Волошин Д. І., Афанасенко І. М.

Українська державна академія залізничного транспорту

Оцінка довговічності тягового хомута автозчепу вантажного вагона від дії циклічного навантаження

Тяговий хомут автозчепу призначений для передачі повздовжніх зусиль, що виникають в потязі під час експлуатації, від корпуса автозчепу до поглинального апарату. Його раптове руйнування може привести до тяжких і важко передбачувальних з точки зору безпеки руху наслідкам.

Аналізуючи статистичні данні відчеплень вагонів інвентарного парку Укрзалізниці в поточний ремонт за 2007-2008 рр. помітне збільшення числа зламів тягових хомутів на 25%.

Одним із шляхів запобігання руйнуванню тягових хомутів є визначення їх довговічності з використанням критеріїв механіки руйнувань та розробка заходів по модернізації конструкції.

Під час експлуатації тягові хомути сприймають періодичні розтягувальні зусилля. При наявності дефектів матеріалу в ньому можуть виникати тріщини, які зростають під час циклічного навантаження. Оцінку довговічності тягового хомута автозчепу можна отримати методом статистичного моделювання.

Ріст тріщини являє собою процес, що розвивається у часі. В цьому випадку поведінка тріщини характеризується швидкістю її росту , де - число циклів навантаження.

Багатьма експериментальними дослідженнями встановлено, що швидкість росту тріщини залежить від розмаху коефіцієнта інтенсивності напружень . Ця залежність представлена в логарифмічних координатах і називається кінетичною діаграмою руйнування утоми.

Відомо декілька десятків залежностей, що аналітично описують кінетичну діаграму руйнування утоми. Найбільш часто використовується рівняння Паріса-Уолкіра, яке описує середню дільницю діаграми:

(1)

де - постійні матеріалу.

Оцінка довговічності складається з наступних етапів:

- визначення зусиль, що діють на тяговий хомут при випадкових навантаженнях;

- аналіз місця, форми і розмірів тріщин;

- дослідження напружено-деформованого стану тягового хомута;

- розрахунок коефіцієнтів інтенсивності напружень;

- визначення довговічності та критичного розміру тріщини.

Зусилля, що діють на тяговий хомут і число навантажень обирались згідно нормативів розрахунку і проектування вагонів колії 1520 мм.

Аналізуючи стан тягових хомутів на вагоноремонтних підприємствах Південної залізниці виявлено, що найбільш розповсюджені тріщини на тягових смугах.

Визначення нормальних напружень виконувалось за допомогою методу кінцевих елементів в програмному комплексі MSC Nastran. Розподіл еквівалентних напружень під дією розтягувального зусилля в 2,5МН представлено на рис. 1.

Рис. 1. Розподіл еквівалентних напружень від дії

розтягувального зусилля в 2,5МН

Для визначення залежності нормальних напружень від зусиль було виконано апроксимацію даних поліномом другого порядку у програмному комплексі MathCAD.

Під час руху на тяговий хомут діють розтягуючи сили, які носять випадковий характер.

Для моделювання випадкової дії сил прийнято гіпотезу про нормальний її розподіл з математичним очікуванням і середнім квадратичним відхиленням.

Корпус автозчепу і тяговий хомут виготовляються з литих сталей типу 20ГФЛ. Тому для них можна приблизно прийняти порогове значення інтенсивності напружень і циклічної в’язкості руйнування .

Попередніми дослідженнями установлено, що для литих деталей вантажного вагона параметри і рівняння (1) можна прийняти наступними , .

Для полоси з крайовою поперечною тріщиною, яка зазнає одноосне розтягнення, коефіцієнт інтенсивності напружень визначається як довідкова величина за формулою:

, (2)

де ,

тут - довжина тріщини, м;

- ширина полоси, за геометричними розмірами, м.

. (3)

Виходячи з вище приведених виразів, можна записати рівняння швидкості росту тріщини наступним чином:

. (4)

Розв’язуючи рівняння (4) методом Рунге-Кутта, знайдемо довжину тріщини.

Оскільки довжина тріщини на кожному циклі відома, можливо визначити, на якому циклі вона стане відповідною критичній довжині. Це число циклів і буде довговічністю тягового хомута.

Розрахунки довговічності і критичного розміру тріщин виконувались за допомогою програмного комплексу MathCAD.

Так як на тяговий хомут діють випадкові сили, критична довжина тріщини і довговічність теж є випадковими величинами. Тому для оцінки критичної довжини тріщини і довговічності слід використовувати статистичні характеристики.

Результат розрахунку для десяти випадків навантаження, при початковій довжині тріщини 0,003 м, наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

Значення критичних розмірів тріщини і довговічності тягового хомута при десяти випадках навантаження

Критичний розмір тріщини, м	Довговічність тягового хомута
0,01821	1,25365
0,01966	1,24082
0,02226	1,30015
0,01957	1,24613
0,02178	1,26563
0,01956	1,25441
0,02166	1,27301
0,02081	1,27272
0,01978	1,25033
0,02263	1,28549

Середнє значення критичної довжини тріщини  м.

Середнє квадратичне відхилення м.

Середнє значення довговічності циклів навантаження.

Середнє квадратичне відхилення довговічності циклів навантаження.

Таким чином, при початковій тріщині довжиною в 3 мм довговічність тягового хомута складає близько 125000 циклам навантаження, що складає приблизно 7 років експлуатації.

Довговічність тягового хомута залежить від початкової довжини тріщини (рис. 2).

Рис. 2. Залежність довговічності тягового хомута від розміру початкової тріщини

При збільшенні початкової довжини тріщини довговічність різко зменшується. Розрахунок показує, що при початковій довжині тріщини 8 мм довговічність становить циклів навантаження, а при 11 мм довговічність дорівнює (близько одного року).

Отримані результати оцінки довговічності можуть бути корисними при аналізі відмов, виборі матеріалу, удосконаленні методів діагностики і технології ремонту тягового хомута автозчепу, а також удосконаленні конструкції.