Физико-химические основы оценки остаточного ресурса узлов и деталей грузовых вагонов железнодорожного транспорта

метода исследования были выявлены темные области в местах стыков, в которых теплоизоляция имеет неплотности и нуждается в ремонте (рисунок 2, в).

На основе проведенного исследования можно сделать выводы.

1. Использование одного только тепловизора для выявления теплопотерь недостаточно, так как он не дает полной информации о состоянии теплоизоляции вагона.

2. Применение аэродинамического метода исследования дает более полную картину о нарушении теплоизоляционного слоя (наблюдается изменение температуры в местах стыков, проявляются темные области, указывающие на места с нарушением герметичности).

3. Внедрение аэродинамического испытания необходимо, так как оно упростит контроль за состоянием ограждающих конструкций вагона, ускорит процесс нахождения неплотностей в теплоизоляции, что улучшит микроклимат внутри вагона и повысит экономичность работы его систем жизнеобеспечения.

Список литературы

1. Жариков, В. А. Климатические системы пассажирских вагонов [Текст] / В. А. Жариков. - М.: ТрансИнфо, 2006. - С. 10 - 21.

2. Матяш, Ю. И. Перспективы развития систем индивидуального регулирования микроклимата в пассажирских вагонах железнодорожного транспорта [Текст] / Ю. И. Матяш, А. Д. Родченко // Материалы VI науч.-практ. конф. «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 152 - 156.

3. Техническая диагностика вагонов [Текст] / Р. А. Ахмеджанов, В. Ф. Криворудченко и др. / Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте. - М., 2013. -С. 67 - 80.

References

1. Zharikov V. A. Klimaticheskie sistemy passazhirskikh vagonov (Climate systems for passenger cars). Moscow: Translnfo, 2006, pp. 10 - 21.

2. Matiash Iu. I.Prospects for the development of systems of individual control of microclimate in the passenger rail transport wagons [Perspektivy razvitiia sistem individual'nogo reguli-rovaniia mikro-klimata v passazhirskikh vagonakh zheleznodorozhnogo transporta]. Materials VI scientific-practical conference «Innovative projects and new technologies in education, industry and transport» (Materialy VI nauchno-prakticheskoi konferentsii «Innovatsionnye proekty i novye tekhnologii v obrazovanii, promyshlennosti i na transporte»). - Omsk, 2012, pp. 152 - 156.

3. Akhmedzhanov R. A., Krivorudchenko V. F. Tekhnicheskaia diagnostika vagonov (Technical diagnostics of cars). Moscow: Training Center on Education for iron-nodorozhnom transport, 2013, pp. 67 - 80.

УДК 629

Ю. И. Матяш, Ю. М. Сосновский, А. Г. Петракова

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Показано, что в процессе эксплуатации под воздействием повышенных знакопеременных нагрузок происходит изменение физико-механических свойств металлов, которое приводит к снижению ударной вязкости. Предлагается новый подход для оценки остаточного ресурса тяжелонагруженных деталей и узлов грузовых вагонов железнодорожного транспорта на основе изучения структурных изменений металлов в процессе их

12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

эксплуатации. На основе контроля структурных изменений металлов в процессе их эксплуатации может быть создана эффективная система оценки остаточного ресурса.

Проблема обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте является одной из приоритетных задач не только в России, но и в других странах, для которых железная дорога играет ключевую роль в развитии экономики. Одной из наиболее часто встречающихся видов аварий на железной дороге является сход подвижного состава с рельсов, являющийся следствием излома боковой рамы тележки грузового вагона. В качестве примера на рисунке 1 показаны последствия

Рисунок 1 - Следствие излома боковой рамы излома правой боковой рамы второй тележки в тележки зоне внутреннего радиуса 11-55 буксового про-

ема, произошедшего 27 февраля 2010 г. на перегоне Балезино - Глазов Горьковской железной дороги. Данный вагон был построен Алтайским вагоностроительным заводом (ВСЗ) и введен в эксплуатацию 9 июля 2008 г.

Согласно статистике общее количество изломов боковых рам с 2006 г. по сентябрь 2014 г. составило 142 случая. При этом если в 2006 г. произошло семь случаев изломов, то за 2013 г. -23. Тенденция при этом продолжает оставаться негативной.

По данным пресс-службы ОАО «РЖД» наиболее частой причиной изломов боковых рам в эксплуатации является образование и развитие усталостных трещин в наиболее нагруженных местах и наличие металлургических дефектов.

К наиболее распространенным практическим методам выявления дефектов относятся визуальный осмотр, ультразвуковой и магнитопорошковый методы. При этом оценка механических свойств металла на ремонтных предприятиях ОАО «РЖД» не производится. Это связано с отсутствием оборудования, позволяющего обнаружить изменение структуры металла, механических свойств и возможности прогнозирования поведения детали в процессе эксплуатации [1].

Прогнозирование остаточного ресурса в основном базируется на построении качественных и количественных интерполяционных зависимостей каких-либо измеряемых параметров, изменение которых связано с условиями эксплуатации. Так, например, в работе [2] используется модель циклической деградации свойств материала, не учитывающая структурных изменений. При этом разработка методов оценки влияния различных факторов на средний ресурс остается актуальной задачей [3]. Не всегда удается установить точные значения параметров детали или узла, при которых их состояние можно считать критическим. Участившиеся случаи крупномасштабных происшествий в последние годы говорят об отсутствии достоверных методик диагностики и контроля остаточного ресурса основных деталей и узлов грузовых вагонов железнодорожного транспорта.

Большая часть деталей и узлов грузовых вагонов работает в условиях знакопеременных или циклических нагружений в области упругой деформации при нормальных условиях. К основным закономерностям процесса усталостного разрушения металлов при циклических нагружениях можно отнести следующие.

1. Циклическая нагрузка вызывает разрушение металлов при напряжении не только меньшем предела прочности, но и меньшем пределов текучести и упругости. Чем ниже напряжение, тем больше нужно приложить смен (циклов) напряжений, чтобы вызвать разрушение образца. Зависимость между напряжением и числом циклов, вызывающим разрушение образца, изображается в виде усталостной кривой (кривая Велера) [4].

2. Разрушение металла под действием циклической нагрузки носит локальный характер. Чаще всего очаги разрушения образуются на поверхности, если же поверхность подвергнута

№ 2(22) — ИЗВЬС1ИЯ 1ранссиЬа 13

2015

упрочнению, то очаги усталостного разрушения могут образовываться и под поверхностью.

3. Способность металла сопротивляться повторным знакопеременным нагрузкам характеризуется циклической вязкостью металла, т. е. способностью металлов поглощать энергию в необратимой форме. Кривые деформации при нагружении и разгружении не совпадают между собой, а образуют петлю гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует ту работу, которую металл способен поглотить в необратимой форме за один цикл.

4. Согласно теории кинетической прочности [5] процесс разрушения на начальной стадии следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер ио, значение которого может быть уменьшено в результате действия внешних напряжений а:

здесь т - время между двумя последовательными флуктуациями; т0 - период собственных тепловых колебаний атома; у - структурный фактор; k - постоянная Больцмана; Т-абсолютная температура; а - внешнее напряжение. Как видно из формулы (1), внешняя нагрузка а и повышение температуры приводят к повышению вероятности флуктуационного перехода.

5. Период зарождения усталостных трещин, согласно источнику [4], можно разделить на три основные стадии: циклической микротекучести, циклической текучести и циклического упрочнения (разупрочнения). Склонность металлов к циклическому упрочнению или разупрочнению определяется отношением предела прочности ав к условному пределу текучести а0,2. Если отношение ав / а0,2 < 1,2, то происходит разупрочнение, при ав / а0,2 > 1,4 происходит упрочнение, при 1,2 < ав / а0,2 < 1,4 может происходить как упрочнение, так и разупрочнение. На первых двух стадиях, хотя и происходят изменения в структурном состоянии, механические свойства металлов практически не меняются. На стадии же циклического упрочнения или разупрочнения происходит интенсивное изменение механических свойств.

В настоящее время для производства боковых рам тележек грузовых вагонов используется сталь марки 20ГЛ. Согласно ГОСТ 21357-87 основной химический состав стали (в %) приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав стали 20ГЛ

С 81 Мп 8 Р

0,15 - 0,25 0,2 - 0,4 1,2 - 1,6 До 0,04 До 0,04

Режимы термической обработки стали при производстве включают в себя нормализацию (880 - 900 °С, отпуск 600 - 650 °С) или закалку (870 - 890 °С, отпуск 620 - 650 °С).

При нормальных условиях углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения - цементита (Ре3С). Увеличение процентного содержания С в стали приводит к росту карбидной фазы, следовательно, к увеличению твердости, прочности и к снижению пластичности и вязкости стали.

С физической точки зрения увеличение доли углерода приводит к повышению электросопротивления и коэрцитивной силы, снижению магнитной проницаемости.

Согласно учебному пособию [6] количественная мера упрочнения феррита при легировании различными химическими элементами может быть найдена по выражению:

п

аТР =Е кг  С >

1=1

здесь а-гр - вклад легирующих элементов; ^ - коэффициент упрочнения феррита при растворении в нем /-легирующего элемента; Сi - концентрация /-легирующего элемента, растворенного в феррите. Значения коэффициентов упрочнения ^ приведены в таблице 2.

14 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

Таблица 2 - Значения коэффициентов упрочнения феррита различными растворенными в нем элементами

Элемент С Р 81 Мп Сг Мо

к„ МПа/% 4670 690 86 33 31 11

Как видно из данных таблицы 2, наибольший упрочняющий эффект связан с углеродом.

С точки зрения физики растворенные в феррите элементы в исходном состоянии приводят к тому, что образуется неравновесная термодинамическая система, которая постепенно стремится перейти в равновесное состояние. Основным механизмом такого перехода является диффузия легированных элементов. Скорость диффузии в этом случае будет определяться выражением (1) и будет существенно зависеть от внешнего напряжения, понижающего потенциальный барьер температуры.

Возможны два механизма выхода углерода:

- диффузия атомов углерода к дислокациям и границам зерен;

- образование и рост карбидов.

Диффузия атомов углерода к дислокациям приводит к разупрочнению феррита, он становится «мягче», сталь становится пластичнее. Рост карбидов, напротив, приводит к тому, что доля «жесткой» фазы в стали увеличивается, повышается суммарная твердость, происходит охрупчивание. Именно это состояние является наиболее опасным и критическим. Вероятность хрупкого разрушения становится наибольшей.

Дополнительным фактором, влияющим на диффузионный процесс, является размер зерна. Чем меньше размер зерна, тем быстрее идет процесс диффузии. Углероду надо пройти меньший путь для выхода на границу зерен. Соответственно концентрация углерода также оказывает определенное влияние. Чем больше углерода, тем быстрее идет процесс диффузии.

Косвенным подтверждением высказанного предположения являются результаты диссертационного исследования, приведенные в источнике [7]. Автор исследовал и проанализировал разрушение более 300 деталей автосцепных устройств вагонов железнодорожного транспорта. В частности, было установлено,

что процесс деградации (охрупчивания) прочностных свойств материала деталей (та же сталь марки 20ГЛ) весьма стабилен и устойчив;

степень деградации (охрупчивания) прочностных свойств материала детали можно оценивать по изменению его твердости.

Дополнительным подтверждением высказанного предположения являются результаты, приведенные в работе [8]. Объектом исследования в этой работе являлась реакционная колонна одного из нефтехимических заводов, изготовленная из углеродистой стали 20 с антикоррозийным медным покрытием. Рабочие параметры эксплуатации колонны составили давление 8 МПа и температура 300 °С. В частности, было отмечено, что под воздействием эксплуатационных факторов происходит изменение структуры и механических свойств материала (охрупчивание). Приведенный пример показывает, что изменение структуры и механических свойств материала (охрупчивание) происходит не только при знакопеременных нагрузках, но и при воздействии статических нагрузок.

Создание объективного контроля за техническим состоянием тяжелонагруженных деталей и узлов грузового вагона железнодорожного транспорта предполагает разработку методики оперативного и достоверного диагностирования. Одним из вариантов такого контроля может быть метод, основанный на изменении физико-химических свойств металлов, в частности, на характере изменения структурной рыхлости стали, являющейся показателем ее термодинамической стабильности.

В научной литературе и, в частности, в работе [9] представлено достаточно большое количество корреляционных зависимостей физических параметров от структурной рыхлости.

№ 2(22) лл Л Г* ИЗВЕСТИЯ Транссиба 15

2015

Формула структурной рыхлости ю кристаллического вещества имеет вид [9]:

М

ю =-,

п • р

где М - молекулярная масса; п - число структурных узлов (атомов, ионов, комплексов) в формульной единице соединения; р - плотность вещества.

Рыхлость косвенно характеризует энергию межатомного взаимодействия. Чем прочнее химические межатомные связи и больше их энергия, тем более отчетливо проявляется эффект «стягивания» атомов в компактную кристаллическую решетку (структуру) и тем меньше будет соответствующая величина ее структурной рыхлости [9]. Слабые химические связи соединения говорят о меньшей энергии их соединения и, следовательно, о большей структурной рыхлости.

В качестве примера приведем расчет структурной рыхлости карбида железа Fe3C:

55,849 • 3 +12,011___см3

= 5,74-

4 • 7,82 г • атом

Для феррита, у которого в ОЦК-решетке находится, например, один атом углерода, рыхлость можно рассчитать так:

55,849 +12,011 л __ см3 ю =—----= 4,32

2 2 -7,86 г •атом

Если в ОЦК-решетке феррита находятся два атома углерода, то

55,849 + 2 • 12,011 =3 39 см3

3 -7,86 г • атом

Интегрированная рыхлость стали в общем случае может быть найдена по формуле:

ю = хю+ х22+ •••,

где XI - доля карбида железа в стали; х2 - доля феррита с растворенным в решетке одним атомом углерода; Ю1 и ю2 рыхлость соответствующей фазы. В принципе сумма (4) может быть дополнена другими включениями.

При диффузии углерода доля карбида х1 может меняться в сторону увеличения, а доля х2 легированного феррита - в сторону уменьшения. В зависимости от того, какое слагаемое в выражении (4) растет быстрее, будет изменяться и общая структурная рыхлость. При охруп-чивании стали рыхлость уменьшается.

Выбор параметра рыхлости был обусловлен прежде всего тем, что в научной литературе и, в частности, в работе [9] представлено достаточно большое количество корреляционных зависимостей физических параметров от структурной рыхлости: 1) температуры плавления, 2) относительной твердости, 3) абсолютной твердости по Викерсу, 4) поверхностной энергии, 5) модуля Юнга, 6) модуля сдвига, 7) модуля всестороннего объемного сжатия, 8) коэффициентов теплового линейного и объемного расширения, 9) объемной сжимаемости, 10) скорости распространения звука, 11) показателя преломления, 12) трещиностойкости, 13) эффективной энергии разрушения, 14) пограничной межатомной электронной плотности, 15) кристаллических электроотрицательностей, 16) работы выхода электрона, 17) теплопроводности, 18) максимальной частоты колебания атомов, 19) теплоемкости. Не исключено, что приведенный список физических параметров может быть расширен с выводом соответствующей зависимости.

В качестве примера на рисунке 2 приведен график зависимости модуля Юнга от структурной рыхлости, построенный по корреляционной зависимости:

Е = 6692,3 -ю^86.

16 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _

Из рисунка 2 видно, что при уменьшении рыхлости модуль Юнга увеличивается (хрупкость увеличивается).

->

Рыхлость ю

Рисунок 2 - Зависимость модуля Юнга кристаллического вещества от структурной рыхлости.

Кроме этого при уменьшении рыхлости увеличиваются относительная и абсолютная твердость, поверхностная энергия, модуль сдвига, скорость звука, уменьшается коэффициент теплового линейного расширения и теплоемкость и т. д.

На базе таких изменений мы имеем возможность оперативно производить оценку остаточного ресурса, сравнивая текущие показатели с показателями контрольных деталей. Для выбора предельных критических значений физических параметров и соответствующих им критических значений рыхлости необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования для каждой детали.

В заключение можно сделать следующие выводы.

1. Теоретически показано, что рыхлость может быть положена в основу разработки способа оценки остаточного ресурса.

2. С практической точки зрения существует принципиальная возможность разработки приборов, основанных на той или иной зависимости от физических свойств металлов, которые наиболее оптимально подходят для изготовления реальных узлов железнодорожных вагонов и деталей и условий их эксплуатации.

На основе изложенного можно утвердить, что возможно создание эффективной методики контроля и диагностики остаточного ресурса узлов и деталей железнодорожных вагонов, которая позволит существенно повысить эффективность работы железнодорожного транспорта и избежать аварий и крупномасштабных катастроф.

Список литературы

1. Петракова, А. Г. Повышение эксплуатационного ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов путем выбора рационального интервала их твердости: Автореф. дис... канд. техн. наук [Текст] / А. Г. Петракова. - Омск, 2008. - 18 с.

2. Якушев, А. В. Прогнозирование усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона: Автореф. дис... канд. техн. наук [Текст] / А. В. Якушев. - Екатеринбург, 2007. -16 с.

3. Болотин, В. В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций [Текст] / В. В. Болотин. - М.: Машиностроение, 1984. - 312 с.

4. Терентьев, В. Ф. Циклическая прочность металлических материалов: Учебное пособие [Текст] / В. Ф. Терентьев, А. А. Оксогоев / Носибирская гос. техн. ун-т. - Новосибирск, 2001. - 61 с.

5. Регель, В. Р. Кинетическая природа прочности твёрдых тел: Монография [Текст] / В. Р. Регель, А. И. Слуцкер, Э. Е. Томашевский. - М.: Наука, 1974. - 560 с.

№ 2(22) ЛЛ Л Г* ИЗВЕСТИЯ Транссиба 17

2015

6. Чувильдеев, В. Н. Деформация и разрушение конструкционных материалов: проблемы старения и ресурса: Учебное пособие [Текст] / В. Н. Чувильдеев, Н. Н. Вирясова / Нижегородский гос. ун-т. - Нижний Новгород, 2010. - 67 с.

7. Левкович, Т. И. Прогнозирование вероятности опасных хрупких разрушений корпусов автосцепок вагонов: Автореф. дис... канд. техн. наук [Текст] / Т. И. Левкович / Брянский гос. техн. ун-т. - Брянск, 2000. - 22 с.

8. Охрупчивание стали 20 в процессе длительной эксплуатации [Текст] / М. М. Закир-ничная, И. Р. Кузеев и др. // Нефтегазовое дело. Машины и аппараты / Уфимский нефтяной техн. ун-т. - Уфа, 2006. - Т. 4. - № 1. - С. 207 - 214.

9. Зуев, В. В. Кристаллоэнергетика как основа оценки свойств твердотельных материалов (включая магнезиальные цементы) [Текст] / В. В. Зуев, Л. Н. Поцелуева, Ю. Д. Гончаров / Завод «Альфапол». - СПб., 2006. - 139 с.

References

1. Petrakova A. G. Povyshenie ekspluatatsionnogo resursa tsel'nokatanykh koles gruzo-vykh vagonov putem vybora ratsional'nogo intervala ikh tverdosti (Increase the service life of solid wheels O-cargo carriages by selecting a rational range of hardness). Ph. D. thesis, Omsk, OSTU, 2008, 18 p.

2. Iakushev A. V. Prognozirovanie ustalostnogo resursa litykh detalei telezhki gruzovogo va-gona (Prediction of fatigue life of cast parts of freight car bogie) Ph. D. thesis, Ekaterinburg, USTU, 2007, 16 p.

3. Bolotin V. V. Prognozirovanie resursa mashin i konstruktsii (Forecasting resource of machines and structures). Moscow: Mashinostroenie, 1984, 312 p.

4. Terent'ev V. F. Tsiklicheskaia prochnost' metallicheskikh materialov (Cyclical strength metallic materials). Novosibirsk: NGTU, 2001, 61 p.

5. Regel' V. R., Slutsker A. I., Tomashevskii E. E. Kineticheskaiaprirodaprochnosti tverdykh tel: Monografiia (Kinetic nature of the strength of solids: Monograph). Moscow: Nauka, 1974, 560 p.

6. Chuvil'deev V. N., Viriasova N. N. Deformatsiia i razrushenie konstruktsionnykh materialov: proble-my stareniia i resursa (Deformation and fracture of structural materials: the problem of aging and life). Nizhnii Novgorod: NNGU, 2010, 67 p.

7. Levkovich T. I. Prognozirovanie veroiatnosti opasnykh khrupkikh razrushenii korpusov avtostsepok vagonov (Predicting the probability of dangerous brittle fractures buildings autohitches cars). Ph. D. thesis, Briansk, 2000, 22 p.

8. Zakirnichnaia M. M., Kuzeev I. R., Berdin V. K., Kirillova N. Iu. The embrittlement of steel 20 in continuous operation [Okhrupchivanie stali 20 v protsesse dlitel'noi ekspluatatsii]. Nefte-gazovoe delo. Mashiny i apparaty - Oil and gas business. Machines and devices, 2006, T. 4, no. 1, pp. 207 - 214.

9. Zuev V. V., Potselueva L. N., Goncharov Iu. D. Kristalloenergetika kak osnova otsenki svoistv tverdotel'nykh materia-lov (vkliuchaia magnezial'nye tsementy) (Kristalloenergetika as a basis for evaluation of properties of solid materials (including magnesia cement)). SPb., 2006, 139 p.

УДК 621.001.2:629.4.023.018

З. Г. Мухамедова

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГЛАВНОЙ РАМЫ ЭЛЕКТРОВОЗА С УЧЕТОМ УСТАНОВКИ ДЕМПФИРУЮЩЕГО ПОГЛОЩАЮЩЕГО АППАРАТА В АВТОСЦЕПКЕ

В данной статье предлагается динамическая модель для численных исследований колебаний главной рамы электровоза с учетом воздействия продольных усилий, возникающих в автосцепке.

В работе [1] было проведено исследование данной задачи для изгибных колебаний без учета воздействия продольных усилий, возникающих в автосцепке. Для более точного ис-

18 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 2(22) 2015

= _