ОГЛАВЛЕНИЕ
+ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ............................................... 5
ВВЕДЕНИЕ....................................................... 6
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ................. 9
1.1. Основные положения, допущения, термины и определения 9
1.2. Особенности строения несущих металлоконструкций тягового подвижного состава и технология их изготовления.......... 14
^ 1.3. Оценка остаточного ресурса несущих металлоконструкций
тягового подвижного состава........................... 18
1.4. Актуальность проблемы остаточной прочности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава........... 21
1.5. Постановка задач, научная и практическая направленность излагаемого метода исследования........................... 25
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА..................................... 27
2.1. Традиционный метод расчета сопротивления усталости несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
по номинальным напряжениям............................. 29
2.2. Локально-деформационный подход к расчету усталостной долговечности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава........................................ 36
2.3. Оценка периода живучести несущих металлоконструкций тягового подвижного состава с позиций механики разрушения.... 47
2.4. Критериальный подход к оценке характеристик прочности
Ь ~
несущих металлоконструкции тягового подвижного состава 52
2.4.1. Гипотеза разрушения Писаренко - Лебедева при сложном
напряженном состоянии............................. 54
^ 2.4.2. Гипотеза хрупкого разрушения по величине критического
номинального напряжения в плоскости развития трещины 61
2.5. Применение методов математической теории катастроф к анализу устойчивости процесса повреждаемости конструкционной стали...................................... 62
2.6. Выводы по главе...................................... 72
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ РЕСУРСА НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО
* ПОДВИЖНОГО СОСТАВА........................................... 74
3.1. Разрушающие методы испытаний натурных несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
и их элементов на сопротивление усталости.............. 75
3.2. Неразрушающие методы исследования несущих металлоконструкций тягового подвижного состава............ 81
3.3. Методические аспекты исследования и моделирования нагруженности несущих металлоконструкций тягового подвижного состава......................................... 87
3.4. Выводы по главе...................................... 98
^ ГЛАВА 4. УСТОЙЧИВОСТЬ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЧНОСТИ
КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА................................. 101
4.1. Анализ характеристик прочности сталей используемых для изготовления несущих металлоконструкций подвижного состава 101
4.2. Устойчивость характеристик прочности конструкционных
сталей во времени..................................... 112
* 4.3.Выводы по главе........................................ 122
ГЛАВА 5. ОБОСНОВАНИЕ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО
« ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.......................................... 123
5.1. Экспериментальный анализ предельного состояния по потере несущей способности сварных элементов несущих металлоконструкций рам тележек....................... 124
5.2. Численные исследования предельного состояния шкворневого
узла главной рамы тепловоза....................... 133
5.3. Выводы по главе.................................. 145
ГЛАВА 6. РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
* МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ УНИФИЦИРОВАННОЙ ЧЕЛЮСТНОЙ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ТЕПЛОВОЗОВ...................... 146
6.1. Анализ напряженно-деформированного состояния металлоконструкции унифицированной челюстной рамы
тележки тепловоза................................. 146
6.2. Детерминированная оценка остаточного ресурса металлоконструкции унифицированной челюстной рамы
тележки тепловоза................................. 157
6.3. Вероятностная оценка остаточного ресурса металлоконструкции унифицированной челюстной рамы тележки тепловоза..... 163
^ 6.4. Выводы по главе................................... 171
ГЛАВА 7. ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ И
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ............................. 174
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ............................ 177
ЛИТЕРАТУРА.............................................. 179
ПРИЛОЖЕНИЕ.............................................. 196
*
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
5, о — номинальные и локальные напряжения соответственно; су яI - амплитудное значение напряжений цикла (по кривой усталости и
режиму эксплуатационной нагруженности соответственно);
Ы, - число циклов нагружений по кривой усталости; п1 - число циклов эксплуатационных нагружений; ат(со) - среднее напряжение цикла; ст./ - предел выносливости гладкого стандартного образца; ст.1(1 — предел выносливости детали (либо образца с подобным детали концентратором);
К - коэффициент асимметрии цикла;
Са - амплитудное значение деформаций цикла;
Ае - размах деформаций;
о'/, е'/, Ь, с- постоянные (константы) кривой усталости материала при жестком нагружении;
К кп к£ - коэффициенты концентрации: теоретический в упругой области, напряжений и деформаций в упругопластической области соответственно; АК-изменение коэффициента интенсивности напряжений;
К^, К/с - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений и циклическая вязкость разрушения;
с, п - постоянные (константы) материала кинетического уравнения роста трещины;
(о, £кр - минимальная и максимальная длины трещины;
Д. - доля поврежденности;
I, - ресурс в годах эксплуатации.
ВВЕДЕНИЕ
В транспортной системе России железные дороги исторически занимают ведущее место. Работа железных дорог и, прежде всего, её основной показатель - объём перевозок, являются интегральной характеристикой состояния экономики страны в целом.
В связи со снижением объемов грузовых и пассажирских перевозок наметившихся после 1988 года на железных дорогах к 1996 году оказались невостребованными: 58,7 % грузовых вагонов, 33,5 % магистральных грузовых электровозов, 26,4 % магистральных и 8,3 % маневровых тепловозов [84]. Избыток грузового и тягового подвижного состава сохранялся до 1999 года, но вместе с тем происходило его естественное сокращение из-за выбытия по назначенному сроку службы. В парке локомотивов интенсивно нарастало количество техники, эксплуатируемой с превышением назначенного срока службы. На настоящий момент в эксплуатации находится 37 % пассажирских и 27 % грузовых локомотивов, у которых срок службы превышает назначенный [84,129].
В целом состояние подвижного состава железных дорог приходит к критическому уровню. Непринятие срочных незамедлительных мер приведет к тому, что к 2010 году выработают назначенный срок службы: 58 % вагонов; 71,5 % электропоездов постоянного тока, 39,8 % электропоездов переменного тока; 93,0 % магистральных тепловозов и 71,4 % маневровых тепловозов. До 2005 года планируется списание около 5000 пассажирских вагонов локомотивной тяги старше 28 лет службы, то есть около 20 % парка.
При эксплуатации подвижного состава сверх назначенного срока службы существенно ухудшаются показатели безопасности и экономической эффективности, растет ресурсо- и энергоемкость перевозок. В перспективе возникает ряд проблем: с одной стороны - резкое повышение расходов на эксплуатацию устаревшего подвижного состава, а, следовательно, и тарифов, с другой стороны - невозможность осуществлять перевозки из-за физического отсутствия грузового и пассажирского подвижного состава. И то и другое совершенно недо-
пустимо, так как приведет к прекращению не только поступательного развития экономики страны, но и затруднит ее функционирование вообще.
Указанные обстоятельства усугубляются ещё и тем, что с 1999 года началось увеличение объемов перевозок и к 2003 году они выросли более чем на 18 %. На основании данных технико-экономических исследований (ТЭИ) института «Гипротранс» определена потребная численность парка локомотивов до 2010 года [129]. При сопоставлении с имеющимся в наличии количеством следует отметить, что уже сегодня образовался существенный дефицит (более 50 %) пассажирских и грузовых локомотивов.
Здесь следует отметить, что назначенный срок службы (нормативный) -величина, прежде всего, экономическая, обеспечиваемая достигнутым уровнем проектирования и поддержания жизненного цикла машины - конструкции [129]. Техническое состояние локомотивов, исчерпавших этот срок, в большинстве случаев позволяет оставаться им в эксплуатации при условии поддержания исправности подвижного состава соответствующей системой ремонта. Однако при современном уровне развития локомотивостроения имеющийся на сегодня отечественный парк электровозов и тепловозов морально устарел и отвечает техническим требованиям лишь сорокалетней давности.
Чтобы привести численность парка и его рабочие параметры в соответствие с прогнозируемым объёмом перевозок, требованиям безопасности движения и энергоэкономичности, необходимо принять неотложные меры по оздоровлению парка и его обновлению. При ограниченных инвестиционных возможностях полная замена имеющегося парка на локомотивы нового поколения до 2010 г. нереальна. Поэтому в данный период целесообразно наряду с постепенным обновлением парка за счёт поставок новых локомотивов продлить срок службы части парка выполнением капитальных ремонтов, в том числе с модернизацией (КРП) [84,129].
Изложенная постановка хозяйственной проблемы подразумевает под собой её обязательное научное сопровождение в виде решения конкретных задач по оценке величины возможного продления назначенного срока службы (оста-
точного ресурса) и технологических мер его обеспечения в процессе проведения капитального ремонта. Это направление научных исследований приобретает особую значимость с учетом устойчивой тенденции к организации ремонта и технического обслуживания объектов по текущему состоянию.
Результатом постановки проблемы по продлению назначенного срока службы несущих металлоконструкций подвижного состава явилась формулировка ряда задач, решение которых позволило достичь необходимой цели.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- обоснован усредненный эквивалентный режим нагружения маневрового тепловоза для условий горочной эксплуатации, а также получен эквивалентный спектр нагруженности, с использованием ограничений по величине минимальных амплитуд напряжений;
- предложен и обоснован метод назначения критерия предельного состояния несущих, рамных, коробчатых конструкций тягового подвижного состава;
- предложена и апробирована линейная гипотеза суммирования повреждений на этапе роста трещины в несущих металлоконструкциях тягового подвижного состава;
- предложена и апробирована методика оценки устойчивости характеристик прочности конструкционных сталей, применяемых для изготовления несущих металлоконструкций тягового подвижного состава, во времени с использованием моделей теории катастроф и критериев механики разрушения;
- разработана и апробирована детерминировано-вероятностная методика оценки остаточного ресурса металлоконструкций тягового подвижного состава на базе локально-деформационного подхода и статистического моделирования ситуаций по алгоритму метода Монте-Карло;
- осуществлена оценка остаточного ресурса металлоконструкции унифицированной челюстной рамы тележки и шкворневого узла главной рамы тепловозов типа ТЭМ2, которая подтвердила возможность продления их срока службы на 15 лет.
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЙ ТЯГОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ
Актуальность решения проблемы продления назначенного срока службы несущих металлоконструкций подвижного состава, с хозяйственной стороны, в значительной мере раскрыта во введении. Её техническое решение заключается в научном обосновании безопасной эксплуатации транспортного средства на вновь продлённом сроке его использования. Является очевидным, что безопасная эксплуатация транспортного средства будет ограничиваться остаточной прочностью деталей, узлов и конструкций, её определяющих. В отношении конкретных деталей и узлов это решается за счёт оперативной диагностики и своевременного ремонта или замены. Применительно к несущим металлоконструкциям такой подход неприемлем ввиду дороговизны ремонтновосстановительных работ. Поэтому металлоконструкции должны выполнять свои функции в пределах продленного срока службы без существенных повреждений, приводящих к нештатным эксплуатационным ситуациям.
1.1. Основные положения, допущения, термины и определения
В данной работе под механической прочностью металлоконструкции заданных форм и размеров, изготовленной из определённого материала, понимаются все, что связанно с обеспечением механической целостности и её функциональной предназначенности в необходимых временных рамках и эксплуатационных условиях [126].
Сопротивление материалов разрушению рассматривается как совокупность физических процессов, протекающих в них под воздействием нагрузки при её статическом и динамическом приложении.
При широкой трактовке термина «разрушение» в значительной мере внимание будет уделяться усталостному (рис. 1.1), как наиболее критическому с точки зрения безопасной эксплуатации металлоконструкций подвижного соста-
ва [82, 126]. Это связано с тем, что все другие виды разрушения, например износ, могут быть оперативно выявлены и устранены методами отработанных технологий ремонта, либо являются следствием грубейшего нарушения правил технической эксплуатации (рис. 1.2) [21, 134].
Рис. 1.1. Вид повреждения усталостной трещиной боковины челюстной
рамы тележки (1968г. изготовления) тепловоза типа ТЭМ2 в зоне стыкового сварного шва (изображение повёрнуто): а) трещина до разделки; б) после разделки шва под заварку
Рис. 1.2. Вид повреждения концевой части главной рамы тепловоза ее изгибом: а) с локализацией изгиба возле наружных опор тележки; б) вследствие превышения скорости подхода к составу
Обычно выделяют две стадии разрушения [79, 128, 150]:
1) Усталостное повреждение - результат конкуренции в металле физических процессов, направленных на образование и аннигиляцию вакансий, дислокаций, диффузионных явлений, изменения межзёренных границ и других, протекающих в поле напряжений, обусловленных приложенной нагрузкой. Конечным результатом взаимодействия указанных процессов является зарождение инструментально-обнаруживаемой усталостной трещины.
2) Живучесть - сопротивление металлоконструкции развитию усталостной трещины до потери несущей способности.
За инструментапьно-обнаруживаемую усталостную трещину принимается её величина равная 1мм. Проблема физически коротких трещин в данной работе не рассматривается и не обсуждается.
Усталостная повреждаемость не может быть однозначно описана в рамках модели сплошной среды, поскольку процессы, её определяющие, протекают на атомарном - кристаллическом уровнях (модель дискретной среды). Это влечёт за собой широкое использование всевозможных эмпирических подходов, зависимостей и коэффициентов, являющихся настоящей справочной и нормативной базой. Отсюда вытекает необходимое условие для возможных новых подходов к анализу прочности материалов - они должны органически включать в себя нормативный и эмпирический базис, накопленный к концу XX века.
В этой связи следует выделить два перспективных направления поиска новых подходов к решению актуальных задач прочности материалов и конструкций:
1) создание альтернативных моделей на базе новых разделов математики;
2) более широкое использование критериального подхода (критерии прочности; теории прочности; механические теории предельного состояния) к оценке всех аспектов прочности материалов и этапов разрушения конструкций.
Предпосылками для выделенных направлений исследований являются:
а) новые разделы математики, возникшие во второй половине XX века (теория нечётких множеств; теория катастроф; теория странных аттракторов; кластерный анализ и др. [3, 13, 120,121]);
б) современные программные средства анализа напряжённо-деформированного состояния конструкций (ЫА8Т11АЫ; САТ1А; АЫ818 и др.), которые позволяют выявлять и оценивать уровень сложности её локальных зон
Несущая способность металлоконструкции ограничивается их предельным состоянием, после чего эксплуатация конструкции становится небезопасной по причине возможного её хрупкого разрушения от развивающейся трещины в диапазоне воздействия эксплуатационных, климатических температур.
Предельное состояние конструкции определяется по максимально допустимой длине усталостной трещины (1^), которая должна удовлетворять условию [54,55, 126]:
о-1)
где [£Пр]-назначенный, с некоторым запасом, критерий предельного состояния металлоконструкции по длине трещины из соображений безопасной эксплуатации.
Анализ процессов усталостного повреждения рассматривается в рамках термодинамической аналогии в детерминировано-вероятностной постановке, с учётом факторов, влияющих на скорость ее протекания [14, 127, 128, 141, 142]. При этом на стадии качественной оценки используется детерминированный подход, а на стадии оценки конечной величины (ресурса, например) используется вероятностный подход на базе метода статистического моделирования ситуаций (Монте-Карло).
К факторам, определяющим усталостное повреждение относятся:
1) конструкционные; 2) технологические; 3) эксплуатационные.
Первая группа факторов является определяющей для размеров сечений, толщин, организации узлов сопряжения пересекающихся элементов металлоконструкции. С точки зрения анализа напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкции они являются глобальными факторами (охватывающими все сечения и узлы). Обобщенным показателем прочности, характеризующим качественно конструкционные факторы, является вид напряженного состояния [127].
Основным способом соединения при сборке металлоконструкций подвижного состава является сварка. Поэтому к технологическим факторам относится анизотропия свойств металла зоны сварного шва. Следует отметить, что
13
технологические факторы являются локальными и, в соответствии с принципом Сен-Венана, распространяются на область сварного шва и зону его термическо-Ь го влияния [161].
К эксплуатационным факторам относятся: климатические, из которых выделяют диапазон температур 213-323 К; режимы работы, движения и состояния пути, определяющие повреждаемость конструкции вследствие усталости металла, а также ее живучесть на этапе подрастания трещины [104, 105, 106, 119,148].
Предполагается, что трещина стартует всегда с поверхности металла (например, с внутренней поверхности поры), по определенной схеме, приведенной • нарис. 1.3.
Рис. 1.3. Схема зарождения усталостной трещины: а) на основе представлений о интрузиях и экструзиях, 6) ее формирование при циклическом нагружении на границе кристаллитов
При изложении данной работы автор старался придерживаться терминологической базы приведённой в ГОСТ [35 - 42].
I
1.2. Особенности строения несущих металлоконструкций тягового подвижного состава и технологии их изготовления
Металлоконструкции подвижного состава строятся из стандартного проката малоуглеродистых, низколегированных сталей и собираются путем дуговой сварки плавящимся электродом. В зависимости от функционального назначения они могут иметь форму рам (рама тележки (рис. 1.4), главная рама тепловоза, вагона), ферм (несущий кузов), пластин и оболочек, подкреплённых гофрированными панелями. Кабины, как правило, имеют несущий стержневой каркас, облицованный изогнутыми формованными пластинами. Поперечные сечения перечисленных металлоконструкций могут быть открытыми и закрытыми (рис. 1.5), подкреплёнными приварными диафрагмами и кронштейнами. Кронштейны крепления навесного оборудования и агрегатов изготавливаются путем литья из среднеуглеродистых сталей.
Металлоконструкции подвижного состава проектируются и испытываются на соответствие отраслевым нормам прочности, изготавливаются и принимаются на соответствие проектной документации и техническим условиям по качеству сварки [116, 159]. При контроле качества сварных швов широко используются методы неразрушающей дефектоскопии (гигроскопические жидкости, ультразвуковое сканирование, рентгенография и др.). Тем не менее, как показывает практика, до 25 % готовых изделий поступает в эксплуатацию с дефектами сварных швов, превышающими допустимые значения [138, 158].
Дефекты сварных швов, в зависимости от их локализации в металлоконструкции могут в последующем стать источником зарождения усталостных трещин.
С целью анализа возможного влияния дефектов сварки, была проведена их систематизация, представленная на рис. 1.6, а также величины вызываемой ими теоретической концентрации напряжений сведенных в табл. 1.1.
На рис. 1.7 представлены фотографии наиболее типичных дефектов сварных швов непровара (до 7%) и пор (до 12%) из общего количества контролируемой выборки [72].
15
Рис. 1.4. Челюстная рама тележки тепловоза типа ТЭМ2 (выделены зоны наиболее опасные по зарождению усталостных трещин [176])
*
Непрерывный
шов
Пол клал ка
Непрерывный
шов
!
; л я
Ч'іпл Ху'іГ
Сжатый пояс
а б
Рис. 1.5. Типичные поперечные сечения рамных металлоконструкций подвижного состава из прокатных элементов (а) и листов (б)
(2) Непровар в угловом шве
(4) Подрез
(5) Остановка (начало) шва
(3) Пористость
Рис. 1.6. Схема дефектов сварных соединений
Таблица 1.1
Величины теоретического коэффициента концентрации напряжений (А,) в зависимости от вида дефекта по рис. 1.6 и их предельные размеры по техническим условиям (ТУ) и библиографическим источникам (БИ)
Вид дефекта 1 2 3 4 5 6
А, 1,2-3,0 1,5-8,0 2,5-5,0 1,35-4,0 1,2-1,5 1,2-3,0
По ТУ и БИ, мм ндп, [138,158] [162] [138,158] [138,159] ндп, [138,158] [138, 158]
НДП - недопустимый дефект по ТУ [159]
17
Следует отметить также, что сварной шов и зона его термического влияния (рис. 1.8), характеризуются существенной анизотропией прочностных % свойств, которую необходимо учитывать при проектировании конструкции и оценке её ресурса, включая остаточный. В частности, при проектировании ответственных сварных конструкций атомных электростанций и в нефтехимии их анализ ведут с учетом допущения, что уже первые циклы нагрузки вызовут локальную пластическую деформацию в зоне дефектов шва по типу, приведенному на рис. 1.7, б [43,128].
Обрсиец М
а
в г
Рис. 1.7. Виды дефектов сварных швов: а - непровар и скопление трубчатых пор; б - форма окончания непровара в корне стыкового шва (эскиз с микрошлифа); виг- поры трубчатые и червячные соответственно
Рис. 1.8. Схема зоны термического влияния (ЗТВ) сварного шва по участкам: 7 - участок перегрева; 2 и 3 - полной и частичной перекристаллизации; 4 -
старения; 5 - участок основного металла
1.3. Оценка остаточного ресурса несущих металлоконструкций тягового подвижного состава
I Оценка остаточной прочности металлоконструкций не относится к чирлу
/
принципиально новых научных и инженерных задач. Ее концептуальные и методические формулировки обозначены в работах [15, 18, 97, 98]. Однако в последнее время она приобрела особую значимость. Это обусловлено, прежде всего экономическими причинами [8, 129]. В связи с этими обстоятельствами в России в последние годы проводятся широкие исследования остаточного ресурса потенциально опасных объектов, которые охватывают научные, нормативно-методические и инженерные аспекты [56, 57, 61, 63, 64, 83, 86, 88, 89,90, 97, 99, 101, 102, 103, 108]. Достигнутые научные и практические результаты требуют определенных обобщений для формулировки направлений дальнейших исследований.
Обзор отмеченных работ показывает, что в большинстве случаев в этих исследованиях рассматривается общая задача оценки и прогнозирования ресурса конструкций на базе анализа кинетики повреждений. По современным представлениям, повреждения обусловлены зарождением и ростом трещин. Причем стадия образования трещины может быть ограничена первыми циклами нагружения [128]. Ресурс при этом оценивается как время накопления повреждений до достижения условия предельного состояния по заданному критерию разру-| шения. Специальные уточнения расчетной оценки остаточного ресурса по указанной схеме обычно не делаются. Выявленные при диагностике дефекты рас-
- Київ+380960830922