Оценка нагруженности осей колёсных пар вагонов с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением
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 госу дарственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессио нального образования «Брянский государственный технический университет».
доктор технических наук, профессор Научный руководитель Сакало Владимир Иванович
Официальные оппоненты: доктор технических наук Волохов Григорий Михайлович кандидат технических наук, доцент Антипин Дмитрий Яковлевич ФГБОУ ВПО «Московский государственный Ведущая организация университет путей сообщения»
Защита состоится «24» апреля 2012 г. в «14-00» часов на заседании диссер тационного совета Д 212.021.04 при Брянском государственном техническом университете (БГТУ) по адресу: 241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, ауд. «220».
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 ад рес диссертационного совета.
Автореферат разослан «22» 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 экс плуатации осей колёсных пар целесообразно уделять особое внимание обеспе чению их надёжной работы. На оси колёсных пар действуют переменные во времени вертикальные и горизонтальные силы, приводящие к развитию устало стных процессов в их материалах. Для повышения усталостной долговечности осей можно применять различные методы упрочнения поверхностных слоёв.
Одним из наиболее экономичных и результативных методов повышения сопро тивления усталости является механическое упрочнение. Оно направлено на создание остаточных сжимающих напряжений в поверхностном слое. Необхо димость механического упрочнения отражена в большом количестве норматив ных документов по производству осей.
Методы оценки нагруженности осей, обусловленной статистическими рас пределениями действующих на них сил разработаны достаточно полно. Расчёт ные методы оценки нагруженности осей с учётом остаточных напряжений, вы званных 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 иссле дуется остаточное напряжённо-деформированное состояние (НДС) осей колёс ных 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 из лома осей, которые имеют значительные экономические последствия и являют ся 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 на груженности осей колёсных пар железнодорожного подвижного состава с учё том остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Для достижения поставленной цели при выполнении диссертационной ра боты решены следующие основные задачи.
1. Исследовано НДС оси и деталей буксового узла грузового вагона от экс плуатационных нагрузок с использованием конечноэлементных моделей.
2. Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхност ном слое оси при его механическом упрочнении.
3. Выполнена программная реализация этой методики в виде специализиро ванного программного комплекса.
4. Подтверждена работоспособность созданной методики путём сопоставле ния 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 механиче ским 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 дета лей буксового узла грузового вагона для расчёта напряжений от эксплуата ционных нагрузок.
2. Разработана методика определения остаточных напряжений в поверхност ных слоях осей колёсных пар грузовых вагонов, возникающих при механи ческом 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 ме тодики, предложено применение функции распределения усталостной дол говечности 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 учё том остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
1. Разработанная методика оценки нагруженности осей может быть использо вана для повышения надёжности осей колёсных пар вагонов и локомоти вов, продлению их срока службы.
2. Создан специализированный программный комплекс, ориентированный на определение остаточных напряжений, вызванных механическим упрочне нием осей колёсных пар.
3. С использованием разработанного программного комплекса получены све дения о влиянии остаточных напряжений в поверхностном слое оси колёс ной 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 ра бот в Брянском государственном техническом университете.
Методология и методы исследования. Для оценки нагруженности оси колёсной пары применены методы статистической механики, теории вероятно стей и математической статистики.
При разработке методики для решения контактной задачи качения ролика вокруг оси использованы методы теории упругости и пластичности, вычисли тельной механики, конечных элементов, теории дифференциального и инте грального исчислений, аналитической геометрии, векторной и матричной ал гебры, тензорного исчисления.
При создании программного комплекса использованы методы программи рования на языке C++ в среде операционной системы Windows.
Обоснованность и достоверность результатов работы подтверждается ре зультатами решений тестовых задач, которые сопоставлены со значениями, по лученными методом конечных элементов (МКЭ) и методом граничных элемен тов (МГЭ) другими исследователями. Для апробации результатов использова лись также аналитические решения. Кроме того проведено сопоставление ре зультатов с данными эксперимента.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты дис сертации докладывались и обсуждались на Всероссийской молодёжной научно технической конференции «Мавлютовские чтения» (г. Уфа, 2007 г.), XVI Меж дународной молодежной конференции «Новые информационные технологии» (Москва - Судак, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наука и производство - 2009» (г. Брянск, 2009 г.), научно-техническом семи наре «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа» (г. Брянск, 2009), Международной научно технической конференции студентов и аспирантов «Информационные техноло гии, энергетика и экономика» (г. Смоленск, 2011 г.), III Международной науч но-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инно вационных 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 ви де статей и тезисов докладов, в том числе 6 статей в журналах, входящих в пе речень рекомендованных изданий ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, 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, при водится обзор работ, посвящённых исследованию нагруженности осей с учётом ос таточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
Расчётные методы оценки нагруженности осей без учёта остаточных напряже ний, хорошо разработаны в работах Дроздова Ю.Н., Когаева В.П., Серенсена С.В., Шнейдеровича Р.М. и др. В связи с большой сложностью определения остаточ ных напряжений нагруженность осей колёсных пар с их учётом изучена слабо.
Поэтому при обзоре существующих работ основное внимание уделено публи кациям, посвящённым исследованию остаточных напряжений, вызванных ме ханическим 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. Бра славский, В.В. Иванов, И.В. Кудрявцев, С.Г. Хейфц, О.Г. Хорджер и др. Благо даря использованию экспериментальных методов исследования сделаны важ ные 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 все гда возможно, а зачастую неэффективно, в силу временны9х, экономических и других ограничений.
С первой половины ХХ века совместно с проведением экспериментов на чинаются попытки создания теоретических методов для исследования упрочне ния осей наклёпом. Такие исследования ведутся по трём направлениям: меха нико-математическому, физическому и физико-химическому.
Несмотря на то, что в рамках физического и физико-химического направ лений исследований выполнено большое количество работ (А.А. Бочвар, Н.Г. Колбасников, В.Д. Кузнецов, Н.С. Курнаков, Я.Б. Фридман и др.), на прак тике пока не удаётся отследить движение отдельных атомов и дислокаций. По этому использовать методы этих направлений для расчётов механического уп рочнения 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 по лучена 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 ис следования механического упрочнения разработана в трудах В.М. Смелянского.
Однако численные методы исследований предоставляют бо9льшие возмож ности 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 физико математическое направление характеризуется переходом от использования ана литических методов исследования к применению численных методов, преиму щественно МКЭ.
На основе этого метода за рубежом разработаны мощные программные комплексы, такие как ABAQUS, ANSYS, DEFORM, NASTRAN и MARC, кото рые в принципе могут быть применены для исследования механического уп рочнения осей колёсных пар. Но вследствие как теоретических, так и вычисли тельных сложностей, возникающих при решении контактной задачи качения с учётом физической нелинейности материалов взаимодействующих тел, даже с их использованием, работ, в которых выполняются исследования процесса ме ханического упрочнения в трёхмерной постановке с учётом упругопластиче ского деформирования материала оси колёсной пары, существует весьма огра ниченное количество. Часто подобные задачи решаются с использованием гру бых конечноэлементных моделей с введением большого количества упрощаю щих предположений и не обеспечивают приемлемой для инженерных исследо ваний точности. Одними из немногих работ, в которых сделаны попытки ре шить подобную задачу в объёмной постановке являются диссертационные ра боты исследователей из США (Neagu-Ventzel, Yung-Chang Yen). Однако в на званных работах анализировалась механика процесса упрочнения цилиндриче ской поверхности. Вопрос об исследовании механики процесса упрочнения применительно к конкретной детали - оси колёсной пары, остаётся открытым.
По результатам анализа существующих работ в этой области, сформулиро вана 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 уп рочнении, 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 обра зом, применяя метод «разделяй и властвуй» путём объединения алгоритмов решения трёх этих подзадач получаем методику определения остаточных на пряжений в поверхностном слое оси при упрочнении наклёпом.
Для решения контактной задачи в работе применен релаксационный алго ритм, 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 взаимодействующи ми 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 воз можности 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 0 = 2 i где ij - тензор напряжений;
ij - тензор деформаций;
ij - символ Кроне кера;
0 - среднее давление в точке;
0 - средняя деформация в точке;
i - ин тенсивность напряжений;
i - интенсивность деформаций;
i, j = 1, 2, 3.
При этом для определения НДС взаимодействующих тел применён метод переменных параметров упругости.
Наконец решение третьей подзадачи - задачи качения потребовало:
• добавить возможность задания кинематики перемещения взаимодей ствующих тел;
• усовершенствовать методику определения напряжений, деформаций и перемещений в связи с возможностью как активного (когда интен сивность напряжений возрастает, превышая все предыдущие её зна чения в рассматриваемой области тела), так и пассивного деформи рования (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 про цесс нагружения R - внешняя нагрузка Q = -R расчётной схемы.
Решая упругопла стическую контакт Активное тело ную задачу, опреде Активное тело ляем перемещения uiН, деформации ijН Контактные и напряжения ijН давления при нагружении. За тем выполняется Пассивное Пассивное разгрузка. Для этого тело тело рассматривается не которая 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 те ло расчётной схемы остальных тел. Кроме этого в узлах расчётной схемы, в ко торых на этапе нагружения прикладывалась система сил R, теперь приклады ваются силы Q = -R. Для фиктивной расчётной схемы выполняется решение статической неконтактной физически нелинейной задачи, таким образом, нахо дятся фиктивные перемещения uiP, деформации ijP и напряжения ijP. Результи рующие остаточные перемещения, деформации и напряжения вычисляются с использованием следующих зависимостей:
u iN = u iN 1 + u iH + u iР ;
ijN = ijN 1 + ij + ij ;
Р H ijN = ijN 1 + ij + ij ;
Р H где uiN, ijN, ijN - перемещения, деформации и напряжения после разгрузки на текущем ( N -ом) шаге дискретизации по времени процесса движения;
u iN 1, ijN 1, ijN 1 - перемещения, деформации и напряжения на предыдущем ( N -1-ом) шаге дискретизации по времени процесса движения.
После определения результирующих u iN, ijN и ijN выполняется перемеще 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 упрочне ния осей колёсных пар программно реализована с использованием восьмиузло вых конечных элементов в виде специализированного программного комплек са. Программная реализация изложенной методики тщательно протестирована.
Верификация программной реализации алгоритма решения контактной за дачи выполнена путём сопоставления результатов численного расчёта с резуль татами аналитического решения контактной задачи на основе теории Герца.
Для тестирования программной реализации алгоритмов решения задач ста тики с учётом физической нелинейности материалов решена задача о растяже нии пластины с отверстием и задача о воздействии абсолютно жёсткого штампа на деформируемый образец, а результаты этих решений сопоставлены со зна чениями, полученными МКЭ и МГЭ другими исследователями.
Завершающим этапом тестирования разработанной методики стало срав нение результатов математического моделирования упрочнения вала диамет ром 58 мм из стали 45 с данными, полученными экспериментально с использо ванием метода делительных сеток.
На всех этапах апробации получены результаты моделирования, которые хорошо совпадают с известными аналитическими решениями, данными, полу ченными численно методами конечных и граничных элементов, а также экспе риментальными 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 высоконагружен ных участков оси колёсной пары с неупрочнённым поверхностным слоем (шейки, предподступичного и подступичного участков) в процессе эксплуата ции.
Моделирование НДС оси колёсной пары выполнено с использованием МКЭ на основе конечноэлементной расчётной схемы (рис. 2). При этом учиты валось влияние на НДС оси контактных взаимодействий, имеющих место в системе «колёсная пара - буксовый узел». Так как при эксплуатации на Внешнее кольцо Фрагмент оси Корпус буксы подшипника Ролик подшипника Внутренние коль ца 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 реше ние 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 грузо вого 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 расстоя нии - 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»:
• радиальный натяг в соединении колеса и оси принят 0,0875 мм;
• радиальный натяг внутреннего кольца подшипника на оси принят равным 0,045 мм;
• радиальный зазор между роликом и внешним кольцом принят рав ным 0,027 мм;
• 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 факто ра - вертикальной нагрузки. Учитывая симметрию расчётной схемы, при расчё тах, выполненных в рамках этой главы, к соответствующему приливу на корпу се буксового узла прикладывалась равномерно распределённая нагрузка, рав нодействующая которой равнялась 49,05 кН.
Конечноэлементная модель системы «колёсная пара - буксовый узел» включает в себя 28 контактирующих тел, содержит 413 365 узлов и 372 восьмиузловых конечных элемента, 20 608 контактных узлов, расположен ных на 31 поверхности контакта. При выполнении численного анализа такой расчётной схемы потребовалось решение системы 1 240 095 нелинейных урав нений. Для проведения расчётов применён программный комплекс, разрабо танный в главе 2.
В ходе выполнения расчётов получена полная информация о распределе нии напряжений в телах расчётной схемы, построены эпюры распределения давлений в областях контакта.
При анализе НДС оси колёсной пары установлено, что высокие напряже ния 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 вертикаль ного усилия, передающегося на ось через буксовый узел. Существенное влия ние на напряжённое состояние галтельных участков оказывает посадка с натя гом 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 зна чения 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 пред подступичной частью -41,47 МПа.
Рассчитанные в работе распределения напряжений и давлений существен но 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 необходи мо обладать по двум причинам. Во-первых, в случае если ось подвергалась ме ханическому 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 эксплуа тационной нагрузки. Во-вторых, на базе полученной информации для опреде ления 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 ис следования процесса формирования поверхностного слоя оси колёсной пары РУ1Ш-950 ГОСТ 4835-80 при её механическом упрочнении, оценки НДС по верхностного слоя оси в зависимости от режимов упрочнения.
Анализ процесса формирования поверхностного слоя выполнен для ци линдрического участка (шейки) оси диметром 130 мм. Для упрочнения оси ис пользовался ролик диаметром 150 мм и профильным радиусом 19 мм. К узлам конечноэлементной схемы фрагмента ролика прикладывалась равномерно рас пределённая нагрузка, равнодействующая которой равнялась 19,62 кН. Качение ролика вокруг оси происходило последовательно по 17 дорожкам с осевой по дачей 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 =2·1011 Па, µ =0,3.
Предел текучести стали ШХ15 ГОСТ 801-78, из которой изготавливают упроч няющие ролики, в соответствии с данными завода-изготовителя принят равным 2400 МПа. Упругопластические свойства материала оси колёсной пары полу чены в ходе настоящей работы с использованием диаграммы растяжения ци линдрического образца, вырезанного из натурной оси, прошедшей термообра ботку и отбракованной на заводе по геометрическим параметрам.
С использованием результатов моделирования процесса упрочнения шейки оси проанализировано изменение компонент деформаций и напряжений, фор мы площадки контакта ролика и оси, распределения давлений по ней в зависи мости от расстояния, на которое перекатился ролик. Установлено, что НДС пе рестаёт значимо изменяться (рис. 4) после того, как ролик перекатился на рас стояние, 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 кото рым должен перекатиться ролик при качении с подачей, чтобы НДС оси соот ветствовало стационарной фазе процесса упрочнения.
Для оценки влияния усилия обработки на НДС упрочнённого слоя допол нительно выполнены расчёты упрочнения шейки при усилиях обработки 14,72 кН и 24,53 кН. Проанализировано влияние величины подачи ролика в ин тервале 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 Z по глубине упрочнённого слоя для трёх рассмотренных значений усилия обработки. Как показано на рис. 5а, фор ма графиков изменения интенсивности деформаций для трёх значений усилия обработки остаётся постоянной. Максимальное значение интенсивность оста точных деформаций имеет место на поверхности оси. Для случая обработки при усилии на ролик 14,72 кН оно составляет 92,44·10-3. Для случая обработки при усилии на ролик 24,53 кН максимальная интенсивность деформаций пре вышает значение при нагрузке 14,72 кН более чем в два раза, принимая значе ние 232,61·10-3.
а) б) Рис. 5. Графики изменения интенсивности остаточных деформаций и остаточных напря жений Z в зависимости от расстояния до поверхности оси Особенно полезным оказывается анализ остаточных напряжений Z, пред ставленных на рис. 5б. На поверхности оси, а также на небольшой глубине не посредственно под поверхностью, напряжения Z для трёх рассматриваемых вариантов упрочнения оси существенно отличаются. Для варианта нагрузки 19,62 кН, а также для усилия 24,53 кН напряжения Z растягивающие 153,72 МПа и 628,76 МПа соответственно. Такие значения напряжений на по верхности 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 благоприят ные значения напряжений Z получены при нагрузке на ролик 14,72 кН.
Кроме исследования параметров упрочнения цилиндрических участков оси выполнено моделирование обработки галтельных участков. В отличие от обра ботки цилиндрических участков упрочнение галтелей имеет дополнительную особенность. При обработке галтельных участков существенное влияние на ре зультат упрочнения оказывает траектория движения ролика. Галтель можно уп рочнять 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 пово рачивающейся осью вращения диаметром 97 мм и профильным радиусом 2,5 мм. К узлам конечноэлементной схемы фрагмента ролика прикладывалась равномерно распределённая нагрузка, равнодействующая которой направлен ная по нормали к поверхности галтели равнялась 3,00 кН. Качение ролика по поверхности оси происходило последовательно по 20 дорожкам с осевой пода чей 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 z по глубине поверхностного слоя оси для двух вариантов упрочнения галтельного перхода.
Таким образом, на примерах решения конкретных прикладных задач пока зана высокая эффективность использования разработанной методики для ис следования НДС поверхностного слоя осей колёсных пар. Полученные в этой главе результаты расчётов являются необходимой информацией для оценки на груженности осей колёсных пар с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
В пятой главе изложена ме тодика расчёта нагруженности оси колёсной пары, обусловленной эксплуатационными нагрузками и остаточными напряжениями, вы званными механическим упрочне нием. В ней использован принцип наложения действия нагрузок, предполагающий, что эксплуата ционные нагрузки не приводят к Рис. 7. Графики изменения интенсивности развитию пластических деформа остаточных деформаций в зависимости от ций в материале оси, вызванные расстояния до поверхности оси ими деформации являются упру гими.
Правомерность такого допущения можно обосновать следующим. Оста точные напряжения от механического упрочнения дают среднюю составляю щую цикла переменных напряжений в точках оси. Переменная составляющая обусловлена действием эксплуатационных нагрузок. По данным эксплуатации железнодорожного подвижного состава известно, что при таком виде нагруже ния оси колёсных пар работают в режиме многоцикловой усталости. При мно гоцикловой усталости усталостное повреждение или разрушение происходит в основном при упругом деформировании. Работа в условиях возникновения пла стических деформаций характерна для малоцикловой усталости.
С учетом принципа наложения действия нагрузок методику определения нагруженности оси колёсной пары можно представить в виде четырех дейст вий.
1. Определение усилий, действующих на систему «колёсная пара - бук совый узел» при различных режимах её эксплуатации, в зависимости от прой денного вагоном пути.
2. Нахождение зависимостей изменения напряжений в наиболее нагру женных точках оси. Предполагая, что возникающие при эксплуатации оси на пряжения являются упругими, остаточные напряжения, вызванные механиче ским упрочнением, могут быть учтены путём их суммирования с напряжения ми, рассчитанными для неупрочнённой оси.
3. Получение функций распределения амплитуд напряжений для каждо го рассмотренного режима эксплуатации.
4. Построение смешанного блока нагружения оси колёсной пары, кото рый характеризует её нагруженность с учётом вероятностей эксплуатации оси при различных режимах.
Основная трудность применения этой методики состоит в сложности оп ределения 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 колёс ной 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 скоро стями, а также то, что грузовой вагон может находится в гружёном состоянии с вероятностью 0,65, а в порожнем 0,35.
Наконец в завер шающем разделе пятой главы предложены два возможных подхода к оценке долговечности осей колёсных пар с использованием данных об их нагруженности.
Первый способ предпо лагает вести расчёт Рис. 8. Смешанный блок нагружения точки на поверхности функции распределения оси колёсной пары, где ti - относительное число повторений усталостной долговеч ности оси с использованием смешанного блока нагружения, который построен с учётом напряжений, равных сумме остаточных напряжений в подповерхност ном слое, вызванных механическим упрочнением, и напряжений, возникающих в неупрочненной оси колёсной пары в процессе эксплуатации. Второй способ расчёта функции распределения усталостной долговечности использует сме шанный блок нагружения неупрочннёной оси колёсной пары (рис. 8), а упроч нение учитывается с применением коэффициента влияния упрочнения. Этот коэффициент можно рассчитать на основе взаимного расположения трёх эпюр:
остаточных напряжений, рабочих напряжений и механических свойств матери ла. Получение первых двух видов эпюр выполнено в главах 4 и 3 соответствен но. В качестве эпюры механических свойств материала при определении коэф фициента упрочнения обычно используют распределение твёрдости по глубине детали. Для получения такого распределения можно рекомендовать использо вать экспериментальную зависимость между твёрдостью материала и интен сивностью остаточных напряжений, возникающих после упрочнения оси.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Выполнен анализ существующих методов, посвящённых решению про блемы оценки нагруженности осей колёсных пар грузовых вагонов с учё том остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением.
2. Разработана эффективная методика определения остаточных напряжений в осях колёсных пар железнодорожного подвижного состава, вызванных ме ханическим упрочнением, с использованием конечноэлементных моделей.
3. Разработанная методика реализована в виде специализированного про граммного комплекса, ориентированного на повышение надёжности осей колёсных пар вагонов и локомотивов, продлению их срока службы.
4. При верификации программной реализации разработанной методики моде лирования, выполненном на ряде тестовых и прикладных задач, получено хорошее совпадение результатов расчётов с результатами, полученными численными методами другими исследователями, известными аналитиче скими решениями и данными эксперимента.
5. Исследовано напряженное состояние оси колёсной пары и деталей буксо вого узла грузового вагона, вызванное эксплуатационными нагрузками.
Для различных вариантов внешних нагрузок получены уточненные сведе ния о напряжённом состоянии оси колёсной пары. Подтверждено, что од ной из наиболее нагруженных частей оси РУ1Ш ГОСТ 31334-2007 являет ся 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 упрочне ния на остаточные напряжения в поверхностном слое оси, которые могут быть использованы при разработке рациональных конструкций осей и ме тодов повышения их усталостной долговечности.
7. Разработана методика определения нагруженности осей колёсных пар же лезнодорожного подвижного состава с учётом остаточных напряжений, вызванных механическим упрочнением. Предложены несколько возмож ных подходов для использования данных о нагруженности осей грузовых вагонов для расчёта долговечности. Показана возможность оценки прочно сти оси при переменных нагрузках с применением функции распределения усталостной долговечности и коэффициента упрочнения.
8. В связи со схожестью физических процессов, протекающих при механиче ском 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 Томашевский, С.Б. Колёсная пара - буксовый узел: модели напряжений / 1.
С.Б. Томашевский // Мир транспорта. - М., 2011. - Т. 34.- № 1. - С. 38-44.
Томашевский, С.Б. Численное моделирование упрочнения деталей ма 2.
шин поверхностным пластическим деформированием / С.Б. Томашев ский // Наука и техника транспорта. - М., 2011. - № 2. - С. 60-68.
Томашевский, С.Б. Уточнение решения контактных задач на примере 3.
расчёта деталей железнодорожного транспорта / С.Б. Томашевский // Транспорт Урала. - Екатеринбург, 2011. - № 2. - С. 66-70.
Томашевский, С.Б. Создание трёхмерной конечно-элементной модели 4.
процесса упрочнения деталей поверхностным пластическим деформиро ванием / С.Б. Томашевский // Вестник БГТУ. - Брянск, 2011. - № 2. С. 55-61.
Томашевский, С.Б. Уточнение решения контактных задач / С.Б. Тома 5.
шевский // Мир транспорта. - М., 2011. - Т. 36. - № 3. - С. 26-33.
Томашевский, С.Б. Влияние упругопластических деформаций на резуль 6.
таты расчёта контактных задач железнодорожного транспорта / С.Б. То машевский // Вестник БГТУ. - Брянск, 2011. - № 3. - С. 17-24.
Публикации в прочих изданиях Томашевский, С.Б. Математическое моделирование процессов упруго 7.
пластического деформирования при качении твёрдых тел / С.Б. Тома шевский // Наука и производство - 2009: Международная научно практическая конференция. - Брянск: БГТУ, 2009. - С. 50-52.
Томашевский, С.Б. Разработка трёхмерной конечноэлементной модели 8.
процесса упрочнения деталей машин поверхностным пластическим де формированием / С.Б. Томашевский, В.И. Сакало // Энергетика, Инфор матика, Инновации - 2011. - Смоленск: РИО филиала ГОУ ВПО МЭИ(ТУ) в г. Смоленске, 2011. - Т. 2. - С. 82-87.
Томашевский, С.Б. Компьютерное моделирование напряжённого состоя 9.
ния 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 12 17 сентября 2011 г. - Донецк: ДонНТУ, 2011. - Т.2. - C 247-251.
10. Томашевский, С.Б. Конечноэлементное моделирование процессов уп рочнения деталей машин поверхностным пластическим деформировани ем / С.Б. Томашевский // Материалы III Межд. науч.-практ. конф. «Дос тижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в эко номике, 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, по лиграфии БГТУ, ул. Институтская 16.