Обоснование технических решений по повышению усталостной долговечности рам шпинтонного типа тележек вагонов метро

• Автор: Егоренков, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.22.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Брянск
• Количество страниц: 145 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Объект исследования.

1.2. Обзор выполненных исследований шпинтонных рам, состояние проблемы

1.3. Применение метода конечных элементов для расчета

сварных конструкций вагонов.

1.4. Методические основы оценки усталостной прочности и долговечности вагонных конструкций

1.5. Цель и задача исследования.

2. РАЗРАБОТКА КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ

2.1. Конструктивные элементы рамы в расчетной схеме.

2.2. Конечноэлементная расчетная схема рамы тележки
2.3. Анализ эффективности конструктивных изменений зоны внутренней шпинтонной втулки
2.4. Анализ напряженного состояния рамы тележки при
действии вертикальной нагрузки
2.5. Влияние тяговых и тормозных сил на напряженное состояние продольной балки рамы в зоне внутренних шпинтонов.
3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАМЫ
ТЕЛЕЖКИ ВАГОНОВ МЕТРО.
3.1. Теоретические положения и расчетные зависимости
3.2. Характеристики нагруженности .
3.3. Характеристики сопротивления усталости.
3.4. Обоснование исходных данных для расчетной оценки характеристик безотказности
3.5. Расчет наработки до отказа рамы
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ВАРИАНТОВ
МОДЕРНИЗАЦИИ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ
ШИНТОННОГО ТИПА.
4.1. Модернизация существующей рамы тележки путем
усиления продольных балок накладками
4.2. Вариант рамы тележки шпинтонного типа с
измененной конструкцией продольной балки
4.2.1. Описание конструкции рамы
4.2.2. Оценка эффективности подкрепления продольных
балок рамы продольными ребрами
4.2.3. Результаты статических испытаний рамы с
измененной конструкцией продольной балки
4.2.4. Приближенная оценка коэффициента запаса усталостной прочности новой шпинтонной рамы тележки вагонов метро при продлении ее срока
службы
4.3. Конструктивные усовершенствования шпинтонного
узла рамы.
4.3.1. Повышение изгибной жесткости нижней полки продольной балки рамы в зоне шпинтонной втулки
4.3.2. Варианты шпинтонных узлов рамы без втулок
4.3.3. Результаты сравнительных испытаний втулочного и безвтулочного крепления шпинтонов
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫВОДЫ И
РЕКОМЕНДАЦИИ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Изготавливаемые в настоящее время рамы (черт. СБ) снабжены накладками 4, усиливающими верхние полки продольных балок вокруг внутренних втулок под шпинтоны. Зарождение усталостных трещин в рамах первого выпуска происходило в зоне пересечения кольцевых швов вварки втулки внутреннего шпинтона с продольным швом продольной балка рамы и имело место на верхней и нижней полках балки. Однако на нижних полках продольной балки в зоне внутренних шпинтонных втулок усталостные трещины продолжают образовываться. Рис. Особенностью этих испытаний явилось: нагружение рамы двухступенчатой вертикальной циклической нагрузкой; опирание рамы по концам продольных балок, а не на пружины буксового подвешивания. В результате этих испытаний на нижних полках продольных балок в зоне внутренних шпинтонов образовались трещины длиной - мм (рис. При этом суммарное количество циклов, полученное рамой на двух ступенях нагружения и приведенных к предельной амплитуде (предел выносливости продольной балки для базового числа циклов 7 - Н/мм2), составило 1,-6, что примерно в 8 раз меньше базового числа циклов. Рис. Тележки вагонов метрополитена со шпинтонными буксовыми узлами (вагон мод. По этой причине отбраковывалось от до % осмотренных рам []. Усредненный пробег вагонов до возникновения усталостных трещин на продольных балках рам составил около 0 тыс. На основе результатов усталостных испытаний рамы тележки, проведенных Гос ВНИИВ [2],сделано предположение, что Основной причиной низкой усталостной прочности рамы в зонах заделки шпинтонов является высокий уровень концентрации напряжений, связанных с резким изменением жесткости продольной балки в зоне вварки втулки под шпин-тон . Однако размеры накладок и эффективность их применения экспериментального и теоретического обоснования не нашли. Это связано, в частности, с тем, что расчетная оценка напряженно-деформированного состояния (НДС) рамы в указанной зоне была затруднена из-за сложностей теоретического моделирования ее работы с учетом существенной нерегулярности конструкции. Применяемая в заводской практике стержневая расчетная схема (расчет 27. РРД) не дает решение этой задачи. Проблема усугубляется еще и тем, что после вварки втулок под шпинтоны в продольной балке возникают остаточные растягивающие напряжения. По данным исследования В. В. Смирнова [] наибольшие остаточные напряжения, направленные вдоль оси балки, близки к пределу текучести основного металла. Снижение жесткостных параметров втулки за счет уменьшения ее толщины на - % и уменьшения высоты утолщенной части на % не привело к понижению остаточных напряжений, а лишь увеличило остаточные деформации самой втулки, что ухудшило условия запрессовки в нее шпинтона. Следует отметить, что перечисленные выше результаты исследования остаточных напряжений получены на основе решения задачи термоупругопластичности применительно к сварным соединениям с учетом физической и геометрической нелинейности с помощью осесимметричной конечно-элементной модели шпинтонного узла. Расчеты выполнялись с использованием метода конечных элементов (МКЭ), методики поэтапного расчета на базе программного комплекса «АСТРА» и «Сварка» (МНИТ). Расчет рамы тележки в целом от действия эксплуатационных нагрузок не проводился. Таким образом, разработка методик анализа напряженно-деформированного состояния рамы тележки с учетом концентрации напряжений в зоне шпинтонного узла и оценки усталостной долговечности рамы с учетом ее эксплуатационной нагруженности является актуальной. Для определения НДС рамы тележки наиболее эффективным является метод конечных элементов, по которому в настоящее время имеется обширная литература и программное обеспечение. Основные положения анализа прочности и долговечности конструкций при случайных режимах нагружения содержатся в работах В. В. Болотина [5, 6], В. П. Когаева, H. A. Махутова, А. П. Гусенкова [ - ] и др. А.Н. Савоськина [, - ], С. Н. Киселева [ - , ], JI. H. Никольского [], А. Д. Кочнова и Ю. М. Черкашина [, ] и др. Результаты этих исследований нашли отражение в действующих Нормах [, ].