Определение предельной длины усталостной трещины в углу буксового проема боковой рамы тележки грузового вагона Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Якушев Алексей Вячеславович, Расщепкина Дарья Владимировна, Баранов Александр Николаевич

Цель: Определение предельной длины усталостной трещины в углу буксового проема от эксплуатационных нагрузок на примере литой боковой рамы тележки модели 18-100, отражающей ее живучесть . Методы: Применены законы теоретической механики и методы математического моделирования. Результаты: Рассмотрены усталостные изломы литых боковых рам тележек грузовых вагонов, полученные в эксплуатации, методика определения живучести в испытаниях. Отмечено, что на стадии проектирования боковых рам прогнозирование скорости роста усталостных трещин в опасных сечениях, а в целом живучесть конструкции подлежат определению. Рассчитана предельная длина усталостной трещины в углу буксового проема литой боковой рамы тележки модели 18-100 при первом и третьем расчетных режимах по ГОСТ 33211–2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам», результаты сопоставлены с серийным изломом боковой рамы в сети. Практическая значимость: Рассчитанные значения предельных длин трещин в углу буксового проема боковой рамы тележки модели 18-100 могут служить основой для сопоставления с предельными длинами трещин в других боковых рамах . Полученные оценки необходимы при разработке методики расчета надежности новых конструкционных решений пос ле появления усталостных трещин до очередного планового ремонта.

DETERMINATION OF FATIGUE CRACK CRITICAL LENGTH NI THE CORNER OF PEDESTAL JAW OPENING OF A FREIGHT-CAR TRUCK SIDE FRAME

Objective: To determine the critical length of a fatigue crack in the corner of pedestal jaw opening caused by working load, by the example of a molded side frame of an 18-100 model truck, thus, refl ecting its vitality . Methods: The laws of theoretical mechanics and mathematical simulation methods were applied. Results: The fatigue cracks of molded side frame of freight-car trucks, obtained in the process of operation, were considered, as well as the method of vitality determination during tests. It was observed, that at the design stage of side frame , prediction of the fatigue crack rate of growth in critical sections and construction vitality in general is to be determined. The critical length of a fatigue crack in the corner of pedestal jaw opening of a molded side frame of an 18-100 model truck was calculated in the fi rst and third design modes defi ned in GOST 33211–2014 “Freight cars. Regulations on bearing capacity and dynamic qualities”. The results were compared online with the serial fracture of a side frame . Practical importance: The calculated values of critical lengths of cracks in the corner of pedestal jaw opening of a side frame of an 18-100 model truck may provide the basis for the correlation with critical lengths of cracks in other types of side frames. The obtained evaluations are essential for the reliability design procedure of the new design concepts after the appearance of fatigue cracks until the next scheduled repair.

Текст научной работы на тему «Определение предельной длины усталостной трещины в углу буксового проема боковой рамы тележки грузового вагона»

А. В. Якушев, Д. В. Расщепкина, А. Н. Баранов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ ДЛИНЫ УСТАЛОСТНОЙ ТРЕЩИНЫ В УГЛУ БУКСОВОГО ПРОЕМА БОКОВОЙ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Цель: Определение предельной длины усталостной трещины в углу буксового проема от эксплуатационных нагрузок на примере литой боковой рамы тележки модели 18-100, отражающей ее живучесть. Методы: Применены законы теоретической механики и методы математического моделирования. Результаты: Рассмотрены усталостные изломы литых боковых рам тележек грузовых вагонов, полученные в эксплуатации, методика определения живучести в испытаниях. Отмечено, что на стадии проектирования боковых рам прогнозирование скорости роста усталостных трещин в опасных сечениях, а в целом живучесть конструкции подлежат определению. Рассчитана предельная длина усталостной трещины в углу буксового проема литой боковой рамы тележки модели 18-100 при первом и третьем расчетных режимах по ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам», результаты сопоставлены с серийным изломом боковой рамы в сети. Практическая значимость: Рассчитанные значения предельных длин трещин в углу буксового проема боковой рамы тележки модели 18-100 могут служить основой для сопоставления с предельными длинами трещин в других боковых рамах. Полученные оценки необходимы при разработке методики расчета надежности новых конструкционных решений после появления усталостных трещин до очередного планового ремонта.

Ключевые слова: Излом, боковая рама, трещина, расчетный режим, нагружение, живучесть, надежность, тележка грузового вагона.

Alexey V. Yakushev, Cand. Sci. Eng., associate professor, av-yakushev@yandex.ru; *Daria V. Rasshep-kyna, postgraduate student, Rasschepkinadaria7742@mail.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University); Aleksandr N. Baranov, general director, 51@ukbv.ru (LLC "Ural Railcar-building design office") DETERMINATION OF FATIGUE CRACK CRITICAL LENGTH NI THE CORNER OF PEDESTAL JAW OPENING OF A FREIGHT-CAR TRUCK SIDE FRAME

Objective: To determine the critical length of a fatigue crack in the corner of pedestal jaw opening caused by working load, by the example of a molded side frame of an 18-100 model truck, thus, reflecting its vitality. Methods: The laws of theoretical mechanics and mathematical simulation methods were applied. Results: The fatigue cracks of molded side frame of freight-car trucks, obtained in the process of operation, were considered, as well as the method of vitality determination during tests. It was observed, that at the design stage of side frame, prediction of the fatigue crack rate of growth in critical sections and construction vitality in general is to be determined. The critical length of a fatigue crack in the corner of pedestal jaw opening of a molded side frame of an 18-100 model truck was calculated in the first and third design modes defined in GOST 33211-2014 "Freight cars. Regulations on bearing capacity and dynamic qualities". The results were compared online with the serial fracture of a side frame. Practical importance: The calculated values of critical lengths of cracks in the corner of pedestal jaw opening of a side frame of an 18-100 model truck may provide the basis for the correlation

with critical lengths of cracks in other types of side frames. The obtained evaluations are essential for the reliability design procedure of the new design concepts after the appearance of fatigue cracks until the next scheduled repair.

Keywords: Fracture, side frame, crack, design mode, loading, vitality, reliability, freight-car truck.

В период с 2004 по 2013 г. проведена масштабная реконструкция формовочных участков на заводах-изготовителях литых боковых рам, открыты новые предприятия-изготовители, внедрены автоматизированные методы расчета прочности в конструкторских бюро, ужесточены нормативные требования, создано более десятка новых конструкций боковых рам [1], расширено применение методов диагностики качества и т. д. С 2014 г. ведется работа над введением в действие ГОСТ по ресурсным испытаниям боковых рам в трехмерном пространстве, что приведет к масштабному переустройству испытательных центров.

Однако, несмотря на достигнутые результаты, происходят крушения грузовых вагонов по причине отказа литой боковой рамы. Изломы связаны с нарушением технологии изготовления и наличием внутренних литейных дефектов. Можно сделать выводы о том, что существующие конструкции боковых рам не обладают конструктивной стойкостью к вероятным нарушениям производственных процессов, приводят к отказу единицы подвижного состава в случае наличия усталостных трещин в углах буксовых проемов.

На рис. 1 приведен типовой излом боковой рамы в эксплуатации. Длина усталостной трещины, измеренная посередине стенок, составляет приблизительно 340 мм. Зарождение трещины наступило по радиусу внутреннего угла в буксовом проеме от наружной поверхности с последующим концентричным развитием в глубину и в стороны стенки. Продвижение усталостной трещины в боковых стенках отливки и достижение своей предельной длины привело к долому боковой рамы за короткий

промежуток времени с последующим крушением вагона. Боковая рама не обеспечила работоспособность после возникновения опасного отказа и перешла в предельное состояние до планового ремонта, проводимого при 500 тыс. км пробега.

Относительную живучесть боковых рам с естественной усталостной трещиной можно установить в ходе натурных испытаний на стендах по действующей отраслевой методике соотношением AN/N, где AN - количество вертикальных циклов нагружений детали с трещиной, N - общая долговечность. Данный показатель является факультативным, критерии относительной живучести боковых рам в каждом опасном сечении отсутствуют.

Разработчики боковых рам не прогнозируют стадию развития усталостных трещин с момента зарождения до наступления предельного состояния детали. Однако ГОСТ 324002013 «Рама боковая и балка надрессорная литых тележек железнодорожных грузовых вагонов» устанавливает требование надежности по обеспечению работоспособности боковых рам после появления усталостных трещин до очередного планового ремонта. Утвержденные единые методики расчетов надежности боковых рам отсутствуют. Определение живучести литых боковых рам на стадии проектирования с целью изучения соответствия требованиям ГОСТ 32400-2013 подлежит изучению. Поэтому расчеты предельных длин усталостных трещин в опасных сечениях, вновь создаваемых и модернизируемых боковых рам тележек грузовых вагонов, скоростей их развития, в том числе с учетом внутренних литейных дефектов [2], являются актуальными. Они позволят дополнить стандартные методики расчета запаса сопротивления усталости боковых рам, установить критерии живучести в эксплуата-

усталостной трещины длиной 340 мм

Рис. 1. Излом боковой рамы в углу буксового проема на перегоне Гудачи-Гонжа Забайкальской железной дороги при скорости 62 км/ч, пробеге 302,637 тыс. км

ции и повысить безопасность курсирования отделе предприятия, занятого расчетом проч-вагонов. ности элементов ходовых частей вагонов.

В настоящей работе поставлена задача: определить предельную длину усталостной трещины во внутреннем углу буксового проема боковой рамы тележки модели 18-100 грузового вагона при расчетных режимах I и III по ГОСТ 33211-2014 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам» и сопоставить полученный результат с серийным изломом боковой рамы в сети.

Объект исследований выбран как базовый для всех эксплуатируемых литых боковых рам, широко изученных многими учеными, а также из-за наличия большого числа публикаций о прохождении этапов жизненного цикла.

Используемые ресурсы для выполнения поставленной задачи должны быть сопоставимы с ресурсами инженера в конструкторском

В качестве объекта использовалась литая боковая рама тележки грузового вагона модели 18-100 с максимальной расчетной статической осевой нагрузкой 230,5 кН (23,5 тс).

Марка конструкционной стали - 20 ГЛ в нормализованном состоянии по ГОСТ 324002013. Уровень механических свойств стали принят постоянным, не меняющимся на протяжении жизненного цикла, выбран по ГОСТ 32400-2013 для первой категории как наихудший: предел прочности аВ = 500 МПа, предел текучести 2 = 300 МПа. Модуль упругости первого рода Е0 = 2,1 -105 МПа, коэффициент поперечной деформации ц 0 = 0,3. Допускаемые по ГОСТ 32400-2013 понижения аВ на 100 МПа и а02 на 60 МПа, вероятность которых появляется в случае их опреде-

ления на образцах, вырезанных из натурной боковой рамы, не учитывались. Механические свойства однородно распределены по сечению и поверхности боковой рамы.

Объемная твердотельная модель боковой рамы разработана в программе ЗоШ^Огкз с номинальными размерами по чертежу, без учета нижних и верхних предельных отклонений, разнотолщинности стенок в одном поперечном сечении, вероятных внутренних литейных дефектов.

Влияние технологических факторов: литой поверхности, расположение отливки в форме, мест установки прибылей, механической обработки, наличия неметаллических включений, остаточных напряжений и т. д., не учитывалось.

Значения прикладываемых к объекту исследований нагрузок по расчетным режимам I и III представлены в таблице. Схемы, места приложения сил и закрепления приведены согласно ГОСТ 33211-2014.

Критерий прочности и разрушения

Текущие эквивалентные напряжения а'э в детали сравнивались с пределом текучести G0 2 стали 20 ГЛ, умноженного на понижающие коэффициенты 0,85 и 0,65 режимов I и III соответственно. Прочность детали обеспечивалась, если эквивалентные напряжения аэ в детали не превышали соответствующих пониженных пределов текучести g02 и а™ . Критерий прочности применяется только для установления зон концентрации максимальных напряжений на первом шаге расчета.

Коэффициенты интенсивности напряжений (КИН) при отрыве, полученные в ходе расчета боковой рамы с трещиной, сопоставляли с циклической вязкостью разрушения Kfc = 70 МПа\/м стали 20 ГЛ после 30 лет эксплуатации [3, 4]. В случае равенства K = Kß [5-7] фиксировалась предельная длина трещины в боковой раме. Предложенный критерий является основным в расчетах, предполагает появление и развитие усталостной трещины на конечной стадии эксплуатации боковой рамы.

Величины прикладываемых сил к объекту исследований, рассчитанных согласно ГОСТ 33211-2014

Наименование силы Значения сил, кН, для режимов

Тяжести 210,3 210,3 210,3 210,3

Динамическая 286,5 - 143,3 100,0

Распора клиньев 70,9 30 50,5 -

Инерции тележки 179,9 - - 51,5

Инерции колесной пары 28,5 - 28,5 -

Вагонного замедлителя - 120 - -

Тормозных колодок - - 32,5 -

Алгоритм расчета и полученные результаты

В программе АК8У8 версии 18.0 твердотельная модель боковой рамы без трещины подвергалась разбиению на конечные элементы типа 80ЬГО87, с характерным размером не более 20 мм.

После задания граничных условий и механических свойств стали 20 ГЛ определялось напряженное состояние боковой рамы. Соблюдение критерия прочности позволило выявить место концентрации максимальных эквивалентных напряжений а^13* - по внутреннему радиусу буксового проема боковой рамы.

На следующем шаге с помощью функционала АК8У8 в очаг концентрации а^ вводилась исходная поверхностная трещина длиной Ь0 = 10 мм, глубиной а0 = 3,5 мм, ориентированная вдоль поперечного сечения. Таким

образом, стадия зарождения трещины и ее развитие до размеров исходной трещины в работе не рассматривались.

Затем на полученной модели боковой рамы с исходной трещиной в программе ANSYS вновь генерировалась конечно-элементная (КЭ) сетка из элементов: типа SOLID87 - для тела модели, типа SOLID90 - для фронта исходной трещины, и окрестности радиуса Г = 0, \Li [5], где i = 0, n. Наибольший размер элементов SOLID90 не превышал 1 мм, что позволило получить сетку регулярного вида. На рис. 2 показана реализация такого приема на заключительной стадии продвижения усталостной трещины в исследуемом сечении боковой рамы.

В тех же граничных условиях с помощью модуля Fracture программы ANSYS [6] вычислялись КИН K\ в окрестностях вершины исходной трещины, проверялось соблюдение критерия: K\ = Kfc. Несоблюдение данного

Рис. 2. КЭ модель фрагмента внутреннего угла буксового проема боковой рамы, имитирующая фронт трещины, и его окрестность

критерия позволило увеличить исходную трещину на величину шага AL = 10 мм [8, 9]. Соотношение a = 0,7b [7] половины длины трещины b и ее глубины a сохранялось на протяжении всего расчета.

Далее снова перестраивалась сетка с измененной длиной трещины Ц = L0 + AL, рассчитывался K\, проверялось выполнение критерия K\ = Kfc. Расчет останавливался при соблюдении критерия, фиксировалась предельная длина усталостной трещины в сечении боковой рамы. Итого проведены 24 итерации по режиму I в каждом сочетании и 30 итераций по режиму III.

В результате расчетов значения предельных длин усталостных трещин в углу буксового проема боковой рамы составили: 240 мм по режиму I в сочетаниях а и в; 300 мм по режиму III. Соблюдение критерия K\ = K^c по режиму I6 не достигнуто с длиной усталостной трещины 240 мм, выполнение итераций остановлено.

Сравнение излома натурной боковой рамы по внутреннему углу буксового проема с модельными представлениями показывает сходство (рис. 3). Условные отпечатки фронта усталостной трещины на каждом шаге AL

его продвижения в модели согласуются с расположением усталостных бороздок в реальном изломе (рис. 3). Это подтверждает корректность предложенного метода определения предельных длин трещин в отливках коробчатого сечения.

На рис. 4 приведены зависимости К\ от длины усталостной трещины во всех исследуемых сочетаниях и режимах. Установлено, что фронт трещины делится на две части, когда трещина переходит в сквозную. Это согласуется с опытными наблюдениями за ходом развития усталостных трещин в литых боковых рамах [10, 11].

В результате проведенных исследований установлено следующее.

Предельная длина усталостной трещины во внутреннем углу буксового проема боковой рамы тележки модели 18-100 при расчете по режиму III меньше на 40 мм, чем в рассмотренном изломе натурной боковой рамы. Это можно объяснить тем, что в расчетах не учтена деградация механических свойств стали

Ззнп цсщежги рзйат

Ззю рярвшь разВаш

Очаг зврвждеж щщиж

Рис. 3. Изломы в углу буксового проема боковой рамы: а - из эксплуатации, б - из модели

20 ГЛ за 30 лет эксплуатации [3, 12-15]. Таким образом, получена консервативная оценка.

Характер продвижения усталостной трещины, выявленный по результатам моделирования, идентичен натурному излому.

Полученные значения предельных длин трещин в углу буксового проема боковой рамы тележки модели 18-100 могут служить основой для сопоставления с предельными длинами трещин в других боковых рамах.

10 30 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 1;,мм

Рис. 4. Зависимость КИН от длины трещины: а - в сочетании 1а; б - в сочетании 1б. Фронт трещины: 1 - левый, 2 - правый

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎