Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Томашевский Сергей Брониславович
ОЦЕНКА НАГРУЖЕННОСТИ ОСЕЙ КОЛЁСНЫХ ПАР ВАГОНОВ С УЧЁТОМ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ МЕХАНИЧЕСКИМ УПРОЧНЕНИЕМ
Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Брянск - 2012
Работа выполнена на кафедре Прикладная механика Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Брянский государственный технический университет.
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Сакало Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Волохов Григорий Михайлович кандидат технических наук, доцент Антипин Дмитрий Яковлевич Ведущая организация - ФГБОУ ВПО Московский государственный университет путей сообщения
Защита состоится л24 апреля 2012 г. в л14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.021.04 при Брянском государственном техническом университете (БГТУ) по адресу: 241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, ауд. л220.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Брянский государственный технический университет. Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Автореферат разослан л22 марта 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Эманов С.Л.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. В связи со сложными условиями эксплуатации осей колёсных пар целесообразно уделять особое внимание обеспечению их надёжной работы. На оси колёсных пар действуют переменные во времени вертикальные и горизонтальные силы, приводящие к развитию усталостных процессов в их материалах. Для повышения усталостной долговечности осей можно применять различные методы упрочнения поверхностных слоёв.
Одним из наиболее экономичных и результативных методов повышения сопротивления усталости является механическое упрочнение. Оно направлено на создание остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое. Необходимость механического упрочнения отражена в большом количестве нормативных документов по производству осей.
Методы оценки нагруженности осей, обусловленной статистическими распределениями действующих на них сил разработаны достаточно полно. Расчётные методы оценки нагруженности осей с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением, практически отсутствуют. Вследствие значительного интереса к этой теме со стороны производства отечественными (В.В. Иванов, В.М. Браславский, М.С. Дрозд, И.В. Кудрявцев, М.М. Матлин, В.М. Смелянский и др.) и зарубежными (A.J. Black, O.G. Horger, S. Kobayashi, S.A. Neagu-Ventzel, K. Rottger, M.S. Yung-Chang Yen и др.) исследователями выполнено большое количество научно-практических работ, в которых исследуется остаточное напряжённо-деформированное состояние (НДС) осей колёсных пар после упрочнения их поверхностей. Однако, несмотря на пристальное внимание к этой проблеме, её решение ещё далеко от завершения.
Как следствие этого, при эксплуатации имеются случаи усталостного излома осей, которые имеют значительные экономические последствия и являются угрозой безопасности движения на железнодорожном транспорте. Согласно, например, общедоступным статистическим данным в период с 1991 по 2000 год включительно в РФ каждый год в среднем случалось 0,000082 излома осей на 1 млн. ваг.-км.
Таким образом, в связи с чрезвычайной важностью для производства и эксплуатации железнодорожного подвижного состава, а также недостаточной проработкой с научной стороны данная тема является актуальной.
Целью работы является разработка расчётной методики определения нагруженности осей колёсных пар железнодорожного подвижного состава с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Для достижения поставленной цели при выполнении диссертационной работы решены следующие основные задачи.
1. Исследовано НДС оси и деталей буксового узла грузового вагона от эксплуатационных нагрузок с использованием конечноэлементных моделей.
2. Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхностном слое оси при его механическом упрочнении.
3. Выполнена программная реализация этой методики в виде специализированного программного комплекса.
4. Подтверждена работоспособность созданной методики путём сопоставления результатов работы программного комплекса с экспериментальными данными и известными численными и аналитическими решениями.
5. Исследованы распределения остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары РУ1Ш ГОСТ 31334-2007, вызванных механическим упрочнением.
6. Предложены подходы к оценке влияния свойств поверхностного слоя оси колёсной пары на её сопротивление усталостному разрушению.
Научная новизна проведённых исследований заключается в следующем:
1. Разработана уточнённая математическая модель оси колёсной пары и деталей буксового узла грузового вагона для расчёта напряжений от эксплуатационных нагрузок.
2. Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхностных слоях осей колёсных пар грузовых вагонов, возникающих при механическом упрочнении, с использованием конечноэлементных моделей.
3. С применением разработанной методики даны уточнённые оценки влияния режимов механического упрочнения на остаточное НДС поверхностного слоя оси колёсной пары.
4. Для оценки результатов, полученных с использованием разработанной методики, предложено применение функции распределения усталостной долговечности оси колёсной пары и коэффициента влияния упрочнения.
На защиту выносятся:
1. Уточнённая математическая модель оси колёсной пары и деталей буксового узла грузового вагона, учитывающая их контактное взаимодействие.
2. Расчётная методика определения остаточных напряжений в поверхностных слоях осей колёсных пар вагонов при механическом упрочнении.
3. Математические модели и результаты расчётов по оценке влияния режимов упрочнения на остаточные напряжения в поверхностном слое оси колёсной пары грузового вагона.
4. Методика и результаты расчётов нагруженности оси колёсной пары с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Разработанная методика оценки нагруженности осей может быть использована для повышения надёжности осей колёсных пар вагонов и локомотивов, продлению их срока службы.
2. Создан специализированный программный комплекс, ориентированный на определение остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением осей колёсных пар.
3. С использованием разработанного программного комплекса получены сведения о влиянии остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары грузового вагона на её прочность при переменных нагрузках.
4. Результаты исследований использованы при выполнении работ по гранту РФФИ 09-08-01236-а, а также при выполнении дипломных и курсовых работ в Брянском государственном техническом университете.
Методология и методы исследования. Для оценки нагруженности оси колёсной пары применены методы статистической механики, теории вероятностей и математической статистики.
При разработке методики для решения контактной задачи качения ролика вокруг оси использованы методы теории упругости и пластичности, вычислительной механики, конечных элементов, теории дифференциального и интегрального исчислений, аналитической геометрии, векторной и матричной алгебры, тензорного исчисления.
При создании программного комплекса использованы методы программирования на языке C++ в среде операционной системы Windows.
Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается результатами решений тестовых задач, которые сопоставлены со значениями, полученными методом конечных элементов (МКЭ) и методом граничных элементов (МГЭ) другими исследователями. Для апробации результатов использовались также аналитические решения. Кроме того проведено сопоставление результатов с данными эксперимента.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской молодёжной научнотехнической конференции Мавлютовские чтения (г. Уфа, 2007 г.), XVI Международной молодежной конференции Новые информационные технологии (Москва - Судак, 2008 г.), Международной научно-практической конференции Наука и производство - 2009 (г. Брянск, 2009 г.), научно-техническом семинаре Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа (г. Брянск, 2009), Международной научнотехнической конференции студентов и аспирантов Информационные технологии, энергетика и экономика (г. Смоленск, 2011 г.), III Международной научно-практической конференции Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании (г. Брянск, 2011 г.), ХVIII международной научно-технической конференции Машиностроение и техносфера ХХI века (г. Севастополь, 2011 г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в виде статей и тезисов докладов, в том числе 6 статей в журналах, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объём работы - 138 страниц машинописного текста, 66 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 119 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследований.
В первой главе даётся краткое описание конструкции осей колёсных пар, приводится обзор работ, посвящённых исследованию нагруженности осей с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Расчётные методы оценки нагруженности осей без учёта остаточных напряжений, хорошо разработаны в работах Дроздова Ю.Н., Когаева В.П., Серенсена С.В., Шнейдеровича Р.М. и др. В связи с большой сложностью определения остаточных напряжений нагруженность осей колёсных пар с их учётом изучена слабо.
Поэтому при обзоре существующих работ основное внимание уделено публикациям, посвящённым исследованию остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением осей.
Первоначально исследования поверхностного слоя осей при механическом упрочнении выполнялись главным образом экспериментальными методами.
Большой вклад в развитие этого направления исследований внесли В.М. Браславский, В.В. Иванов, И.В. Кудрявцев, С.Г. Хейфц, О.Г. Хорджер и др. Благодаря использованию экспериментальных методов исследования сделаны важные наблюдения, накоплен большой статистический материал. Не теряют своей актуальности экспериментальные исследования механического упрочнения осей и в настоящее время. Тем не менее, применение экспериментальных методов не всегда возможно, а зачастую неэффективно, в силу временны х, экономических и других ограничений.
С первой половины ХХ века совместно с проведением экспериментов начинаются попытки создания теоретических методов для исследования упрочнения осей наклёпом. Такие исследования ведутся по трём направлениям: механико-математическому, физическому и физико-химическому.
Несмотря на то, что в рамках физического и физико-химического направлений исследований выполнено большое количество работ (А.А. Бочвар, Н.Г. Колбасников, В.Д. Кузнецов, Н.С. Курнаков, Я.Б. Фридман и др.), на практике пока не удаётся отследить движение отдельных атомов и дислокаций. Поэтому использовать методы этих направлений для расчётов механического упрочнения реальных осей колёсных пар весьма проблематично.
Несомненно, более мощные инструменты для исследования упрочнения осей наклёпом предоставляет механико-математическое направление. Одной из первых работ в этом направлении является работа С.Г. Хейфца, в которой получена формула для аналитического определения глубины упрочнённого слоя.
Широкое признание получили работы И.В. Кудрявцева, М.С. Дрозда и М.М. Матлина, базирующиеся на использовании теории Герца, дополненной различными зависимостями, полученными на основе экспериментов, в которых исследовалось статическое внедрение одного тела в поверхность другого.
Своеобразная методика, использующая метод линий скольжения для исследования механического упрочнения разработана в трудах В.М. Смелянского.
Однако численные методы исследований предоставляют бо льшие возможности для раскрытия закономерностей формирования поверхностного слоя при упрочении осей колёсных пар, чем аналитические. Поэтому с появлением в конце ХХ - начале ХХI веков мощных вычислительных машин физикоматематическое направление характеризуется переходом от использования аналитических методов исследования к применению численных методов, преимущественно МКЭ.
На основе этого метода за рубежом разработаны мощные программные комплексы, такие как ABAQUS, ANSYS, DEFORM, NASTRAN и MARC, которые в принципе могут быть применены для исследования механического упрочнения осей колёсных пар. Но вследствие как теоретических, так и вычислительных сложностей, возникающих при решении контактной задачи качения с учётом физической нелинейности материалов взаимодействующих тел, даже с их использованием, работ, в которых выполняются исследования процесса механического упрочнения в трёхмерной постановке с учётом упругопластического деформирования материала оси колёсной пары, существует весьма ограниченное количество. Часто подобные задачи решаются с использованием грубых конечноэлементных моделей с введением большого количества упрощающих предположений и не обеспечивают приемлемой для инженерных исследований точности. Одними из немногих работ, в которых сделаны попытки решить подобную задачу в объёмной постановке являются диссертационные работы исследователей из США (Neagu-Ventzel, Yung-Chang Yen). Однако в названных работах анализировалась механика процесса упрочнения цилиндрической поверхности. Вопрос об исследовании механики процесса упрочнения применительно к конкретной детали - оси колёсной пары, остаётся открытым.
По результатам анализа существующих работ в этой области, сформулирована цель и задачи исследований, а также допущения, используемые в работе.
Вторая глава посвящена разработке методики определения остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары при её механическом упрочнении, обоснованию применяемых в методике численных методов, а также её программной реализации и тестированию.
Решение задачи моделирования процесса формирования поверхностного слоя оси колёсной пары при её механическом упрочнении состоит из решений трёх подзадач: контактной, упругопластической и задачи качения. Таким образом, применяя метод разделяй и властвуй путём объединения алгоритмов решения трёх этих подзадач получаем методику определения остаточных напряжений в поверхностном слое оси при упрочнении наклёпом.
Для решения контактной задачи в работе применен релаксационный алгоритм, базирующийся на использовании специального итерационного метода решения системы нелинейных уравнений МКЭ. Целесообразность применения в работе этого алгоритма обусловлена тем, что он позволяет решать контактные задачи с учётом физической нелинейности, трения между взаимодействующими телами, а также других особенностей. Релаксационный алгоритм решения контактной задачи опубликован в диссертационной работе Сакало В.И. в 1985 г. В настоящей работе выполнена модификация этого алгоритма для возможности его интеграции в методику решения контактной задачи качения, а также его программная реализация.
Учёт упругопластического деформирования введён в созданную методику моделирования НДС с использованием деформационной теории пластичности, предполагающей связь между тензорами деформаций и напряжений в виде:
3 i - = ( - ), ij ij 0 ij ij 2 i где - тензор напряжений; ij - тензор деформаций; ij - символ Кронеij кера; - среднее давление в точке; - средняя деформация в точке; - ин0 0 i тенсивность напряжений; - интенсивность деформаций; i, j = 1, 2, 3.
i При этом для определения НДС взаимодействующих тел применён метод переменных параметров упругости.
Наконец решение третьей подзадачи - задачи качения потребовало:
Х добавить возможность задания кинематики перемещения взаимодействующих тел;
Х усовершенствовать методику определения напряжений, деформаций и перемещений в связи с возможностью как активного (когда интенсивность напряжений возрастает, превышая все предыдущие её значения в рассматриваемой области тела), так и пассивного деформирования (когда интенсивность напряжений меньше хотя бы одного из предыдущих её значений) различных областей взаимодействующих в процессе качения тел.
С учётом этих усовершенствований решение задачи качения построено следующим образом. Сначала на текущем шаге дискретизации по времени к расчётной схеме прикладывается система внешних нагрузок R (рис. 1).
Таким образом, I. Нагружение II. Разгружение выполняется процесс нагружения R - внешняя нагрузка Q = -R расчётной схемы.
Решая упругопластическую контактАктивное тело Активное тело ную задачу, определяем перемещения Н uiН, деформации ij Контактные Н и напряжения давления ij при нагружении. Затем выполняется Пассивное Пассивное разгрузка. Для этого тело тело рассматривается некоторая фиктивная расчетная схема, Рис. 1. Схема моделирования i-го шага качения ролика вокруг значения свойств оси колёсной пары материала которой равны соответствующим значениям свойств материала до деформирования. К телам, ранее находившимся в контактном взаимодействии, прикладывается на их площадках контакта система сил, эквивалентная воздействию на каждое тело расчётной схемы остальных тел. Кроме этого в узлах расчётной схемы, в которых на этапе нагружения прикладывалась система сил R, теперь прикладываются силы Q = -R. Для фиктивной расчётной схемы выполняется решение статической неконтактной физически нелинейной задачи, таким образом, нахоP P дятся фиктивные перемещения uiP, деформации ij и напряжения . Результиij рующие остаточные перемещения, деформации и напряжения вычисляются с использованием следующих зависимостей:
uiN = uiN -1 + uiH + uiР ;
N N H Р ij = ij -1 + ij + ij ;
N N -1 H Р = + + ;
ij ij ij ij N N где uiN, ij, - перемещения, деформации и напряжения после разгрузки ij на текущем ( N -ом) шаге дискретизации по времени процесса движения; uiN -1, N -1 N -, - перемещения, деформации и напряжения на предыдущем ( N -1-ом) ij ij шаге дискретизации по времени процесса движения.
N N N После определения результирующих u, и выполняется перемещеi ij ij ние взаимодействующих тел в положение соответствующее N +1-ому шагу дискретизации по времени. Затем определяются перемещения, деформации и напряжения на этом шаге дискретизации процесса качения.
Предложенная методика моделирования процесса механического упрочнения осей колёсных пар программно реализована с использованием восьмиузловых конечных элементов в виде специализированного программного комплекса. Программная реализация изложенной методики тщательно протестирована.
Верификация программной реализации алгоритма решения контактной задачи выполнена путём сопоставления результатов численного расчёта с результатами аналитического решения контактной задачи на основе теории Герца.
Для тестирования программной реализации алгоритмов решения задач статики с учётом физической нелинейности материалов решена задача о растяжении пластины с отверстием и задача о воздействии абсолютно жёсткого штампа на деформируемый образец, а результаты этих решений сопоставлены со значениями, полученными МКЭ и МГЭ другими исследователями.
Завершающим этапом тестирования разработанной методики стало сравнение результатов математического моделирования упрочнения вала диаметром 58 мм из стали 45 с данными, полученными экспериментально с использованием метода делительных сеток.
На всех этапах апробации получены результаты моделирования, которые хорошо совпадают с известными аналитическими решениями, данными, полученными численно методами конечных и граничных элементов, а также экспериментальными данными.
Таким образом, удалось создать эффективный инструмент - программный комплекс, для исследования НДС осей колёсных пар, возникающего в процессе их механического упрочнения.
Третья глава посвящена моделированию НДС наиболее высоконагруженных участков оси колёсной пары с неупрочнённым поверхностным слоем (шейки, предподступичного и подступичного участков) в процессе эксплуатации.
Моделирование НДС оси колёсной пары выполнено с использованием МКЭ на основе конечноэлементной расчётной схемы (рис. 2). При этом учитывалось влияние на НДС оси контактных взаимодействий, имеющих место в системе колёсная пара - буксовый узел. Так как при эксплуатации наФрагмент оси Внешнее кольцо Корпус буксы подшипника Ролик подшипника Внутренние кольца подшипника Фрагмент колеса Рис. 2. Конечноэлементная модель системы колесная пара - буксовый узел пряжения в элементах рассматриваемой системы заведомо значительно меньше пределов текучести материалов соответствующих элементов системы, то решение контактной задачи выполнялось в упругой постановке.
В качестве колёсной пары в расчётах использовалась колёсная пара РУ1Ш - 950 ГОСТ 4835-80. Буксовый узел представлен типовой буксой грузового вагона с двухрядным коническим подшипником фирмы TIMKEN 130х250х60.
У оси колёсной пары моделировались только шейка, предподступичный и подступичный участки. Модель оси представлена её фрагментом длиной 591 мм, прилегающим к торцу. Фрагмент колеса, введённый в расчёт, отсечён цилиндрической поверхностью на достаточно удалённом от центра расстоянии - 189 мм. Буксовый узел смоделирован без существенных упрощений.
При создании геометрической модели учитывались зазоры и натяги, имеющие место между телами системы колёсная пара - буксовый узел:
Х радиальный натяг в соединении колеса и оси принят 0,0875 мм;
Х радиальный натяг внутреннего кольца подшипника на оси принят равным 0,045 мм;
Х радиальный зазор между роликом и внешним кольцом принят равным 0,027 мм;
Х радиальный зазор между корпусом буксы и внешним кольцом принят 0,052 мм.
На систему колёсная пара - буксовый узел действуют различные виды нагрузок. В настоящей работе учитывалось влияние основного силового фактора - вертикальной нагрузки. Учитывая симметрию расчётной схемы, при расчётах, выполненных в рамках этой главы, к соответствующему приливу на корпусе буксового узла прикладывалась равномерно распределённая нагрузка, равнодействующая которой равнялась 49,05 кН.
Конечноэлементная модель системы колёсная пара - буксовый узел включает в себя 28 контактирующих тел, содержит 413 365 узлов и 372 1восьмиузловых конечных элемента, 20 608 контактных узлов, расположенных на 31 поверхности контакта. При выполнении численного анализа такой расчётной схемы потребовалось решение системы 1 240 095 нелинейных уравнений. Для проведения расчётов применён программный комплекс, разработанный в главе 2.
В ходе выполнения расчётов получена полная информация о распределении напряжений в телах расчётной схемы, построены эпюры распределения давлений в областях контакта.
При анализе НДС оси колёсной пары установлено, что высокие напряжения возникают в подступичной части оси. Эти напряжения вызваны главным образом напрессовкой колеса на ось.
Высокие напряжения обнаружены при анализе галтельных участков оси.
Эти напряжения возникают преимущественно вследствие действия вертикального усилия, передающегося на ось через буксовый узел. Существенное влияние на напряжённое состояние галтельных участков оказывает посадка с натягом на ось колеса и подшипника буксового узла. Вследствие этого напряжения в верхних и нижних частях галтельных участков несимметричны.
Графики изменения первых главных напряжений на упомянутых выше галтельных участках по длине оси приведены на рис. 3. (а и б).
а) Галтель между подступичной и б) Галтель между предподступичной предподступичной частью оси частью оси и шейкой Рис. 3. Распределение напряжений на галтельных участках оси В окружном направлении напряжения на галтельных участках изменяются.
В верхней части оси они выше, нежели в нижней части. Упомянутые выше значения напряжений на галтелях приведены для верхней части оси. Внизу оси на галтельном переходе между предподуступичной частью оси и подступичной частью напряжения достигают -25,4 МПа, а на галтели между шейкой и предподступичной частью -41,47 МПа.
Рассчитанные в работе распределения напряжений и давлений существенно уточняют полученные ранее результаты. Они могут быть использованы при совершенствовании конструкций и способов изготовления деталей системы колёсная пара - буксовый узел, в том числе оси колёсной пары, элементов буксового узла, деталей роликового подшипника и др.
Сведениями о распределении напряжений в неупрочненной оси необходимо обладать по двум причинам. Во-первых, в случае если ось подвергалась механическому упрочнению, то эксплуатационные деформации и напряжения в оси можно рассчитать как сумму деформаций и напряжений, оставшихся после упрочнения, и деформаций и напряжений, которые возникают в аналогичной, но не подвергнутой упрочнению наклёпом оси, при приложении к ней эксплуатационной нагрузки. Во-вторых, на базе полученной информации для определения целесообразности упрочнения поверхностей осей колёсных пар могут быть проведены расчёты на усталость. В главе 5 результаты текущей главы найдут применение при оценке нагруженности оси колёсной пары.
В четвёртой главе методика, разработанная в главе 2, применена для исследования процесса формирования поверхностного слоя оси колёсной пары РУ1Ш-950 ГОСТ 4835-80 при её механическом упрочнении, оценки НДС поверхностного слоя оси в зависимости от режимов упрочнения.
Анализ процесса формирования поверхностного слоя выполнен для цилиндрического участка (шейки) оси диметром 130 мм. Для упрочнения оси использовался ролик диаметром 150 мм и профильным радиусом 19 мм. К узлам конечноэлементной схемы фрагмента ролика прикладывалась равномерно распределённая нагрузка, равнодействующая которой равнялась 19,62 кН. Качение ролика вокруг оси происходило последовательно по 17 дорожкам с осевой подачей ролика в поперечном направлении 0,7 мм/об. Вследствие того, что ось и ролик изготавливают из стали, модуль упругости и коэффициент Пуассона для всех элементов расчётной схемы приняты одинаковыми: E =21011 Па, =0,3.
Предел текучести стали ШХ15 ГОСТ 801-78, из которой изготавливают упрочняющие ролики, в соответствии с данными завода-изготовителя принят равным 2400 МПа. Упругопластические свойства материала оси колёсной пары получены в ходе настоящей работы с использованием диаграммы растяжения цилиндрического образца, вырезанного из натурной оси, прошедшей термообработку и отбракованной на заводе по геометрическим параметрам.
С использованием результатов моделирования процесса упрочнения шейки оси проанализировано изменение компонент деформаций и напряжений, формы площадки контакта ролика и оси, распределения давлений по ней в зависимости от расстояния, на которое перекатился ролик. Установлено, что НДС перестаёт значимо изменяться (рис. 4) после того, как ролик перекатился на расстояние, равное трёхкратной длине первоначального размера пятна контакта. В последующих расчётах длина дорожки качения принималась с запасом равной четырёхкратной длине первоначального пятна контакта.
По аналогичным соображениям выбиралось количество дорожек, по которым должен перекатиться ролик при качении с подачей, чтобы НДС оси соответствовало стационарной фазе процесса упрочнения.
Для оценки влияния усилия обработки на НДС упрочнённого слоя дополнительно выполнены расчёты упрочнения шейки при усилиях обработки 14,72 кН и 24,53 кН. Проанализировано влияние величины подачи ролика в интервале от 0,7 мм/об до 2,1 мм/об. Для оценки влияния геометрии ролика на свойства упрочнённого слоя оси проведены расчёты для роликов диаметром 100 и 200 мм с профильными радиусами 19 мм, а также для роликов диаметром 150 мм и профильными радиусами 10 и 30 мм.
в) а) б) Рис. 4. Распределение интенсивности остаточных напряжений на поверхности оси:
а - однократное воздействие ролика на ось; б -ролик перекатился на 12,6 мм (3 пятна контакта); в - ролик перекатился на 33,6 мм (8 пятен контакта); (МПа) На рис. 5 представлены графики изменения интенсивности остаточных деформаций и остаточных напряжений по глубине упрочнённого слоя для Z трёх рассмотренных значений усилия обработки. Как показано на рис. 5а, форма графиков изменения интенсивности деформаций для трёх значений усилия обработки остаётся постоянной. Максимальное значение интенсивность остаточных деформаций имеет место на поверхности оси. Для случая обработки при усилии на ролик 14,72 кН оно составляет 92,4410-3. Для случая обработки при усилии на ролик 24,53 кН максимальная интенсивность деформаций превышает значение при нагрузке 14,72 кН более чем в два раза, принимая значение 232,6110-3.
а) б) Рис. 5. Графики изменения интенсивности остаточных деформаций и остаточных напряжений в зависимости от расстояния до поверхности оси Z Особенно полезным оказывается анализ остаточных напряжений , предZ ставленных на рис. 5б. На поверхности оси, а также на небольшой глубине непосредственно под поверхностью, напряжения для трёх рассматриваемых Z вариантов упрочнения оси существенно отличаются. Для варианта нагрузки - 19,62 кН, а также для усилия 24,53 кН напряжения растягивающие Z 153,72 МПа и 628,76 МПа соответственно. Такие значения напряжений на поверхности оси оказывают неблагоприятное влияние на работоспособность оси в процессе эксплуатации. Они способствуют зарождению и росту усталостных трещин, могут привести, в том числе, и к разрушению оси. Более благоприятные значения напряжений получены при нагрузке на ролик 14,72 кН.
Z Кроме исследования параметров упрочнения цилиндрических участков оси выполнено моделирование обработки галтельных участков. В отличие от обработки цилиндрических участков упрочнение галтелей имеет дополнительную особенность. При обработке галтельных участков существенное влияние на результат упрочнения оказывает траектория движения ролика. Галтель можно упрочнять двумя способами снизу вверх и сверху вниз (рис. 6).
а) б) Рис. 6. Два варианта упрочнения галтельного перехода: а) снизу вверх; б) сверху вниз Исследование влияния траектории на свойства подповерхностного слоя оси колёсной пары выполнено на примере упрочнения галтели между шейкой и предподступичным участком оси колёсной пары. При моделировании процесса механического упрочнения галтельного перехода использовался ролик с поворачивающейся осью вращения диаметром 97 мм и профильным радиусом 2,5 мм. К узлам конечноэлементной схемы фрагмента ролика прикладывалась равномерно распределённая нагрузка, равнодействующая которой направленная по нормали к поверхности галтели равнялась 3,00 кН. Качение ролика по поверхности оси происходило последовательно по 20 дорожкам с осевой подачей в направлении, перпендикулярном направлению качения, 0,15 мм/об.
После проведения расчётов для двух вариантов траектории движения ролика проанализированы распредления компронент остаточных деформаций и напряжений в поверхностном слое оси колёсной пары. На рис. 7, например, приведено сопоставление графиков изменения остаточных напряжений по z глубине поверхностного слоя оси для двух вариантов упрочнения галтельного перхода.
Таким образом, на примерах решения конкретных прикладных задач показана высокая эффективность использования разработанной методики для исследования НДС поверхностного слоя осей колёсных пар. Полученные в этой главе результаты расчётов являются необходимой информацией для оценки нагруженности осей колёсных пар с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
В пятой главе изложена методика расчёта нагруженности оси колёсной пары, обусловленной эксплуатационными нагрузками и остаточными напряжениями, вызванными механическим упрочнением. В ней использован принцип наложения действия нагрузок, предполагающий, что эксплуатационные нагрузки не приводят к Рис. 7. Графики изменения интенсивности развитию пластических деформаостаточных деформаций в зависимости от ций в материале оси, вызванные расстояния до поверхности оси ими деформации являются упругими.
Правомерность такого допущения можно обосновать следующим. Остаточные напряжения от механического упрочнения дают среднюю составляющую цикла переменных напряжений в точках оси. Переменная составляющая обусловлена действием эксплуатационных нагрузок. По данным эксплуатации железнодорожного подвижного состава известно, что при таком виде нагружения оси колёсных пар работают в режиме многоцикловой усталости. При многоцикловой усталости усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании. Работа в условиях возникновения пластических деформаций характерна для малоцикловой усталости.
С учетом принципа наложения действия нагрузок методику определения нагруженности оси колёсной пары можно представить в виде четырех действий.
1. Определение усилий, действующих на систему колёсная пара - буксовый узел при различных режимах её эксплуатации, в зависимости от пройденного вагоном пути.
2. Нахождение зависимостей изменения напряжений в наиболее нагруженных точках оси. Предполагая, что возникающие при эксплуатации оси напряжения являются упругими, остаточные напряжения, вызванные механическим упрочнением, могут быть учтены путём их суммирования с напряжениями, рассчитанными для неупрочнённой оси.
3. Получение функций распределения амплитуд напряжений для каждого рассмотренного режима эксплуатации.
4. Построение смешанного блока нагружения оси колёсной пары, который характеризует её нагруженность с учётом вероятностей эксплуатации оси при различных режимах.
Основная трудность применения этой методики состоит в сложности определения остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением оси. Решение этой задачи подробно рассмотрено в главах 2 и 4. В настоящей главе показано, как представленная методика оценки нагруженности оси колёсной пары может быть использована для расчёта смешанного блока нагружения оси РУ1Ш ГОСТ 31334-2007 с неупрочнённым поверхностным слоем.
При расчете смешаного блока нагружения оси использовались сведения о действующих на буксовый узел вагона усилиях, полученные путём компьютерного моделирования динамики движения вагона модели 20-480 с двухоснысми тележками 18-100 в диссертационной работе Невмержицкой Г.В.
Для опредления напряжений действующих в оси при различных возможных усилиях, действующих на систему колёсная пара - буксовый узел, применена конечноэлементая модель, рассмотренная в главе 2.
В результате удалось расcчитать смешанный блок нагружения оси колёсной пары (рис. 8), который характеризует суммарное влияние различных режимов работы оси колёсной пары на её усталостную долговечность. При этом учитывались вероятности движения грузового вагона с раличными скоростями, а также то, что грузовой вагон может находится в гружёном состоянии с вероятностью 0,65, а в порожнем 0,35.
Наконец в завершающем разделе пятой главы предложены два возможных подхода к оценке долговечности осей колёсных пар с использованием данных об их нагруженности.
Первый способ предполагает вести расчёт Рис. 8. Смешанный блок нагружения точки на поверхности функции распределения оси колёсной пары, где ti - относительное число повторений усталостной долговечности оси с использованием смешанного блока нагружения, который построен с учётом напряжений, равных сумме остаточных напряжений в подповерхностном слое, вызванных механическим упрочнением, и напряжений, возникающих в неупрочненной оси колёсной пары в процессе эксплуатации. Второй способ расчёта функции распределения усталостной долговечности использует смешанный блок нагружения неупрочннёной оси колёсной пары (рис. 8), а упрочнение учитывается с применением коэффициента влияния упрочнения. Этот коэффициент можно рассчитать на основе взаимного расположения трёх эпюр:
остаточных напряжений, рабочих напряжений и механических свойств материла. Получение первых двух видов эпюр выполнено в главах 4 и 3 соответственно. В качестве эпюры механических свойств материала при определении коэффициента упрочнения обычно используют распределение твёрдости по глубине детали. Для получения такого распределения можно рекомендовать использовать экспериментальную зависимость между твёрдостью материала и интенсивностью остаточных напряжений, возникающих после упрочнения оси.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнен анализ существующих методов, посвящённых решению проблемы оценки нагруженности осей колёсных пар грузовых вагонов с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
2. Разработана эффективная методика определения остаточных напряжений в осях колёсных пар железнодорожного подвижного состава, вызванных механическим упрочнением, с использованием конечноэлементных моделей.
3. Разработанная методика реализована в виде специализированного программного комплекса, ориентированного на повышение надёжности осей колёсных пар вагонов и локомотивов, продлению их срока службы.
4. При верификации программной реализации разработанной методики моделирования, выполненном на ряде тестовых и прикладных задач, получено хорошее совпадение результатов расчётов с результатами, полученными численными методами другими исследователями, известными аналитическими решениями и данными эксперимента.
5. Исследовано напряженное состояние оси колёсной пары и деталей буксового узла грузового вагона, вызванное эксплуатационными нагрузками.
Для различных вариантов внешних нагрузок получены уточненные сведения о напряжённом состоянии оси колёсной пары. Подтверждено, что одной из наиболее нагруженных частей оси РУ1Ш ГОСТ 31334-2007 является галтельный переход между шейкой и предподступичным участком. Уже при вертикальной нагрузке на ось 100 кН в этой области достигнут уровень напряжений порядка предела выносливости неупрочненной оси 81,46 МПа.
6. Исследованы остаточные напряжения в поверхностном слое оси колёсной пары РУ1Ш ГОСТ 31334-2007, вызванные механическим упрочнением.
Даны качественные и количественные оценки влияния режимов упрочнения на остаточные напряжения в поверхностном слое оси, которые могут быть использованы при разработке рациональных конструкций осей и методов повышения их усталостной долговечности.
7. Разработана методика определения нагруженности осей колёсных пар железнодорожного подвижного состава с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением. Предложены несколько возможных подходов для использования данных о нагруженности осей грузовых вагонов для расчёта долговечности. Показана возможность оценки прочности оси при переменных нагрузках с применением функции распределения усталостной долговечности и коэффициента упрочнения.
8. В связи со схожестью физических процессов, протекающих при механическом упрочнении оси колёсной пары и качении железнодорожного колеса по рельсу, результаты настоящей работы могут найти применение и по этому направлению исследований.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.
Публикации в печатных изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Томашевский, С.Б. Колёсная пара - буксовый узел: модели напряжений / С.Б. Томашевский // Мир транспорта. - М., 2011. - Т. 34.- № 1. - С. 38-44.
2. Томашевский, С.Б. Численное моделирование упрочнения деталей машин поверхностным пластическим деформированием / С.Б. Томашевский // Наука и техника транспорта. - М., 2011. - № 2. - С. 60-68.
3. Томашевский, С.Б. Уточнение решения контактных задач на примере расчёта деталей железнодорожного транспорта / С.Б. Томашевский // Транспорт Урала. - Екатеринбург, 2011. - № 2. - С. 66-70.
4. Томашевский, С.Б. Создание трёхмерной конечно-элементной модели процесса упрочнения деталей поверхностным пластическим деформированием / С.Б. Томашевский // Вестник БГТУ. - Брянск, 2011. - № 2. - С. 55-61.
5. Томашевский, С.Б. Уточнение решения контактных задач / С.Б. Томашевский // Мир транспорта. - М., 2011. - Т. 36. - № 3. - С. 26-33.
6. Томашевский, С.Б. Влияние упругопластических деформаций на результаты расчёта контактных задач железнодорожного транспорта / С.Б. Томашевский // Вестник БГТУ. - Брянск, 2011. - № 3. - С. 17-24.
Публикации в прочих изданиях 7. Томашевский, С.Б. Математическое моделирование процессов упругопластического деформирования при качении твёрдых тел / С.Б. Томашевский // Наука и производство - 2009: Международная научнопрактическая конференция. - Брянск: БГТУ, 2009. - С. 50-52.
8. Томашевский, С.Б. Разработка трёхмерной конечноэлементной модели процесса упрочнения деталей машин поверхностным пластическим деформированием / С.Б. Томашевский, В.И. Сакало // Энергетика, Информатика, Инновации - 2011. - Смоленск: РИО филиала ГОУ ВПО МЭИ(ТУ) в г. Смоленске, 2011. - Т. 2. - С. 82-87.
9. Томашевский, С.Б. Компьютерное моделирование напряжённого состояния системы колёсная пара - буксовый узел грузового вагона / С.Б.
Томашевский, Г.В. Невмержицкая // Машиностроение и техносфера ХХI века // Сборник трудов ХVIII межд.науч.техн. конф. в г. Севастополе 1217 сентября 2011 г. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т.2. - C 247-251.
10. Томашевский, С.Б. Конечноэлементное моделирование процессов упрочнения деталей машин поверхностным пластическим деформированием / С.Б. Томашевский // Материалы III Межд. науч.-практ. конф. Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании. - Брянск: БГТУ, 2011. Ч. 1. - 268 с. - С. 14 - Томашевский Сергей Брониславович ОЦЕНКА НАГРУЖЕННОСТИ ОСЕЙ КОЛЁСНЫХ ПАР ВАГОНОВ С УЧЁТОМ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ, ВЫЗВАННЫХ МЕХАНИЧЕСКИМ УПРОЧНЕНИЕМ Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук ____________________________________________________________________ Подписано в печать 20.03.2012 г. Формат 6034 1/16.
Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. изд. л. 1,0.
Тираж 120 экз. Заказ. Бесплатно.
________________________________________________________________________________ Издательство Брянского государственного технического университета, 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7. Телефон (4832) 58-82-Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.
ВПО Брянский государственный технический университет, 241035, Россия, г. Брянск, полиграфии БГТУ, ул. Институтская 16.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям