CC BY
57
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
УДК 629.46.02
Ю. П. БОРОНЕНКО1*, И. О. ФИЛИППОВА2*
1 Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Московский просп., 9, Санкт-Петербург, Россия, 190031, тел. +7 (812) 310 92 10, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0002-8560-1758 2*АО Научно-внедренческий центр «Вагоны», Московский просп., 2, Санкт-Петербург, Россия, 190031, тел. +7 (812) 310 95 00, эл. почта [email protected], ОЯСГО 0000-0001-9584-4772
ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ВАГОНОВ С МАЛОЙ МАССОЙ ТАРЫ
Цель. В работе необходимо выявить причины существенно большего коэффициента тары вагонов колеи 1 520 мм в сравнении с грузовыми вагонами Северной Америки и дать рекомендации по снижению массы тары грузовых вагонов. Методика. В качестве методики применена сравнительная оценка показателей прочности, выносливости и устойчивости несущей конструкции минимальной массы, изготовленной из различных материалов по действующим на «пространстве 1 520» нормативам. Результаты. Авторами установлено, что при использовании высокопрочных сталей массу изделия можно снизить в пять раз в сравнении с балкой из стали 09Г2С. Если же в конструкции имеется сварное соединение, то масса конструкции увеличится примерно в 2 раза при расчете по «Нормам для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС России колеи 1 520 мм (несамоходных)». А при расчетах по ГОСТ 33 211-2013 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам» масса увеличивается почти в 5 раз и не зависит от типа стали. Научная новизна. Выявлено, что основным критерием, определяющим массу тары современных вагонов, является усталостная прочность сварного соединения. Показано, что ГОСТ 33 211-2013 и рекомендации Международного института сварки назначают низкие пределы выносливости высокопрочных сталей, и при их соблюдении достичь снижения тары невозможно. Практическая значимость. Разработано направление действий по снижению тары вагонов: экспериментально уточнены условия прочности сварных соединений вагонов из высокопрочных материалов; разработаны способы повышения выносливости сварных соединений; предполагаются другие виды соединений.
Ключевые слова: тара вагона; высокопрочная сталь; сварные конструкции; грузовой вагон; прочность
Введение
Снижение тары вагона является одной из приоритетных задач вагоностроителей. Меньший вес тары позволяет повысить грузоподъёмность, сократить расходы на закупку материалов, снизить стоимость вагона, сократить расходы на тягу и увеличить погонную нагрузку нетто. Однако успехи в этом направлении минимальны. Тара новых вагонов не уменьшается, а зачастую даже растет.
На железных дорогах Северной Америки и Австралии в эксплуатации находятся десятки тысяч грузовых вагонов, у которых осевая нагрузка от оси на рельс 32-35 тс, грузоподъем-
ность до 116 т, масса тары 18,9-25 т, коэффициент тары составляет 0,17...0,24 [2, 7, 9]. Таким образом, особенность вагоностроения Северной Америки состоит в повышении грузоподъемности вагонов за счет применения высоких нагрузок от оси на рельсы, составляющих для большинства вагонов 32-35 тс, что позволяет строить четырехосные вагоны грузоподъемностью до 116 т [15].
На пространстве железных дорог 1 520 мм современное вагоностроение ориентировано на повышение пропускной и провозной способности железных дорог за счет увеличения нагрузок от колеса на рельс до 27.30 тс, увеличения грузоподъемности до 83 т [3, 7, 13]. Коэффици-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
ент тары российских грузовых вагонов состав- По результатам обзора были выбраны моде-ляет 0,29...0,34, поэтому при перевозке одной ли грузовых вагонов с минимальными значе-тонны груза по железным дорогам России од- ниями коэффициента тары (табл. 1). новременно перевозится практически вдвое больше металла [3, 9].
Таблица 1
Характеристики грузовых вагонов
Table 1
Characteristics of freight cars
Модель вагона, страна, производитель Грузоподъемность, т Масса тары, т Объем кузова, м3 Осевая нагрузка, т/ось Коэффициент тары
12-9869, Россия, ТВСЗ 77 23 92 25 0,29
12-9828, Россия, РВЗ 83 24 98 27 0,33
12-197, Россия, УВЗ 74,5 25,5 92 25,5 0,34
12-9548-01, Россия, ТВСЗ 83 25 108 27 0,30
Greenbrier, США 98,7 31,1 86,2 32,5 0,31
37'MILL GONDOLA,США, American Railcar Industries 105 24,7 70,8 32 0,24
GONDOLA-MILL, Канада, National Steel Car 116 24,3 76 35 0,21
Hybrid Gon, США, Freight Car America 108,1 21,79 115 32,5 0,20
Beth GonAeroflo, Freight Car America 110 18,9 110 32 0,17
Сравнительная характеристика грузовых вагонов показала, что вагоны Северной Америки имеют в большинстве случаев коэффициент тары ниже, чем вагоны, произведенные в России.
Железнодорожный транспорт относится к металлоемким отраслям, это крупнейший потребитель металлопродукции. Качество конструкционных материалов существенно влияет на надежность, долговечность, массу тары и на другие технико-экономические характеристики вагонов [9].
В работах [2, 11] показана экономическая эффективность от внедрения новых материалов: высокопрочных сталей, коррозионностой-ких сталей, алюминиевых сплавов, при использовании которых снижается масса тары грузовых вагонов. За рубежом применение высокопрочных материалов при производстве
грузовых вагонов произошло около 15 лет назад. В вагоностроении стран СНГ стали с повышенной прочностью (до 390 МПа) в элементах грузовых вагонов начали использовать при производстве вагонов нового поколения. Основные усиленные узлы [9] - хребтовая балка рамы вагона, листы шкворневых и промежуточных балок рамы полувагонов, вертикальные стойки кузова вагона, листы обечайки и днища котлов вагонов-цистерн, обшивка кузова вагона. Такие решения хотя и позволяют уменьшить массу тары, однако снижение коэффициента тары и у новых вагонов незначительно.
Высокопрочными (машиностроительными, конструкционными) принято считать такие стали, у которых предел прочности после термической обработки выше 1 300 МПа. Основными легирующими элементами в высокопрочных сталях являются: хром, никель, мо© Ю. П. Бороненко, И. О. Филиппова, 2017
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
либден, кремний. Как известно, с ростом процентного содержания углерода и названных элементов ухудшается свариваемость стали. В работах [4, 9—11, 14] к недостаткам таких сталей относят высокую хрупкость при низких температурах, низкую пластичность, недостаточную усталостную прочность.
На основании обзора сталей, применяемых в машиностроении, были выделены марки сталей (табл. 2), удовлетворяющие требованиям [8].
Таблица 2
Марки высокопрочных сталей, применяемые в машиностроении
Table 2
Grades of high-strength steels used in engineering
Отно-
Марка стали, страна- Предел текучести, МПа сительное Область при-
производитель удлинение, % менения
09Г2С, Россия 345 21 Сварные конструкции
16Г2АФ, Россия 440 19 Сварные узлы вагонов
30ХГСА, Россия 835 10 Ответственные конструкции
Орйш 960QC, Финляндия 960 7 Сварные узлы машин
ЛЯ 400, Финляндия 1 000 10 «
ЛЯ 500, Финляндия 1 250 8 «
35ХГСА, Россия 1 275 9 Ответственные конструкции
35ХГСН2А, 1 375 9 «
Россия
30Х9Н8М4Г 2С2, Россия 1 400 50 Высокона-груженные детали
нии российскими и зарубежными производителями [5], можно заключить следующее:
1) российские марки стали не уступают, а порой и превосходят зарубежные аналоги по механическим характеристикам и вязкости разрушения при минусовой температуре;
2) стали с высокой прочностью, рекомендуемые для изготовления деталей грузовых вагонов, имеют пределы текучести 800.900 МПа, например 30ХГСА и Орйш 9600С.
Сталь 30ХГСА изначально предназначалась для авиастроения, но благодаря своим отличным характеристикам нашла более широкое применение. Закалка этой стали проводится в температурном диапазоне 550-650 °С. Термообработка позволяет повысить прочность материала (до значения 2 800 МПа) и его пластичность. Свариваемость хорошая, однако для качественного шва нужно предварительно подогреть металл и медленно охладить его. Сталь отличается невысокой стоимостью, так как легирующие компоненты не дефицитны.
Сталь Орйш 960 QC широко используется в Финляндии. По описаниям изготовителя сталь этой марки легко сваривается всеми распространенными способами, как правило, для тонких листов подогрев не требуется. Свойства стали приведены в [12].
Цены на эти стали сравнимы с ценами на стали класса прочности 300.400 МПа [2]. Почему же до сих пор нет новых вагонов с малой тарой, изготовленных из высокопрочных сталей? Можно ли снизить тару вагона, используя высокопрочные стали и проектируя новый вагон согласно действующим нормам и правилам? Попробуем ответить на эти вопросы.
Методика исследования снижения массы конструкций при использовании сталей повышенной прочности
Для оценки возможности снижения металлоемкости изделий из высокопрочных сталей были рассчитаны показатели прочности, выносливости и устойчивости двутавровой балки минимальной массы (рис. 1), изготовленной из трех марок сталей, две из них - высокопрочные.
Проанализировав характеристики этих сталей и опыт их использования в машинострое-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
P =
К] 4 Jx
2L • h
Видно, что при действии статической нагрузки масса балки из стали Optim 960 QC уменьшается почти в три раза.
Таблица 3
Характеристики цельнокатаной балки из условия непревышения напряжений предела текучести
Table 3
Characteristics of the all-rolled beam from the condition of non-exertion of the yield stresses
Рис. 1. Двутавровая балка: b - ширина полки по оси x, h - высота двутавровой балки по оси y , tw - толщина стенок, h - расстояние между двумя полками
Fig. 1. I-beam
b - flange width along the axis x, h - height of the I-beam on the axis y , tw - wall thikness, h - distance between the two flanges
Нагрузка P на балку определялась из условий прочности
Марка стали
Параметр 09Г2С 30ХГСА Optim 960 QC
Предел текучести ст, МПа 345 835 960
Толщина стенки ^ , мм 10 4 3,2
Масса балки, кг 40 16 13
где [с] - допускаемое напряжение; Зх — момент инерции; Ь1 — расстояние между опорами; к — высота балки.
Высота балки 186 мм, длина 1 000 мм, толщина листов балки принималась постоянной, но выбиралась исходя из требования по обеспечению различных условий прочности. В качестве эталона принималась балка, изготовленная из стали 09Г2С с моментом инерции 3 016 см4.
При статической нагрузке Рст = 447 кН напряжения в этой балке достигают предела текучести.
На первом этапе расчетов были определены такие значения параметров балок, изготовленных из сталей повышенной прочности, чтобы максимальные напряжения в них равнялись пределу текучести.
Характеристики балок, изготовленных из различных сталей, представлены в табл. 3.
На втором этапе расчетов были определены значения параметров балки из условия равенства максимальных напряжений пределу выносливости. В справочной литературе нет данных о пределах выносливости с-1 гладких стандартных образцов из высокопрочной стали. Поэтому значения напряжения с-1 определялись двумя способами: по формулам, рекомендованным [8]:
с-! * 0,50сй и справочником [1]:
С-1 *(0,55 -0,001св)св.
Предел выносливости балки определялся по формуле
K„
(1)
где Кс = 1,5 - среднее значение общего коэффициента снижения предела выносливости балки к пределу выносливости гладкого образца.
Величина динамической нагрузки принималась из условия равенства максимального напряжения пределу выносливости балки, изго-
-1
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
товленной из стали 09Г2С, а расчетное количество циклов принималось 1-107. Результаты расчета приведены в табл. 4.
Таблица 4
Характеристики балки из условия обеспечения усталостной прочности
Table 4
Characteristics of the beam from the condition of providing fatigue strength
Параметр
Предел выносливости, 0,5ст„
МШ ста, „ =-
1,5
Толщина стенки, мм
Масса балки, кг
Предел выносливости, МПа
(0,5 - 0,001св )
а 1,5
Толщина стенки, мм Масса балки, кг
Марка стали
09Г2С
150
10 40
151
10 40
Optim 960QC
333
1,4
6
299
1,6 7
30ХГСА
360
1,3 6
317
1,5
7
где ст = 47 МПа для сталей, Кс = 2 (табл. 10,
усталости данного сварного соединения FAT = 80 МПа при базе N1 = 2 -106 циклов с учетом того, что FAT — размах напряжений. Предел выносливости данного сварного соединения на базе N1 = 107 также составит:
Cli=_
1 3 2-106
■(FAT )3
= 23,5 МПа.
2 V 10'
Результаты расчета приведены в табл. 5.
Таблица 5
Характеристики балки из условия непревышения напряжений предела выносливости сварного шва
Table 5
Characteristics of the beam from the condition that the stress limit of the weld endurance is not exceeded
Вес балок из высокопрочной стали также оказался существенно меньше, чем балок из стали 09Г2С.
На третьем этапе был сделан расчет на усталость балки с двухсторонним прямым стыковым сварным швом в центральном сечении. Пределы выносливости определялись различными способами: по [8], [6] и [16]. При расчете по [8, табл. 3.2, с. 60] Ка принимался равным 2,4 и определялось напряжение ст_1 по формуле (1).
При расчете по [6]:
Кс
Марка стали
Параметр 09Г2С Optim 960QC 30ХГС А
Предел выносливости, МПа [8] 94 175 189
Толщина стенки, мм 10 5 4,6
Масса балки, кг 40 20 18
Предел выносливости, МПа по [5] и [15] 23,5 23,5 23,5
Толщина стенок, мм 45,5 45,5 45,5
Масса балки, кг ~200 ~200 ~200
с. 40), са N = 23,5 МПа.
При расчете по [16, табл. 3.2-1, с. 47] класс
Масса балки из высокопрочных сталей при расчетах по [8] оказалась меньше в два раза. Масса балки при расчете по [6] и [16] увеличилась для всех образцов.
Подводя итог, можно утверждать, что с учетом низких допускаемых напряжений для сварных соединений, рекомендуемых [6], невозможно снизить тару вагонов существующей конструкции, где сварка используется как основной элемент соединения.
Насколько справедливы эти ограничения, может дать ответ только комплекс исследований усталостной прочности опытных образцов сварных соединений из высокопрочных сталей. Кроме того, необходимо разработать конструк-
тивные решения, которые выводят сварные соединения из зон с высоким уровнем динамических напряжений. В случаях, когда конструктивно решить эту задачу не удается, предлагается перейти на другие виды соединений: болтовые и болтозаклепочные (резьбовые и вытяжные крепежи типа Lock-bolt, Hack-bolt, MaxLok).
Научная новизна и практическая значимость
Выявлено, что основным критерием, определяющим массу тары современных вагонов, является усталостная прочность сварного соединения. Показано, что [6] и [16] назначают низкие пределы выносливости высокопрочных сталей и при их соблюдении достичь снижения тары невозможно. Предложено направление действий по поиску путей снижения тары вагонов: экспериментальное уточнение прочности сварных соединений вагонов из высокопрочных материалов; разработка способов повышение выносливости сварных соединений; переход на другие виды соединений.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
Выводы
1. Вагоны колеи 1 520 мм существенно уступают по массе тары вагонам, произведенным в Северной Америке с применением высокопрочных сталей и алюминиевых сплавов, из-за меньших допускаемых напряжений пределов выносливости сварочных соединений.
2. При проектировании вагонов со сварными соединениями снижение массы тары вагонов незначительно. В то же время за рубежом эксплуатируются вагоны с малой тарой. Чтобы обеспечить возможность создания вагонов с уменьшенной тарой, необходимо:
- провести комплекс испытаний типовых сварных соединений из высокопрочных сталей на выносливость и получить статически надежные механические свойства сварных соединений, что позволит оценить реальную возможность снижения металлоемкости вагонных конструкций;
- выбрать способы повышения усталостной прочности сварных соединений;
- разработать новую методику расчета соединений высокопрочных сталей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Биргер, И. А. Расчет на прочность деталей машин : справочник / И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иоси-левич. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва : Машиностроение, 1993. - 640 с.
2. Битюцкий, А. А. Пути повышения эффективности грузовых вагонов, выпускаемых российскими вагоностроительными предприятиями / А. А. Битюцкий // Тяжелое машиностроение. - 2008. - № 2. -С. 29-33.
3. Бороненко, Ю. П. Стратегические задачи вагоностроителей в развитии тяжеловесного движения / Ю. П. Бороненко // Транспорт Рос. Федерации. - 2013. - № 5 (48). - С. 68-73.
4. ГОСТ 33211-2014. Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам. - Москва : Стандартинформ, 2014. - 54 с.
5. Конюхов, А. Д. Высокопрочные стали и сплавы для кузовов грузовых вагонов / А. Д. Конюхов, В. П. Ефимов, К. П. Демин // Тяжелое машиностроение. - 2006. - № 12. - С. 31-34.
6. Махненко, В. И. Совершенствование методов оценки остаточного ресурса сварных соединений конструкций длительного срока эксплуатации / В. И. Махненко // Автоматическая сварка. - 2003. - № 10/11. - С. 112-121.
7. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС России колеи 1520 мм (несамоходных). - Москва : ГосНИИВ : ВНИИЖТ, 1996. - 208 с.
8. Общие технические требования к грузовым вагонам нового поколения. - Москва : МПС РФ, 2001. -25 с.
9. Оценка необратимой повреждаемости при усталости углеродной стали / И. А. Вакуленко, О. М. Пер-ков, М. Кнапински, М. Болотова // Наука та прогрес транспорту. - 2014. - № 3 (51). - С. 65-74. ао1: 10.15802^р2014/25822.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
10. Перспективы создания сварных конструкций несущих элементов тележки грузового вагона / О. В. Махненко, Г. Ю. Сапрыкина, И. В. Мирзов, А. Д. Пустовой // Автоматическая сварка. - 2014. -№ 3. - С. 36-42.
11. Расчет на усталость сварных соединений несущих элементов тележки грузового вагона / Л. М. Лобанов, О. В. Махненко, Г. Ю. Сапрыкина, А. Д. Пустовой // Автоматическая сварка. - 2014. - № 10. -С. 32-36.
12. Сильвеннойнен, С. Металлопродукция : справ. проектировщика / С. Сильвеннойнен : Раутаруукки. -Otava : Keuruu, 2000. - 317 с.
13. Соколов, А. М. Осевая нагрузка 27 тс - новая веха развития вагоностроения / А. М. Соколов, А. М. Орлова // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2016. - № 3 (47). - С. 5-7.
14. Хилов, И. А. Обоснование возможности применения высокопрочных марок сталей в конструкции вагонов, эксплуатируемых на российских железных дорогах / И. А. Хилов // Тяжелое машиностроение. -2010. - № 7. - С. 36-39.
15. Barrow, K. Fortescue Railway - лидер тяжеловесного движения : материалы компании Fortescue Metals Group [Электронный ресурс] / K. Barrow // Intern. Railway J. - 2016. - No. 11. - С. 20-24. - Режим доступа: http://www.railjournal.com/index.php/australia-nz/pilbaras-heavyweight-champion-flexes-its-muscles.html?channel=000. - Название с экрана. - Проверено : 1.06.2017.
16. Hobbacher, A. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components / A. Hobbacher ; IIW International Institute of Welding. - Cham : Springer International Publishing AG, 2016. - 143 р.
Ю. П. БОРОНЕНКО1*, I. О. ФТЛТПОВА
2*
1*-
Петербурзький державний утверситет шляхш сполучення 1мператора Олександра I, Московський просп., 9, Санкт-Петербург, Роая, 190031, тел. +7 (812) 310 92 10, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8560-1758 2*АТ Науково-впроваджувальний центр «Вагони», Московський просп., 2, Санкт-Петербург, Ро^, 190031, тел. +7 (812) 310 95 00, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-9584-4772
ВИБ1Р КОНСТРУКТИВНИХ Р1ШЕНЬ ЕЛЕМЕНТ1В ВАГОН1В 13 МАЛОЮ МАСОЮ ТАРИ
Мета. У робот необхвдно виявити причини ютотно бшьшого коефщента тари вагошв коли 1 520 мм у порiвняннi з вантажними вагонами Швшчно! Америки та дати рекомендацп щодо зниження маси тари вантажних вагошв. Методика. В якосп методики застосована порiвняльна оцшка показнишв мщносл, ви-тривалосл та стшкосп несучо! конструкцп мшмально! маси, виготовлено! з рiзних матерiалiв за дшчими на «просторi 1 520» нормативами. Результата. Авторами встановлено, що при використанш високомщних сталей масу виробу можна знизити в п'ять разiв у порiвняннi з балкою зi сталi 09Г2С. Якщо ж у конструкцп е зварне з'еднання, то маса конструкцп збшьшиться приблизно в 2 рази при розрахунку за «Нормами для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС России колеи 1 520 мм (несамоходных)». А при розрахунках по ГОСТ 33211-2013 «Вагоны грузовые. Требования к прочности и динамическим качествам» маса збшьшуеться майже в 5 разiв та не залежить ввд типу сталг Наукова новизна. Виявлено, що основним критерiем, що визначае масу тари сучасних вагошв, е втомна мщшсть зварного з'еднання. Показано, що ГОСТ 33211-2013 та рекомендацп Мгжнародного шституту зварювання призначають низьш межi витривалосп високомiцних сталей, та при !х дотриманнi досягти зниження тари неможливо. Практична значимкть. Розроблено напрямок дiй зi зниження тари вагошв: експериментально уточненi умови мщносп зварних з'еднань вагонiв iз високомiцних матерiалiв; розробленi способи шдвищення витри-валостi зварних з'еднань; запропоновано iншi види з'еднань.
Ключовi слова: тара вагону; високомщна сталь; зварш конструкцii; вантажний вагон; мiцнiсть
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
РУХОМИЙ СКЛАД ЗАЛ1ЗНИЦЬ I ТЯГА ПО1ЗД1В
Y. P. BORONENKO1*, I. O. FILIPPOVA2*
1 Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, Saint-Petersburg, Moskovskiy Av., 9, Saint-Petersburg, Russia,
1*90031, tel. +7 (812) 310 9210, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8560-1758
2*JSC Scientific and Innovation Center «Cars», Moscovskiy Av., 2, Saint-Petersburg, Russia, 190031,
tel. +7 (812) 310 95 00, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-9584-4772
SELECTION OF CONSTRUCTIVE SOLUTIONS OF CAR ELEMENTS WITH SMALL EMPTY WEIGHT
Purpose. The work is aimed to identify the reasons for the significantly higher coefficient of the empty weight of 1520 mm gauge cars in comparison with the freight cars in North America and to give recommendations for reducing the empty weight of freight cars. Methodology. As a methodology, a comparative evaluation of the strength, durability and stability of the minimum weight bearing structure made of various materials using the "space 1520" standards is applied. Findings. The authors found that with the use of high-strength steels the product weight can be reduced by a factor of five in comparison with the beam of steel 09G2S. If there is a welded joint in the construction, the weight of the structure will increase approximately by 2 times when calculated according to the "Norms for calculating and designing railroad cars of the Ministry of Railways of Russia, gauge 1520 mm (non-self-propelled)". And during calculations according to State Standard 33211-2013 "Freight cars. Requirements for strength and dynamic qualities" the weight increases almost 5 times and does not depend on the type of steel. Originality. It is revealed that the main criterion determining the empty weight of modern cars is the fatigue strength of the welded joint. It is shown that State Standard 33211-2013 and "Recommendations of the International Welding Institute" designate low endurance limits for high-strength steels and it is impossible to achieve the weight reduction if one adheres these recommendations. Practical value. The direction of actions to find the ways reducing empty weight of cars was developed: conditions for strength of welded joints of cars made of high-strength materials have been experimentally refined; methods for increasing the endurance of welded joints were developed; other types of connections are assumed.
Key words: car weight; high-strength steel; welded constructions; freight car; strength
REFERENCES
1. Birger, I. A., Shorr, B. F., & Iosilevich, G. B. (1993). Raschet na prochnost detaley mashin: spravochnik (4th ed.). Moskow: Mashinostroeniye.
2. Bityutskiy, A. A. (2008). Puti povysheniya effektivnosti gruzovykh vagonov, vypuskaemykh rossiyskimi vagonostroitelnymi predpriyatiyami. Tyazheloye mashinostroeniye, 2, 29-33.
3. Boronenko, Y. V. (2013). Car-builders' strategic tasks in development of heavy-weight rail traffic. Transport Rossiyskoy Federatsii, 5(48), 68-73.
4. Freight wagons. Requirements to structural strength and dynamic qualities, GOST 33211-2014 (2014).
5. Konyukhov, A. D., Yefimov, V. P., & Demin, K. P. (2006). Vysokoprochnyye stali i splavy dlya kuzovov gruzovykh vagonov. Tyazheloye mashinostroeniye, 12, 31-34.
6. Makhnenko V. I. (2003). Improvement of methods for evaluating residual life of welded joints in durable structures. Avtomaticheskaya Svarka, 10/11, 112-121.
7. All-Soviet Union Research Institute of Railway Transport. (1996). Normy dlya rascheta i proyektirovaniya vagonov zheleznykh dorogMPS kolei 1520 mm (nesamokhodnykh). Moscow: GosNIIV-VNIIZhT.
8. Ministry of Railways of the Russian Federation. (2001). Obshchiye tekhnicheskiye trebovaniya k gruzovym vagonam novogo pokoleniya. Moscow: MPS RF.
9. Vakulenko, I. O., Perkov, O. N., Knapinski, M., & Bolotova, D. M. (2014). Estimation of irreversible damage-ability at fatigue of carbon steel. Science and Transport Progress, 3(51), 65-74. doi: 10.15802/stp2014/25822
10. Makhnenko, O. V., Saprykina, G. Y., Mirzov, I. V., & Pustovoj, A. D. (2014). Prospects for development of load-carrying elements of freight car bogie. The Paton Welding Journal, 3, 33-38. doi 10.15407/tpwj2014.03.06
11. Lobanov, L. M., Makhnenko, O. V., Saprykina, G. Y., & Pustovoj, A. D. (2014). Fatigue calculation for welded joints of bearing elements of freight car bogie. The Paton Welding Journal, 10, 30-34. doi: 10.15407/tpwj2014.10.06
12. Silvennoynen, S. (2000). Rautaruukki. Metalloproduktsiya: spravochnikproektirovshchika. Otava: Keuruu.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 3 (69)
13. Sokolov, A. M., Orlova, A. M. (2016). Osevaya nagruzka 27 ts - novaya vekha razvitiya vagonostroeniya. Vagony i vagonnoye khozyaystvo, 3(47), 5-7.
14. Khilov, I. A. (2010). Obosnovaniye vozmozhnosti primeneniya vysokoprochnykh marok staley v konstruktsii vagonov, ekspluatiruemykh na rossiyskikh zheleznykh dorogakh. Tyazheloye mashinostroeniye, 7, 36-39.
15. Barrow, K. (2015). Pilbara's heavyweight champion flexes its muscles. International Railway Journal, 11, 2024. Retrieved from http://www.railjournal.com/index.php/australia-nz/pilbaras-heavyweight-champion-flexes-its-muscles.html?channel=000
16. Hobbacher, A. (2016). Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. Springer International Publishing. doi 10.1007/978-3-319-23757-2
Статья рекомендована к публикации научным комитетом ХIVМеждународной конференции «Проблемы механики железнодорожного транспорта. Безопасность движения, динамика, прочность подвижного состава, энергосбережение»
Поступила в редколлегию: 30.05.2016
Принята к печати: 01.03.2017
