Стендовые испытания на усталость опытных образцов рамы тележки

2.2.1 Программа испытаний

Проводились испытания четырех натурных образцов боковин, две из которых (№780 и №781) не обработаны совсем и две (№788 и №793) виброобработаны.

Предварительно, перед стендовыми циклическими испытаниями, на ЗАО УК «БМЗ» специалистами ФГУП «ЦНИИ ТС» проводилась низкочастотная вибрационная обработка (НВО) боковин с использованием их методики [5] и оборудования – виброкомплекса ВТУ-01. В рамках этой работы специалистами ФГУП «ЦНИИ ТС» были решены следующие основные задачи:

- разработаны схемы расположения мест установки виброопор и вибровозбудителя;

- разработаны схемы расположения точек измерения остаточных напряжений;

- проведено НВО с измерением остаточных напряжений до и после обработки;

- проведен анализ и дана оценка эффективности НВО.

Настоящие испытания боковин рамы и рамы в целом тележки тепловоза ТЭМ18 проведены с целью:

- определения эффективности применения метода (НВО) на натурных образцах (боковинах рамы) и раме тележки в целом вместо применявшегося ранее отжига;

- оценки характеристик сопротивления усталости рамы тележки, обработанной по методу НВО.

В объеме подготовки к проведению испытаний выполнено следующее:

- изготовлена технологическая оснастка для проведения циклических испытаний на сопротивление усталости;

- боковины рам тележек оборудованы тензорезисторами для определения напряженно-деформированного состояния и контроля режима испытаний при ее циклическом нагружении.

Схема расположения тензорезисторов на раме выбиралась с учетом ее напряженного состояния, определенного ранее.

Испытания проводились в Испытательном центре ВНИКТИ с использова­нием соответствующего аттестованного стендового оборудования СТ-122.

2.2.2 Метрологическое обеспечение испытаний

Испытания на сопротивление усталости боковин рамы тележки проводились с использованием средств испытаний включающих: средства измерения и испытательное оборудование. Средства измерения проверены, а испытательное оборудование аттестовано согласно требованиям НД.

Исследование НДС боковин рамы тележки при испытаниях от действия динамических нагрузок проводилось с использованием тензометрической аппаратуры:

- измерительно-вычислительный комплекс MIC-026, имеющего погрешность измерения 0,5%;

- тензорезисторы базой 10-20 мм, со среднеквадратическим отклонением тензочуствительности не более 4%.

Испытания на усталость рамы тележки проводились на стенде СТ-122, на котором погрешность задания испытательных нагрузок не превышает 1%. Внешний вид боковины рамы тележки, установленной на стенде СТ-122, приведен на рисунке 1, эскиз стенда приведен на рисунке 2.

Рис. 1. Внешний вид боковины на стенде СТ-122

1. Пружины 2. Литые массы 3. Боковина 4. Шарнирные опоры 5. Вибратор 6, 10. Грузы 7. Шестерня 8. Стойки 9. Пружина статического нагружения 11. Вал привода 12. Электродвигатель
Рис. 3. Эскиз машины для испытаний на усталость боковин рам тележек

2.2.3 Результаты виброобработки боковин рамы тележки

В процессе подготовки к стендовым испытаниям на сопротивление усталости две боковины прошли обработку. Обработка боковин проведена с использованием виброкомплекса ВТУ-01 в режиме, имеющим следующие параметры: резонансная частота – 48 Гц; величина дисбаланса – 50%; время обработки – 20 минут.

В процессе исследования ФГУП «ЦНИИ ТС» проводилось измерение уровня остаточных напряжений в элементах боковины до и после обработки. Схема расположения точек замера остаточных напряжений на боковинах №788 и №793 приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Схема расположения точек на боковинах №788 и №793 для измерения уровня остаточных напряжений

Исследование показали следующее:

1. Максимальный уровень остаточных напряжений в элементах боковин до виброобработки составил:

- в зонах приварки больших поводковых кронштейнов к нижнему листу боковины от 180 до 190 МПа;

- в зонах приварки малых поводковых кронштейнов к нижнему листу боковины от 155 до 185 МПа;

- в зонах приварки опор под буксовые пружины остаточные напряжения от 160 до 170 МПа.

2. После виброобработки остаточные напряжения снизились до 60% только в локальной зоне – средней части боковины (в зоне установки виброкомплекса).

2.2.4 Результаты циклических испытаний боковин рамы тележки

Испытания на сопротивление усталости проводились в асимметричном режиме нагружения под действием: средней нагрузки цикла (), равной стати­ческой нагрузке () от сил тяжести кузова и амплитуды цикла (), которая принимается равной ожидаемому пределу выносливости. По результатам ранее проведенных испытаний [7] предел выносливости боковин данной конструкции, прошедших термообработку, составил 40 МПа.

Боковина №780 при амплитуде цикла прошла циклов нагружения и получила повреждение (трещину), внешний вид которой приведен на рисунке 4. Разрушение произошло по основному металлу верхнего листа. Трещина длиной 115 мм расположена в районе установки вибратора стенда с переходом на боковой лист длиной 80 мм. Металлографический анализ трещины показал, что сварной шов приварки бокового листа к верхнему листу выполнен автоматической сваркой под флюсом – шов качественный, пор, шлаковых включений, неоднородности металла не обнаружено.

Боковина №781 при амплитуде цикла прошла заданную базу испытаний ( циклов нагружения) без повреждений. Затем амплитуда цикла была увеличена до и испытания были продолжены. При такой нагрузке боковина получила разрушение в виде трещины через 650 тысяч циклов нагружения. Трещина возникла в той же зоне что и на боковине №780. Внешний вид трещины на боковине №781 приведен на рисунке 5.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что ориентировочно предел выносливости необработанных боковин составляет . Столь низкое значение предела выносливости можно объяснить в первую очередь негативным влиянием остаточных напряжений высокого уровня на несущую способность конструкции.

Рис. 4. Трещина на боковине №780

Рис. 5. Трещина на боковине №780

Боковина №793 при амплитуде цикла прошла циклов нагружения и получила повреждение (трещину) в своей средней части в зоне приварки малого поводкового кронштейна к нижнему листу боковины. Внешний вид излома приведен на рисунке 6. Данные металлографических исследований этого излома показали, что очаг возникновения трещины находится в корне сварного шва приварки бокового листа с нижним листом – сварной шов Т1Д8 ГОСТ8713 – 79, усталостная трещина длиной не более 22 мм. После пересечения усталостной трещиной толщины нижнего листа произошел хрупкий излом – трещина пошла по нижнему листу (длина трещины около 200 мм) и по боковому листу на всю высоту его. При этом сварные швы выполнены качественно, пор, шлаковых включений, неоднородности металла не обнаружено. При этом, по данным отчета [6], в зоне возникновения трещины уровень остаточных напряжений после проведения низкочастотной виброобработки сни­зился со 190 МПа до 118 МПа.

Боковина №788 при амплитуде цикла прошла заданную базу испытаний без повреждений. Затем амплитуда цикла была увеличена до и испытания были продолжены. При такой нагрузке боковина получила разрушение в виде трещины через циклов нагружения. Трещина возникла в средней части боковины в зоне приварки накладки к боковой стенке. Внешний вид трещины на боковине приведен на рисунке 7. Последующие металлографические исследования данного излома показали, что длина усталостной трещины не более 14 мм, а далее произошел хрупкий излом – одна трещина пошла по верхнему листу (длина трещины 175 мм), вторая – по боковому листу и накладке (длина трещины 260 мм) до сварного шва приварки бокового листа к нижнему листу. При этом сварные швы выполнены качественно, пор, шлаковых включений, неоднородности металла не обнаружено.

Затем испытания были продолжены с целью долома. Однако дальнейшие исследования показали, что данная трещина практически прекратила свой рост, а через 300 тысяч циклов нагружения на боковине в ее средней части образовалась новая трещина в зоне приварки малого поводкового кронштейна к нижнему поясу.

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о том, что предел выносливости виброобработанных боковин в первом приближении составляет

Рис. 6. Трещина на боковине №793

Рис. 7. Трещина на боковине №788

2.2.5 Оценка эффективности применения НВО

По результатам проведенных исследований установлено:

1. Предел выносливости необработанных боковин рамы тележки равен в первом приближении 30 МПа, что само по себе является низким по отношению к пределу выносливости аналогичных сварных конструкций.

2. Предел выносливости боковин рамы тележки, подвергнутых низкочас­тотной вибрационной обработке, находится в пределах 30-32 МПа, т.е. почти не изменился.

3. Таким образом, результаты проведенных исследований не подтвердили эффективности реализованного метода низкочастотной вибрационной обработки для снижения уровня остаточных напряжений при заданных режимах нагружения.

Выводы

1. По результатам проведенных испытаний на усталость пределы выносливости необработанных и прошедших НВО боковин рамы тележки тепловоза ТЭМ18 составили () и практически совпадают между собой.

В связи с этим считаем целесообразным рекомендовать разработчикам метода НВО доработать процесс обработки в направлениях в частности:

- применения виброкомплекса большей мощности, обеспечивающего более высокие частоты обработки;

- усовершенствования способа крепления виброкомплекса к боковине с целью уменьшения рассеивания части энергии от вибрации, создаваемой комплексом, с разработкой технологической оснастки для установки боковины и крепления виброкомплекса как на боковине, так и на раме тележки.

В процессе виброобработки боковин следует провести замеры не только остаточных напряжений, но и тензометрирование наиболее нагруженных элементов боковины, а также амплитуд перемещений боковин

2. Для повышения сопротивления усталости боковин необходимо внести соответствующие конструктивные изменения боковины в части приварки накладок в зоне окон под рычаги тормозной системы, поскольку незаконченные сварные швы являются концентраторами напряжений и очагами зарождения трещин.

Список использованной литературы

1. Васильев В. И. «Истоки и русло» – Брянск: издательство «Дебрянск», 1993

2. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений – М.: Машиностроение, 1974

3. Недосеко А.Я. Эффективность методов снижения остаточных напряжений – Автоматическая сварка, 1974, №3.

4. Ярлыков А.П., Смирнов В.Г. Теоретические основы низкочастотной вибрационной обработки металлоконструкций – НИИТМ, УДК621.9.048.6

5. 5Р.ГКЛИ. 0104-216-95 «Снижение уровня остаточных напряжений и деформаций деталей и корпусных конструкций методом низкочастотной вибрационной обработки. Основные положения по технологии проведения».

6. «Проведение научно-исследовательских и опытных работ по снятию напряжений в боковинах рамы тележки локомотива ТЭМ18» – С-Пб.: Технический отчет ФГУП «ЦНИИ ТС», 2009

7. Исследование напряженного состояния и усталостной прочности боковин рам тележек тепловоза 2ТЭ116 1 – Технический отчет ВНИТИ, И-105-76

Дата добавления: 2015-07-18