Существующая долгое время проблема отказа в эксплуатации боковой рамы 18-100 касается всех производителей крупного вагонного литья.
Проведенный в ООО «ГСКБВ» анализ прочностных расчетов методом конечных элементов боковой рамы 100.00.002-4 тележки 18-100 c учетом вертикальных статических и динамических нагрузок, боковых сил, воздействующих на боковую раму тележки в эксплуатации, показал, что конструкция боковины не соответствует нормативной документации. Аналитическая оценка конструкции была проведена с использованием программного комплекса «ANSYS», обеспечивающего высокую достоверность анализа прочностных характеристик сложных конструкций. Результаты выполненного анализа показали, что во всех зонах боковой рамы, в которых по статистике происходит наибольшее количество изломов в эксплуатации (внутренний и наружный радиусы буксового проема, нижний радиус рессорного проема), напряжения превышают допускаемые нормативной документацией на 15÷30%. Анализ усталостной прочности боковины показал, что коэффициент запаса усталостной прочности также значительно ниже минимально допускаемого значения.
Это является, наряду с технологическими факторами, одной из причин многочисленных отказов боковых рам 100.00.002-4 в эксплуатации.
Поэтому перед производством и инженерными службами ПАО «Азовмаш» возникла задача по повышению надежности боковой рамы для обеспечения безотказной эксплуатации в течение всего назначенного срока службы 32 года.
Еще в 2011 году была поставлена на производство боковая рама 1750.00.102 усиленной конструкции, рассчитанная на нагрузку 25 тс, унифицированная по монтажным размерам с тележкой модели 18-100 и отвечающая всем нормативным требованиям к надежности и прочности конструкции. Полученное по результатам усталостных испытаний девяти образцов новой боковой рамы значение коэффициента запаса усталостной прочности n для осевых нагрузок 23,5 и 25 тс составило 2,24 и 2,12 соответственно, при минимальном допускаемом значении 1,8.
Однако в последнее время был внесен ряд изменений в нормативную документацию [1], которые направлены на ужесточение режимов усталостных испытаний. Кроме того, разрабатывается новый Межгосударственный стандарт [2], устанавливающий новые требования к прочности грузовых вагонов и их элементов. Несмотря на то, что конструкция боковой рамы 1750.00.102 соответствует всем вновь принятым и разрабатываемым нормативным требованиям, что подтвердили проведенные по новой методике усталостные испытания, запас прочности конструкции является минимальным и не превышает 5 %.
Поэтому уже в 2012 году в ПАО «Азовмаш» были продолжены работы по совершенствованию конструкции боковой рамы 1750.00.102 с целью улучшения ее прочностных характеристик и обеспечения большего запаса прочности конструкции с учетом перспективных эксплуатационных нагрузок. ООО «ГСКБВ» совместно с технологами была переработана и оптимизирована конструкция узлов, наиболее уязвимых к появлению усталостных трещин. Новая конструкция боковой рамы обладает высокой технологичностью, ее особенности позволяют снизить влияние технологических факторов на появление дефектов в труднодоступных для контроля участках (внутренние полости коробчатого сечения боковины в районе буксового проема и нижнего пояса под рессорным проемом).
За последние два года была значительно расширена материально-техническая база предприятия. Была приобретена рабочая станция (ЭВМ), оснащенная современным программным обеспечением, позволяющая ускорить выполнение прочностных расчетов методом конечных элементов и повысить точность получаемых результатов. Кроме того, был приобретен программный комплекс для моделирования технологических процессов литейного производства, позволяющий выявлять участки литых деталей подверженных возникновению характерных для литейного производства дефектов. Это позволило на стадии разработки технологического процесса изготовления рамы 1750.00.102 откорректировать литейную оснастку и подобрать оптимальные режимы заливки стали в литейные формы с целью обеспечения качества производства боковой рамы новой конструкции.
Расчет на прочность боковой рамы 1750.00.102, как и боковой рамы 100.00.002-4, предусматривал оценку ее напряженно-деформированного состояния от воздействия расчетных нагрузок, предусмотренных проектом Межгосударственного стандарта [2].
В таблице 1 представлены результаты расчета на прочность боковых рам 100.00.002-4 и 1750.00.102. При этом расчетные нагрузки для боковин 100.00.002-4 и 1750.00.102 определялись с учетом осевой нагрузки тележки 23,5 и 25 тс соответственно.
В таблице 2 приведены результаты расчета по определению коэффициента запаса усталостной прочности рассматриваемых в данной статье боковых рам.
Для экспериментального подтверждения результатов проектирования было приобретено специализированное оборудование, оснащенное современными средствами контроля и регистрации параметров испытаний, позволяющее выполнять оценку статической и усталостной прочности литых деталей тележки.
Выполненный полный комплекс испытаний боковой рамы 1750.00.102 с улучшенными параметрами подтвердил правильность выбранных конструкторских и технологических решений. Полученный экспериментально коэффициент запаса усталостной прочности боковой рамы при осевой нагрузке тележки 23,5 тс составил 2,52 при его минимальном допустимом значении 1,8. Кроме того, уже сейчас конструкция боковины обеспечивает достаточную усталостную прочность при осевой нагрузке не только 25 тс, но и 27 тс, обеспечивая коэффициент запаса усталостной прочности 2,33 и 2,15 соответственно.
Наличие собственной технической базы для проведения полного комплекса испытаний крупного вагонного литья позволило отслеживать характер и развитие усталостных трещин. Были проведены исследования влияния усталостных трещин на изменение напряженно-деформированного состояния конструкции.
Результаты усталостных испытаний показали, что улучшенная конструкция боковой рамы 1750.00.102 обладает повышенной «живучестью», т.е. удалось значительно увеличить количество циклов действия амплитудной нагрузки на раму с момента зарождения усталостной трещины до потери рамой несущей способности.
Результаты проведенной работы позволили создать боковую раму, обеспечивающую перспективу повышения осевой нагрузки до 27 тс.
Кроме того, найдены принципиальные решения по дальнейшему совершенствованию конструкции боковых рам и надрессорных балок, имеющих высокую эксплуатационную надежность. Уже сейчас с учетом приобретенного опыта создания литых деталей тележки грузовых вагонов в ПАО «Азовмаш» создана модель перспективной боковой рамы, конструкция которой кардинально отличается от предыдущих вариантов. В конструкции применен ряд оригинальных инженерных решений. При этом был сохранен принцип унификации боковой рамы по монтажным размерам с боковой рамой 100.00.002-4 тележки модели 18-100. Проведенные предварительные теоретические исследования прочности боковой рамы перспективной конструкции показали, что принятые конструкторские решения позволяют добиться снижения уровня напряжений в ответственных зонах боковой рамы (буксовый узел, рессорный проем) на 15÷20 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Надрессорные балки и боковые рамы литые двухосных тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм. Методика испытаний на усталость. ОАО «НИИ вагоностроения » - ОАО «ВНИИЖТ», М., 2010 г.
- Проект ГОСТа Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам.
