При эксплуатации на раму тележки тепловозов, кроме статических нагрузок от веса кузова с оборудованием, силы тяги (торможения) и реакций от момента и веса тяговых двигателей, действуют большие динамические вертикальные и горизонтальные нагрузки. Одной из особенностей рам тележек является то, что они работают при переменных напряжениях, в связи с этим они должны рассчитываться на усталостную прочность. Доминирующей формой расчёта является  проверочный расчёт, связанный с определением коэффициента запаса прочности. Для проведения таких расчётов необходимо располагать значениями действующих статических и динамических напряжений. Статические напряжения определяются для всех основных нагрузок: массы кузова с установленным оборудованием, тяговых и тормозных усилий, усилий при вписывании в кривые. Основным направлением совершенствования расчётных методов оценки ресурса несущих конструкций является более достоверный учёт их нагруженности и особенности поведения материала её локальных, наиболее напряжённых зон в конструкции.

На сегодняшний день одной из задач железнодорожного транспорта АО «Узбекистан темир йуллари» является обновление локомотивного парка. Следовательно, работы по расчёту и принятие рациональных мер по оценке остаточного ресурса и модернизации подвижного состава приобрели большую научную и практическую значимость. В таких условиях одним из решений является усиление более нагруженных частей металлоконструкций и продление их срока службы[2,3].

В связи с тем, что данные детали отличаются большой сложностью геометрической формы, значительными габаритами стендовые испытания реальных конструкций очень металлоёмки, трудоёмки и дороги. До настоящего времени при проектировании проверка статической прочности несущих конструкций производились упрощёнными методами по номинальным напряжениям, что объяснялось сложностью узлов и отсутствием отработанных и верифицированных расчётных моделей. Оценка циклической прочности подобных узлов ведётся в основном экспериментальными методами путём многократных испытаний макетов, что приводит к существенному увеличению сроков создания новых конструкций, испытания существующих конструкций и не всегда гарантирует выбор рационального с точки зрения прочности и надёжности варианта конструкции. Кроме того, это снижает конкурентоспособность создаваемой транспортной техники в условиях современной рыночной экономики государства, нацеленной на инновационных путь развития[4]. Решение этой проблемы возможно внедрением в практику единых методов оценки ресурса несущих конструкций, включая и сложные сварные узлы, а также применение пакетов программ и ЭВМ, которые позволили бы обоснованно производить выбор наиболее рационального конструктивного или технологического решения. Поэтому актуальной задачей является разработка методики уточнённой оценки напряжённо деформированного состояния (НДС) рамы тележки тепловоза от действия эксплуатационных нагрузок. Следующим этапом после расчёта НДС является оценка работоспособности сварной конструкции рамы тележки по уровню местных напряжений в локальных зонах концентрации. И на последней стадии расчёта необходимо оценить надёжность рамы с целью сопоставления с нормируемыми показателями и требованиями норм[1].

В большинстве расчётов, проведённых ранее, рама тележки принимались в виде стержневой системы. Как показала практика, в зонах сопряжения балок рамы, в местах присоединения кронштейнов, накладок и в других узлах сложной формы определить напряжения с помощью стержневой схемы нельзя[5]. Поэтому целесообразно применение современных программ и методов расчёта, в первую очередь, метод конечных элементов.

Метод конечных элементов считается одним из наиболее эффективных методов решения задач механически деформируемого твёрдого тела и накоплен положительной опыт его применения в различных областях машиностроения. В настоящее время МКЭ является мощным численным методом, применяемым к различным физическим задачам, но наибольшее распространение он получил в применении к задачам теории упругости и анализу несущий способности конструкций и стремительно внедряется, становясь одним из основных методов анализа напряженно деформированного состояния конструкций. На сегодняшний день разработан ряд программ, с помощью которых можно провести многовариантный анализ расчётов с учётом всех нагрузок для получения результатов с достаточной точностью[6].

Применение этих методов позволит повысить точность расчётов и определять напряжения в элементах сложной формы, в первую очередь, в узлах соединения балок и в зонах присоединения отдельных деталей к несущим элементам.

В данном анализе напряжённо-деформированного состояния применялся МКЭ, реализованный в программном комплексе SolidWorks Simulation. Программа ориентирована на подготовку полноценной конечно-элементной модели с максимальными возможностями моделирования, учета особенностей геометрического, силового характера и выполнения различных видов расчетов.

Модель рамы тележки и расчётная схема приведена на рис.1.

Рис.1. Расчётная схема металлоконструкции унифицированной рамы тележки тепловоза

При статическом расчёте в качестве нагрузки принята сила Р=120 кН, учитывающая горизонтальные динамические воздействия, вызванные продольными колебаниями и галлопированием тележки относительно кузова при движении тепловоза со скоростью 80…100 км/ч. Нагрузка кузова, рамы тепловоза и кузовного оборудования передаётся на раму тележки через резинометаллические элементы находящиеся на боковинах. Разделение расчётной схемы на конечные элементы и расчёт напряжений осуществлялись на ЭВМ. Расчёт силовых факторов, действующих на тележку, производился согласно [1]. При генерации сетки конечно-элементной идеализации объекта исследования использовались объёмные конечные элементы. Идеализация рамы тележки тепловоза по МКЭ приведена на рис.2. Модель состоит из 46155 элементов и 90898 узлов.

Рис.2. Идеализация рамы тележки тепловоза

Исследование несущей способности и деформаций железнодорожного земляного полотна убедительно свидетельствует о решающей роли вибродинамического воздействия от проходящих поездов.

В соответствии с планом развития скоростного и высокоскоростного движения в Республике Узбекистан к 2020 году намечено открытие скоростного движения поездов на линии Самарканд –Бухара и др. Изучение особенностей геологического строения этих участков показывает, что 50 – 60 % их длины предоставлено насыпями, сложенными лессовидными супесями [7, 8].

Абсолютно не ясно, как поведет себя лессовидная супесь, уложенная в тело земляного полотна, при повышенном вибродинамическом воздействии. Таким образом, актуальным вопросом является прогнозирование несущей способности и деформативности земляного полотна из лессовидных супесей при скоростном движении поездов. Это дает основание для разработки конструктивных решений насыпей, возведенных в таких условиях. Для решения поставленной задачи необходимо оценить влияние вибродинамической нагрузки на прочностные и деформативные свойства лессовидной супеси, в частности на сцепление, угол внутреннего трения и модуль общий деформации. Все это определяет необходимость проведения ряда лабораторных экспериментов, результаты которых приведены в данной работе.

Для проведения исследования прочностных и деформационных свойств лессовидной супеси были отобраны образцы грунтов на скоростном железнодорожном участке Боявут – Янги Янгиер в Республике Узбекистан [6]. Земляное полотно представлено насыпью высотой 2,2 метра, отсыпаннойлессовидной супесью. Образцы лессовидной супеси отбирались монолитаминенарушенного сложения в соответствии с [4]. Физико-механические характеристики этих образцов представленыв табл. 1.

Таблица 1. Основные физические свойства лессовидной супеси

усредненное значение по результатам серий экспериментов.

Фактический коэффициент уплотнения определен по методу стандартного уплотнения в соответствии с [3].Из таблицы видно, что грунт является лессовидной супесью, в полутвердом состоянии, и обладает высокой плотностью сложения.

Существует различные методики испытаний для определения прочностных и деформативных характеристик: компрессионные и стабилометрические. Компрессионные испытания не отображают реальную работу грунта в натурных условиях, поскольку проводятся в условиях невозможного бокового расширения.Стабилометрический метод дает более точно смоделировать напряженное состояние грунтов земляного полотна. Исходя из этого, исследования выполнялись в вибростабилометреЛИИЖТа, который создает сложное вибродинамическое воздействие на образец грунта в условиях трехосного напряженного состояния.

Вибродинамическая нагрузка в камере стабилометра моделировалось изменением гидравлических давлений от 0,3 до 0,9 кгс/см².

Для лессовидной супеси при скоростях до 200 км/ч на уровне основной площадки земляного полотна он составляет от 250 мкм до 500 мкм при изменении частоты от 1 Гц до 200 Гц в зависимости от состояния верхнего строения пути, земляного полотна и его основания[1, 2]. В связи с этим, максимальная вибродинамическая нагрузка в камере стабилометрабыла принята на уровне 500 мкм.

Прочностные и деформативные свойства лессовидной супеси были определены в соответствии с действующими требованиями к испытаниям[5].

Результаты исследований прочностных характеристик лессовидной супеси представлены в таблице 2.

Анализ табл.2 показывает, что относительное снижение прочностных характеристик лессовидной супеси под влиянием вибродинамического воздействия существенно зависит от влажности грунта. Лессовидные супеси в твердой консистенции мало чувствительны к вибродинамической нагрузке. Коэффициент снижения сцепления составляет всего 7% и соответственно коэффициент снижения угла внутреннего трения 6% при действии максимальной вибродинамической нагрузке.

Таблица 2. Прочностные характеристики лессовидной супеси при действии статической и вибродинамической нагрузке.

С увеличением влажности до 15% что соответствует пластичной консистенции,коэффициент снижения сцепления и коэффициент снижения угла внутреннего трения грунта увеличиваются и составляют соответственно17% и 10%.

Максимальная чувствительность лессовидной супеси к вибродинамической нагрузке лессовидной супеси достигается в пластичном состоянии. При этой консистенции коэффициент снижения сцепления составляет 28%, а коэффициент снижения угла внутреннего трения 17% при действии максимальной вибродинамической нагрузке.

Результаты исследований деформативных характеристик от показателя консистенции грунта представлены на рис. 1.

1 – Статические компрессионные испытания, 2 – усредненные значение статических испытаний при боковом давлении 0,08, 0,06, 0,04 МПа. 3 – усредненные значение вибродинамических испытаний при боковом давлении 0,08, 0,06, 0,04 МПа.

Анализ графиков (рис. 1.) показывает, что во всех испытаниях значения модуля деформации, получаемые при динамических условиях, оказались ниже, чем при статических испытаниях, однако, разница между этими величинами при разной консистенции разная. При консистенции -0,2, т.е. твердой консистенции, этот разница составляет 12%, при показателе консистенции 0, разница достигает до 38%, при консистенции 0,1 – 45%, а при показателе консистенции 0,3, разница между статическими и динамическими модулями деформации достигает 68%.С последующим увеличением влажности этот разница снижается.

Рис. 1 Изменение модуля деформации лессовидной супеси в зависимости от показателя консистенцииI_L.

Это обуславливается тем, что слабые водонасыщенные грунты обладают настолько низкими статическими деформативными характеристиками, что влияние вибродинамических нагрузок при высокой влажности несущественно.

Из (рис. 1) видно, что при испытаниибез возможности бокового расширения (компрессия) модуль деформации значительно превышает значения, полученные с возможностью частичного боковогорасширения.

Результаты относительного снижения модуля деформации лессовидной супеси представленына рис. 2. На рис. 2 также представлены данные по изменение К_Е, полученные И.В. Прокудиным, В.П. Великотным и др. для тяжелой пылеватой супеси и жирной глины.

Рис. 2 Изменение коэффициента относительного снижения модуля деформации К_Е в зависимости от консистенции.

1 – супесь тяжелая пылеватая; 2 – лессовидная супесь; 3 –глина жирная.

Зависимость К_Е=f(I_L), представленная на (рис. 2 кривая 2) показывает, что наибольшее влияние вибродинамическая нагрузкана Еоказывает при консистенцииот 0,2 до 0,4, а максимальный уровень коэффициента относительного снижения модуля деформации приходится к показателю консистенции 0,3 (пластичная консистенция) и составляет 68%. Для тяжелой пылеватой супеси и жирной глинысамый высокий уровень коэффициента относительного снижения приходится на консистенцию 0,3 и составляют соответственно 87% и 58%.Последующее увеличение влажности I_L˃ 0,4,не существенно сказывается на снижении модуля деформации при действии вибродинамической нагрузки.

По нормативным документам грунты,применяемые, в конструкции земляного полотна, ограничиваются показателем консистенции 0,5, а для высоких насыпей до 12 м показателем консистенции до 0,25. Лессовидная супесь максимально снижает свои деформативные характеристики именно в пластичном состоянии. Таким образом, те грунты, из которых отсыпается земляное полотно, подвержены наибольшему влиянию вибродинамической нагрузки. Это еще раз доказывает, что при возведении железнодорожного земляного полотна лессовидными супесями нужно учитывать влияния вибродинамического воздействия.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализируя приведенные данные можно сделать вывод, что увеличение влажности лессовидной супесиземляного полотна приведет к резкому уменьшению сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации. При этом, очевидно, что вибродинамическое воздействие еще больше увеличивает это снижение особенно при пластичном состоянии. По результатам экспериментальных исследований установлено, что максимальное значение коэффициента относительного снижения сцепления, угла внутреннего трения и модуля деформации лессовидной супеси, достигается при показателе консистенции 0,3 и составляет соответственно 28%, 17% и 68%. Приведенные факты еще раз наглядно подтверждают необходимость учета действия вибродинамической нагрузки для прогнозирования несущей способности и деформативности земляного полотна из лессовидных супесей.