CC BY
86
ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.421
Д. П. Кононов, Н. Ю. Шадрина
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ПОВЫШЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА ЗА СЧЕТ УВЕЛИЧЕНИЯ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЕС
В последние годы произошли существенные изменения суммарных пробегов колесных пар, а также увеличение нагрузки на ось. Для повышения безопасности движения и надежности цельнокатаных колес необходимы новые требования к технологиям их изготовления, обработки и упрочнения. При этом следует иметь в виду дальнейшие перспективы повышения нагрузки на ось. В статье предложен метод увеличения усталостной прочности цельнокатаных колес с помощью локальной термообработки дисков. Локально упрочненные области наносятся равномерно с наружной и внутренней сторон диска колеса в местах перехода диска в обод и ступицу.
вагонные колеса, прочность, дефекты, безопасность.
Введение
В последние годы произошли существенные изменения такого показателя, как суммарный пробег колесных пар [1]. С одной стороны, годовые пробеги у нового скоростного подвижного состава увеличились со 150 000.. .200 000 км до 500 000 км, а назначенные сроки службы - до 30 лет, с другой стороны - в России и странах бывшего СССР вследствие объективных экономических и других трудностей обострилась проблема замены имеющегося парка на подвижной состав нового поколения и возникла не- 6
6
обходимость продления сроков службы существующего парка. Реализуемое общее число циклов нагружения колесных пар в этих условиях достигает 109...1010, что переводит проблему оценки прочности в новый класс задач, а именно: из области многоцикловой усталости в гигацикловую область [1], [2], имеющую другие закономерности.
1 Состояние проблемы
В области гигацикловой усталости не подтверждается гипотеза о бесконечной долговечности при напряжениях ниже традиционного предела выносливости, определенного на базе 107.108 циклов, отличается и расположение очагов зарождения трещин [3]. Это подтверждают сообщения [1], [4] о случаях разрушения деталей в различных областях промышленности и железнодорожного транспорта при сравнительно низких, но длительно действующих нагрузках. Исследования показывают, что у образцов, разрушившихся до 107 циклов нагружения, очаги зарождения трещин находятся в поверхностном слое у какого-либо дефекта или изменения геометрии поверхности, а у образцов, разрушившихся после 107 циклов, - под поверхностным слоем [1], [5], преимущественно у сульфидных неметаллических включений или дефектов микроструктуры.
То есть для повышения безопасности движения, надежности цельнокатаных колес необходимы новые требования к технологиям их изготовления, обработки и упрочнения. При этом следует иметь в виду рассматриваемые перспективы повышения нагрузки на ось. Например, в США при нагрузке 29 т/ось для магистральных грузовых вагонов произошло более 500 аварий по причине разрушения диска [6], [7], [8], [9] за период с 1975 по 2006 г. с заявленным ущербом более 70 млн долларов (табл. 1).
ТАБЛИЦА 1. Статистика повреждаемости колес
Спецификация причины Всего Вид аварии Заявленный ущерб, долл. США Несчастный случай
Количество % Столкновение Сход с рельсов <и К U Он « Итого % Погибших Раненых
Разрушение диска 529 11,9 - 511 18 73 095 354 19,2 0 47
Разрушение диска (лок.) 16 0,4 - 4 2 464 296 0,1 0 1
7
Средняя стоимость ущерба от наиболее часто встречающихся дефектов по тем же данным представлена в таблице 2.
ТАБЛИЦА 2. Стоимость ущерба от дефектов
Вид дефекта колесной пары Средняя стоимость ущерба, долл.
Разрушение гребня (подрез) 113 641,75
Разрушение обода (откол) 176 941,57
Разрушение диска (трещина) 138 176,47
Износ гребня 19 191,88
Ослабление посадки колеса 120118,74
Ползун на поверхности катания 76 858,23
Наволакивание 64 292,81
Износ поверхности катания 100 085,95
Термическая трещина 143 894,60
Если в количественном отношении разрушение диска за 30 лет не столь велико, то в стоимостном выражении последствия данного дефекта ставят его на третье место. Поэтому возникла необходимость проведения мероприятий, направленных на повышение предела выносливости и усталостной прочности колес с тонкомерным ободом в процессе ремонта.
2 Метод локальной термообработки дисков
Предложено для повышения при ремонте усталостной прочности колес воспользоваться методом локальной термообработки диска, создавая на его поверхности локальные упрочненные зоны [10].
Термоупрочненные зоны в виде «ребра жесткости» наносятся равномерно с внутренней и наружной стороны диска колеса напротив друг друга, захватывая зоны перехода диска в обод и диска в ступицу токами высокой частоты, плазменным нагревом, газопламенным нагревом и т. д. (рис. 1).
Данной обработке могут подвергаться как новые колеса, поступающие в эксплуатацию, так и колеса, прослужившие некоторый срок, в процессе их ремонта. В результате плавного и равномерного нагрева создаются участки термообработанного металла. В глубину диск прокаливается на 1,5...2 мм с каждой стороны (охлаждение воздушное).
Формы упрочненных зон могут быть различными: в виде 6 радиальных спиц (рис. 2, а); в виде 2 концентрических окружностей, расположенных в ме- 8
8
Рис. 1. Схема термообработки диска:
1 - упрочненная зона; 2 - основной металл
Рис. 2. Формы локальной термообработки дисков:
1 - упрочненный металл; 2 - основной металл
стах перехода диска в обод и ступицу (рис. 2, б); в виде 6 радиальных изогнутых спиц (рис. 2, в); в виде 6 радиальных зигзагообразных спиц (рис. 2, г) и др.
После данной термообработки происходит увеличение твердости в упрочняемых зонах с 250...265 НВ до 340...370 НВ. Следует отметить, что резкая граница между упрочненным и основным металлом отсутствует. 9
9
Заключение
Результаты испытаний на усталость показали, что колеса, имеющие толщину обода 22...24 мм и подвергнутые локальному термоупрочнению дисков, выдерживают без образования трещин 1,6.3 млн циклов нагружения, тогда как неупрочненные колеса выдерживают 1,2 млн циклов.
Это свидетельствует о повышении надежности цельнокатаных колес.
Библиографический список
1. К вопросу об оценке прочности осей и колес при увеличении пробегов и сроков службы колесных пар / Э. Н. Никольская, В. И. Грек // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. науч. трудов. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2009. - С. 41-49.
2. Усталость металлов в широком диапазоне числа циклов / Н. А. Махутов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - № 4, том 70. - С. 37-41.
3. Усталость высокопрочных сталей / В. Ф. Терентьев // Деформация и разрушение материалов. - 2006. - № 8. - С. 2-11.
4. Гигацикловая усталость - новая проблема физики и механики разрушения / Л. Р. Ботвина // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2004. - № 4, том 70. -С. 41-51.
5. Оценка циклической прочности конструкционных сталей в области длительной долговечности [Текст] / И. М. Петрова, И. В. Гадолина // Вестник машиностроения. -2005. - № 10.
6. Основы теории несущей способности прессовых соединений колесных пар железнодорожных вагонов : монография / С. В. Кротов. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2011. - 152 с.
7. Annual report, Safety statistics. Federal Railroad Administration (2004), available at: http://www.fra.dot.gov.
8. Annual report, Safety statistics. Federal Railroad Administration (2006), available at: http://www.fra.dot.gov.
9. Final report, Safety statistics [Электрон. ресурс] / Federal Railroad Administration. -USA. - 2001. - Режим доступа: http://www.fra.dot.gov.
10. Пат. № 2222613 Российская Федерация, МПК7 С 21Д9/34. Способ восстановления работоспособности колес рельсового транспорта [Текст] / Иванов И. А., Кононов Д. П., Урушев С. В., Шадрина Н. Ю. Опубл. 27.01.2004.
11. Восстановление усталостной прочности цельнокатаных колес / И. А. Иванов, Д. П. Кононов, С. В. Урушев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. науч. трудов. - СПб. : Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2009. - С. 93-99. 10
© Кононов Д. П., Шадрина Н. Ю., 2014
10
