По выполнению курсовой работы

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

РАСЧЕТ ДОЛГОВЕЧНОСТИ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ВАГОНОВ

Методические указания к выполнению курсовой работы

для студентов заочной формы обучения по специальности 190302 – «Вагоны»

Брянск 2011

ББК 65.050.9(2)

Расчет долговечности сварных соединений несущих конструкций вагонов: Методические указания к выполнению курсовой работы для студентов заочной формы обучения по специальности 190302 – «Вагоны» – Брянск: БГТУ, 2005. – 19 с.

Разработали В.В. Кобищанов

докт. техн. наук, проф.

Д.Я. Антипин

канд. тех. наук

Усталостная долговечность сварных несущих конструкций вагонов определяется усталостной долговечностью имеющихся сварных соединений. Зоны сварных соединений являются наиболее частыми источниками усталостных повреждений конструкций вагонов, что связано с концентрацией в них напряжений и наличием сварочных дефектов.

Из всей совокупности нагрузок в качестве основных источников усталостного повреждающего воздействия можно выделить циклические нагрузки, возникающие при движении вагона по неровностям пути. Общее количество циклов таких динамических нагрузок, действующих на вагон за срок эксплуатации, значительно превышает 10⁶ циклов. Оценку усталостной долговечности сварных несущих конструкций, работающих в условиях подобного нагружения выполняется в рамках модели многоцикловой усталости на основе линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений при неустановившемся режиме нагружения.

Исходя из гипотезы суммирования усталостных повреждений для неустановившегося режима нагружения, полное повреждение наступает при равенстве единице суммы всех повреждений [1]. Данное условие записывается в следующем виде

, (1)

где - число повторений амплитуды напряжений величиной за срок службы детали; - число циклов, при котором происходит полное повреждение при амплитуде напряжений .

Большое количество экспериментальных проверок данной гипотезы показало отклонение общей суммы относительных повреждений [1], в связи с чем формула (1) принимает вид

, (2)

где а - коэффициент, имеющий значения в пределах 0,5< а< 2 [1].

В соответствии с [2] оценка усталостной долговечности несущих конструкций вагонов осуществляется с учетом наличия запаса сопротивления усталости

, (3)

где - величина предела выносливости натурной детали вагона (по амплитуде), вычисленная для симметричного цикла при базовом числе циклов испытаний; - расчетное значение амплитуды динамического напряжения условно симметричного цикла нагружения детали вагона, приведенная к базовому числу циклов испытаний и эквивалентное по повреждающему воздействию реальному режиму эксплуатационных случайных напряжений за проектный срок службы конструкции; - допускаемое значение коэффициента запаса сопротивления усталости.

Выбор значения осуществляется по рекомендациям Норм в пределах 1,3 < <2,2 в зависимости от типа детали вагона и надежности данных по пределу выносливости и эксплуатационной нагруженности исследуемой детали.

В табл. 1 приведены допускаемые значения коэффициента запаса сопротивления усталости для случая использования приближенных данных по , определяемых расчетным путем и приближенных данных по , определяемых также расчетным путем.

Таблица 1

Допускаемые значения коэффициентов запаса сопротивления
усталости

Элемент конструкции	значения
Элементы кузова всех типов	1,8
Тележки, сцепные и тормозные устройства грузовых и изотермических вагонов	2,0
Тележки, сцепные переходные и тормозные устройства пассажирских вагонов	2,1
Колесные пары и их связи с рамой тележки вагонов всех типов	2,2

Базовое число циклов в соответствии с [2] для несущих деталей вагона принимается равным =10⁷ циклов.

Определение предела выносливости натурной детали осуществляется с учетом вероятностного рассеивания характеристик сопротивления усталости и распределения мгновенных значений случайных величин, близкого к нормальному, с помощью выражения

, (4)

где - среднее значение предела выносливости натурной детали;
- квантиль распределения соответствующей вероятности P, принимаемый из условия, что - случайная величина, имеющая нормальный закон распределения; - коэффициент вариации предела выносливости детали.

Значение принимается для основных несущих деталей вагонов для вероятности Р= 0,95 равным =1,645[2], значение принимается в зависимости от марки стали и условий проведения сварочных работ в пределах 0,05< <0,12 в соответствии с табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов вариации пределов выносливости

Элемент конструкции	значение
Сварные рамы и балки из листового и фасонного проката при автоматической сварке под слоем флюса и в среде защитного газа	0,05
тоже при полуавтоматической и ручной сварке	0,07
Зоны приварки к балкам кронштейнов и других деталей ручной сваркой	0,10
Стальные отливки	0,10
Зоны приварки литых деталей к прокатным и наоборот	0,12

Среднее значение предела выносливости натурной детали определяется выражением [2]

, (5)

где - среднее (медианное) значение предела выносливости гладкого стандартного образца из материала детали (по ГОСТ 25.502-79) при симметричном цикле изгиба на базе ; - среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости натурной детали по отношению к пределу выносливости гладкого стандартного образца.

Значение принимают в зависимости от марки стали по справочным данным [2].

Величина коэффициента определяется по следующей формуле [2]

, (6)

где - эффективный коэффициент концентрации напряжений в зоне сварного шва; - коэффициент неоднородности материала; - коэффициент влияния упрочняющей поверхностной обработки детали; - коэффициент влияния размеров детали; - коэффициент влияния качества поверхности детали.

Определение значения коэффициента концентрации напряжений в зоне сварного соединения осуществляется с помощью уточненных аппроксимирующих зависимостей, полученных экспериментальными, а также численными методами Расчет коэффициента концентрации напряжений в зоне стыкового сварного шва осуществляется по зависимости

, (7)

где - коэффициент концентрации, обусловленный формой сварного шва; - коэффициент концентрации, связанный с величиной несоосности свариваемых листов D.

Коэффициент определяется на основании геометрических параметров стыкового шва (рис 1) с помощью аппроксимирующих зависимостей 8 – 13, соответственно.

Рис. 1. Схема стыкового сварного шва:

g – высота сварного шва; e – ширина сварного шва; R – радиус перехода от наплавленного металла к основному, q – угол подъема наплавленного метала; s – максимальная толщина свариваемых детали; t – глубина подреза.

(8)

; (9)

; (10)

; (11)

; (12)

, (13)

где и коэффициенты, определяемые по формулам

, (14)

. (15)

Выбор зависимости для конкретного сочетания геометрических параметров шва проводится по приведенным в табл. 3 зонам «достоверной рекомендации»

Таблица 3

Рекомендуемые области применения зависимостей

для определения

№ формулы	R/s	g/s	e/s	θ
	0,01 – 0,1	0,1 – 0,25	0,15 – 2,3	45 – 60
	0,01 – 0,03	0,2	1,0	–
	0,01 – 0,1	0,1 – 0,2	0,15 – 2,3	18 – 30
	0,03 – 0,1	0,05 – 0,1	0,15 - 2,3	15 – 60
	0,05 – 0,1	0,2 – 0,25	1,0 – 2,3	30 – 45
	0,01 – 0,1	0,1 – 0,2	0,15 – 2,3	45 – 60

Исходя из условия, что исходная средняя линия свариваемых листов 1 (рис. 2) после нагружения примет вид 2 при базе волны неровности L, значительно превышающей толщину листов коэффициент определяется по приближенной зависимости

, (16)

Рис. 2. Схема стыкового сварного шва с несоосностью свариваемых листов:

1 – до нагружения; 2 – после нагружения.

Расчет коэффициента концентрации напряжений в зоне таврового сварного шва с учетом его сложного нагружения осуществляется по зависимости

, (17)

где - коэффициент концентрации напряжений при изгибном нагружении таврового сварного шва (рис 3,а); - коэффициент концентрации напряжений при нормальном нагружении таврового сварного шва (рис 3,б).

Коэффициент определяется на основании геометрических параметров таврового шва (рис 3) с помощью аппроксимирующих зависимостей 18 – 21

; (18)

; (19)

. (20)

а)

б)

Рис. 3. Схема таврового сварного соединения:

а – изгибное нагружение; б – нормальное нагружение;

s, s₁ – толщины свариваемых листов; h – ширина таврового сварного шва;R – радиус перехода от наплавленного металла к основному, q – угол подъема наплавленного метала;

Выбор зависимости для конкретного сочетания геометрических параметров таврового сварного шва проводится по приведенным в табл. 4 зонам «достоверной рекомендации».

Таблица 4

Рекомендуемые области применения зависимостей

для определения

№ формулы	R/s	h/s	θ°
	0,08 – 0,2	0,5 – 1,2	30 – 80
	0,02 – 0,2	0,5 – 1,2	30 – 80
	0,02 – 0,14	0,5 – 1,2	30 – 45

Определение коэффициента концентрации напряжений в зоне шва при нормальном нагружении осуществляется по зависимости

. (21)

Значения коэффициентов , и принимаются в зависимости от типа материала детали, ее характерных размеров и качества поверхностей в соответствии с рекомендациями «Норм» (табл.5).

Таблица 5

Коэффициент	Характеристики детали	значение
	Стальной прокат, поковки и горячие штамповки	1,1
Стальные холодные штамповки и отливки	1,2
Прокат из алюминиевых сплавов	1,2
	Характерный размер поперечного сечения детали: до 50 мм	1,0
50 – 100 мм.	0,9
100 – 150 мм.	0,85
150 – 300 мм	0,8
Более 300 мм	0,75
	Шлифованная поверхность	1,0
Поверхность после чистовой механической обработки	0,9
Черновая поверхность после прокатки	0,85
Черновая поверхность с литейной коркой	0,8

Влияние упрочняющей поверхностной обработки учитывается с помощью уточненных величин коэффициента , приведенных в Табл. 6.).

Таблица 6

Значения коэффициентов учета влияния упрочняющей поверхностной

обработки детали

Вид обработки
Механическая зачистка швов	0,8
Дробеструйная обработка	0.9
Аргонодуговая обработка шва	0,75
Высокий отпуск	0,7
Предварительная статическая нагрузка	0,5
Поверхностный наклеп	0,75
Ультразвуковая ударная обработка	0,15
Аргонодуговая обработка и проковка бойком	0.75

Ресурс сварного шва в циклах нагружения определяется по формуле

. (22)

где - суммарное число циклов динамических напряжений за расчетный срок службы; K_v, - число скоростных интервалов и соответствующая им вероятность движения вагона в определенном скоростном интервале, принимаются по рекомендациям Норм в соответствии с табл. приложения 1; - приведенная амплитуда эквивалентных напряжений при движении вагона с установленной скоростью; m – показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах.

Величина определяется на основании данных о статическом напряженно-деформированном состоянии исследуемой конструкции по формуле

σ_аэi=σ_св×(k_двi+1,1) (22)

где – статические нормальные напряжения от веса брутто кузова;
–коэффициент вертикальной динамики для соответствующей скорости движения вагона() [2]; – коэффициент чувствительности материала к асимметрии цикла, для сварных соединений принимается равным 1.

С учетом снижения предела выносливости детали в процессе длительного циклического нагружения минимальный уровень напряжений, оказывающих повреждающее воздействие, определяется по зависимости

, (23)

где - коэффициент, определяющий нижнюю границу повреждающих напряжений, для сварных соединений несущих конструкций вагонов принимается =0,5

Значение показателя m принимается в соответствии с табл. 7.

Таблица 7

Значение показатель степени в уравнении кривой усталости

в амплитудах m

Тип конструкции	значение
Гладкие, чисто обточенные и шлифованные валы и оси с галтелями без поверхностного упрочнения
то же с упрочненной накаткой поверхностью
Сварные конструкции из проката без упрочняющей обработки швов
то же с механической или аргонодуговой обработкой швов
Стальные отливки с термообработкой (нормализация)
Стальные отливки с термообработкой (закалка с отпуском)

Определения срока службы конструкции в годах производится по зависимости

. (24)

где B - коэффициент перевода срока службы в годах во время непрерывного движения в секундах; - центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений.

Величина коэффициент В, определяемый по формуле

, (25)

где - проектный среднесуточный пробег вагона; - средняя техническая скорость движения вагона.

Определение величины производиться по зависимости

, (26)

где а – коэффициент, учитывающий тип вагона и расположение детали (шва), принимаемый в соответствии с рекомендациями табл. 8;
g – ускорение свободного падения; - статический прогиб рессорного подвешивания для расчетного режима загрузки вагона, м.

Таблица 8

Значение коэффициента а

Расположение рассматриваемого элемента	значение
Кузов пассажирского вагона	1,1
Кузов изотермического вагона	1,2
Кузов грузового вагона	1,4
Обрессоренные части тележек	1,6
Необрессоренные части тележек	2,0

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная

1. Вагоны: Конструкция, теория и расчет/ Л.А Шадур, И.И. Челноков, Л.Н.. Никольский, Е.Н. Никольский,, П.Г. Проскурнев, В.Н. Котуранов и др.; Под ред. Л.А. Шадура. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1980. – 440 с.

2. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм. (несамоходных). – М.: ГосНИИВ – ВНИИЖТ, 1996. –319 с.

Дополнительная

Когаев, В.П. Прочность и износостойкость деталей машин: учеб. Пособ. для машиностр. спец. Вузов/ В.П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. – М.: Высш. шк., 1991. – 319 с.

Приложение 1

Рекомендуемые значения

Интервал скорости движения , м/с	Средняя скорость интервала , м/с	Значение
Пассажирские вагоны	Грузовые и изотермические вагоны
Конструкционная (или расчетная) скорость м/с (км/ч)
55 (200)	45 (160)	40 (140)	40 (140)	35 (120)	30 (100)	25 (90)
0 - 12,5	6,25	0,01		0,03		0,03	0,05	0,08
12,5 – 15,0	13,75	0,02		0,06		0,07	0,05	0,08
15,0 – 17,5	16,25	0,03		0,08		0,09	0,12	0,17
17,5 – 20,0	18,75	0,04	0,23	0,10	0,25	0,12	0,15	0,22
20,0 – 22,5	21,25	0,06		0,12		0,16	0,20	0,30
22,5 – 25,0	23,75	0,07		0,13		0,19	0,25	0,18
25,0 – 27,5	26,25	0,09		0,14		0,16	0,15	0,05
27,5 – 30,0	23,75	0,12	0,52	0,12	0,51	0,1	0,06	-
30,0 – 32,5	31,25	0,13		0,10		0,06	0,02	-
32,5 – 35,0	33,75	0,12		0,07		0,02	-	-
35,0 – 37,5	36,25	0,1		0,05		-	-	-
37,5 – 40,0	38,75	0,07	0,19	0,02	0,24	-	-	-
40,0 – 42,5	41,25	0,05		-	-	-	-	-
42,5 – 45,0	43,75	0,03	0,06	-	-	-	-	-
46,0 – 47,5	46,25	0,02	-	-	-	-	-	-
47,5 – 50,0	48,75	0,02	-	-	-	-	-	-
50,0 – 52,5	51,25	0,01	-	-	-	-	-	-
52,5 – 55,0	53,75	0,01	-	-	-	-	-	-
Проектная средняя техническая скорость м/с (км/ч)		31,1 (112)	29,4 (106)	25,0 (90)	24,7 (89)	22,4 (81)	19,2 (69)	17,0 (61)

Приложение 2

Варианты заданий на курсовую работу «Расчет долговечности сварных соединений несущих конструкций вагонов» по дисциплине «Надежность вагонов»

№ варианта	Тип конструкции	Тип сварного соединения	Материал		Характерный размер поперечного сечения свариваемых балок	Качество поверхностей свариваемых деталей	Вид упрочняющей обработки *	Конструкционная скорость м/с			, мм
	Кузов пассажирского вагона	Сварная рама из листового проката при автоматической сварке под слоем флюса	10ХНДП	1,27		Черновая поверхность после прокатки	-
	1,34		-
	1,15		МЗ
	1,44		ВО
	1,54		ПН
	1,67		АД
	Кузов грузового вагона	Ст 3 сп	1,79		МЗ
	1,89		МЗ
	2,1		Поверхность после чистовой механической обработки	МЗ
	1,88		МЗ
	2,04		МЗ
	2,0		МЗ
	Тележка пассажирского вагона	Сварная рама из листового проката при полуавтоматической и ручной свареке	Ст 3 сп	1,55		ПН
	1,5		ВО
	1,69		ДО
	1,3		МЗ
	1,12		Шлифованная поверхность	УУ
	1,84		ПСН
	Тележка грузового вагона	09ГС	1,63		ДО
	1,96		ВО
	1,81		АД
	1,65		ПН
	1,76		УУ
	1,63		ПСН

* МЗ - механическая зачистка швов; ДО - дробеструйная обработка; АД - аргонодуговая обработка шва; ВО - высокий отпуск; ПСН - предварительная статическая нагрузка; ПН - поверхностный наклеп; УУ - ультразвуковая ударная обработка.

Приложение 3

Дата добавления: 2014-11-07