CC BY
22
Наука та прогрес транспорту. В1сник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
ПРОМИСЛОВИЙ ТРАНСПОРТ
УДК 629.423.027.23-027.45
О. М. БОНДАРЕВ1*, О. е. КРИВЧИКОВ1, Д. О. ЯГОДА1, В. С. БОНДАРЕВА1, В. В. РЯДКОВСЬКИЙ2
1 Каф. «Будшельна мехашка», Дншропетровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту iMeHi академжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Украша, 49010, тел./факс +38 (056) 793 19 08, ел. пошта onildpps@gmail.com
'Каф. «Будiвeльна механжа», Днтропетровський нацiональний утверситет залiзничного транспорту iмeнi акадeмiка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дтпропетровськ, Украша, 49010, тел./факс +38 (056) 793 19 08, ел. пошта onildpps@gmail.com
2Державна адмшстрацш залiзничного транспорту Украши, вул. Тверська, буд. 5, Кшв, Украша, 03680
ТЕОРЕТИЧНО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНА ОЦ1НКА ПОКАЗНИК1В М1ЦНОСТ1 СЕРЕДН1Х ПОПЕРЕЧНИХ БАЛОК РАМ В1ЗК1В ПРИЧ1ПНИХ ВАГОН1В ЕЛЕКТРОПО1ЗД1В ЕР9М, ЕР9Е
Мета. Метою роботи е визначення чинник1в, як можуть сприяти появ1 трщин у середшх поперечних балках рам в!зшв причшних вагошв, та розробка заход1в !з покращення показник1в мщносп цих рам. Методика. Для досягнення поставлено! мети були проведет наступи роботи: обстеження техшчного стану несучих конструкцш рам в!зшв причшних вагошв; вимрювання твердосп матер1алу за Бршеллем; визначення оцшки границь витривалосп матер1алу середньо! поперечно! балки; проведення експериментальних випробувань !з визначення р!вшв зусиль та напружень, як1 створюються у вказаних балках в умовах експлуатаци; розробка розрахункових моделей для теоретичного визначення р1вшв напружень у середнш поперечнш балщ; моделювання як звичайних, так 1 нештатних умов експлуатацшно! навантаженосп. Результата. На подстав! анал1зу отриманих результата виявлено ситуаци, при яких створюються найбшьш! р!вш напружень; розроблено заходи з покращення показнишв мщносп середшх поперечних балок рам в1зшв причшних вагошв. Наукова новизна. На шдстаы експериментальних та теоретичних дослвджень виконано наукове супроводження робгг щодо розробки заход1в !з покращення показнишв мщносп середшх поперечних балок рам в1зшв причшних вагошв. Практична значимкть. Розроблеш заходи з покращення показнишв мщносп передан! спещалютам Укрзал!зниц! для !х впровадження щд час виконання ремонт!в електропогадв указаних сер!й.
Ключовi слова: розрахунков! модел!; теоретичн! розрахунки; електропо!зди ЕР9М; електропо!зди ЕР9Е; в!зки; поперечна балка; показники м!цност!; причшш вагони
Вступ
Щц час виконання деповських ремонпв вагошв електропо!зд!в серш ЕР9М, ЕР9Е у обсяз1 ПР3 були випадки виявлення трщин у середшх поперечних балках рам в1зюв причшних вагошв. З метою встановлення чинникiв, якi можуть викликати утворення трщин, було прийнято ршення про здшснення теоретично-експериментальних робгт з визначення р1вшв навантажень та напружень, що
виникають у середшх поперечних балках рам в1з-юв причшних вагошв в умовах експлуатаци.
Мета
Метою роботи е визначення чинниюв, яю можуть викликати утворення трщин у середшх поперечних балках рам в1зюв причшних вагошв, та розробка заход1в з покращення показни-юв мщносп цих балок.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дшпропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Методика
Для досягнення поставлено! мети в ходi ви-конання роботи спочатку було проаналiзовано умови експлуатаци несучих конструкций рухо-мого складу [2]; дат здшснено обстеження тех-нiчного стану несучих конструкций рам вiзкiв причiпних ваготв. Наступним етапом було ви-мiрювання величини твердостi за Брiнеллем та визначення оцiнки границь витривалост мате-рiалу середньо! поперечно! балки [5]; прове-дення експериментальних випробувань з визначення рiвнiв зусиль та напружень, якi утво-рюються у вказаних балках в умовах експлуа-тацл. Шсля цього розроблено розрахунковi моделi [4, 7] для теоретичного визначент рiв-нiв напружень у середнiй поперечнш балцi та моделювання як звичайних, так i нештатних умов експлуатащйно! навантаженостi.
Результати
На рис. 1 наведено загальний вигляд елект-ропо!'зда сери ЕР9М та дослiдного вагона 548-05 моторвагонного депо Фастiв Швденно-Захщно! залiзницi.
а б
також i в шших перер1зах рами. Мюця утворен-ня цих трщин вiдмiчено точками У10, У11.
Рис. 1. Загальний вигляд електропо!зда серп ЕР9М (а) та приятного вагона зав. № 548-05 (б)
Конструкция вiзка причiпного вагона (КВЗ-ЦНИИ) [1, 3, 10] (рис. 2) безщелепна на подшипниках кочення з гiдравлiчними гасниками коливань у центральному пiдвiшуваннi. Вона складаеться з рами, чотирьох буксових тдвь шувань, двох колiсних пар, центрального тд-вiшування, важшьно-гальмово! передачi. Величина статичного прогину ресорного mдвiшу-вання становить 200 мм при вазi брутто.
На рис. 3 вказано розташування мiсць утво-рення трщин у поперечнiй балщ рами вiзка причiпного вагона. Вони з'явилися на бiчних стiнках i мають довжину приблизно 40 мм, а на верхнш полицi - 60 мм.
Пращвники моторвагонного депо Фастiв повщомили про те, що трiщини спостерпалися
Рис. 2. Загальний вигляд в1зка приятного вагона
Рис. 3. Розташування мюць утворення трщин у поперечнш балщ рами в1зка причтного вагона зав. № 58 електропо!зда сери ЕР9М
З метою встановлення причин утворення вказаних трiщин спочатку було виконано роботу з визначення ощнки границ витривалостi матерiалу середтх поперечних балок рами вiз-ка. Для цього було виконано вимiрювання твердост! На рис. 4 вказано мюця на попере-чнiй балщ, у яких вимiрювалася твердость.
Рис. 4. Мюця вим1рювання твердосп матер1алу балки
У табл. 1 наведено середт значення твердо-стi НВ за Бршеллем для матерiалу поперечно! балки в указаних точках та !х середньоквадра-тичнi вiдхилення.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Таблиця 1
Значення твердост та ix середньоквадратичнi вiдxилення S'HB
й № точки
й и о с У1 У2 У3 У4 У5 У10 У11
НВ ^нв 163 3,3 175 2,2 130 3,4 104 1,6 119 2,9 169 3,7 151 4,5
Границi витривалостi у вказаних точках ви-значаемо за спiввiдношенням, наведеним у [5], яке було запропоноване для рам вiзкiв електро-Ш1здв сери ЕР1, ЕР2: о^ = 1,65 • НВ ± 70, МПа У табл. 2 наведено значення ощнки границь витривалосп матерiалу середньо! поперечно! балки рами вiзка причiпного вагона електропо!-зда сери ЕР9М (вагон зав. № 584-05)
Таблиця 2
Оцшка границь витривалосп матерiалу середньоТ поперечно!" балки рами вiзка, МПа
i № точки
й к о С У1 У2 У3 У4 У5 У10 У11
0-1 (min) 199 219,8 145 101 126 207 179
0-1 (max) 339 358 285 241 266 347 319
динам1чн1 складов1 вертикальних зусиль у буксовому ступеш шдвшування; R1, R2 - динам> чш складов1 вертикальних зусиль у центральному шдвшуванш; НВ1, НВнь НВ2, НВн2 - дина-м1чн1 складов1 горизонтальних поперечних ра-мних зусиль.
Для техшчно! д1агностики рухомого складу можуть застосовуватися також i методи комп'ютерно! графiки [8, 11, 12].
Метою проведення динамiчних мiцнiсних випробувань було визначення рiвня навантаже-ностi та показниюв мiцностi середнiх поперечних балок рам вiзкiв причiпних вагошв елект-ропо1'зда серп ЕР9М в умовах експлуатаци пiд час руху в режимах тяги, вибпу та гальмування з рiзними швидкостями по прямих донках коли, у кривих середшх (350 м < R < 650 м) та великих (Яв > 650 м) радiусiв i по стрiлочних переводах [2, 3, 6].
На рис. 5 наведено схему розташування ви-мiрювальних пристро1'в, а на рис. 6-7 мюця 1'х встановлення.
За допомогою датчикiв У1-У11 вимiрюва-лися динамiчнi складовi напружень; R11, R12 -
Рис. 5. Схема розташування тензорезистор1в для вим1рювання напружень
Пiсля встановлення вимiрювальних пристрой у примiщеннi цеху з ремонту моторва-гонного рухомого складу депо було виконано статичш випробування. При цьому було визна-чено жорстюсш характеристики пружинних комплектiв надбуксового та центрального шд-вiшувань, а також статичш складовi напружень вiд ваги кузова.
Статичш складовi напружень ост, МПа у се-реднiй поперечнш рамi вiзка вiд ваги кузова для вщповщних точок становлять:
V I................................................................4,80
У2................................................................1,20
У3................................................................0,30
У 4................................................................1,18
У5................................................................1,30
У6................................................................1,24
У7................................................................1,00
У 8................................................................2,00
У 9................................................................4,40
У10..............................................................2,20
VI I..............................................................2,40
Очевидно, що найбiльшi напруження вщ дп ваги кузова виникають у точках У1 та У9.
Методику розрахунюв високомщних пружин наведено в робот [9].
Аналiз залежностей динамiчних складових напружень вщ швидкостi руху, отриманих тд час виконання дослiдних по1'здок електропо1'з-дом примiського сполучення на напрямках Фасив-Кшв, Кшв-Фаспв, виявив, що зростан-ня напружень спостерiгаeться в дiапазонах швидкостi руху 40-60 км/год. Найбшьш на-пруженими е точки У4, У 9, У10, У1. Подiбне
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
спостер1гаеться i для динам1чних складових зусиль у надбуксовому та центральному шдвь шуваннях, а також для горизонтальних попере-чних рамних зусиль. У м1ру зростання швидко-ст руху вщбуваеться зростання зусиль у режимах тяга та гальмування на прямих д1лянках коли.
Рис. 6. Мюця встановлення тензорезистор1в
Для визначення найбшьших динам1чних зна-чень напружень та зусиль було складено вщпо-вщну таблицю (табл. 3). У табл. 4 наведено най-бшьш! значення вим1ряних та сумарних напружень, яю було отримано експериментально.
Рис. 7. Мюця встановлення пристро!в для вимiрю-вання динамiчних складових вертикальних та горизонтальних поперечних рамних зусиль
Найбшьш! напруження виявилено в точках У4 - 34,8 МПа, У9 - 28,6 МПа, У10 - 25,4 МПа, У1 - 27,4 МПа. Даш табл. 4 свщчать про те, що в бшьшосп точок найбшьш! р!вш напружень утворювалися в режим! тяги в кривих д1лянках коли, а найменш! - при рухов! на вибпу в прямих. Звернемо увагу на те, що одна з трщин була виявлена в зош, розташованш навколо точки У3. У цш точщ пор1вняно з шшими, кр1м точки У 5, складов! найбшьших напружень ме-нш1 та дор1внюють 9,8 МПа. Можна зробити припущення, що причиною утворення трщини в поперечнш балщ рами причшного в1зка № 58 м1г бути заводський дефект (дефект зварюваль-них робгг, наявнють дефектов у листо вертикально! стонки) або виникнення нештатно! ситуац!!.
Таблиця 3
Найбiльшi значення динамiчних складових напружень та зусиль
Режим руху* У1, МПа У2, МПа У3, МПа У4, МПа У5, МПа У6, МПа У7, МПа У 8, МПа У9, МПа У10, МПа У11, МПа Н, кН R11, кН R2, кН
Т, крив1 18,7 18,5 9,8 33,7 8,4 20,2 12,6 16,8 22,9 23,2 19,9 19,6 21,9 39,3
Т, прям1 14,9 3,9 2,9 3,9 4,0 10,7 4,9 9,9 14,9 9,7 7,7 2,9 16,6 36,6
В, крив1 20,8 7,1 3,2 4,4 5,4 20,4 8,1 14,1 24,2 16,7 14,5 6,9 16,8 34,0
В, прям1 11,7 3,7 2,3 3,0 3,6 10,1 3,7 8,3 14,3 9,3 7,7 3,2 15,2 27,2
Г, крив1 22,6 8,0 2,7 4,5 5,2 17,4 7,5 11,8 23,1 16,5 12,6 41,9 20,3 48,0
Г, прям1 16,0 6,5 3,9 3,6 5,4 13,8 6,3 10,7 19,6 14,0 10,9 3,5 25,4 44,6
MAX 22,6 18,5 9,8 33,7 8,4 20,4 12,6 16,8 24,2 23,2 19,9 19,6 25,4 44,6
*Режим руху: Т - тяга, В - вибщ Г - гальмування.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Таблиця 4
Найбiльшi значення експериментально вимiряних та сумарних напружень
Показник Точка
У1 У2 У3 У4 У5 У6 У7 У8 У9 У10 У11
Ост max, Па 4,8 1,2 0,3 1,1 1,3 1,2 1,0 2,0 4,4 2,2 2,4
Сд max, МПа 22,6 18,5 9,8 33,7 8,4 20,4 12,6 16,8 24,2 23,2 19,9
Ор max, МПа 27,4 19,7 10,1 34,8 9,7 21,6 13,6 18,8 28,6 25,4 22,3
Пращвниками моторвагонного депо Фаспв шд час виконання ремонту була виявлена рама в1зка причшного вагона з трщиною, розташо-ваною навколо точок У10, У11.
Наведеш результати показують, що тд час здшснення ремонтних робгг необхщно викону-вати д1агностування методами неруйшвного контролю стану середшх поперечних балок у зонах точок У1, У2, У 6, У 9, У10, У11.
З анатзу результапв експериментальних дослщжень бачимо, що в середнш поперечнш балщ зростання р1вн1в навантажень та напружень вщбувалося шд час руху в кривих дшян-ках коли та в режим1 гальмування.
Для виконання числового моделювання екс-плуатацшних умов i визначення навантажень враховувалися такi чотири пункти:
1. Динамiчнi додатки до вертикальних зу-силь, що дiють на раму вiзка вiд ваги кузова, враховувалися за допомогою коефiцieнта вертикально! динамши в другому ступеш шдвшу-вання Кдц. Вiдповiдно до вимог Норм [6] Кдц = 0,2. В окремих випадках, залежно вiд стану ресорного пiдвiшування, гасниюв коли-вань, коли, а також вщ швидкостi руху, значення коефщента вертикально! динамiки в другому ступеш шдвшування може бути бшьшим нiж 0,2. Для розрахунюв як найменше значення приймалося Кдц = 0,2, а найбшьше - Кдц = 0,5.
2. Динамiчна складова горизонтального на-вантаження становить Н = 0,45 QCt, де QCt -статичне навантаження на колюну пару [6].
3. Пщ час проходження колiсних пар вiзка в кривих дiлянках колi! навантаження в буксо-вих вузлах матиме кососиметричний характер. При входi в криву з вщведенням пiдвищення зовшшньо! рейки може становити до 6,7 %о [6]. У такiй ситуаци додаткове навантаження на буксу буде змшюватися до 4,5 кН. Для оцшки впливу нерiвномiрностi навантаженостi буксо-вих вузлiв на напружений стан несучих конс-
трукцiй рам вiзкiв було прийнято, що додатки динамiчних навантажень у буксових вузлах можуть досягати значень у дiапазонi 5.. .15 кН.
4. Пiд час гальмування додатково до вище-вказаних зусиль у вузлах шаршрного закрiп-лення гальмових колодок прикладалися зусил-ля 4,15 кН, а на кожний упор середшх поперечних балок дiяли зусилля по 16,6 кН, що вщпо-вщало найбшьш гострому режиму гальмування при швидкосп руху 20 км/год.
Рис. 8. Модель рами в1зка
Рис. 9. Розрахункова сшнченно-елемента схема рами в1зка
Для визначення напружень було використа-но сучасний метод виконання розрахунюв на мщшсть, жорстюсть та стшюсть - це метод сюнченних елемент1в [4]. Для проведення таких розрахунюв спочатку було створено модель рами в1зка (рис. 8) [7].
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
На тдсташ створено1 модел1 було розробле-но розрахункову сюнченно-елементну схему [4], яка складаеться з пластинчатых скшчених елеменпв та нараховуе 142 576 вузл1в i 69 634 елеменпв (рис. 9).
На рис. 10 показано мюця прикладання на-вантажень при моделюваннi рiзних умов екс-плуатацн.
гу; гальмування) за яких вiдбуваеться перероз-подш вертикального навантаження мiж колесами колюних пар вiзка. Рiзниця в навантаженос-тi становить 5, 10 та 15 кН.
Рис. 10. Мюця прикладання навантажень при моделюванш умов експлуатацп
З метою забезпечення продовження експлуатацп рам в1зюв причшних вагошв, у яких мо-жливо утворення трщин у середшх поперечних балках, пращвниками моторвагонного депо Фаст1в Ивденно-Захщно! зал1знищ, фах1вцями ДНДЦ УЗ та КЕВРЗ було розроблено вар1ант ремонту шляхом встановлення накладок на !х б1чш стшки (рис. 11).
З метою оцшки впливу заход1в модершзацп було проведено розрахунки з визначення на-пруженого стану основних елеменпв несучих конструкцш рами в1зка у випадку, коли на по-перечш середш балки рами в1зка причшного вагона в мюцях пошкодження установлено тд-силювальш накладки. На рис.12 показано модель рами в1зка з встановленими шдсилюваль-ними накладками. У цьому випадку скшченно-елементна розрахункова схема мае 146 080 вуз-л1в та 71 708 елеменпв [4].
У табл. 5 наведено результати числових роз-рахунюв для моделювання р1зних умов експлуатацп, а саме вказаш найбшьш1 р1вш напру-жень та мюця !х виникнення.
У табл. 6 для пор1вняння наведено найбшь-ш1 напруження, яю утворюються в середнш поперечнш балщ у двох вар1антах: базова конс-трукщя та тдсилена б1чною накладкою. При цьому було розглянуто режими руху як в пря-мих, так { в кривих дшянках колп (рух на виб1-
Рис. 11. Розташування шдсилювально! накладки на середнш поперечнш балщ
Рис.12. Модель рам вiзка з шдсилювальними накладками
З анатзу результапв табл. 5 видно, що встановлення тдсилювально! накладки не дае очшуваного ефекту тд час руху електропо!зда в кривих як на вибпу, так { в режим гальмування. Але за умови 11 встановлення спостерпа-еться покращення напружено-деформованого стану тд час руху на вибпу та при гальмуванш в прямих д1лянках коли, а також у випадках, коли вщбуваеться перерозподш навантажень на колеса колюних пар. Зниження значень напру-жень для режиму рух в прямих та перекю становить близько 20 %.
З метою оцшки впливу встановлення тдсилювально! накладки на напружений стан в пе-рер1з1 утворення трщини було виконано число-в1 розрахунки моделювання р1зних режишв руху електропо!зда. У табл. 7 наведено результати вщповщних розрахунюв.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверснтету зал1зничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Таблиця 5
Значення найбшьших напружень у поперечнш та поздовжнш балках рами вiзка
Режим Мгсце утворення найбшьших напружень Найбшьш1 значення напружень, МПа
та умови руху Поперечна балка Поздовжня балка Без тдсилення З тдсиленням
Рух у прямш, Кдц = 0,5 На верхшх поличках поперечно! балки в зон !! примикання до поздовжньо! балки - 12,5 9,8 На нижнш поличщ
- Навколо отвор1в проходження серг балки центрального тдвшування 98,8 -
Рух у кривш, На верхтх поличках поперечно! балки в зош !! примикання до поздовжньо! балки - 60,1 61,6 На верхнш поличщ
Кдц = 0,5 - Навколо отвор1в проходження серг балки центрального тдвшування (у зош поперечного упора) 141,9 -
Гальмування в прямш Кдц = 0,5 На нижтх поличках поперечно! балки в зош !! примикання до поздовжньо! балки - 33,1 12,1 На верхнш та нижнш поличках
- Навколо отвор1в проходження серг балки центрального тдвшування (у зот поперечного упора) 104,5 -
Гальмування в кривш Кдц = 0,5 На верхтх поличках поперечно! балки в зош !! примикання до поздовжньо! балки - 62,6 62,3 На верхнш та нижнш поличках
- Навколо отвор1в проходження серг балки центрального тдвшування (у зот поперечного упора) 127,6 -
Перешс АР=15кН У зош примикання поперечно! балки до повздовжньо! на верхнх та нижнш поличка в мющ заокруглення - 87,4 70,7 На верхнш та нижнш поличках
- Навколо отвор1в проходження серг балки центрального тдвшування (у зот поперечного упора) 154,3 -
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверснтету зал1зничного транспорту, 2013, № 6 (48)
Таблиця 6
Найбiльшi значення напружень у середнш поперечнш балщ
Режим руху Найбшьш1 напруження, МПа Зменшення найбшьших напружень, %
Базовий вар1ант Шдсилення накладками
Рух у прямих 12,5 9,8 21,6
Рух у кривих 59,0 59,0 0,0
Гальмування в прямих 36,7 12,1 67,0
Гальмування в кривих 62,6 62,6 0,0
Перешс 87,4 70,7 19,1
Таблиця 7
Значення напружень у середнш частиш середньоТ поперечно'1 балки, отриманих у результат числового моделювання рпних режимпв руху електропоТзда
Режим Верхня поличка а, МПа аУ3, МПа аУ4, МПа аУ5, МПа
руху Базовий Шдсилення Базовий Шдсилення Базовий Шдсилення Базовий Шдсилення
варшнт накладкою варшнт накладкою варшнт накладкою варшнт накладкою
Пряма 1,14 1,70 0,27 0,17 0,27 0,17 0,27 0,17
Крива 7,40 7,00 0,70 0,40 0,70 0,40 0,70 0,40
Крива, гальму- 7,20 7,20 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27
вання
Перешс ДР = 10 кН 30,10 9,36 15,5 9,36 30,10 9,36 8,20 9,36
Перешс ДР = 15 кН 32,30 11,10 32,30 11,10 32,30 11,10 9,20 11,10
Для виявлення причин, як можуть впливати на процеси, що призводять до утворення трь щин, було проведено вим1рювання твердосп матер1алу середньо! поперечно! балки рами в1з-ка причшного вагона та виконано оцшку зна-чень границ! витривалост!. Найменша величина границ! витривалост! зафшсована у точщ У4 та становить 101,3 МПа. У точках У3 ! У11, де були виявлено трщини, границ! витривалост! становлять 145 МПа ! 150,8 МПа вщповщно. При цьому пошкодження, як! можуть призво-дити до утворення мшротрщин ! надат до руй-нування, будуть вщбуватися у випадках, коли ампл!туда змшних напружень перевищить значення 0,5 с_1 [9].
Статичн! складов! напружень вщ ваги кузова у точках, де були виявлеш трщини, становлять: У3 - 0,3 МПа, У4 - 1,08 МПа, У11 -2,42 МПа.
З анатзу результапв експериментальних дослщженнях можна зробити висновки, що найб!льш напруженими виявилися точки У4 -33,7 МПа, У9 - 24,2 МПа, У10 - 23,2 МПа У1 -22,6 МПа. Найбшьше значення динам!чних складових напружень у точщ У3 - 9,8 МПа.
Анатз результапв числових розрахунюв моделювання р!зних режим!в руху показав, що найбшьш! значення напружень створюються тд час руху в кривих, у раз! гальмування, в умовах проходження перехщних кривих та при незадовшьному стан! кол!!.
Пщ час руху в кривих д!лянках кол!! найбшь-ш! напруження в поперечн!й балц! у базовому вар!анп та з тдсиленням накладкою на б!чн!й поверхн! при значент коеф!ц!ента динам!чност! Кдц = 0,2 становлять вщповщно 58,8 та 59,9 МПа, а в поздовжнш балц! найбшьш! напруження -131 МПа. Якщо Кдц = 0,5, то щ напруження дорь внюють 60,1, 61,6 та 141,9 МПа вщповщно.
Наука та прогрес транспорту. Вкннк Дншропетровського нацюнального ушверснтету затзннчного транспорту, 2013, № 6 (48)
У процес гальмування в прямих дшянках коли в поперечнш балцi в базовому варiантi та з тдсиленням найбiльшi напруження станов-лять вiдповiдно 36,7 та 10,5 МПа, а у поздовж-нш балцi найбiльшi напруження в зош поперечного упора - 85,2 МПа. Якщо Кдц = 0,5, то щ напруження дорiвнюють 33,1, 12,1 та
104.5 МПа вщповщно.
Щд час гальмування в кривих дiлянках коли i якщо значення коефщента динамiчностi Кдц = 0,2 в поперечнш балщ у базовому варiан-тi та з тдсиленням найбiльшi напруження ста-новлять вщповщно 59,8, 60,6 МПа, а у поздовж-нiй балцi найбiльшi напруження в зош поперечного упора - 127,6 МПа. Якщо Кдц = 0,5, то щ напруження дорiвнюють 62,6, 62,3 та
127.6 МПа вщповщно.
Внаслщок неоднаково! навантаженост колiс колiсних пар пiд час руху в перехщних кривих або в разi незадовiльного стану коли, умовно можна вважати, що створюеться перекiсна на-вантаженiсть. Було отримано, що в зош прими-кання поперечно! балки до повздовжньо! у базовому та у варiантi шдсилювання на верхнiх та на нижшх полицях (точки У 9, У11) в мющ за-округлення найбiльшi рiвнi напружень ставили при ДО = 10 кН - 73,3 та 66,6 МПа; при ДО = 15 кН 87,4 та 70,7 МПа. На верхнш поли-цi поздовжнiх балок навколо отворiв прохо-дження серг балки центрального шдвшування (у зонi поперечного упора) найбiльшi напруження дорiвнюють 138,4 МПа при ДО = 10 кН та 154,3 МПа при ДО = 15 кН.
Найбшьше впливае на створення рiвня на-пруженого стану середньо! поперечно! балки нерiвномiрнiсть розподiлу навантажень мiж колесами колiсних пар у вертикальнш площинi. При суттевому перевищеннi перерозподшу навантажень на колесах колюних пар у середнiй поперечнiй балщ максимальш напруження на нижнiх полицях (точки У 9, У11) в мющ заокру-глення не перевищують 87,4 МПа. При цьому мшмальна величина границ витривалостi до-рiвнюе 150,8 МПа.
На пiдставi результатiв експериментальних дослiджень отримано, що найбiльшi напруження, яю створюються у звичайних умовах експлуатаци електропо]дщв серш ЕР9М в середнiх поперечних балках рам вiзкiв досягають 33,7 МПа.
Наукова новизна та практична значимкть
На тдст^ експериментальних та теоретич-них дослiджень виконано оцiнку напруженого стану та умов навантаження середшх поперечних балок рам вiзкiв причiпних вагонiв, виконаний науковий супровiд робгг щодо розробки заходiв з покращення показникiв мiцностi середнiх поперечних балок рам вiзкiв причiпних вагошв. У бiльшостi розглянутих умов руху електропо!з-да установка пiдсилювальних накладок приводить до зменшення найбшьших напружень.
Найбiльшi значення напружень для поперечних середшх балок у базовому !х варiантi ме-ншi небезпечних рiвнiв. Отриманi результати дають пiдставу зробити висновки про те, що найбшьш iмовiрними причинами створення трщин е, по-перше, дефекти, яю були допуще-нi пiд час виготовлення рам вiзкiв, а по-друге, створення нештатних ситуацiй експлуатацiйно! навантаженосп рами вiзка. Заключним етапом ще! роботи була розробка заходiв, як мають виконуватися пiд час експлуатаци електропо!з-дiв вказаних серi!. Спещалютами Укрзалiзницi надано технiчне рiшення щодо впровадження цих заходiв пiд час виконання ремонтов.
Висновки
Виконано: обстеження техшчного стану не-сучих конструкцш рам вiзкiв дослiдного прич> пного вагона № 548-05 електропо!зда серп ЕР9М моторвагонного депо Фаста Ивденно-Захiдно! залiзницi; вимiрювання твердостi ма-терiалу за Брiнеллем в дослщних точках рами вiзка; оцiнку границь витривалосп матерiалу середньо! поперечно! балки; експериментальш випробування з визначення рiвнiв зусиль та напружень, якi створюються у вказаних балках в умовах експлуатаци; розроблено розрахунко-вi моделi для теоретичного визначення рiвнiв напружень у середнш поперечнiй балцi; здшс-нено моделювання як звичайних, так i нештатних умов експлуатацшно! навантаженостi.
На пiдставi аналiзу отриманих результат виявлено ситуацi!, у яких створюються най-бiльшi рiвнi напружень; розроблено заходи з покращення показниюв мщносто середнiх поперечних балок рам вiзкiв причiпних вагонiв.
Наведеш результати показують, що пiд час виконання ремонтних робгг слiд звертати увагу
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
на необхщшсть проведення д1агностування методами неруйшвного контролю стану поперечних середшх балок в зонах розташування тонок У1, У2, У10, У11, У9, У6.
У випадках, коли шд час обстежень та виконання ремонтних робгг будуть виявлятися трщини в середшх поперечних балках на середин! так, як це було виявлено в рам1 в1зка зав. № 58, то слщ виконувати шдсилення балки за рахунок встановлення б1чних накладок або накладок на верхню полицю за схемою, наведе-ною на рис. 11.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Вагоны: Проектирование, устройство и методы испытаний / под ред. Л. Д. Кузьмича. - М. : Машиностроение, 1978. - 376 с.
2. Горобец, В. Л. Анализ эксплуатационной наработки несущих конструкций подвижного состава в задачах продления сроков его эксплуатации / В. Л. Горобец, А. М. Бондарев, В. М. Скобленко // В1сн. Дшпропет. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Вип. 35. - Д., 2010. - С. 10-16.
3. Динамика пассажирского вагона и пути модернизации тележки КВЗ-ЦНИИ / под ред. А. А. Хохлова. - М. : МИИТ, 2001. - 160 с.
4. Зенкевич, О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. - М. : Мир, 1975. - 542 с.
5. Методика оценки остаточного ресурса несущих конструкций тягового подвижного
состава. - К. : Гос. администрация ж.-д. трансп. Украины, ДИИТ, 1998. - 51 с.
6. Нормы расчета и оценки прочности несущих элементов и динамических качеств экипажной части моторвагонного подвижного состава железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. - М. : ВНИИЖТ РФ, 1997. - 147c.
7. Потемкин, А. Твердотельное моделирование в системе КОМПАС - 3D / А. Потемкин. -СПб : БХВ - Петербург, 2005. - 512 с.
8. Пулария, А. Л. Применение методов компьютерной графики при технической диагностике подвижного состава железных дорог /
A. Л. Пулария, М. Е. Сердюк // В1сн. Дншро-петр. нац. ун-ту зал1зн. трансп. 1м. акад. В. Лазаряна. - Вип. 34. - Д., 2010. - С. 61-64.
9. Вершинский, С. В. Расчет вагонов на прочность / С. В. Вершинский. - М. : Машиностроение, 1971. - 432 с.
10. Руководство по устройству электропоездов серии ЕД9М, ЕД9Т, ЕР9П. - М. : Центр Коммерч. Разраб., 2005. - 128 с.
11. Carlson, В. Image interpolation and filtering /
B. Carlson // IEEE Trans. on ASSP. - 2000. -Vol. 26, № 4. - Р. 257-261.
12. Li, X. New edge directed interpolation / X. Li, T. Orchard // IEEE Trans. on Image Processing. -2001. - Vol. 10, № 10. - P. 1521-1527.
13. Huber, R. Berechnen hochleistungsfähiger Schraubenfedern / R. Huber, J. Gratzer // Maschinenwelt und Electronik. - 1964. - № 1. -P. 8-14.
A. М. БОНДАРЕВ1*, А. Е. КРИВЧИКОВ1, Д. А. ЯГОДА1, В. С. БОНДАРЕВА1,
B. В. РЯДКОВСКИЙ2
1 Каф. «Строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел./факс +38 (056) 793 19 08, эл. почта onildpps@gmail.com
'Каф. «Строительная механика», Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днепропетровск, Украина, 49010, тел./факс +38 (056) 793 19 08, эл. почта onildpps@gmail.com
Государственная администрация железнодорожного транспорта Украины, ул. Тверская, д. 5, Киев, Украина, 03680
ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОЧНОСТИ СРЕДНИХ ПОПЕРЕЧНЫХ БАЛОК РАМ ТЕЛЕЖЕК ПРИЦЕПНЫХ ВАГОНОВ ЭЛЕКТРОПОЕЗДОВ ЕР9М, ЕР9Е
Цель. Целью работы является определение факторов, которые могут способствовать возникновению трещин в средних поперечных балках рам тележек прицепных вагонов, и разработка мероприятий по улучшению показателей прочности этих рам. Методика. Для достижения поставленной цели были проведены следующие работы: обследование технического состояния несущих конструкций рам тележек прицепных вагонов; измерение величины твердости материала по Бринеллю; выполнение оценки предела выносливости материала средней поперечной балки; испытания по определению уровней усилий и напряжений, которые
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&тзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
создаются в указанных балках в условиях эксплуатации; разработки расчетных моделей для теоретического определения напряжений в средней поперечной балке; моделирование как обычных, так и нештатных условий эксплуатационной нагруженности. Результаты. На основании анализа полученных результатов выявлены ситуации, при которых создаются наибольшие уровни напряжений; разработаны мероприятия по улучшению показателей прочности средних поперечных балок рам тележек прицепных вагонов. Научная новизна. На основании экспериментальных и теоретических исследований выполнено научное сопровождение работ по разработке мероприятий улучшения показателей прочности средних поперечных балок рам тележек прицепных вагонов. Практическая значимость. Разработанные мероприятия по улучшению показателей прочности переданы специалистам Укрзализныци для их внедрения во время выполнения ремонтов электропоездов указанных серий.
Ключевые слова: расчетные модели; теоретические расчеты; электропоезда ЭР9М; электропоезда ЭР9Е; тележки; поперечная балка; показатели прочности; прицепные вагоны
0. М. BONDAREV1*, О. E. KRYVCHYKOV1, D. А. YAGODA1, V. S. BONDAREVA1, V. V. RYADKOVSKIY2
1 Dep. «Structural Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel./fax +38 (056) 793 19 08, e-mail onildpps@gmail.com 'Dep. «Structural Mechanics», Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipropetrovsk, Ukraine, 49010, tel./fax +38 (056) 793 19 08, e-mail onildpps@gmail.com 2The State Administration of Railway Transport in Ukraine, Tverska St., 5, Kyiv, Ukraine, 03680
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL EVALUATION OF STRENGTH INDICES OF BOGIE FRAME TRANSOMS FOR TRAILING CARS OF ELECTRIC TRAINS ER9M, ER9E
Purpose. The article objectives are to identify the factors, which can contribute to the formation of cracks and to develop the measures on improving the strength indices of bogie frame transoms of trailing cars. Methodology. In order to achieve these objectives, in performing the work it was conducted the inspection of the technical condition of supporting structures for bogie frames of trailing cars; measured the Brinell hardness numbers and estimated the endurance limits of transom material; tested on determination of the levels of efforts and stresses being created in the specified transoms under operation; developed the computational models for the theoretical determination of stress levels in the transom by simulating both normal and abnormal conditions of operating loading. Findings. Based on the analysis of results obtained: the situations with the highest stress levels were found; the measures on improving the strength indices of bogie frame transoms of trailing cars were developed. Originality. Based on the experimental and theoretical studies, the scientific monitoring of works to develop the measures on improving the strength indices of bogie frame transoms of trailing cars was carried out. Practical value. The developed measures on improving the strength indices were passed to professionals of Ukrzaliznytsia to introduce the proposed activities during the repairs of electric trains of specified series.
Keywords: computational models; theoretical calculations; electric trains ER9M and ER9E; bogies; strength indices; trailing cars
REFERENCES
1. Kuzmich L.D. Vagony: Proyektirovaniye, ustroystvo i metody ispytaniy [Cars: Designing, device and test methods]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1978. 376 p.
2. Gorobets V.L., Bondarev A.M., Skoblenko V.M. Analiz ekspluatatsionnoy narabotki nesushchikh konstruktsiy podvizhnogo sostava v zadachakh prodleniya srokov yego ekspluatatsii [Analysis of operational developments bearing structures of the rolling stock in the problems of extension of its operation]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dniproperovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 35, pp. 10-16.
3. Khokhlov A.A. Dinamika passazhirskogo vagona i puti modernizatsii telezhki KVZ-TsNII [The dynamics of a passenger car and the ways of a bogie KVZ-TsNII modernization]. Moscow, MIIT Publ., 2001. 160 p.
Наука та прогрес транспорту. Вкннк Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2013, № 6 (48)
4. Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [Finite elements method in engineering]. Moscow, Mir Publ., 1975. 542 p.
5. Metodika otsenki ostatochnogo resursa nesushchikh konstruktsiy tyagovogo podvizhnogo sostava [Procedure of assessing the residual life of supporting structures of the traction rolling stock]. Kyiv, State Administration of Ukrainian Railway Transport, DIIT Publ., 1998. 51 p.
6. Normy rascheta i otsenki prochnosti nesushchikh elementov i dinamicheskikh kachestv ekipazhnoy chasti motorvagonnogo podvizhnogo sostava zheleznykh dorog MPS RF kolei 1520 mm [Rules for calculating and assessing the strength of supporting elements and dynamic qualities of the vehicle part of the motorized railcar rolling stock in Russian Federation, Ministry of Railways, wheel gauge 1,520 mm]. Moscow, VNIIZhT (RF) Publ., 1997. 147p.
7. Potemkin A. Tverdotelnoye modelirovaniye v sisteme KOMPAS - 3D [Solid modeling in the KOMPAS-3D package]. Saint Petersburg, BKhV Publ., 2004. 512 p.
8. Pulariya A.L., Serdyuk M.Ye. Primeneniye metodov kompyuternoy grafiki pri tekhnicheskoy diagnostike podvizhnogo sostava zheleznykh dorog [The application of computer graphics methods in technical diagnostics of railway rolling stock]. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu imeni akademika V. Lazariana [Bulletin of Dniproperovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan], 2010, issue 34, pp. 61-64.
9. Vershinskiy S.V. Raschet vagonov naprochnost [Strength calculation of rail cars]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1971. 432 p.
10. Rukovodstvo po ustroystvu elektropoyezdov serii YeD9M, YeD9T, YeR9P [Manual on design of electric trains of series ED9M, ED9T, ER9P]. Moscow, Tsentr Kommercheskikh Razrabotok Publ., 2005. 128 p.
11. Carlson, В. Image interpolation and filtering. IEEE Transaction on ASSP, 2000, vol. 26, no. 4, pp. 257-261.
12. Li X., Orchard T. New edge directed interpolation. IEEE Transaction on Image Processing, 2001, vol. 10, no. 10, pp. 1521-1527.
13. Huber R., Gratzer J. Berechnen hochleistungsfähiger Schraubenfedern. Maschinenwelt und Electronik, 1964, no. 1, pp. 8-14.
Стаття рекомендована до публ1кацИ' к.т.н. доц. А. Л. Пулар1ею (Украгна); к.т.н,
доц. О. Д. Жаковським (Украгна)
Надшшла до редколегп 06.09.2013
Прийнята до друку 17.10.2013
