Приложение А (обязательное). Методика расчета срока службы шкворневых балок

Приложение А
(обязательное)

Методика
расчета срока службы шкворневых балок

А.1 Настоящая методика предназначена для проведения расчета, подтверждающего значение назначенного срока службы шкворневых балок, которое указано в конструкторской документации на них, и фактического значения срока службы шкворневых балок.

Расчет, подтверждающий значение назначенного срока службы, выполняют при использовании приближенных данных по пределу выносливости по амплитуде силы (напряжения) шкворневых балок и приближенных данных по амплитудам динамических сил (напряжений) в эксплуатации, определяемых расчетным путем.

Расчет фактического значения срока службы выполняют при использовании статистически надежных экспериментальных данных по пределу выносливости по амплитуде силы (напряжения) шкворневых балок и надежных экспериментальных данных по амплитудам динамических сил (напряжений) в эксплуатации. Допускается при оценке фактического значения срока службы использовать расчетный метод определения амплитуд динамических сил (напряжений) с использованием среднего вероятного значения коэффициента динамической добавки по формуле (А.14).

А.2 Срок службы шкворневой балки по сопротивлению усталости Т _K, годы, определяют по формулам:

- при известном распределении амплитуд рабочих динамических напряжений

,

(А.1)

- при известном стандарте текущих значении динамических эксплуатационных напряжений и узкополосном нормальном процессе динамического нагружения

,

(А.2)

где - предел выносливости по амплитуде напряжения натурной детали (шкворневой балки) при установившемся режиме нагружения на базе испытаний N ₀ = 10 ⁷ МПа;

[n] - допускаемый коэффициент запаса сопротивления усталости (принимают [n] = 2,0 - при расчете, подтверждающем значение назначенного срока службы, [n] = 1,6 - при расчете фактического значения срока службы);

m - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;

- базовое число циклов (для литых деталей трехосных тележек грузовых вагонов принимают  = 10 ⁷);

А - функция показателя m кривой усталости (значения функции приведены в таблице А.1);

В - коэффициент перевода календарного расчетного срока службы детали в годах во время непрерывного движения в секундах, с/год;

- центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений, Гц;

- коэффициент использования грузоподъемности вагона (для несущих элементов тележек грузовых вагонов рекомендуется принимать  = 0,9);

- коэффициент порожнего пробега вагона. Средние значения для основных типов грузовых вагонов рекомендуется принимать по таблице А.2;

- средняя доля протяженности характерных участков пути (k = 1 - прямые участки пути, k = 2 - кривые больших радиусов, k = 3 - кривые малых радиусов) в общей длине железнодорожных линий, по которым эксплуатируется вагон на трехосных тележках. Для сети магистральных железных дорог рекомендуется принимать: K _{уч 1} = 0,65 - доля прямых участков пути, K _{уч 2} = 0,20 - доля кривых больших радиусов, K _{уч 3} = 0,15 - доля кривых малых радиусов;

- доля времени (вероятность), приходящаяся на эксплуатацию в j-м интервале скоростей движения вагона (вероятность для грузовых вагонов рекомендуется принимать по таблице А.3);

- уровень (разряд) амплитуды динамических напряжений, МПа;

- частость (вероятность) появления амплитуд напряжений с уровнем в j-м интервале скоростей движения вагона;

- среднее квадратичное отклонение текущих значений амплитуд динамических напряжений в j-м интервале скоростей движения вагона, МПа;

р - число характерных участков пути;

q - принятое число разрядов скоростей движения;

r - принятое число разрядов амплитуд напряжений в j-м интервале скоростей движения вагона.

При оценке срока службы шкворневой балки с использованием амплитуд сил формулы (А.1) и (А.2) примут вид:

,

(A.3)

,

(A.4)

где - предел выносливости по амплитуде силы натурной детали (шкворневой балки) при установившемся режиме нагружения на базе испытаний N ₀ = 10 ⁷, кН;

- уровень (разряд) амплитуды динамических сил, кН;

- частость (вероятность) появления амплитуд сил с уровнем Р _а,i в j-м интервале скоростей движения вагона;

- среднее квадратичное отклонение текущих значений амплитуд динамических сил в j-м интервале скоростей движения вагона, кН;

r - принятое число разрядов амплитуд сил в j-м интервале скоростей движения вагона.

Ресурс шкворневой балки в единицах пробега L _K, км, определяют по формуле

,

(А.5)

где - расчетное среднее значение пробега вагона за год эксплуатации, км/год.

Расчетное среднее значение пробега вагона за год эксплуатации L ₁, км/год, определяют по формуле

,

(А.6)

где - расчетный среднесуточный пробег груженого вагона, км/сут (принимают  = 210 км/сут).

Коэффициент перевода календарного расчетного срока службы детали в годах во время непрерывного движения в секундах В, с/год, определяют по формуле

,

(А.7)

где - средняя техническая скорость движения вагона, м/с (принимают по таблице А.3).

Таблица А.1 - Значения функции

m		m		m		m
2,0	1,41	3,0	1,55	4,0	1,68	5,0	1,80
2,2	1,44	3,2	1,58	4,2	1,71	5,2	1,82
2,4	1,47	3,4	1,61	4,4	1,73	5,4	1,84
2,6	1,50	3,6	1,63	4,6	1,75	5,6	1,86
2,8	1,53	3,8	1,66	4,8	1,78	5,8	1,89
6,0	1,91	9,6	2,25	13,2	2,54	16,8	2,80
6,2	1,93	9,8	2,27	13,4	2,56	17,0	2,81
6,4	1,95	10,0	2,28	13,6	2,57	17,2	2,83
6,6	1,97	10,2	2,30	13,8	2,59	17,4	2,84
6,8	1,99	10,4	2,32	14,0	2,60	17,6	2,85
7,0	2,01	10,6	2,33	14,2	2,61	17,8	2,87
7,2	2,03	10,8	2,35	14,4	2,63	18,0	2,88
7,4	2,05	11,0	2,37	14,6	2,64	18,2	2,89
7,6	2,07	11,2	2,38	14,8	2,66	18,4	2,91
7,8	2,09	11,4	2,40	15,0	2,67	18,6	2,92
8,0	2,10	11,6	2,42	15,2	2,69	18,8	2,93
8,2	2,12	11,8	2,43	15,4	2,70	19,0	2,95
8,4	2,14	12,0	2,45	15,6	2,72	19,2	2,96
8,6	2,16	12,2	2,46	15,8	2,73	19,4	2,97
8,8	2,18	12,4	2,48	16,0	2,74	19,6	2,98
9,0	2,20	12,6	2,49	16,2	2,76	19,8	3,00
9,2	2,21	12,8	2,51	16,4	2,77	20,0	3,01
9,4	2,23	13,0	2,52	16,6	2,79	-	-

Таблица А.2 - Средние значения коэффициентов порожнего пробега K _п для основных типов грузовых вагонов

Тип грузового вагона	Значение K п
Крытый вагон	0,31
Платформа	0,37
Полувагон	0,20
Рефрижераторный вагон	0,49
Цистерна	0,50
Узкоспециализированные вагоны	0,50

Таблица А.3 - Распределение скоростей движения

Интервал скорости движения V j, м/с	Средняя скорость интервала , м/с	Вероятность P v,j движения в интервале скорости для грузового вагона с конструкционной скоростью, м/с (км/ч)
		33,3 (120)	27,8 (100)	25,0 (90)
От 0,0 до 12,5 включ.	6,25	0,03	0,05	0,15
Св. 12,5 до 15,0 включ.	13,75	0,07	0,12	0,30
Св. 15,0 до 17,5 включ.	16,25	0,10	0,30	0,35
Св. 17,5 до 20,0 включ.	18,75	0,18	0,20	0,13
Св. 20,0 до 22,5 включ.	21,25	0,15	0,15	0,05
Св. 22,5 до 25,0 включ.	23,75	0,15	0,10	0,02
Св. 25,0 до 27,5 включ.	26,25	0,15	0,06	-
Св. 27,5 до 30,0 включ.	28,75	0,09	0,02	-
Св. 30,0 до 32,5 включ.	31,25	0,06	-	-
Св. 32,5 до 35,0 включ.	33,75	0,02	-	-
Св. 35,0 до 37,5 включ.	36,25	-	-	-
Св. 37,5 до 40,0 включ.	38,75	-	-	-
Св. 40,0 до 42,5 включ.	41,25	-	-	-
Св. 42,5 до 45,0 включ.	43,75	-	-	-
Св. 45,0 до 47,5 включ.	46,25	-	-	-
Св. 47,5 до 50,0 включ.	48,75	-	-	-
Св. 50,0 до 52,5 включ.	51,25	-	-	-
Св. 52,5 до 55,0 включ.	53,75	-	-	-
Средняя техническая скорость движения , м/с (км/ч)		22,4 (81)	19,2 (69)	17,0 (61)

А.3 Предел выносливости по амплитуде напряжения (или силы Р _а,N) натурной детали (шкворневой балки) и показатель степени в уравнении кривой усталости m определяют по результатам испытаний на сопротивление усталости по ГОСТ 33788. Амплитуды напряжения определяют методом полных циклов или методом "дождя" по ГОСТ 25.101.

Допускается при проведении расчета, подтверждающего значение назначенного срока службы шкворневых балок, предел выносливости натурной детали , МПа, определять по формуле

,

(А.8)

где - среднее (медианное) значение предела выносливости натурной детали, МПа;

- квантиль распределения, соответствующий односторонней вероятности Р (для несущих элементов тележек грузовых вагонов принимают z _p = 1,645 при вероятности Р = 0,95);

- коэффициент вариации предела выносливости детали (для стальных отливок принимают  = 0,10).

Среднее (медианное) значение предела выносливости натурной детали , МПа, определяют по формуле

,

(А.9)

где - среднее (медианное) значение предела выносливости гладкого стандартного образца из материала детали (по ГОСТ 25.502) при симметричном цикле изгиба на базе N ₀ = 10 ⁷, МПа;

- среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости данной натурной детали по отношению к пределу выносливости гладкого стандартного образца.

Значение может быть определено по справочным данным. При отсутствии справочных данных для стального литья можно использовать следующую эмпирическую зависимость среднего значения предела выносливости от нормативного (минимального) значения временного сопротивления (по стандартам или техническим условиям)

,

(А.10)

где - временное сопротивление материала детали, МПа.

Значение определяют по экспериментальным данным для аналогичных деталей. Для предварительных расчетов среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости принимают для литых шкворневых балок грузовых тележек  = 4,3 - 4,8.

Допускается при проведении расчета, подтверждающего значение назначенного срока службы шкворневых балок, показатель степени в уравнении кривой усталости m принимать на основе оценки обобщенных данных испытаний подобных, близких по конструкции и материалу, деталей. Для стальных отливок шкворневых балок с нормализацией показатель степени в уравнении кривой усталости рекомендуется принимать m = 4.

Также для литых шкворневых балок показатель m допускается определять по формуле

.

(А.11)

А.4 Амплитуды динамических напряжений (или сил Р _а,i) и центральную (эффективную) частоту процесса изменения динамических напряжений f _э определяют по результатам ходовых прочностных испытаний по ГОСТ 33788. Амплитуды напряжения определяют методом полных циклов или методом "дождя" по ГОСТ 25.101.

При использовании расчетных методов определения амплитуд динамических напряжений (или сил) полагают, что в j-м интервале скоростей движения вагона появляются амплитуды динамических напряжений с одним уровнем , МПа, и амплитуды динамических сил с одним уровнем Р _а,j, кН, определяемые по формулам:

,

(А.12)

,

(А.13)

где - напряжения в шкворневой балке от действия силы тяжести опирающихся на нее частей вагона и груза, МПа;

- сила тяжести, действующая на шкворневую балку от опирающихся на нее частей вагона и груза, кН;

- среднее вероятное значение коэффициента динамической добавки в j-м интервале скоростей движения.

Среднее вероятное значение коэффициента динамической добавки определяют по формуле

,

(А.14)

где - коэффициент, принимаемый равным А ₁ = 0,10 - для шкворневой балки (обрессоренной части трехосной тележки);

- средняя скорость интервала скорости движения вагона, м/с (принимают по таблице А.3);

- скорость движения вагона для определения среднего вероятного значения коэффициента динамической добавки, м/с (принимают V ₀ = 15 м/с);

- коэффициент для определения среднего вероятного значения коэффициента динамической добавки, м/(м/с) [принимают В ₁ = 0,00036 м/(м/с)];

b - коэффициент, учитывающий влияние числа осей n в тележке;

- расчетный статический прогиб рессорного подвешивания в вагоне с максимальной расчетной массой на трехосных тележках, м.

Коэффициент, учитывающий влияние числа осей n в тележке, b определяют по формуле

.

(A.15)

Допускается при использовании расчетных методов центральную (эффективную) частоту процесса изменения динамических напряжений f _э, Гц, определять по формуле

,

(А.16)

где а - коэффициент, принимаемый равным а = 1,7 - для шкворневой балки (обрессоренной части трехосной тележки);

g - ускорение свободного падения, м/с ²;

- расчетный статический прогиб рессорного подвешивания в вагоне с максимальной расчетной массой на трехосных тележках, м.