ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ХРЕБТОВОЙ БАЛКИ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Разработка вероятностной модели прогнозирования отказов в работе системы токосъема вследствие гололедообразования на проводах контактной сети / А. Н. Смердин, А. В. Тарасенко, И. Е. Чертков, А. С. Голубков - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 2 (46). - С. 62 - 71.

Smerdin A. N., Tarasenko A. V., Chertkov I. E., Golubkov A. S. Development of a probable failure prediction model in the operation of the current collection system due to ice formation on the wires of the contact network. Journal of Transsib Railway Studies, 2021, no. 2 (46), pp. 62 - 71 (In Russian).

УДК 629.4.02: 629.45

Д. Г. Евсеев, М. Ю. Куликов, А. С. Шинкарук

Российский университет транспорта (МИИТ), г. Москва, Российская Федерация

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ХРЕБТОВОЙ БАЛКИ ПАССАЖИРСКОГО ВАГОНА

Аннотация. В статье рассматривается возможность продления срока службы пассажирских вагонов. Проведенным анализом состояния парка пассажирских вагонов установлено, что темп пополнения плацкартных вагонов за последние 10 лет снижен более чем на 40 %, поэтому обеспечить покрытие и восполнение выбывания подвижного состава данного типа по истечении нормативного срока службы можно только за счет продления срока эксплуатации существующих вагонов путем проведения капитально-восстановительного ремонта с установлением им нового нормативного срока службы.

При анализе силового каркаса плацкартного пассажирского вагона установлено, что наибольшие статические и динамические нагрузки воспринимает его хребтовая балка. Именно из-за возникающих в ней напряжений формируется оценка дальнейшей возможности эксплуатации вагона как в периоде его жизненного цикла, так и дальнейшего использования при диагностике на возможность назначения ему нового нормативного срока слубжы при проведении капитально-восстановительного ремонта.

Проведенными исследованиями ряда элементов хребтовых балок, вырезанных из выработавших нормативный срок пассажирских вагонов, установлено, что основные характеристики металла удовлетворяют требованиям норм безопасности, это говорит о том, что заложенный в них запас прочности и ресурс полностью не выработаны.

При исследовании наличия остаточных напряжений, возникших в вырезанных из хребтовых балок элементах, в зависимости от глубины травления, проведенного по методу Н. Н. Давиденкова в соответствии с методикой ЦНИИТмаша, определены наиболее уязвимые и опасные места коррозионного воздействия, требующие более тщательного контроля при проведении вагону как технического обслуживания, так и планово-предупредительного ремонта.

В целях снижения развития остаточных напряжений и коррозионного воздействия на силовой каркас плацкартного вагона разработаны рекомендации и технологические операции по упрочнению хребтовой балки методом дробеструйной обработки с образованием равномерной мелкопористой структуры, обеспечивающей равномерное нанесение лакокрасочного покрытия.

Данная технология позволит провести упрочнение участков хребтовой балки в местах сварных соединений с концевыми, шкворневыми и промежуточными балками, снизить возникновение в них остаточных напряжений и повысить антикоррозионную защиту металла от воздействия окружающей среды и внешних факторов.

Ключевые слова: упрочнение хребтовой балки, коррозия, продление, напряжения, упрочнение, пассажирский вагон.

Dmitriy G. Evseev, Mikhail Yu. Kulikov, Andrey S. Shinkaruk

Russian University of Transport (MIIT), Moscow, the Russian Federation

THE PASSENGER CAR RIDGE BEAM DURABILITY IMPROVING

Abstract. The article discusses the possibility of extending the service life of passenger cars. The analysis of the state of the passenger car fleet has established that the rate of replenishment of reserved cars has been reduced by more than 40 % over the past 10 years, therefore, it is possible to ensure coverage and replenishment of the retirement of rolling stock of this type after the expiration of the standard service life only by extending the service life of existing cars by carrying out capital repairs with the establishment of a new standard service life.

0

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 71

When analyzing the power frame of a reserved seat passenger car, it was found that the greatest static and dynamic loads are perceived by its center beam. It is precisely because of the stresses arising in it that an assessment is formed of the further possibility of operating a car both during its life cycle and further use in diagnostics for the possibility of assigning a new service life to it during overhaul repairs.

Studies of a number of elements of center beams cut from passenger cars that have expired the standard period have established that the main characteristics of the metal meet the requirements of safety standards, this indicates that the safety margin and resource inherent in them has not been fully depleted.

In the study of the presence of residual stresses that have arisen in the elements cutfrom the ridge beams, depending on the depth of etching carried out according to the method of N. N. Davidenkov in accordance with the TSNIITmash methodology, the most vulnerable and dangerous places of corrosion that require more careful control during the car maintenance and scheduled preventive repairs were identified.

In order to reduce the development of residual stresses and the corrosive effect on the load-bearing frame of a second-class car, recommendations and technological operations have been developedfor strengthening the ridge beam by the method of shot-blasting with the formation of a uniform fine-pored structure, which ensures uniform application of paint and varnish coating.

Keywords: strengthening of the ridge beam, corrosion, extension, stresses, hardening, passenger car.

Статистический анализ данных за 2010 - 2020 гг. показывает, что спрос на пассажирский подвижной состав в период летних пассажирских перевозок только растет. Необходимо отметить, что темп пополнения парка плацкартных вагонов за последние 10 лет снижен более чем на 40 % от его выбывания по истечении максимально допустимого срока службы, поэтому обеспечить покрытие потребности в пассажирских перевозках можно только за счет продления срока службы вагонов при проведении капитально-восстановительного ремонта с безусловным обеспечением требований безопасности движения его основных несущих элементов.

В связи с этим весьма актуальным становится вопрос о продлении срока службы существующим плацкартным пассажирским вагонам. Продление срока службы пассажирским вагонам позволит обеспечить перевозки на период создания новых современных вагонов.

Следует отметить, что проведенный анализ состояния парка пассажирских вагонов показывает, что все еще остаются незадействованными огромные возможности повышения эффективности их использования на основе внедрения новейших научно-технических разработок, модернизации и улучшения технико-эксплуатационных характеристик. Практическое решение этих вопросов может быть осуществлено на уже существующих производственных мощностях, что является гарантией высокой экономической эффективности.

Основную роль в обеспечении содержания пассажирского вагона является содержание в технически исправном состоянии его основных узлов и деталей, что обеспечивается своевременным и качественным выполнением регламентов планово-предупредительных ремонтов и технического обслуживания подвижного состава в процессе его эксплуатации [1].

Основными несущими элементами пассажирского вагона являются шкворневые, концевые и хребтовая балки вагона. Именно тщательный контроль и восстановление ресурса этих элементов в процессе ремонта формируют основу длительности полезной эксплуатации пассажирского вагона, который может быть продлен на более длительный период, чем заложено в нормативной и конструкторской документации [2].

Хребтовая балка является наиболее важным элементом пассажирского вагона, так как именно она «держит» конструкцию вагонов в процессе воздействия на нее статических и динамических нагрузок при эксплуатации. Вследствие этого при изготовлении хребтовой балки ее элементы подвергаются испытаниям на статическую прочность, ходовым, прочностным и динамическим испытаниям, испытаниям на сопротивление усталости, несущую способность и ресурсным испытаниям на соударение [3].

Продление срока службы пассажирского вагона в основном осуществляется при проведении капитально-восстановительного ремонта с установлением вагону нового назначенного срока службы. При проведении ремонта указанного выше объема наряду с прочими операциями осуществляется диагностирование основных несущих элементов

конструкции, в том числе и хребтовой балки. В процессе диагностирования в обязательном порядке проводится дефектоскопирование элементов хребтовой балки с измерением остаточной толщины металла. Допустимый процент износа (в основном износ имеет коррозионный характер) хребтовой балки составляет 20 % от сечения ее профиля [4, 5].

При попадании пассажирских вагонов в ремонт установлено, что порядка 15 % вагонов требуют частичного ремонта хребтовой балки в основном из-за наличия коррозионного износа.

Результаты ранее проводимых исследований показали, что главные повреждения металлоконструкций рамы и кузова вагона происходят из-за возникновения местной коррозии в несущих элементах вагона (рисунок 1). В основном интенсивная коррозия наблюдается в местах сварки хребтовой и шкворневой балок.

а б

Рисунок 1 - Состояние хребтовых балок пассажирских вагонов в эксплуатации

Проведенным исследованием ряда элементов хребтовых балок, вырезанных из выработавших нормативный срок пассажирских вагонов, установлено, что основные характеристики металла (временное сопротивление, предел текучести, ударная вязкость и др.) удовлетворяют требованиям норм безопасности, и, следовательно, можно сделать вывод о том, что заложенный запас прочности и ресурс хребтовой балки полностью не выработаны [6].

В процессе проведенного изучения наличия и распределения остаточных напряжений в вырезанных элементах хребтовых балок проведено исследование на их наличие в зависимости от глубины травления по методу Н. Н. Давиденкова в соответствии с разработанной ЦНИИТмашем методикой. В результате напряжения в исследуемых элементах характеризуются широкой амплитудой знакопеременных значений. Результаты исследований приведены на рисунке 2.

В результате исследования остаточных напряжений установлено, что в фрагментах хребтовых балок, в районе приварки к шкворневым элементам, имеются максимальные растягивающие напряжения, а наибольшие знакопеременные остаточные напряжения выявлены в фрагменте балки 1980 года изготовления (амплитудные значения колеблются в диапазоне от -5045 до 4765 МПа). Наличие данных напряжений связано с существованием в данных местах повышенного концентратора напряжений, и здесь протекает более интенсивный коррозионный процесс в сравнении с другими участками [6 - 8, 10].

Проведенным металлографическим исследованием образцов установлено, что структура металла исследуемых образцов представляет собой феррито-пластинчатый перлит. В центральной части исследуемых образцов выявляется выраженная феррито-перлитная полосчатость с наличием коррозионных язв от 20 до 35 % сечения. Данные элементы

|о 2(46) 2021

хребтовых балок вырезаны из зон приварки к шворневым балкам вагонов (наиболее уязвимые участки для коррозионного воздействия).

SHOO ISOO

Глубина травления, мм-->

- • - 1-й образен; -- 2-й образен; -- 3-й образец; ---- 4-й образец

Рисунок 2 - Распределение остаточных напряжений при испытании образцов элементов хребтовых балок

Проведенным исследованием влияния коррозионного износа и механического воздействия на изменение толщины металла в исследуемых фрагментах установлено, что утонение металла хребтовых балок с момента их изготовления (1992 г.) составило от 0,27 до 0,49 мм, утонение металла в фрагментах хребтовой балки, изготовленной в 1980 г., составило от 0,22 до 0,76 мм.

На других участках хребтовой балки, практически не подверженных коррозии, происходит формирование сжимающих напряжений.

Проведенным исследованием ряда элементов хребтовых балок, вырезанных из выработавших нормативный срок пассажирских вагонов и не подверженных коррозии, установлено, что основные характеристики металла (временное сопротивление, предел текучести, ударная вязкость и др.) удовлетворяют требованиям норм безопасности, следовательно, можно сделать вывод о том, что заложенный запас прочности и ресурс хребтовой балки полностью не выработаны [6, 7, 10].

Проведение исследования в части влияния дробеструйной обработки на содержание хребтовой балки перед ее окрашиванием позволило установить ряд преимуществ этого процесса. Так, после упрочнения хребтовой балки дробью 0,3 - 0,5 мм на упрочняемой поверхности образовалась равномерная мелкопористая структура металла, позволившая равномерно осуществить нанесение лакокрасочного покрытия и сформировались сжимающие внутренние напряжения. Проведение работ по данной технологии позволило снизить влияние таких факторов, как наличие остаточного слоя ранее нанесенного лакокрасочного покрытия, образование адгезии, непрокрашивание металла отдельных участков хребтовой балки, а также исключить окраску по окалинам проводимых сварочных работ на подвижном составе в период ремонта.

Таким образом, участки хребтовых балок в районе приварки к шкворневым элементам являются наиболее опасными и уязвимыми для образования в них коррозии и требуют осуществления более тщательного контроля и обслуживания при проведении вагонам технического обслуживания и планово-предупредительного ремонта [9].

С целью снижения и исключения коррозионных процессов, а также продления долговечности пассажирского вагона необходимо обеспечивать упрочнение элементов хребтовой балки в местах сварных соединений с промежуточными балками рамы вагона и формирование в них остаточных внутренних напряжений, а также нанесение на эти участки дополнительного антикоррозионного покрытия.

Данные работы необходимо проводить при изготовлении и при проведении капитального ремонта вагона.

Список литературы

1. Приказ Минтранса России от 13 января 2011 года № 15 «О внесении изменений в приказ Министерства путей сообщения Российской Федерации от 4 апреля 1997 года № 9Ц «О введении новой системы технического обслуживания и ремонта пассажирских вагонов»» // www.glavbukh.ru : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://www.glavbukh.ru/npd/edoc/99_ 902262500 (дата обращения: 13.10.2021).

2. ГОСТ Р 55182-2012. Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Общие технические требования. - Москва : Стандартинформ, 2019. - 24 с. - Текст : непосредственный.

3. ГОСТ 33788-2016. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и динамические качества. - Москва : Стандартинформ, 2016. - 41 с. - Текст : непосредственный.

4. Положение о продлении срока службы пассажирских вагонов, курсирующих в международном сообщении. - Москва : ОАО «ВНИИЖТ», 2014. - 24 с. - Текст : непосредственный.

5. ПР НК В 1. Правила по неразрушающему контролю вагонов, их деталей и составных частей при ремонте. Общие положения. - Санкт-Петербург : ФГУП «НИИ мостов», 2012. -51 с. - Текст : непосредственный.

6. Петров, Л. Н. Коррозия под напряжением : монография / Л. Н. Петров. - Киев : Вища школа, 1986. - 141 с. - Текст : непосредственный.

7. Биргер, И. А. Остаточные напряжения / И. А. Биргер. - Москва : Машгиз, 1963. -232 с. - Текст : непосредственный.

8. Технологические остаточные напряжения / А. В. Подзей, А. М. Сулима, М. И. Евстигнеев, Г. З. Серебренников. - Москва : Машиностроение, 1973. - 216 с. - Текст : непосредственный.

9. Способ увеличения продолжительности жизненного цикла пассажирского плацкартного вагона / Д. Г. Евсеев, М. Ю. Куликов, А. С. Шинкарук, М. А. Ларионов. - Текст : непосредственный // Вестник Брянского государственного технического университета. -2021. - № 6 (103). - С. 47-52.

10. Екобори, Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел / Т. Екобори. -Москва : Металлургия, 1971. - 264 с. - Текст : непосредственный.

References

1. Prikaz Mintransa Rossii ot 13 ianvaria 2011 goda № 15 «O vnesenii izmenenii v prikaz Min-isterstvaputei soobshcheniia Rossiiskoi Federatsii ot 4 aprelia 1997 goda № 9Ts «O vvedenii novoi sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniia i remonta passazhirskikh vagonov»» (Order of the Ministry of Transport of the Russian Federation No. 15 dated January 13, 2011 «On Amendments to the Order of the Ministry of Railways of the Russian Federation No. 9C dated April 4, 1997 «On the Introduction of a New system of maintenance and repair of passenger cars»»). Available at: https://www.glavbukh.ru/npd/edoc/99_902262500 (accessed 13 October 2021).

2. Vagonypassazhirskie lokomotivnoi tiagi. Obshchie tekhnicheskie trebovaniia, GOSTR 551822012 (Passenger cars of locomotive traction. General technical requirements, National Standart 55182-2012). Moscow, Standardinform, 2019, 24 p.

3. Vagony gruzovye i passazhirskie. Metody ispytanii na prochnost' i dinamicheskie kachestva, GOST 33788-2016 (Freight and passenger cars. Methods of testing for strength and dynamic qualities, GOST 33788-2016). Moscow, Standardinform, 2016, 41 p.

4. Polozhenie o prodlenii sroka sluzhby passazhirskikh vagonov, kursiruiushchikh v mezhdu-narodnom soobshchenii (Regulations on extending the service life of passenger cars plying in international traffic). Moscow, JSC "VNIIZHT", 2014, 24 p.

5. PR NK V 1. Pravila po nerazrushaiushchemu kontroliu vagonov, ikh detalei i sostavnykh chasteipri remonte. Obshchie polozheniia (PR NC B 1. Rules for non-destructive testing of wagons, their parts and components during repair. General provisions). Saint-Petersburg, FGUP «NII mos-tov», 2012, 51 p.

6. Petrov L. N. Korroziiapodnapriazheniem: monografiia (Corrosion under stress: monograph). Kiev: Vishcha shkola Publ., 1986, 141 p.

7. Birger I. A. Ostatochnye napriazheniia (Residual stresses). Moscow: Mashgiz Publ., 1963, 232 p.

8. Podzei A. V., Sulima A. M., Evstigneev M. I., Serebrennikov G. Z. Tekhnologicheskie ostatochnye napriazheniia (Technological residual stresses). Moscow: Mashinostroenie Publ., 1973, 216 p.

9. Evseev D. G., Kulikov M. Iu., Shinkaruk A. S., Larionov M. A. A way to increase the life cycle of a passenger reserved car [Sposob uvelicheniia prodolzhitel'nosti zhiznennogo tsikla passazhirskogo platskartnogo vagona]. Vestnik Brianskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Bulletin of Bryansk state technical university, 2021, no. 6 (103), pp. 47 - 52.

10. Ekobori T. Fizika i mekhanika razrusheniia iprochnosti tverdykh tel (Physics and mechanics of fracture and strength of solids). Moscow: Metallurgiia Publ., 1971, 264 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Евсеев Дмитрий Геннадьевич

Российский университет транспорта (МИИТ). Новосущевская ул., д. 22, стр. 1, Москва, 127055, Российская Федерация.

Доктор технических наук, президент института транспортной техники и систем управления. Тел.: +7 (985) 769-60-78. E-mail: evseevdg@gmail.com

Evseev Dmitriy Gennad'evich

Russian University of Transport (MIIT). 22, art. 1, Novosushchevskaya st., Moscow, 127055, the Russian Federation.

Doctor of Sciences in Engineering, the president of Institute of Transport Engineering and Control Systems. Phone: +7 (985) 769-60-78. E-mail: evseevdg@gmail.com

Куликов Михаил Юрьевич

Российский университет транспорта (МИИТ). Новосущевская ул., д. 22, стр. 1, Москва, 127055, Российская Федерация.

Доктор технических наук, заведующий кафедрой «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». Тел.: +7 (964) 578-56-89. E-mail: muk.56@mail.ru

Kulikov Mikhail Yur'evich.

Russian University of Transport (MIIT). 22, art. 1, Novosushchevskaya st., Moscow, 127055, the Russian Federation.

Doctor of Sciences in Engineering, head of the department of Transport Engineering Technology and Rolling Stock Repair.

Phone: +7 (964) 578-56-89. E-mail: muk.56@mail.ru

Шинкарук Андрей Сергеевич

Российский университет транспорта (МИИТ). Новосущевская ул., д. 22, стр. 1, Москва, 127055, Российская Федерация.

Инженер путей сообщения АО «Федеральная пассажирская компания», соискатель ученой степени кандидата технических наук. Тел.: +7 (925) 804-44-95. E-mail: Shinkarukas@mail.ru

Shinkaruk Andrey Sergeevich

Russian University of Transport (MIIT). 22, art. 1, Novosushchevskaya st., Moscow, 127055, the Russian Federation.

Railway engineer, candidate of the academic degree of Ph. D. in Engineering.

Phone: +7 (925) 804-44-95. E-mail: Shinkarukas@mail.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Евсеев, Д. Г. Повышение долговечности хребтовой балки пассажирского вагона / Д. Г. Евсеев, М. Ю. Куликов, А. С. Шинкарук. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2021. - № 2 (46). -С. 71 - 76.

Evseev D. G., Kulikov M. Yu., Shinkaruk A. S. The passenger car ridge beam durability improving. Journal of Transsib railway studies, 2021, no. 2 (46), pp. 71 - 76 (In Russian).