ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАДРЕССОРНОЙ БАЛКИ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА НА ЦИКЛИЧЕСКУЮ НАГРУЗКУ

АННОТАЦИЯ

Проведен анализ существующих конструкций надрессорных балок. На лабораторном стенде проведены полноценные исследования на усталость и динамическую прочность в соответствии ГОСТом 32400-2013, полученные результаты были сравнены с расчетными, при максимальных нагрузках от 735÷755 кН. Установлены минимальные показатели циклов до появления трещин и потери несущей способности надрессорной балки тележки грузового железнодорожного транспорта.

ABSTRACT

The analysis of the existing structures of the spring beams is carried out. Full-fledged fatigue and dynamic strength tests were carried out at the laboratory stand in accordance with GOST 32400-2013, the results obtained were compared with the calculated ones, at maximum loads from 735-755 kN. The minimum values of cycles before the appearance of cracks and the loss of the bearing capacity of the spring beam of the trolley of freight rail transport have been established.

Ключевые слова: надрессорная балка, цилиндрический подпятник, амплитуда, подпятник.

Keywords: over-spring beam, cylindrical support, amplitude, support.

Введение. Вопрос обеспечения безопасности движения, надежности конструкции и снижения металлоемкости на сегодняшний день все еще остаётся актуальным. Надрессорная балка считается один из важных узлов тележки грузового вагона. Обеспечение надежности тележки грузового вагона в частности надрессорной балки необходимо рассматривать в совокупности, так как надежность и долговечность вагонов, которые непосредственно отвечают за безопасность движения, желательно осуществлять без повышения их материалоемкости.

Улучшение эксплуатационных и технологических свойств промышленных изделий, повышение технического уровня и качества выпускаемой продукции является одной из основных задач науки и техники. Большинство деталей в процессе эксплуатации подвергаются циклическим нагрузкам. Поэтому проблема выносливости материалов актуальна и для железнодорожной отрасли [1].

Немаловажную роль в обеспечении безопасности движения играют литые детали тележек грузовых вагонов, в частности, надрессорная балка, являющаяся ее наиболее важной деталью. Передавая нагрузку от кузова вагона через рессорные комплекты на колесную пару, она выполняет наиболее ответственную функцию. Общий вид тележки вагона представлена на рис.1.

1-колесная пара, 2-боковая рама, 3-рессорное подвешивание, 4-шкворень, 5-тормозная рычажная передача, 6-надрессорная балка, 7-балка опорная авторежима, 8-скользун

Рисунок 1. Общий вид тележки грузового вагона

Одна из проблем надрессорных балок - излом. По статистическим данным на железнодорожном транспорте с ростом грузоперевозок резко увеличились проблемы литых деталей тележек модели 18-100 и за последнее 15 лет увеличились изломы надрессорных балок в 3…5 раз. Несмотря на изменения конструкции и технологии изготовлении надрессорных балок с целью снизить риск аварии на железных дорогах, количество проблем, связанных с этим дефектом, не уменьшаются, а в ряде случаях увеличиваются. Согласно статистике, в России с 2010 по 2022 г произошло 190 случай излома надрессорных балок из них 20 крушений и 2 аварии [2]. Поэтому продолжает сохраняться актуальность работы по дальнейшему повышению надежности надрессорных балок.

Объекты и методы исследования

Прочностная надежность надрессорной балки непосредственно связана с безопасностью движения. Имеются случаи выхода из строя надрессорных балок по причине появления усталостных трещин [3], по износу балок в зоне подпятника и фрикционного гасителя колебаний и так далее. Все это говорит об их недостаточной прочности. Поэтому исследование напряженно - деформированного состояния надрессорных балок, является актуальной задачей.

Существующие методы расчета долговечности нерегулярно нагруженных конструкций по ряду причин не дают достоверного. Разработчики новых конструкций опираются на результаты стендовых испытаний отдельных элементов и ходовых испытаний вагонов. Это требует больших временных и материальных затрат. Поэтому вопросы прогнозирования надежности вагонных конструкций на стадии проектирования являются актуальными.

Надрессорная балка - часть конструкции тележки вагона. Изготавливается такая деталь методом литья. Выполнена в форме бруса, замкнутого коробчатого сечения. К балке требуется повышенные требования прочности и износоустойчивости, как и ко всем деталям железнодорожного состава. Надрессорная балка служит соединительным звеном между двумя боковыми рамами. То есть, фактически, в сборе - это основа колёсной тележки вагона. На неё крепятся детали амортизирующей системы вагона. С момента изобретения железной дороги постоянно ведутся научно-исследовательские работы по усовершенствованию конструкции над рессорной балки. Особые требования к этому типу деталей, в первую очередь, обусловлены высокими нагрузками. Вагоны должны пройти не один миллион километров, прежде чем потребуют ремонта.

Типовая надрессорная балка содержит верхний пояс, нижний пояс и боковые стенки. На верхнем поясе расположены опорные площадки под боковые скользуны и цилиндрический подпятник. Нижний пояс выполнен с опорными поверхностями под упругие элементы рессорного подвешивания, которые переходят в наклонные пояса через утолщенные зоны. Верхний пояс соединен с нижним поясом вертикальными продольными ребрами. Вертикальные ребра выполнены разной толщины. Толщина вертикальных ребер в зоне упругих элементов и цилиндрического подпятника увеличена. Радиус скругления переходов наклонных стенок карманов в опорные поверхности больше радиуса скругления переходов вертикальных стенок в опорные поверхности. Достигается повышение прочности надрессорной балки тележки грузового вагона [4].

Далее рассмотрим несколько видов надрессорный балки.

На рис.2.а, представлена надрессорная балка тележки грузового вагона повышенной грузоподъемности верхний пояс которого в зонах перехода от площадок под скользуны к концевым частям с внутренней стороны подкреплен ребрами ограниченной высоты, расположенными симметрично относительно продольной оси балки на расстоянии а от нее. Центральный сегмент наклонной стенки кармана для клина фрикционного гасителя колебаний углублен к продольной оси балки по отношению к боковым сегментам и имеет плоскую поверхность, параллельную продольной оси, а боковые сегменты имеют плоские поверхности, направленные навстречу друг другу под углом β к плоскости, параллельной продольной оси балки. Опорные площадки под скользуны сопряжены с верхним поясом балки сегментами поверхностей переменного радиуса, а также подпятник с внутренней стороны балки подкреплен системой ребер ограниченной высоты параллельных продольной оси и ребер ограниченной высоты, расположенных под углом к ней, между боковыми стенами и вертикальным ребром, а отверстие под шкворень вагона выполнено во втулке, имеющей форму перевернутого усеченного конуса, опирающейся на вертикальное ребро и с помощью ребер ограниченной высоты, соединенной с боковыми стенами по нормали к ним [5].

Следующая надрессорная балка конструкция которого изучалась содержит торец, при этом торец содержит верхнюю торцевую поверхность и по меньшей мере одну поверхность для износостойкой пластины содержащий верхнее и нижнее болтовые отверстия (рис.2.б). В верхней торцевой поверхности выполнены две конструкционные углубления, которые содержат соединительные поверхности и поверхности с регулируемым наклоном. Соединительные поверхности расположены параллельно поверхности для износостойкой пластины [6].

Авторами [7] предложена надрессорная балка (рис.2.в.), содержащая две вертикальные боковые стенки и подпятник, сопряжённый с упомянутыми вертикальными боковыми стенками, это надрессорная балка дополнительно включает в себя рёбра жёсткости, выполненные в зонах сопряжения подпятника и вертикальных боковых стенок снаружи надрессорной балки, при этом расстояние между соседними рёбрами составляет от 0,4 до 5,8 мм от толщины примыкающей к ним вертикальной боковой стенки 2.

На (рис.2.д.) представлены разнообразные изображения сравнительной надрессорной балки, которая содержит множество болтов, проходящих в отверстие в верхнем элементе. [8]

Рисунок 2. Надрессорная балка тележки грузового вагона повышенной грузоподъемности

Исходя из требований и возможности ДП “Литейно-механический завод” (ЛМЗ)  республике Узбекистан и программе локализации выпускаемой продукции нами было поставлено задача разработать новую конструкцию надрессорной балки с учетом механических характеристики свойства материалла. Впроизводственных условиях провели лабораторные эксперементальные исследовании надрессорной балки на усталость.

Проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях по проверке сопротивления усталости литых надрессорных балок производилось по требованию ГОСТ 9246. Экспериментальные лабораторные испытания производилось в лаборатории ЛМЗ на стенде ИСРБ-1000 (схема стенда представлено на рис.3).

Стенд предназначен для проведения усталостных испытаний отливок боковой рамы и надрессорной балки тележки грузовых вагонов колеи 1520 мм. Стенд позволяет осуществить нагружение B вертикальной плоскости постоянной и переменной нагрузками в области сжатия до 1000 кН. Ширина опорного элемента равна ширине горизонтальной части опорной поверхности надрессорной балки между поверхностями, а длина 150-200 мм.

На надрессорную балку установленную на две опоры испытательную нагрузку прикладывают через вкладыш, выполненный в форме пятника. При испытаниях фиксируют число циклов  до появления первой, а также других макротрещин длиной (10-15) мм определяемых визуально, и число циклов  до потери несущей способности или разрушения с указанием номера макротрещины, по которой произошло разрушение детали.

Полученные при испытаниях значения числа циклов  и , округляют в меньшую сторону с точностью до тысячи циклов. После прекращения испытаний на усталость при наличии макротрещины деталь следует нагрузить повышенной квазистатической нагрузкой до раскрытия макротрещины для изучения особенностей зоны усталостного разрушения.

В таблице 1 приведены критерии испытания, такие как амплитуда, максимальная нагрузка, количество циклов и время испытаний.

Таблица 1.

Технические характеристики

Методика полных ускоренных испытаний применяется при проведении предварительных, приёмочных, квалификационных и типовых испытаний надрессорных балов и боковых рам (параметры испытаний приведена на таблице-2). Надрессорную балку согласно методики проведения эксперементално-лабораторных испытаний испытывают при ассиметричном цикле нагружения до разрушения или достижения базового числа циклов N = .

Таблица 2.

Полные динамические испытания на усталость надрессорных балок

Рисунок 3. Общей вид испытатаельного стенда ИСРБ-1000 во время проведения динамических испытаний на усталость надрессорных балок в лаборатории ЛМЗ

Таблица 3.

Результаты экспериментальных исследований надрессорной балки в лабораторном стенде

Заключение. Экспериментальное исследование надрессорной балки по методике полных ускоренных испытаний необходимо провести 9 раз в условиях различных: амплитуд, максимальных нагрузках, количествах циклов.

Все испытания будут проводится в соответствии с таблицей 2, после чего нами будет произведен полный анализ влияний динамических нагрузок на усталости надрессорной балки. Исходя из полученных результатов планируется разработка новый конструкции надрессорной балки в условиях завода ЛМЗ. Лучшие результаты наблюдались при максимальной нагрузке 745 кН и балка потеряла свою несущую способность при 6,182 млн. циклов, это на 39 % больше от требуемого показателя прочности.

Список литературы:

1. Косарев, B.Л. Оценка усталостной прочности надрессорной балки тележки грузового вагона. / В.Л. Косарев. // Тр. ВНИИЖТ. - 1982. - № 652. - С. 120-128.
2. Иванова, B.C. Природа усталости металлов / B.C. Иванова, В.Ф. Терентьев. -М.: Металлургия, 1975.-454 с.
3. Панин, В.Е. Анализ полей векторов смещений и диагностики усталостного разрушения на мезоуровне / В.Е. Панин, B.C. Плешанов, В.В. Кибиткин, C.B. Сапожников // Дефектоскопия. 1998. - №2. - С.80-87.
4. Надрессорная балка тележки вагона RU (11)2 388 632 С1 Хоминич В.С., Богданов В. П., Барановский А. В.,
5. Гамзалов Станислав Джахпарович, Воронович Виктор Петрович, Радзиховский Адольф Александрович, Омельяненко Игорь Александрович, Фомин Андрей Иванович, Тимошина Лариса Адольфовна, Черкасец Ярослав Владимирович, Столбун Максим Леонидович / Балка надрессорная тележки грузового вагона повышенной // RU 117 129 U1, Саратовская обл., г. Энгельс, 20.06.2012г..
6. Косеглиа, Джон (US) / Надрессорная балка тележки железнодорожного вагона // RU 2 746 418 C1,г. Москва, 13.04.2021г..
7. Савушкин Роман Александрович, Кякк Кирилл Вальтерович, Турутин Иван Владимирович / Надрессорная балка. // RU 172 939 RU 2 746 418 C1, Санкт-Петербург, 1.08.2017 г..
8. Косеглиа, Джон (US) / Надрессорная балка тележки железнодорожного вагона// RU 2 746 418 C1,г. Москва, 13.04.2021г..
9. Yadgor Ruzmetov and Dilmira Valieva, “Specialized railway carriage for grain”, E3S Web of Conferences 264, 05059 (2021). https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126405059
10. Yunusov S., Sultonov A., Rakhmatov M., Bobomurotov T., Agzamov M. / Results of studies on extending the time operation of gin and linter grates // (2021) E3S Web of Conferences, 304, art. no. 03028, DOI: 10.1051/e3sconf/202130403028, https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0 85146382816&doi=10.1051%2fe3 sconf%2f202130403028&partnerID=40&md5=9f0364f7c83a8bea124ef0c7da7a9cc1
11. Dzhuraev A., Yunusov S., Mirzaumidov A., Umarov K., Matkarimov А. / Development of an effective design and calculation for the bending of a gin saw cylinder. // (2020) International Journal of Advanced Science and Technology, 29 (4), pp. 1371 - 1390, https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-85082124379&partnerID=40&md5=58419eac3ecbd4444b5ac743ed2db926
12. Турсунов, Н. К., Алимухамедов, Ш. П., Кучкоров, Л. А., & Тоиров, О. Т. (2022). Прочностные характеристики литых деталей тележек подвижного состава.
13. Турсунов, Н. К., Алимухамедов, Ш. П., Уразбаев, Т. Т., & Тоиров, О. Т. (2022). Исследование прочностных характеристик боковых рам тележек подвижного состава.