авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Прогнозирование усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Якушев Алексей Вячеславович

прогнозирование усталостного ресурса

литых деталей тележки грузового вагона

Специальность 05.22.07-Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Екатеринбург – 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) Федеральное агентство железнодорожного транспорта.

Научный руководитель – кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Миронов Владимир Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Третьяков Александр Владимирович,

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник Попов Сергей Ильич.

Ведущая организация – Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС - МИИТ).

Защита состоится «26» октября 2007 г. в 14.00 часов в ауд. 283 на заседании диссертационного совета Д 218.013.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный университет путей сообщения» (УрГУПС) по адресу: 620034, г.Екатеринбург, ул.Колмогорова, д.66.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УрГУПС.

Автореферат разослан «25» сентября 2007 года.

Отзывы на автореферат, в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью,

просим направлять в адрес диссертационного совета по почте.

Ученый секретарь диссертационного совета Асадченко В.Р.

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Рост грузооборота на железнодорожном транспорте требует создания новых конструкций вагонов с несущими элементами повышенной надежности. Кроме того, участились случаи крушений вагонов из-за низкой долговечности литых деталей тележек. В связи с этим важными являются вопросы прогнозирования ресурса несущих деталей тележек в эксплуатации на стадии проектирования. Однако существующие методы расчета долговечности элементов железнодорожного подвижного состава не дают достоверного прогноза. Разработчики новых конструкций опираются на результаты стендовых испытаний отдельных элементов и ходовых испытаний вагонов. Это требует больших временных и материальных затрат. Поэтому вопросы прогнозирования надежности вагонных конструкций на стадии проектирования являются актуальными.

В диссертации на основе анализа подходов к расчету долговечности литых деталей тележек грузовых вагонов, исследований дискретных моделей реальных конструкционных сталей и сплавов с неоднородной поликристаллической структурой, результатов базовых экспериментов по выявлению взаимосвязи статических и циклических свойств вагонных сталей для изготовления литых деталей тележек предложена методика расчета долговечности и живучести надрессорной балки тележки грузового вагона.

Целью диссертационной работы является создание объединительной методики для детерминированной оценки усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона с учетом циклической деградации свойств материала.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи.

  1. Разработать методику расчета долговечности литых деталей ходовых частей грузовых вагонов с использованием модели циклической деградации свойств материала.
  2. Провести моделирование процесса усталостной деградации и эксперименты для идентификации модели циклической деградации литых сталей, применяемых для изготовления литых деталей тележек грузовых вагонов.
  3. Построить полные диаграммы деформирования (ПДД) литых сталей при разной степени циклической наработки, с помощью разработанного испытательного комплекса.

Объектом исследования в настоящей работе являются литые детали тележки грузового вагона.

Предметом исследования являются ресурсные характеристики литых сталей и методика расчета долговечности элементов вагонных конструкций.

Научная проблема исследований формулируется следующим образом: разработать методологию оценки усталостного ресурса нерегулярно нагруженных элементов грузового вагона путем разработки эффективных средств проведения базовых экспериментов по идентификации модели циклической деградации литых сталей и использования модели в расчете долговечности надрессорной балки тележки грузового вагона.

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования усталостного процесса в структурно неоднородных материалах. Исходные положения и прогнозируемые результаты проверялись методом прямой экспериментальной проверки. При теоретическом исследовании напряженного состояния и прогнозировании усталостного ресурса детали тележки грузового вагона использовался метод конечных элементов (МКЭ).

Автор учитывал результаты исследований ученых в области железнодорожного транспорта: С.В.Вершинского, Ю.П.Бороненко, Н.С.Бачурина, М.В.Винокурова, В.П.Лозбинева, М.Б.Кельриха, А.Д.Кочнова, В.Н.Котуранова, И.Гоммеля, Ю.Л.Кофмана, Г.Марье, Е.Н.Никольского, Г.И.петрова, С.И.Попова, А.В.Смольянинова, М.М.Соколова, А.В.Третьякова, А.А.Хохлова, Л.А.Шадура, Н.Н.Шапошникова, Е.Шперлинга.

В своей работе автор опирался на труды отечественных ученых В.В.Болотина, С.Д.Волкова, В.С.Ивановой, В.П.Когаева, А.А.Лебедева, Н.А.Махутова, В.И.Миронова, С.В.Серенсена, В.Ф.Терентьева, В.Т.Трощенко, Я.Б.Фридмана, а также зарубежных ученых Дж.Ф.Белла, Д.Томпсона, В.Бэкофена, Ст.Камминга.

Научная новизна работы. В процессе разработки и опытной проверки исходных положений методики расчета долговечности литых деталей вагонной тележки и прогнозируемого ею ресурса получены следующие научные результаты:

  1. Разработана методика оценки ресурса и живучести литых деталей ходовых частей грузовых вагонов на основе предложенной модели циклической деградации свойств материала.
  2. Проведена идентификация модели циклической деградации вагонных сталей литых деталей тележки.
  3. Предложен способ испытания образцов литых сталей тележек грузовых вагонов на растяжение и построены ПДД сталей с разной циклической наработкой (на способ и устройство для испытания образцов получен патент РФ на изобретение №2251676).

Практическая значимость исследования.

  1. Полученная альтернативная оценка долговечности надрессорной балки тележки грузового вагона без применения линейной гипотезы суммирования повреждений позволяет учитывать взаимодействие напряжений различного уровня при нестационарном нагружении являясь основой для установки гарантийных сроков службы.
  2. На основании проведенных исследований даны практические рекомендации по использованию экспериментальных результатов для сравнительной оценки усталостных свойств литых сталей и построения моделей циклической деградации, позволяющие уточнить прогноз ресурса нерегулярно нагруженных деталей тележек грузовых вагонов более чем на 7%.
  3. Учет снижения упругих свойств стали на заключительной стадии циклирования типового элемента вагона позволил объяснить расхождение между теоретическим и эффективным коэффициентами концентрации напряжений.
  4. Созданный для проведения экспериментальных исследований свойств материалов испытательный комплекс повышает точность результатов экспериментов, сокращает затраты и время на проведение стендовых испытаний литых деталей тележек грузовых вагонов.

На защиту выносится:

  1. методика оценки ресурса и живучести литых деталей ходовых частей грузовых вагонов с применением модели циклической деградации свойств материала.
  2. Результаты моделирования процесса деградации свойств и экспериментального обследования сталей для изготовления литых деталей тележки.
  3. способ и устройство регулируемой жесткости для испытания образцов литых сталей на растяжение и ПДД сталей при различной циклической наработке.

Реализация результатов работы. Разработанные в результате исследований теоретические и методологические рекомендации были реализованы при уточнении прогноза усталостного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов.

  1. Разработанная методика прогнозирования усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона применяется в УКБВ и Центре исследований и испытаний материалов на ФГУП «ПО Уралвагонзавод» при проектировании перспективных тележек подвижного состава.
  2. Способ и устройство для испытания образцов на растяжение внедрен на металлургическом заводе ФГУП «ПО Уралвагонзавод» при производственном контроле механических свойств литых сталей тележек.
  3. Экономический эффект от внедрения способа и устройства на ФГУП «ПО Уралвагонзавод» составил 1841 тыс. руб. в год (расчет в ценах 2005 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и одобрены на научно-технической конференции «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (Саратов, СГТУ, 2002 г.); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, СамГТУ, 2003 г.); на 5-ой отчетной конференции молодых ученых (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003 г.); на международной научно-технической конференции «Разрушение и мониторинг свойств материалов» (Екатеринбург, УрО РАН ИМАШ, 2003 г.); на 11-ой, 13-ой и 14-ой зимней школах «Механика сплошных сред» (Пермь, ПГТУ, 2002, 2003, 2005 гг.); на 3-ем и 4-ом Всероссийском семинаре им. С.Д.Волкова «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004, 2006 гг.); на Всероссийском конкурсе инженеров «Машиностроение (Проектирование, конструирование)» (Москва, РАН, 2005, 2006 гг., сертификат профессионального инженера России №6-493); на Городском конкурсе инженеров «Машиностроение» (Нижний Тагил, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (филиал), 2005 г.); на 9-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, НижегорГТУ, 2006 г.); на международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (Санкт Петербург, СПбПУ, 2006 г.); на V международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века» (Санкт Петербург, ПГУПС, 2007г.); на 1-ой научно-технической и 2-ой международной научно-технической конференциях «Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения» (Нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод» - УрГУПС, 2005, 2006 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции (нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод», 2001-2007 гг.); на научно-техническом совете ФГУП «ПО Уралвагонзавод» (нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод», 2001-2007 гг.); на расширенном заседании кафедры «Вагоны» УрГУПС в 2006 г.

Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 14 печатных работах. Статьи опубликованы в журналах «Транспорт Урала», «Тяжелое машиностроение», «Заводская лаборатория», «Вестник УГТУ-УПИ», «Физическая мезомеханика», в научно-технических сборниках УрГУПС, ПГУПС. Работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией 1.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и семи приложений. Содержание изложено на 118 машинописных страницах, в том числе включает таблицу и 43 рисунка. Библиографический список содержит 112 наименований.

Автор выражает глубокую признательность к.т.н., с.н.с. В.И.Миронову за систематическую многолетнюю помощь и поддержку при постановке и выполнении диссертационных исследований, д.т.н., профессору Н.С.Бачурину за конструктивные замечания и ценные советы, д.т.н., профессору В.Ф.Лапшину за поддержку и создание условий при выполнении работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности научной проблемы, формулирование цели и задач исследований, изложение основных результатов работы.

В первой главе проведен краткий обзор и анализ исследований в области усталости деталей и узлов железнодорожного подвижного состава и конструкций других отраслей промышленности. Сделан анализ подходов к расчету долговечности конструктивных элементов, заложенных в нормах проектирования грузовых вагонов подвижного состава. Дана сравнительная характеристика решений аналогичной проблемы в смежных отраслях транспортного машиностроения.

Проблемам динамики и прочности подвижного состава посвящены работы отечественных ученых: П.С.Анисимова, В.Р.Асадченко, И.Г.Барбаса, Н.С.Бачурина, В.И.Беляева, Н.Г.Беспалова, Е.П.Блохина, Г.И.Богомаза, О.Г.Бойчевского, М.М.Болотина, Ю.П.Бороненко, М.Ф.Вериго, С.В.Вершинского, А.У.Галеева, М.И.Глушко, В.Г.Голованова, П.Т.Гребенюка, И.А.Добычина, Г.Б.Дурандина, И.Г.Емельянова, И.А.Забарова, А.В.Иванова, В.М.Ильина, А.В.Казаринова, А.А.Камаева, В.А.Камаева, З.О.Каракашьяна, Б.Г.Кеглина, В.В.Коломийченко, Г.В.Костина, Н.А.Костиной, В.Н.Котуранова, Г.Б.Крайзгура, И.Г. Крайзгура, В.А.Лазаряна, В.Ф.Лапшина, А.С.Лебедева, Л.А.Манашкина, Е.Н.Никольского, Л.Н. Никольского, Н.А.Панькина, В.Я.Першина, Ю.И.Першица, В.С.Плоткина, В.Е.Попова, С.И.Попова, А.Н.Прасолова, Б.С.Ратнера, Е.И.Селенского, И.В.Селинова, С.А.Сенаторова, А.В.Смольянинова, М.М.Соколова, А.В.Третьякова, Х.Т.Туранова, В.Ф.Ушкалова, И.Б.Феоктистова, В.Н.Филиппова, Н.М.Хачапуридзе, В.Д.Хусидова, Ю.М.Черкашина, И.И.Челнокова, Л.А.Шадура, А.В.Юрченко и др.

Существенный вклад в совершенствование конструкций подвижного состава и расчет ресурса его частей вносят расчетные и экспериментальные работы, проводимые во ВНИИЖТ, ГосНИИВ, МГУПС, ПГУПС, УрГУПС, ПКТБ ЦВ ОАО «РЖД», ФГУП «НВЦ «Вагоны», ФГУП «ПО Уралвагонзавод» и других организаций. На их основе разработаны методы расчета долговечности деталей, узлов и конструкций перспективного подвижного состава, испытывающих широкий спектр переменных нагрузок, в основном в области многоцикловой усталости.

Общий вывод ситуационного анализа работ состоит в том, что нельзя качественно улучшить прогноз усталостного ресурса вагонов, исходя из общепринятых гипотез линейного суммирования повреждений и независимости повреждающего действия цикла напряжений от его места в общем спектре.

Анализ отечественной и зарубежной литературы показал, что вопросы усталостного ресурса несущих деталей железнодорожного подвижного состава и других отраслей промышленности изучены недостаточно. Отсутствуют методики, в которых с единых позиций рассматривались бы стадии накопления повреждений и устойчивого развития усталостной трещины. Поэтому в диссертации решались основные задачи, перечисленные во введении.

Для решения поставленных задач использовался структурно феноменологический подход, реализованный при математическом моделировании процесса циклической деградации свойств модельного материала вагона с целью выявления качественных закономерностей их изменения, прямой экспериментальной проверки исходных положений и прогнозируемых результатов, конечно-элементном моделировании деформируемого несущего элемента тележки грузового вагона.

Вторая глава посвящена рассмотрению физических моделей материала, имеющих достаточно простое математическое описание процесса деформирования при квазистатическом растяжении. Исследование таких моделей дает возможность выявить некоторые качественные закономерности, присущие литым сталям, широко применяемым в вагоностроении, а также получить качественную картину усталостного изменения их свойств при циклическом нагружении.

Ключевая задача поиска взаимосвязи статических и циклических свойств материала решается на простых дискретных моделях в виде пучка упруго-хрупких и упруго-пластических элементов, взаимодействующих касанием без надавливания.

На рис.1 показаны условные диаграммы растяжения элементов моделей материала в исходном состоянии. Диаграмма ОА – для упруго-хрупкого элемента, диаграмма ОАВ – для упруго-пластического и диаграмма ОАС – для упруго-разупрочняющегося элемента.

За пределом упругости, как правило, используются определяющие соотношения

Рис.1. Условные диаграммы растяжения элементов моделей материала

в исходном состоянии.

инкрементального типа, связывающие приращения напряжений и деформаций. Для построения моделей материала нужны касательные, или мгновенные, модули и коэффициенты поперечной деформации, зависящие от степени осевой деформации. Такие зависимости, параметризованные числом циклов тренировки, построены для моделей разного типа при кинематическом активном нагружении и разгрузке (см. пример на рис.2).

Основные уравнения модели из m упруго-пластических элементов

(1)

где - текущее напряжение в k-ом элементе, Е – модуль упругости материала, - текущая деформация, - предел текучести k-го элемента, - деформация предела текучести k-го элемента, - деформация разрушения k-го элемента (рис.1); как частный случай, при , уравнения (1) входят в модель из упруго-хрупких элементов.

В модели из упруго-разупрочняющихся элементов:

(2)

где - предел прочности k-го элемента, D – модуль спада падающей ветви диаграммы, - деформация перехода на падающую ветвь k-го элемента, - деформация разрушения k-го элемента (рис.1).

Кроме того, для пучка справедливы выражения:

условие равновесия: ; (3)

условие совместности деформаций: . (4)

Условия взаимодействия элементов сохраняются при наличии повреждений, т.е. две половины разрушенного элемента разгружаются, образуя «пору» и раздвигают без надавливания остальные элементы. Неоднородность структуры модельного материала из упруго-разупрочняющихся элементов задается распределением деформаций перехода на падающую ветвь, распределенных на интервале и деформаций равновесного разрушения (рис.1). Правомерность таких предпосылок доказана экспериментально в работах В.И.Миронова с соавторами.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.