ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МОДИФИКАЦИЙ ФРИКЦИОННЫХ КЛИНЬЕВ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 620.16

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МОДИФИКАЦИЙ ФРИКЦИОННЫХ КЛИНЬЕВ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

А. В. Габец

Представлены результаты стендовых испытаний и лабораторных исследований фрикционных клиньев тележки грузового вагона. Сравнительный анализ был выполнен для серийной и облегченной конструкции фрикционного клина, изготовленного из стали марки 20ГЛ, чугуна марки СЧ25 и чугуна, легированного молибденом. Дано обоснование возможности снижения материалоемкости фрикционного клина.

Ключевые слова: облегченный фрикционный клин, чугун модифицированный молибденом, конструкционная прочность клина, материалоемкость клина.

Фрикционный клин узла гашения колебаний тележки грузового вагона является важнейшим элементом конструкции, от работоспособности которого зависит длительность безремонтной эксплуатации подвижного состава. В настоящее время серийно изготавливаются стальные фрикционные клинья, устанавливаемые на грузовых тележках новых вагонов, и фрикционные клинья из серого чугуна, используемые при проведении их планового ремонта. Ежегодно промышленностью производится около 2 миллионов клиньев общим объемом выпуска свыше 30 тысяч тонн. Поэтому обоснованное снижение материалоемкости фрикционного клина позволит получить значительный экономический эффект.

Так как фрикционный клин является тяжело нагруженной деталью, то основной целью проведения исследований является оценка конструктивной прочности клина при снижении его материалоемкости. Для этого необходимо:

- исследовать напряженное состояние наиболее нагруженных зон фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из различных материалов;

- определить величину разрушающей нагрузки, характер разрушения и запас конструктивной прочности для серийных клиньев и клиньев облегченной конструкции.

Данные исследования были проведены ООО «СибТрансМаш» на испытательном оборудовании ОАО «ВНИИЖТ». Для сравнительных испытаний были использованы серийные фрикционные клинья из стали марки 20ГЛ ГОСТ 977-88 (чертеж НПК "Уралвагон-завод" № 100.30.001-1 «Клин») и из чугуна

марки СЧ25 ТУ 3183-234-01124323-2007 (чертеж ПКБ ЦВ М1698.00.002 «Клин»). Клинья облегченной конструкции (защищенной патентом РФ на полезную модель № 116821) разработки ООО «СибТрансМаш» (чертеж № 1293.00.004) были изготовлены из стали марки 20ГЛ, чугуна марки СЧ25 и чугуна легированного молибденом. На рисунке 1 показана конструкция серийного и облегченного фрикционного клина.

а) б)

Рисунок 1 - Конструкция серийного (а) и облегченного (б) фрикционного клина

Результаты определения основных физико-механических свойств отливок фрикционных клиньев представлены в таблице 1.

Оценка конструктивной прочности проводилась при сравнении напряженного состояния, возникающего во фрикционных клиньях на испытательном стенде. Собранный фрагмент узла гасителя колебаний тележки грузового вагона модели 18-100 показан на рисунке 2 и состоит из боковой рамы, крайнего участка надрессорной балки, двух фрикционных клиньев - правого (Р) и левого с установленными под ними жесткими ограничителями. Пружинные комплекты под балку не устанавливались, чтобы не ограничивать свободу ее перемещения, способствуя прямой передаче нагрузки на фрикционные клинья.

Таблица 1 - Механические свойства фрикционных клиньев

№ Материал Среднее значение твердости, НВ Свойства при испытании на растяжение

о 0,2, МПа о в, МПа Ф, % Ф, %

1 20ГЛ ГОСТ 977-88 > 275 > 540 18,0 25,0

2 СЧ25 ТУ 3183-234-01124323-2007 197-260 - > 250 - -

3 Серийный 20ГЛ 140 278 502 22,9 32,1

4 Серийный СЧ25 227 - 268 - -

5 Облегченный 20ГЛ 137 375 574 27,2 53,4

6 Облегченный СЧ25 221 - 257 - -

Рисунок 2 - Фрагмент узла гасителя колебаний, установленный на испытательной машине ЦДМ 200 Пу-1

На каждом клине в выбранных точках технологических отверстий (рисунок 3) наклеивались три тензорезистора сопротивлением 349,7±0,2 Ом и порогом чувствительности 2,12±1 %.

Рисунок 3 - Схема наклейки тензодатчиков

Снятие и обработка первичных данных выполнялись с помощью 8-ми канального измерительного усилителя Spider 8 и программного пакета Catman 4,0. Нагрузка прикладывалась к фрагменту надрессорной балки, обходя верхний пояс боковой рамы. Измерение возникающих напряжений проводились при статической нагрузке в диапазоне от 100 до 300 kN. Результаты испытаний представлены

в таблице 2 и позволяют сделать следующие выводы:

- в местах установки датчиков наблюдаются только сжимающие напряжения;

- существенного различия в величине сжимающих напряжений для клиньев из стали 20ГЛ и из чугуна марки СЧ25 как для серийной, так и для облегченной конструкции, не выявлено;

- напряжения в облегченном клине из стали 20ГЛ в 3 раза превышают напряжения в контролируемых точках клиньев серийной конструкции;

- последнее соотношение приблизительно выполняется и для напряжений в фрикционных клиньях из чугуна марки СЧ25, где напряжения в облегченном клине в 3-4 раза выше, чем в серийных.

- максимальная величина сжимающих напряжений для облегченных клиньев из стали 20ГЛ составляет около 520 МРа.

Статические стендовые испытания на разрушающую нагрузку и запас конструктивной прочности исследуемых клиньев проводились с использованием специально разработанной для этого оснастки на машине ЦДМ 200Пу-1 (рисунок 4).

Рисунок 4 - Стенд для испытаний фрикционных клиньев на разрушающую нагрузку

ГАБЕЦ А. В.

Таблица 2 - Значения напряжений, возникающих в исследованных фрикционных клиньях

№ Материал Нагрузка Р[к1\1] Значения напряжений в исследуемых точках, МРа

Р1 Р2 Р3 Ц 1-2 1-3

нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр.

3 20ГЛ 200 -107 -65 -160 -98 -89 -55 -71 -61 -138 -98 -126 -79

250 -129 -82 -191 -135 -100 -70 -91 -75 -170 -135 -153 -100

300 -148 -101 -225 -151 -115 -88 -100 -90 -198 -148 -178 -120

4 СЧ25 200 -80 -20 - - -139 -100 -110 -85 - - -140 -100

250 -80 -30 - - -172 -127 -138 -108 - - -175 -178

300 -80 -38 - - -200 -150 -160 -130 - - -201 -151

5 20ГЛ 200 -420 -219 -542 -234 -392 -220 -441 -279 -438 -310 -425 -305

250 -488 -295 -615 -339 -440 -300 -521 -369 -480 -390 -509 -400

300 -521 -414 -645 -498 -491 -360 -597 -489 -518 -458 -548 -480

6 СЧ25 100 -250 -78 - - -390 -260 -301 -170 - - -316 -170

150 -354 -210 - - -510 -416 -425 -310 - - -460 -320

200 -400 -360 - - -600 -541 -508 -450 - - -500 -483

Нагрузка величиной до 600 kN прикладывалась к наклонной поверхности фрикционного клина через цилиндрический сегмент и при ее плавном возрастании снимались значения напряжений в выбранных ранее точках. При этом необходимо учитывать, что

Анализ диаграммы «нагрузка - напряжение» клина № 3 из стали 20ГЛ (рисунок 5) показывает, что при нагружении клина произошел его перекос, о чем свидетельствуют различные показания датчиков Р1 и Р3. Датчик Р1 показывает, что при нагрузке 570 kN начался процесс пластической деформации боковой стенки и произошел срыв диаграммы «на-

фактическая нагрузка на клин при выбранной схеме нагружения в реальных условиях эксплуатации не превышает 50-60 к^

Результаты испытаний клиньев на разрушающую нагрузку представлены в таблице 3.

грузка - напряжение». По мере нагружения другой боковой стенки датчик Р3 регистрировал постоянный рост напряжения в этой стенке до величины ~ 850 МРа при максимальной нагрузке 650 к^ При снятии этой нагрузки сжимающие напряжения в стенке уменьшились до величины около 450 МРа.

Таблица 3 - Результаты испытаний клиньев на разрушающую нагрузку

Максимальная нагрузка Р [к^ Значения напряжений

№ Материал в месте установки роликов в исследуемых точках, МРа

Р1 Р3 Р1 Р3

нагр. разгр. нагр. разгр.

3 20ГЛ 570 625 1175 - 850 450

4 СЧ25 620 570 725 100 1200 425

5 20ГЛ 130 370 550 - 1150 -

6 СЧ25 320 340 2600 1200 2530 1150

Нлруш л >и]

Рисунок 5 - Диаграмма «нагрузка - напряжение» клина № 3

При испытании серийного клина № 4 из серого чугуна марки СЧ25 (рисунок 6) боковая стенка с датчиком Р1 выдержала без разрушения нагрузку 620 к^ При снятии нагрузки

остаточные сжимающие напряжения в стенке сохранились на уровне около 100 МРа. Боковая стенка с датчиком Р3 выдержала без разрушения нагрузку 570 к^

ТтГ

1 ио

-

" —. ~~ -

- . -- __ P1

- 1

- 4 \ ,Ha

- V

; \ v

\

1 i i 1 IIII IIII IIII iiii 1 1 1 1 1 J

1 ГИ1 2С1П Г|ПГ> 4ЛП ЯПП

И ■■ р|у ■ ГХМ1

Рисунок 6 - Диаграмма «нагрузка - напряжение» серийного клина № 4

В целом клинья серийной конструкции из стали 20ГЛ и чугуна СЧ25 выдерживают максимально возможную для данного стенда нагрузку 600 kN без признаков разрушения, что соответствует более чем 10-ти кратному запасу конструктивной прочности.

Испытания клиньев облегченной конструкции из стали 20ГЛ и чугуна СЧ25 выявили катастрофическую картину поведения этих клиньев при такой схеме нагружения (рисунки 7 и 8).

При испытании стального клина показания датчиков Р1 и Р3 (рисунок 7) на правой и

левой боковых стенках клина сильно различаются ввиду перекоса цилиндрического сегмента, передающего усилие от пуансона на наклонную поверхность фрикционного клина. Пластическая деформация боковой стенки клина с датчиком Р1 произошла при нагрузке всего около 130 к^ а срыв диаграммы «нагрузка - напряжение» другой боковой стенки с датчиком Р3 произошел при нагрузке 370 к^ Клин после испытаний имел значительный прогиб наклонной стенки.

\ ___ РЭ

; Р1 ■V

- ч. \

[ \

=

— Л 1 1 1 Р 1 ■ 1 г 1 1 1 г 1111 1 1 1 р Г ■ 1 ■ raí ■

1DO яв яв ®о

Магру^гл |1-. Г J |

Рисунок 7 - Диаграмма «нагрузка - напряжение» клина № 5

РЭ

-

: V. х

\ ~■ ■-. __ ™ - х

\

i 1 i i 1 1 и 1 Е 1 1 1 1111 1 И 1 1

se

2СЮ

1 СЮ 1 со

I |лгруавл, [KM]

Рисунок 8 - Диаграмма «нагрузка - напряжение» клина № 6

Клин из серого чугуна марки СЧ25 хрупко разрушился с многочисленными трещинами на боковых стенках, внутренней перегородке и наклонной поверхности клина уже при нагрузке 320-340 kN (рисунок 8). Судя по показаниям датчиков, перекос клина перед разрушением был незначительным, о чем свидетельствует практически одинаковая нагрузка (171 kN и 173 к^, при которой возникли трещины в боковых стенках. Разрушающие нагрузки стенок также оказалась весьма близкими (Р1 = 320 к^ Р3 = 335 к^. Такой симметричный характер разрушения можно объяснить материалом клина - серый чугун марки СЧ25 с пластичностью, близкой к нулевому значению. В целом проведенное испытание свидетельствует о неспособности хрупкого серого чугуна марки СЧ25 выдерживать высокие статические нагрузки.

Значительное снижение запаса прочности облегченных клиньев объясняется меньшими размерами ребер жесткости в конструкции клина. Однако, при этом запас конструктивной прочности остается достаточно высоким: более чем 5-ти кратным для стальных клиньев и 3-х кратным для чугунных.

Одним из подходов к увеличению запаса конструктивной прочности облегченной конструкции фрикционного клина, может стать применение новых материалов при его производстве. Для этого в ООО «СибТрансМаш» уже получен легированный молибденом чугун и из него был изготовлен облегченный клин, механические свойства которого приведены в таблице 4. В таблице 5 приведены значения напряжений, возникающих в исследованных фрикционных клиньях, изготовленных из легированного молибденом чугуна.

Таблица 4 - Механические свойства клиньев из стали 20ГЛ и легированного чугуна

№ Материал Среднее значение твердости, НВ Свойства при испытании на растяжение

О 0,2, МПа о В, МПа ф, % Ф, %

1 20ГЛ ГОСТ 977-88 > 275 > 540 18,0 25,0

2 СЧ25 ТУ 3183-234-01124323-2007 197-260 - > 250 - -

7 Чугун, легированный молибденом 380-400 228

Таблица 5 - Значения напряжений в клиньях из легированного молибденом чугуна

Нагрузка Р[к^ Значения напряжений в исследуемых точках , МРа

Р1 Р2 Рэ ц L2 Lз

нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр. нагр. разгр.

200 -282 -248 - - -295 -248 -100 -95 - - -307 -267

250 -318 -295 - - -340 -312 -130 -123 - - -350 -329

300 -348 -310 - - -380 -370 163 -160 - - -393 -389

Сравнительный анализ напряжений при испытании клиньев статической нагрузкой от 100 до 300 ^ в режиме «нагрузка» показал, что в фрикционных клиньях облегченной конструкции из легированного чугуна с молибденом напряжения значительно выше, чем в клиньях стандартной конструкции из стали

марки 20ГЛ или из серого чугуна марки СЧ25, однако ниже, чем в клиньях облегченной конструкции из серийно применяемых материалов. В таблице 6 приведены результаты испытаний клиньев из легированного молибденом чугуна на разрушающую нагрузку.

Максимальная нагрузка Значения напряжений в исследуемых точках, МПа

№ Материал Р[к^ в месте установки роликов

Р1 Р3 Р1 Р3

нагр. разгр. нагр. разгр.

7 Чугун, легированный молибденом 380 380 1250 150 700 50

Таблица 6 - Результаты испытаний клиньев из легированного молибденом чугуна на разрушающую нагрузку

Анализ диаграммы «нагрузка - напряжение» клина из легированного молибденом чугуна (рисунок 9) показывает, что разрушение клиньев началось при нагрузке 380 к^

При снятии нагрузки остаточные сжимающие напряжения в стенке сохранились на уровне около 100 МРа. Запас конструктивной прочности, аналогично с результатами испытаний облегченного клина из стали 20ГЛ, находится на уровне 6-ти кратного значения.

Таким образом, по результатам сравнительных прочностных испытаний фрикционных клиньев различных модификаций можно сделать следующие выводы:

- конструкция серийно выпускаемых фрикционных клиньев из стали и серого чугуна имеет избыточный многократный запас прочности, основанный на высокой материалоемкости, что выражается в сравнительно невысоких напряжениях при нагружении силами, значительно превышающими их эксплуатационные значения;

- уменьшение толщины стенок и ребер жесткости облегченного клина, изготовленного из традиционных материалов, вызывает в среднем 3-х кратное увеличение напряжений в исследуемых точках, однако запас их конструктивной прочности все равно остается достаточно высоким;

- 1

РЭ

— / Р1

- ■—. __

1 ■ Ill Ilia 'I ■ ■ |! 1 1 1 1 1 fe i i ■ ■<11 1 ■ 1 1 1

О -ъи -1 ии -1 1¿ни иии уьи чии

I 11ГРУ1Г1, ГЫ"-П

Рисунок 9 - Диаграмма «нагрузка - напряжение» клина № 7 из легированного чугуна

- как показывают результаты прочностных испытаний облегченного клина из легированного молибденом чугуна, применение новых материалов и технологий упрочнения может стать главным направлением при соз-

дании конструкции фрикционного клина с низкой материалоемкостью.

Габец А. В., директор по развитию ООО «СибТрансМаш» г. Барнаул, E-mail: gabeca@mail.ru.