Выбор пространственной схемы нагружения надрессорной балки для испытаний на ресурс
В условиях жесткой конкуренции производители стремятся разрабатывать тележки, максимально минимизируя металлоемкость конструкции, сохраняя и повышая при этом ресурс вновь создаваемых элементов. Решение этих двух зачастую противоположных вопросов возможно только с помощью уточненных методик испытаний и полноценного численного моделирования. Постоянное совершенствование подходов к проведению ресурсных испытаний и уточнение схем нагружения позволяет приблизить результаты испытаний к данным, которые могут быть получены в процессе эксплуатации. Важным шагом на этом пути станет переход к пространственной схеме нагружения литых деталей тележек, применяемой в ходе ресурсных испытаний.
Реализация этого подхода проводилась в процессе создания межгосударственного стандарта «Детали литые тележек железнодорожных грузовых вагонов. Методы ресурсных испытаний» (1), (2). Согласно положениям стандарта, пространственная схема нагружения должна выбираться для всех новых моделей тележек на основе количественной оценки нагруженности конструкционных элементов, полученной в ходе поездных испытаний. Такой подход выбору стендового нагружения позволяет реализовать макроповрежденное состояние ответственных зон исследуемых элементов тележки, соответствующее макроповрежденному состоянию за расчетный срок эксплуатации.
Весь процесс выбора пространственной схемы нагружения можно разбить на три основных этапа:
- выбор сил, которые вносят основной вклад в напряженное состояние исследуемого элемента;
- определение уровня выбранных сил, которые будут реализоваться в ходе ресурсных испытаний;
- оценка необходимого количества реализаций циклов в ходе ресурсных испытаний.
Рис. 1. Схема процесса выбора расположения датчиков для измерения вертикальной силы в подпятнике
Рис. 2. Схема приложения сил при проведении стендовых испытаний
Для апробации и верификации предложенного подхода были проведены поездные испытания тележки модели 18-9855 (3). Результаты выбора режима испытаний боковой рамы и его апробации показали эффективность такого подхода (4). В рамках поездных испытаний была проведена научно-исследовательская работа по определению сил и напряжений в надрессорной балке тележки 18-9855. На рис. 1 схематично показан процесс выбора мест наклейки тензорезисторов (всего 38 датчиков). Датчики были установлены в зонах, наиболее чувствительных к динамическим нагрузка, действующим на подпятник и боковые скользуны.
Рис. 3. Один блок стендового нагружения (два цикла приложения вертикальной силы)
Рис. 4. Характерная зависимость напряжения от времени для датчика нижнего пояса в течение одного блока нагружения
На основе данных о количестве зарегистрированных размахов динамических напряжений, полученных в ходе поездных испытаний, вычислялись приведенные амплитуды напряжений, эквивалентные по повреждающему действию распределению амплитуд напряжений за назначенный ресурс. Наиболее нагруженными зонами надрессорной балки являются зоны нижнего и верхнего пояса. Эквивалентная амплитуда напряжений, приведенная к пробегу 4 млн. км за срок службы, возникающая, например, в зоне нижнего пояса, равна 16-20 мПа.
Также в процессе анализа зарегистрированных в ходе испытаний тележки 18-9855 динамических напряжений был сделан вывод о наиболее важных силах, воздействующих на элементы тележки, и об их уровне. Определяющими для надрессорной балки нагрузками являются вертикальная и продольная силы, действующие на подпятник. Диапазон их изменения, полученный в ходе испытаний, составил: для вертикальной силы — от 240 до 640 кН, для продольной силы — от -70 до 70 кН.
Данный результат полностью коррелирует с положениями стандарта, в которых в ходе проведения стендовых испытаний рекомендуется реализовывать вертикальную и продольную силы, приложенные к плоскости опирания пятника на подпятник, объединенные в один блок нагружения (схема сил представлена на рис. 2). Значения сил, реализуемых в ходе ресурсных испытаний, согласно стандарту: для вертикальной силы — от 100 до 840 кН, для продольной силы — от -90 кН до 90 кН (рис. 3).
Важным моментом, с точки зрения получения адекватных результатов стендовых испытаний, коррелирующих с поездными испытаниями, является корректная реализация силового и кинематического нагружения. Для этого необходимо применять специальную систему опирания, которая будет максимально соответствовать условиям реальной установки надрессорной балки, т.е. установки на рессорный комплект тележки.
В связи с этим надрессорную балку в зонах опорных поверхностей для рессорного подвешивания устанавливают на две опоры. Одна опора — цилиндрическая, допускающая поворот вокруг продольной оси пути, вторая — сферическая, допускающая поворот вокруг продольной и поперечной осей пути. Расстояние между опорами должно соответствовать расстоянию между осями рессорного подвешивания.
Приспособления в зонах опорных поверхностей для рессорного подвешивания должны обеспечивать равномерное распределение сил реакции по местам опирания на упругие элементы. Опоры оборудуют предохранителями от перемещения надрессорной балки относительно опоры в продольном направлении.
Последним параметром, который необходимо определить на основе поездных испытаний, является число блоков нагружения надрессорной балки, которое следует реализовать на стенде. Для того чтобы определить этот параметр, необходимо знать уровни напряжений, возникающих в результате реализации одного блока стендового нагружения. Их можно определить с помощью численного исследования или с помощью экспериментального нагружения. В процессе решения этой задачи для каждого из тензорезисторов определяют возникающие в нем напряжения в течение одного блока нагружения (рис. 4), на основе которых с помощью метода полных циклов определяют эквивалентную амплитуду динамического напряжения за один блок нагружения.
Условие выбора числа циклов (один блок равен двум циклам) нагружения выглядит следующим образом:
где N0 = 107 – базовое число циклов;
Ni- циклов нагружения на стенде для i-го датчика;
– приведенная амплитуда динамического напряжения для датчика с номером i, эквивалентная по повреждающему действию одного цикла нагружения, вычисленная на основе численной или экспериментальной тарировки;
– приведенная амплитуда динамического напряжения для датчика с номером i, эквивалентная по повреждающему действию распределению амплитуд напряжений за назначенный ресурс , вычисленная на основе поездных испытаний;
[n]— ресурсный коэффициент, принят равным 1,4 согласно проекту ГОСТ.
Итак, в ходе реализации блока нагружения, объединяющего в себе вертикальную (470 ± 370) кН и продольную ±90 кН нагрузки, для накопления в надрессорной балке повреждающего воздействия за назначенный ресурс тележки 18-9855 требуется реализовать 1 млн. циклов нагружения.
Представленная в проекте стандарта (2) методика позволяет определить параметры стендового нагружения для элементов новых тележек. Поскольку действующие на тележку силы определяются как ее конструкцией, так и строением пути, по которому она движется, то в случае выбора репрезентативного участка пути для проведения поездных испытаний в дальнейшем проводить их повторно не требуется. Выбранные режимы нагружения могут быть напрямую применены для подтверждения ресурса деталей.
А.М. Орлова, д-р. техн. наук, ПАО «НПК ОВК»
Д.В. Шевченко, канд. техн. наук, ООО «ВНИЦТТ»
Т.С. Куклин, ООО «ВНИЦТТ»
С.В. Дмитриев, ООО «ТИЦ ЖТ»