Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертационная работа:

Оганьян Эдуард Сергеевич. Критерии несущей способности конструкций локомотивов в экстремальных условиях нагружения : Дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.07 : Коломна, 2004 389 c. РГБ ОД, 71:05-5/428

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 5

Глава 1. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ КОНСТРУКЦИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ 15

1.1 Состояние вопроса 15

1.1.1 Анализ повреждаемости элементов конструкций ло комотивов 15

1Л .2 Анализ теоретических и экспериментальных работ 32

1Л.З Анализ методов расчета прочности и ресурса конструкций с учетом упругопластических деформаций элементов 49

1.1.4 Анализ технических решений для защиты конструкций локомотивов при аварийных столкновениях 66

1.2 Характеристики воздействий и предельных состояний конструкций 74

1.3 Постановка цели и задач диссертации 85

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НАГРУЖЕННОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛОКОМОТИВОВ И СПЕЦИАЛЬНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА 92

2.1 Нагруженность локомотивов при эксплуатационных соударениях и аварийных столкновениях 92

2.1.1 Объекты исследования 94

2.1.2 Нагруженность локомотивов при эксплуатационных соударениях

2.1.3 Параметры удара при аварийных столкновениях 126

2.1.4 Оценка параметров ударозащитного устройства кабины машиниста кузова электровоза ЭП200 129

2.1.5 Анализ динамичности нагружения 133

2.1.6 Свойства материалов в зависимости от скорости деформации 137

2.2 Нагруженность специального подвижного состава . 138

2.2.1 Типовые статистические характеристики режимов нагружения специального подвижного состава 141

2.2.2 Вероятностные модели надежности конструкций . 150

Выводы по главе 2 163

Глава 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ УСТАЛОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СЛОЖНОМ НАГРУЖЕНИИ 166

3.1 Исследование процесса накопления усталостных повреждений 169

3.2 Формирование модели усталости 184

3.3 Характеристики сопротивления усталости материалов 210

Выводы по главе 3 214

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЭКИПАЖНОЙ ЧАСТИ ЛОКОМОТИВА 217

4.1 Параметры и динамические свойства конструкций локомотива для моделирования продольного удара .

4.1.1 Динамическая продольная жесткость конструкции кузова 218

4.1.2 Энергоемкость конструкции кабины машиниста 225

4.2 Нелинейный анализ напряженно-деформированного состояния лобовой части кузова 228

4.2.1 Методика расчета 229

4.2.2 Расчетные модели кабины машиниста локомотива 236

4.2.3 Анализ результатов расчета 242

4.2.4 Несущая способность обшивки лобовой стенки кузова при ударно-волновом и статическом нагружениях 252

4.3 Моделирование предельных состояний высоконагруженных узлов локомотива 265

4.3.1 Напряженно-деформированное состояние шкворневого узла рамы в упругопластической области 265

4.3.2 Несущая способность консольной части рамы тепловоза 271

Выводы по главе 4 276

Глава 5. КРИТЕРИИ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ 281

Выводы по главе 5 286

Глава 6. ОЦЕНКА ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТОК 290

6.1 Экономический эффект от повышения несущей способности конструкций локомотива 290

6.2 Экономический эффект от снижения эксплуатационных расходов при использовании более надежной и долговечной техники 297

Выводы по главе 6 299

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ 300

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 304

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Нормативно-технические документы, ис пользуемые при проектировании и изготовлении конструк ций для обеспечения их несущей способности и долговеч ности 338

Приложение 2. Результаты обследования состояния конструкций СПС в эксплуатации и характеристика их по вреждаемости 345

Приложение 3. Эксплуатационная наработка типовых единиц СПС . 364

Приложение 4. Расчет вероятности повреждающих воздействий 367

Приложение 5. Аппроксимация распределений нагрузок на шкворень рамы тепловоза 370

Приложение 6. Результаты испытаний на усталость при много- и малоцикловом нагружении 375

Приложение 7. Методика регистрации, обработки данных и результаты экспериментальных исследований 381 

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Конструкции железнодорожного подвижного состава в процессе эксплуатации подвергаются нагрузкам различного уровня и характера действия (статические, квазистатические, динамические, переменные/ много- и малоцикловые) как при упругих, так и упру-гопластических деформациях. Для обеспечения необходимой несушей способности и долговечности при возможно меньшей их массе с соблюдением технических, экономических и других условий необходимо определять фактический спектр действующих нагрузок, учитывать требования безопасности для обслуживающего персонала и движения поездов.

Прочность узлов локомотивов и специального подвижного состава (СПС) действующими Нормами оценивается по допускаемым напряжениям и коэффициентам запаса по отношению к пределу текучести и пределу выносливости материала при упругих его деформациях. При эксплуатации конструкций ж.д. техники в их наиболее нагруженных элементах и зонах концентрации напряжений наряду с упругими появляются локальные или общие пластические деформации, которые действующими нормами не учитываются. При многократном их повторении происходит разрушение деталей от малоцикловой усталости. Поэтому исследование напряженно-деформированного состояния конструкций ж.д. машин, работающих в условиях квазистатического и усталостного мало - и многоциклового нагру-жений, разработка моделей расчета и критериев прочности и долговечности является задачей актуальной и представляет значительный научный и практический интерес.

Цель работы. Основной целью диссертации является: - разработка методов исследования накопления повреждений и критериев для оценки несущей способности и безотказности конструкций с учетом упругопластических деформаций их элементов при малоцикловом квазистатическом и динамическом много- и малоцикловом нагружениях.

Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:

не н/шиоиллшм

SSfrgSf

- выполнен статистический анализ нагруженности, в том числе при
соударениях через автосцепки, и повреждаемости в эксплуатации ответст
венных узлов локомотивов и СПС;

по результатам экспериментальных исследований определены параметры ударных процессов (силовые факторы, временные характеристики, частотные спектры), в том числе для впервые выполненных соударений локомотива при скорости 20 км/ч, рассчитаны скорости относительных деформаций элементов, динамические жесткости несущих систем локомотивов;

получены зависимости механических характеристик материалов (наиболее употребительных марок сталей Ст.З, сталь 09Г2) от скорости деформации и исследованы их свойства при сочетании много- и малоциклового нагружений;

созданы, идентифицированы по экспериментальным данным КЭ - модели и проведены исследования НДС, в том числе предельного состояния высоконагруженных узлов локомотивов (кузов, кабина машиниста, рама, шкворневой узел) по условиям их безопасного отказа, в физически нелинейной постановке.

Общая методика исследований.

Для получения фактических данных о нагруженности узлов и конструкций, идентификации расчетных моделей, проверки результатов теоретических исследований проведены многочисленные эксперименты в стендовых, поездных условиях и при соударениях на натурных объектах (тепловозы ТЭ109, 2ТЭ116, 2ТЭ10, 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭМ7, ТЭМ2; электровоз ЭП200; единицы СПС-машины щебнеочистительные, выправочно-подби-вочные, мотовозы, автомотрисы). При этом производилось тензометриро-вание и измерение ускорений с применением компьютерных программно-аппаратных средств с автоматизированной регистрацией и обработкой информации.

Для анализа НДС и предельных состояний конструкций локомотивов и СПС в упругой и упругопластической областях осуществлено компьютерное моделирование с использованием программных комплексов

GNOM, BASYS+, системы MSC. Patran, Nastran, реализующих метод конечных элементов (МКЭ). В расчетах малоцикловой усталости применены деформационные критерии разрушения, полученные на основе уравнений Мэнсона-Коффина-Махутова.

При решении поставленных задач использовались методы теории вероятностей и математической статистики, теории надежности, механики разрушения. В процессе выполнения работы учитывались требования ГОСТ, ИСО, нормативно-технических и инструктивно-распорядительных документов МПС (Указания, Инструкции, Правила и т.п.).

Научная новизна работы.

Научную новизну представляют:

математическая модель накопления повреждений в материале деталей при сложном (с упругими и упруго пластическим и деформациями) нагружении в много- и малоцикловой области;

критерии несущей способности конструкций по предельным нагрузкам и деформациям за пределом упругости; деформационные критерии разрушения для расчетов накопления остаточных деформаций в рамах локомотивов;

показатели динамичности погружения и прочности конструкций при соударениях ж. д. подвижного состава;

характеристики сопротивления усталости материалов при сложном нагружении.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Установленные требования к конструкции, параметрам и несущей способности узлов экипажной части локомотивов создают условия для безопасности движения поездов, позволяют уменьшить масштабы повреждений конструкций в эксплуатации и при аварийных столкновениях, снизить затраты на их ремонт. Они включают:

методы расчета и параметры ответственных узлов экипажной части локомотивов, определяющие условия их безопасной повреждаемости;

результаты расчетов напряжений и деформаций лобовой части, кабины машиниста, которые использованы ОАО «БМЗ - Тепловоз» при про-

ектировании кузова тепловоза ТЭА25;

результаты испытаний ударозащитных устройств кабины машиниста для конструкции кузова электровоза ЭП200 (ОАО «Коломенский завод»);

условия прочности при малоцикловом нагружении. Они включены в «Нормы для проектирования, расчета и оценки прочности несущих элементов и динамических качеств специального подвижного состава» (Н.32.04.03.001-01);

- рекомендации по усилению шкворневых узлов рам тепловозов
серии ТЭ10 («Тепловозы серии ТЭ10. Устранение трещин и усиление
шкворневых листов рам тепловозов». Инструктивное указание
2139.30.02.003.И2 - 1993 г.; Инструктивное указание 15.Т.17.ИУ2 -2001 г.),
внедренные в практику деповского и заводского ремонтов для продления
срока службы тепловозов.

Методические разработки по расчетам, испытаниям и оценке прочности ответственных узлов и деталей локомотивов и СПС реализованы также в типовых методиках испытаний (стандарты) системы сертификации на Федеральном железнодорожном транспорте (СТ ССФЖТ) и технических регламентах (Федеральные требования по сертификации, Нормы безопасности на железнодорожном транспорте - ФТС ЖТ, НБ ЖТ).

Тема диссертации посвящена проблемам, соответствующим планам научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ отрасли на 1993-2003 годы, утвержденным Указаниями МПС:№ ЮЗу от 12.05.93 «Стратегия научно-технической политики в новых условиях работы железнодорожного транспорта»; № 80у от 21.04.2001, № 104у от 24.06.2002 -программы развития отечественного локомотивостроения, вагоностроения, путевого комплекса. Эти планы формировались для реализации «Государственной Программы по повышению безопасности движения на железнодорожном транспорте Российской Федерации на период 1993-2000 годов», принятой Правительством Российской Федерации 29.10.1992 г. № 833, «Концепции повышения безопасности движения на переездах на период 2000-2005 годов», «Комплексной программы действий по увеличению массы и длины грузовых поездов в 2001-2005 годах», «Комплексной про-

граммы реорганизации отечественного локомотиво- и вагоностроения, системы эксплуатации и ремонта подвижного состава на период 2001-2010 годов», программ ресурсосбережения, импортозамещения, создания подвижного состава нового поколения.

Работы велись по заказам Департаментов технической политики, локомотивного хозяйства, вагонного хозяйства, пути и сооружений, безопасности движения и экологии.

Основные положения диссертации, выводы и результаты нашли отражение в нормативно-технических документах, внедрены в практику проектирования, расчетов и испытаний железнодорожной техники, опубликованы в научно-технических изданиях.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались:

на Всесоюзных конференциях: «Создание и техническое обслуживание локомотивов большой мощности», г. Ворошиловград, 1985 г.; «Проблемы развития локомотивостроения», г.Луганск, 1990 г.; «Конструктивно-технологические методы повышения надежности и их стандартизация», г. Тула, 1988 г.;

на II, III и IV научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», г. Москва, МИИТ, 1999, 2000 и 2001 г.г.;

на II научно-практической конференции «Безопасность движения поездов», г. Москва, МИИТ, 2000 г.;

- на III Международной научно-технической конференции «Со
стояние и перспективы развития электроподвижного состава», г. Новочер
касск, 2000 г.

Материалы диссертации обсуждались на секции «Динамика и прочность» Научно-технического совета ВНИТИ и на НТС ВНИКТИ в 1999-2004 г.г.

Публикации.

Всего опубликовано 62 научные работы, из них по теме диссертации 42, в том числе 14 работ опубликовано лично автором.

Объем и структура диссертации.

Подобные работы
Коновалов Андрей Васильевич
Исследование влияния условий нагружения на выбор сталей при трении скольжения по закрепленному абразиву
Фролова Олеся Алекснадровна
Обоснование влияния структурообразующих факторов и условий нагружения на усталостную долговечность и механизм разрушения алюминиевых сплавов
Калмыков Алексей Александрович
Динамические модели автожира и нормирование условий нагружения конструкции
Латыпова Гульназ Ильфировна
Прогнозирование остаточного ресурса нефтегазового оборудования с трещиноподобными дефектами в условиях циклического нагружения
Аносов Анатолий Петрович
Оценка ресурса судовых конструкций в условиях циклического нагружения
Хаймин Михаил Аркадьевич
Разработка методов диагностики колесных машин с целью снижения их вибрационного нагружения для улучшения условий труда человека-оператора
Копченков Вячеслав Григорьевич
Трение и изнашивание эластомеров в условиях контактно-динамического нагружения
Нуриева Светлана Камильевна
Формирование мелкозернистой структуры в титановых сплавах при горячей деформации в условиях одно- и двухкомпонентного нагружения
Чумакова Лариса Александровна
Исследование условий работы и режимов динамического нагружения редукционного стана ТПА 30-102 с целью повышения надежности рабочей клети
Аухадеев Авер Эрикович
Обоснование режимов нагружения силового электрооборудования трамваев в эксплуатации по критерию энергосбережения

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net