Разработка методики оценки несущей способности и надежности сварных соединений шкворневого узла четырехосного полувагона

В числе основных задач, поставленных перед железнодорожным транспортом «Основными направлениями экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года» / I /, важное место занимает дальнейшее увеличение провозной и пропускной способности железных дорог на грузонапряжёиных направлениях. Приведенные данные убедительно показывают, что актуальность решения проблеглы оценки и обеспечения заданного уровня надёжности несутцих сварных узлов в современных условиях эксп-]уатации возрастает. В этой связи большое практическое значение приобретают расчётные методы прогнозирования несущей способности и надёжности сварных соединений, а также реализующие их алгоритмы и программы, которые должны использоваться на стадиях технического проектирования и создания опытного образца новых и модернизируемых конструкций nojQTBaroHOB. Важное значение имеет также сбор и систематизация статистическихданных об отказах в эксплуатации существующих сварных вагонных конструкций с целью получения объективной и достоверной информации о техническом состоянии сварных соединений, а также критериев оценки точности разрабатываемых методик прогнозирования надёжности несущих сварных узлов. Появление усталостных трещин в сварных соединениях несущих элементов конструкции полувагонов задолго до исчерпания назначенного ресурса, отмеченное многими исследователями /3, 5−8/, свидетельствует о том, что прочность и надёжность этих узлов не в полной мере отвечает современным и перспективным условиям экспдуатации вагонного парка. Особенно это относится к основному опорному узлу рамы — шкворневому узлу полувагона (соединению хребтовой и шкворневой балок), который в условиях эксплуатации подвергается действию интенсивных переменных во времени нагрузок. В настоящее время при проектировании конструкций по-увагона проверка статической прочности сварных соединений шкворневого узла производится упрощенными методами сопротивления материалов по номинальным напряжениям, что объясняется сравнительной сложностью узла и отсутствием отработанных расчётных моделей. Оценка циклической прочности ведётся в основном экспериментальными методами путём многократных испытаний макетов / 9 /, что приводит к значительным материальным расходам, существенному увеличению сроков создания новых конструкций и не всегда гарантирует выбор рационального с точки зрения прочности и надёжности сварных соединений варианта конструкции. Решение этой проблемы возможно на пути создания, апробации и внедрения в практику единой расчётной методики оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС), несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла, которая с общих методических позиций на стадиях технического проектирования и создания опытного образщ конструкции позволила бы обоснованно производить выбор наиболее рационального конструктивного или технологического решения. Сложность этой проблемы обусловлена спецификой шкворневого узла, которая определяется: сложностью его геометрической формы, большим количеством элементов конструкции и пространственно расположенных сварных соединений этих элементов между собой, что способствует неравномерному распределению напряжений и концентрации их в некоторых зонахсложным в пространстве и во времени характером нагружения шкворневого узла в эксплуатации, зависящим от многих факторовсложным характером распределения остаточных напряжений, возникающих в конструкции в результате термодеформационного цикла сварки, и их взаимодействия с циклически изменяющимися рабочшш напряжениягли. В связи с вышеизложенным проблема оценки и обеспечения несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла полувагона является актуальной. Диссертация посвящена совершенствованию практических методов оценки несущей способности и надёжности сварных соединений шкворневого узла рамы четырёхосного полувагона. В основу разработанной методики полажен современный отечественный и зарубежный опыт наиболее передовых отраслей машиностроения, накопленный при разработке и экспериментальной проверке методов оценки несущей способности сварных соединений и элементов конструкции. При теоретическом исследовании НДС сварных соединений шкворневого узла применялся метод конечных элементов (МКЭ), базирующийся на использовании быстродействующих ЭВГ^, что позволило на единой основе разработать ряд расчётных моделей от кузова полувагона, до сварного шва. Оценка несзоцей способности в зонах концентрации основывалась на использовании деформационных критериев и линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений. При экспериментальном исследовании применялся метод электротензометрии, в том числе малобазной. Обработка результатов ходовых испытаний производилась с использоваьшем методов стационарных случайных процессов. При обработке результатов натурного обследования технического состояния сварных узлов применялись методы теории надёжности, теории вероятностей и математической статистики.

3. Результаты исследования влияния широкополосности случай-. ного процесса динамических напряжений на расчётную наработку показали, что наработка при узкополосном процессе нагружения ft- 1,0) примерно на 50% ниже, чем при широкополосном (fi = 2,2) — что свидетельствует о необходимости учёта реальной ширины спектра при расчётной оценке показателей надёжности сварных несущих конструкций.

4. Проведенный анализ разброса расчётной оценки наработки до отказа в зависимости от разброса исходных данных показал, что наибольшие отклонения характерны для асимптотической области кривой усталости. При удалении амплитудных напряжений от области неограниченной долговечности разброс уменьшается. Так, 10%-ное отклонение исходных данных от номинальных значений (Ъан, (5а ,.

В, IV) может вызвать изменение расчётной наработки на 63% (при О ct/daH = 1,5).

5″ Анализ результатов оценки несущей способности трёх сварных соединений шкворневого узла по критерию малоциклового повреждения показал, что, несмотря на относительно небольшое количество циклов нагружения, доля повреждения, вносимая малоцикловой усталостью, может быть существенной (до 0,65).

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДА.

1. В результате натурного обследования технического состояния сварных узлов подувагонов установлено, что средняя статистическая оценка вероятности безотказной работы шкворневого узла полувагона за срок эксплуатации до первого капитального ремонта (10 лет) составляет — 0,75 при нормируемом показателе 0,92, что свидетельствует о необходимости проведения мероприятий по повышению работоспособности сварных соединений шкворневого узла.

2. Предлагаемая методика оценки НДС сварных соединений шкворневого узла, учитывающая, в отличие от регламентированного нормами расчёта вагонов метода, пространственное расположение вектора нагрузки на каждом из участков сварного шва, многокомпо-нентность напряжённого состояния, а также концентрацию напряжений по длине сварного соединения и в его поперечном сечении, основана на поэтапном решении задачи с использованием метода конечных элементов.

3. На основании полученных на первом этапе расчёта по МКЭ кузова полувагона диаграмм силовых факторов, действующих в сечениях балок рамы, выявлены наиболее неблагоприятные для шкворневого узла сочетания эксплуатационных нагрузок и режимов опирания пятника.

4. На основании проведенных расчётов установлено, что при различных видах нагружения полувагона в локальных зонах сварных соединений, прилегающих к углу зета хребтовой балки, а также в сварных соединениях опорной полки зета с вертикальным и нижним листами шкворневой балки возникает существенная концентрация напряжений по длине швов. При некоторых сочетаниях нагрузок в этих местах образуются локальные зоны упруго-пластических деформаций.

Указанные зоны, определённые расчётным путём, соответствуют местам наиболее вероятного появления трещин в эксплуатации.

Приемлемость разработанных расчётных моделей подтверждается соответствием найденных напряжений с экспериментальными значениями, полученными с использованием малобазных тензодатчиков. Средняя величина относительной погрешности не превышает 17%.

5. На основе численного анализа ряда расчётных моделей совместно со специалистами Уралвагонзавода им. Ф. Э. Дзержинского разработаны практические рекомендации по совершенствованию конструкции шкворневого узла полувагона модели 12−532.

6. На основе анализа результатов ходовых прочностных испытаний полувагона установлено, что пространственные колебания кузова при неизменных условиях движения вызывают процесс изменения напряжений в сварных соединениях шкворневого узла, который в перI вом приближении можно считать нормальным стационарным эргодичес-ким случайным процессом с коэффициентом широкополосности fi, изменяющимся в пределах от 1,5 до 3,0.

7. В результате расчётов, проведенных по разработанной методике, установлено, что наибольшее отклонение теоретических значений наработки от границ 90%-ного доверительного интервала составляет 14% в запас надёжности, что свидетельствует о возможности применения в качестве исходных данных для определения наработки до отказа в многоцикловой области результатов усталостных испытаний типовых сварных образцов, моделирующих высокий уровень остаточной напряжённости, масштабный фактор и концентрацию напряжений, связанную с формой шва.

8. В результате исследования влияния широкополосности случайного процесса динамических напряжений на расчётную наработку установлено, что наработка при узкополосном процессе нагружения.

1,0) примерно на 50% ниже, чем при широкополосном fi = 2,2), что свидетельствует о необходимости учёта реальной ширины спектра при расчётной оценке показателей надёжности несущих сварных конструкций,.

9. Б результате анализа влияния разброса исходных данных на расчётную наработку сварных соединений до отказа по критерию многощклового усталостного повреждения установлено, что наибольшие отклонения характерны для асимптотической области кривой усталости. При удалении величины амплитуд действующих напряжений от неограниченного предела выносливости разброс уменьшается. Так, 10^-ное отклонение исходных данных от номинальных значений Оа ,.

1Ьан «ГП 1 В мажет вызвать изменение расчётной наработки на 63% (при Ъа/<�Ь ан = 1"5)*.

10. Установлено, что доля повреждения, вносимая малоцикловой усталостью при работе отдельных зон концентрации в упруго-пластической области мажет быть значительна (до 0,65). Сопоставление расчётной наработки с учётом малоцикловой усталости со статистическими данными об отказах в эксплуатации показало, что наибольшее отклонение теоретической оценки от границы 90%-ного доверительного интервала составляет 70# в запас надёжности, что приемлемо для расчётов на стадии проектирования/.

11. Предложенные методики расчёта положены в основу алгоритмов, на базе которых составлены программы расчёта несущей способности сварного узла по критерию малоциклового повреждения в зоне концентрации и для оценки наработки до отказа по критерию усталостного многоциклового повреждения сварного соединения. Разработанные методики и программы целесообразно использовать на стадиях технического проектирования или создания опытного образца конструкции.

12. Результаты исследований внедрены в производственном объединении «Уральский вагоностроительный завод им. Ф.Э.Дзержинского» и использованы ВНИИ вагоностроения.