Надёжность и усталостная долговечность мостовых конструкций 1 страница

7.1. Основные понятия и характеристики надежности

Общие сведения. Основные термины и определения надежности регламентируются нормативными документами (ГОСТ 27.002—89). В теории надежности рассматриваются обобщенные объекты, представ­ляющие собой изделия, системы, сооружения и их элементы, установки, устройства, машины, аппаратуру, приборы и их части, агрегаты и отдель­ные детали. Надежность — свойство объекта выполнять заданные функ­ции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных по­казателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, технического обслуживания, ремонтов, хра­нения и транспортировки. Надежность объекта обусловливается его без­отказностью, долговечностью, ремонтопригодностью. Безотказность -свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени. Работоспособность — состояние объекта, при кото­ром он способен выполнять заданные функции с установленными пара­метрами. Наработка — продолжительность или объем работы объекта, измеряемый в единицах времени, циклах, километрах или в других единицах. Долговечность — свойство объекта сохранять работоспособ­ность до предельного состояния с необходимыми перерывами для техни­ческого обслуживания и ремонтов. Ремонтопригодность — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению отказов. Под устранением отказов подра­зумевается восстановление работоспособности. Отказ — событие, за­ключающееся в нарушении работоспособности. Отказом считается не только повреждение или разрушение конструкции или ее элементов, но и недопустимые отклонения параметров от расчетных или заданных значений, например, недопустимый прогиб пролетного строения. По характеру возникновения отказы делят на внезапные, например, хруп­кое разрушение или потеря устойчивости элемента, и постепенно нарас­тающие, когда параметры элемента или конструкции ухудшаются посте­пенно и достигают значений, при которых дальнейшая нормальная экс­плуатация становится невозможной или нецелесообразной. К постепенно нарастающим отказам относятся отказы, связанные с механическим износом, коррозией, накоплением усталостных повреждений и др. По возможности устранения отказы могут быть устранимыми, которые можно ликвидировать путем ремонта, и неустранимыми, если их ликви-254

дация путем ремонта становится невозможной или невыгодной. Различа­ют полный отказ, когда, например, по мосту не возможен пропуск под­вижной нагрузки, или частичный отказ, при котором возможен пропуск нагрузок с определенными ограничениями, например, по весу или по скорости движения.

Надежность характеризуется рядом показателей. Важнейшим пока­зателем надежности является вероятность безотказной работы — вероят­ность того, что в заданном интервале времени или в пределах заданной наработки не возникнет отказа. Учитывают также интенсивность отка­зов, т. е. условную вероятность возникновения отказа для рассматри­ваемого момента времени при условии, что до этого отказа не было. Для ремонтопригодных объектов пользуются также показателем нара­ботка на отказ — это среднее значение наработки между отказами. Основными показателями долговечности являются ресурс и срок служ­бы. Ресурс — наработка объекта до предельного состояния. Различают средний ресурс, т. е. среднюю наработку до предельного состояния и у-ресурс — ресурс, который имеет и превышает обусловленное число (у) процентов изделий данного типа. Таким образом, ресурс характери­зует долговечность при выбранном уровне вероятности безотказной ра­боты. Назначенный ресурс — наработка, при достижении которой экс­плуатация объекта должна быть прекращена независимо от его со­стояния.

Для мостов основным показателем долговечности является срок службы — календарная продолжительность эксплуатации до возникнове­ния предельного состояния. Различают срок службы до первого капи­тального ремонта (усиления), срок службы между капитальными ремон­тами и срок службы до списания (замены).

Мост представляет собой механическую систему совместно дейст­вующих элементов. Эта система является ремонтопригодной. Произведя ремонт или усиление отдельных элементов, можно увеличивать срок службы моста. Однако, с увеличением срока эксплуатации стоимость ре­монта и содержания также возрастают. Поэтому при определении опти­мального срока службы мостов наряду с оценкой надежности должны выполняться тщательные экономические расчеты.

„/Мосты — весьма ответственные сооружения, и вероятность безотказ­ности их работы должна быть очень высокой.

Отказы, возникающие в отдельных элементах моста, различны по своим последствиям. Поэтому вероятность безотказной работы для отдельных элементов моста должна задаваться в зависимости от послед­ствий появления рассматриваемого отказа и возможности его обнаруже­ния. Если, например, под отказом подразумевается хрупкое разрушение, способное привести к обрушению пролетного строения, то вероятность безотказной работы должна быть очень близкой к единице. А если в ка­честве отказа рассматривается расстройство заклепок, то ее значение Можно существенно снизить.

строения составляют около 70 %. Изменение напряжений в элементах пролетных строений при пропуске по ним нагрузок представляет собой широкополосный случайный процесс, характеристики которого зависят не только от типа подвижных нагрузок, которые в течение длительного срока эксплуатации непрерывно меняются, но и от параметров линий влияния элементов. В процессе эксплуатации также могут значительно изменяться и характеристики сопротивления усталости элементов. Все эти изменения носят случайный характер. Поэтому оценка усталостной долговечности и надежности элементов представляет собой сложную и трудоемкую задачу, для решения которой требуется установление закономерностей изменения различных характеристик, накопление надежных и удобных для расчета статистических данных и т. п. В связи с этим важно выбрать такую схему расчета, которая позволяла бы при обоснованных допущениях сравнительно просто получать необходимые для практики результаты. В расчетах обычно используют феноменологи­ческую модель, согласно которой усталостное разрушение наступает, когда сумма накопленных повреждений достигает некоторой случайной границы. Используя эту модель, условие безотказной работы элемента моста можно представить в виде

железнодорожных мостов. При этом расчетную меру повреждения опре­деляют с использованием характеристик кривых усталости при вероят­ности Р - 0,5. Но в этом случае значительно усложняется задача опреде­ления v. Наиболее достоверные значения v. можно получить на основании статистической обработки данных по отказам элементов реальных кон­струкций. Используя статистическую зависимость между предельной ве­личиной меры повреждения v, при достижении которой появилась усталостная трещина, и вероятностью ее появления P(v), можно опре­делить v_QH для обеспечения требуемой вероятности безотказной ра­боты. При этом вычисление v проводится по той же методике, что.и v. В МИИТе на основании обработки большого числа отказов (бо­лее 200) установлена такая зависимость для элементов пролетных строений мостов с заклепочными и болтовыми соединениями из мало­углеродистой стали и сварочного железа. Ниже приведены значения v и соответствующая им вероятность Р(у) безотказной работы по вы­носливости для элементов из малоуглеродистой стали и сварочного железа:

Вероятность неразрушения элемента определяется вероятностью выполнения неравенства (7.4). При этом вероятность неразрушения мо­жет определяться вероятностью расчетного значения меры, поврежде­ния v или вероятностью v. При первом способе расчета для получе­ния v необходимо иметь вероятностные значения характеристик нагру-жения и кривых усталости. Значение v_oh принимается равным единице. При втором способе расчета расчетную меру повреждения v определяют при постоянном значении вероятностей характеристик нагружения и кривых выносливости, а значение v принимают соответствующим заданной вероятности безотказной работы. Таким образом, методика расчета в значительной степени зависит эт наличия исходной информации о нагруженности элементов и их со-тротивляемости усталостным разрушениям. Расчет по первому способу выполняют при наличии вероятностных характеристик кривых усталости (вероятностных кривых усталости).)ти данные получают на основании обширных трудоемких усталостных гспытаний, и они далеко не всегда имеются для материалов и соедине-гий, применяемых в мостах. Проще можно получить данные о характе­ристиках выносливости при вероятности Р = 0,5. Поэтому расчет по торому способу применяют сравнительно широко, например, при оцен-:е усталостной долговечности элементов клепаных пролетных строений 62

На основании этих данных можно установить значение v, при ко­тором будет обеспечена требуемая надежность элемента по выносливос­ти. Например, при v = 0,3 вероятность безотказной работы по вынос­ливости будет 0,9845. Определение меры повреждения для элементов с заклепочными и болтовыми соединениями. При определении меры повреждения обычно используют гипотезу линейного суммирования усталостных поврежде­ний, тгогласно которой повреждение, вызванное рассматриваемым цик­лом изменения напряжений, предполагается не зависящим от состояния элемента в данный момент и предшествующей истории нагружения. Поэтому каждое последующее повреждение суммируется с предыдущим. Согласно этой гипотезе при нагружении, представляющем набор из групп однородных циклов нагружения (о_тах,- ⁼ const; p. = const),расчетное значение меры повреждения

It Используя формулу (7.10), можно получить аналогичные формулы для других законов распределений а. По формуле (7.11) определя­ют v для группы нагрузок (блока), воздействие которых на рассматри­ваемый элемент имеет общую закономерность распределения а при условии, что характеристики основной кривой усталости остаются без изменения в процессе пропуска всего блока нагрузки. При длительной эксплуатации в элементах и их соединениях могут происходить изменения, влияющие на сопротивление усталости. Это в первую очередь относится к элементам с заклепочными и болтовыми соединениями, у которых вследствие износа соединений и роста нагру­зок может в значительных пределах изменяться коэффициент концентра­ции напряжений для заклепочных и болтовых отверстий а. В зависи­мости от степени износа и нагруженности соединение может работать в трех стадиях. Работа в первой стадии характеризуется тем, что внешнее усилие полностью передается силами трения. Во второй стадии его пере­дача осуществляется как силами трения, так и непосредственно через стержни болтов или заклепок. В третьей стадии усилие передается только через стержни болтов или заклепок. В этой стадии работы наблюдается максимальная концентрация напряжений около заклепочных (болто­вых) отверстий и, следовательно, наиболее интенсивный рост поврежде-266

|

Рис. 7.7. Диаграмма изменения а и кривая плотности
распределения О "

ний. У кромок этих отверстий в зонах максимальной концентрации на­пряжений, как правило, зарождаются усталостные трещины. Сопротив­ляемость элементов с заклепочными и болтовыми соединениями уста­лостным разрушениям в основном характеризуется выносливостью металла в зонах концентрации напряжений около отверстий и. зави­сит от а_а. На рис. 7.7 показана диаграмма изменения а_д при работе соедине­ния во второй и третьей стадиях. Поверхность ABDC характеризует изменение а во второй стадии, a DTKC - в третьей. Штрихпунктир-ными линиями обозначены границы изменения a_ff при нагружениях соединения на разных уровнях (р_нс и а_нп) в процессе износа соедине­ния (Д). На рисунке показана также кривая плотности распределения вероятностей a. Границы изменения a_Q в связи с изменением а_н на разных уровнях"износа соединения обозначены тонкими линиями. В про-цга-е работы соединения во второй (как и в первой) стадии a_Q непре­рывно изменяется как вследствие износа соединения, так и в зависимо­сти от степени его напряженности, причем а_д линейно зависит от износа и номинальных напряжений. И только в третьей стадии работы его зна­чение для данного соединения остается постоянным. Учет изменения сопротивляемости усталости элемента в рассматри­ваемой методике расчета производят путем согласования условий рабо­ты соединения (по имеющейся в данный момент величине концентрации напряжений) с соответствующей им основной кривой усталости. По ме­ре роста а непрерывно изменяются характеристики основной кривой

усталостной трещины в зависимости от последствий полного отказа эле­мента может назначаться в пределах 0,95 t 0,98. Заданная надежность, как отмечалось выше, обеспечивается выполнением уравнения (7.4). Ресурс элемента пролетного строения определяют из условия равен­ства расчетной меры повреждения v, полученной от суммарного воз­действия пропущенной по мосту нагрузки, и v при заданной вероят­ности безотказной работы. При этом ресурс может быть получен в коли­честве поездов определенных типов, эталонных (расчетных) поездов, пропущенного по мосту суммарного груза (тоннажа) или в единицах времени (в годах), если известна интенсивность движения поездов и их типы в различные периоды эксплуатации. Различают полный ресурс, соответствующий наработке с начала эксплуатации до наступления отказа (появления усталостной трещины), и остаточный ресурс, который имеет элемент после выработки части пол­ного ресурса. Полный ресурс в эталонных (расчетных) поездах

Оценка усталостного ресурса элемента пролетного строения. Под усталостным ресурсом (сроком службы) понимается наработка до от­каза (появление усталостной трещины) при заданной вероятности без­отказной работы. Вероятность безотказной работы Р принимают в за­висимости от последствий отказа. Например», для ответственных свар­ных узлов и соединений, в которых появление усталостной трещины мо­жет привести к хрупкому разрушению с тяжелыми последствиями, не­обходимо принимать Р > 0,999. Появление усталостной трещины в составных элементах с заклепочными или болтовыми соединениями, как правило, не приводит быстро к разрушению элемента в целом, по­скольку усталостная трещина развивается сравнительно медленно в пре­делах прокатного элемента, входящего в составной (уголок, лист), а переход ее непосредственно на соседние элементы исключен и пора­жение их трещинами возможно при условии зарождения новых трещин в каждом элементе, что связано с дополнительным временем. Переход усталостной трещины в хрупкое разрушение хотя и возможен, но он локализуется в пределах прокатного элемента с трещиной, входящего в составной. От появления усталостной трещины в составном элементе до полного его разрушения обычно проходит значительное время (иног­да несколько лет), в течение которого можно обнаружить трещину и принять меры по восстановлению работоспособности элемента. Поэто­му для таких элементов вероятность безотказной работы по появлению

%"^? Q_p определяют остаточный усталостный ресурс, который может рыть выражен числом перспективных поездов или в годах, если известна интенсивность их обращения. Усталостный ресурс сварных элементов и соединений при заданной вероятности Р можно определить по формуле (7.23). В разработанной методике оценки усталостного ресурса сварных сплошностенчатых глав­ных балок разрезных пролетных строений железнодорожных мостов в качестве эталонного поезда принят поезд, состоящий из трех восьми-осных секций локомотива с одинаковой нагрузкой на ось, рав­ной 300 кН, и тридцати перспективных восьмиосных полувагонов габа­рита Т с нагрузкой на каждую ось 250 кН (рис 7.9, а, б). При прокат-

Меру повреждения от одного эталонного поезда в зависимости от характера нагружения, функции распределения f{o), конструкции и типа элемента определяют по формулам (7.5), (7.10), (7.11), (7.24), (7.25). Характеристики режима нагружения можно получить на осно­вании "прокатки" схемы эталонного поезда по соответствующей линии влияния на ЭВМ. При этом для получения достоверных статистических характеристик режимов нагружения по каждой линии влияния необхо­димо "прокатить" схему поезда не менее 40-50 раз со случайным изме­нением загруженности вагонов и динамических добавок.

В Руководстве по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов 1987 г. меру поврежде­ния от эталонного расчетного поезда в элементах с заклепочными и бол­товыми соединениями рекомендуется приближенно определять по фор­муле

са _элементов главных ферм клепаных пролетных строений по про-Е^ценному по мосту суммарному грузу (тоннажу). Исходной информа-"^мй для определения пропущенного тоннажа за рассматриваемый пе-иоя является грузонапряженность участка на известный год. Эти данные имеются в службе пути дороги. Тоннаж определяют с помощью графи­ков для' трех уровней грузонапряженности, которые приведены в Руко­водстве 1987 г. Вероятность появления трещин в различных элементах главных ферм в зависимости от норм проектирования, схемы фермы, длины панели, положения элемента (раскоса) в системе связана с про­пущенным тоннажем. Эти данные'представлены в табличной форме. При­нято, что вероятность появления усталостных трещин линейно зависит от пропущенного тоннажа.

Используя эти данные, можно определить вероятность появления усталостной трещины в элементе главной фермы, если известна грузо­напряженность участка, например на 1990 г., Остаточный ресурс при

Рис. 7.9. Схемы нагрузок от эталонного поезда и осциллограмма изгибающего момента в балке:

а — схема нагрузки от секции локомотива, кН; б — схема нагрузки от полуваго­на, кН; в — осциллограмма изменения изгибающего момента в сечении, располо­женном в четверти пролета балки^- / =44м

Р

ке эталонного поезда по простой балке изгибающий момент в любом сечении имеет один огибающий цикл с наложением на него мелких цик­лов второй частоты (рис. 7.9, в), т. е. балка испытывает двухчасготное нагружение. При таком характере нагружения усиливается накопление усталостных повреждений по сравнению с одночастотным (огибающим). Кроме того, при прокатке поезда по балке в ней возникает циклическая перерезывающая сила, влияние которой также необходимо учитывать при определении меры повреждений. Особенности режимов нагружения балок рассмотрены в п. 7.4.

В рассматриваемой методике на основании проведенных исследова­ний принято, что при пропуске эталонного поезда в любом сечении про­стой балки возникает один основной (огибающий) цикл изменения из­гибающего момента (напряжения), который вызывает накопление по­вреждений, эквивалентное суммарным повреждениям от всех воздей­ствий, связанных с пропуском этого поезда. Это достигается путем вве­дения в формулу (7.23) коэффициентов, учитывающих влияние различ­ных факторов. Таким образом получена формула для определения ре­сурса в эталонных поезлах:

(7.30)

7.3. Концентрация напряжений около отверстийв элементах с заклепочными и болтовыми соединениями и способы ее оценки Стадии работы соединений.Концентрация напряжений — один из важнейших факторов, влияющих на сопротивление усталостному разру­шению. Поэтому оценка усталостной долговечности тесно связана с оцен­кой концентрации напряжений. Одной из важнейших особенностей рабо­ты соединений на заклепках и болтах является двойственный характер передачи усилий. В зависимости от величины нагрузки и сил трения на контактирующих поверхностях соединения усилия в соединении пере­даются либо только силами трения (первая стадия работы), либо силами трения и непосредственно через стержни заклепок или болтов на стенки отверстий (вторая стадия работы), или, при отсутствии сил трения, толь­ко через стержни заклепок или болтов (третья стадия). От характера Передачи усилий в соединении значительно зависит концентрация напря­жений около заклепочных или болтовых отверстий. Кроме того, она за­висит от конструкции и размеров соединения. Учитывая отмеченные осо­бенности, коэффициент концентрации напряжений а, который служит мерой концентрации напряжений, определяют с учетом стадии работы соединения. Концентрация напряжений при работесоединений втретьей стадии. Напряженное состояние около заклепочных и болтовых отверстий в третьей стадии работы соединения складывается от воздействия двух основных силовых факторов: силы, передаваемой с заклепки (болта) на стенку отверстия, и силового потока, проходящего через сечение с рассматриваемым отверстием. Согласно решению с использованием функции комплексной пере­менной напряжения около кругового отверстия с равномерно распреде­ленной нагрузкой, приложенной к контуру отверстия, в бесконечной пластине можно оппепетт. по rhnniuvnaM-

Исследования показали, что значение o'q на контуре отверстия в наиболее напряженной зоне (точка / на рис. 7.10) мало изменяется в зависимости от угла а распределения радиальной нагрузки. Следова­тельно, величина напряжений в зоне их максимальной концентрации У Кромки отверстия слабо зависит.от характера передачи усилия с за­клепки на стенку отверстия, связанного с площадью контакта между ними. При оценке концентрации напряжений около заклепочных отвер­стий реальных соединений особый интерес представляет задача о на­пряженном состоянии около кругового отверстия в пластине ограни­ченных размеров, нагруженного по контуру с эксцентриситетом по толщине пластины. Рассмотрим экспериментально-теоретическое реше­ние этой задачи. На основании аппроксимации экспериментальных дан­ных получено уравнение связи между коэффициентами концентрации ■напряжений для кругового отверстия при центральном приложении

щ - коэффициент, учитывающий перекрытие частей сечения: при непосредствен­ном перекрытии менее 40%- т = 1; 40-60%- т^ = 0,95; 60-80%- «₃ ⁼ = 0,85; более 80 % - т^ = 0,8.

По формулам (7.38) и (7.39) можно определить a_Q при нагруже-нии прикрепляемых элементов растягивающими усилиями. При дейст­вии на прикрепляемый элемент сжимающих усилий характер передачи. их в заклепочном соединении существенно изменится. При этом усилие, передаваемое через стержень заклепки на стенку отверстия, практически не вызывает напряжений в зоне максимальной их концентрации около этого отверстия. Поэтому для отверстий в прикреплениях сжатых эле­ментов величину а принимают равной а'_а. Такое же значение коэф­фициента концентрации напряжений берут при проверке сечений элемен­тов по соединительным заклепкам независимо от знака усилия.

Концентрация напряжений при работе соединений в первой и второй стадиях. При работе соединений в первой и второй стадиях напряженное состояние в зонах около отверстий значительно зависит от предваритель­ного напряжения болтов и заклепок. При этом часть силового потока в элементе, ослабленном отверстием, перетекает через головку заклеп­ки, болта или гайки и шайбы, что приводит к более плавной передаче силового потока в зоне отверстия и уменьшению среднего напряжения в этом сечении.

В связи с влиянием большого количества трудно учитываемых фак­торов на напряженное состояние около отверстия при работе соединения в первой и второй стадиях удобно использовать метод эксперименталь­но-теоретического решения при раздельном рассмотрении напряженно­го состояния от действия каждого фактора. Рассмотренная выше мето­дика определения концентрации напряжений около отверстий от дей­ствия силы, передаваемой непосредственно на стенку отверстия, и сило­вого потока, проходящего через сечение элемента с отверстием, приме­нима и в случаях работы соединения в первой и второй стадиях. При определении концентрации напряжений от силы, приложенной к контуру отверстия во второй стадии работы, следует учитывать меньшую экс­центричность ее приложения по толщине элемента, чем в третьей стадии. В этом случае эксцентричность приложения усилия растет по мере изно­са соединения. В расчетах это изменение учитывают коэффициентом условий работы т, значение которого в начале работы во второй стадии принимают равным единице, а в конце ее — как для третьей ста­дии с учетом типа соединения. Промежуточные значения т получают линейной интерполяцией крайних значений, т. е. соответствующих началу и концу работы во второй стадии.

Влияние головок заклепок и болтов, а также гаек и шайб на кон­центрацию напряжений около отверстий исследовалось методами фото­упругости. Эти исследования показали существенное влияние подкрепле­ния отверстий головками болтов и заклепок на напряженное состояние

в окрестностях отверстия. Так, максимальная концентрация напряже­ний на кромке отверстия в результате подкрепления головкой заклепки снижается в зоне ее контакта с поверхностью соединяемого элемента на 40 %, а по плоскости контакта соединяемых элементов — на 20 % по сравнению с неподкрепленным отверстием. Еще большее влияние оказы­вает подкрепление отверстия головкой болта и шайбой. Их включение в работу приводит к снижению концентрации напряжений в зоне кон­такта шайбы с поверхностью соединяемого элемента на 45 %, а в плос­кости контакта соединяемых элементов — примерно на 40 %.

Дата добавления: 2015-06-30