CC BY
34
УДК 629.424.1:621.31:681.3
I. М. ГРУЩАК (Укрзалiзниця)
ПОР1ВНЯЛЬНА ОЦ1НКА ВПЛИВУ МОДЕРШЗАЦИ НА НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН РАМИ В1ЗКУ ЕЛЕКТРОВОЗА ВЛ60
В статл наведено результати розрахунку напружено-деформованого стану фрагменту несучо!' конструк-ци рами в1зку у вар1анп заводу-виробника та модершзованого. Показано, що запропонований вар1ант модершзаци приводить до зменшення р1вня напружень найб1льш навантаженого вузла.
В статье приведены результаты расчета напряженно-деформированного состояния фрагмента несущей конструкции рамы тележки в варианте завода-изготовителя и модернизированного. Показано, что предложенный вариант модернизации приводит к уменьшению напряжений наиболее нагруженного узла.
In the paper the results of stressed-and-strained state calculations of the fragment of bogie frame supporting structure in the manufacturer's variant and modernized one are presented. It is demonstrated that the proposed variant of modernization leads to reduction of stresses of the most loaded unit.
Електровози ВЛ60 (рис. 1) переважно екс-плуатуються на мапстральних кол1ях Одесько! затзнищ. Особливютю конструкцп !х екшаж-но! частини е подвшний шкворневий вузол спирання кузова електровоза на в1зок (рис. 2).
Рис. 1. Електровоз ВЛ60пк у склад1 пасажирського по!зда
У процес експлуатаци вказаного електровоза на рам1 в1зку спостерпалися втомш руйну-вання в зош з'еднання б1чних балок з литими поперечинами, як в1дм1чен1 на рис. 2. Для ви-явлення причин цього явища було проведено динам1чн1 ходов1 мщшсш випробування [1]. Анатз результат проведених випробувань показав, що найб1льш1 напруження виникають при рус електровоза в кривих i практично не залежать вiд швидкост руху локомотива. Тому застосування оргашзацшно-техшчних заходiв (обмеження швидкостi руху) не мало сенсу.
В такий ситуаци було прийнято рiшення щодо розробки модершзаци вузла з'еднання поздовжньо! та поперечно! балок, спрямовано! на покращення показниюв мiцностi.
Оцiнку впливу модершзаци на залишковий ресурс рами вiзка в данш роботi пропонуеться проводити на пiдставi порiвняння напружень у вищезазначеному мющ.
Щодо застосування вказаного тдходу необ-хiдно приймати до уваги наступне:
1. Модершзащя вказаного вузла мае бути мюцевою, тобто вона не повинна суттево впли-вати на показники динамiчностi i навантажено-стi дослiджуваного рухомого складу.
2. Тип зовшшнього, вiдносно дослщжува-ного елементу конструкцп, навантаження ба-жано обирати з номенклатури нормативних [2] навантажень, як можуть приводити до появи втомних руйнувань в експлуатаци вказано! несучо! конструкцп.
3. Для анатзу напружень, якi виникають при навантаженш вказаного вузла конструкцп, необхiдно розробити математичнi моделi (роз-рахунковi схеми).
4. Повиннi бути визначеними напруження, як виникають в навантажених мюцях конструкцп в базовому варiантi та при виконанш можливих варiантiв !! модершзацш.
Порiвняльний розрахунок ресурсу будемо проводити наступним чином.
Напрацювання базового варiанту несучо! конструкцi!' (без модершзаци) тд дiею змiнних навантажень визначаемо як
А, =!<
'О Е1
(1)
I=1
Напрацювання модернiзованого варiанту несучо1 конструкцii пiд дiею змiнних наванта-жень буде визначене як
Тут О0 - мiра наробiтку базового варiанту конструкцii; а0Е| - е^валентне експлуатацiйне напруження базового варiанту конструкцп 1-го рiвня; К - сумарне число рiвнiв навантаження конструкцii; т = 4 - показник [2] ступеня кри-воi витривалостi; п{ - кiлькiсть циклiв навантаження конструкцп з напруженням вщповщного рiвня.
О =Ъ
тЕ1
(2)
I=1
Тут Бт - мiра нароб^ку модернiзованого варiанту конструкцii; отЕ| - е^валентне екс-плуатацiйне напруження модершзованого варь анту конструкцii 1-го рiвня; К - пiдсумкова кь льюсть рiвнiв навантаження конструкцii.
Рис. 2. Рама в1зку електровоза ВЛ60: 1 - мюця розташування шкворневих вузл1в; 2 - мюця пошкоджень рами в1зка
Вiдношення ресурсу модернiзованоi конструкцп до ресурсу базового варiанту ё знахо-диться як зворотне вщношення наробiткiв [3]
Оо
(3)
50шах = Г0Р,
( = г Р
т шах т '
_ = _0_ _ =
тшах _ 0шах _ 0шах
(4)
Це вщношення показуе вiдносну величину тривалост термiну експлуатацii базового варiа-нту конструкцii та конструкцii з модершзащею i може слугувати показником якост проведеноi модернiзацii. Значення ё < 1 вщповщае модер-шзацп, що попршуе iснуючiй ресурс конструкцп, ё = 1 вщповщае модернiзацii, яка не впли-вае на ресурс несучоi конструкцii, ё > 1 - моде-ршзащя, яка збшьшуе ii ресурс. Чим бшьше величина ё, тим краща якiсть модернiзацii.
У вiдповiдностi до наявноi лiнiйноi залеж-ностi мiж зовнiшнiм навантаженням та макси-мальним напруженням в несучш конструкцii можна записати
де Р - зовшшне зусилля (яке вибираеться довь льно); г0 , гт - коефiцiенти впливу дп навантаження на напруження в точках несучих конс-трукцiй; С - константа, що залежить тшьки вiд властивостей базовоi та модернiзованоi конс-трукцii.
Константу С з (4) можна визначити також i при розрахунку варiантiв конструкцii тд дiею однакового навантаження як
С =
5
0шах
(5)
Тодi рiвняння (3) з урахуванням залежност (4) буде мати вигляд
т
^_о
от
I
.
°.Ег ' "г
I (С^е ) т • Пг
Ст -I
.
ат,Е,- "г
I
г=1
т
°тЕ - "г
Остаточно
' _ст _
V ^ т тах У
I
г _1
(6)
т
Ег - " г
I
г_1
т
Ег - " г
Вказане спiввiдношення (6) е основним роз-рахунковим стввщношенням, яке використо-вуеться для оцшки ефективностi виконання мо-дершзаци несучих конструкцш рухомого складу.
Рама вiзку електровоза ВЛ60 е лито-зварною конструкцiею. Бiчна балка рами зваре-на з гнутих профшв, посилених по нижнiй по-лищ накладками. Поперечна балка - лита, з елементом жорсткосп, через який вона приварена до бiчно! балки. Крiм того, поперечна балка на кшцях по обидва боки мiстить цилшдри-
чнi елементи, яю через круглi вирiзи в бiчних балках приваренi до зовшшшх стiнок. Для за-побiгання корози зазначенi дiлянки з торцiв закрит круглими мембранами, що приваренi до поперечних балок з боку зовшшшх стшок бiч-них балок. В експлуатацп втомнi трiщини заро-джувалися, в основному, на внутршшх стшках поздовжнiх балок у районi низу краплевидно! накладки.
Для розрахунку напружено-деформованого стану навантажено! дiлянки рами вiзка за методом скiнчених елеменпв була розроблена роз-рахункова схема, яка складалася з 2970 кшце-вих елементiв - трикутних i чотирикутних пластин (рис. 3).
а)
б)
Рис. 3. Розрахунков1 схеми базового (а) вар1анту конструкцп рами в1зку електровоза ВЛ60 та модершзованих (б) конструкцш
Конструкцiя була закршлена вiд перемiщень i ку^в поворотiв так, щоб це вщповщало И де-формацiям в експлуатацп (рис. 4). До вщдале-ного краю дшянки поперечно! балки приклада-
лися подовжнi горизонтальнi зусилля, що викликали деформаци елемента рами, подiбнi тим, що виникають при рус електровоза в кривих.
Рис. 4. Навантаження базового (без пвдсилень) елементу з'еднання поздовжньо! та поперечно! балок рами в1зку електровоза ВЛ60
г_1
г_1
г_1
На рис. 5 показано загальний вид напруже- величиною 10 кН. ного стану вузла при сумарному навантаженш
Рис. 5. Напруження у базовому (без тдсилень) елеменп з'еднання поздовжньо! та поперечно! балок рами в1зку електровоза ВЛ60
Найбiльшi напруження в елемент констру-кци виявилися в мюцях з'еднання накладки до бiчно! балки з нижньо! И сторони. На рис. 6, 7 показаш, вщповщно, напруження в накладцi i внутрiшнiй стiнцi бiчно! балки рами вiзка. Iхнiй
вид дозволяе зробити висновок про те, що мак-симальнi напруження в рамi вiзка електровоза ВЛ60 виникають у мюцях !хшх руйнувань при рiвнях навантажень, що вщповщають руху локомотива в кривих.
Рис. 6. Напруження у краплевиднш накладщ рами в1зку електровоза ВЛ60
В результат розрахунку був отриманий розподш деформацiй i напружень з вищезазна-чених варiантiв. Аналiз показав, що найбшьш небезпечним е мiсце приварювання поперечно! балки до повздовжньо! - знизу.
В табл. 1 наведеш значення еквiвалентних напружень у найбшьш навантажених точках. Показник криво! витривалоси, з урахуванням
максимально! можливо1 концентраци напружень [2], приймався рiвним т = 4.
Аналiз наведених результатiв показуе, що проста модершзащя рам вiзкiв, яка запропоно-вана i може бути здiйсненою в умовах депо, приводить до зниження найбшьших напружень у небезпечних точках до 20 %. Це означае, що запропонований спошб дозволяе аналiзувати напружено-деформований стан рам вiзкiв елек-
тровозiв в умовах !х модершзаци, сприяе змен-шенню напружень у навантажених точках, та буде сприяти продовженню термiну 1х експлуа-тацп. За отриманими оцшками, можна очшува-
ВИСНОВКИ
1. Розроблено методику порiвняльноl ощ-нки ресурсу несучих конструкцiй рухомого складу за розрахунком 1х статичного наванта-ження.
2. Проведено анатз напружено-деформо-ваного стану елемента рами вiзка електровоза ВЛ60.
3. Проведений аналiз модершзаци рами в> зкiв електровозiв ВЛ60 дозволяе зробити ви-сновок щодо можливого збiльшення вдвiчi строку експлуатаци рам вiзкiв електровоза ВЛ60 у порiвняннi з немодернiзованою конс-трукцiею вiзка.
ти подвiйне подовження термiну експлуатаци розглянутого елемента конструкци електровоза ВЛ60.
1
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Бондарев А. М. Влияние эксплуатационных нагрузок на напряжения в элементах несущих электровоза ВЛ60 / А. М. Бондарев, В. Л. Горо-бец, В. И. Дворецкий, И. М. Грущак // Зал1зни-чний транспорт Украши, 2002 - № 4. - С. 21-25.
2. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов и динамических качеств и воздействия на путь экипажной части локомотивов железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - М: МПС РФ, ВНИИЖТ, 1998. - 145 с.
3. Довганюк С. С. Применение методов математического моделирования к оценке выносливости рам тедежек тягового подвижного состава / С. С. Довганюк, В. Л. Горобец, И. М. Грущак // Зб. наук. пр. Кшвського ун-ту економ1ки 1 тех-нологш транспорту. Серш «Транспортш систе-ми 1 технологи». - Вип. 8. - К.: КУЕТТ, 2005. -С. 27-35.
Надшшла до редколеги 22.05.2008.
п^п г .
■ 2. .Й4Е+05
4 ■Э6Е+06
■ 9 ■ЗОЕ+06
■ 1 ■ВОЕ+07
г .34Е+07
■ я . 31Е+(17
пах 2 . 81Е+07
Рис. 7. Напруження у б1чнш стшщ рами в1зку електровоза ВЛ60
Таблиця
Найбiльшi еквiвалентнi напруження та показник якост модершзаци для розглянутих ва|)1аи'мв конструкци
№ пп Вар1ант розрахунково! схеми Напруження, МПа Показник ефек-тивност модершзаци
1 Модель базового з'еднання, яка складена за креслен-нями заводу-виготовника 28,1 1,0
2 Модель модершзованого вузла, посиленого ребрами жорсткосп 25,1 1,57
3 Модель модершзованого вузла, посиленого ребрами жорсткосп та накладками 22,9 2,27
