CC BY
359
УДК 629.4.027.2
О ВЛИЯНИИ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ НА СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ ЛИТЫХ ДЕТАЛЕЙ
И. Ф. ПАСТУХОВ, М. И. ПАСТУХОВ
Учреждение образования «Белорусский государственный университет транспорта», Республика Беларусь
Введение
Литые детали (рамы боковые и балки надрессорные) тележек грузовых вагонов изготавливаются из низколегированных сталей марок: 20ГФЛ, 20ГЛ, 20ГТЛ и 20ХГНФТЛ по ГОСТ 977. Требования к отливкам рам и балок регламентируются техническими требованиями завода изготовителя и техническими условиями МПС РФ [1]. При соблюдении этих требований гамма-процентный (90 %) срок службы рам и балок из сталей 20ГФЛ, 20ГЛ и 20ГТЛ составляет 32 года, а для рам и балок из стали 20ХГНФТЛ - 35 лет. Однако в эксплуатации имеют место случаи разрушения рам и балок через непродолжительный срок службы: от 2-х до 23-х лет [2], [3]. И хотя вероятность разрушения литых деталей в эксплуатации мала (0,00000059), они все же происходят. И происходят они, в основном, по двум причинам: либо при возникновении в эксплуатации экстремального режима нагружения деталей тележек, особенно в сочетании с ухудшением их технического состояния (большим износом сопрягаемых узлов), либо при появлении литейных дефектов в опасных зонах сечений деталей, которые становятся очагами зарождения в них усталостных трещин даже при нормированных режимах нагружения.
Существующие технологии изготовления крупногабаритных литых деталей не могут обеспечивать такое качество литья, при котором бы в них отсутствовали литейные дефекты: шлаковые включения, газовые раковины, горячие трещины, рыхлость металла и т. д. Однако влияние этих дефектов на сопротивление усталости и технический ресурс детали изучено недостаточно. Имеющаяся информация [4] об оценке влияния литейных дефектов на циклическую прочность деталей тележек грузовых вагонов не дает ответов на вопросы, возникающие при анализе причин их разрушения в эксплуатации. Как влияют дефекты на зарождение усталостных трещин в зависимости от уровня напряжений, в зонах которых дефекты появляются? Как влияют дефекты на эти процессы в зависимости от их местоположения по отношению к поверхности детали и размеров по площади поражения сечения? Приведенный материал только констатирует, что предел выносливости бездефектных боковых рам при стендовых циклических испытаниях на 13 % выше, чем рам, в изломах которых зафиксированы дефекты, допустимые техническими условиями на их изготовление. При этом по условиям испытаний все разрушения рам проходят по сечению с максимальными номинальными напряжениями, тогда как в эксплуатации разрушения происходят по девяти сечениям с различным уровнем номинальных напряжений и, как правило, с литейными дефектами в изломах.
Постановка задачи
Исследование влияния литейных дефектов на усталостные характеристики материала (сталь 20ГФЛ), из которых изготовлены рамы и надрессорные балки тележек
модели 18-100, а также на усталостные характеристики натурных деталей при их лабораторных испытаниях и эксплуатационных повреждениях.
Метод решения задачи
Оценка влияния литейных дефектов на усталостные характеристики материала стали 20ГФЛ произведена по методике ГОСТ 25.502 на круглых образцах 10 мм, изготовленных из боковых рам и надрессорных балок, проработавших в эксплуатации 25 лет. Испытание образцов проведено на машине УКИ-6000-2, с частотой нагружения 50 Гц при вращении с изгибом при симметричном цикле нагружения. Образцы были сформированы в две группы: без видимых дефектов (16 штук) и с видимыми дефектами (12 штук).
Оценка влияния литейных дефектов на усталостные характеристики натурных деталей (боковых рам и надрессорных балок) произведена в лабораторных условиях при их стендовых испытаниях по методике [5]. Для испытаний были отобраны детали, изъятые из эксплуатации после их 30-летней работы. Испытания проведены на машине ЦДМ-200 с гидропульсирующими силовыми устройствами при частоте нагружения 300 циклов в минуту (5 Гц).
Оценка влияния литейных дефектов на срок службы литых деталей в условиях эксплуатации произведена диагностированием боковых рам и надрессорных балок в Витебском вагонном депо Белорусской железной дороги при проведении плановых ремонтов вагонов.
Анализ полученных результатов
В процессе испытания образцов все они после разрушения сортировались в две группы: с дефектами и без дефектов (рис. 1, в и 1, б). Все изломы фотографировались. В дефектных образцах устанавливался вид дефекта (неметаллические включения, газовые раковины и т. д.). Оценка результатов испытаний произведена по долговечности (табл. 1) и по параметрам сопротивления усталости (табл. 2).
б) в)
Рис. 1. Образцы после проведения усталостных испытаний: а - общий вид изломов; б - характер изломов бездефектных образцов; в - характер изломов образцов с литейными дефектами
Как видно из табл. 1, литейные дефекты в образцах снижают их долговечность в среднем в 2,65 раза в сравнении с бездефектными.
Анализ табл. 2 показывает, что предел выносливости образцов, имеющих литейные дефекты, на 15 % ниже предела выносливости бездефектных образцов, которые соответственно равны 154 и 181,5 МПа. Уравнения кривых выносливости бездефектных и дефектных образцов хорошо коррелируются (-0,94 и -0,85). Показатели наклона кривых выносливости примерно равны (10,66 и 11,84), что дает основание для проведения сравнительного анализа характеристик усталости исследуемых образцов.
Таблица 1
Уровень снижения долговечности образцов от наличия литейных дефектов
Напряжения в расчетном сечении ст, МПа Средняя долговечность образцов одного уровня расчетных напряжений N циклов Наличие дефекта (да, нет) Разница в долговечности дефектного образца в сравнении с бездефектным, %
230 191 200 да < в 2,55 раза
230 487 700 нет -
196 712 950 да < в 1,55 раза
196 1 107 000 нет -
188 820 000 да < в 2,7 раза
188 2 229 200 нет -
183 579 100 да < в 3,8 раза
183 2 217 450 нет -
Таблица 2
Параметры усталостной прочности образцов из стали 20ГФЛ, изготовленных из литых деталей после 25 лет эксплуатации
Параметр Обозначение и размерность Состояние образцов
без литейных дефектов с литейными дефектами
Предел выносливости при вероятности неразруше-ния 0,5 ст_1, МПа 181,5 154
Абсцисса точки перелома кривой выносливости N циклов 6,86 ■ 106 107
Показатель наклона левой ветви кривой выносливости т 10,66 11,84
Уравнение кривой выносливости у = Ь + ах ^ст = 2,9001 - 0,09381^ ^ст = 2,8291 - 0,091581^
Коэффициент корреляции Р -0,945404868 -0,858532096
Число испытанных образцов п 16 12
В целом можно констатировать, что литейные дефекты в образцах приводят как к снижению их долговечности (в 2,65 раза), так и предела выносливости (на 15 %).
Анализ стендовых испытаний боковых рам и надрессорных балок после их 30летней эксплуатации показал, что бездефектных деталей практически нет. Вопрос состоит в том, в какую зону (по напряженному состоянию детали) эти дефекты попали, где (по отношению к поверхности) они располагаются и какова их величина по площади поражения сечения? Так, в боковых рамах 77 % всех разрушений произошло по внутреннему углу буксового проема, в котором от вертикальной нагрузки наибольшие напряжения (90 МПа при осевой нагрузке 228 кН). Дефектов в этом сечении у разрушенных рам не было. Но не было их в этих рамах и по наклонному поясу, в котором напряжения ниже, чем в буксовом проеме на 15 % (76 МПа при Ро = 228 кН). Однако стоило дефектам попасть в сечение наклонного пояса, как у них разрушение произошло именно по этому сечению (при этом в сечении по буксовому проему дефекты отсутствовали).
На рис. 2 и 3 показаны зоны (сечения) разрушения боковых рам и надрессорных балок, а в табл. 3 характер их изломов.
Рис. 2. Схема расположения сечений в боковой раме по зонам разрушения:
1 - сечение внутреннего угла буксового проема (зона максимальных напряжений: 90 МПа от Ро = 228 кН); 2 - сечение наклонного пояса за буксовым упором;
3 - сечение рессорного проема
Рис. 3. Схема расположения сечений в надрессорной балке по зонам разрушения:
1 - шкворневое сечение; 2 - сечение по технологическому отверстию наклонного пояса (зона максимальных напряжений: 110 МПа от Ро = 228 кН); 3 - сечение наклонного пояса; 4 - сечение возле скользуна
Таблица 3
Виды, величины и положение литейных дефектов в изломах литых деталей
Услов- ный номер детали (УН) Место разру- шения (сече- ние) Напряжения в зоне зарождения трещин при осевой нагрузке 228 кН о, МПа Дефект Амплитудная испытательная нагрузка Ра, кН Число циклов N до разрушения
внд местополо-женне в сечении площадь поражения се-чення S, мм2
надрессорная балка
4 1 95 ШВ внутри от 5 мм и более от поверхности сечения 5G 373 436 GGG
3 1 95 ШВ то же 3GGи4GG 363 211 GGG
8 1 95 ШВ то же 45 и 11G 363 44G GGG
5 1 95 ШВ то же 15G 314 689 GGG
14 1 95 ШВ то же 92 255 634 GGG
2 3 78 ШВ то же 15G 275 2 728GGG
1 2 11G - без дефектов - 255 1 188 GGG
боковая рама
1 2 76 ШВ внутри на расстоянии 1 мм от поверхности 22 и 4G 275 7G9 GGG
12 1 9G ШВ внутри на расстоянии 2 мм от поверхности 36 и 7G 216 1 625 GGG
13 2 76 ШВ то же 5G 245 2 435 GGG
5 1 9G - без дефектов - 216 3 G35 GGG
Примечание. ШВ - шлаковые включения.
Анализ изломов боковых рам и надрессорных балок после их усталостных испытаний показал, что литейные дефекты, попадающие внутрь поперечного сечения, не приводят к разрушению детали в условиях эксплуатации. Причем дефекты по площади иногда имели величины, превышающие допускаемые по техническим условиям 22 мм2. Из табл. 3 также следует, что долговечность деталей при стендовых испытаниях зависит от наличия или отсутствия в них литейных дефектов, зоны (по напряженному состоянию), в которые дефекты попадают и их размеров по площади поражения сечения. Так, в надрессорной балке УН2 при испытании на нагрузку 275 кН долговечность до разрушения оказалась выше (2 728 000 циклов), чем у балки УН14 (634 000 циклов), испытанной на меньшую нагрузку (255 кН), так как дефекты в ней оказались в сечении с меньшими номинальными напряжениями (78 против 95 МПа балки УН14). По изломам балок УН3 и УН8 можно судить о влиянии размеров дефектов на их долговечность. Обе балки испытаны на одну и ту же амплитудную нагрузку 363 кН, но долговечность балки УН8 оказалась в 2 раза
выше, чем УН3 (440 000 и 211 000 циклов), так как размеры дефектов первой балки в 3 раза больше, чем у второй (соответственно 400 и 110 мм2). Долговечности двух балок (бездефектной УН1 и дефектной УН 14), испытанных на одинаковую нагрузку 255 кН оказались соответственно 1 188 000 и 634 000 циклов. То есть у бездефектной балки долговечность больше на 47 %, хотя номинальные эксплуатационные напряжения в зоне разрушения балки УН1 выше, чем у балки УН14 на 15 %. Аналогичная картина наблюдается и в характере разрушений боковых рам. Долговечность рамы УН13, испытанной на более высокую нагрузку (245 кН), чем рамы УН12 (216 кН) оказалась на 33 % выше последней (соответственно 2 435 000 и 1 625 000 циклов) вследствие того, что номинальные напряжения в зоне разрушения балки УН13 оказались ниже, чем у балки УН12 на 15 % (76 и 90 МПа).
Если же сравнить долговечность дефектной УН12 и бездефектной УН5 рам (соответственно 1 625 000 и 3 035 000 циклов), испытанных на одинаковую нагрузку 216 кН и разрушившихся в одном и том же сечении, то становится очевидным, что дефекты ускоряют процесс зарождения трещин и разрушения детали не менее, чем на 46 %. То есть дефекты, как концентраторы напряжений, опасны в деталях. Они становятся очагами зарождения усталостных трещин, если концентрация напряжений в них превышает величину предела выносливости материала детали. Особо опасны дефекты, попадающие на поверхность или предповерхностную зону детали (до 2 мм от поверхности).
Установить количественную закономерность влияния размеров дефектов на долговечность нагружения детали до разрушения не представлялось возможным из-за малого числа объектов наблюдения.
В табл. 4 приведены результаты циклических испытаний боковых рам и надрес-сорных балок на сопротивление усталости.
Таблица 4
Сопротивление усталости боковых рам и надрессорных балок тележек
грузовых вагонов
Характеристика сопротивления усталости Деталь
боковая рама надрессорная балка
Предельная амплитуда цикла нагружения (Ра) (предела выносливости) при вероятности неразрушения, кН: Р = 0,5 160,3 222,6
Р = 0,95 128,1 162,2
Показатель наклона кривой выносливости т 4,81 7,43
Коэффициент вариации предельной амплитуды цикла нагрузки vРaN 20,1 36,7
Анализ результатов циклических испытаний боковых рам и надрессорных балок на сопротивление усталости (табл. 4), прослуживших 30 лет, показал, что усталостная прочность их от длительной эксплуатации повышается по сравнению с исходным состоянием (новыми деталями) [6]: в боковых рамах на 28 % (от 100 до 128,1 кН при вероятности неразрушения Р = 0,95), а в надрессорных балках - на 54 % (от 105 до 162,2 кН). Объясняется это тем, что при воздействии на деталь кратковременных и редко действующих эксплуатационных нагрузок, приближающихся по величине к пределу текучести, происходит упрочнение детали, сопровождающееся увеличением предела выносливости. Следовательно, потенциал по несущей способности остающихся в
эксплуатации литых деталей после выбраковки их неразрушающими методами контроля за назначенный срок их службы не только не снижается, но и возрастает.
Анализ длительных наблюдений (1997-2003 гг.) за результатами диагностирования боковых рам (19 465 штук) и надрессорных балок (9 513 штук) при плановых ремонтах вагонов с использованием феррозондового метода контроля показал, что повреждения в виде трещин или литейных дефектов в контрольных зонах выявляются через срок службы деталей от 2,5 лет и более. При этом частость выбраковки деталей при выходном контроле в депо от осмотренных: боковых рам 0,0047 и надрессорных балок - 0,0046 при нормируемой их вероятности 0,01.
Во всех случаях зарождение трещин происходит от литейных дефектов, расположенных на поверхности детали или от внутренних дефектов, расположенных на расстоянии 1-2 мм от поверхности.
В качестве примера на рис. 4 показан излом боковой рамы через 2 года эксплуатации от поверхностного литейного дефекта по внутреннему углу буксового проема. Рама находилась под полувагоном № 65343212 принадлежности Белорусской железной дороги, постройки Алтайского ВСЗ 07.06.2005 г. (разрушение 12.03.2007 г. [3]). Как видно по излому (рис. 4, б), зарождение усталостной трещины произошло от литейного дефекта.
а) б)
Рис. 4. Излом боковой рамы тележки модели 18-100 после двух лет эксплуатации: а - общий вид излома; б - сечение излома
Таким образом, при существующей технологии изготовления литых деталей появление в них литейных дефектов неизбежно, которые при попадании их на поверхность или находясь внутри сечения, но на расстоянии 1-2 мм от поверхности детали, могут вызывать зарождение усталостной трещины с возможным разрушением ее в эксплуатации.
Практическое приложение результатов
Результаты исследований могут быть использованы при разработке технических условий заводами изготовителями литых деталей и ужесточения контроля их состояния в эксплуатации и при диагностике в депо.
Заключение
Таким образом, исследования влияния литейных дефектов на долговечность и усталостные характеристики материала и натурных деталей показали:
- литейные дефекты, попадающие на поверхность деталей в зоны высоких напряжений, приводят к их усталостному разрушению раньше назначенного срока службы (через 2-23 года эксплуатации);
- разрушения происходят при наличии литейных дефектов в зонах деталей с напряжениями от 0,75 до 1,0 от допускаемых;
- опасность представляют дефекты, находящиеся не только на поверхности опасной зоны детали, но и в предповерхностном слое на глубине от 1 до 2 мм.
С целью повышения ресурса литых деталей необходимо:
- при переработке технических условий на изготовление литых деталей предусмотреть возможность исключения попадания литейных дефектов в зоны высоких напряжений (0,75-0,95) от допускаемых;
- при разработке новых технических средств неразрушающего контроля литых деталей предусмотреть полную автоматизацию регистрации результатов, исключив человеческий фактор.
Литература
1. ОСТ 32.183-2001. Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная. Технические условия. МПС Россия. -Утв. и введ. в действие с 01.05.2002 г. - 22 с.
2. Кондрашов, С. П. Безопасности движения - пристальное внимание / С. П. Конд-рашов // Вагоны и вагон. хоз-во. - 2004. - Пилот. вып. - С. 14-23.
3. Гаврилюк, А. Ф. Совершенствование системы безопасности движения - залог стабильности работы железнодорожного транспорта / А. Ф. Гаврилюк // Вагон. парк. - Харьков, 2007. - № 4. - С. 59-62.
4. Попов, С. И. Выбор критерия для оценки влияния литейных дефектов на циклическую прочность деталей тележек грузовых вагонов / С. И. Попов, Н. А. Худякова // Повышение надежности и совершенствование ремонта вагонов : сб. науч. тр. ВНИИЖТа. - М., 1982. - Вып. 652. - С. 115-120.
5. Надрессорные балки и боковые рамы литые 2-осных тележек грузовых вагонов колеи 1520 мм. Методика испытаний на усталость ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1992. -14 с.
6. К оценке запасов усталостной прочности надрессорных балок и боковых рам тележки ЦНИИ-Х3-О по результатам полных усталостных испытаний / В. С. Плот-кин [и др.] // Сб. науч. тр. ВНИИВ. - М., 1978. - Вып. 35. - С. 41-47.
Получено 08.09.2012 г.
