Результаты определения остаточных технологических напряжений в дисковой части цельнокатаных колес грузовых и пассажирских вагонов методом тензометрии

Результаты определения остаточных технологических напряжений в дисковой части цельнокатаных колес грузовых и пассажирских вагонов методом тензометрии

А. В. Якушев,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I

Д. П. Кононов,

канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология металлов» ПГУПС

С. О. Комиченко,

инженер

АО «Научно-внедренческий центр «Вагоны»

Колесо - важная несущая деталь ходовой части единицы железнодорожного подвижного состава, от которой зависит безопасность движения поездов. По статистике, ОАО «РЖД» в сети ежегодно выявляется от трех до пяти изломов колес по месту перехода дисковой части в обод. Иногда изломы колес приводят к сходу вагонов с рельсов и к повреждению инфраструктуры. Приведены результаты экспериментального определения уровня остаточных технологических напряжений в зоне перехода дисковой части в обод цельнокатаных колес грузовых и пассажирских вагонов методом тензометрии.

Причинами появления усталостных трещин в дисковой части колес (рис. 1) служат неравномерный прокат или ползун на поверхности катания, создающие повышенные динамические нагрузки на дисковую часть колеса, усталость металла и внутренние остаточные напряжения, образовавшиеся в результате изготовления.

Отметим, что в нормативах [1, 2] расчет прочности колес грузовых и пассажирских вагонов выполняется с учетом различных значений толщины ободьев (в результате обточек после определенного пробега), а также вероятного появления ползунов на поверхности катания или неравномерного проката. После расчетов по [1, 2] обнаружены напряжения Мизеса до 120 МПа в зоне перехода дисковой части в обод колеса с неравномерным прокатом после финальной обточки [3]. В то же время уровень остаточных радиальных технологических напряжений растяжения в зоне перехода дисковой части в обод может достигать 70 МПа [4] в зависимости от способа изготовления, или около 60 % от расчетных напряжений в эксплуатации. Образование остаточных растягивающих радиальных напряже-

ний ускоряет зарождение окружных усталостных трещин в дисковой части колеса (см. рис.1) вследствие наложения на эксплуатационные напряжениямя.

Учитывая изложенные обстоятельства, выявление уровня и направления остаточных технологических напряжений в зоне перехода дисковой части в обод колеса актуально для получения наиболее полного представления о напряженном состоянии колес. Мы экспериментально определили уровень остаточных технологических напряжений в зоне перехода дисковой части в обод цельнокатаных колес грузовых и пасса-

Рис. 1. Усталостная трещина колеса в зоне перехода плоскоконической дисковой части в обод длиной 200 мм после семи лет эксплуатации

а) б) в)

Рис. 2. Диаметральные разрезы исследуемых колес: а) по ГОСТ 10791-2011; б) типа ВА004; в) для электропоездов «Ласточка»

жирских вагонов методом тензометрии.

Объектами исследований выбраны цельнокатаные колеса следующих типов:

1) с плоскоконическим диском, диаметром по кругу катания 957 мм, изготовленное по ГОСТ 10791-2011 (приложение А, рис. А1, сталь марки 2) для грузового вагона с осевой нагрузкой 23,5 тс и с конструкционной скоростью 120 км/ч (рис. 2а);

2) с плоскоконическим диском, диаметром по кругу катания 957 мм, изготовленное по ГОСТ 10791-2011 (приложение А, рис. А1, сталь марки Т) для грузового вагона с осевой нагрузкой 23,5 тс и с конструкционной скоростью 120 км/ч (рис. 2а);

3) с криволинейным диском, диаметром по кругу катания 920 мм типа ВА004, изготовленное по EN 13262 из стали марки ER7 (химический состав: С<0,52%; Si<0,40%; Mn<0,80%; P<0,02%; S<0,02%; Cr<0,30%; Cu<0,30%; Mo<0,08%; Ni<0,30%; V<0,06%) для колесных пар с осевой нагрузкой 22,5 тс и с максимальной скоростью 120 км/ч (рис. 2б);

4) с плоским диском, моторное, диаметром по кругу катания 920 мм, изготовленное по ТУ 0943-265-011243232011 из стали марки ER9 (химический состав: C<0,60%; Si<0,40%; Mn<0,80%; P<0,020%; S<0,015%; Cr<0,30%; Cu<0,30%; Mo<0,08%; Ni<0,30%; V<0,06%) для электропоездов «Ласточка» (Desiro RUS) с конструкционной скоростью 160 км/ч (рис. 2в).

Конфигурации дисков исследуемых колес приведены на рис. 2.

Исследованиям подвергались два колеса с плоскоконическим диском, одно колесо с криволинейным диском

типа ВА004 и одно колесо для электропоезда «Ласточка» (Desiro RUS). Таким образом, всего исследовано четыре колеса.

Все колеса до испытаний находились на этапе поставки с завода-изготовителя ОАО «Выксунский металлургический завод» из г. Выкса Нижегородской области.

Колеса с плоскоконическим диском по ГОСТ 10791-2011 изготовлены по серийной технологии. Колеса типов ВА004 и Desiro RUS находятся на стадии отработки технологии термической обработки ободьев.

Методика определения остаточных технологических напряжений в ободьях и в дисковых частях основана на принципе последовательного снятия остаточных напряжений после отрезания фрагментов и регистрации деформаций на поверхности с помощью тензометров. Линейная экстраполяция поверхностных деформаций позволяет установить уровень деформаций внутри обода и диска.

Использованный метод регламентирован стандартом EN 13262: 2004+A2:2011 (D) «Продукция для железных дорог - Колесные пары и тележки - Колеса - Требования к изделиям. Немецкая редакция» и ГОСТ 32207-2013 «Колеса железнодорожного подвижного состава. Методы определения остаточных напряжений».

Остаточные напряжения в колесах типов ВА004 и Desiro RUS оценивались по EN 13262:2004+A2:2011 (D), в колесах с плоскоконическим диском — по ГОСТ 32207-2013. Требования стандартов различаются в порядке определения остаточных напряжений в ободьях колес. В части оценки остаточных напряжений в зоне перехода диска в обод колеса требования совпадают.

Подготовка колес для определения остаточных напряжений в зоне перехода дисковой части в обод по немецкому и российскому стандартам заключалась в наклейке двухкомпонентных тензо-резисторов ТКБД2-5-200 в радиальном направлении (рис. 3), в их защите жаростойким герметиком от попадания брызг во время огневой вырезки сектора из колеса и смазочно-охлаждающей жидкости при последующей механической разрезке сектора на ленточно-пильном станке. Измерительные схемы из тензорезисторов подвергались балансировке с помощью тензометриче-ской аппаратуры MIC-036. Во избежа-

ние нагрева измерительных схем выше 50 °С вблизи отмечалась площадка для измерения температуры бесконтактным пирометром Testo 845 до и во время газовой резки. Хорда вырезаемого сектора равнялась 390 мм для всех колес. Измерительные схемы располагались посередине сектора.

Отделение сектора с тензорезисто-рами при подключенной тензометри-ческой аппаратуре от колеса выполнялось огневым способом. После каждого реза проводили водяное охлаждение измерительных схем до температуры 15 °С. Показания с тензорезисторов регистрировали после полного отделения сектора от колеса и остывания до первоначальной температуры. Неизменность показаний тензорезисторов достигалась через 20-30 мин после окончания огневой вырезки.

На следующем этапе осуществлялась механическая разрезка отделенного сектора на ленточнопильном станке. Линия первого механического реза, параллельная хорде сектора, проходила на расстоянии 15-20 мм от измерительной схемы в зоне перехода дисковой части в обод. Линия последнего механического реза проходила по нижней границе обода. Таким образом, после полного высвобождения зоны перехода диска в обод колеса зарегистрированы остаточные поверхностные деформации, которые суммировались после каждого реза.

Обработка полученных результатов заключалась в расчете радиальных напряжений после каждого реза для каждой розетки, приведения их к оси симметрии дисковой части в зоне перехода в обод и в построении эпюр распределения остаточных радиальных напряжений.

Рис. 3. Расположение измерительных схем на колесе с размеченным сектором для последующего отделения огневым способом

№ 3 (58) 2015

(Транспорт Российской Федерации» | 67

Рис. 4. Итоговые эпюры распределения осевых (радиальных) остаточных напряжений в цельнокатаных колесах по ГОСТ 10791-2011: а) из стали марки 2; б) из стали марки Т

а) - 6) '

Рис. 5. Итоговые эпюры распределения осевых

Радиальные напряжения в розетках после каждой разрезки рассчитывались по формуле из теории упругости:

где Е = 2,1*105 МПа - модуль упругости стали колеса; ц = 0,28 - коэффициент Пуассона; £"*' -осевая (радиальная) деформация; £с" - окружная деформация; (' - номер розетки.

Средние радиальные напряжения после каждого реза, приведенные к оси симметрии дисковой части в зоне перехода в обод, определялись по формуле [ЕМ]

ааXI =_Е_

а+Ь 1 а+Ь " ' 4 '

где a и b - расстояния по толщине от мест наклейки розеток с внутренней (I - internal) и с наружной (E - external) стороны колеса соответственно до оси симметрии дисковой части.

В результате расчетов по формуле (1) с учетом полученных экспериментальных данных построены эпюры распределения радиальных остаточных технологических напряжений в месте перехода диска в обод для цельнокатаных колес четырех типов (рис. 4, 5). Как видно из рис. 4, растягивающие радиальные остаточные напряжения в зоне перехода диска в обод составили 69 МПа для колеса по ГОСТ 107912011 из стали марки 2 и 71 МПа для колеса из стали марки Т. Растягивающие

радиальные остаточные напряжения в колесах ВА004 и Desiro RUS составили 41 МПа и 70 МПа соответственно для зон перехода диска в обод (рис. 5).

Измеренные остаточные напряжения согласуются с результатами более ранних работ [4] по характеру и уровню остаточных напряжений в переходной части колес с плоскоконическим диском. Полученные данные могут быть использованы в расчетах колес на прочность при действии эксплуатационных нагрузок для создания предварительной напряженности колес ввиду закалки ободьев на производстве.

Таким образом, установлено, что в зонах перехода дисковых частей в обод в колесах трех типов имеются растягивающие радиальные остаточные напряжения после закалки обода колеса. Они могут суммироваться с напряжениями от эксплуатационных нагрузок и способствовать ускорению стадии зарождения окружных усталостных трещин.

Значения растягивающих радиальных остаточных напряжений в зонах перехода диска в обод составляют 70 МПа в колесах с плоскоконическим диском, а также с криволинейным и плоским диском. Полученные значения остаточных напряжений можно использовать в расчетах колес на прочность при действии эксплуатационных нагрузок, чтобы установить влияние остаточных напряжений на зарождение окружных усталостных трещин.

Литература

1. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 319 с.

2. Нормы для расчета и проектирования пассажирских вагонов локомотивной тяги железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации - М.: ФГУП ВНИИЖТ-ФГУП ГосНИИВ, 2005. 214 с.

3. Архипова А. А., Якушев А. В., Гетма-нец Р. М., Комиченко С. О. Результаты расчета коэффициента запаса прочности колеса с коническим диском тележки грузового вагона с помощью программ Mathcad - Интернет-журнал «Науковедение». 2014. Вып. 5 (24), сент.-окт. С.1-11.

4. Миронов П. Ф. Термическое упрочнение и напряженное состояние цельнокатаных железнодорожных колес: дис. ... канд. техн. наук: 05.16.01. Днепропетровск, 1984. 196 с.