Определение механических характеристик и изменений в конструкции цельнокатаных колес грузовых вагонов с учетом повышения осевых нагрузок

Железные дороги являются основным звеном транспортной системы России, обеспечивающим наибольший объем государственных и коммерческих перевозок. При этом наибольшая экономическая выгода приходится на долю грузовых перевозок, тенденция роста которых в последние годы становится особенно отчетливо видна. Безопасность и эффективность перевозок в значительной степени зависят от надежности железнодорожного подвижного состава.

Одним из наиболее ответственных элементов ходовой части подвижного состава является колесо. Как показывает анализ статистических данных железных дорог всего мира [49], повреждения именно этого элемента ходовой части подвижного состава вызывают наибольшее количество крушений с тяжелыми последствиями. Именно поэтому данному элементу следует уделять особое внимание при рассмотрении вопросов повышения надежности движения.

В процессе эксплуатации колесо подвергается воздействию широкого спектра механических и тепловых нагрузок, как со стороны элементов пути, так и со стороны вагона, которые оказывают существенное влияние на его напряженно-деформированное состояние. Фактическое напряженное состояние, в свою очередь, во многом определяет стойкость колеса к повреждениям и, в конечном счете, его ресурс.

В последние годы в связи с растущими потребностями в перевозке грузов и сокращении полезного парка вагонов происходит интенсификация использования подвижного состава, сопровождающаяся к тому же ростом осевых нагрузок (на некоторых маршрутах планируется их увеличение до 30 тс). К дополнительным факторам изменения условий эксплуатации колес грузовых вагонов следует отнести увеличение теплового воздействия на них из-за использования композиционных тормозных колодок (до 95% тепла — в колесо), а также повышение динамической нагруженности колес за счет возрастания жесткости пути (применение железобетонных шпал). Кроме того, за последние годы значительно выросла доля укладываемых в путь объемнозакаленных рельсов с твердостью головки до 380 НВ (80% в главных путях), при том, что твердость металла вблизи поверхности катания стандартных вагонных колес не превышает 310 НВ.

Указанные изменения привели к тому, что ресурс цельнокатаных колес по пробегу за последние десять лет снизился в 1,5 раза, растет число повреждений ободьев усталостными и тормозными дефектами (ежегодная браковка — нескольких сотен тысяч штук) [8]. Определенную тревогу представляют собой случаи повреждения цельнокатаных колес по такому опасному с точки зрения безопасности движения дефекту, приводящему в некоторых случаях к разрушению всего колеса, как трещина в диске.

Кроме того, положение усугубляют производственные (чаще металлургического происхождения) дефекты колес [17, 64], а так же их невысокие механические характеристики, уступающие аналогичным характеристикам объемнозакаленных рельсов.

Данная ситуация влияет не только на обеспечение безопасности движения, но и существенно повышает эксплуатационные расходы, связанные с ремонтом имеющихся и закупкой новых колес.

Преодоление сложившейся ситуации при безусловном обеспечении безопасности движения требует проведения комплекса мероприятий по повышению работоспособности и надежности цельнокатаных колес, что, в частности, отражено в Комплексной программе «Реорганизации и развития отечественного локомотивои вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001;2010 г.» Среди основных технических решений предусмотрены переход на «применение колес с повышенной твердостью обода до 340−360 НВ (вместо 255 НВ), с упрочненным диском, позволяющими исключить изломы колес, повысить срок службы колес не менее, чем на 50%» .

Преждевременный выход колес из эксплуатации по дефектам, их небольшой срок службы (низкая износостойкость) определяются, кроме причин, связанных с нарушениями в эксплуатации, характеристиками самих колес:

1) невысокое металлургическое качество колесной стали, заключающееся в повышенном содержании неметаллических включений и дефектов выплавки, нарушающих сплошность, химическую однородность металла и являющихся концентраторами напряжений в эксплуатации;

2) низкие прочностные характеристики металла ободьев (прежде всего твердость), обуславливающие его пониженную сопротивляемость механическим деформациям;

3) несовершенная конструкция колеса, приводящая к увеличению уровня эксплуатационных напряжений в его диске и снижению стойкости к усталостным повреждениям.

Диссертационная работа посвящена решению проблемы повышения надежности цельнокатаных колес грузовых вагонов по этим трем направлениям и с учетом планируемого перехода на повышенные осевые нагрузки за счет проведения следующих мероприятий:

— повышения металлургического качества колесной стали благодаря внедрению прогрессивных технологий выплавки и внепечной обработки;

— увеличения прочностных характеристик металла за счет изменения химического состава и усовершенствования операций термической обработки;

— изменения параметров конструкции колес, заключающегося в придании диску криволинейной формы, с использованием компьютерных расчетных методов.

1. Основные результаты диссертационной работы.

1.1. Сравнительный анализ положений отечественных и зарубежных стандартов на изготовление цельнокатаных колес показал, что к отечественным колесам предъявляются менее строгие требования по металлургическому качеству стали, механическим характеристикам и параметрам конструкции. Это обуславливает их невысокий ресурс по пробегу и повышенную повреждаемость различными дефектами в эксплуатации.

1.2. С учетом планируемого перехода грузового подвижного состава на повышенные осевые нагрузки до 30 тс для колес нового поколения сформулированы более высокие по сравнению с существующими требования к чистоте стали по неметаллическим включениям и газонасыщенности, механическим свойствам (прежде всего, твердости), структуре, режимам термической обработки, усталостной прочности диска. Эти требования вошли в ТУ 0943−102−1 124 328−2000 (Изм.№ 1).

1.3. С целью обеспечения указанных требований на основе предварительных исследований совместно с ЦНИИчермет разработаны новые технологии разливки и внепечной обработки, основанные на глубоком раскислении колесной стали алюминием с устранением вредного влияния глинозема силикокальцием, отсечке печного шлака и введении твердых шлакообразующих смесей на основе извести и плавикового шпата при выпуске металла в ковш, продувке расплава в ковше аргоном. Так же изменены режимы закалки ободьев колес за счет увеличения давления воды и снижения времени охлаждения, повышена температура отпуска.

1.4. Использование новых технологий выплавки и режимов термической обработки в производственных условиях ОАО «ВМЗ» позволило изготовить опытные колеса с повышенным металлургическим качеством и механическими свойствами, удовлетворяющими требованиям ТУ 0943−102−1 124 328−2000 (Изм.№ 1).

1.5. Рассмотрены используемые в нашей стране и за рубежом нормы и стандарты на прочностные расчеты конструкций колес. Установлена ограниченность их применения для колес, эксплуатирующихся на российских железных дорогах, ввиду мягкости условий нагружения и отсутствия в некоторых случаях четких критериев выбора оптимальной конструкции.

1.6. По условиям, учитывающим самые неблагоприятные случаи работы колес, с использованием специализированного программного обеспечения проведен сравнительный расчет стандартного колеса и трех опытных колес. Анализ результатов расчета позволил предложить в качестве альтернативы стандартному колесу с плоскоконическим наклонным диском опытное колесо с криволинейным диском с центральным выгибом, обеспечивающим более равномерное распределение и меньший уровень напряжений от внешних нагрузок.

1.7. Проведенная на основе тензометрических испытаний верификация расчетных данных по стандартному колесу и опытному колесу повышенного качества с криволинейным диском, изготовленному по ТУ 0943−098−1 124 328−2000 (Изм.№ 1), показала незначительное отличие в характере распределения и значениях напряжений.

1.8. На основе реальных данных по эксплуатационной нагруженности колес и с учетом планируемого повышения осевых нагрузок до 30 тс разработана методика усталостных испытаний колес по одноступенчатой и многоступенчатой (блок-программной) схемам нагружения.

1.9. По новым режимам нагружения испытаны опытные колеса повышенной твердости и качества с дробеструйным упрочнением диска (ТУ 0943−102−1 124 328−2000 (Изм.№ 1)) и опытные колеса повышенного качества с криволинейным диском (ТУ 0943−098−1 124 328−2000 (Изм.№ 1)).

Результаты испытаний показали существенное преимущество дисков опытных колес по усталостной прочности перед плоскоконическими дисками стандартных колес.

1.10. Проведены полигонные испытания опытных колес под вагонами нового поколения производства ГУП «ПО «Уралвагонзавод» с повышенными осевыми нагрузками 25, 27 и 30 тс. Они выявили высокую эксплуатационную стойкость ободьев опытных колес, и в особенности колес повышенной твердости (ТУ 0943−102−1 124 328−2000 (Изм.№ 1)), к образованию контактно-усталостных выщербин на поверхности катания, а так же более значительную их износостойкость по сравнению со стандартными колесами. Во второй половине 2003 г. будет организовано серийное производство колес повышенных качества и твердости с упрочненным и криволинейным дисками.

2. Научная новизна результатов теоретических и экспериментальных исследований.

2.1. Впервые для отечественных железных дорог сформулированы требования к цельнокатаным колесам грузовых вагонов с учетом перехода на повышенные осевые нагрузки (до 30 тс). Данные требования включают комплексное повышение чистоты колесной стали, ее механических (главным образом, прочностных) характеристик и надежности к хрупким разрушениям, а так же увеличение усталостной прочности диска за счет изменения его формы.

2.2. Впервые для отечественного производства разработаны новые технология выплавки и режимы термической обработки, обеспечивающие одновременное получение более высоких прочностных характеристик и вязкости металла обода, а так же металлургического качества стали опытных колес по сравнению со стандартными колесами.

2.3. Впервые расчет существующей и опытных конструкций цельнокатаных вагонных колес с различной формой диска проведен с учетом самых неблагоприятных условий эксплуатации. По его результатам для грузового подвижного состава предложено цельнокатаное колесо с криволинейным диском повышенной усталостной прочности, не требующим дополнительного упрочнения, рассчитанное на эксплуатацию с осевыми нагрузками до 30 тс.

2.4. Впервые разработана методика усталостных испытаний колес, рассчитанных на осевые нагрузки до 30 тс, учитывающая реальное распределение их нагруженности в эксплуатации и включающая как одноступенчатые так и многоступенчатые (блок-программные) испытания.

3. Практическая ценность.

3.1. Разработаны и внедрены на ОАО «ВМЗ» новые технологии выплавки и термической обработки колес, отличающихся повышенными металлургическим качеством и механическими характеристиками металла, обеспечивающих стойкость к износу и возникновению наиболее распространенных эксплуатационных дефектов (выщербин) как минимум в 2 и 3 раза выше по сравнению со стандартными колесами. Данные колеса рассчитаны на осевые нагрузки до 30 тс.

3.2. Проведение компьютерных расчетов и усталостных испытаний позволило разработать цельнокатаное колесо с криволинейным диском, отличающимся от плоскоконического диска стандартного колеса более высокой усталостной прочностью и не требующим дополнительного упрочнения, которое преимущественно рассчитано на эксплуатацию при повышенных осевых нагрузках 25−30 тс. Опытное производство данных колес осуществлено на ОАО «НТМК» .

3.3. Разработана методика усталостных испытаний колес, которая еще на стадии опытного производства позволяет определять эффективность проведенных мероприятий по увеличению усталостной прочности их дисков.

3.4. На основании результатов полигонных испытаний опытных колес под вагонами нового поколения производства ГУП «ПО Уралвагонзавод» и при повышенных осевых нагрузках (25−30 тс) выявлена их высокая стойкость к эксплуатационным дефектам и износу, превышающая аналогичную для стандартных колес. С учетом этого, а так же положительного опыта лабораторных усталостных испытаний, на ОАО «ВМЗ» и ОАО «НТМК» организовывается серийное производство колес с упрочненными и криволинейными дисками, обладающих повышенными металлургическим качеством и прочностными свойствами обода (см. приложения 1 и 2).

4. Апробация диссертационной работы.

Отдельные положения, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы докладывались на Международной научной конференции по проблемам производства, эксплуатации и ремонта железнодорожных колесных пар (Польша, июль 2002 г.) и обсуждались на научно-технических семинарах и совещаниях комплексного отделения «Транспортное металловедение» ВНИИЖТ.

Заключение

.