Оценка срока службы

Предварительные исследования позволили прояснить условия зарождения трещин, установить предельную глубину коротких трещин и оценить влияние вида надрезов на развитие трещин. Оставалось определить темп развития трещин, чтобы оценить продолжительность срока службы осей колесных пар при возникновении местных повреждений от ударов частиц балласта. Это важно, в частности, для установления оптимальной периодичности работ по осмотру, техническому обслуживанию и ремонту осей.

Мероприятия в этом плане подразделили на три части:

· выбор модели, позволяющей выразить зависимость развития (увеличения длины) трещин в осях от числа циклов нагружения;

· проверка модели при испытаниях различных образцов;

· применение модели для расчета темпа развития трещин и прогнозирования срока службы осей.

Модель

Предложена модель развития трещин, представляющая собой классическую модель, в которой использована закономерность da / dN =

, где D K = K_max - K _min; C ₁ и С ₂- определяемые константы.

Чтобы модель была применима ко всем видам нагрузок, особенно случайным (к этому виду нагрузок относятся ударные), закономерности развития трещин должны быть едиными, каково бы ни было соотношение нагрузок R = s_min/s_max.

Рис. 7. Схема образца типа СТ

Усталостные испытания на образцах типа СТ (рис. 7) при постоянной нагрузке позволили выявить такие закономерности для разных значений R. Результаты испытаний, приведенные на рис. 8, показали существенные различия в закономерностях развития трещин при разных соотношениях нагрузок, что делает невозможным их унификацию для всей области измерений.

Рис. 8. Зависимость темпа трещинообразования от D К при различных значениях R

С целью достижения желаемого единообразия нашли полезным использовать понятие раскрытия трещины. В таком случае параметр D К = К _max- K _min необходимо заменить на D К_eff = К _max- K_ouv. K_ouv представляет собой коэффициент интенсивности напряжений для случая, когда при приложении нагрузки края трещины полностью разведены. Сущность коэффициентов D К_eff и K_ouv схематически показана на рис. 9.

Рис. 9. Коэффициенты D К_eff и K_ouv

Измерения в ходе экспериментов дали возможность определить в первом приближении величину K_ouv. Эта величина находится в пределах от 0 при R =-1 до 4 МПа·м^1/2 при положительных значениях R. Использование полученных данных позволяет приблизиться к желаемому единообразию и определить константы С ₁ и С _2. Результаты испытаний приведены на рис. 10.

Рис. 10. Зависимость темпа трещинообразования от D К_eff (D К_eff =K_max - 4 для R > 0, D К_eff = K _max для R =-1)

Величина показателя K_ouv не является постоянной. Была разработана более точная модель изменения K_ouv в зависимости от R на основе модели Ньюмена (Newman). По этой модели можно одновременно привести значения K_ouv в соответствие с экспериментальными данными и определить общую закономерность развития трещин, выражающуюся через da / dN = f (D К_eff), каково бы ни было значение R.

Закономерность записывается следующими уравнениями:

K_eff = K _max- K_ouv;

K_ouv / K _max = A ₀ + A ₁ R для -1 Ј R < 0;

K_ouv / K _max = A ₀ + A ₁ R + A ₂ R ² + A ₃ R ³ для R і 0.

Коэффициенты А ₂ и А ₃ рассчитывали по граничным условиям, А₀ и А ₁ определяли экспериментальным путем исходя из результатов испытаний, приведенных ниже.

Проверка модели: сопоставление экспериментальных и расчетных данных

Рис. 11. Схема образца типа ССТ

Для проверки модели необходимо сопоставить результаты расчетов с реальными данными, полученными в ходе испытаний. Испытания проводились на образцах типа ССТ (рис. 11), нагружаемых подобно реальным осям эксплуатируемых высокоскоростных поездов TGV. Эти нагрузки были подтверждены измерениями напряжений в осях колесных пар на линии в ходе регулярных пробегов. Для задания случайных циклов растяжения/сжатия образцов выбран метод Маркова.

Рис. 12. Схема циклов нагружения в матрицах разных видов

Интегрировали матрицы трех видов, соответствующие нагрузкам разного характера (рис. 12):

матрицу с полными циклами нагружения при амплитудах бóльших, чем в реальных условиях эксплуатации поездов TGV (mat 1). Число циклов в матрице для сокращения длительности предварительных испытаний уменьшено до 250. Соотношение нагрузок изменялось от R = 1 до R = -2;

матрицу с таким же числом циклов (250) и аналогичными максимальными напряжениями, но без напряжений сжатия (mat 2). Здесь принято R = 0;

матрицу с 400 полными циклами нагружения при амплитудах, приближенных к реальным (mat 3).

Испытания показали, что при нагружении образцов ССТ по матрице вида mat 1 для разрушения образца понадобилось в одном случае 300 000 циклов нагружения, в другом 450 000 циклов; по матрице вида mat 2- 1 000 000 циклов; по матрице вида mat 3- 2 200 000 циклов нагружения.

Эти первоначальные результаты показывают, в частности, существенное влияние сжимающей составляющей циклов нагружения на срок службы образцов или, скорее, влияние амплитуды напряжений сжатия.

Принятая методика расчетов с интегрированием модифицированной модели Ньюмена позволила рассчитать продолжительность развития трещин на образцах ССТ с увеличением их глубины с 2,5 до 10 мм, т. е. до разрушения образца.

Срок службы образцов ССТ
Характер нагружения (вид матрицы)	Число циклов нагружения доразрушения образца
по расчетам	установленное экспериментально
mat 1	446 000	300 000- 450 000
mat 2	1 495 000	1 000 000
mat 3	1 778 000	2 200 000

В таблице приведено сопоставление результатов расчетов и экспериментов. Видна хорошая корреляция между ними. Классическая модель, обычно применяемая в специальных работах по механике трещин, не дает таких удовлетворительных результатов.

Практическое применение

После проверки модели с ее применением выполнили расчеты срока службы реальных осей колесных пар. При этом определяли время, в течение которого теоретически происходит развитие трещин с увеличением их глубины с 0,3 до 1 мм, от 1 до 2 мм и, наконец, от 2 мм до центра оси. Результаты оказались следующими:

• время развития трещины с увеличением ее глубины с 0,3 до 1 мм- бесконечное;
• то же с 1 до 2 мм- 530 700 дней ("1400 лет);
• то же с 2 мм до центра оси- 2 850 дней ("8 лет).

Видно, что расчетные сроки службы осей даже с трещинами глубиной более 1 мм достаточно велики.

Заключение

Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования влияния ударов частиц балласта на усталостную прочность и срок службы осей колесных пар позволили определить закономерности развития трещин в металле осей, что в свою очередь дало возможность прогнозировать темп развития возникающих трещин в зависимости от соотношения нагрузок R.

Согласно прогнозам, довольно объективно отражающим реальную ситуацию, оси без ударных повреждений могут иметь бесконечный срок службы, а развитие трещин глубиной порядка 1 мм происходит достаточно медленно.

Однако результаты расчетов по предложенной методике могут показаться недостаточно надежными, поэтому необходимо дальнейшее ее совершенствование. В этой связи представляется перспективным проведение дополнительных испытаний при R Ј- 1, чтобы лучше изучить влияние составляющей сжатия в циклах нагружения. Может также оказаться полезной модель раскрытия основания трещины с использованием К_ouv. Соответствующие эксперименты целесообразно проводить на образцах осей в масштабе 1:3, подвергаемых вращательно-изгибным нагрузкам.

N.Gravier et al. Revue Générale des Chemins de Fer, 1999, N 3, р. 33- 40.

Дата добавления: 2015-07-02