CC BY
37
Общетехнические задачи и пути их решения
129
УДК 539.3:4
А. В. Якушев, Я. О. Рузметов, С. О. Комиченко
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ ФОРМЫ ОБРАЗЦА С ЦЕЛЬЮ ПОСТРОЕНИЯ КИНЕТИЧЕСКОЙ ДИАГРАММЫ УСТАЛОСТНОГО РАЗРУШЕНИЯ ДЛЯ ЛИТЫХ СТАЛЕЙ ПРИ НАЛИЧИИ ВНУТРЕННИХ ЛИТЕЙНЫХ ДЕФЕКТОВ
Рассмотрены основные причины снижения усталостной прочности боковых рам в эксплуатации и в стендовых испытаниях. Отмечено, что значения критических коэффициентов интенсивности напряжений для литых сталей с учетом внутренних литейных дефектов подлежат определению.
Предложен и обоснован оригинальный образец с центральным инициирующим надрезом для получения критических коэффициентов интенсивности напряжений, отражающий поведение внутреннего литейного дефекта в стенке боковой рамы.
внутренний литейный дефект, боковая рама, коэффициент интенсивности напряжения.
Введение
В настоящее время на сети железных дорог России и некоторых стран СНГ сформировалась чрезвычайно неблагоприятная ситуация в сфере безопасности движения, связанная со значительным увеличением числа случаев изломов боковых рам тележек грузовых вагонов [1]. Эти изломы боковых рам происходят исключительно по радиусу R55 внутреннего угла буксового проема (рис. 1).
Причинами изломов исследователи отмечают в основном недопустимые внутренние
Рис. 1. Излом боковой рамы по внутреннему углу буксового проема
и наружные литейные дефекты, нарушения режимов термообработки боковых рам на за-водах-изготовителях, условий эксплуатации. Если наружные литейные дефекты и несоответствующие режимы термообработки можно устранить путем ужесточения технологической дисциплины на предприятиях, то обнаружение внутренних литейных дефектов возможно не всегда. Зачастую внутренние дефекты залегают в галтелях, границах ребер жесткости, Т-образных сечениях элементов боковых рам (рис. 2), обладающих низкой контролепригодностью для методов неразрушающего контроля.
На практике именно такие дефекты в виде усадочных раковин и песочных засоров, с острыми границами, локализованные в нагруженных зонах боковых рам, приводят к повышенной концентрации напряжений в острых вершинах. Возникновение нормальных напряжений в острых вершинах внутреннего литейного дефекта сводится к симметричному (относительно линии трещиноподобного внутреннего литейного дефекта) деформированию, т. е. к трещине отрыва.
Практические исследования изломов боковых рам в стендовых испытаниях под-
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
130
Общетехнические задачи и пути их решения
Рис. 2. Излом боковой рамы с внутренним литейным дефектом
тверждают, что усталостные трещины зарождаются в острых вершинах внутренних литейных дефектов при симметричном деформировании [2]. Обратносимметричное деформирование (т. е. поперечный и продольный сдвиг) не способствует зарождению и развитию усталостных трещин в вершинах внутренних литейных дефектов.
Исследования трещиностойкости литых сталей типа 20Л позволяют установить критерии разрушения для боковых рам тележек грузовых вагонов при наличии поверхностных трещин и симметричного деформирования [3-5]. Вопрос применимости установленных критериев при попадании внутреннего литейного дефекта в нагруженную зону боковой рамы подлежит изучению, поэтому определение экспериментальных значений критических коэффициентов интенсивности напряжений для литых сталей с учетом внутренних остроугольных дефектов весьма актуально. Это позволит уточнить имеющиеся методики расчета запаса сопротивления усталости боковых рам с внутренними литейными дефектами.
1 Постановка задачи
В настоящей работе поставлена задача: разработать и обосновать конфигурацию образца с инициирующим надрезом для испытаний на центральное растяжение, который позволит имитировать напряженное состояние в вершине остроугольного внутреннего литейного дефекта, расположенного в характерном сечении боковой рамы.
2 Выбор типа образца
Базовая конфигурация образцов с инициирующими надрезами для определения параметров кинетической диаграммы усталостного разрушения приведена в ГОСТ 25.506. Однако только два типа образцов позволяют получить значения порогового коэффициента интенсивности напряжений Kth и циклической вязкости разрушения Kfc (рис. 3), необходимых в расчетах боковых рам с внутренними литейными дефектами. Эти образцы имеют надрез для внецентрен-ного и центрального растяжения (рис. 4).
В научных трудах установлена необходимая для расчетов критериальная величина Kth на образцах с внецентренным растяжением [3-5]. Эти данные можно использовать для прогнозирования допустимых длин поверхностных трещин в боковых рамах, обнару-
Рис. 3. Типовая кинетическая диаграмма усталостного разрушения образца
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
131
Рис. 4. Схемы нагружения образцов с инициирующим надрезом при центральном (а) и внецентренном (б) растяжении по ГОСТ 25.506
живаемых при эксплуатации. Отметим, что условия нагружения в зоне острых вершин внутреннего дефекта отличаются от поверхностного дефекта, так как имеется больший запас упругой энергии вокруг дефекта в теле и отсутствуют изгибающие моменты.
Поэтому предполагается различие параметров Kh и Kfc при центральном и внецентренном растяжении. Исследования Kh и К
при наличии внутреннего литейного дефекта в сечениях боковых рам целесообразно проводить на плоских прямоугольных образцах с центральным надрезом и испытывать их на осевое растяжение.
3 Обоснование основных размеров
образца
Требование ГОСТ 25.506 к ширине образца с инициирующим надрезом пересмотрены в сторону уменьшения до толщины стенки боковой рамы, в которой наиболее часто встречался внутренний литейный дефект, обнаруживаемый в ходе испытаний на усталость. Изучено 70 изломов боковых рам. На рис. 5 приведено распределение внутренних литейных дефектов по толщине стенок обследованных боковых рам.
Из рис. 5 видно, что толщина стенки боковой рамы, в которой наиболее часто встречался внутренний дефект, составила 17,5 мм. Общее число дефектов, выявленное на этой толщине, составило 21 шт., поэтому ширина образца для испытаний принимается с округлением до 18 мм.
Конфигурация центрального инициирующего надреза в образце, подобного остроугольному внутреннему литейному дефекту в стенке боковой рамы, сохранена по ГОСТ 25.506.
Площадь описанного прямоугольника инициирующего надреза в образце выбира-
Рис. 5. Распределение внутренних литейных дефектов по толщине стенок разрушенных боковых рам
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
132
Общетехнические задачи и пути их решения
V & # & <?' & л52*' <§> # ^
Площадь дефектов, мм2
Рис. 6. Распределение дефектов по площади
лась таким образом, чтобы она была эквивалентна средней площади описанного прямоугольника для наиболее часто встречающихся дефектов в изломах боковых рам (рис. 6).
Толщина образца выбрана согласно ГОСТ 25.506 - 2 мм. Захватные части образца адаптированы к испытательной машине УРС-2000. Схема нагружения образца с инициирующим надрезом в испытаниях эквивалентна нагружению стенки боковой рамы, содержащей внутренний литейный дефект, в эксплуатации (рис. 7).
В результате выполненных обоснований разработан чертеж образца (рис. 8), твердотельная модель образца в программе Solid Works. По компьютерной модели образ-
ца специалисты испытательной лаборатории «Механическая лаборатория им. проф. Н. А. Белелюбского» ФГБОУ ВПО ПГУПС написали программу изготовления для обрабатывающего центра с ЧПУ, изготовили специальный режущий инструмент для протяжки инициирующего надреза и опытную партию образцов для испытаний в условиях центрального растяжения.
Выводы
Разработанный и обоснованный образец с инициирующим надрезом для испытаний на центральное растяжение позволит опре-
а)
б)
Рис. 7. Эквивалентные схемы нагружения образца с инициирующим надрезом в испытаниях (а) и стенки боковой рамы с внутренним литейным дефектом
в эксплуатации (б)
2014/2
Proceedings of Petersburg Transport University
Общетехнические задачи и пути их решения
133
Рис. 8. Опытный образец для испытаний на центральное растяжение
делить значения порогового коэффициента интенсивности напряжения Kh и циклической вязкости разрушения Kfc для литых сталей с учетом внутренних остроугольных дефектов.
Образец имеет ширину, согласованную с толщиной стенки боковой рамы, в которой наиболее часто попадается внутренний дефект.
Площади описанных прямоугольников инициирующего надреза образца и реальных внутренних дефектов среднего размера в изломах боковых рам эквивалентны.
Библиографический список
1. Моделирование напряженного состояния боковых рам грузовых тележек с внутренними литейными дефектами / А. Е. Карибжанов, А. В. Якушев, Я. О. Рузметов // Науч. журн. ми-
нистерства образования и науки Республики Казахстан «Поиск». - 2011. - № 4 (1). - С. 290-294.
2. О путях повышения эксплуатационной надежности стальных литых деталей тележек грузовых вагонов / Т. Е. Конькова, В. Б. Бело-водский, А. В. Великанов // Вестн. ВНИИЖТ. -2009. - № 1. - С. 22-26.
3. Исследование трещиностойкости сталей литых деталей тележек грузовых вагонов после длительного периода экплуатации / Т. П. Се-веринова // Вестн. ВНИИЖТ. - 1999. - № 3. -С. 35-40.
4. Вероятностное прогнозирование длительности развития усталостных трещин в литых сталях деталей грузовых вагонов / В. Н. Змеева, С. Г. Лебединский // Вестн. ВНИИЖТ. - 2000. -№ 2. - С. 44-47.
5. Статистические закономерности развития усталостных трещин в литых сталях деталей грузовых вагонов / В. Н. Змеева, С. Г. Лебединский // Вестн. ВНИИЖТ. - 1999. - № 3. - С. 26-31.
ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС
2014/2
