ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат научно-исследовательской работы.

Предлагается новый способ к процессу оптимального проектирования сечений несущих элементов с учетом живучести сварных соединений. Для исследования этого процесса рассматриваются три случая диаграммы зарождения и роста усталостных трещин, представленные на рис. 1. Для каждой рассматриваемой зоны сварных соединений эти случаи определяются в зависимости от того, какие циклы изменения напряжений являются повреждающими:

- циклы изменения напряжений, вызванные всеми рассматриваемыми нагрузками (рис.1 а);

- циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 1,0 МН (рис.1 б);

- циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 2,5 МН (рис.1 в).

Анализ результатов расчетов вагонных конструкций показал, что для большинства выявленных недолговечных зон соответствует расчетный случай а диаграммы, представленной на рис.1.

Для этих зон начальными повреждающими циклами являются все циклы эксплуатационных нагрузок, в первую очередь - циклы изменения напряжений, вызванные вертикальными колебаниями кузова в процессе движения в заданных интервалах скоростей.

Долговечность соединений элементов, для которых расчет выполняется в соответствии с расчетными случаями б и в указанной диаграммы, значительно больше и существенно превышает величину заданного межремонтного срока, а для некоторых соединений - даже величину нормативного срока службы вагона. Для таких зон начальными повреждающими циклами являются циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 1,0 МН (расчетный случай б) или, что значительно реже, - циклы изменения напряжений от продольных нагрузок, абсолютная величина которых больше 2,5 МН (расчетный случай в).

При определении параметров сечений несущих элементов для повышения живучести главной целью является вывод напряжений в этих сечениях на такой уровень, чтобы циклы вертикальных колебаний в критических зонах не являлись повреждающими. При таком искусственном "отсечении" циклов вертикальных колебаний расчет живучести соединений несущих элементов кузова будет осуществляться в соответствии с расчетными случаями б и в диаграммы 1. В результате количество ремонтов несущих элементов, вызванных наличием в них трещин, существенно сократится, что приведет к уменьшению количества отцепочных ремонтов вагона по указанной причине и, соответственно, - к снижению ремонтных затрат.

Для определения требуемого уровня напряжений в сечении, который обеспечит "отсечение" циклов вертикальных колебаний (т.е. не позволит указанным циклам стать повреждающими), разработан следующий алгоритм (алгоритм повышения живучести несущих элементов).

1. В процессе анализа живучести соединений несущих элементов для каждой рассматриваемой зоны определяется максимальная длина, до которой можно допустить развитие трещины к концу заданного межремонтного срока t _мр (за время до первого деповского ремонта):

, (1)

где n _{р год}»14700 - годовое количество циклов продольных сил, величины которых равны 1,0 МН и выше;s_эi= 0,75^·s_±1,0МН- амплитуда напряжений стационарного цикла, соответствующего циклам продольных сил, величины которых составляют 1,0 МН и выше; l ₀ - начальная длина технологической трещины. n - степенной показатель в уравнении Пэриса, который зависит от материала и определяется по справочным данным; k*- размах коэффициента интенсивности напряжений; соответствует скорости развития трещины v = 10 ^-7 м/цикл (зависит от материала и определяется по справочным данным); r - коэффициент асимметрии цикла напряжений; f - поправочная функция для определения коэффициента интенсивности напряжений;s_эi- амплитуда напряжения симметричного цикла, эквивалентного совокупности повреждающих эксплуатационных нагрузок; определяется для каждого этапа стадии живучести, представленного на диаграмме (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма зарождения и роста усталостных трещин в сварных соединениях несущих элементов кузова вагона

2. Для каждой рассматриваемой зоны определяются значения повреждающих напряжений:

- для обшивки:

, (2)

- для стержневых элементов:

, (3)

где k _th - пороговое значение коэффициента интенсивности напряжений;

f - поправочная функция;eзависит от длины контура поперечного сечения балки s _конт и вычисляется по формуле:e= l ₀ / s _конт.

3. Для рассматриваемого сечения определяется коэффициент запаса прочности по iii режиму норм проектирования вагонов (далее - "Нормы..." ) n _пⁱⁱⁱ и коэффициент запаса трещиностойкости n _тс :

; , (4)

где [s] _iii- допускаемые напряжения по iii режиму "Норм ...";s_{iii р}- максимальные напряжения растяжения в рассматриваемой зоне по iii режиму "Норм ..." без учета действия продольных сил.

4. Сравниваются значения коэффициентов запаса прочности и трещиностойкости:

- если n _пⁱⁱⁱn _тс - напряжения в рассматриваемом сечении выводятся на уровень допускаемых расчетного режима "Норм ...", для которого коэффициент запаса прочности является минимальным;

- если n _пⁱⁱⁱіn _тс - напряжения в рассматриваемом сечении выводятся на уровень допускаемых повреждающих, которые определяются следующим образом:

, (5)

гдеs_{ст бр}- напряжения в рассматриваемом сечении от статической нагрузки брутто; k _двⁱⁱⁱ - коэффициент вертикальной динамики для элементов кузова по iii расчетному режиму "Норм ..."; k _бок - коэффициент, учитывающий влияние боковых усилий на кузов в процессе движения.3