Введение к работе
Актуальность темы. Современный подвижной состав железных дорог (тепловозы, электровозы, электропоезда, путевые машины) оснащается мощным и эффективным оборудованием При этом важно обеспечить ресурс и долговечность всех узлов изделия Силовой привод подвижного состава представляет собой сложный комплекс оборудования различной мощности и назначения, который отличается значительными динамическими нагрузками Использование в таком приводе соединительной упругой муфты с торовой резинокордной оболочки (РКО) позволило в значительной степени снизить уровень крутильных колебаний
Опыт эксплуатации показывает, что РКО является слабым звеном в цепи валопровода силовой установки Дефекты в виде трещин возникают на внутренней и наружной поверхностях оболочки, равномерно расположенных по торцевой окружности Имеются также случаи появления сквозных трещин локального характера
РКО - сложная конструкция с точки зрения конструктивной схемы и механики ее нагружения Сложность заключается в том, что и сама резина и резинокордный композит, в целом, подвергаются в процессе эксплуатации большим динамическим нагрузкам Являясь анизотропным материалом, используемый композит работает в условиях сложного напряженно-деформированного состояния (НДС), обусловленного рабочим процессом кривошипно-шатунных механизмов привода при одновременном осевом и радиальном смещении осей валов соединяемых механизмов Кроме того, сравнительно высокая частота вращения вызывает существенное повышение температуры оболочки в процессе эксплуатации
Перечисленные обстоятельства значительно осложняют возможности применения расчетно-аналитических методов в инженерных задачах прогнозирования эксплуатационных характеристик оболочек Полученные результаты усталостных испытаний в лабораторных условиях часто не дают достаточного набора данных для удовлетворительного прогноза поведения РКО в эксплуатации
Цель работы Целью работы является разработка теоретико-
экспериментальных методов адекватного термомеханического моделирования
РКО, анализ закономерностей их вязкоупругого поведения при нагружении и
нелинейных эффектов при разгрузке, изучение термомеханической связанности
процессов деформирования и соморазогрева, установление законов изменения
свойств РКО во времени, прогнозирование усталостных характеристик и
долговечности в условиях нагружения, близких к реальным условиям
Научная новизна-
поставлены и решены новые задачи физической, температурно-временной нелинейности и нелинейной механики повреждения торовых РКО вращения,
разработаны методики экспериментальных исследований, направленных на получение данных о поведении РКО в условиях физической, температурно-временной нелинейности и нелинейной механики повреждения,
в режиме статического нагружения определены механические свойства конструкционных материалов оболочек, исследованы характеристики деформирования в зоне контакта резинового слоя РКО упругой муфты и металлических фланцев с учетом физической нелинейности,
выполнено комплексное исследование динамической нагруженности (динамический крутящий момент, приведенная податливость, осевые и реактивные усилия, удельное трение) соединительных элементов с упругими муфтами Определены резонансные зоны и частоты колебаний,
исследовано температурное поле наружной резиновой поверхности оболочки, вызванное процессами статического и циклического деформирования Выявлены закономерности временного и пространственного распределения температуры при установившихся и неустановившихся теплообменных процессах,
решена связанная задача кручения моделирующего композитного цилиндра применительно к РКО с учетом теплообразования при циклическом нагружении и с учетом теплопроводности среды внутри цилиндра Получено удовлетворительное соответствие расчетных и экспериментальных данных температуры оболочки,
проведен комплекс исследований РКО и лабораторных образцов оболочек при осевом сжатии в условиях теплопередачи, конвективного теплообмена и теплоизоляции,
получены коэффициенты нелинейности деформирования РКО, с помощью которых проведены вычисления параметров физической нелинейности, подтвержденные экспериментом,
с использованием результатов экспериментов и разработанного алгоритма решения нелинейной задачи методом конечных элементов определены зоны максимальной нагруженности и повреждений РКО,
численным и физическим экспериментом определены механические характеристики РКО (модуль упругости и модуль сдвига) при их кручении, осевом сжатии и поперечном сдвиге,
получены инварианты тензоров напряжений, значения максимальных касательных напряжений, деформации сдвига при кручении, интенсивности
напряжений и деформаций, позволяющие определить величину напряжений и деформаций элементов оболочек,
по результатам исследования сопротивления циклическим упругопластическим деформациям получены ширина петли гистерезиса и анизотропия РКО и лабораторных образцов оболочек,
- выведено уравнение долговечности РКО на основе полученных результатов сопротивления упругим и пластическим деформациям
Практическая значимость. Практическая значимость обусловлена предложениями по уточненному решению инженерных задач, позволяющих учесть нелинейные эффекты, определить НДС элементов РКО, а также решением связанной задачи, учитывающей влияние на несущую способность оболочек температурного режима и динамического нагружения
Разработанная методология исследования позволяет описать тепловые процессы с учетом времени нагружения как на наружной поверхности оболочки, так и внутри ее замкнутого контура Для этого достаточно использовать результаты экспериментов по определению значения статической крутильной жесткости РКО, полученные в широком диапазоне температур (от -40 до +80 С)
На основе анализа полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований даны методические рекомендации по расчетно-экспериментальному определению и повышению прочности, деформативности и долговечности РКО
Показано, что исследования на реальных оболочках в лабораторных условиях позволяют уточнить значения ресурса в реальных условиях эксплуатации Используя результаты экспериментальных исследований крутильной, осевой и радиальной жесткости и программного комплекса типа ANSYS, можно определять механические характеристики элементов РКО (модуль Юнга, модуль сдвига и коэффициент Пуассона), не прибегая к сложным и дорогостоящим испытаниям
Результаты работы могут найти применение в КБ и отраслевых НИИ железнодорожного транспорта и транспортного машиностроения для решения инженерных задач по повышению ресурса РКО с учетом физической и температурной нелинейности конструкций
Достоверность результатов Достоверность полученных результатов обеспечена комплексностью поставленных задач и сочетанием экспериментальных и теоретических методов их решения Использованы деформационные критерии разрушения и апробированные методы нелинейной механики деформирования композитов
Эксперименты по определению статической и динамической нагруженности и теплового состояния РКО произведены на серийном высокоточном оборудовании
Полученные результаты теоретических исследований подтверждены экспериментами
Тепловые поля РКО измерялись термовидением, перемещения (растяжение и сжатие) - прецизионными системами
При исследовании напряженного деформированного и температурного состояния оболочек использовались модели сложных деформируемых сред и уравнения тепловых полей
Оценка зон повреждения и НДС производилась с использованием базовых уравнений сопротивления материалов и программным комплексом ANSYS Выполненное численное конечно-элементное моделирование позволило выявить максимальные зоны деформации РКО Эти зоны расположены вблизи защемления резиновой поверхности оболочки металлическими фланцами, т е в местах возникновения трещин
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 5-ой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH, (г Москва, апрель 2005 г), 4-ом международном междисциплинарном симпозиуме, (г Москва, ноябрь 2005 г), международной научно-технической конференции, (Киев, ноябрь 2005 г), 1-ой международной конференции «Деформации и разрушения материалов», (г Москва, ноябрь 2006 г), 7-ой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH, (г Москва, май 2007 г )
Публикации По теме диссертации опубликовано 27 работ, из них в рецензируемых журналах ВАК- 19 работ
Объем и структура работы Диссертация изложена на 285 страницах машинописного текста, включая 121 рисунок, 22 таблицы и состоит из введения, восьми глав, основных результатов работы и выводов, списка литературы из 197 наименований
