Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрогидроимпульсный эффект для динамических испытаний вагонов. Монография
.pdf
11
где N
общ
— среднее число действия продольных сил за 1 год эксплуатации;
— суммарная частота действия продольных сил в исходном обобщен-
ном распределении в диапазоне действия квазистатических сил до 200 тс;
t
рас
— расчетный период продления срока эксплуатации вагона;
— доля квазистатических сил в данном диапазоне распределения;
К
реж
— коэффициент, учитывающий влияние порожнего пробега вагона;
К
уд
— коэффициент, учитывающий несимметричность нагружения по его
длине;
К
инт
— эмпирический коэффициент, больший или меньший 1, учитыва-
ющий интенсивность эксплуатации на данном предприятии в сравнении с общесетевым.
Накопленное суммарное повреждение в эксплуатации определяется по
формуле [71]:
=
i
m
i
рас
общ
PFND
, (1.2)
где
i
F
— величины динамических продольных сил;
i
P
— частота динамических продольных сил в эксплуатации;
m — показатель степени в уравнении кривой усталости, m = 5.
Далее определяется эквивалентное усилие соударений [71]:
mm
экв
FFF
21
+=
, (1.3)
где
m
F
1
,
m
F
2
— соответственно силы при ударе в отдельный вагон и при ударе
в сцеп.
Базовое число циклов нагружения на стенде-горке при ресурсных испытаниях, имитирующих эксплуатацию вагона в течение t
рас
, по формуле [71]:
экв
F
D
N =
, (1.4)
где D — суммарное повреждение.
Ударные испытания с одиночными вагонами и сцепами с опорой груза на
один вагон проводятся на прямом участке пути, а со сцепами с опорой груза на
два вагона — на прямом участке пути и в кривой радиусом 300–400 м, согласно [10]. Каждый вагон или сцеп подвергают соударениям с группой не менее
трех-четырех заторможенных четырехосных полувагонов, загруженных до
12
полной грузоподъемности. Первый полувагон должен быть дополнительно заторможен тормозным башмаком. На прямом участке пути проводится 12 соударений: десять — со скоростями 4–7 км/ч, два — со скоростями 7–8 и
8–9 км/ч. В кривом участке пути также проводится 10 соударений со скоростями 4–7 км/ч.
Ударные ресурсные испытания выполняются в режиме многократных соударений сериями до 0,5 общего количества соударений, затем вагон разворачивают и производят остальное количество соударений [11].
При проведении испытаний на соударение и ударных на ресурс определяются напряжения в элементах кузова и рамы вагона от воздействия продольных динамических нагрузок.
Величину продольных усилий, действующих на испытуемый вагон в момент удара, регистрируют с помощью автосцепки-динамометра, представляющую собой автосцепку (рис. 1.2), предварительно оборудованную тензорезисторами и протарированную на специальном стенде.
К1
1
1 2
3
4
К1 К2
К3К4
а)
б)
Рис. 1.2. Схема электрического соединения тензодатчиков (а)
и монтажная схема тензодатчиков на корпусе автосцепки СА-3 (б):
1–4 — тензодатчики, К1–К2 — компенсационные тензодатчики
Ударным испытаниям на ограниченный ресурс подвергается вагон в груженом до номинальной грузоподъемности состоянии. Вагон-боек ударяется в
свободно стоящий испытуемый вагон с последующей накаткой на сцеп-упор,
13
состоящий из вагонов, масса которых должна быть не менее 200 тонн. При таком цикле нагружения учитывается два удара: по испытуемому вагону вагоном-бойком и по сцепу-упору испытуемым вагоном [11].
Ресурсом называют суммарную наработку объекта от начала его эксплуатации или ее возобновления после ремонта до перехода в предельное состояние.
Особое внимание при диагностировании технического состояния базовых
частей вагонов уделяют контролю за усталостными повреждениями их элементов.
Выражения для наработки на отказ z и коэффициента запаса усталостной
прочности n принимаются в соответствии с [60]:
1
0
10
3600
−
−
=
к
V
e
m
m
m
к
dt
dV
)V(J)V(f)V(S)V(f
N
z
; (1.5)
=
−
dt
dV
VJVfVSVf
z
N
n
e
m
к
)()()()(
3600
0
1
, (1.6)
где
к1−
— предел выносливости детали при симметричном цикле;
– коэффициент, характеризующий влияние асимметрии цикла при за-
мене несимметричного цикла симметричным, эквивалентным действующему в
отношении коэффициента запаса усталостной прочности по амплитуде;
M — показатель степени кривой усталости;
N0 — базовое число циклов, для сталей N0 = 107.
— сумма относительных долговечностей для скорректированной ли-
нейной гипотезы суммирования усталостных повреждений;
f(V) — распределение скоростей движения, в качестве которого принят
закон Пирсона I типа;
Vк — конструкционная скорость движения;
J(V) — интеграл вероятности, определяемый шириной полосы случайного
процесса ;
S
— условное распределение стандартов;
fe — эффективная частота.
Оценка ресурса вагона по критериям много- и малоцикловой усталости
проводится следующим образом.
Величина эквивалентной приведённой амплитуды динамических напряжений, при расчёте многоцикловой усталости, определяется по дискретной
функции плотности распределения амплитуд напряжений [47] по формуле:
14
m
j k n
III
n
mIII
anc
II
k
mII
akc
I
j
mI
ajc
k
эa
PNPNPN
N
T
++=
)()()(
321
0
,
, (1.7)
где
эa,
— расчетная величина амплитуды динамического напряжения услов-
ного симметричного цикла, приведённая к базовому числу циклов N0, эквивалентная по повреждающему действию реальному режиму эксплуатационных
случайных напряжений за расчётный срок эксплуатации;
m — показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;
Т
k
— расчетный срок эксплуатации в годах;
N0 — базовое число циклов;
N
C1,2,3
— число циклов динамических напряжений, действующих на вагон
соответственно через автосцепку, от колебаний на рессорах, ремонтных и др.;
I
aj
— амплитуды динамических напряжений в j диапазонах ударных
продольных сил;
II
ak
— амплитуды динамических напряжений от колебаний на рессорном
подвешивании (в k диапазонах);
III
an
— амплитуды динамических напряжений от испытательного внут-
реннего давления, ремонтных нагрузок и т. д. (в n диапазонах);
P
j,k,n
— частота возникновения амплитуд при соответствующих напряжениях.
Расчётный срок эксплуатации в годах по критерию многоцикловой уста-
лости определяется по формуле [71]:
++
=
j k n
III
n
mIII
anc
II
k
mII
akc
I
j
mI
ajc
m
Na
k
PNPNPN
N
n
T
)()()(
][
321
0
,
, (1.8)
где
N,a
— предел выносливости по амплитуде для контрольной зоны при симмет-
ричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов N0;
[n] — допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости.
При расчёте конструкции на малоцикловую усталость, согласно [65]:
1
][
=
i
i
i
k
N
N
T
, (1.9)
где Ni — число циклов i-го нагружения за 1 год эксплуатации;
Tk — расчётный срок эксплуатации, в годах;
[N]i — допускаемое число циклов i-го нагружения.
15
Из условия циклической прочности расчётный срок эксплуатации опре-
деляется по формуле [71]:
=
i
i
i
k
N
N
T
][
1
. (1.10)
Определение остаточного ресурса по критерию хрупкого разрушения
(трещиностойкости) проводится в следующих случаях. Во-первых, если при
проведении дефектоскопии элемента были обнаружены дефекты, близкие к
установленным предельным значениям, и ремонт их связан с большими техническими трудностями. Во- вторых, если при проведении дефектоскопии были
выявлены отдельные трещины, которые при ремонте были заварены и при повторном контроле было установлено отсутствие этих дефектов. Условие сопротивления хрупкому разрушению проверяется на основании выполнения соотношения:
][
11
КК
,
где
1
К
— коэффициент интенсивности напряжений;
][
1
К
— допускаемый коэффициент интенсивности напряжений.
При отсутствии информации о дефекте, что является наиболее распро-
странённым случаем для базовых частей вагонов, при определении
1
К
прини-
мается условная поверхностная трещина глубиной а = 0,25 × S и полудлиной
C = 1,5 × a [42].
Остаточный ресурс с учётом ползучести материалов (длительной прочно-
сти) определялся для вагонов, работающих при повышенных температурах, когда в расчётах на прочность допускаемое напряжение определяется по пределу
длительной прочности или 1 % предела ползучести для заданного срока эксплуатации.
Как можно заметить из вышеизложенного, одним из основных моментов
динамических испытаний вагонов является создание механической силы, требуемой величины с регламентируемым временем воздействия на вагон. Традиционные методы, основанные на механическом способе получения указанной
силы при их трудоемкости и неточности, не отвечают реалиям 21 века.
Авторами настоящей работы было предложено механическую силу стендов для проведения динамических испытаний создавать с помощью электрогидроимпульсного эффекта. Электрогидроимпульсный эффект — способ преобразования электрической энергии в механическую, совершающийся без про-
16
межуточных механических звеньев, с относительно высоким КПД. Сущность
этого способа состоит в том, что при осуществлении внутри объема жидкости,
находящейся в открытом или закрытом сосуде, специально сформированного
импульсного электрического разряда вокруг зоны его образования возникают
сверхвысокие импульсные гидравлические давления, способные совершать полезную механическую работу и сопровождающиеся комплексом физических и
химических явлений [88].
Опыты с искровыми разрядами в жидкости проводились учеными еще в
XVIII веке. В 1766 г американский естествоиспытатель Т. Лейн указывал на то,
что при изобретении им электрометра он ставил опыты по разряду в воде и
других жидкостях [91].
Юткин Л. А. был первым, кто применил электрогидроимпульсный эффект в практических целях. В конце 1930-х годов им был в основном сформулирован и кардинальный для всей электрогидравлики принцип получения так
называемых сверхдлинных разрядов. В 1948 г. появилась возможность основательно заняться изучением проблемы, а это привело к патентованию первого и
основополагающего изобретения в области электрогидравлики — «Способа получения высоких и сверхвысоких давлений», т. е. способа получения электрогидроимпульсного эффекта [5].
Существенный вклад в изучение и применение электрогидроимпульсной
технологии был внесен Институтом Импульсных Процессов и Технологий
НАН Украины, где впервые в мире был налажен серийный выпуск оборудования на основе использования электрического разряда для выполнения таких
технологических операций как штамповка и калибровка листовых и трубчатых
деталей, очистка литья [9, 37, 39].
1.2. Методы реализации электрогидроимпульсного эффекта
Как правило, реализация электрогидроимпульсного эффекта проводится
по следующей схеме (рис. 1.3).
R L
C
l
2a
K
Рис. 1.3. Схема электрогидроимпульсного эффекта
17
Накопитель, заряженный до напряжения
0
U
, схематично показан в виде
конденсатора С, сопротивление и индуктивность разрядного контура представлены сосредоточенными параметрами R и L. Коммутация накопителя осуществляется с помощью разрядника K.
Инициирования разряда при электрогидроимпульсном эффекте возможно
двумя методами: подводным искровым разрядом в жидкости и подводным
электрическим взрывом [12, 19, 94].
Подводный искровой разряд реализуется путем высоковольтного пробоя
жидкости, в которой образуется проводящий канал, а подводный электрический взрыв инициируется с помощью электровзрывной проволочки, которая
вначале соединяет электроды и взрывается после подачи импульса тока на последние. В результате последовательной цепи фазовых превращений металла
проволочки происходит пробой межэлектродного промежутка по продуктам
взрыва. В некоторых случаях функцию электровзрывной проволочки, берут на
себя струйки электролита, замыкающие межэлектродный промежуток.
При подводном искровом разряде и подводном электрическом взрыве
проводников общеприняты три основные стадии [19, 90]:
1. Стадия формирования токопроводящего канала, замыкающего меж-
электродный промежуток.
2. Канальная стадия (стадия ударной волны), характеризующая резким
возрастанием разрядного тока и быстрым выделением в канале электрической
энергии, начинается с момента замыкания водного промежутка каналом высокой проводимости. Малая площадь поперечного сечения канала вызывает в нем
повышенную плотность энергии и образование сложной газообразной системы — разрядной плазмы. Это приводит к нагреву вещества в канале разряда до
температур, составляющих десятки тысяч градусов, и повышению в нем давления до тысяч мегапаскаль. В результате наблюдается интенсивное расширение
разрядного канала со скоростями порядка сотен метров в секунду, формирование и распространение в рабочей среде импульсов сжатия. Скорость расширения канала разряда несколько превышает скорость распространения звука в
жидкости, и образующаяся волна сжатия превращается в ударную волну с крутым фронтом и большой амплитудой. Давление на фронте ударной волны
уменьшается по мере удаления от искры. Скорость распространения ударной
волны изменяется, начиная от сверхзвуковой. Ударная волна при распространении в жидкости способна совершать значительную механическую работу.
3. Послеразрядная стадия (стадия парогазовой полости) наступает после
окончания выделения электрической энергии в разрядном канале. Так как под-
18
вод электрической энергии окончен, расширение канала сопровождается падением давления и температуры плазмы, возникает более пологая волна давления,
которая создается за счет потенциальной энергии плазмы. Канал преобразуется
в парогазовую полость, расширение которой происходит до тех пор, пока давление в ней не станет меньше гидростатического давления окружающей жидкости. Парогазовая полость совершает несколько пульсаций, при которых
нарушается сферичность и происходит ее разрушение [19, 7].
Известны два механизма пробоя межэлектродного промежутка в жидкости под действием электрического напряжения (подводный искровой разряд),
возникающего на электродах при подключении к ним накопителя энергии: лидерный, соответствующий высоким напряжениям, и тепловой, протекающий
при низких напряжениях.
По исследованиям [16, 20], тепловой механизм разряда происходит при
удельной проводимости воды σ >> 10-6 Ом-1м-1 длительности воздействия
напряжения t > 10-6 с, лидерный процесс разряда имеет место при микросекундных импульсах напряжения, он имеет две стадии. В первой– от электрода
со скоростью 103–105 м/с развиваются первичные каналы, состоящие из слабоионизованной плазмы, имеющие большое сопротивление. При достижении
критической температуры у основания первичного канала, начинается вторая
стадия, при которой волны ионизации движутся по первичному каналу, преобразовывая его в высокопроводящий столб разряда — лидерный канал. Давление в канале возрастает до нескольких тысяч атмосфер, канал расширяется, ток
увеличивается.
Границу теплового и лидерного режимов можно представить зависимостью предельного межэлектродного промежутка от начального напряжения и
емкости. По данным [16]:
3
2
0
050 CU,l*=
, (1.11)
где l* — предельный межэлектродный промежуток;
U0 — начальное напряжение;
С — емкость накопителя.
Предельная величина межэлектродного промежутка l*, при котором происходит пробой, зависит от многих факторов: параметров цепи, проводимости
и температуры жидкости, формы, размера и материала электродов и т. д.
В случае если межэлектродный промежуток
*
ll
, возникает тепловой
пробой. При дальнейшем увеличении межэлектродного промежутка l или по-
19
нижении напряжения при l = const тепловой пробой разряда сменяется беспробойным разрядом: медленным стеканием заряда конденсатора.
Начало процесса при лидерном пробое имеет вид кистевой короны. Замыкание межэлектродного промежутка одним из лидеров приводит к завершению процесса образования канала разряда. При низких напряжениях или больших зазорах лидерный механизм пробоя сменяется тепловым.
Тепловой пробой является результатом нарушения теплового равновесия
в диэлектрике под действием электрического поля. Сначала, после включения
поля, жидкость нагревается ионными токами и вследствие развития перегревной неустойчивости происходит перераспределение температурного поля. Вода
и электродов paзогревается и испаряется. В результате между электродами образуется парогазовый мостик, по которому и происходит пробой межэлектродного промежутка. При этом наблюдается большая задержка пробоя, что зависит
от параметров электрической цепи и гидростатического давления (в отличие от
лидерного режима).
Подводный электрический взрыв проводников используется не только в
качестве инициатора разряда [45, 49], но и в качестве регулятора скорости ввода в разрядный промежуток энергии [32]. С помощью подводного электрического взрыва проводников обеспечивается кратковременность процесса инициирования по сравнению с длительностью самого разряда, стабильность разряда
при минимуме энергетических затрат [21, 54]. Схема реализации электрогидроимпульсного эффекта при подводном электрическом взрыве проводников: при
подаче напряжения на инициирующий проводник он мгновенно разрушается в
результате большой плотности тока. Из-за резкого увеличения сопротивления
ток падает до нуля, а все напряжение, практически равное напряжению заряда
конденсаторной батареи, прикладывается к разрядному промежутку, в котором
образовалась газовая дорожка из продуктов взрыва проводника. Далее при
расширении канала, образованного продуктами взрыва, под действием приложенного напряжения происходит пробой газового мостика, диаметр которого
мало отличается от диаметра лидера при инициировании разряда высоковольтным пробоем.
Если взрывающийся проводник имеет большее сечение, то в момент замыкания разрядной цепи к проволочке прикладывается напряжение, значение
которого зависит от соотношения между характеристическим сопротивлением
контура и начальным сопротивлением проводника. Ток разряда достигает десятков тысяч ампер, разогревает проводник, предопределяя его дальнейшие фазовые превращения. Разрушение проводника и рост сопротивления продуктов
20
взрыва сопровождаются выделением энергии. Возникает ударная ионизация и
последующий разряд. При этом скорость выделения энергии на разрядном
промежутке может значительно превышать скорость выделения энергии в разряде, сформированном высоковольтным пробоем или инициированным тонким
проводником. Таким образом, взрываемый проводник большого сечения является регулятором мощности, выделяемой в канале разряда энергии [31].
В зависимости от скорости подведения энергии различают четыре типа
взрыва проводников [17]:
1. Плавление. Для полного испарения проводника недостаточно подво-
димой энергии. Проводник не испаряется полностью, а распадается на отдельные фракции и электрическая цепь разрывается. Если ввести в рассмотрение
энергию нагревания и плавления проводника и энергию испарения, то:
RdtiECU
пол нi
+
0
22
2
1
, (1.12)
где Ei — энергия испарения;
по л н
i
— полный ток в цепи разряда;
R — эффективное сопротивления проводника, переменное в процессе
прохождения тока и нагревания.
2. Медленный взрыв. Время испарения проводника велико, по сравнению
с временем развития нестабильности в расплавленном проводнике.
3. Быстрый взрыв. Время испарения проводника мало по сравнению с
временем развития неустойчивости формы проводника. Характер взрыва столь
быстрый, что значительные изменения формы не успевают проявиться.
4. Взрывная абеляция (случай резкого поверхностного эффекта). Время
испарения мало по сравнению с электротермической временной постоянной,
т. е. с временем, необходимым для достижения температуры, равной точке кипения (r0/е), где r0 — первоначальный радиус проводника, е = 2,73. Развитие
взрыва определяется лишь испарением проводника в тонком слое, тогда, как
центральная часть проводника остается непрогретой.
Оптимальные размеры проводника, при которых достигается максимальное
силовое воздействие ударной волны, определяются как его свойствами, так и параметрами электрической цепи. Исследования в этой области проводились многими учеными ряда стран, в частности Аленичев и др. [1], Нагава и Ката [43].
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]