2601

Моделирование НДС боковой рамы грузового вагона выполнено для одной из наиболее неблагоприятной совокупности силовых факторов – для режима экстренного торможения состава.

В качестве метода исследования выбран метод конечных элементов (далее МКЭ), так как МКЭ дает возможность достаточно полно учесть сложную геометрическую форму, реальные условия работы и кинематические ограничения конструкции, распределение в пространстве и во времени внешних нагрузок, а такжефизические свойства используемых в конструкции материалов. Принимается следующее допущение: на боковую раму действуют статические нагрузки, эквивалентные динамическим, возникающим в режиме экстренного торможения [2].

Все расчеты были проведены в программном комплексе Solid Works 2010. Для сокращения машинного времени рассчитывалась половина боковой рамы, трехмерная твердотельная модель с нанесенной сеткой конечных элементов представлена на рис. 1.

Разбиение боковой рамы на конечные элементы производилось в соответствии со стандартным алгоритмом тетраэдизации. В качестве конечного элемента использовался 4-х узловой тетраэдр.

Рис. 1. Фрагмент трехмерной модели боковой рамы тележки с нанесенной сеткой конечных элементов

Материал модели – сталь 20Г1ФЛ. Основные механические свойства материала представлены в табл.1.

302

При увеличения нагрузки на вагон до 100 тонн, на боковую раму действует вертикальная статическая нагрузка величиной 25 тc.

В режиме экстренного торможения в площадках контакта пружин с боковой рамой (кольцевые площадки вокруг круговых выступов) действует вертикальная нагрузка 3,571 тc на одну площадку и продольная нагрузка 7 тc на консольную часть буксового проёма.

По линии разъема устанавливается граничное условие «Симметрия», означающее симметричное отображение геометрической модели, установленных ограничений и сил в противоположном направлении от плоскости симметрии.

Результаты расчетов представлены на рис. 2, 3.

МоделированиеНДСвыявилозоны,работающиезапределомтекучести,а такжезоны,вкоторыхвозникаетнапряженияпревышающиепределвыносливостистали20Г1ФЛ,чтопозволяетдатьрекомендацииодополнительномдиагностированииметодаминеразрушающегоконтроляэтихзон.

Эквивалентное напряжение, МПа

Рис. 2. Боковая рама тележки (вид снизу)

Результаты моделирования НДС боковой рамы показали, качественную сходимость с тензометрическими испытаниями боковой рамы. При этом выявлены концентраторы напряжений растяжения во всех типичных зонах технологических отказов боковой рамы (указанны выше). Ввиду хорошего количественного согласования с экспериментальными данными, модель может быть использована для расчета предельных состояний реальной конструкции боковой рамы, а также для разработки подходов к анализу поведения конструкций данного типа с трещинами [3].

Для уменьшения отказов боковой рамы можно провести модернизацию боковой рамы грузового вагона по следующим направлениям:

 изменение материала детали;

303

изменение конструкции детали;

соблюдение технологии ремонта детали;

изменения характера взаимодействия пути и подвижного состава.

Эквивалентное напряжение по Мизесу, МПа

Рис.3. Боковая рама тележки (вид снизу)

Библиографический список

1.Стратегические направления научно – технического развития ОАО «Российские железные дороги» до 2015 года. М:2007. 54с.

2.Лукин В. В. Конструирование и расчет вагонов. М: УМК МПС России, 2000.731с.

3.Шадур Л. А. Расчет вагонов на прочность. М: «Машиностроение», 1971. 432с.

Научный консультант д-р техн. наук, проф. А.В. Бородин

УДК 625.1:531.3

ИЗМЕНЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЕСА ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ

В.В. Иванов, преподаватель Омский государственный университет путей сообщения

В связи с переводом подвижного состава на колеса повышенной твердости и одновременным увеличением нагрузки на ось до 25– 27 тс возникает ряд вопросов относительно ударной прочности этих колес [1]. Повышение твердости достигается путем увеличения содержания углерода в колесной стали.

304

Сравнительный анализ механических свойств и химического состава сталей обычной и повышенной твердости приведен в табл. 1.

Примечания: * при температуре 20 °С; ** Твердость указана для материала на глубине 30 мм от поверхности катания в ед. НВ.

При увеличении содержания углерода в стали происходит не только увеличение предела прочности, но уменьшение ударной вязкости, т. е. сталь хуже воспринимает ударную нагрузку.

При ремонте колесо подвергается переточкам с целью восстановления профиля катания – это приводит к уменьшению толщины обода с 65 до 25 мм. При этом твердость стали марки «Т» распределены неравномерно по сечению обода (чем обод тоньше, тем меньше твердость). График зависимости твердости от толщины обода представлен на рис. 1.

В процессе эксплуатации железнодорожного пути на поверхности катания головки рельсов образуются различные дефекты, увеличивающие силу ударного воздействия на колесо грузового вагона со стороны рельсового пути [2]. Наибольшие напряжения от воздействия этой силы возникают в колесе при прохождении рельсового стыка.

Результаты расчетов величины силы ударного воздействия на колесо грузового вагона по уточненной математической модели при среднестатистических величинах стыкового зазора и дефектов показали, что она может достигать 42 тс и более [2, 3].

Моделирование напряженно-деформированного состояния (далее НДС) выполняется для колеса повышенной твердости с толщиной обода 25 мм, предел прочности и текучести зависят от твердости и соответственно равны σВ = 1007 МПа, σТ = 755 МПа. В качестве метода исследования выбран метод конечных элементов (далее МКЭ). Все расчеты произведены в программном комплексе Solid Works 2010. Количество конечных элементов – 186 856, количество узлов – 281 192, число степеней свободы

– 832 257. Критерием оценки выбрано эквивалентное напряжение по Мизесу [4]. Сила ударного взаимодействия колеса и рельсового стыка составляет 42 тс.

305

На рис. 2 представлено распределение механических напряжений, возникающих в ободе и диске колеса при прохождении стыкового соединения рельсов, содержащего среднестатистические дефекты при движении вагона со скоростью со скоростью 20 м/с.

Рис. 1. Зависимость твердостиободаот его толщины для колеса повышенной твердости

Эквивалентное напряжение по Мизесу, МПа

Рис. 2. Цветокодированное распределение напряжений в объемной модели колеса

306

Максимальноенапряжение,возникающеевободеколесасоставляет894 МПа, пределтекучестисталимарки«Т»вэтойобластисоставляет 755МПа. Разрушениематериалаободанепроисходитпотому, чтооннаходится

сложномвобъемномнапряженномсостоянии. Современемпроисходитсниже- ниепределатекучестииз-занакопления усталостныхповреждений, чтоприводит кразрушениюколесавместепереходаободавдиск.

Таким образом, для колес повышенной твердости проблема снижения ударного воздействия приобретает решающее значение.

Библиографический список

1.Кулагин М.И. Неровности на поверхности катания рельсов и их влияние на динамическое давление колеса на рельс. В сб."Исследование неравномерного износа и свойств рельса" Труды ЦНИИ МПС., вып.177. Трансжелдориздат, 1959.

2.Влияние дефектов в стыковой неровности пути на напряженно-дефоримированное состояние колеса грузового вагона / А.В. Бородин, В.В. Иванов // Транспорт Урала. – 2009. – №2. – с. 39-41.

3.Иванов В.В. Прочность колеса при прохождении стыковых соединений рельсов. В сб. «Труды 63-ей научно-технической конференции СибАДИ». – 2009.

4.Алямовский, А. А. SolidWorks/COSMOSWorks 2006-2007. Инженерный анализ методом конечных элементов [Текст] / А. А. Алямовский. - М.: ДМК, 2007. - 784 с., ил.

УДК 62-762:623.438.1

ОПТИМИЗАЦИЯКОНСТРУКТИВНЫХПАРАМЕТРОВ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХУСТРОЙСТВМЕТОДОММОДЕЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГОСОСТОЯНИЯЭЛЕМЕНТОВ

Ю.К. Машков, д-р техн. наук, профессор; О.В. Кропотин*, канд. техн. наук, доцент

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия Омский государственный технический университет

Совершенствование конструкций герметизирующих устройств (ГУ) имеет целью обеспечение требуемых надежности и ресурса ГУ, при этом, как правило, оптимизируется уровень и эпюра распределения контактного давления по уплотняемой поверхности и обеспечивается уровень внутренних напряжений в диапазоне, не превышающем предел прочности ПКМ, используемого для изготовления уплотняющих элементов. Использование метода конечных элементов (МКЭ) для моделирования напряженно-деформированного состояния элементов ГУ с одновременным получением эпюры распределения контактного давления позволяет решить эти задачи.

307

В качестве примера рассмотрим ГУ, конструкция которого была предложена ранее для применения в объектах бронетанковой техники [1].

Фрагмент геометрической модели ГУ изображен на рис. 1. Геометрическую модель строили для половины осевого сечения ГУ (осесимметриное нагружние). В качестве реологической модели для резины использовалась модель Муни-Ривлина. Для полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе ПТФЭ в расчетной модели задавались: модуль Юнга: Е = 380 МПа; коэффициент Пуассона: = 0,33. Наличие трения учитывали, прикладывая к узлам уплотняющей губки

С использованием расчетной конечно-элементной модели были получены эпюры эквивалентных напряжений и деформаций в деформируемых элементах и эпюры контактных давлений на уплотняемой металлической поверхности (рис. 2). Как следует из полученных данных, напряженнодеформированное состояние уплотняющего элемента характеризуется наличием участков, которые можно характеризовать как концентраторы напряжений, причем значение эквивалентных напряжений достигает величины 39,8 МПа, что может привести к разрушению ПКМ (предел прочности при растяжении для большинства ПКМ на основе ПТФЭ составляет 17 25 МПа).

Кроме того, как следует из рис. 2, верхняя часть контактной поверхности уплотняющей губки не создает давления на уплотняемой поверхности. Это приведет к неравномерному износу в процессе трения, а также к значительному изменению распределения контактного давления и параметров напряжен- но-деформированного состояния.

Целесообразнымявляется оптимизация конструктивныхпараметров уплотняющегоэлементаГУс целью обеспечения контактногодавления на всей сопряженнойповерхности уплотняющейгубкииснижения соотношения максимального иминимального контактныхдавлений. С этойцелью увеличили

308

толщинуопорного кольца3 (рис. 1)на0,2 мм. Врезультатецентрсечения силовогоэлемента 2(рис. 1)сместился на 0,2ммвдольосиY исоответственноизменилосьраспределение контактногодавления насопряженнойповерхности.

Следующим шагом изме-

309

них остаточных напряжений [1-4]. Так предварительное пластическое деформирование посадочной поверхности охватывающей детали, называемое автофретированием, позволяет перераспределить нагрузку с внутренних слоев материала на наружные, обеспечивая тем самым более равномерную их загрузку при сборке [2]. По данным авторов автофретирование позволяет увеличить статическую прочность соединений на 60-100 %, а натяг в 2 раза. Однако способ имеет ограничения. Его можно применять только при простой форме соединяемых деталей, а отношение наружного диаметра детали к посадочному не должно превышать 2,4. В противном случае может произойти разупрочнение посадки из-за появления в материале детали вторичных пластических деформаций после разгрузки.

Эффект увеличения натяга обеспечивает дорнование посадочной поверхности охватывающей детали [4]. Металлографические исследования зон контакта показали, что после дорнования материалдетали затекает во впадины вала, и коэффициент трения возрастает. Это явление называют приспосабливаемостью и обусловлено оно наличием в поверхностных слоях материала детали значительных остаточных напряжений сжатия. В обычных условиях приспосабливаемость протекает чрезвычайномедленно. Для его ускорения соединение нагревают до 200-500о С. Следует отметить, что дорновать можно детали со сравнительно небольшим посадочным диаметром, а при нагреве возможно снижение поверхностной твердости.

Исследования, проведенные М.М. Кобриным [3], показали, что предварительное пластическое деформирование вала (обкатка роликами или дробеструйная обработка) позволяет после длительного циклического нагружения (тренировки) соединения увеличить его статическую прочность в 2-3 раза. Объясняется это возникновением при наклепе в материале вала остаточных напряжений сжатия, уменьшающихся в процессе тренировки. При этом посадочный диаметр вала и натяг увеличиваются.

Следует отметить одно важное обстоятельство. Способы поверхностного упрочнения позволяют снизить высоту микронеровностей и получить более однородную по всем параметрам микрогеометрию сопрягаемых поверхностей, что способствует увеличению фактической площади контакта и соответственно прочности посадки.

Прочность соединений можно увеличить путем выбора рациональной микрогеометрии сопрягаемых поверхностей и способов их обработки, нанесения на них покрытий, прослоек, проведения упрочняющей термической или химикотермической обработки деталей, использования рационального способа сборки и очистки контактирующих поверхностей.

Известно, что величинасилы трения встыкезависитот чистотыобработки контактирующихповерхностейиспособов ихизготовления [1, 5, 6, 9]. Ее величиназависит отформыиразмеров выступови впадин, ихколичестванаединицуплощади, расположения относительнодругдруга. Шероховатостьсопря-

311