Оптимизация технологии изготовления вагонных колес с повышенной твердостью обода

в транспортной системе России железные дороги занимают ведущее место. В связи со снижением объемов грузовых и пассажирских перевозок после 1988 пополнение парка подвижного состава за счет закупок новых локомотивов и вагонов было доведено до минимальных размеров, и направлено не столько на обновление парка, сколько на его поддержку. Кроме того, финансовые возможности МПС России не позволяли делать закупки в больших размерах.

К 2001 г. подвижной состав железных дорог во многом устарел не только физически, но и морально. Вагоны имеют низкую надежность, требуют в эксплуатации повышенных расходов на обслуживание и зачастую не отвечают запросам клиентов по потребительским качествам, грузоподъемности, скорости доставки, трудоемкости погрузки-выгрузки.

Состояние подвижного состава железных дорог как в целом, так и по элементам, подходит к критическому уровню, а при его эксплуатации за пределами срока службы супдественно ухудшаются показатели безопасности и экономической эффективности, растет ресурсои энергоемкость перевозок.

В частности, за последнее десятилетие существенно снизился ресурс цельнокатаных вагонных колёс. При сокращении по сравнению с 80-ми годами полезного парка колес почти в 3 раза количество их ремонтных обточек снизилось всего на 20%. Число обточек на 1 млн. тоннокилометров увеличилось более чем вдвое.

Среди причин, вызвавших такой рост повреждаемости колес, называли следующие: завершение перешивки колеи на ширину 1520 ммнасыщение железнодорожного пути рельсами утвержденного в 1979 г. профиля, предусматривающего наличие двухточечного контакта профиля катания колеса с головкой рельсаактивное внедрение технологий, связанных с увеличением статической нафузки на ось грузового вагонаувеличением массы и длины поездовраспространением кратной тяги, вождением сдвоенных поездов, и многие другие. Однако подобные изменения в параметрах продукции и усло5 виях движения были присущи железнодорожному транспорту на протяжении всей истории его развития и ни в отдельности, ни в совокупности не способны объяснить обвальное падение срока службы вагонных колес.

В таких обстоятельствах представляется, что причины повышенного выхода колес следует искать не в воздействии внешних факторов и условий эксплуатации, а в физико-механических свойствах материалов колес и рельсов и их взаимодействии.

Решающую роль в обеспечении работоспособности ответственных деталей железнодорожного транспорта играют технические требования к ним и качество изготовления. В то время как качество отечественных рельсов на протяжении последних тридцати лет неизменно совершенствовалось, требования к колесам, начиная с 1969 г., практически не изменились. В этой связи наметился значительный дисбаланс между характеристиками колес и рельсов, и в первую очередь по прочностным свойствам и твердости, приведший в последние годы к существенному снижению ресурса вагонных колёс.

Для преодоления сложившейся ситуации принята комплексная программа «РЕОРГАНИЗАЦИИ И РАЗВИТИЯ ОТЕЧЕСТВЕННОГО ЛОКО-МОТИВОИ ВАГОНОСТРОЕНИЯ, ОРГАНИЗАЦИИ РЕМОНТА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАССАЖИРСКОГО И ГРУЗОВОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА НА ПЕРИОД 2001;2010 г.», основные направления которой — развитие отечественного вагоностроения и повышение надежности (ресурса) узлов вагонов эксплуатируемого парка, прежде всего цельнокатаных колёс. Среди основных технических решений, предусмотренных программой для производства вагонов нового поколения с нагрузкой на ось 25 тс (30 тс) — применение колес с повышенной до 340−360 НВ твердостью обода.

Разработке варианта колёс с повышенной до указанных значений твёрдостью и посвящена представленная работа.

С этой целью:

— разработана технология и проведён полный комплекс лабораторных и стендовых испытаний, а также полигонных испытаний на ЭК ВНИИЖТ опытной партии, а на Восточно-Сибирской железной дороге опытно-промышленной партии колёс с повышенной твёрдостью обода;

— проведён комплекс исследований с целью отработки промышленной технологии производства указанных колёс в обеспечение безопасности их эксплуатации, для чего:

• проведен анализ факторов, влияющих на разрушения колес с повышенной твердостью обода;

• экспериментальным и расчетным путем исследовано напряженно-деформированное состояние колес при различных режимах термической обработки, на основании чего определены режимы закалки и отпуска, обеспечивающие безопасный уровень остаточных технологических напряжений готовых колесах;

• установлена связь между уровнем остаточных напряжений и параметрами выходного контроля — значениями сходимости обода при радиальной разрезке;

• проведен анализ технологии выплавки колесной стали. Разработаны и опробованы способы раскисления и внепечной обработки, позволяющие существенно повысить металлургическое качество стали;

— разработаны и утверждены в ЦВ МПС технические требования на колеса с повышенной твердостью обода и колеса повышенного качества. Выпущены опытные партии означенных колес, которые прошли полный цикл лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний, зарекомендовав себя как высоконадежный вид продукции, отвечающий современным запросам отечественного железнодорожного транспорта.

1. Основные результаты диссертационной работы.

1.1. В работе выполнен анализ повреждаемости колес грузовых вагонов, рассмотрены способы повышения их ресурса. На основе практики известных исследований и проведенных автором натурных испытаний показано, что повышение твёрдости колёс до уровня, не уступающего твёрдости рельсов — до 400 НВ, является эффективной мерой борьбы с выщербинообра-зованием на поверхности катания и износом гребней.

1.2. Экспериментально доказана возможность одновременного повышения прочностных характеристик и вязкости ободьев, продемонстрирована технологическая возможность изготовления колес повышенной твердости при безусловном обеспечении условий безопасности эксплуатации.

1.3. Выполнены исследовательские работы по изучению кинетики фазового превращения колесной стали. Благодаря полученным температурно-временным характеристикам, разработаны и опробованы схемы термической обработки для колес с повышенной твердостью.

1.4. Впервые в практике железнодорожного транспорта создан прибор и отработана методика рентгеновского определения остаточных напряжений в колесах без их выкатки из-под состава. На основании измерений и компьютерного расчета установлена связь между величиной сходимости ободьев после радиальной разрезки и безопасным уровнем остаточных напряжений в колесах. Проведенный анализ напряженно-деформированного состояния в совокупности с технологическим экспериментом позволил откорректировать технологический процесс изготовления колес повышенной твердости.

1.5. В условиях действующего производства на ВМЗ, разработаны и опробованы схемы внепечной обработки и оптимизации выплавки мартеновской стали. Показана, возможность существенного повышения металлургического качества колесной стали.

1.6. Получены результаты экспериментальных исследований износостойкости, контактной выносливости и циклической прочности колес с повышенной твердостью обода и колес из стали повышенного металлургического качества. Установлена степень влияния твердости и чистоты стали на уровень этих свойств.

1.7. Разработана и утверждена в ЦВ МПС, подготовленная на базе основных выводов и результатов работы, нормативная и технологическая документация на производство колес повышенной твердости — ТУ 0943−10 201 124 328−2000 (ВМЗ), ТУ 0943−099−1 124 328−2000 (НТМК) и колес повышенного качества — ТУ 0943−100−1 124 328−2000 (ВМЗ), ТУ 0943−9 801 124 328−2000 (НТМК) для вагонов нового поколения (осевая нагрузка 25 и 30 тс). Колёса изготовлены и поставлены ГУН ПО «Уралвагонзавод». На основе этих требований в 2001;2002 гг. будет осуществлен их промышленный выпуск.

2. Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором.

2.1. Для системного решения задач исследования автором создана и впервые представлена классификация необходимых и достаточных условий, отвечающих за безопасность цельнокатаных колес в эксплуатации, позволяющая наглядно провести систематизацию средств для обеспечения надежности колес с заданными свойствами.

2.2. Автором впервые представлена теоретическая модель образования трещин в ободьях колес в процессе термической обработки, разработанная на основе на комплексного расчета и экспериментального определения остаточных технологических напряжений.

2.3. Впервые приведены результаты натурных экспериментальных исследований напряженного состояния колес рентгеновским способом, влияния качества стали и технологии выплавки на контактную выносливость и усталостную прочность. Представлены экспериментальные зависимости этих характеристик.

2.4. Впервые в практике железнодорожного транспорта на базе экспериментальных и эмпирических исследований установлена связь между сходимостью ободьев колес после радиальной разрезки и действующими значениями остаточных напряжений, на основе чего определены допустимые пределы сходимости, гарантирующие безопасность эксплуатации.

3. Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы.

3.1. Разработка теоретических положений и создание на их основе конечной продукции — колес с повышенной твердостью обода, стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение ряда новых задач материаловедения, механики разрушения и термической обработки металлов поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям указанных научных дисциплин и не противоречит их положениям, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как теоретическая механика, физика металлов, теория оптимизации и планирование эксперимента. Использованные методики расчета и измерений согласуются с опытом их проектирования.

3.2. Разработанные технические решения опробованы экспериментально. Экспериментальные исследования метрологически обеспечены и проводились на экспериментальной базе Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) и предприятиях заказчика. Измерительные приборы и примененные методики опробованы и успешно используются в рамках различных научных программ. Результаты эксперимента и испытаний анализировались и сопоставлялись с известными экспериментальными данными других исследователей.

4. Практическая ценность результатов диссертационной работы.

4.1. Создана технология производства колес с повышенной твердостью обода, отвечающих условиям безопасности движения, и обладающих повышенным ресурсом и стойкостью к эксплуатационным повреждениям, что позволит существенно снизить затраты на текущий ремонт колесных пар по дефектам.

4.2. Полученные автором решения по нормированию напряженно-деформированного состояния колес после изготовления позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований в этой области или полностью их исключить, ограничиваясь контролем допустимого уровня остаточных технологических напряжений в готовом изделии, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку колес новых типов и конструкций.

4.3. Опробована методика определения остаточных напряжений в железнодорожных колесах без их выкатки из-под состава с помощью рентгеновской тензометрии. В рамках методики отработаны особенности измерений на криволинейных поверхностях, требования к их состоянию, выявлены граничные условия применимости способа. Автором разработан алгоритм и программа обработки дифракционных профилей для конкретного прибора, позволяющие моментально отражать информацию о действующих напряжениях. В итоге получена законченная методика определения НДС.

4.4. Результаты и заключения проделанной работы вошли в ГОСТ 10 791 «Колеса цельнокатаные. Технические условия» (Приложение 6), пересматриваемый в настоящее время, в части:

— требований к обработке слитков — п. 4.4;

— требований по газонасыщенности (содержание водорода для ва-куумированной стали не более 2 ррт) — п. 4.6;

— норм чистоты стали по неметаллическим включениям — п. 4.8;

— регламентации минимальной температуры отпуска в 450ЛС — п.

4.11;

— ограничения уровня остаточных напряжений за счет введения величины верхнего предела сходимости обода после радиальной разрезки (не более 5 мм) — п. 4.12;

— введения упрочнения дисков колес дробенаклепом — п. 4.13;

— схемы измерения твердости и введения нормы контроля твердости в зоне перехода обод-диск — п. 4.14 и рис. 3;

— требований к приемке и объему контроля — п. 7.4.

5. Апробация работы.

Основные положения и результаты работы были доложены на конференции аспирантов и молодых ученых по проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка, февраль 2000 г.) и обсуждались на научно-технических семинарах и совещаниях комплексного отделения «Транспортного металловедения» ВНИИЖТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.