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:     | 1 ||

Прогнозирование усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона

-- [ Страница 2 ] --

Текущие свойства упруго-разупрочняющегося элемента на восходящей и на падающей ветви, определяются формулами

, (5)

где Е - модуль упругости, D – модуль спада (рис.1),

, (6)

где - коэффициент Пуассона.

В модифицированных моделях полагается, что случайная долговечность элементов при стационарном пульсирующем растяжении нормально распределена на некотором интервале. При этом снижение деформации разрушения от числа циклов тренировки n описывается функцией

, (7)

где -максимальная деформация цикла (рис.1), а коэффициент находится из условия усталостного разрушения элемента

, (8)

где Nk – число циклов до разрушения k-го элемента.

Совместное решение уравнений (2)-(8) для модели из упруго-разупрочняющихся элементов отражено в результатах числового примера на рис.2. Сравнивая сплошную и штриховую диаграммы растяжения пучка из m элементов (кривые 1 на рис.2а), отметим, что учет возможности работы материала на падающей ветви выявляет значительный запас прочностных свойств материала. Циклическая тренировка приводит к деградации ПДД (кривые 2 на рис.2а), снижая прочностные и деформационные свойства.

Вместе с диаграммой вырождаются и исследуемые зависимости мгновенных свойств модельного материала: модуля и коэффициента поперечной деформации при активном нагружении (рис.2б) и разгрузке , (рис.2в), построенные в относительных координатах. При активном нагружении не только касательный модуль, но и коэффициент поперечной деформации принимают отрицательные значения, что подтверждают испытания чугунных образцов.

В диссертации приведены аналогичные графики числового примера для модели из упруго-пластических элементов. Показано, что в так называемый «латентный» период циклирования, когда восходящая ветвь ПДД неизменна, параметры падающей ветви непрерывно меняются. Для исследования кинетики усталостного процесса нужны эксперименты с построением полных диаграмм при различной циклической наработке.

В ходе моделирования мало изученной стадии деформационного разупрочнения модельного материала выявлен ряд новых деформационных эффектов. Установлено, что циклическая тренировка ведет к неизбежной деградации пластических, прочностных и упругих свойств материала. Таким образом, результаты моделирования, приведенные во второй главе диссертации, дают методическое обеспечение последующего экспериментального изучения взаимосвязи статических и циклических свойств конструкционных материалов, применяемых в вагоностроении.

В третьей главе рассмотрены проблемы постановки и результаты базовых экспериментов по выявлению взаимосвязи статических и циклических свойств вагонных сталей для изготовления литых деталей тележек. Определялось, в какой степени реальным конструкционным материалам присущи те деформационные эффекты, что были отмечены при моделировании.

В плане совершенствования средств и техники эксперимента с построением ПДД спроектирован, изготовлен и введен в эксплуатацию новый испытательный комплекс. Циклическая тренировка образцов проводилась на жесткой установке с кинематическим возбуждением через эксцентриковую муфту и рычажно-винтовую систему. Эффективное и удобное в обращении кольцевое нагружающее устройство (рис.3) и система сбора и обработки опытной информации значительно сократили время испытаний и представления результатов.

Жесткость устройства в направлении растяжения образца увеличивается с ростом усилия сжатия Р. Сигналы с датчиков усилий и перемещений, через адаптер, выполненный в виде одноплатного модуля, выводятся на дисплей ПЭВМ в режиме реального времени.

На рис.4 приведены усредненные по результатам испытаний десяти образцов полные диаграммы деформирования сталей 20ГЛ, 20ГЛА и 20ФЛ. Следует обратить внимание на разную длину диаграмм, определяющую располагаемую пластичность материала, и разный угол наклона на заключительной стадии деформирования, коррели-рующий с трещиностойкостью материала. Сопоставляя, напри-мер, диаграммы сталей 20ГЛ и 20ГЛА, заключаем, что пластические свойства стали 20ГЛА выше, а трещиностойкость ниже.

При опытной проверке средняя долговечность стали 20ГЛА оказалась выше, а число циклов развития трещины в несколько раз меньше, чем у образцов из стали 20ГЛ. В перспективе данный способ сравнительной оценки цикличес-ких свойств будет полезным при входном контроле механических свойств, замене одного материала другим, изменении технологии его получения или термообработки и т.д. Он может оказаться весьма эффективным, так как позволяет избежать проведения дорогостоящих усталостных испытаний. Интенсивный процесс перехода пластичных литых сталей в хрупкое состояние отражен на рис.5 на примере циклической деградации ПДД стали 20ФЛ.

В диссертации приведены аналогичные графики для стали 20ГЛ, из которой отливается надрессорная балка тележки, а также опытные кинетические кривые деформационного

и силового типа

(9)

необходимые для расчета усталостного ресурса надрессорной балки.

Экспериментальные кривые, аппроксимированные функцией

(10)

и условие эквивалентности двух циклических состояний материала (точки Д и С на рис.6), достигнутых на разных уровнях напряжений

использовались для обобщения подхода на ступенчатое нагружение по схеме на рис.6.

В частности, для одной смены напряжений, при критерии усталостного разрушения в форме

, (11)

получена формула

,

которая отличается от линейного суммирования дробным множителем в степени, обратной m. Формула соответствует результатам эксперимента.

В целом, эксперимент выявил у испытанных вагонных сталей все свойства модельного материала и основное из них, циклическую деградацию ПДД. Полученные результаты значительно расширяют представления о свойствах конструкционного мате-риала и служат основой для разработки новых моделей материалов, применяемых в вагоностроении.

Выявленный при моделировании и подтвер-жденный экспериментально эффект деградации свойств литых вагонных сталей необходимо учитывать в расчете долговечности конструктивных элементов вагонов. С этой целью были отработаны возможные варианты построения объединительной методики для расчета долговечности несущих элементов ходовых частей подвижного состава.

В четвертой главе, на основе результатов моделирования и нестандартных экспериментов, разрабатывается упрощенная инженерная методика расчета ресурса типового элемента литой детали тележки с учетом выявленной циклической деградации свойств материала. В качестве типового элемента выбрана пластина с отверстием.

На границе пластины задавалась пульсирующая стационарная нагрузка, при которой аналитически найденные максимальные напряжения не превышали предела упругости. При этом число циклов до появления трещины определялось по усталостной кривой. Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) в пластине без трещины и при ее появлении проводилось в конечно-элементном пакете COSMOS Works. Перераспределение напряжений, вызванное появлением трещины, приводит к нестационарному изменению напряжений в конечных элементах даже при неизменном характере внешней нагрузки. В методике использована приведенная в третьей главе процедура перехода с одного уровня напряжений на другой и кинетические кривые циклической деградации параметров ПДД.

Методика содержит итерацион-ную процедуру нахождения нового положения равновесия пластины при усталостном разрушении отдельного конечного элемента. Отсутствие положения равновесия на любом этапе расчета связывалось с окончательным разрушением пластины в целом. Подробный алгоритм решения задачи расчета ресурса пластины в силовой и деформационной постановке при разных граничных условиях реализован в наборе авторских программ на языке програм-мирования VBA, приведенном в приложениях к диссертации. Выявлено значительное отличие прогнозируемой долговечности пластины от расчета по линейной гипотезе суммирования повреждений в запас усталостной прочности.

В четвертой главе приведен пример расчета ресурса пластины, выполненный с учетом отмеченной при моделировании и в эксперименте деградации прочностных и упругих свойств материала (рис.7).

Исходное распределение напряжений (кривая 1, рис.7) меняется еще до усталостного разрушения наиболее нагруженного элемента на краю отверстия. В результате число циклов до появления трещины увеличивается, что позволяет объяснить, отчасти, разницу в численных значениях теоретического и эффективного коэффициентов концентрации напряжений.

Предложенная методика расчета усталостного ресурса до появления трещины и ее устойчивого развития позволит производить расчет любых элементов вагонов.

В пятой главе, по разработанной методике, проводится расчет долговечности и живучести надрессорной балки тележки грузового вагона в условиях проведения натурных стендовых испытаний, регламентированных отраслевыми нормативными документами ФГУП ВНИИЖТ, а также расчет срока службы балки от реального спектра напряжений возникающих при эксплуатации грузового вагона.

Стандартные механические свойства дополняются результатами экспериментов с однократными образцами из стали 20ГЛ, проведенных в третьей главе. При расчете используется деформационный подход и кинетическая кривая (7).

Используя рассмотренный на пластине алгоритм, принятые критерии усталостного и статического разрушения элементов, итерационную процедуру поиска равновесных состояний детали с трещиной, определяется число циклов до появления усталостной трещины Nтр=1755100, и Nр=2065100 циклов до разрушения балки. Расчет по линейной гипотезе суммирования повреждений показал, что долговечность составляет 50 миллионов циклов.

Рис.8. стендовые испытания надрессорной балки тележки грузового вагона.

Для сопоставления прогноза ресурса с экспериментальными данными проведены усталостные испытания 26 надрессорных балок тележки при идентичных граничных условиях на испытательной машине ZDM-200 (рис.8).

 Усталостное разрушение-40

Рис.9. Усталостное разрушение надрессорной балки при стендовых испытаниях.

Среднее арифметическое значение чисел циклов до появления усталостной трещины в балке составляет , до разрушения млн. циклов.

Количество разрушений балок по сечению скользуна (рис.9) составляет 88,5%. Зарождение усталостных трещин в этих деталях происходит на внутреннем ребре жесткости с выходом на нижний пояс и боковые стенки (рис.9).

Сопоставление результатов стендовых испытаний надрессорных балок и теоретических расчетов показало, что расхождение между ними составляет 13%. Место зарождения усталостной трещины и направление развития совпадают с экспериментальными наблюдениями.

Расхождение прогноза срока службы надрессорной балки тележки по предлагаемой методике и по гипотезе линейного суммирования повреждений, выполненного на основании ранжированного спектра максимальных напряжений при ходовых испытаниях тележки, составляет 2 года и увеличивается при переходе к реальному спектру напряжений.

Полученные результаты дают основания для использования методики при прогнозе усталостного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволили сделать следующие выводы:

  1. Разработана уточненная методика прогнозирования усталостного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов, учитывающая стадию зарождения и развития усталостных трещин. На основе предложенной методики составлены алгоритм и программа расчета на ПЭВМ.
  2. Созданы модели процесса циклической деградации свойств литых сталей, позволяющие установить параметры деградации их свойств при циклическом нагружении с помощью полной диаграммы деформирования.
  3. Предложен способ и устройство для испытания образцов литых сталей деталей тележек грузовых вагонов с записью полной диаграммы деформирования, на которые получен патент РФ на изобретение № 2251676.
  4. Исследован ресурс литых сталей деталей тележки грузового вагона при различных уровнях нагружения с помощью разработанного испытательного комплекса. Выявлено, что с ростом циклической тренировки происходит деградация полной диаграммы деформирования, снижается модуль активного нагружения и разгрузки.
  5. Построена конечно-элементная модель и исследовано напряженно-деформированное состояние надрессорной балки тележки грузового вагона. Установлено, что наиболее нагруженный участок находится в зоне внутреннего ребра жесткости сечения скользуна, максимальные напряжения Мизеса в котором составляют 218 МПа.
  6. Изучено влияние деградации свойств стали 20ГЛ на ресурс надрессорной балки тележки грузового вагона при стационарном нагружении. Расхождение прогноза ресурса надрессорной балки с учетом деградации свойств стали и результатов стендовых испытаний составляет 13%.
  7. Выполнен прогноз срока службы надрессорной балки на основе спектра максимальных напряжений в эксплуатации. Отклонение расчетного срока службы надрессорной балки по разработанной методике от нормативно установленного срока составляет 6%.
  8. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационных исследований на ФГУП «ПО Уралвагонзавод» составил 1841 тыс. руб. (расчет в ценах 2005 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Миронов В.И., Якушев А.В. Метод полных диаграмм в расчете ресурса элементов подвижного состава // Транспорт Урала. – Екатеринбург: УрГУПС, 2007. - №2 (13). – С.57-61. – входит в перечень ВАК.
  2. Якушев А.В. Ресурс литых деталей тележек вагонов: тез. докл. V Междунар. науч.-техн. конф. «Подвижной состав XXI века: Идеи, требования, проекты» (г. С-Петербург, 3-8 июля 2007). – СПб. - 2007. – С. 190-192.
  3. Миронов В.И., Стружанов В.В., Якушев А.В. Особенности усталостного процесса стали35 //Заводская лаборатория. – М. - 2004. – №6. Т.70. - С.51-54.
  4. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Нестандартные свойства конструкционного материала // Физическая мезомеханика. Специальный выпуск. – М. - 2004. – Т. 7. - Ч.1. - С. 110-113.
  5. Николаев Н.Л., Якушев А.В. Испытание конструкционных материалов – составляющая высокого качества выпускаемой продукции // Тяжелое машиностроение. – М. - 2004. - №4. - с. 13-14.
  6. Бамбулевич В.Б., Николаев Н.Л., Якушев А.В. Испытание деталей и узлов объединения на стендах – оперативный и надежный способ оценки их качества //Тяжелое машиностроение. – М. - 2004. - №4. - с. 11-12.
  7. Лукашук О.В., Якушев А.В., Миронов В.И. Влияние наработки на бифуркационную картину разрушения образца в испытательной машине // Вестник УГТУ – УПИ. – Екатеринбург, 2004. - Специальный выпуск. - Ч. 1. - С.435-439.
  8. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Стадия деформационного разупрочнения структурно-неоднородного материала // Вестник УГТУ-УПИ. – Екатеринбург, 2005. - №18 (70). - Часть 2. - С. 172-181.
  9. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. Моделирование усталостного разрушения пластины с отверстием // Вестник УГТУ-УПИ. - Екатеринбург, 2006. - №11(82). - С.87-92.
  10. Миронов В.И., Якушев А.В., Лукашук О.А. О предельном состоянии разрушения материала: Сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (г.Самара, 10-12 ноября 2003). – М.; Машиностроение, 2003. – Т2. – С. 42-46.
  11. Миронов В.И., Андронов В.А., Якушев А.В., Бамбулевич В.Б. Устройство и способ для испытания образцов материалов на растяжение (Патент) // Бюл. – Москва, 2005. - №13. - G01№3/08.
  12. Якушев А.В., Миронов В.И. Об одном подходе к расчету долговечности элементов конструкций с учетом стадии развития усталостной трещины: матер. междунар. науч.-техн. конф. «проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения» (гг. Екатеринбург – Нижний Тагил, 5-9 сентября 2006) / Под науч. ред. проф. А.В.Смольянинова. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2007. – С.196-205.
  13. Миронов В.И., Якушев А.В. К определению инкрементальных свойств материала: Науч. тр. III Всерос. сем. им. С.Д. Волкова «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г.Екатеринбург, 15-17 августа 2004). - Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2004. – С. 42-46.
  14. Миронов В.И., Якушев А.В. Модель циклической деградации свойств материала в расчетах ресурса элементов конструкций: Аннотации докл. IX Всерос. съезда по теор. и прикл. мех. (г.Нижний Новгород, 27-29 августа 2006). - Нижний Новгород: Изд-во Нижег. гос. универ. им. Н. И. Лобачевского, 2006. - Т.III. - С. 148-149.

Якушев Алексей Вячеславович

прогнозирование усталостного ресурса

литых деталей тележки грузового вагона

Специальность 05.22.07-Подвижной состав железных дорог, тяга поездов

и электрификация



Pages:     | 1 ||
 





 
© 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.