Унифицированный вероятностный подход к оценке усталости металлоконструкций подвижного состава

Введение. Вероятностный подход позволяет получить оценку усталости с учетом истории нагружения и характеристик разброса сопротивления усталости и широко используется для расчета долговечности несущих конструкций экипажной части. Подход основан на применении правила линейного суммирования повреждений и перехода к предельному блоку нагружения. В нормативных документах для разных типов подвижного состава он изложен неодинаково. Цель исследования состоит в разработке унифицированного подхода к оценке усталости металлоконструкций для разных видов подвижного состава.
Материалы и методы. Проанализированы данные нормативных документов по оценке прочности и динамических качеств несамоходных вагонов локомотивной тяги, вагонов моторвагонного подвижного состава и локомотивов.
Результаты. Рассмотрены методики оценки усталости при нерегулярном нагружении, использующие понятие эквивалентного напряжения и концепцию перехода к предельному блоку нагружения. Выполнено сопоставление методик по значениям коэффициентов запаса сопротивления усталости при идентичных значениях коэффициентов вариации предела выносливости и максимального напряжения в блоке. Показано, что при наличии статистически надежных данных по нагружению и пределу выносливости наименьший запас сопротивления усталости заложен в нормативные документы по оценке прочности несамоходных вагонов локомотивной тяги. Предложено использование подхода, в котором амплитуды напряжения нормируются по значению предела выносливости. Показана консервативность детерминистического подхода в сравнении с вероятностным.
Обсуждение и заключение. Предложенный подход позволяет упростить расчеты ресурса конструкций экипажной части и решать несколько типов задач: оценивать долговечность, отвечающую заданной вероятности разрушения, определять вероятность разрушения при заданной долговечности, а также значения коэффициента запаса сопротивления усталости. Это позволяет рассматривать его в качестве единого подхода для разных видов подвижного состава.

1. Кочергин В. В., Буханцев А. А., Русанов О. А., Колесников К. В. Пути повышения прочности несущих конструкций экипажей несамо­ходных пассажирских вагонов // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2020. № 1(49). С. 44–49. EDN: https://www.elibrary.ru/cvbyzi.

2. Сенько В. И., Макеев С. В., Комиссаров В. В., Скороходов С. А. Особенности определения коэффициента запаса сопротивления усталости конструкций подвижного состава // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: наука и транспорт. 2018. № 1 (36). C. 5–9. EDN: https://www.elibrary.ru/ywihsh.

3. Guchinsky R. V., Petinov S. V. Uncertainties in fatigue assessment of structures in design and in service. Herald of the Ural State University of Railway Transport. 2021;4(52):35–44. https://doi.org/10.20291/2079-0392-2021-4-35-44. EDN: https://elibrary.ru/iyupzj.

4. Miao B. R., Luo Y. X., Peng Q. M., Qiu Y. Z., Chen H., Yang Z. K. Multidisciplinary design optimization of lightweight carbody for fatigue assessment. Materials & Design. 2020;194:108910. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108910. EDN: https://elibrary.ru/xaxpoa.

5. Lu Y., Dang L., Zhang X., Feng Z., Zeng J., Dong P., Xiang P. Analysis of the dynamic response and fatigue reliability of a full-scale carbody of a high-speed train. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2018;232(7):2006–2023. https://doi.org/10.1177/0954409718757295.

6. Petinov S. V., Guchinsky R. V. Fatigue assessment of ship superstructure at expansion joint. Transactions of the Royal Institution of Naval Architects Part A: International Journal of Maritime Engineering. 2013;155(Part A4): A201–A209. https://doi.org/10.5750/ijme.v155ia4.910. EDN: https://eli-brary.ru/uercul.

7. Гучинский Р. В., Петинов С. В. Разработка узла конструкции судна по условию усталостной долговечности // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. № 4 (159). С. 177–186. EDN: https://www.elibrary.ru/plukcv.

8. Yang G., Wang M., Li Q., Ding R. Methodology to evaluate fatigue damage of high-speed train welded bogie frames based on on-track dynamic stress test data. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2019;32(3):193–200. https://doi.org/10.1186/s10033-019-0365-3.

9. Оганьян Э. С., Волохов Г. М., Гасюк А. С. Прогнозирование ресурса несущих конструкций локомотивов по условиям эксплуатации // Известия Транссиба. 2019. № 2 (38). С. 47–54. EDN: https://www.elibrary.ru/wwozmw.

10. Махутов Н. А., Резников Д. О., Коссов В. С., Оганьян Э. С., Волохов Г. М., Овечников М. Н., Протопопов А. Л. Методы определения ресурса нерезервируемых несущих элементов подвижного состава и пути // Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». 2017. № 3. С. 19–39. EDN: https://www.elibrary.ru/zizpfl.

11. Оганьян Э. С., Гасюк А. С., Волохов Г. М., Фазлиахметов Д. М., Муравлев Е. В. Безопасная эксплуатация локомотивов по ресурсу их базовых частей // Безопасность Труда в Промышленности. 2017. № 6. C. 54–58. https://doi.org/10.24000/0409-2961-2017-6-54-58. EDN: https://elibrary.ru/yrgngx.

12. Гучинский Р. В. Сопоставление детерминистических подходов к оценке усталости сварных соединений экипажной части // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2022. № 3(59). С. 50–57. EDN: https://www.elibrary.ru/awnniv.