Ссылочная нормативная документация

Объект расчета

Расчётно-экспериментальным исследованиям подвергался опытный образец вагона-платформы универсального для перевозки грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков, в том числе колесной техники, гусеничной техники, тарно-штучных и других грузов в соответствии с требованиями «Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. №ЦМ-943» и с Приложением 14 к СМГС «Правила размещения крепления грузов в вагонах и контейнерах», модели 13-401 прошедший модернизацию с продлением срока службы и присвоением нового обозначения модели 13‑6887 по проекту 1421.00.00.000Р.

Основные положения расчета

Расчет выполнялся в соответствии с основными положениями РД 24.050.37-95 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества» [1],и «Норм для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных)» [2] При этом принималось, что:

- усталостное повреждение или разрушение материала вагона происходит в основном при упругом деформировании, то есть расчет производился по критерию многоцикловой усталости;

- параметром, определяющим циклическую прочность, является коэффициент запаса сопротивления усталости;

- справедлива линейная гипотеза суммирования усталостных повреждений;

- накопление повреждений происходит при движении вагона в груженом состоянии;

- асимметрия цикла нагружения учитывалась не снижением предела выносливости материала, а увеличением амплитудных значений динамических напряжений путём приведения их к эквивалентному симметричному циклу, т.к. расчет производился для неустановившегося режима нагружения.

Исходные данные для расчета

В качестве исходных данных для расчета использовались параметры напряженно-деформированного состояния в контрольных точках конструкции вагона определяемые расчетно-экспериментальными методами, и механические свойства материала, определяемые по справочным данным [2].

Контрольные точки на основном металле вагона выбирались в зонах геометрических концентраторов напряжений, определённых на основании ранее полученных расчётно-экспериментальных данных от трех видов динамических нагрузок: колебаний вагона при движении (таблица 1); ремонтных работах (таблица 2); продольных ударах, действующих на вагон через автосцепку (таблица 3).

Расположение контрольных точек представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема наклейки тензорезисторов

Таблица 1 - Результаты испытаний по сбросу с клиньев

Кдв

Динамические напряжения в исследуемых точках, МПа

0,40

№1

№2

№3

№4

№5

№6

№7

№8

№10

№11

№12

№13

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

№14

№15

№16

№17

№18

№19

№20

№21

№22

№23

№24

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

-

+

Таблица 2 – Величины напряжений при ремонтных операциях

Статические напряжения при ремонтных операциях в исследуемых зонах, МПа
№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7	№8	№10	№11	№12	№13
	-64			-15		-23		-61			-9
№14	№15	№16	№17	№18	№19	№20	№21	№22	№23	№24
		-63				-40		-7	-15

Таблица 3 – Величины динамических напряжений при соударениях

Сила, МН	Скорость соударения, км/ч	Динамические напряжения в исследуемых зонах, МПа
№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7	№8
-	+		+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+
1,2	6,6
1,7	9,3
2,6	12,2
3,2	13,4
Сила, МН	Скорость соударения, км/ч	Динамические напряжения в исследуемых зонах, МПа
№10	№11	№12	№13	№14	№15	№16	№17
-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+
1,2	6,6
1,7	9,3
2,6	12,2
3,2	13,4
Сила, МН	Скорость соударения, км/ч	Динамические напряжения в исследуемых зонах, МПа
№18	№19	№20	№21	№22	№23	№24
-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+	-	+
1,2	6,6
1,7	9,3
2,6	12,2
3,2	13,4

Методика расчета

Методика расчета включала в себя:

- определение величины эквивалентной амплитуды напряжения для каждой контрольной точки опытного образца с учетом показателей эксплуатационной нагруженности;

- расчет предела выносливости по амплитуде для контрольной зоны;

- определение расчетного срока эксплуатации по допускаемому коэффициенту запаса сопротивления усталости, выбранному в зависимости от источника исходных данных.

Порядок расчета

Оценка нагруженности производилась экспериментальным путем с учетом нормативных показателей эксплуатационной нагруженности.

Нормативная функция распределения частот повторения продольных усилий, действующих на грузовой вагон через автосцепку, представлена в таблице 4. Нормативное количество циклов динамических напряжений от продольных сил, действующих на вагон через автосцепку за 1 год эксплуатации, составило = 20200 (согласно РД 24.050.37‑95 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества [1]) для вагонов, подлежащих роспуску с горок.

Таблица 4 - Нормативная плотность распределения продольных усилий, действующих на вагон через автосцепку

j	Диапазон усилий, МН	Частота повторения усилий в диапазоне (для вагонов, подлежащих роспуску с горок), РIj
	0,1 – 0,4	0,1258
	0,4 – 0,8	0,2852
	0,8 – 1,2	0,2802
	1,2 – 1,6	0,1832
	1,6 – 2,0	0,0772
	2,0 – 2,4	0,0359
	2,4 – 2,8	0,0208
	2,8 – 3,2	0,0023
	3,2 – 3,6	0,0003
	3,6 – 3,8	0,0001

Нормативная функция распределения частот повторения коэффициентов динамики принимается равной функции распределения скоростей движения вагона согласно «Норм…»[2] и представлена в таблице 5.

Таблица 5 - Нормативная плотность распределения скоростей

k	Средняя скорость интервала ,м/с	Среднее вероятное значение коэффициента динамики для скорости	Частота повторения скоростей в диапазоне, РIIk
	6,25	0,021	0,03
	13,75	0,046	0,07
	16,25	0,059	0,09
	18,75	0,077	0,12
	21,25	0,095	0,16
	23,75	0,113	0,19
	26,25	0,131	0,16
	28,75	0,149	0,10
	31,25	0,167	0,06
	33,75	0,185	0,02

Нормативное количество циклов динамических напряжений от вертикальной динамики кузова при движении вагона за 1 год эксплуатации, согласно «Норм…», определяется по формуле:

(1)

где		- центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений, Гц;
	а	- коэффициент, для кузова вагона а=1,4;
	g	- ускорение свободного падения g = 9,81 м/с2;
	fст	- статический прогиб рессорного подвешивания груженого вагона, м (0,05);
		- суммарное время действия динамических напряжений, вызванных колебаниями и вибрациями вагона при движении в груженом состоянии за 1 год эксплуатации;
		- среднесуточный груженый пробег вагона, км/сутки;
		- средняя техническая скорость движения вагона, м/с.

Среднесуточный груженый пробег вагона принимался равным 150 км/сут, а средняя техническая скорость движения 22,4 м/с.

Расчет производится для случая загрузки-разгрузки - 50 циклов, ремонтов - 3 цикла за 1 год эксплуатации.

Среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости , в контрольных зонах (см. таблицу 6) принималось согласно [2].

Оценка усталостной прочности производилась по коэффициенту запаса сопротивления усталости по формуле, согласно [2]:

(2)

где		- предел выносливости (по амплитуде) для контрольной зоны при симметричном цикле и установившемся режиме нагружения при базовом числе циклов ;
		- величина амплитуды динамического напряжения условного симметричного цикла, приведенная к базовому числу циклов N0, эквивалентная по повреждающему воздействию реальному режиму эксплуатационных напряжений за расчетный срок службы;
	[ n ]	- коэффициент запаса сопротивления усталости [ n ]=1,5.

Расчетное значение определялось по формуле:

(3)

где		- медианное значение предела выносливости контрольной зоны;
		- квантиль распределения , соответствующий односторонней вероятности 95 %, = 1,645;
		- коэффициент вариации предела выносливости материала.

Значение для материала элементов вагона, согласно [2].

Значение определялось по формуле:

(4)

где		- среднее (медианное) значение предела выносливости гладкого стандартного образца из материала (по ГОСТ 25.502) при симметричном цикле изгиба на базе No;
		- среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости в выбранной контрольной зоне по отношению к пределу выносливости гладкого стандартного образца.

Величины амплитуд динамических напряжений, полученные в результате натурного эксперимента, приводилась к эквивалентному симметричному циклу по следующей формуле:

= + ∙ (5)

где		- амплитуда динамического напряжения, приведённая к симметричному циклу, эквивалентная экспериментально полученному несимметричному;
		- амплитуда экспериментально полученного несимметричного цикла;
		- среднее напряжение цикла в контрольной зоне экспериментально полученного несимметричного цикла;

 

- значение предела временного сопротивления материала в контрольной зоне.

Искомая величина долговечности по критерию усталостной прочности для выбранной зоны определялась по следующей формуле:

(6)

где	m	- показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах. Для сварных конструкций из проката без упрочняющей обработки швов, согласно «Норм…», m = 4;
	Тк	- искомая величина расчетного срока эксплуатации;
	, ,	- числа циклов за 1 год эксплуатации для каждой из эксплуатационных нагрузок соответственно;
	, ,	- амплитуды динамических напряжений приведённые к симметричному циклу эквивалентные экспериментально полученным несимметричным для различных эксплуатационных нагрузок и их диапазонов;
	N0	- базовое число циклов.

В качестве расчетного срока эксплуатации принималась минимальная из величин Т_к для контрольных зон, Т_{к, min}.

Результаты расчета

Полученные результаты циклических долговечностей для каждой из исследуемых точек представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Полученные результаты циклических долговечностей

№ точки	Долговечность, года	n		№ точки	Долговечность, года	n
	1214,1	3,36	5,2		206,3	2,16	2,4
	1187,4	3,35	5,2		330,0	2,43	2,4
	1030,1	3,23	5,2		114,8	1,87	5,2
	256,4	2,28	5,2		55,6	1,56	5,2
	7490,7	5,30	5,2		176,4	2,08	2,4
	162,2	2,03	5,2		199,5	2,14	2,4
	434,5	2,60	5,2		3120,9	4,26	4,5
	46139,0	8,35	5,2		735,0	2,97	4,5
	49,6	1,51	5,2		135,3	1,94	1,7
	53,2	1,54	5,2		7974,4	5,39	1,7
	127,7	1,92	2,4		55,2	1,55	1,7
	92,2	1,77	2,4

 

Заключение

На основании полученных результатов можно сделать вывод, что циклическая долговечность вагона-платформы универсального для перевозки грузов, не требующих защиты от атмосферных осадков, в том числе колесной техники, гусеничной техники, тарно-штучных и других грузов в соответствии с требованиями «Технических условий размещения и крепления грузов в вагонах и контейнерах. №ЦМ-943» и с Приложением 14 к СМГС «Правила размещения крепления грузов в вагонах и контейнерах», модели 13-401, прошедшего модернизацию с продлением срока службы и присвоением нового обозначения модели 13‑6887 по проекту 1421.00.00.000Р, составляет для базовых элементов конструкции не менее 48 лет.

Ссылочная нормативная документация

1 РД 24.050.37‑95 «Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества.» ГосНИИВ, 1995 г., 102 с.

2 Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). – М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996 г., 317 с.