Определение допустимой длины начальных технологических трещиноподобных дефектов в несущих элементах кузовов вагонов

Размещено на http://www.allbest.ru/

определение допустимой длины начальных технологических трещиноподобных дефектов в несущих элементах кузовов вагонов

УДК 629.05.539.4

В.П. Лозбинев, Г.С. Михальченко, В.И. Сакало

На основе теории механики разрушения разработана методика расчёта допустимой длины начальных технологических трещин в несущих элементах вагонов. Предложен способ обеспечения живучести конструкций кузовов вагонов.

Ключевые слова: трещина, механика разрушения, допустимая длина трещины.

Вагонные конструкции являются сварными. В связи со сваркой возможно появление горячих и холодных трещин, а также трещиноподобных дефектов.

Актуальным является вопрос о допустимой длине начальных технологических трещин. Анализ этого вопроса до настоящего времени не проводился. Под допустимой будем понимать такую начальную длину трещины, при которой трещина под действием динамических нагрузок будет расти до регламентируемой нормами проектирования вагонов длины 10мм в течение трёх лет.

При такой начальной длине не потребуется отцепочный ремонт вагона в период до планового деповского ремонта и, следовательно, возрастёт технико-экономическая эффективность вагона.

В линейной механике разрушения [1] получена следующая зависимость для числа циклов нагрузки, необходимого для роста трещины:

(1)

где - размах коэффициента интенсивности напряжений; - коэффициент асимметрии цикла; - коэффициент, учитывающий характер трещины; - показатель степени кривой выносливости; - амплитуда эквивалентного по повреждаемости симметричного цикла; регламентируемая нормами максимальная длина трещины; начальная длина технологической трещины.

В процессе проектирования размеры несущих элементов должны быть определены так, чтобы выполнялось условие

(2)

где - число циклов эксплуатационных нагрузок за 3 года эксплуатации (принимается по данным, приведённым в [2]).

Для проверки условия (2) необходимо знать начальную длину технологической трещины .

Можно решить обратную задачу - приравняв из выражения (1) найти , т.е. найти допустимую длину начальной технологической трещины, при которой условие (2) выполняется. После этого следует внести в конструкторскую документацию требование о допустимой длине начальных трещиноподобных дефектов, выполнение которого должно контролироваться в процессе изготовления методами неразрушающего контроля.

В последнем случае расчёты и оптимизацию несущей системы кузова вагона можно выполнять без учёта влияния начальных технологических трещин.

При определении в выражении (1) учитываются только повреждающие циклы нагрузок, при которых в несущем элементе максимальные растягивающие напряжения больше величины, определяемой из формулы

трещина дефект кузов вагон

где пороговый коэффициент интенсивности напряжений.

Повреждающими являются совместно действующие продольные и вертикальные нагрузки по третьему режиму норм проектирования вагонов [2] при движении вагона со скоростями 15...30 м/с, а также совместно действующие нагрузки по первому режиму. Отдельно действующие вертикальные нагрузки даже с учётом динамики не все являются повреждающими. Выполненные исследования показали, что к ним относятся нагрузки в интервале скоростей 20…30 м/с.

Число циклов таких нагрузок за 1 год эксплуатации, по данным [2],

- частота колебаний кузова на рессорах; = 1,1 для элементов кузова; - статический прогиб рессорного подвешивания; В365 - время непрерывного движения вагона за 1 год, с; - проектный пробег вагона, км; - средняя скорость движения, м/с; 0,75 - доля повреждающих циклов в общем числе циклов.

Среднюю скорость движения можно определить как

где - доля времени, приходящаяся на эксплуатацию со скоростью [2].

Для грузовых вагонов, рассчитанных на максимальную скорость движения 120 км/ч, средняя скорость получена равной 21,3 м/с.

Общее число циклов вертикальных нагрузок превышает число циклов продольных нагрузок более чем в 100 раз.

В связи с большим числом циклов вертикальных нагрузок трещина растёт быстро. Расчёты показали, что для кузова крытого грузового вагона допускаемая длина начальной технологической трещины равна 0,011 мм. Обеспечить при производстве вагонов такую длину трещины затруднительно. Отсюда следует, что при проектировании целесообразно предусмотреть такие размеры несущих элементов, при которых циклы вертикальных нагрузок не будут повреждающими и не приведут к росту трещины.

На рост трещины будут влиять только циклы продольных сил, но так как этих циклов мало, медленным будет и рост трещины.

С учётом изложенногобыла разработана следующая методика определения допустимой длины начальной технологической трещины:

1. Определить размеры несущих элементов, при которых растягивающие напряжения в обшивке кузова вблизи обвязки рамы от вертикальной нагрузки с учётом динамики будут меньше повреждающих , т.е.

где - напряжения от вертикальной статической нагрузки брутто; - коэффициент вертикальной динамики.

где пороговый коэффициент интенсивности напряжений; полудлина трещины.

Поскольку регламентируемая нормами проектирования вагонов максимальная длина трещины равна 10 мм,5 мм.

Для сталей, применяемых при изготовлении обшивки кузова вагона,

Напряжения от вертикальной статической нагрузки брутто с учётом динамики не должны превышать величину .

В этом случае циклы вертикальных нагрузок не будут повреждающими, а рост трещины будет происходить при совместном действии продольных и вертикальных нагрузок.

По данным, приведённым в нормах проектирования вагонов, число циклов продольных растягивающих сил в год составляет 15 000. Совместно с продольными необходимо учесть 15 000 циклов вертикальных сил. В итоге в год будет 30 000 циклов нагрузки. Амплитуда эквивалентного по повреждаемости симметричного цикла определится из выражения

(3)

где 30000 - суммарное число циклов нагрузки;, - число циклов соответственно продольной и вертикальной нагрузки; - эквивалентная амплитуда циклов продольных сил, - напряжения от продольных сил по оси автосцепки, равных 100 т; - эквивалентная амплитуда циклов вертикальной нагрузки. С учётом данных, приведённых в [2], где - напряжения от вертикальной статической нагрузки брутто.

2. Полагая в выражении (1) число циклов - числу циклов продольных и вертикальных нагрузок за 3 года эксплуатации до планового деповского ремонта, найти допустимую начальную длину трещины

Для кузова крытого грузового вагона вблизи обвязки рамы имеем:

По выражению (3) находим:

В выражении (1) ; m5м.

330 000

Выражение (1) принимает вид

90 000.

Отсюда 4,2 мм.

Таким образом, если при проектировании назначить размеры несущих элементов, при которых изолированно действующие циклы вертикальных нагрузок не приводят к росту трещины, допустимая длина начального трещиноподобного дефекта для кузова крытого грузового вагона составит

Аналогичным образом по приведённой методике можно определить допустимую длину начальных трещиноподобных дефектов для кузовов вагонов других типов. Использование полученных результатов позволит повысить качество производимых вагонов.

Список литературы

1. Шлюшенков, А.П. Механика разрушения и расчёты на прочность и долговечность элементов машин и конструкций с трещинами: учеб. пособие /А.П. Шлюшенков. - Брянск: БГТУ, 1996. - 232 с.

2. Нормы для расчёта и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: РосНИИВ, РосНИИЖТ, 1995. - 260 с.

Размещено на Allbest.ru