CC BY
23ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ И ТЯГА ПОЕЗДОВ
COMPARATIVE ASSESSMENT OF STRENGTH OF SPRINGS OF SPRING SUSPENSION FROM STEELS OF BRANDS 55С2, 55С2ГФ, 60С2А, 60С2ХА
1 2 Iakushev A.V. , Ruzmetov I.O.
1 - SIC V-INDUSTRY LLC, Saint Petersburg, Russia 2 - Tashkent institute of railway engineers, Tashkent, Uzbekistan
Abstract: Four steel grades 55S2, 55S2GF, 60S2A, 60S2XA are selected according to GOST 14959-2016 for the manufacture of coil springs for spring suspension of freight wagons. The task of assessing the conformity of the external and internal springs made of steel 55S2, 55S2GF, 60S2A, 60S2XA, the strength conditions at I and III design conditions of operational loads. The method of calculating the strength of the springs. The results of calculations of the spring strength of the outer and inner carts of model 18-100 are obtained. It is concluded that the springs can be made only from steel grades 55S2GF and 60S2A.
Key words: springs, strength, steel, stress, bar, trolley, wagon
СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ ПРУЖИН РЕССОРНОГО ПОДВЕШИВАНИЯ ИЗ СТАЛЕЙ МАРОК 55С2, 55С2ГФ, 60С2А, 60С2ХА
Выбраны четыре марки стали 55С2, 55С2ГФ, 60С2А, 60С2ХА по ГОСТ 14959-2016 для изготовления пружин цилиндрических винтовых рессорного подвешивания грузовых вагонов. Поставлена задача оценки соответствия пружины наружной и внутренней, изготовленных из сталей 55С2, 55С2ГФ, 60С2А, 60С2ХА, условиям прочности при I и III расчетных режимах эксплуатационных нагрузок. Приведена методика расчета прочности пружин. Получены результаты расчетов прочности пружины наружной и внутренней тележки модели 18-100. Сделан вывод о том, что пружины можно изготавливать только из сталей марок 55С2ГФ и 60С2А. пружин, прочности, стали, напряжений, прутка, тележки, вагон
Аннотация:
Ключевые слова:
Введение. Государственный стандарт ГОСТ 1452-2011 предусматривает возможность изготовления пружин цилиндрических винтовых тележек подвижного состава из сталей марок 55С2, 60С2, 55С2А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА по ГОСТ 14959-2016, или других марок по механическим свойствам не хуже стали 55С2. Нередко, проектная организация допускает
применение нескольких марок сталей, указывая их в технических требованиях на чертеже. Однако, в расчете прочности пружин данные стали имеют разные допускаемые касательные напряжения [1] при I и III расчетных режимах сочетания эксплуатационных нагрузок. Поэтому, перед применением каждую марку стали необходимо проверить расчетным путем на соответствие требованиям [1] по прочности.
Постановка задачи. В статье ставится задача по расчетной оценке прочности базового комплекта пружин тележки 18-100, изготовленной из сталей марок 55С2, 55С2ГФ, 60С2А и 60С2ХА, от воздействия эксплуатационных нагрузок по I и III расчетным режимам, и оценке возможности их применения в данной конструкции пружины.
Методика расчета прочности пружин. Решение поставленной задачи основано на положениях [1-3] c учетом [4-7].
Формулы для расчета прочности пружин [1-3] приведены в таблице 1.
Таблица 1
Формулы для расчета прочности пружин
1. Условие прочности по I расчетному режиму 7max ^ М/
2. Условие прочности по III расчетному режиму ^max -
3. Максимальное касательное напряжение в поперечных сечениях прутка от вертикальной нагрузки Рр по I режиму, действующей на пружину 8-P; • D • Ç ^max -13 п• d
4. Максимальное касательное напряжение в поперечных сечениях прутка от вертикальной нагрузки Рр по III режиму, действующей на пружину 8-PpIn • D • Ç ^max 3 п-d
5. Вертикальная расчетная сила для I режима ^ = С • f р в сж
6. Вертикальная расчетная сила для III режима Р^ = Рст + Рдин + 0,5 • Рбок р
7. Вертикальная динамическая нагрузка на пружину Рдин = Рст • Кдв
8. Коэффициент вертикальной динамики К = Кдв1 дв ß ч 4 1 ln-;-г п 1-Р(Кдв)
Продолжение таблицы 1
9. Среднее вероятное значение коэффициента вертикальной динамики К =a+3,6 •Ю-4 • в •V-15 дв -р f ст
10. Прогиб пружины до смыкания витков f = Нсв - Нсж = Нсв-(d • (np+1) + 0,003) сж
11. Поправочный коэффициент, учитывающий кривизну витков и поперечную силу с 1 _L 1,25 , 0,875 t = 1+——+—- С С2 u u
12. Индекс пружины С =D u d
13. Вертикальная жесткость пружины G d4 y C = , Cb 8 D3 np
14. Угол подъема винтовой линии нагруженной пружины Ы;в - fp tga = л .D.n p
15. Наибольший полный расчетный прогиб fp K • £т
Условные обозначения в формулах 1-15:
и - допускаемые касательные напряжения для первого и третьего расчетного режима; D - средний диаметр пружины; d - диаметр прутка; Рст - расчетная статическая нагрузка на пружину; Рбок - боковая сила, действующая на одну пружину; р - параметр распределения; Р(Кдв) - доверительная вероятность, с которой определяется коэффициент вертикальной динамики; а - безразмерный коэффициент; в - коэффициент, учитывающий влияние числа осей в тележке под одним концом экипажа; V - конструкционная скорость движения; £.т - статический прогиб рессорного комплекта; Нсв -- высота пружины в свободном состоянии; Нсж-- высота пружины в полностью сжатом состоянии; пр - рабочее число витков пружины; G - модуль сдвига материала пружины; ¥ - безразмерный коэффициент; - наибольший полный расчетный прогиб пружины; К - коэффициент конструктивного запаса прогиба
Исходные данные для расчетов прочности пружин тележки 18-100 приведены в таблице 2.
Подставляя исходные данные, приведенные в таблице 2, в формулы, указанные в таблице 1, с учетом дополнений в [1-3] по определению не указанных в таблице 2 значений, по формулам (1), (2) определяются максимальные касательные напряжения в поперечных сечениях прутка от вертикальных нагрузок по I и III расчетным режимам.
Таблица 2
Исходные данные для расчетов прочности пружин
Показатель, ед. измерения
Высота
Название пружины
пружины d, м D, м Пр Нсв, м под пробной нагрузкой, Нпр, м fer, м Рст, кН
Наружная 0,029 0,170 3,9 0,249 0,1451 0,0542 19,8
Внутренняя 0,020 0,111 6,1 0,249 0,145 0,0542 10,28
Результаты расчетов на прочность. На рисунках 1-3 приведены результаты расчетов пружин рессорного комплекта на прочность с указанием допускаемых значений касательных напряжений в прутках.
Рис. 1. Сравнение касательных напряжений в прутках пружин из стали 55С2 с допускаемыми напряжениями (пунктирная и штрихпунктирная линии)
Рис. 2. Сравнение касательных напряжений в прутках пружин из сталей 55С2ГФ и 60С2А с допускаемыми напряжениями (пунктирная и штрихпунктирная линии)
I режим
Наружная пружина Внутренняя пружина
Рис. 3. Сравнение касательных напряжений в прутках пружин из стали 60С2ХА с допускаемыми напряжениями (пунктирная и штрихпунктирная линии)
Как видно из рисунка 1, наружная и внутренняя пружины из стали 55С2 не соответствуют условию прочности (1) (см. таблицу 1) при I расчетном режиме эксплуатационных нагрузок. Пружина внутренняя из стали 55С2 не удовлетворяет условию прочности (2) (см. таблицу 1) при III расчетном режиме.
Пружины отвечают условиям прочности (1) и (2) (см. таблицу 1) в случае изготовления их из сталей марок 55С2ГФ или 60С2А (см. рис. 2).
Сталь марки 60С2ХА рекомендуется только для изготовления наружных пружин, а для внутренних не подходит, ввиду превышения допускаемых напряжений по III режиму (см. рис. 3).
Выводы: Из марок сталей 55С2, 55С2ГФ, 60С2А и 60С2ХА только две марки 55С2ГФ и 60С2А подходят для изготовления наружных и внутренних пружин тележки модели 18-100 и ее аналогов для грузовых вагонов с осевой нагрузкой 23,5 тс, ввиду отсутствия превышения максимальных касательных напряжений в прутках над допускаемыми напряжениями при I и III расчетных режимах эксплуатационных нагрузок.
Список литературы
1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных); Введ. 1996. - М: ГосНИИВ, ВНИИЖТ. - 1996. -319 с.
2. Шадур Л.А., Челноков И.И., Никольский Л.Н., и др. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп./ Под ред. Л.А. Шадура - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1980 - 439 с.
3. Вершинский С.В., и др. Расчет вагонов на прочность / Под ред. Л.А. Шадура - М.: «Машиностроение», 1971 - 432 с.
4. Якушев А.В., Гетманец Р.М. Влияние горизонтальной силы на сопротивление усталости пружин тележек грузовых вагонов / Подвижной состав XXI века: Идеи, требования, проекты. Матер. X Междунар. науч.-тех. конф. - СПб., 2015. - С.25-26.
5. Якушев А.В., Ефимов В.П., Гетманец Р.М. Несовершенства стандартной методики испытаний пружин на циклическую долговечность, изложенной в ГОСТ Р 54326-2011 / Подвижной состав XXI века: Идеи, требования, проекты. Тез. докл. VIII Междунар. науч.-тех. конф. - СПб., 2013. - С.111-113.
6. Iakushev A.V. The features of operation of the dynamic machine for testing of railway springs / Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. Abstracts of 13th mini conf. - Budapest, 2012. - p.271-276.
7. Mironov V.I., Iakushev A.V., O.A.Lukashuk, G.G.Kozhushko. Cyclic degradation of material in vehicle components / Russian Engineering Research. -2012. - Vol.32, No.5-6. - p.417-422.
References
1. Normy dlya rascheta i proektirovaniya vagonov jeleznyh dorog MPS kolei 1520 mm (nesamohodnyh); Vved. 1996. - M: GosNIIV, VNIIJT. - 1996. - 319 s.
2. Shadur L.A., Chelnokov I.I., Nikolskiy L.N., i dr. Vagony: Uchebnik dlya vuzov j.-d. transp./ Pod red. L.A. Shadura - 3-e izd., pererab. i dop. - M.: Transport, 1980 - 439 s.
3. Vershinskiy S.V., i dr. Raschet vagonov na prochnost / Pod red. L.A. Shadura -M.: «Mashinostroenie», 1971 - 432 s.
4. Iakushev A.V., Getmanec R.M. Vliyanie gorizontalnoy sily na soprotivlenie ustalosti prujin telejek gruzovyh vagonov / Podvijnoy sostav XXI veka: Idei, trebovaniya, proekty. Mater. X Mejdunar. nauch.-teh. konf. - SPb., 2015. -S.25-26.
5. Iakushev A.V., Efimov V.P., Getmanec R.M. Nesovershenstva standartnoy metodiki ispytaniy pruzhin na ciklicheskuyu dolgovechnost, izlojennoy v GOST R 54326-2011 / Podvijnoy sostav XXI veka: Idei, trebovaniya, proekty. Tez. dokl. VIII Mejdunar. nauch.-teh. konf. - SPb., 2013. - S.111-113.
6. Iakushev A.V. The features of operation of the dynamic machine for testing of railway springs / Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. Abstracts of 13th mini conf. - Budapest, 2012. - p.271-276.
7. Mironov V.I., Iakushev A.V., O.A.Lukashuk, G.G.Kozhushko. Cyclic degradation of material in vehicle components / Russian Engineering Research. -2012. - Vol.32, No.5-6. - p.417-422.
Сведения об авторах /Information about authors Yadgor O. RUZMETOV
Cand. Sci. in Engineering, Associate Professor, Tashkent Institute of Railway Engineering, Adilkhodjaev str., 1. 700167 Tashkent Uzbekistant, E-mail: [email protected]
Aleksei V. YAKUSHEV
SIC V-INDUSTRY LLC, Saint-Petersburg, Russia. E-mail: [email protected]
