Стендовые испытания на сопротивление усталости макетных узлов крытого вагона для перевозки автомобилей

Стендовые испытания на сопротивление усталости макетных узлов крытого вагона для перевозки автомобилей

А. А. Битюцкий,

д-р техн. наук, генеральный директор ООО «ИЦПС»

А. Е. Афанасьев,

канд. техн. наук, заместитель руководителя отдела ООО «ИЦПС»

И. А. Хилов,

канд. техн. наук, руководитель отдела ООО «ВНИЦТТ»

В. И. Гуськов,

руководитель конструкторской группы ООО «ВНИЦТТ»

Парк вагонов для перевозки автомобильной техники устарел и не в полной мере обеспечивает новые, более жесткие требования к сохранности перевозимых автомобилей. Таким образом, актуальной стала задача разработки и производства вагонов с улучшенными потребительскими свойствами для перевозки автомобилей.

По заказу Российской компании ОАО «РейлТрансАвто» финский завод «Transtech Oy» совместно со специалистами Инженерного центра вагоностроения разработал и поставил в производство новый вагон для перевозки автомобилей, который удовлетворяет современным требованиям. Конструкция нового вагона модели 11-1835 разрабатывалась на базе модели 11-835-01, выпускаемой заводом «Transtech Oy».

Основные отличия разработанного вагона от выпускаемых моделей (рис. 1; табл. 1) следующие: увеличенные грузоподъемность и длина вагона, возможность изменения высоты верхнего яруса, увеличенная ширина дверного проема и закрытые боковые стены (листовая обшивка вместо сетки). Вследствие увеличения грузоподъемности и длины вагона в нем можно перевозить больше автомобилей с большей суммарной массой. Возможность изменения высоты верхнего яруса и увеличенная ширина дверного проема способствуют расширению номенклатуры перевозимых автомобилей. Применение в конструкции полностью закрытых боковых стен обеспечивает сохранность перевозимого груза, что особенно актуально в зимний период, когда остро стоит вопрос очистки внутренней части кузова от снега и наледи.

Боковая стена разработанного вагона имеет типовую для данного подвижного состава конструкцию: вертикальные стойки с внутренней стороны кузова и обшивка из листа или комбинация листа и сетки. В такой конструкции эксплуатационные нагрузки, возникающие при перевозке автомобилей на верхнем ярусе, передаются на раму через стойки

боковой стены и, соответственно, через узел заделки стойки к раме вагона. Отличительная особенность боковой стены - несущая обшивка, увеличивающая момент сопротивления боковой стены и воспринимающая часть нагрузок. Вследствие этого уменьшены сечение и момент сопротивления угловой стойки боковой стены в поперечной плоскости, что позволило увеличить ширину дверного проема (рис. 2).

Во время эксплуатации вагонов для перевозки автомобилей часто отмечается такое повреждение кузова, как трещина сварного шва в узле заделки стойки боковой стены, промежуточной или угловой. Конструкция нового вагона разрабатывалась с использованием современных методов расчета. Однако после значительного изменения конструкции боковой стены и узлов заделок стоек по сравнению с аналогами появилась необходимость экспериментального подтверждения значений их сопротивления усталости. По результатам стендовых испытаний макетов узлов на сопротивление усталости можно достаточно точно прогнозировать характеристики усталостной прочности кузова разработанного вагона. Актуальность проведения таких испытаний подтверждается возможностью исключить повреждения узлов заделки стоек в эксплуатации.

Однако до сих пор такие испытания указанных узлов не проводились и методика испытаний не разрабатывалась. Для стендовых испытаний узлов заделки в раму угловой и промежуточной стойки боковой стены были разработаны натурные образцы узлов. Габаритные размеры образцов и место приложения

а)

д)

Рис. 1. Вагоны для перевозки автомобилей:

а) 11-287

нагрузки выбирали, как и для ранее испытанных узлов заделки стоек полувагонов. В конструкцию разработанных образов (рис. 3) включена нижняя обвязка 1, поперечная (концевая) балка 2, промежуточная или угловая стойка 3 с усилениями 4, лист обшивки 5, настил пола 6 и опорная плита 7, служащая для закрепления опытного образца в стенде. Всего для испытаний было изготовлено по четыре образца каждого типа.

Для выполнения стендовых испытаний Инженерный центр вагоностроения разработал специальную программу и

методику испытаний, которая включала определяемые характеристики, схемы приложения нагрузок, средства испытаний, величину испытательных нагрузок, порядок проведения испытаний, схемы установки датчиков, оценку результатов испытаний. Особенность методики, впервые разработанной для подобных узлов, заключалась в том, что были определены и обоснованы схемы нагружения и величины испытательных нагрузок. За основу была принята методика стендовых испытаний узлов полувагона. Первые аналогичные

методики были разработаны в 1970-х годах [1-3] и успешно апробированы при отработке конструкций полувагонов. Со временем методика испытаний узлов полувагонов дополнялась и изменялась. В 2009 г. Инженерным центром на основе существующих методик разработана и успешно апробирована методика стендовых испытаний узлов полувагона и выполнено совершенствование узлов заделок стоек боковых стен [4-6]. Оценка сопротивления усталости узлов полувагона по этой методике подтвердила свою эффективность.

Таблица 1. Характеристика вагонов различных моделей

в)

б)

г)

е)

Параметр Модель вагона

11-1835 11-9772 11-1291 11-835-01 11-287 11-1804

Грузоподъемность, т 30 20 25 25 16 25

Масса тары, т 48,5 43 45 40 36 41,2

Ширина колеи, мм 1520

Конструкционная скорость, км/ч 120

Габарит по ГОСТ 9238 1-Т 1-ВМ

База вагона, мм 19 500 17 000 19 500 17 000 17 000 17 000

Длина, мм: по осям сцепления автосцепок по концевым балкам рамы 26 720 25 530 24 460 23 240 26 720 25 532 24 260 23 240 24 260 23 240 24 620 23 460

Высота от уровня головок рельсов, мм 5275 5145 5190 5093 5114 5250

Ширина кузова, мм 3270 3210 3294 3185 3185 3220

Внутренние размеры кузова, мм: длина яруса (нижнего/верхнего) высота нижнего яруса высота верхнего яруса ширина 25 348 1930 или 2050 2000 или 1880 2894 22 900 1900 1820 3000 25 340 2010 1850 2730 22 900 1838 1864 3009 22 940 1820 1850 3000 23 380/23 150 1950 1950 2960

Возможность изменения высоты яруса Есть Нет Нет Нет Нет Нет

Ширина дверного проема в свету, мм 2700 2700 2730 2400 2400 2900

а)

11-835-01: Ix = 14,4-107 мм4 Wx = 7,3105 мм3

б)

11-1835: Ix = 3,8107 мм4 Wx = 4,3105 мм3

Рис. 2. Сечение угловой стойки:

а) модель 11-835-01; б) модель 11-1835. С появлением современных методов расчета возникла возможность точнее прогнозировать напряженное состояние конструкции вагона и его отдельных узлов, а значит, и разрабатывать конструкцию с меньшим количеством конструктивных концентраторов напряжений. Однако расчет прочности не дает полной оценки сопротивления усталости

б)

А-А

90

1

Р

Рис. 3. Образцы узлов для испытаний:

а) промежуточная стойка; б) угловая стойка; 1 - нижняя обвязка; 2 - поперечная, или концевая, балка; 3 - стойка промежуточная или угловая; 4 - усиления; 5 - лист обшивки; 6 - настил пола, 7 - опорная плита

По новой методике стендовых испытаний узлов вагонов для перевозки автомобилей были приняты следующие определяемые характеристики: статические и динамические напряжения, количество циклов колебаний до появления трещины и до разрушения, расположение трещины и ее длина.

Статическое и динамическое нагру-жение образцов проводилось на гидро-пульсационном стенде для испытаний крупногабаритных конструкций (рис. 4), величина нагрузки регистрировалась с помощью силоизмерительных датчиков. В связи с большими перемещениями (более 20 мм), возникающими при на-гружении образцов, был применен рычаг, который позволил обеспечить меньший ход штока гидроцилиндра стенда с сохранением необходимой силы, приложенной к испытуемому образцу. Величина статических и динамических сил контролировалась силоизмеритель-

ными датчиками, установленными под штоком цилиндра (типа М20-2) и непосредственно в месте приложения силы к образцу (типа С9В). При такой схеме нагружения была обеспечена необходимая сила на определенной высоте с относительно небольшим ходом поршня гидроцилиндра - менее 5 мм.

Статические и динамические напряжения измерялись при помощи тензо-резисторов и многоканального измерительного комплекса MGC plus. Количество циклов определялось в автоматическом режиме по показаниям электромеханического счетчика. Трещины, их длина и форма регистрировались с помощью линейки и фотоаппаратуры.

Для определения величины испытательных нагрузок использовались расчетные конечно-элементные модели натурных образцов и кузова вагона, а также результаты натурных ходовых испытаний вагона, проведенных на ско-

ростном испытательном полигоне Бело-реченская-Майкоп. Фактические значения динамического напряжения, полученные на ходовых испытаниях вагона, сравнивались с расчетными значениями напряжения, затем подбиралась величина расчетных нагрузок. Для получения испытательных нагрузок, прикладываемых к образцам узлов, определялась эквивалентная одноосная сила. Нагру-жение образца одноосной силой позволило упростить схему нагружения. При этом результаты испытаний оставались достоверными и трещины фиксировались в местах, близких к локализации эксплуатационных повреждений. Таким образом, получена величина нагрузок, наиболее совпадающая с фактическим нагружением узлов в эксплуатации.

Комплекс испытаний был типовым, определялся согласно рекомендациям действующих нормативных документов [7, 8] и включал статические и динамические испытания. При статических испытаниях определяли напряжения в конструкции и прогиб образцов, при динамических - амплитуду динамических напряжений и количество циклов до появления трещины и до разрушения.

В ходе проведения статических испытаний нагрузка увеличивалась ступенями до максимальной расчетной, при которой максимальные напряжения в конструкции приближались к пределу текучести материала и составляли 0,9<7т.

При проведении динамических испытаний (в отсутствие опыта по аналогичным узлам вагонов для перевозки автомобилей) было принято, что первый образец каждого типа испытывается на относительно низких уровнях нагрузки, чтобы исключить преждевременное появление трещины и разрушение образца. Режим нагружения описывался законом

Р = Рт ± Рт  8т(<«С),

где Рт - средняя нагрузка цикла, тс; Ра1 - амплитуда нагрузки цикла, тс; ю = 2п/ - угловая частота цикла, рад/с; / - частота цикла, Гц; г - время, с.

Средняя нагрузка цикла Рт определялась по формуле

где r - коэффициент ассиметрии цикла (r = const = 0,1), равный отношению минимальной PmIn к максимальной P нагрузке цикла:

max ^

1

V : »

. „ I

Рис. 4. Схемы нагружения (вверху) и общий вид (внизу) установленных в стенд промежуточной (а) и угловой (б) стоек

В ходе испытаний первых образцов увеличивали нагрузку каждые 200 тыс. циклов. После получения трещины в первых образцах устанавливали режим нагружения для следующих образцов. Уровень амплитуды динамической силы определялся по формуле

где N - планируемое число циклов нагружения до появления трещины, N = 2  105; Ра1 - уровень амплитуды динамической силы на ¡-м режиме нагружения; N - число циклов нагружения с уровнем амплитуды Р; т - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах, т = 4; I - номер режима нагружения.

Для определения статических напряжений и амплитуд динамических

Таблица 2. Результаты стендовых усталостных испытаний

Количество циклов N Амплитуда Среднее

№ образца Амплитуда нагрузки цикла Ра., тс на заданном режиме нагружения до появления макротрещины длиной 15-20 мм нагрузки цикла при базовом числе циклов Р « тс значение амплитуды при базовом числе циклов Р Л > тс Абсолютная погрешность АР „, тс

Для промежуточной стойки

0,090 200000 -

1 0,140 200000 - 0,095

0,190 564000 564000

2 0,190 500000 500000 0,090 0,102 0,019

3 0,190 680000 680000 0,097

0,190 500000 -

4 0,230 400000 - 0,126

0,280 120000 120000

| Для угловой стойки

0,410 200000 -

1 0,660 200000 - 0,431

0,910 440000 440000 0,466 0,029

2 0,910 829000 829000 0,488

3 0,910 731000 731 000 0,473

4 0,910 731000 731 000 0,473

напряжений была разработана схема расстановки тензодатчиков. Напряжения определялись в тех точках, где ожидаются максимальные напряжения, в потенциальных местах возникновения трещин и в точках, отдаленных от концентраторов напряжений, для проверки расчетной модели. Перед статическими испытаниями были разработаны схемы для промежуточной и угловой стоек, включающие по 25 контрольных точек (две дополнительные контрольные точки для промежуточной стойки), в которых устанавливались тройные розетки. При использовании разработанных схем удалось сделать всестороннюю оценку прочности конструкции разработанных узлов и провести верификацию разработанных расчетных моделей с натурными узлами. В ходе испытаний трещины начали развиваться в местах установки датчиков, т. е. была получена точная оценка предела выносливости в конкретной зоне узла.

Результаты стендовых усталостных испытаний приведены в табл. 2.

Указанные значения приведены при условии появления развивающейся макротрещины длиной 15-20 мм.

Для оценки достоверности полученных результатов проведена статистическая обработка данных. Определены выборочное среднее значение предельной амплитуды нагрузки цикла РяД и абсолютная погрешность АРаН по следующим формулам:

- 1 "

= ТгХ^о.М!' п ы

где п - количество испытанных образцов одного типа; Рт - полученные значения амплитуды нагрузки цикла при базовом числе циклов до появления развивающейся макротрещины длиной 15-20 мм;

где | - выборочное среднее квадратическое отклонение для выборочного среднего Ра„

гр п - критическое значение коэффициента Стью-дента при доверительной вероятности р = 0,9 и количестве испытанных образцов п = 4, грп = =2,3534.

В результате усталостных стендовых испытаний выделены типовые трещи-

а)

б)

а) б) в)

Рис. 5. Усталостные трещины в натурных образцах стоек:

а) трещина в промежуточной стойке в шве приварки профиля стойки к листу настила пола; б, в) трещины в угловой стойке — в шве приварки профиля стойки к верхнему листу концевой балки

Таблица 3. Результаты вычисления пределов выносливости, величин амплитуд динамических напряжений и коэффициентов запаса сопротивления усталости в зонах появления трещин

Зона появления трещины а ., МПа а , МПа n [n]

Узел заделки промежуточной стойки

Шов приварки профиля стойки к листу настила пола (рис. 5а) 18,83 3,87 4,87 1,3

Узел заделки угловой стойки

Шов приварки профиля стойки к верхнему листу концевой балки (рис. 5б) 21,76 15,07 1,44 1,3

Верхний шов приварки фигурной накладки к профилю стойки (рис. 5в) 27,61 12,17 2,27 1,3

ны двух вариантов образцов (рис. 5): для промежуточной стойки это трещина, возникающая в шве приварки профиля стойки к листу настила пола; для угловой стойки — трещины, возникающие в шве приварки профиля стойки к верхнему листу концевой балки, а также в верхнем шве приварки фигурной накладки к профилю стойки.

В указанных зонах появления трещин определены коэффициенты запаса сопротивления усталости п (табл. 3). Для этого вычислен предел выносливости ааЛ в зонах появления трещин и определена величина амплитуды динамических напряжений ааз, приведенных к базовому числу циклов Л0= 107, по повреждающему воздействию эквивалентных реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы Тк. Срок службы вагона для перевозки автомобилей согласно техническим условиям принимался 30 лет.

При оценке соответствия действующим нормативным документам [7, 8] установлено, что коэффициенты запаса для всех исследуемых зон удовлетворяют нормативным требованиям. При этом допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости (п) принят равным 1,3 в связи с тем, что использованы достоверные данные по пределу выносливости <7аЛ, полученные по результатам стендовых усталостных испытаний, и достоверные данные по величине амплитуды динамических на-

пряжений оа э, полученные при ходовых прочностных испытаниях.

Из полученных результатов следует, что данные узлы имеют характеристики сопротивления усталости, достаточные для работоспособности в течение всего назначенного срока службы разработанного вагона для перевозки автомобилей модели 11-1835 с улучшенными потребительскими свойствами.

Новая методика стендовых испытаний на сопротивление усталости узлов вагона успешно апробирована. Разработанная методика дает возможность полнее и достовернее, чем расчетные методы, оценить показатели сопротивления усталости наиболее ответственных узлов вагона для перевозки автомобилей. П

Литература

1. Исследование прочности узлов крепления стоек 8-осных полувагонов габарита 1Т. Оценка прочности усовершенствованной конструкции узла крепления стоек 8-осного полувагона с разработкой предложений / ВНИИЖТ, УО ВНИИЖТ. Тема И 544-У-82, р.2а; руководитель Е. И. Ченцов. - М.; Свердловск, 1982. - 20 с.

2. Плоткин В. С., Дружинин С. С., Ченцов Е. И. Исследование усталостной прочности заделок стоек 4-х осных цельнометаллических полувагонов // Сб. науч. тр. / ВНИИВ. 1978. Вып. 35. С. 21-26.

3. Ченцов Е. И., Михайлов С. И. Выносливость узлов крепления стоек к раме

полувагона // Совершенствование конструкции, технического обслуживания, ремонта вагонов и погрузочно-разгру-зочных средств / под ред. Г. К. Сендеро-ва, В. В. Зубарева. М., 1978. С. 45-48.

4. Хилов И. А., Афанасьев А. Е. Выбор параметров узла заделки стойки боковой стены полувагона // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов / под ред. А.А. Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2009. Вып. 7. С. 34-43.

5. Битюцкий А.А., Афанасьев А. Е. Исследование усталостной прочности заделок стоек боковой стены новой конструкции кузова полувагона // Исследование усталостной прочности узлов и выбор параметров новых грузовых вагонов / под ред. А.А. Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2009. Вып. 7. С. 62-72.

6. Битюцкий А.А., Афанасьев А. Е. Совершенствование узла заделки стойки боковой стены полувагона модели 12-9833 по критерию усталостной прочности // Совершенствование конструкций универсальных полувагонов грузовых вагонов / под ред. АА Битюцкого; Инж. центр вагоностроения. СПб., 2010. Вып. 8. С. 31-41.

7. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества: РД 24.050.37-95. М.: ГосНИИВ, 1995. 102 с.

8. Нормы для расчета на прочность и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 315 с.