Расчетно-экспериментальные методы оценки ресурса базовых частей подвижного состава

УДК 629.4:539.4

Расчетно-экспериментальные методы оценки ресурса базовых частей подвижного состава

А. С. Гасюк, Э. С. Оганьян

АО «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), Российская Федерация, 140402, Московская область, Коломна, ул. Октябрьской революции, 410

Для цитирования: Гасюк А. С., Оганьян Э. С. Расчетно-экспериментальные методы оценки ресурса базовых частей подвижного состава // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2019. - Т. 16, вып. 2. - С. 285-291. 001: 10.20295/1815-588Х-2019-2-285-291

Аннотация

Цели: Разработка методов определения, назначения и продления сроков службы железнодорожного подвижного состава по ресурсу критических элементов их несущих конструкций на примере главной рамы и рамы тележки тепловоза ТЭМ2; решение задачи безопасной эксплуатации подвижного состава (в том числе с истекшим назначенным сроком службы) на основе расчетно-экспериментальной оценки ресурса базовых частей по критериям прочности, жесткости, сопротивления усталости. Методы: Применен метод оценки ресурса (срока службы) подвижного состава по вероятностным параметрам его прочности и нагруженности, который основан на концепции «безопасной эксплуатации объекта по его техническому состоянию» и заключается в разработке и применении ресурсных показателей для оценки технического состояния и долговечности несущих конструкций. Результаты: Показана актуальность обоснованного установления назначенного срока службы подвижного состава в соответствии с требованиями технических регламентов и нормативной документации. Представлен подход к решению излагаемой проблемы с использованием экспериментальных данных, полученных на натурных объектах. Практическая значимость: Показана обоснованность такого подхода, указаны критерии и описан алгоритм расчетно-экспериментальной оценки ресурса. На основе расчетно-экспериментальных методов исследования напряженно-деформированного состояния рамы тележки и главной рамы тепловоза и накопленных эксплуатационных данных разработан подход к оценке и прогнозированию технического состояния подвижного состава и обеспечению его безопасной эксплуатации в заданный период по ресурсу базовых несущих конструкций.

Ключевые слова. Ресурс, методы исследования, напряженно-деформированное состояние, сопротивление усталости, безопасная эксплуатация.

В результате длительной работы конструкций экипажной части подвижного состава (ПС) и локомотивов в частности (рама и кузов локомотива, их шкворневые узлы, рамы тележек, оси колесных пар и др.) под действием знакопеременных циклических нагрузок происходит деградация прочностных свойств ме-

талла деталей, снижается их сопротивление усталости, что может привести к разрушению конструкции. Работоспособность конструкции в целом обеспечивается принятыми методами проектирования, отраслевыми нормативными требованиями к прочности и динамическим качествам подвижного состава (например,

локомотивов [1, 2], вагонов [3, 4]) на определенный период эксплуатации - назначенный срок службы.

Однако предусмотренная в них оценка прочности и долговечности по коэффициентам запаса не в полной мере учитывает случайный характер эксплуатационных нагрузок, под действием которых накапливаются усталостные повреждения, не позволяет оценить ресурс и судить о вероятности отказа детали или степени такого риска за срок службы.

Старение подвижного состава и требования, сформулированные в техническом регламенте Таможенного союза ТР ТС 001/2011 [5], делают актуальным обоснованное установление нового назначенного срока службы [6, 7].

Задача установления (для проектируемого ПС) или назначения нового (для эксплуатируемого) срока службы состоит в том, чтобы с высокой надежностью оценить и спрогнозировать техническое состояние подвижного состава, обеспечив безопасную эксплуатацию в заданный период по ресурсу (по критериям прочности, жесткости, сопротивления усталости) его несменяемых (базовых) несущих конструкций. Эта задача решается расчетно-экспериментальными методами исследования напряженно-деформированного состояния базовых частей локомотива, а также использованием накопленных эксплуатационных данных.

Базовыми частями, лимитирующими срок службы подвижного состава (в частности локомотива), являются главная рама и рама тележки.

При эксплуатации главная рама испытывает значительные продольные повторно-статические и ударные нагрузки с относительно малым числом циклов нагружения. Под действием этих нагрузок в ряде элементов конструкции главной рамы могут возникать напряжения, близкие к пределу текучести материала с возможным образованием в них остаточных деформаций.

В этом случае оценка ресурса должна производиться по результатам испытаний и рас-

четов несущей способности конструкции по деформационным критериям и малоцикловой усталости [8]. Для этого на локомотиве проводят испытания от действия продольных сил по оси автосцепок, в том числе испытания на соударения, по результатам которых определяют напряженно-деформированное состояние несущих конструкций. При необходимости выявляют элементы, требующие конструктивной доработки. Необходимые мероприятия определяют расчетом на конечно-элементной модели рамы.

Рамы тележек работают главным образом в условиях переменных циклических нагрузок. Многоцикловое их воздействие ведет к снижению сопротивления усталости конструкции рамы (из-за накопления повреждений и деградации свойств материала). Оценка ее ресурса может быть произведена на основе расчета долговечности по показателям нагруженности и сопротивления усталости конструкции, полученным по результатам ходовых динамико-прочностных испытаний локомотива и стендовых испытаний на усталость рам тележек [8, 9].

Для получения необходимых показателей испытания на усталость проводятся как на раме тележки в целом (рис. 1), так и на отдельных, наиболее нагруженных в эксплуатации несущих элементах (боковых балках рамы) (рис. 2) с целью построения кривой усталости и определения ее параметров, требуемых для последующего расчета ресурса конструкции (рис. 3).

Величины испытательных нагрузок (Р ) при циклическом нагружении рамы в целом задаются в виде

р — р верт + рбок исп эксп эксп '

где Рэвкесрпт — РСГ • (1 + кв); Рбоп — рсбток • (1 + с); кД > 0,4 и кДор > 0,3 - коэффициенты вертикальной и горизонтальной динамики соответственно [1].

Испытания отдельных частей рамы проводятся на нескольких (4-6) образцах. Величи-

Рис. 2. Боковина рамы тележки тепловоза ТЭМ2 при испытании на усталость при изгибе на резонансном стенде

ны испытательных нагрузок задаются как Pверт = Pс7т • (1 + £дв ) и варьируются при от 0,2 до 1,0.

По результатам строится кривая усталости при вероятности неразрушения Р = 0,5 с перестроением на кривую при заданной вероятности Р > 0,95-0,99 по формуле [3]

0-1д = 0-18 (1 - Up и).

Для полученной кривой усталости определяются ее параметры: ш1, m2, а-15 .

Определение ресурса главной рамы. При сжатии, растяжении главной рамы и соударениях нормативной силой напряжения в элементах конструкций концевых частей и шкворневых балок могут оказаться близкими или достигать предела текучести материала. При многократном повторении таких напряжений возможно накопление остаточных деформаций в зонах концентрации напряжений. Такой случай нагружения описывается деформационным критерием малоцикловой усталости в форме уравнения Мэнсона-Коффина [9, 10],

L.0E+04 / 1.0Е+С5 1.СЕ+С6

Гистограмма эксплуатационных напряжений

Рис. 3. Кривая усталости

характеризующего исчерпание пластических свойств стали при разрушающем числе циклов нагружения N:

As , = С. N-

где Ав - размах или односторонняя пластическая относительная деформация в цикле нагружения заданной силой (определяется по результатам расчетов напряженно-деформированного состояния рамы); mp - показатель диаграммы упрочнения за пределом упругости материала; C = -0,5 1п(1 - у), у - относительное сужение материала при растяжении.

Расчетный ресурс главной рамы локомотива по малоцикловой усталости под действием продольных сил через автосцепки находится из соотношения

г = np

N3 • nN

лет,

nN = f (па ) [10], Np вычисляется по формуле (1), N находится из статистического анализа уровней продольных сил (P), действующих на локомотив в эксплуатации.

Определение ресурса рамы тележки. Расчет ресурса рамы тележки выполняется с использованием результатов стендовых испытаний на усталость рам тележек и ходовых динамико-прочностных испытаний. Его выполняют для наиболее нагруженных зон рамы тележки.

Накопление усталостных повреждений в материале детали характеризует кривая усталости, которая описывается уравнением вида а™ • N = const на основании гипотезы линейного суммирования повреждений.

Из уравнения кривой усталости (ее второй

N

m2 1д

• No =<2

наклонной ветви) (рис. 3) от определяют число циклов ^р) нагружения детали до предельного состояния по исчерпанию сопротивления усталости (начала разрушения):

здесь пн - запас по долговечности, выбирается на основании имеющейся зависимости

Np =

G

-15

m2

VGaa У

• No=nm2

No

В (2) т2 - показатель степени наклона второй ветви кривой усталости (по результатам стендовых испытаний, для боковины рамы тележки т2 = 9); N = 10 7 циклов - число циклов, соответствующее базовому (или точке изгиба кривой усталости); ааэ - амплитуда (эквивалентная) динамических напряжений от эксплуатационных нагрузок, находится путем статистической обработки схематизированных случайных процессов с построением гистограмм распределения (Ра ) текущих значений амплитуд динамических напряжений (ааэ) при различных скоростях движения локомотива с учетом их доли (р ) в эксплуатации по формуле [1, 9]

-аэ = т2^ХР 'Ж? • Р ,

где ТУсум = N • Т - суммарное число циклов динамических напряжений (с учетом доли повреждающих амплитуд за срок службы Т);

ЛГ . 365 •Ю3 -при N = /э--=--Ь - суммарное число

циклов динамических напряжений за год;

/ - эффективная частота процесса нагруже-ния рамы тележки (по результатам ходовых испытаний), Гц; V - расчетная техническая (средняя) скорость движения локомотива, м/с; Ь - среднесуточный пробег локомотива, км/сут.

Блок (спектр) нагружения формируется по результатам ходовых прочностных испытаний при движении локомотива по различным элементам пути (с количеством прямых участков пути - 65 %, кривых больших радиусов - 20 %, кривых малых радиусов - 15 %) во всем диапазоне балльности состояний пути и эксплуатационных скоростей [3].

Тогда, определив коэффициент запаса сопротивления усталости рамы тележки по напряжениям с учетом изменения (деградации) физико-механических свойств материала за срок эксплуатации, вычислив Ыр, можно рассчитать допускаемое (безопасное) число циклов нагружения детали (ресурс по числу цик-

лов) [ N ] = —— и безопасный срок эксплуата-

nN

гтт [ N ]

ции локомотива \ 1 I =-.

Ni

Библиографический список

1. ГОСТ Р 55513-2013. Локомотивы. Требования к прочности и динамическим качествам. - М. : Стандартинформ, 2013. - 75 с.

2. Коссов В. С. Нормативная база анализа прочности и ресурса объектов железнодорожного транспорта / В. С. Коссов, Г. М. Волохов, Э. С. Оганьян, М. Н. Овечников // Вестн. Ин-та проблем естеств. монополий. Техника железных дорог. - 2018. - № 4. -С. 60-67.

3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 (несамоходных). -М. : ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. - 319 с.

4. ГОСТ 33788-2016. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества. - М. : Стандартинформ, 2016. -41 с.

5. О безопасности железнодорожного подвижного состава : Техн. регламент Таможенного союза ТР ТС 001/2011 Евраз. экон. комиссии. - М. : ЕЭК, 2019. -URL : https://docs.eaeunion.org/docs/ru-ru/0024963/ cuc_02082011_710 (дата обращения : 15.05.2019).

6. Оганьян Э. С. Обоснование назначенного срока безопасной эксплуатации локомотивов / Э. С. Оганьян // Локомотив. - 2017. - № 7. - С. 34-35.

7. Третьяков А. В. Продление срока службы подвижного состава : монография / А. В. Третьяков. -М. : Изд-во МБА, 2011. - 304 с.

8. Коссов В. С. Подходы к оценке ресурса грузовых вагонов / В. С. Коссов, Н. А. Махутов, Э. С. Ога-ньян, Н. Ф. Красюков // Ренессанс железных дорог : Фундаментальные научные исследования и прорывные инновации : колл. монография / Объед. учен. совет ОАО «РЖД» ; под ред. Б. М. Лапидуса. - Ногинск : Аналитика Родис, 2015. - С. 126-129.

9. Оганьян Э. С. Расчеты и испытания на прочность несущих конструкций локомотивов / Э. С. Оганьян, Г. М. Волохов. - М. : Учеб.-метод. центр по образованию на ж.-д. транспорте, 2013. - 326 с.

10. Махутов Н. А. Конструкционная прочность, ресурс и техногенная безопасность : в 2 ч. - Ч. 1 :

Критерии прочности и ресурса / Н. А. Махутов. -Новосибирск : Наука, 2005. - 494 с.

Дата поступления: 01.06.2019 Решение о публикации: 11.06.2019

Контактная информация:

ГАСЮК Александр Сергеевич - зав. отделом, vnikti@pt1-ko1omna.ru

ОГАНЬЯН Эдуард Сергеевич - доктор техн. наук, гл. науч. сотр., vnikti@pt1-ko1omna.ru

Computational and experimental methods

of assessing the useful life of basic rolling stock components

A. S. Gasyuk, E. S. Ogan'yan

JSC Research, Design and Technology Institute of Rolling Stock (JSC VNIKTI), 410, Oktyabr'skoy Revolyutsii ul., Kolomna, Moscow Region, 140402, Russian Federation

For citation: Gasyuk A. S., Ogan'yan E. S. Computational and experimental methods of assessing the useful life of basic rolling stock components. Proceedings of Petersburg Transport University, 2019, vol. 16, iss. 2, pp. 285-291. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2019-2-285-291

Summary

Objective: To develop methods for determining, assigning and extending the service life of railway rolling stock according to the useful life of critical components of its supporting structures using the main frame and bogie frame of a TEM2 diesel locomotive as an example; to solve the problem of safe operation of rolling stock (including items with expired design service life) based on the computational and experimental assessment of the useful life of basic components with respect to strength, stiffness, and fatigue strength criteria. Methods: The useful (service) life of the rolling stock has been estimated with respect to probabilistic parameters of its strength and loading using a method that is based on the concept of "safe operation of an object according to its technical condition" and involves developing and applying useful life indicators to assess the technical condition and durability of supporting structures. Results: The relevance of the reasonable determination of the design service life of rolling stock in accordance with the technical regulations and regulatory documentation was shown. The approach to solving the stated problem was presented using experimental data obtained in full-scale tests. Practical importance: The validity of this approach was shown; the criteria were indicated, and the algorithm was described for the computational and experimental useful life assessment. Based on the computational and experimental methods of the stress-strain analysis of the bogie frame and the main frame of a diesel locomotive, and using the accumulated operational data, an approach was developed to assess and predict the technical condition of rolling stock and ensure its safe operation over a given period based on the useful life of basic supporting structures.

Keywords: Useful life, analysis methods, stress-strain condition, fatigue strength, safe operation.

References

1. GOST R 55513-2013. Lokomotive. Trebovania kprochnosti i dinamicheskim kachestvam [GOSTR 55513-2013. Locomotives. Requirements for strength and dynamic qualities]. Moscow, Standartinform Publ., 2013, 75 p.

2. Kossov V. S., Volokhov G. M., Ogan'yan E. S. & Ovechnikov M. N. Normativnaya baza analiza prochnosti i resursa ob"yektov zheleznodorozhnogo transporta [Regulatory framework for the analysis of strength and useful life of railway transport facilities]. Bulletin of the Institute of Natural Monopolies Research. Railway Equipment, 2018, no. 4, pp. 60-67.

3. Normy dlya rascheta iproyektirovaniya vagonov zheleznykh dorog MPS kolei 1520

4. GOST33788-2016. Vagonigrusovie ipassazir-skie. Metodu ispitanii na prochnosti i dinamicheskim kachestva [GOST33787-2016. Freight and passenger railcars. Methods of testing structural strength and dynamic performance]. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 41 p.

5. Technical Regulations 001/2011 of the Customs Union "On Safety of Railway Rolling Stock". Eurasian Economic Commission electronic database. Moscow, EEC Publ., 2019. Available at: https://docs.eaeunion. org/docs/ru-ru/0024963/cuc_02082011_710

6. Ogan'yan E. S. Obosnovaniye naznachennogo sroka bezopasnoy ekspluatatsii lokomotivov [Rationale for the design period of safe operation of locomotives]. Lokomotiv [Locomotive], 2017, no. 7, pp. 34-35.

7. Tret'yakov A. V. Prodleniye sroka sluzhby podvi-zhnogo sostava [Extension of the rolling stock service life]. Moscow, MBA Publ., 2011, 304 p.

8. Kossov V. S., Makhutov N. A., Ogan'yan E. S. & Krasyukov N. F. Podkhody k otsenke resursa gru-zovykh vagonov [Approaches to the assessment of

freight cars useful life]. Renessans zheleznykh dorog: fundamental'nyye nauchnyye issledovaniya i pro-ryvnyye innovatsii [Railways Renaissance: Fundamental scientific researches and breakthrough innovations]. Joint Scientific Council of Russian Railways; ed. by B. M. Lapidus. Noginsk, Analitika Rodis Publ., 2015, pp. 126-129.

9. Ogan'yan E. S., Volokhov G. M. Raschety i ispy-taniya na prochnost' nesushchikh konstruktsiy lokomotivov [Calculations and strength tests of the supporting structures of locomotives]. Moscow, Training and Methodology Centre for Railway Transport Publ., 2013, 326 p.

10. Makhutov N. A. Konstruktsionnaya prochnost', resurs i tekhnogennaya bezopasnost'. V 2 ch. 1. Kri-terii prochnosti i resursa [Structural strength, useful life and technology-related safety. In 2 pt. 1. Criteria of strength and useful life]. Novosibirsk, Nauka Publ., 2005, 494 p.

Received: June 01, 2019 Accepted: June 11, 2019

Author's information

Aleksandr S. GASYUK - Head of Department, vnikti@ptl-kolomna.ru

Eduard S. OGAN'YAN - D. Sci in Engineering, Chief Researcher, vnikti@ptl-kolomna.ru