Надежность подвижного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Введение.

2. Конструкция узла, (боковая рама).

3. Анализ повреждаемости.

4. Расчет надежности.

5. Мероприятия по повышению надежности:

5.1 Организационные технологические методы.

5.2 Методы контроля.

6. Выбранный метод проверки неисправности.



Введение

Безопасность движения поездов в большой мере зависит от надежности агрегатов, узлов и деталей подвижного состава. Надежность подвижного состава -- это свойство его выполнять заданные функции, сохраняя эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или установленного пробега. Надежность подвижного состава обеспечивается не только правильным проектированием и расчетом, точным изготовлением и сборкой, но и в значительной степени рациональной эксплуатацией, техническим обслуживанием и своевременным и высококачественным ремонтом. Важным понятием в теории надежности является понятие отказ.

Отказ -- это нарушение работоспособности объекта вследствие поломки, деформации, износа деталей; нарушение в работе механизмов или узлов, ослабление креплений, прекращение подачи смазки, связанных с некачественным несвоевременным ремонтом. Отказы многообразны, они встречаются в процессе эксплуатации подвижного состава. Отказы как всякие случайные события могут быть независимые и зависимые. Независимый отказ -- это такой, появление которого не связано с возникновением других отказов. Отказ, появление которого связано с другими отказами, называется зависимым. Отказ, до устранения которого использование подвижного состава по назначению невозможно, называется полным. Если, несмотря на отказ, остается возможность частичного использования подвижного состава по назначению, то такой отказ называется частичным. Следует различать также внезапные и постепенные отказы. Внезапный отказ может наступить неожиданно и характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких заданных параметров объекта. Постепенный отказ характеризуется постепенным изменением одного или нескольких заданных параметров. В конструкциях подвижного состава такие отказы обычно возникают в результате изнашивания, старения, коррозии или усталостных разрушений. Надежность подвижного состава обусловливается его безотказностью, сохраняемостью, ремонтопригодностью, а также долговечностью его частей.

Безотказность -- это свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой17 наработки, характеризующейся продолжительностью или объемом работы объекта в ч, т, м3, км или других единицах. Состояние объекта, при котором он способен выполнять определенные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией, называется работоспособным состоянием. Долговечность -- это свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами для технического обслуживания и ремонтов. Чем долговечнее элементы подвижного состава, тем при прочих равных условиях выше его надежность. Предельное состояние вагона или локомотива, определяемое невозможностью его дальнейшей эксплуатации, может быть результатом износа их базовых элементов (напри- мер: рама, кузов) до такой степени, когда ремонт согласно действующим правилам ремонта и техническим условиям невозможен или нецелесообразен. Показателем долговечности вагона является срок работы его между заводскими ремонтами.

Сохраняемость -- это свойство объекта непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние в течение и после хране- ния и (или) транспортирования в заданных условиях. Срок, в течение и после которого сохраняются значения заданных показателей в установленных пределах, называется сроком сохранности. Ремонтопригодность -- свойство объекта, заключающееся в приспособленности его конструкции к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность подвижного состава оценивают продолжительностью восстановления его работоспособности, а также затратами труда и средств на предупреждение, обнаружение и устранение неисправностей и отказов.



Конструкция узла:

ТЕЛЕЖКА МОДЕЛИ 18-100

Основной тип тележки, эксплуатируемой под грузовыми вагонами - двухосная с литыми боковыми рамами типа ЦНИИ-ХЗ (модель 18-100) (ЦНИИ прежнее название ВНИИЖТ, разработавшего данную конструкцию, X - первая буква фамилии автора Ханина, 3 - третий вариант). Данная тележка имеет достаточную прочность и надежность в эксплуатации. До 1972 г. тележку только так и называли - ЦНИИ-ХЗ. Сейчас чаще называют просто по номеру модели 18-100.

Тележка состоит из двух колесных пар, четырех букс 1, двух литых боковых рам 2, двух комплектов центрального рессорного подвешивания5 и 6, литой надрессорной балки 3 и тормозной рычажной передачи8, 9. Тормоз тележки -- колодочный с односторонним нажатием колодок. Связь рамы с буксами -- непосредственная челюстная, опора кузова на тележку через подпятник надрессорной балки, а при наклоне кузова -- дополнительно через скользуны. Тележка допускает осевую нагрузку до 230 кН (23,5 тс) при скорости движения 120 км/ч и 235 кН (24 тс) при скорости 100 км/ч.

Боковая рама тележки отлита из низколегированной стали 20ГЛ, 20Г1ФЛ или 20ФТЛ.

Рама состоит из горизонтальных и наклонных поясов, а также колонок. В середине рамы имеется проем для центрального рессорного подвешивания, а по концам -- буксовые проемы. Сечения наклонных поясов и вертикальных колонок корытообразной формы. Горизонтальный участок нижнего пояса имеет замкнутое коробчатое сечение. По бокам среднего проема асположены направляющие 6, ограничивающие поперечные перемещения фрикционных клиньев, а внизу имеется опорная поверхность с бонками и буртами 7 для размещения и фиксирования пружин рессорного комплекта. С внутренней стороны этой поверхности имеются полки 9, являющиеся опорами для наконечников и удержания триангеля в случае обрыва подвесок. В местах расположения фрикционных клиньев в каждой колонке 5 рамы приклепано по одной планке 8. На верхнем поясе боковой рамы расположены кронштейны 4 для крепления подвесок тормозных башмаков. Буксовые проемы имеют в верхней части кольцевые приливы 2, которыми рама опирается на буксы, а по бокам -- челюсти 1.

На внутренней стороне верхнего пояса (с 1984 г.) или внутренней стороне наклонного пояса рамы (до 1983 г.) отлиты пять шишек 3, которые служат для подбора боковых рам при сборке тележек. Подбор производят по числу оставленных (несрубленных) шишек, соответствующему определенному размеру А между наружными челюстями буксовых проемов. Это обеспечивает соблюдение параллельности осей колесных пар. Размер А имеет шесть градаций: № 0 - № 5. Если все шишки срублены, то рама имеет градацию № 0 с размером между наружными челюстями 2181±1 мм, при одной несрубленной шишке -- градацию № 1 с размером 2183±1 мм и т.д., увеличиваясь на 2 мм.

На рисунке - боковая рама с внутренней стороны. Показаны буксы, пружины рессорного комплекта, подвески для тормозных башмаков

Надрессорная балка (рис. а) отлита из стали 20ГЛ или 20Г1ФЛ в виде бруса равного сопротивления изгибу замкнутого коробчатого сечения. Она имеет подпятник 7, полку 7 для крепления кронштейна 2 мертвой точки рычажной передачи тормоза, опоры 3 для скользунов, выемки (гнезда) 6 для размещения фрикционных клиньев, бурты 5, ограничивающие смещение внутренних пружин рессорного комплекта, и выступы 4, удерживающие наружные пружины от смещения при движении тележки.

Надрессорная балка и скользун тележки модели 18-100: а -- надрессорная балка; б -- закрытый скользун

Боковые перемещения надрессорной балки амортизируются поперечной упругостью пружин, на которые она опирается.
Сколъзун тележки (рис.б) -- боковая опора кузова -- состоит из опоры 3, отлитой заодно с надрессорной балкой, колпака 8, надетого на опору, прокладок 9 для регулировки зазоров между скользунами рамы вагона и тележки, болта 10, предохраняющего колпак от падения. Зазор между скользунами для основных типов четырехосных вагонов должен быть в пределах 6-16 мм.

Рессорное подвешивание состоит из двух комплектов, размещенных в рессорных проемах левой и правой боковых рам. В каждый комплект (рис.а) входит пять, шесть или семь двухрядных цилиндрических пружин 2 и 3 и два клиновых 7 фрикционных гасителя колебаний. Каждая двухрядная пружина состоит из наружной и внутренней пружин, имеющих разную навивку -- правую и левую соответственно. Количество двухрядных пружин в комплекте зависит от грузоподъемности вагона. Пять пружин ставят в тележки, подкатываемые под кузова вагонов грузоподъемностью до 50 т, шесть -- до 60 т и семь -- более 60 т. В связи с этим и расположение пружин в комплекте будет разное (рис. 5.6, б, в, г). Крайние боковые пружины комплекта поддерживают клинья гасителей колебаний. Снизу клинья имеют кольцевые выступы, не допускающие смещения их относительно пружин в горизонтальной плоскости, а верхней своей частью входят в направляющие надрессорной балки. Работа клинового фрикционного гасителя колебаний тележки рассмотрена в ранее. Клинья отливают из стали 20Л. Пружины изготавливают из стали 55С2, а фрикционные планки -- из стали марок 45, 30ХГСА или 40Х.

Статический прогиб рессорного подвешивания от тары -- 8 мм, от массы брутто -- 46-50 мм. Коэффициент относительного трения гасителя колебаний -- 0,08-0,10.

Для повышения межремонтных пробегов тележек грузовых вагонов была проведена модернизация тележки модели 18-100 по проекту М1698. Суть данной модернизации заключается в защите основных пар трения тележки от износов в эксплуатации.

В буксовый проем боковой рамы тележки устанавливается сменная прокладка толщиной 6 мм. (в)

В соответствии с проектом типовые фрикционные планки заменяют составными (д). Составную фрикционную планку устанавливают во фрикционный узел гашения колебаний. Она состоит из двух элементов: неподвижной фрикционной планки (толщиной 10 мм), которая приклепывается к боковой раме, и контактной (подвижной) фрикционной планки (толщиной 6 мм), свободно размещенной между неподвижной планкой и вертикальной поверхностью фрикционного клина.

Стальные фрикционные клинья тележки модели 18-100 заменяют на чугунные (г).

В подпятник надрессорной балки устанавливается износостойкий элемент из стали 30ХГСА в виде плоской прокладки (диска) (а).

Скользуны оборудуют износостойким колпаком (б).

Тележка 18-100, прошедшая данную модернизацию, имеет обозначение 18-100М.

На тележках, признанных годными после ремонта с установкой износостойких элементов ставятся клейма букв «РМ», высотой 70 мм, которые наносятся белой краской в прямоугольник (100 х 100мм) на верхнем поясе консольной части надрессорной балки, рядом с клеймами о производстве плановых видов ремонта.

Данные тележки должны обеспечить пробег вагона по узлам и деталям, с установленными износостойкими элементами в узлах трения, до следующего планового вида ремонта, но не менее 160 тыс. км. (порожний + груженый).

Анализ повреждаемости тележек грузовых вагонов

Анализ данных отцепок вагонов в текущий неплановый ремонт показывает, что около 12 % вагонов поступают с отказами сборочных единиц тележек.

Нагрузки, действующие на тележки, носят случайный характер и зависят от полезной нагрузки, скорости движения, состояния пути и ряда других факторов. Поэтому и отказы также носят случайный характер.

Все дефекты боковых рам тележек можно разбить на две основные группы: дефекты усталостного происхождения и износы трущихся поверхностей.

Характерное расположение всех этих дефектов представлено на рис. 2.1.

Продольные трещины 3 в зонах сопряжения надбуксовой полки с вертикальной стенкой двутавра образуются в основном из-за наличия скрытых дефектов литейного происхождения -- рыхлот, усадочных раковин.

Трещины 2, 4, 7 носят усталостный характер. Трещины 2 зарождаются в углах буксового проема. Причем, если на внешний угол приходится 46 % всех усталостных разрушений, то на внутренний угол буксового проема приходится уже 34 % всех трещин по раме. Любой угол является зоной концентрации напряжений, они трудны для качественной формовки и заливки при изготовлении боковых рам и с учетом того, что зона буксового проема неподрессоренной боковой рамы является наиболее нагруженной зоной рамы, поэтому здесь и возникают наиболее часто усталостные разрушения. Кроме того, причиной образования трещин в зоне наружного угла буксового проема могут быть продольные силы, возникающие при торможении вагона горочными замедлителями и при соударении вагонов с повышенными скоростями.

Рис. 2.1. Дефекты боковых рам



В наклонных поясах боковой рамы, которые представляют собой незамкнутые оболочки, трещины 7, 4 обычно зарождаются от внутренних буртов сечения.

Трещина 6 в углу рессорного проема начинается от залива окна или от ребра жесткости. Трещины такого типа появляются в результате действия на нижний пояс боковой рамы усилий от пружин, которые приводят к раскрытию угла рессорного проема.

Трещины 2, 4, 7 являются поперечными трещинами, угрожают безопасности движения и поэтому боковые рамы с такими дефектами не восстанавливаются, а подлежат выбраковке.

Выявляются трещины в эксплуатации визуально, а при плановых ремонтах методами цветной, вихретоковой или феррозондовой дефектоскопии.

Другой большой группой дефектов боковых рам являются износы трущихся поверхностей. Износ поверхностей направляющих букс 1 происходит от взаимодействия с корпусом буксы. Эти износы влияют на зазоры между боковой рамой и корпусом буксы.

Отклонения величин зазоров в эксплуатации существенно отражаются на изменении геометрии тележек в горизонтальной плоскости, что приводит к интенсификации извилистого движения, росту рамных усилий и горизонтальных ускорений кузова, увеличению перекосов и углов набегания колесных пар по кругу катания и гребню, а также заклиниванию и разрушениям роликовых подшипников.

Чтобы не допустить этих недостатков при ремонте, производится измерение ширины буксового проема (рис. 2.2), который при выпуске из деповского ремонта должен быть не более 342 мм (при капитальном соответствовать чертежным размерам). Этот размер определяется специальным шаблоном.

До постановки фрикционных планок проверяется расстояние между стенками проема боковины и наружными челюстями буксовых проемов (размеры Н1 и Н2) штангенциркулем базового размера. Разница между ними не должна превышать 3 мм при деповском ремонте и 2 мм при капитальном. При большей разнице соответствующие буксовые челюсти подвергают наплавке с последующей механической обработкой.

Износ каждой из направляющих челюстей по ширине допускается не более 4 мм при деповском ремонте. При больших износах производится восстановление наплавкой с последующей механической обработкой. При капитальном ремонте износы не допускаются, и производится восстановление до размеров новой боковой рамы.

Рис. 2.2. Размеры боковых рам тележек модели 18-100 при выпуске из капитального ремонта

Наиболее часто в боковых рамах тележек модели 18-100 возникают износы в стенках отверстий кронштейнов (рис. 2.3) для валиков 2 подвесок тормозных башмаков 3. Эти износы в виде овализации отверстий в вертикальной плоскости приводят к существенному росту динамических нагрузок и, соответственно, интенсифицируют темпы дальнейшего нарастания износов трущихся деталей.

Восстановление разработанных отверстий по диаметру свыше 3 мм производят предварительной расточкой отверстия до диаметра 45+0.62 мм с последующей постановкой сменной волокнитовой втулки 4 (рис. 2.3). Укрепление втулки в отверстие кронштейна производится эпоксидным клеем.

Если отверстие в кронштейне разработано до диаметра более 45,62 мм, то его рассверливают до диаметра 50,62 мм для постановки втулки, изготовленной из стали Ст. З с внутренним диаметром 45 мм. Втулка запрессовывается с натягом 0,025...0,075 мм, после чего ее обваривают по периметру.

Боковые рамы тележек модели 18-100 на вертикальной стойке рессорного проема имеют фрикционные планки, которые крепят с помощью заклепок.

Рис. 2.3. Схема восстановления кронштейна:

1 -- кронштейн для валика подвески башмака; 2 -- валик подвески; 3 -- подвеска башмака; 4 -- втулка волокнитовая; 5--втулка резиновая

Рис. 2.4. Возможные положения фрикционных клиньев в тележке

При перемещении клина относительно фрикционной планки развиваются силы трения, приводящие к износу трущихся поверхностей 8 (см. рис. 2.1). Конструкцией предусмотрено, чтобы при перемещении клиньев вниз сила трения была меньшей, чем при перемещении вверх. Это условие обеспечивается таким расположением фрикционных планок, чтобы расстояние между ними понизу было на 4мм больше, чем поверху (см. рис. 2.2).

В результате износа поверхностей фрикционной планки, клина и надрессорной балки изменяется положение фрикционного клина относительно надрессорной балки, т. е. клин перемещается вверх, и опорные плоскости его устанавливаются выше опорных поверхностей надрессорной балки. В эксплуатации величина разности уровня клиньев и надрессорной балки тележки колеблется в значительных пределах от -10 до +20 мм (рис. 2.4).

Проведенные расчеты показали, что при завышении клина на 12 мм сила трения гасителя колебаний уменьшается на 30...35 % у груженого вагона, а у порожнего происходит полная разгрузка клиньев. Это приводит к ухудшению процесса гашения вертикальных колебаний, росту амплитуды колебаний, а следовательно, и напряжений в элементах кузова.

Это происходит потому, что при завышении клина прогиб подклиновых пружин становится меньше прогиба основных пружин комплекта, и нагрузки на подклиновые пружины и клинья уменьшаются, а значит и сила трения между клином и планкой уменьшается.

Завышение клиньев особенно у порожних вагонов опасно из-за возможности выпадения подклиновых пружин и клиньев.

При занижении клина на 12 мм происходит увеличение силы трения гасителя колебаний в 2 раза, что может привести к заклиниванию клина и выключению из работы рессорного подвешивания.

В этом случае силы трения увеличиваются вследствие того, что подклиновые пружины сжаты больше, чем основные, нагрузка на них больше и соответственно больше сила трения на трущихся поверхностях планки, клина и надрессорной балки.

Положение клиньев определяется расстоянием А (рис. 2.4) между поверхностями трения фрикционных планок, а также размерами клиньев «а» и размером «b» надрессорной балки. Тогда положение опорной поверхности клина относительно опорной поверхности надрессорной балки будет определяться выражением

h = 0,5[А - (2а + b)] tga

С целью продления срока службы гасителя для новых тележек или вышедших из ремонта целесообразно подбирать клинья и балку с большей полнотой. Это можно выполнить, подбирая клинья и надрессорные балки так, чтобы соблюдалось неравенство

2а + b > A

или по специальным таблицам Инструкции РД 32 ЦВ052-99.

Исходя из этого, длина основания (полнота) клина должна быть, например, не менее 227 мм при выпуске из деповского ремонта одной разновидности клиньев.

Поэтому при сборке тележек модели 18-100 при деповском ремонте завышение не допускается. а занижение не более 12 мм. При капитальном ремонте фрикционные клинья должны быть занижены до 4мм.

Расчет надежности

Актуальность темы. В настоящее время основными ходовыми частями, подкатываемыми под грузовые вагоны, являются тележка модели 18-100 и ее модификации. Благодаря простоте конструкции (основные несущие элементы - две боковые рамы и надрессорная балка), обслуживания и ремонта, она эксплуатируется на протяжении уже многих десятилетий. При этом, как показывают многочисленные исследования и обширный опыт эксплуатации, несмотря на проведенные за это время изменения конструкции ходовых частей, боковые рамы тележки подвержены повреждениям в виде усталостных трещин, а одной из причин этого являются большие значения амплитудных напряжений, возникающих в различных зонах отливок в процессе эксплуатации.

Таким образом, не смотря на проводимые заводами изготовителям мероприятия, продолжает оставаться актуальным вопрос повышения усталостной долговечности боковой рамы тележки грузовых вагонов. Чтобы сделать это, необходимо знать все действующие динамические эксплуатационные нагрузки, однако, нормативных рекомендаций для их оценки в развернутом виде нет. Существующая методика усталостных стендовых испытаний, которая позволяет оценить предел выносливости натурных деталей на этапе изготовления, дает указание по нагружению литых деталей только вертикальной нагрузкой. Такая схема нагружения позволяет оценивать сопротивление усталости угла буксового проема, нижнего угла рессорного проема и наклонного пояса, так как только по этим зонам происходит разрушение боковой рамы при подобных испытаниях. В то же время, как показывает опыт, по остальным зонам суммарное количество усталостных трещин в эксплуатации значительно больше. Следовательно, актуальной становится и разработка методики оценки динамических нагрузок, эквивалентных эксплуатационным. Зная эти нагрузки, можно воссоздать такое нагружение боковой рамы амплитудными нагрузками, которое по повреждающему воздействию будет эквивалентно всему спектру переменного нагружения детали за весь срок службы. Это позволит быстро, эффективно и до начала серийного производства провести работы по повышению усталостной долговечности детали.

Целью является повышение усталостной долговечности боковой рамы тележки путем разработки и применения расчетно-экспериментальных методик оценки эксплуатационной надежности, динамических эксплуатационных нагрузок, уточненной методики проведения усталостных испытаний и на их основе совершенствование конструкции детали.

За последнее время разработано большое количество вариантов конструктивных улучшений литых деталей тележек грузовых вагонов, часть из них реализована, но большая часть остается лишь в виде опытных образцов. Кроме того, несмотря на проводимые мероприятия, в эксплуатации продолжают возникать усталостные трещины в указанных деталях. Поэтому продолжает сохраняться актуальность работы по дальнейшему повышению надежности боковых рам. Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие основные задачи.

1. Создать конечно-элементную модель, позволяющую оценить напряжения, действующие в разных зонах боковой рамы.

2. Разработать методику оценки надежности литых деталей тележек по данным разового обследования технического состояния вагонов в эксплуатации. На основе разработанной методики выполнить анализ эксплуатационной надежности боковых рам и рассчитать вероятность отказа деталей по опасным зонам.

3. Создать методику оценки динамической нагруженности литых деталей в условиях общесетевой эксплуатации.

4. Разработать уточненную методику усталостных стендовых испытаний.

5. Выполнить апробацию разработанных расчетных моделей и методик на примере повышения усталостной долговечности боковой рамы.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось путем комбинирования аналитических методов, основанных на теории надежности, теории эксперимента, численного моделирования и использования данных натурных испытаний.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана методика оценки эксплуатационной надежности литых деталей тележек, позволяющая оценивать показатели по данным разового обследования.

2. Использован системный подход при разработке методики оценки динамической нагруженности литых деталей, позволяющий определять амплитудные нагрузки, которые по повреждающему воздействию эквивалентны всему спектру переменного нагружения деталей за весь срок службы, основанный на результатах статистических данных, натурного обследования, стендовых испытаний, аналитических методах и методах численного моделирования.

3. На основе полученных амплитудных динамических нагрузок разработана уточненная методика усталостных стендовых испытаний, позволяющая при нагружении боковой рамы воссоздать полную картину напряженного состояния в эксплуатации.

Практическая ценность.

1. Установлен закон распределения наработки до отказа боковых рам в эксплуатации и определены его параметры, что позволяет оценивать любую интересующую характеристику надежности.

2. Получена методика оценки динамической нагруженности литых деталей в эксплуатации, позволяющая оценить действующие амплитудные нагрузки, эквивалентные по повреждающему действию эксплуатационным, за весь срок службы.

3. Предложена уточненная схема нагружения и стенд для проведения усталостных испытаний боковой рамы тележки.

4. Даны практические рекомендации по повышению усталостной долговечности боковой рамы.

Результаты исследования были использованы на ОАО «НПК «Уралвагонзавод» при разработке методики и стенда для проведения усталостных испытаний литых деталей тележки грузового вагона.

На защиту выносится.

1 Методика оценки эксплуатационной надежности литых деталей по данным разового обследования технического состояния.

2 Методика оценки амплитудных нагрузок, действующих на литые детали тележки, которые по повреждающему действию эквивалентны реальному спектру нагружения в эксплуатации.

3 Методика и стенд для проведения усталостных испытаний боковой рамы тележки грузового вагона.

Достоверность полученных результатов подтверждается результатами экспериментальных исследований усталостной долговечности, статического напряженного состояния боковой рамы. Полученная погрешность опытных и расчетных значений напряжений в боковой раме не превышает 10%. В качестве источника информации для оценки эксплуатационной надежности литых деталей вагонов использовались результаты ежегодных (разовых) обследований технического состояния вагонов при поступлении вагонов в деповской ремонт. При этом объем используемой выборки обеспечивает достоверность результата с доверительной вероятностью не ниже 0,99.

Если период наблюдения продолжительностью Т разделить на n интервалов длительностью Dt, то весь объем обследованных деталей разбивается на n групп (партий) по признаку принадлежности наработки изделия к моменту обследования к определенному временному интервалу. Приведя время постановки в эксплуатацию всех групп изделий к одному моменту времени t = 0, описанный выше процесс введения в эксплуатацию партий изделий можно представить в виде графической схемы (рисунок 1).

N1, j, N2, j-1, i*?t = T, t 0, 2*?t,(i-1)*?t, ni, 1, ni-1, 2, n2, j-1, N1, j,N1, j,n1, j,Ni, 1

Ni-1, 2.



Рисунок 1 - Схема ввода в эксплуатацию и движения до отказа изделий

тележка грузовой вагон дефект

Считается, что изделия в эксплуатацию поступают партиями через равные промежутки времени длиной Dt, что все изделия партии включаются в работу в начале интервала. На рисунке 1 черезNij обозначен объем обследованных изделий c наработкой в i-м интервале, а через nij - число обнаруженных отказов на обследованных изделиях. Здесь первое число нижних индексов указывает на наработку изделия от момента ввода в эксплуатацию до момента обследования, второе число - на номер группы изделий. На схеме горизонтальные линии, ограниченные вертикальными штрихами, описывают «движение» невосстанавливаемого элемента вагона от начала эксплуатации до отбраковки, вертикальные линии показывают момент отказа. В результате разового обследования вагонов получаются не все значения из таблицы, а лишь те из них, которые расположены вдоль главной диагонали.

В главе рассмотрен порядок определения параметров a и ? применительно к распределениям из таблицы 1. Полученная методика была использована в главе 3 для оценки показателей эксплуатационной надежности боковой рамы тележки грузового вагона.

В третьей главе выполнен анализ эксплуатационной надежности боковой рамы тележки на основе данных, полученных отделом надежности ПКБ ЦВ ОАО «РЖД» при поступлении вагонов в деповской ремонт.

Как видно из таблицы 2, порядка 63% всех отказов приходится на возникшие в эксплуатации усталостные трещины. Кроме того, появление усталостных трещин является наиболее опасным, так как они могут возникать в зонах недоступных для визуального контроля и их выявление представляет определенные технические затруднения.

Таблица 2 - Основные виды отказов рам

Вид отказа	Количество отказов, %
Усталостные трещины	63
Износ поверхностей	36
Деформация	1

На рисунке 2 показаны зоны появления усталостных трещин на боковых рамах тележек грузовых вагонов в эксплуатации.



а) вариант с двутавровым сечением наружного угла буксового проема;

б) вариант с коробчатым сечением наружного угла буксового проема.

Рисунок 2 - Расположение трещин на боковой раме тележки модели 18-100

Количество трещин по опасным зонам боковой рамы в разные годы обследования по данным мониторинга приведено в таблице 3. Здесь позициями обозначены следующие места появления трещин: 1 - наружный угол буксового проема; 2 - внутренний угол буксового проема; 3 - нижний угол рессорного проема; 4 - верхний угол рессорного проема; 5 - надбуксовый проем; 6 - технологическое окно; 7 - наклонный пояс; 8, 9 и 10 - остальные зоны. Из таблицы 3 видно, что наименее надежной зоной боковой рамы является зона буксового проема, на долю которой приходилось до 94,9% всех трещин в 1984 году и до 92,3% в 1994 году. В то же время в 2006 году было зафиксировано 58,7% от общего количества трещин, что существенно ниже, чем было в 1994 году. Очевидно, что это обусловлено изменением конструкции надбуксового проема (варианты а и б на рисунок 2) и хорошо коррелирует с результатами тензометрических испытаний, которые показали, что при переходе на коробчатое сечение надбуксового проема (вариант б), напряжения в надбуксовой зоне снизились на 20-25 %. Снижение доли трещин по надбуксовой зоне, как видно, привело к перераспределению долей трещин по другим зонам боковой рамы.

Таблица 3 - Распределение отказов боковых рам по зонам

Год обследования	Распределение трещин по зонам на боковой раме, % от общего числа
	1	2	3	4	5	6	7	8, 9, 10
1981	15,6	15,0	17,8	14,2	37,2	0,3	-	-
1982	18,1	10,8	2,6	1,7	66,6	0,35	-	-
1983	19,5	18,8	9,8	3,95	47,4	0.6	-	-
1984	36,4	15,7	1,0	3,0	42,8	-	0,25	1,0
1985	27,8	16,9	3,5	4,9	43,3	3,7	-	-
1994	35,2	39,6	0,8	0,8	17,5	6,2	-	-
2004	27,3	12,7	2,8	6,6	25,0	17,7	4,8	2,6
2005	23,5	10,9	2,2	12,0	28,2	18,0	3,2	1,3
2006	24,8	17,4	3,2	3,9	16,5	22,7	3,6	7,9

Однако надежность всего парка боковых рам в эксплуатации, начиная с 1994 года, не изменилась в лучшую сторону. В 1994 году из общего числа обследованных боковых рам трещины имели около 0,6% в 1994 году, в 2004 году - 1%, а в 2005 году уже более 1,35%. Такой рост можно объяснить стремительным старением парка вагонов. На рисунке 3 приведено распределение боковых рам по сроку эксплуатации в парке грузовых вагонов в 2006 году. Эта ситуация сложилась в результате того, что в период перестройки (в течение 10-15 лет) железные дороги практически не получали новые боковые рамы. Анализируя распределение трещин по зонам, следует особо отметить значительную долю трещин в наружном угле надбуксового проема, где напряжения от нормативных нагрузок не являются максимальными.



Рисунок 3 - Распределение боковых рам по сроку эксплуатации за 2006 год

Анализ эксплуатационных данных показал, что большую роль играют действующие в эксплуатации нагрузки. Так, начиная с 1985 года до 1989 года, Министерством путей сообщения в одностороннем порядке проводился эксперимент по загрузке полувагонов на пять тонн выше трафаретной. В то же время известно, что средний срок службы Тср имеет степенную зависимость от действующих в детали амплитуд рабочих динамических напряжений ?аi (внешних нагрузок):

Тср ~ ( ?аi)-m. (3)

Поскольку показатель степени m имеет достаточно большое значение для литых деталей с термообработкой - порядка 4 согласно Нормам, а при усталостных испытаниях от 5 до 8 и более - то даже незначительное превышение нормативной нагрузки существенным образом должно было сказаться на увеличении числа повреждений боковой рамы. Полученная в эти годы с железных дорог информация (таблица 4) свидетельствует о значительном росте повреждаемости рам, причем данная тенденция прослеживается для деталей различных сроков службы, что указывает на то, что именно сверхнормативные нагрузки явились основным фактором значительного увеличения числа отказов. Поэтому, вопросам динамической нагруженности деталей следует уделять пристальное внимание.

Таблица 4 - Количество боковых рам с усталостными трещинами

Годы обследования боковых рам	Количество забракованных деталей по годам постройки, в % от числа осмотренных
	до 1964 года	1964-1973 гг.	после 1973 года
1984	0,673	0,085	0,026
1985	0,602	0,085	0,015
1986	1,14	0,207	0,053
1987	2,03	0,380	0,120
1988	2,52	0,366	0,083
1989	3,27	0,496	0,105

При помощи методики, разработанной в главе 2, были получены оценки вероятности отказа (2) по всем зонам боковой рамы по данным мониторинга 2006 года. Было установлено, что опытные данные об отказах боковых рам хорошо аппроксимируются лого-нормальным законом.

Полученные параметры лого-нормального распределения составили: для первой зоны a = 3,89; ?= 0,97; для второй зоны a = 5,23; ? = 1,37; для третьей зоны a = 9,20; ? = 2,35; для четвертой зоны a = 5,08; ? = 1,48; для пятой зоны a = 3,45; ? = 0,93; для шестой зоны a = 4,63; ? = 1,33; для седьмой зоны a = 7,79; ? = 2,15. Рассчитанные величины a и?были использованы в главе 4 при разработке методики оценки эксплуатационных нагрузок.

Таким образом, имея по результатам эксплуатации точечные характеристики выборки сроков службы боковых рам, можно непосредственно переходить к определению параметров лого-нормального закона по формулам:

; (4)

, (5)



где - коэффициент вариации выборки;

- математическое ожидание выборки.

Данная глава посвящена разработке методики расчета динамической нагруженности литых деталей в эксплуатации.

Предварительно вычисляются амплитудные нагрузки, действующие в вертикальных и горизонтальных плоскостях и эквивалентные по повреждающему воздействию реальному спектру нагружения детали в эксплуатации. Полученные нагрузки в дальнейшем используются при оценке усталостной долговечности боковой рамы и в качестве амплитудных нагрузок при проведении стендовых усталостных испытаний.

Определение нагрузок эквивалентных эксплуатационным проводится по следующему алгоритму. С использованием результатов полных усталостных и стендовых тензометрических испытаний определяется распределение плотности вероятности отказа боковой рамы при базовом числе циклов испытаний Nб = 107 в зависимости от действующих напряжений согласно формуле:

, (6)

где с и d - параметры распределения.

В работе показано, что расчетную вероятность отказа как интегральную функцию, используя плотность распределения (6), можно получить по формуле

, (7)



где - теоретическая вероятность отказа детали для базы испытаний N бциклов ;

?эj- амплитудное напряжение, эквивалентное по разрушающему действию эксплуатационным, действующим на деталь для базы испытаний N0циклов, для каждой из j зон детали, определяется по формуле:

(8)

где?j - средние эксплуатационные амплитуды напряжений в j-ой зоне детали аналога ;

f - частота изменения динамических напряжений ;

N0 - число циклов, соответствующее точке перегиба кривой усталости в двойных логарифмических координатах (поскольку кривые усталости литых деталей тележек грузовых вагонов, изготовленных из низколегированной стали, не имеют точки перегиба, то условно принимается N0= Nб = 107 циклов);

kф - коэффициент форсирования (запаса прочности).

Напряжения ?j из формулы (10) можно представить в виде:

, (9)

где Pi - величина амплитудной нагрузки , эквивалентной по повреждающему действию эксплуатационной, приложенной в i-ой точке детали ;

?ji - величина амплитудного напряжения в j-ой зоне детали от действия амплитудной эквивалентной силы Pi, приложенной в i-ой точке детали ;

kji - коэффициент пропорциональности между напряжением ?jiв j-ой зоне детали от действия амплитудной эквивалентной силы Pi, приложенной в i-ой точке детали.

Нагрузки, действующие на боковую раму во время ее работы, были разделены на: продольные, поперечные и вертикальные (рисунок 4):

1. Вертикальная - опора на буксовые проемы, нагружение на нижний пояс рессорного проема перпендикулярно плоскости пути (Рзакр1, Рзакр 5, Рверт3).

2. Поперечная - нагружение по нижнему поясу рессорного проема перпендикулярно направлению движения вагона, закрепление в буксовых проемах (Рбок5, Рбок 6, Рзакр4).

3. Сила от распора фрикционными клиньями вдоль движения вагона (Рпр4, Рзакр2).

4. Продольная на растяжение рамы, закрепление за вертикальную внутреннюю поверхность рессорного проема в районе фрикционных клиньев, нагружение на наружную вертикальную опору буксового проема вдоль движения вагона (Рзакр3, Рпр1).

5. Продольная на сжатие рамы, закрепление за вертикальную внутреннюю поверхность рессорного проема в районе фрикционных клиньев, нагружение на внутреннюю вертикальную опору буксового проема вдоль движения вагона (Рзакр2, Рпр2).



Рбок6, Рбок5, Рзакр5, Рверт3, Рпр2, Рпр1, Рзакр1, Рпр4, Рзакр3, Рзакр4,

Рзакр2

Рисунок 4 - Расчетные нагрузки, действующие на боковую раму

Здесь вертикальные нагрузки имитируют следующие виды эксплуатационных нагрузок: сила тяжести брутто; вертикальная составляющая от сил инерции при торможении; вертикальная динамическая нагрузка; вертикальная добавка от продольной силы инерции кузова при осаживании; вертикальная составляющая силы, возникающей от наклона кузова при просадке рессорного комплекта.

Поперечные нагрузки имитируют следующие виды эксплуатационных нагрузок: боковая сила от направляющих усилий рельсов в кривой; поперечная составляющая продольной квазистатической силы; рамная сила; боковая сила, возникающая вследствие возвышения наружного рельса в кривой.

Продольные нагрузки имитируют следующие виды эксплуатационных нагрузок: сила инерции массы колесной пары; продольная нагрузка при торможении; продольная сила, возникающая от трения между колесами и рельсами в кривой.

Оценивая эксплуатационную вероятность отказа, воспользовавшись главами 2 и 3, видно, что опытные данные об усталостных отказах боковых рам хорошо аппроксимируются лого-нормальным законом:

,(10)

где Ф(...) - функция Лапласа, имеющая вид

. (11)

Как видно из формул (10) и (11), эксплуатационная вероятность отказа (10) в развернутом виде имеет следующий вид:

. (12)

В то же время вероятность отказа по j-ой зоне при действии неизвестных амплитудных усилий Pi, согласно (6)-(9), может быть представлена как

. (13)

Сравнив вероятности (12) и (13) видим, что у них различаются только пределы интегрирования. Учитывая это, а так же то, что при одновременном действии амплитудных усилий Pi, их одинаковой частоте и одной величине среднего напряжения для всех рассматриваемых мест отливки, равенство выражений (12) и (13) должно выполняться для каждой из j-ой зон боковой рамы, получим следующую систему уравнений



(14)

Рассчитанные нагрузки Piпо формуле (14) дают оценку динамической нагруженности литых деталей тележки в эксплуатации без учета их размерности. Подставив полученные усилия в формулу (7), получаем алгоритм оценки усталостной долговечности детали-аналога. Полученный алгоритм был использован в главе 5 для оценки нагруженности и обоснования мероприятий по повышению надежности боковой рамы тележки грузового вагона.

В пятой главе рассмотрены вопросы повышения усталостной долговечности боковой рамы на основе разработанных методик оценки эксплуатационной надежности и динамической нагруженности, которые позволяют повысить точность оценки ресурса на этапах проектирования и изготовления детали.

По методике, разработанной в четвертой главе, была произведена оценка амплитудных нагрузок, эквивалентных по разрушающему действию эксплуатационным. Путем нахождения коэффициентов для системы уравнений (14) и ее решения, были получены соотношения величин амплитудных нагрузок, которые представлены в таблице 5. Система решалась графически путем подбора усилий Pi. Для удобства минимальная нагрузка принята за единицу отсчета.



Таблица 5 - Соотношение величин эквивалентных нагрузок.

Нагрузка
Величина					-

Размерность найденных нагрузок определяется в зависимости от принятых величин частоты нагружения, числа циклов и коэффициента запаса (8). Результаты показали, что система уравнений (12) имеет численное решение в случае приложения нагрузок Рпрод1 и Рпрод4 не равномерно по всей опорной поверхности, а только к наружной вертикальной кромке, то есть со смещением.

Оказалось, что в этом случае вероятности отказа, рассчитанные по формуле (13), качественно повторяют картину распределения эксплуатационных вероятностей. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что причиной подобного нагружения боковой рамы в эксплуатации является нежесткая в плане конструкция тележки, что заставляет работать надрессорную балку и колесные пары в качестве поперечных и продольных тяг. В то же время их связь с боковой рамой имеет полужесткий характер, что влечет за собой ударные нагрузки в местах кинематических связей. Таким образом, при разработке перспективных конструкций ходовых частей необходимо учесть неблагоприятные условия работы литых деталей в существующих конструкциях тележек, предусмотрев, например, диагональные связи между боковыми рамами или колесными парами или упругие элементы в местах соединения деталей.

По результатам выполненных расчетов, в работе предложена уточненная схема усталостных стендовых испытаний боковой рамы (рисунок 5). При испытаниях деталь нагружается амплитудными нагрузками, соотношение между которыми определяется в соответствии с таблицей 5 и рисунком 4. Размерность нагрузок определяется в зависимости от принятых величин частоты нагружения, коэффициента форсирования, среднего напряжения по каждой из зон боковой рамы и многих других. Подобные величины определяются исходя из конструктивных ограничений конкретного стенда. При этом боковая рама может рассматриваться как система с последовательным соединением элементов, где под элементами подразумеваются зоны изломов детали. Проведенный анализ показал, что вероятность безотказной работы боковой рамы P?соответствует следующему выражению:

(15)

где - вероятность безотказной работы наименее надежного элемента.

Крутящие и поперечные нагрузки

Нагружатель

Вертикальная нагрузка



Рисунок 5 - Схема уточненных стендовых усталостных испытаний

При этом можно рассчитывать по формуле (15) в случае, если предположить, что принят минимальный предел выносливости. Если взять в качестве исходных данных режим работы стенда при проведении испытаний по действующей в настоящее время методике, но по схеме на рисунке 5, а так же, учитывая Nб = N0, то получим амплитудные величины напряжений, которые необходимо создать в зонах боковой рамы согласно таблице 6. Напряжения в таблице 6 были получены без учета коэффициента запаса прочности. Воспользовавшись разработанной методикой можно рассчитать нагрузки, которые необходимо приложить при испытаниях при любом выбранном режиме работы стенда. Рассчитанные таким образом нагрузки и другие величины при проведении усталостных испытаний по разработанной методике позволят нагружать на стенде все опасные зоны боковой рамы, получая характер усталостных повреждений как в эксплуатации, а значит, и повысить точность оценки усталостной долговечности детали.



Таблица 6 - Амплитудные величины напряжений при испытаниях

Номер зоны боковой рамы	1	2	3	4	5	6	7
Амплитудная величина напряжения, МПа	88	82	70	89	96	91	77
Соотношение амплитуд напряжений	1,26?3	1,17 ?3	?3	1,27 ?3	1,37 ?3	1,3 ?3	1,1 ?3

В работе на примере внутреннего угла буксового проема, рассмотрены варианты изменения конструкции боковой рамы, направленные на повышение усталостной долговечности. На рисунке 6а показана серийная боковая рама, где на выносном виде представлена рассматриваемая зона. На рисунке 6б и 6в представлены полученные поля распределений эквивалентных напряжений по Мизесу и их значения при воздействии на деталь сочетания нагрузок согласно таблицам 5 и 6.



б) а)

в)

а) геометрия узла; б) поля напряжений по Мизесу;

в) шкала напряжений (значения приведены в Н/м2).

Рисунок 6 - Внутренний угол буксового проема серийной рамы

Были просчитаны многочисленные варианты усиления зоны буксового угла: с постановкой ребер, утолщениями и другие. Наиболее эффективный из всех рассмотренных вариантов изменения конструкции показан на рисунке 7а. На рисунках 7б и 7в представлены эквивалентные напряжения по Мизесу для детали. При том, что действующие нагрузки остались такие же, как и для варианта на рисунке 6, видно, что напряжения снизились на 16 МПа, что составляет 19,5 % от первоначальной величины.



а) б)

а) геометрия узла; б) поля напряжений по Мизесу;

в) шкала напряжений (значения указаны в Н/м2).

Рисунок 7 - Усиленный внутренний угол буксового проема

Для оценки изменившихся показателей надежности внутреннего угла буксового проема (рис. 6 и 7) воспользуемся формулой (8), найдя вероятности отказа для обоих вариантов конструкции, приняв те же допущения, что и при расчетах данных в таблицах 5 и 6. Полученные значения вероятностей отказа для серийной и усиленной конструкции на базовом числе циклов составят соответственно Fсер(Nб) = 0,013 и Fусил(Nб) = 0,0013. Таким образом, рассмотренный алгоритм действий позволяет оценить и повысить усталостную долговечность любой зоны детали, а значит быстро и эффективно решить задачу повышения надежности боковой рамы в целом.



5. Мероприятия по повышению надежности

В результате проведенных исследований получены следующие выводы и рекомендации:

5.1 Организационные технологические методы

Разработана методика оценки эксплуатационной надежности литых деталей по данным эксплуатации, которая может быть использована для анализа данных разового обследования технического состояния деталей.

Выполнен анализ эксплуатационной надежности боковой рамы тележки грузового вагона, который показал, что основной причиной отказа боковой рамы является появление усталостных трещин.

Установлено, что опытные данные об отказах литых деталей вагонов хорошо аппроксимируются лого-нормальным законом и определены его параметры, что позволяет оценивать любую интересующую нас характеристику надежности.

5.2 Методы контроля

Разработана методика расчета динамической нагруженности литых деталей тележки в эксплуатации. Полученные зависимости позволяют определить действующие на боковую раму амплитудные нагрузки, эквивалентные по повреждающему действию эксплуатационным.

Рассмотрены вопросы повышения усталостной долговечности боковой рамы на этапах проектирования и изготовления на основе разработанных методик оценки эксплуатационной надежности и динамической нагруженности. Предложены варианты изменения конструкции боковой рамы, направленные на снижение действующих в эксплуатации напряжений в зоне внутреннего угла буксового проема.

Получена схема приложения к раме тележки динамических нагрузок, эквивалентных эксплуатационным.

Разработана методика усталостных стендовых испытаний детали, в которой предложено нагружать боковую раму найденными амплитудными нагрузками.

Предложена техническая реализация стенда для проведения усталостных испытаний боковой рамы, учитывающая найденные динамические нагрузки, оказывающие такое же повреждающее воздействие, что и реальный спектр эксплуатационного режима нагружения.

Выбранный метод проверки неисправности.

За последнее время на сети железных дорог РФ происходит более двадцати изломов боковых рам и надрессорных балок тележек грузовых вагонов ежегодно.

«Каждый случай -- это потенциальный источник аварии или крушения. Кроме того, при проведении плановых видов ремонта грузовых вагонов отбраковываются тысячи боковых рам и надрессорных балок» [1, с. 1].

Литые детали тележек грузовых вагонов (боковые рамы и надрессорные балки) являются основными деталями грузовых вагонов, которые при эксплуатации воспринимают существенные нагрузки. Неудовлетворительное качество литых деталей тележек, выпускаемые заводами-изготовителями -- проблема, которая сказывается на безопасности движения поездов.

Причины низкого качества литья тележек грузовых вагонов:

· устаревшая конструкция отливок и ГОСТы на сталь;

· рост требований к нагрузкам на ось колесной пары с увеличением объемов перевозок;

· грубейшее нарушение технологии изготовления боковых рам заводами-изготовителями, приведшее к образованию литейных дефектов;

· не обнаружение дефектов литья при проведении неразрушающего контроля на заводе-изготовителе при входном контроле.

Проведя сравнительный анализ случаев излома боковых рам (рисунок 1) на сети железных дорог Российской Федерации за последние 8 лет (с 2006 по сентябрь 2014 года) произошло уже 142 излома боковых рам тележек.

Рисунок 1. Анализ изломов литых деталей тележек с 2006 --сентябрь 2014 гг.

Распределение количества изломов боковых рам тележек грузовых вагонов по заводам-изготовителям представлено на рисунке 2.

Рисунок 2. Распределение количества изломов боковых рам тележек

Происшедшие случаи в период с 2006 года по сентябрь 2014 года повлекли за собой многочисленные сходы подвижного состава и неоднократные крушения подвижного состава, что привело к огромным убыткам компании ОАО «РЖД».

Чаще других случаев причиной схода подвижного состава является излом боковой рамы тележки грузовых вагонов.

В среднем за период с 2006 года по 2013 год средствами неразрушающего контроля выявлено наличие дефектов в 11 тысяч боковых рамах и 6 тысяч надрессорных балках.

За этот же период более 35 тысяч дефектов в боковых рамах тележек и 16 тысяч в надрессорных балках выявлено и подтверждено осмотрщиками-ремонтниками вагонов на пунктах технического обслуживания, тем самым предотвращено более 50 тысяч случаев транспортных происшествий, которые могли повлечь за собой сходы и крушения.

Причиной большинства отказов боковых рам и надрессорных балок при эксплуатации -- возникновение в местах расположения литейных дефектов усталостных трещин.

«Литые несущие элементы тележек грузовых вагонов -- боковые рамы и надрессорные балки в процессе эксплуатации воспринимают статические и динамические вертикальные нагрузки, продольные нагрузки, а также испытывают воздействие крутящего момента при вписывании вагонов в кривые участки пути. При этом основная часть динамических вертикальных нагрузок носит циклический характер, и усталостная прочность боковых рам является основной характеристикой их эксплуатационной надежности, то есть напрямую влияет на безопасность движения » [2, с. 1].

Учитывая тяжелую обстановку с литыми деталями тележек грузовых вагонов на сети железных дорог Российской Федерации, рассматриваются варианты снижения рисков схода подвижного состава и решаются вопросы по обеспечению заводами-изготовителями поставки качественных литых деталей тележек. Одним из наиболее важных решений, которые могут снизить случаи схода подвижного состава -- это усиленный контроль подвижного состава, как в пути следования, так и на пунктах технического обслуживания грузовых вагонов (ПТО).

...