ОЦЕНКА ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЛОКОМОТИВОВ

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены причины и способы устранения возможных неисправностей базовых (главной рамы, рамы тележки и кузова) конструкций локомотивов в местах сварных швов и в непосредственной близости от сварного шва. Изучены возможности анализа сварочных соединений и их оптимизации методом конечных элементов (МКЭ). На основании исследования следует, что сварочные работы должны выполняться с учетом анализа сварных соединений в период заводского ремонта, на специализированных предприятиях, имеющих необходимое оборудование, специалистов и технологии.

ABSTRACT

This article discusses the causes and ways to eliminate possible malfunctions of the basic (main frame, bogie frame and body) structures of locomotives in the places of welds and in the immediate vicinity of the weld. The possibilities of analysis of welding joints and their optimization by the finite element method (FEM) are studied. Based on the study, it follows that welding work should be carried out taking into account the analysis of welded joints during factory repairs, at specialized enterprises with the necessary equipment, specialists and technologies.

Ключевые слова: Метод Конечных Элементов (МКЭ), базовые конструкции, рама локомотива, рама тележки, моделирование, SolidWorks, сварной шов, усталостные трещины, циклические нагрузки.

Keywords: Finite Element Method (FEM), basic structures, Locomotive frame, bogie frame, SolidWorks modeling, weld, fatigue cracks, cyclic loads.

Введение. Базовые конструкции локомотивов в процессе эксплуатации подвергаются длительному и интенсивному воздействию циклических нагрузок. Эксплуатация рамных конструкций в таких условиях приводит к появлению усталостных трещин и снижению несущей способности. Усталостное повреждение является одним из основных причин отказа рамных конструкций локомотивов и в конечном итоге влияет на безопасность движения [1,2,3].

Металлоконструкции локомотивов изготавливаются сваркой из стандартных прокатных низкоуглеродистых низколегированных сталей. По функциональному назначению конструкция может иметь форму рамы (рама тележки, рама локомотива), фермы (несущий кузов), пластины и оболочки [3,5].

Из всех действующих нагрузок в качестве основных источников воздействия можно выделить циклические нагрузки, возникающие при движении локомотивов по неровному участку пути. Эти динамические нагрузки зависят от ряда случайных факторов (микро-и макро-неровности рельсового полотна, износа колес, изменения упруго-диссипативных свойств пути и др.), вследствие чего сами по себе проявляют случайный характер. Поэтому режим нагрузки несущих конструкций локомотивов во время движения неустойчив, а процесс изменения динамических напряжений в конструкциях не всегда однороден [5,6].

Применяемые в настоящее время методы оценки усталостной прочности несущих конструкций в большинстве случаев не учитывают остаточных напряжений сварки [7,8]. Однако остаточные сварочные напряжения оказывают значительное влияние на срок службы несущих сварных конструкций при высоких циклических нагрузках. Целесообразно оценивать усталостную долговечность сварных несущих конструкций, работающих в таких условиях нагружения, в рамках модели высоких циклических нагрузок, который основан на обобщенной линейной гипотезе усталостного повреждения в условиях нестабильной нагрузки.

В этом отношении рама тележки, главная рама — это главные узлы локомотива, которые во время работы подвергаются переменным нагрузкам. Испытание конструкций рамы циклическими экспериментальными методами путем испытаний образцов приводит к значительному увеличению сроков создания новых конструкций, испытаний существующих конструкций и не всегда гарантирует выбор надежного варианта конструкции, рационального с точки зрения прочности и конструктивности. Кроме того, он снижает конкурентоспособность в условиях современной рыночной экономики, в период инновационного развития. Решение этой задачи может быть достигнуто путем внедрения в практику унифицированных методов оценки срока службы несущих конструкций, в том числе сложных сварных соединений, а также применения программных пакетов и компьютерных технологий, позволяющих выбрать наиболее рациональное конструктивное или технологическое решение [9].

Также следует учитывать, что по опыту эксплуатации подвижного состава большая часть трещин начинается и развивается в зоне сварных соединений. Основной причиной резкого ухудшения пластических свойств металла в зоне сварки является динамический износ, обусловленный концентрацией термопластичных сварочных деформаций. Эти деформации, накапливающиеся в зоне, близкой к сварному шву, или вблизи дефектов, напоминающих технологические трещины, обнаруженные в одном из сварочных слоев, приводят к хрупкости материала [10]. Такая хрупкость металла в зонах дефектов, сопровождающаяся остаточными растяжениями напряжений, достигает предела текучести основного материала и приводит к очень значительному снижению несущей способности сварных конструкций. Высокие растягивающие остаточные напряжения и хрупкость металла в месте разлома приводят к разрушению металлоконструкций. Чаще всего они начинаются в области продольных швов, приваренных к основным несущим элементам, и вторичных деталей, имеющих не сварные прорези или узкие зазоры [11]. Устранение такой неисправности достигается сваркой крепящегося элемента или увеличением зазора между отдельными его частями. Исследования показывают, что большая часть потери работоспособности сварных узлов вызвана усталостью. В процессе использования подвижного состава, изменяющиеся со временем нагрузки, такие как растяжение-сжатие конструкций, различные сочетания крутящих и изгибающих моментов в вертикальной и горизонтальной плоскостях могут оказывать влияние на их сварные узлы.

Экспериментальное исследование усталостной прочности сварных опорных конструкций локомотивов не всегда невозможно провести на стенде. Это обусловлено величиной их геометрических размеров, весом их массы, а также величиной затрат на их реализацию. С этой точки зрения оценка усталостной прочности сварных базовых конструкций является важным фактором, определяющим ресурс подвижного состава, ремонтопригодность и безопасность перевозки. В сварных конструкциях подвижного состава в процессе эксплуатации наблюдаются два типа неисправностей: усталость и хрупкость [12].

Долговечность и надежность сварных конструкций подвижного состава во многом определяется их усталостной стойкостью. Остаточные напряжения растяжения сварного шва значительно снижают хрупкое сопротивление разрушению и оказывают значительное влияние на усталостную прочность сварных соединений. Особенно это заметно на боковых и поперечных балках рам тележек, которые крепятся в накладках, кронштейнах, подвесках и других видах к дополнительным деталям различной жесткости [13].

С целью определения уязвимых мест конструкции, с учетом воздействующих сил в различных режимах эксплуатации проведём моделирование и анализ напряженно-деформированного состояния рамы тележки локомотива. Для составления конечно-элементной модели в программе Solid Works воспользуемся чертежами завода-изготовителя данных конструкций.

Результаты и анализ результатов

Учитывая то, что наиболее распространенными в рамных конструкциях локомотивов являются сварные балочные конструкции с открытым или закрытым сечением из листов выберем данный тип конструкции. Коробчатое строение рам тележек локомотивов, сваренных из применяемых листовых элементов, показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Конструкции рамы тележки локомотива, сваренной из листов

При моделировании и расчётах воспользуемся методом конечных элементов широко применяемым в настоящее время в различных отраслях машиностроения. На ряду с возможностью экономии времени данный метод является одним из основных методов расчета на прочность и быстро внедряется в исследования напряженно-деформированного состояния конструкций. Применение метода конечных элементов позволяет повысить точность расчетов, а также определить агрегаты и детали сложной формы, а также напряжения в местах соединения [14, 15].

В данной научно-исследовательской работе с целью определения напряженно-деформационного состояния с помощью инженерной программы Solidworks на основе чертежей создана конечно-элементная модель рамы тележки электровоза и маневрового тепловоза ТЭМ2. (рис.2,3,4), и наиболее нагруженные части конструкции определены методом конечных элементов (рис. 5).

Рисунок 2. Конечно- элементная модель рамы тележки электровоза

Рисунок 3. Конечно- элементная модель рамы тележки маневрового тепловоза

В элементах с относительно небольшой толщиной различных крупных деталей сварка вызывает локальную пластическую деформацию, что приводит к резкой концентрации напряжений [16,17]. В процессе эксплуатации по границам поперечных швов, соединяющих эти детали с элементами рамы, появляются трещины.

Рисунок 4. Анализ результатов расчета прочности рамы тележки тепловоза

Заключение

Анализы показали, что при статических и динамических нагрузках данные конструкции имеют необходимый запас прочности. Но при этом одним из уязвимых мест рамы тележки электровоза и тепловоза является место приварки литых толстостенных кронштейнов с высокой твердостью к относительно тонкими листам рамы тележки. Литые кронштейны и приваренные листы в стыке имеют толщину 30 и 10 мм. Это создает значительную концентрацию напряжения на границе сварного шва с основным металлом. В сварных рамах из-за небольшого расстояния между поперечными швами в местах стыков также появляются трещины. На рисунке 5 ниже показаны места появления усталостных трещин в боковой части рамы тележки электровоза.

Рисунок 5. Места возникновения усталостных трещин в боковой балке рамы тележки электровоза: 1 – литой кронштейн; 2 – продольный шов; 3 – боковой шов; 4 – поперечный шов

Причиной снижения пластичности металла в сварных соединениях является возникновение пластических деформаций в местах дефектов при естественном износе в сочетании с различными технологическими операциями. Тот же фактор относится и к циклической нагрузке. Износ материала до накопления циклических деформаций и образования усталостных трещин может привести к преждевременному хрупкому разрушению. Данные элементные модели базовых конструкций позволяют не только анализировать статическую прочность конкретного варианта конструкции, но и проводить исследования и выбирать оптимальные варианты при модернизации этих конструкций.

Для ремонта локомотивов характерны определенные допуски на режимы сварки, химический состав сварочных материалов, неровности стыковочных элементов и др. В местах перехода металлоконструкций от сварных швов к основному металлу всегда образуются резкие изменения геометрической формы, характеризующиеся коэффициентом концентрации напряжений. В связи с этим сварочные работы данных конструкций необходимо выполнять с учетом вышеперечисленных требований на специализированных предприятиях, имеющих необходимое оборудование, специалистов и технологии, в период заводского ремонта.

Список литературы

1. Н. Зайниддинов. Mоделирование напряженно-деформированного состояния рам тележек локомотивов. Проблемы транспорта. Silesian University of Technology Faculty of Transport Польша (Katowice 2014).
2. Н.С. Зайниддинов, Р.К. Насыров “Оценка остаточного ресурса несущих конструкций локомотивов промышленного транспорта”. Известия ПГУПС-№3-2009.
3. Yusufov, A. M. (2022). “O‘ZBEKISTON TEMIR YO‘LLARI” AJ lokomotiv parki tahlili. Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 2(11), 251-258.
4. Yusufov, A. (2022). O‘ZBEKISTON RESPUBLIKASI TEMIR YO‘LLARIDAGI MANEVR LOKOMOTIVLARINI TAHLILI VA RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI. Science and innovation, 1(A8), 943-950.
5. Abdulaziz Yusufov | Sabir Azimov | Shukhrat Jamilov “Determination of Residential Service of Locomotives in the Locomotive Park of JSC “Uzbekistan Railways” Published in International Journal of Trend in Scientific Research and Development (ijtsrd), ISSN: 2456- 6470, Volume-6 | Issue-3, April 2022, pp.413-417, URL: www.ijtsrd.com/papers/ijtsrd49552.pdf.
6. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М., Кудратов, Ш. И., Абдурасулов, А. М., & Азимов, С. М. (2022). ОЦЕНКА СРЕДНИХ НАПРЯЖЕНИЙ ЦИКЛА В НЕСУЩИХ РАМАХ ТЕПЛОВОЗОВ НА ОСНОВЕ, КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО, РАСЧЕТА ОТ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК. Academic research in modern science, 1(9), 118-124.
7. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М. У., Кодиров, Н. С., Жамилов, Ш. Ф. У., & Эркинов, Б. Х. У. (2022). ОЦЕНКА ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГЛАВНЫХ РАМ МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ. Universum: технические науки, (2-3 (95)), 59-62.
8. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М., Кудратов, Ш. И., Абдурасулов, А. М., & Жамилов, Ш. М. (2022). ОБСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МАНЕВРОВОГО ТЕПЛОВОЗА СЕРИИ ТЭМ2. Academic research in modern science, 1(9), 125-132.
9. Yusufov, A. M., Jo‘rayev, A. K., Vohidov, A. P., & Raximnazarov, R. T. (2022). LOKOMOTIVLARNING TEXNIK HOLATINI BORT TIZIMI YORDAMIDA ANIQLASH. Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 2(9), 600-605.
10. Zayniddinov, N., & Abdurasulov, S. (2022). DURABILITY ANALYSIS OF LOCOMOTIVE LOAD BEARING WELDED STRUCTURES. Science and innovation, 1(A8), 176-181.
11. Khamidov, O., Yusufov, A., Jamilov, S., & Kudratov, S. (2023). Remaining life of main frame and extension of service life of shunting Locomotives on railways of Republic of Uzbekistan. In E3S Web of Conferences (Vol. 365, p. 05008). EDP Sciences.
12. Khamidov, O., Yusufov, A., Kudratov, S., & Yusupov, A. (2023). Evaluation of the technical condition of locomotives using modern methods and tools. In E3S Web of Conferences (Vol. 365, p. 05004). EDP Sciences.
13. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М. У., Кодиров, Н. С., Жамилов, Ш. Ф. У., Абдурасулов, Ш. Х., Абдулатипов, У. И. У., & Сейдаметов, С. Р. (2022). ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГЛАВНОЙ РАМЫ И ПРОДЛЕНИЕ СРОКОВ СЛУЖБЫ МАНЕВРОВЫХ ЛОКОМОТИВОВ НА АО “УТЙ”. Universum: технические науки, (4-5 (97)), 47-54.
14. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М. У., Кодиров, Н. С., Жамилов, Ш. Ф. У., Эркинов, Б. Х. У., Абдулатипов, У. И. У., & Сейдаметов, С. Р. (2022). ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ (ДГУ) ТЕПЛОВОЗОВ С ПОМОЩЬЮ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «БОРТ». Universum: технические науки, (4-5 (97)), 41-46.
15. Абдулазиз, Ю. М. Ў., Жўраев, А. К., Вохидов, А. П., & Рахимназаров, Р. Т. (2022). ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ (ДГУ) ТЕПЛОВОЗОВ С ПОМОШЬЮ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «БОРТ». Oriental renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences, 2(9), 573-579.
16. Хамидов, О. Р., Юсуфов, А. М., Абдурасулов, А. М., Жамилов, Ш. Ф., & Кудратов, Ш. И. (2022). ПРОДЛЕНИЮ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА ГЛАВНОЙ РАМЫ ТЕПЛОВОЗА СЕРИИ ТЭМ2 С МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ). Инновационные подходы, проблемы, предложения и решения в науке и образовании, 1(1), 148-153.
17. Хамидов, О. Р., Кодиров, Н. С., Юсуфов, А. М., & Абдулатипов, У. И. (2022). ВИДЫ ПОВРЕЖДЕНИЙ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ. Инновационные подходы, проблемы, предложения и решения в науке и образовании, 1(1), 142-147