп к.т.н., доц. М. О. Ky3iHUM (Украгна); д.т.н.,
проф. В. В. Артемчуком (Украгна)
Надшшла до редколегп: 20.06.2014
Прийнята до друку: 20.09.2014
