Вступление

Тележка является одним из основных несущих элементов подвижного состава железных дорог и служит ключевым звеном в схеме передачи нагрузки от кузова на головку рельса [14, 18]. Конструкция рам тележек во многом обеспечивает безопасность подвижного состава в эксплуатации, поэтому их прочность и долговечность должны удовлетворять требованиям действующих нормативных документов [3, 7].

Недостаточная прочность несущих элементов подвижного состава, в частности рам тележек, – одна из основных проблем, требующих поиска возможных путей решения [5, 8, 15]. В процессе такого поиска учитывают, что несущие элементы тележки должны отвечать следующим параметрам и требованиям [1, 6, 7, 9–12]:

– обеспечивать безопасность при эксплуатации подвижного состава;

– соответствовать требованиям прочности и долговечности;

– выполнять все эксплуатационные требования (плавность хода, конструкционная скорость и т. п.).

Цель

Создание рамы тележки дизель-поезда, отвечающей требованиям прочности, долговечности и безопасности в эксплуатации.

Методика

Объектом исследования является напряженно-деформированное состояние (НДС) рамы приводной тележки (сталь 09Г2С) дизель-поезда ДПКр-2 производства Крюковского вагоностроительного завода. Для исследования НДС элементов конструкции рамы тележки использован метод 3D-моделирования и метод конечных элементов [2, 4, 16, 19].

Для проверки результатов численного моделирования и оценки эффективности модернизации рамы тележки использованы экспериментальные методы.

Конечно-элементный расчет построенной 3D-модели опытного образца рамы тележки дизель-поезда был проведен при действии нормативных нагрузок. При расчёте было принято, что материал конструкции работает в зоне упругих деформаций и обладает постоянными характеристиками, модулем упругости МПа и коэффициентом Пуассона .

Уровень напряжений, возникающих в раме тележки, зависит от величины прикладываемых нагрузок и конструктивных особенностей их приложения [13, 17, 20].

При расчете учтены следующие основные силы:

– собственная сила тяжести конструкции и сила тяжести кузова вагона;

– инерционные силы, вызванные колебаниями экипажа при его движении;

– силы от работы тяговых двигателей;

– силы, связанные с тягой и торможением подвижного состава;

– аэродинамические силы (силы давления ветра);

– силы, возникающие при вписывании дизель-поезда в кривые участки пути.

Перечисленные силы при расчете напряженно-деформированного состояния рамы тележки принимаем действующими статически и приводим к следующим основным схемам приложения:

– вертикальные (сила тяжести брутто, динамическая сила при конструкционной скорости, вертикальная составляющая силы инерции кузова);

– продольные (сила тяги, продольные силы инерции);

– боковые (центробежная сила, сила давления ветра, горизонтальные рамные силы);

– кососимметричные.

Опирание рамы тележки на колесные пары в расчетной схеме осуществляется на пружины буксового подвешивания.

В результате анализа результатов расчёта определены наиболее нагруженные узлы рамы тележки и составлена схема размещения тензодатчиков для проведения ходовых динамических испытаний.

Расчет долговечности проведен по данным регистрации одного тензодачика, полученным при проведении динамических ходовых испытаний. Тензодатчик для расчета долговечности выбран по максимальным стататистическим значениям динамических напряжений.

Предел выносливости детали, с учетом асимметрии цикла согласно «Норм…» [7], определен по формуле:

(1)

где – предел выносливости детали для симметричного цикла;

– среднее напряжение цикла;

– временное сопротивление.

Предел выносливости детали для симметричного цикла определяем по формуле:

(2)

где – среднее значение предела выносливости образца (для стали 09Г2С – 195 МПа);

– коэффициент, зависящий от вероятности разрушения детали. Значение выбрано по таблице 3.19 «Норм…» [7];

– коэффициент понижения предела выносливости, определяемый по формуле:

(3)

здесь ƞ – технологический фактор. Значение ƞ зависит от способа и контроля сварки (табл. 3.20 «Норм…» [7]);

– коэффициент, характеризующий понижение предела выносливости:

(4)

где – коэффициент, учитывающий неоднородность материала детали;

– коэффициент, учитывающий влияние внутренних напряжений в детали;

– эффективный коэффициент концентрации напряжений в узлах сложного очертания, концентрация напряжений в которых определяется только их геометрией;

γ – коэффициент, учитывающий влияние размерного фактора;

– коэффициент, учитывающий состояние поверхности детали.

Поскольку уровни напряжений в рамах тележек выше чем , то, согласно п. 3.6.3 «Норм…» [7], для оценки долговечности используем параметры кривой усталости стандартного образца и гистограммы распределения амплитудных значений напряжений рам тележек.

Кривую усталости для образца описываем уравнением (3.35) «Норм…» [7]:

(5)

где – предел выносливости стандартного образца для симметричного цикла нагружения;

– число циклов до разрушения образца при амплитуде напряжений σ симметричного цикла нагружения;

β – постоянная образца.

Параметры кривой усталости детали и для симметричного цикла нагружения определены по формулам:

(6)

. (7)

Параметры кривой усталости детали для асимметричного цикла нагружения определяем по формуле (3.37) «Норм…» [7]:

(8)

Расчет долговечности детали выполнен по следующему алгоритму:

– из гистограммы напряжений определены амплитудные значения напряжений и соответствующее этим напряжениям число рабочих циклов за условную единицу пробега (пробег при проведении ходовых прочностных испытаний , км);

– при этом нумерация интервалов произведена так, чтобы:

(9)

где s – количество интервалов гистограммы;

– при последовательном воздействии рабочих циклов (за условную единицу пробега) с амплитудами напряжений соответственно величину предела выносливости детали каждый раз пересчитываем:

(10)

где (11)

(12)

(13)

Цикл расчетов по формулам (10)–(13) повторяем, пока выполняется условие .

Описанные выше исследования проведены для опытного образца тележки и модернизированного.

Результаты

Для проведения расчётов на прочность опытного образца тележки дизель-поезда ДПКр-2 построена её 3-D модель, которая представлена на рис. 1. Способ опирания рамы тележки и расчётные нагрузки описаны в методике исследований.

На рис. 2 приведены поля эквивалентных напряжений в конструктивных элементах рамы тележки. При этом показан узел, в котором эквивалентные напряжения достигают максимального значения 184 МПа.

Расчет долговечности рамы тележки проведен по данным регистрации напряжений тензодатчика № 2, установленного в указанном узле.

Рис. 1. Общий вид исходной рамы тележки дизель-поезда

Fig. 1. General view of the initial frame of the diesel train bogie

Рис. 2. Эквивалентные напряжения в раме тележки дизель-поезда

Fig. 2. Equivalent stresses in the frame of the diesel train bogie

Гистограмма распределения напряжений, полученная при проведении динамических ходовых испытаний, приведена на рис. 3. Она включает приведенное к нормативному распределению скоростей (Таблица А.1 СОУ МПП 45.060-203:2007) и типу профилей (75 % – прямые, 23 % – кривые, 2 % – стрелки) количество амплитудных значений напряжений за пробег 343 км, пройденный во время ходовых испытаний со скоростями движения до 140 км/ч.

.

Рис. 3. Гистограмма амплитудных значений напряжений для тензодатчика 2 исходной рамы приводной тележки

Fig. 3. Histogram of the amplitude values of the stresses for the strain gauge 2 of the initial drive bogie frame

По алгоритму, описанному выше, было установлено, что рамы приводных тележек не будут иметь усталостных разрушений при пробеге 320 тыс. км, что является недостаточным для дизель-поезда, работающего в межрегиональном сообщении. Поэтому было принято решение об усилении конструкции. Для уменьшения напряжения в наиболее нагруженных узлах конструкции можно использовать несколько направлений: увеличить толщину конструктивных элементов, использовать более прочный материал и т. п. Конструкторы завода предложили увеличить момент сопротивления изгибу сечения путём добавления П-образного элемента поверх стакана буксового узла (рис. 4).

Рис. 4. Общий вид модернизированной рамы тележки дизель-поезда

Fig. 4. General view of the modernized frame of the diesel train bogie

Такое конструктивное решение позволило не изготавливать новую раму, а повысить прочность существующей опытной конструкции путём её модернизации. На рис. 5 приведены поля эквивалентных напряжений в конструктивных элементах модернизированной рамы тележки. Из представленных результатов видно, что напряжения в модернизированном узле снизились со 184 МПа до 49 МПа.

Рис. 5. Эквивалентные напряжения в модернизированной раме тележки дизель-поезда

Fig. 5. Equivalent stresses in the modernized frame of the diesel train bogie

Гистограмма амплитудных значений напряжений в исследуемом узле модернизированной тележки, полученных при проведении ходовых прочностных испытаний, приведена на рис. 6. Расчётный срок службы модернизированной тележки составил 4,6 млн км.

Рис. 6. Гистограмма амплитудных значений напряжений для тензодатчика 2 модернизированной рамы приводной тележки

Fig. 6. Histogram of the amplitude values of the stresses for the strain gauge 2 of the modernized drive bogie frame

Научная новизна и практическая значимость

Впервые построена пространственная конечно-элементная модель тележки дизель-поезда нового поколения и произведен расчёт на прочность при действии на нее нормативных нагрузок. Построенная модель позволила выбрать вариант модернизации опытного образца рамы, который удовлетворяет условиям усталостной прочности. Проведенные экспериментальные исследования показали эффективность модернизации. Комплекс расчётно-экспериментальных работ по оценке напряжённо-деформированного состояния рамы тележки дизель-поезда ДПКр-2 при действии расчётных и эксплуатационных нагрузок позволил создать конструкцию, которая удовлетворяет как эксплуатационным требованиям, так и требованиям прочности и долговечности.

Разработанная конструкция рамы тележки дает возможность увеличить безопасность эксплуатации и может быть использована в дизель-поездах следующих поколений.

Выводы

1. Конструктивное решение по усилению опытной рамы тележки позволило не изготавливать новую конструкцию, а повысить прочность существующей путём её модернизации.

2. Модернизация позволила более чем в 3 раза снизить уровень эквивалентных напряжений в опасном сечении рамы тележки.

3. В результате проведенной модернизации рамы тележки расчётный срок ее службы увеличился с 320 тыс. до 4,6 млн км.

4. Предложенная методика исследований позволяет на стадии проведения приёмочных испытаний оценить прочность и долговечность несущих конструкций подвижного состава.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В. В. Болотин. – Москва : Наука, 1984. – 312 с.

2. Босов, К. А. Ansys для конструкторов / К. А. Босов. – Москва : ДМК Пресс, 2016. – 247 с.

3. ГОСТ 27.502–83. Надежность в технике. Система сбора и обработки информации. Планирование наблюдений. – На замену ГОСТ 17510–79. – Введ. 1983–07–01. – Москва : Изд-во стандартов, 1984. – 23 с.

4. Каплун, А. Б. Ansys в руках инженера. Практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. – Москва : Либроком, 2015. – 270 с.

5. Мадейски, Т. Тележки с короткой базой для высокоскоростного подвижного состава / Т. Мадейски // Железные дороги мира. – 1990. – № 2. – С. 19–20.

6. Металловедение и термическая обработка стали : справочник : в 3 т. / под ред. М. Л. Бернштейна, А. Г. Рахштада. – Москва : Металлургия, 1983. – Т. 3. – 113 с.

7. Нормы для расчета и оценки прочности несущих элементов и динамических качеств экипажной части моторвагонного подвижного состава железных дорог МПС РФ колеи 1520 мм. – Москва : МПС РФ : ВНИИЖТ, 1998. – 145 с.

8. Плехотски, В. Испытания новых тележек для метрополитенов в Вене / В. Плехотски // Железные дороги мира. – 1994. – № 9. – С. 33–35.

9. Проников, А. С. Надежность машин / А. С Проников. – Москва : Машиностроение, 1978. – 592 с.

10. Терминология теории упругости, испытаний и механических свойств материалов и строительной механики // Сборники рекомендуемых терминов. – Москва, 1952. – Вып. 14. – 72 с.

11. Шор, Я. Б. Прикладные вопросы теории надежности / Я. Б. Шор. – [Москва] : [б. и.], 1965. – Вып. 3-4. – 51 с.

12. Шухгалтер, Л. Я. Экономика долговечности и надежности машин / Л. Я. Шухгалтер. – Москва : Экономиздат, 1963. – 148 с.

13. Determination of friction heat generation in wheel-rail contact using fem / A. Miltenović, M. Banić, D. Stamenković, M. Milošević, M. Tomić, J. Bucha // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. – 2015. – Vol. 13. – Iss. 2. – P. 99–108.

14. Improving a methodology of theoretical determination of the frame and directing forces in modern diesel trains / V. Kovalchuk, A. Kuzyshyn, S. Kostritsa, Ju. Sobolevska, A. Batig, S. Dovhanyuk // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2018. – № 6/7 (96). – P. 19–25, doi: 10.15587/1729-4061.2018.149838

15. Kotoul, M. Crack path modelling in railway wheel under rolling contact fatigue / М. Kotoul // Applied and Computational Mechanics. – 2015. – Vol. 9. – Iss. 2. – P. 103–126.

16. Sae Siew, J. Nonlinear Finite Element Modelling of Railway Turnout System considering Bearer/Sleeper-Ballast Interaction / J. Sae Siew, O. Mirza, S. Kaewunruen // Journal of Structures. – 2015. – Vol. 2015. – Р. 1–11. doi: 10.1155/2015/598562

17. Sun, Y. Q. Monitoring vertical wheel–rail contact forces based on freight wagon inverse modelling [Электронный ресурс] / Y. Q. Sun, C. Cole, M. Spiryagin // Advances in Mechanical Engineering. – 2015. – Vol. 7. – Iss. 5. – Режим доступа: http://clc.am/SWV_Zw – Загл. с экрана. – Проверено : 25.03.2019. doi: 10.1177/1687814015585431

18. Research of safety indicators of diesel train movement with two-stage spring suspension [Электронный ресурс] / A. Kuzyshyn, A. Batig, S. Kostritsa, J. Sobolevska // MATEC Web of Conferences. – 2018 – Vol. 234. – Режим доступа: http://clc.am/QaWrNA – Загл. с экрана. – Проверено : 25.03.2019. doi: 10.1051/matecconf/201823405003

19. Tran, Р. SOLIDWORKS 2016 Advanced Techniques / P. Tran. – Mission : SDC Publications, 2016. – 726 р.

20. Vu, Q. H. Implementation of multiaxial high cycle fatigue criterion in finite element analysis [Электронный ресурс] / Q. H. Vu, D. Q. Vu // MATEC Web of Conferences. – 2016. – Vol. 77. – Режим доступа: http://clc.am/cV7dvw – Загл. с экрана. – Проверено : 25.03.2019. doі: 10.1051/matecconf/20167701022