Исследование влияния упругой вставки адаптера на усталостную прочность боковой рамы тележки модели 18-194-1

Исследование влияния упругой вставки адаптера на усталостную прочность боковой рамы тележки модели 18-194-1

B. П. Ефимов,

канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ» -Уральское отделение

А. Н. Баранов,

руководитель Испытательного центра ООО «УКБВ» ОАО НПК «Уралвагонзавод»

C. М. Буторин,

исполнительный директор ООО НПП «Уником-Сервис»

В результате экспериментальных исследований усталостной прочности боковых рам инновационной тележки модели 18-194-1 с нагрузкой на ось 25 тс установлено, что упругие вставки адаптера, применяющиеся в соединении колесных пар с боковыми рамами, снижают уровень их динамической нагруженности. Упругие неметаллические элементы обеспечивают не только защиту от износов, но и снижение уровня напряжений в критических зонах конструкции, повышение характеристик выносливости и эксплуатационного ресурса несущих деталей.

На тележках модели 18-194-1 с осевой нагрузкой 25 тс (245 кН) впервые в практике серийного производства грузовых вагонов РФ применен адаптерный буксовый узел с кассетным подшипником [1]. Адаптер буксового узла комплектуется упругой износостойкой вставкой из полиуретана (рис. 1). Таким образом, тележка дополнительно к центральному подвешиванию обрела буксовое подвешивание, что улучшило ее ходовые качества и снизило воздействие на путь.

Упругий элемент между боковой рамой и буксовым адаптером обеспечивает упругое соединение боковых рам и колесных пар, защиту их от износов,

Рис. 1 Адаптерный буксовый узел тележки модели 1-194-18 с упругой износостойкой вставкой

повышает связанность боковых рам тележки в плане, снижает уровень на-груженности боковых рам, а также создает условия установки колесных пар в положение, близкое к радиальному, при движении в кривых участках пути [1-3].

Для оценки влияния упругой вставки адаптера на усталостную прочность боковой рамы тележки модели 18-194-1 проведены сравнительные усталостные испытания двух партий боковых рам (черт. № 194.00.037-0), изготовленных из стали 20 ГЛ (ОСТ 32183-2001) по технологии ХТС. Первая партия боковых рам (9 шт.) испытывалась по стандартной методике [4], вторая партия деталей (9 шт.) - в комплекте с упругой вставкой адаптера. Материал серийной вставки адаптера - уретановый форполимер марки ТТ-194 системы ТДИ по ТУ 229206-55180710-2007 (ООО НПП «Уником-Сервис»).

Каждая боковая рама с буксовым амортизатором испытывалась при асимметричном цикле нагружения до разрушения или достижения базового числа циклов N = 107. Величина постоянных средних нагрузок цикла (Рт) и величина амплитуды переменных нагрузок (Рш) устанавливались по стандартной методике [4] в зависимости от осевой нагрузки. Испытания проведены

Таблица 2. Сравнительные результаты полных усталостных испытаний двух партий рам боковых (черт. № 194.00.037-0), сталь 20ГЛ, технология ХТС

Таблица 1. Число циклов до разрушения

Режим Средняя нагрузка цикла, Рт(тс/кН) <спытаний Амплитудная нагрузка, Ра (тс/кН) Нагружение без упругих вставок адаптера по стандартной методике Нагружение в комплекте с упругими вставками адаптера

40/392 30/294 2,64 • 106 6,20 • 106

40/392 30/294 3,38 • 106 5,11 • 106

40/394 30/294 3,05 • 106 5,13 • 106

N = 3,02 • 106 циклов ср ' ^ N = 5,48 • 106 циклов ср

Методика усталостных испытаний Значение предела выносливости на базе 107 циклов при а = 50%, (Р..«)с,5, тс Минимальное значение предела выносливости при а = 95% (Р J , тс » a,N'min' Значение показателя степени в уравнении кривой усталости т Коэффициент запаса усталостной прочности п

Рама боковая, испытанная

в комплекте с упругими 26,36 22,70 -6,370 2,192

вставками адаптера

Рама боковая, испытанная по стандартной методике 22,95 20,17 -4,399 1,894

Рис. 2 Усталостная прочность боковых рам (черт. № 194.00.037-0) тележки модели 18-194-1:

1 - боковая рама тележки модели 18-100, (Ра)1) 0,5 = 19,3 тс;

2 - боковая рама тележки модели 18-194-1, испытанная по стандартной методике, (Р>м) 0,5 = 22,95 тс;

3 - боковая рама тележки модели 18-194-1, испытанная в комплекте с упругими вставками адаптера, (Рд) 0,5 = 26,36 тс

на испытательной машине ЦД-200/400, частота нагружения 5 Гц. В табл. 1 приведены сравнительные результаты усталостных испытаний боковых рам на форсированном режиме, установленном для проведения сокращенных ускоренных испытаний.

Таким образом, средняя долговечность боковой рамы (черт. № 194.00.037-0) из стали 20 ГЛ (технология ХТС) при циклическом нагруже-нии вертикальной нагрузкой в режиме Рт = 40 тс (392 кН) и Ра = 30 тс (294 кН) составила N. = 5,48106 циклов при испытании в комплекте с упругой вставкой адаптера и N. = 3,02106 циклов при испытании по стандартной методике, т. е. при использовании упругой вставки адаптера увеличилась в 1,82 раза. По результатам полных усталостных испытаний двух партий боковых рам определены параметры кривых выносливости на основе проведенной статистической обработки.

На рис. 2 представлены кривые усталости двух испытанных партий боковых рам тележки модели 18-194-1. Для сравнения приведена кривая усталости серийной боковой рамы тележки модели 18-100. В табл. 2 даны сравнительные результаты полных усталостных испытаний боковых рам тележки модели 18-194-1.

Полученные результаты свидетельствуют, что упругие вставки адаптеров снижают уровень динамических

напряжений в критических зонах конструкций боковых рам. Это выражается в повышении характеристик выносливости рассматриваемых деталей тележки, ответственных за безопасность.

На рис. 3 показан характер разрушения в стендовых условиях боковых рам тележки, испытанных в комплекте с упругими вставками адаптера. Следует отметить, что из девяти испытанных боковых рам семь разрушились по рессорному проему (рис. 3а) и только две

рамы — по внутреннему углу буксового проема (рис. 3б).

Расчетно-экспериментальные исследования грузовых тележек нового поколения, имеющих буксовые амортизаторы различных конструктивно-технологических вариантов, показали, что величина коэффициента вертикальной динамики обрессорной боковой рамы (при осевой нагрузке 25 тс) составляет 0,45-0,7 от величины аналогичного коэффициента для необрессорной боковой рамы (те-

76 | «Транспорт Российской Федерации:

№3 (58) 2015

лежка модели 18-100 при осевой нагрузке 23,5 тс). Для тележки модели 18-194-1 по результатам ходовых динамических испытаний установлено Кдэ = 0,38-0,42. Эти данные, а также результаты сравнительных усталостных испытаний боковых рам тележки модели 18-194-1 позволяют внести изменения в стандартную методику усталостных испытаний [4] и оценку коэффициента запаса сопротивления усталости боковых рам, оборудованных буксовыми амортизаторами. Настоящее предложение обосновано также результатами исследований и проведенных ходовых динамических и ходовых прочностных испытаний тележки модели 18-1711 (18-1711-01) для грузовых вагонов нового поколения с буксовым амортизатором [5].

По стандартной методике [4] коэффициент вертикальной динамики Кдэ для боковых рам тележки модели 18-100 и других моделей, не имеющих буксового амортизатора, со статическим прогибом 50 мм, принимают равным 0,51. Тележка модели 18-578 имеет статический прогиб 68 мм, а тележка модели 18-194-1 с буксовым амортизатором - 73,4 мм. Тележка модели 18-194-1 и другие аналогичные тележки с упругими элементами в буксовом узле имеют сходные схемы нагружения, однако величину Кдэ необходимо уточнять по результатам ходовых динамических испытаний или сравнительной оценки динамической нагруженности боковых рам. Тележка модели 18-194-1 имеет статический прогиб рессорного подвешивания в 1,4 раза больше, чем тележка 18-100, и, соответственно, меньшее значение Кдэ, которое следует принять с учетом обратных соотношений Кдэ, полученных с учетом статических прогибов этих тележек и тележки модели 18-100. Следуя данной рекомендации, имеем:

К,

/с

18-100

v 18-100 г 18-194 Np УСТ

К,

18-194 .

0,51  50 73,4

-= 0,348.

Принимая Кдэ тележки с буксовым амортизатором (Кдэупр) и минимальное значение предела выносливости боковых рам, испытанных в комплекте с буксовым амортизатором (Ра)0 95упр, имеем

Рис. 3. Характер разрушения в стендовых условиях боковой рамы тележки модели 18-194-1 по рессорному (а) и буксовому (б) проемам

следующую измененную формулу для коэффициента запаса сопротивления усталости боковых рам:

(Ра)0.95У"Р+Л . г п

п = Р К К ™ и'

Г СТ Л-и

где [н] - допустимое значение коэффициента запаса сопротивления усталости.

Проведенные усталостные испытания двух партий боковых рам позволили установить минимальные значения пределов выносливости на базе 107 циклов при вероятности неразрушения деталей а = 95% - (РаЛ)0 95упр и (Ра«)о95жест при нагружении с упругими вставками адаптера и по стандартной методике соответственно. Значения пределов выносливости и эквивалентного коэффициента вертикальной динамики (Кдэ= 0,51) использовались для определения коэффициентов запаса усталостной прочности боковых рам тележки модели 18-194-1 (табл. 2). Величина коэффициента запаса сопротивления усталости н = = 2,192, по результатам усталостных испытаний боковых рам по стандартной методике н = 1,894. При определении коэффициента запаса усталостной прочности боковых рам с использованием (РаЛ)0 95упр = 22,7 тс (табл. 2) и откорректированного значения эквивалентного коэффициента вертикальной динамики (Кдэ= 0,4) для тележки модели 18-194-1 имеем величину коэффициента запаса н = 2,76. Сравнительная оценка значений коэффициента запаса сопротивления усталости говорит о значительных резервах циклической долговечности и надежности боковых рам в тележках, комплектующихся упругими вставками адаптера в буксовых узлах.

Таким образом, упругая вставка адаптера обеспечивает полную защи-

ту от износов боковых рам и буксовых адаптеров. При этом снижается уровень нагруженности боковых рам, повышаются их усталостная прочность и долговечность в эксплуатации. Применяя откорректированную методику оценки коэффициента запаса усталостной прочности боковых рам, можно ожидать повышения коэффициента запаса для тележки модели 18-194-1 до значений n = 2,15-2,75. Для инновационных тележек с центральным рессорным подвешиванием, снабженных буксовыми амортизаторами необходимо внести изменения в методику проведения усталостных испытаний их боковых рам и в оценку коэффициента запаса сопротивления усталости.

Литература

1. Ефимов В. П., Пранов А.А.,Баранов А. Н., Белоусов К. А. Тележка для грузовых вагонов нового поколения с повышенными осевыми нагрузками // Железно-дорож. транспорт. 2009. № 6. С. 58-61.

2. Бороненко Ю. П., Орлова А. М. Тележки с повышенной осевой нагрузкой // Железнодорож. транспорт. 2008. № 10. С. 50-53.

3. Коссов В.С.,Чаркин В.А., Добрынин Л.К. и др. Тележка с осевой нагрузкой 25 тс для грузового вагона нового поколения // Железнодорож. транспорт. 2008. № 7. С. 55-58.

4. Надрессорные балки и боковые рамы литые двухосных тележки грузовых вагонов колеи 1520 мм: Методика испытаний на усталость. М.: ОАО «ВНИИЖТ»; ОАО «НИИ вагоностроения»,2010.-14 с.

5. Васильев С.Г.,Орлова А.М.,Рудакова Е.А. Сравнение динамической нагружен-ности боковой рамы тележки грузового вагона при наличии и отсутствии буксового амортизатора // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты. СПб.: ПГУПС, 2005. С. 32-37.