автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование рентгеновским методом влияния остаточных напряжений в цельнокатаных вагонных колесах на повышение их качества

На правах рукописи

ШИТКИН Сергей Львович

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕНТГЕНОВСКИМ МЕТОДОМ ВЛИЯНИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ ВАГОННЫХ КОЛЁСАХ НА ПОВЫШЕНИЕ ИХ КАЧЕСТВА

Специальность 05 16 01 - Металловедение и термическая

обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени КАНДИДАТА технических наук

Москва - 2007 г.

003162997

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ФГУП ВНИИЖТ)

Научный руководитель кандидат технических наук

Пашолок Игорь Леонидович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Федин Владимир Михайлович (ФГУП ВНИИЖТ) кандидат технических наук, доцент Меланин Виктор Михайлович (МИИТ)

Ведущая организация ФГУП Центральный научно-исследовательский

институт черной металлургии им И П Бардина

Защита диссертации состоится « 2007 г в часов на

заседании диссертационного совета Д 218 002 02 при Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта по адресу 129851, г Москва, 3-я Мытищинская ул, д 10, зал заседаний ученого совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан « 2007 г

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета института

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г И Пенькова

Общая характеристика работы

Актуальность работы: С возрастанием эксплуатационных нагрузок и увеличении прочности и твердости обода значительно возрастает уровень рабочих напряжений в колесах, рост рабочих скоростей и нагрузок на колесо приводит к значительным напряжениям, достигающим предела безопасной эксплуатации Опасность проявления остаточных напряжений заключается в преждевременном разрушении колеса в процессе эксплуатации из-за превышения суммы остаточных и эксплуатационных напряжений предельно допустимых значений, приводящих к возникновению пластической деформации, что особенно опасно при одновременном воздействии различных переменных нагрузок в процессе эксплуатации, неравномерно распределенных по сечению

Актуальным является вопрос оценки суммарного напряженного состояния от действия технологических (остаточные напряжения) и внешних (эксплуатационные нагрузки) факторов, оценка их влияния на конструктивную прочность колеса, определения безопасного уровня растягивающих остаточных напряжений в ободе и диске в процессе изготовления цельнокатаных колес В настоящее время на российских железных дорогах отсутствуют прямые неразрушающие методы определения поверхностных остаточных напряжений цельнокатаных колес

Цель работы: Исследование неразрущающим рентгеновским методом величины и распределения поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных вагонных колесах для повышения их качества и эксплуатационной безопасности

Для выполнения цели работы:

- Разработана методика измерений поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных колесах портативным рентгеновским измерительным комплексом, исследованы и определены требования к качеству обработки измеряемой поверхности

- Проведены исследования уровня и распределения поверхностных остаточных напряжений на колесах с плоскоконической формой диска по ГОСТ 10791 и колес с криволинейной формой диска, а также суммарных (полных) и временных напряжений под нагрузкой

- Проведены исследования влияния асимметрии распределения поверхностных напряжений по окружности колеса на искажение требуемой формы колеса и возможность образования трещин в эксплуатации

Научная новизна

1 Разработана методика измерения поверхностных напряжений рентгеновским методом применительно к цельнокатаным железнодорожным колесам Разработаны особенности применения методики измерения остаточных напряжений рентгеновским методом, разработаны требования к качеству обработки поверхности и условия применимости методики измерений

2 Показана связь поверхностных остаточных напряжений со сходимостью обода колеса по ГОСТ 10791, показана возможность применения рентгеновского метода для неразрушающего определения сходимости обода, контроля распределения поверхностных остаточных напряжений в условиях производства

3 Показана связь асимметричности распределения поверхностных остаточных напряжений с нарушениями в термической обработке, развалом и короблением колеса Показано влияние асимметрии распределения остаточных напряжений по окружности колеса на возможность образования усталостных трещин Показано, что при развале возможно несимметричное по периметру колеса распределение поверхностных напряжений с амплитудой изменения напряжений до 200 МПа, приводящее также к искривлению обода

4. В отличие от других известных неразрушающих методов, рентгеновским методом впервые исследованы и определены суммарные значения поверхностных остаточных и эксплуатационных напряжений в критических зонах обода и диска под нагрузкой и без нее для различных типов колес (стан-

дартное, с криволинейной формой диска, с дробенаклепом), которые не измерялись ранее другими методами

5. По результатам сравнительного анализа доказана применимость рентгеновского метода для определения поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах Сравнительный анализ результатов измерений эксплуатационных напряжений с тензометрией показал совпадение результатов с статистическим коэффициентом корреляции 0,9, что находится в пределах погрешности метода

Практическая ценность

1 Разработана методика и методические рекомендации по неразру-шающему контролю поверхностных напряжений цельнокатаных колес, позволяющие проводить неразрушающий контроль сжимающих напряжений в ободе, а также измерять распределение поверхностных напряжений по ободу, диску и ступице с целью проверки равномерности режимов термической обработки, предотвращения недопустимого развала и коробления колес на производстве, определения уровня сжимающих напряжений при дробенак-лепе

2 Проведена опытная эксплуатация рентгеновского измерительного комплекса на ОАО «ВМЗ» с измерением напряжений обода и диска колес в колесопрокатном цехе непосредственно в процессе производства Продемонстрирована возможность определения сходимости обода и поверхностного распределения напряжений (в целях определения причин развала цельнокатаных колес) в условиях производства

Апробация работы.

Основные положения, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы были доложены и опубликованы в трудах 5-й международной научной конференции по железнодорожным колесным парам (Каю-вице, Польша, 2002 г ), научной конференции молодых ученых и аспирантов по железнодорожному транспорту на современном этапе развития (г Щер-

бинка, 2004 г), 7-й Европейской конференции по остаточным напряжениям (Берлин, 2006 г), а также сделаны доклады на конкурсе аспирантов ФГУП ВНИИЖТ в 2005 г и заседании рабочей группы по координации работ по совершенствованию качества железнодорожных колес , проходившей на ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» с участием ОАО «Российские железные дороги» (Днепропетровск, 2006)

Разделы диссертационной работы ежегодно (2003 - 2007 гг ) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения «Транспортное металловедение ФГУП ВНИИЖТ

Публикации.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 4-х статьях

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения Объем работы составляет 180 страниц, включая 15 таблиц, 64 рисунка, 3 приложения Список использованных источников содержит 108 наименований

Содержание работы

В первой главе рассмотрены результаты измерения остаточных напряжений в цельнокатаных колесах различными авторами

В эксплуатации имеют место значительные эпизодические перегрузки колес (многократно превышающие статическую нагрузку на колеса), вызванные неровностями и пути и дефектами поверхности катания, и может возникнуть ситуация, когда суммирующее напряжение по абсолютной величине больше предела текучести колесной стали о0,2, в результате чего возникает недопустимая пластическая деформация Критерием прочности колес различных конструкций вступает требование о том, что предельные значения перегрузок не должны превышать нагрузку текучести колеса

Исследования ряда авторов показали, что применяемая на производстве железнодорожных колес термическая обработка создает сжимающие напряжения в ободе, которые переходят в растягивающие на диске Наибольшие по величине растягивающие напряжения возникают в переходной зоне обод-диск с внутренней стороны колеса, именно там наиболее вероятно образуется усталостная трещина Остаточные растягивающие напряжения а этой зоне усиливаются наведенными при пластической деформации растягивающими напряжениями

Известно, что усталостные трещины зарождаются на поверхности, поэтому самыми неблагоприятными являются в этом случае поверхностные растягивающие напряжения Известно, что наиболее эффективный метод повышения сопротивления усталости элементов конструкций - поверхностный наклеп (в особенности дробенаклеп), приводящий к упрочнению поверхности слоев в металле и возникновению благоприятных сжимающих остаточных напряжений, распространяющихся вглубь упрочненного металла Опыт показывает, что глубина поверхностных неровностей железнодорожных колес за счет дробенаклепа и механической обработки не превышает в большинстве случаев 200-300мкм, глубина дробенаклепанного слоя достигает 1 мм При измерении остаточных напряжений дробеупрочненной поверхности необходимо учитывать, что в дробеупрочненном слое поверхностные сжимающие напряжения од накладываются на напряжения, созданные предварительной термической обработкой стто

Существующие методы измерения остаточных напряжений можно разделить на две группы методы требующие разрушения образца (механические) и методы, не требующие его повреждения Разрушающими методами являются радиальная разрезка с последующим измерением сходимости обода, метод послойного стравливания (метод Давиденкова), метод осверловки или тензометрия с вырезанием исследуемых фрагментов колеса. Исследования показали, что значительные растягивающие

остаточные напряжения наблюдаются в зоне диска у обода с внутренней стороны и в зоне диска у ступицы с внешней стороны колеса Методом осверловки было установлено, что поле остаточных напряжений в колесах асимметрично, что приводит к повышенной степени неравномерности свойств по окружности колес и тем самым приводит к повышенному рассеянию работоспособности колеса и снижению его надежности

Исследования динамических напряжений, возникающих в наиболее напряженных местах диска цельнокатаного колеса в условиях эксплуатации показали, что наибольшие амплитуды напряжений наблюдаются в приобод-ной зоне диска с внутренней стороны колеса и в приступичной зоне диска с внешней стороны колеса С увеличением скоростей движения значительно возрастают напряжения ударного характера Ударные нагрузка обусловлены наличием неровностей на поверхности катания как колеса, так и рельса Фактическая нагрузка и напряжение в зоне контакта в зависимости от условий пути, скорости движения может возрастать в 2-5 раз

В настоящее время отсутствуют какие-либо методы, позволяющие не-разрушающим способом определить распределение внутренних напряжений внутри объема колеса Согласно РД 32 144 в качестве дополнительного метода контроля остаточных напряжений предусмотрено осевое прозвучивание обода колеса ультразвуковыми волнами По каналу ультразвукового прозву-чивания могут присутствовать как растягивающие, так и сжимающие напряжения поэтому ультразвуковой метод дает усредненные значения напряжений в ободе без информации об их распределении в объеме колеса Достоверность получаемых значений напряжений зависит от правильности выбора рассчитываемой теоретической модели (являющейся достаточно сложной и различающейся у разных авторов), применяемых упрощений, точности определения коэффициентов акустоупругости (которая может превышать 100%)

Определить напряжения внутри объема колеса в настоящее время возможно только путем расчета Расчет проводился путем решения упругопла-

стических уравнений методом конечных элементов применительно к типовым условиям термообработки стандартного колеса на условиях? ОАО «Вы-ксунский металлургический завод» Расчет показал, что после закалки и отпуска сжимающие остаточные напряжения обода, имеющие величину —200. —300 МПа, переходят в растягивающие в приободной зоне диска, достигая величины +100. , +300 МПа с плавным градиентом изменения напряжений вглубь колеса

Тензометрические измерения и расчет эксплуатационных напряжений методом конечных элементов показали, что в стандартном колесе с плоскоконическим диском максимум радиальных напряжений приходится на зону перехода от обода к диску, где с внутренней стороны они носят сжимающий характер, достигая при максимальных пиковых нагрузках в 80 т более -700 МПа Меньшие по величине напряжения действуют в приступичной зоне. Для опытного колеса с криволинейным диском максимальная концентрация радиальных сжимающих напряжений наблюдается в приободной зоне (более —400 МПа при максимальных нагрузках), и около в зоне центрального выгиба (до -300 МПа) При этом уровень максимальных напряжений для колеса с криволинейной формой диска значительно ниже (в 1,5 раза)

Другими возможными методами неразрушающего контроля являются магнитные, к которым относят два класса приборов - магнитные структуро-скопы, измеряющие напряжения по коэрцетивной силе, а также измерительные приборы, основанные на измерении шумов Баркгаузена, возникающих при высокочастотном перемагничивании феромагнитных материалов Из-за явления магнитного гистерезиса на показания этих приборов сильно влияет предыстория напряженного состояния, в результате магнитные приборы дают значительную ошибку (в среднем 30 - 40%), а также нуждаются в эталонных образцах

Единственным прямым неразрушающим методом измерения остаточных напряжений на сегодняшний день является рентгеновский метод, кото-

рый напрямую измеряет деформацию кристаллической решетки по смещению пиков дифракции

Анализ появляющихся в эксплуатации трещин и изломов колес показал, что повреждения, как правило, носят усталостный характер и могут быть объяснены значительными циклическими напряжениями, вызванными динамическими силами Поэтому в наших исследованиях рассматривались только остаточные напряжения, и эксплуатационные напряжения, вызванные динамическими нагрузками Тепловые напряжения не рассматривались Исследования были направлены на учет влияния остаточных напряжений на напряженное состояние колеса в процессе эксплуатации

Вторая глава посвящена разработке и обоснованию методики измерений поверхностных напряжений рентгеновским методом

Основой применения рентгеновского метода для металлов является то, что для поликристаллов дифракционное отражение возможно при любом значении угла между падающем лучом и поверхностью исследуемого образца, так как всегда в плоскости образца найдутся соответствующим образом ориентированные кристаллиты для атомных плоскостей которых будет удовлетворяться условие Вульфа-Брегга Под действием механических напряжений упругие деформации вызывают изменения межплоскостных расстояний атомных кристаллических решеток, в соответствии с изменением которых, меняются углы дифракции рентгеновского излучения Изменение угла дифракции при наличии механических напряжений приводит к смещению дифракционного пика на регистрируемой дифракционной картине (рентгенограмме) относительно положения пика при отсутствии напряжений

Метод рентгеновской дифрактометрии для мягкого рентгена (с энергией квантов 20-30 кэв) обеспечивает в зависимости от материала и длины волны излучения определение остаточных напряжений с толщины тонкого поверхностного слоя, определяемого глубиной проникновения рентгенов-

ских лучей в металл (которая не превышает нескольких десятков мкм) Основой правильности измерений является надлежащая подготовка поверхности, которая для уменьшения шероховатости поверхность сначала шлифуется, а затем для снятия наклепа от шлифовки травится электролитом

В проводимых исследованиях использовалось два типа дифрактомет-ров При использовании дифрактометра с двухлучевой трубкой регистрируются два пика дифракции от каждого луча соответственно и происходит автоматическая регистрация дифрагированного излучения полупроводниковым детектором, который выводит исходную информацию в портативный компьютер Поверхностные напряжения <тф в угловом направлении ср рассчитываются по смещению дифракционных максимумов по формуле аф=А (К Ь20бр-Ь!0бр+В) Здесь Ь20бр и Ь1°бр обозначают положения максимумов дифракционных линий соответственно для 1 -го и 2-го датчиков приемных окон детектора рентгеновского излучения, константы А, К, В определяются при калибровке прибора

Более точное измерение напряжений с помощью нескольких снимков под разными углами к поверхности с построением зависимости относительной деформации е от эт2^, ц> - это угол между нормалью к "отражающим плоскостям" и нормалью к поверхности образца, обычнорассматривается несколько отражающих плоскостей Напряжения определяются по наклону прямой е = к эт2^ + Ь по формуле стф =1с Е / (1+ц)

Рентгеновские приборные измерительные комплексы остаточных напряжений рассчитаны для работы на плоских поверхностях в зоне фокального пятна рентгеновского луча на измеряемой поверхности Напряжения можно мерить в двух перпендикулярных направлениях (окружные и радиальные) соответственно поворачивая рентгеновскую трубку Применение рентгеновского метода может быть только ограничено возможностью геометрического размещения и фокусировки рентгеновской трубки относительно измеряемой поверхности и не требует применения эталонного вещества Точность метода

определяется угловой настройкой рентгеновской трубки и разрешающей способностью детектора рентгеновского излучения, применительно к использованным в работе дифрактометрам составила ± 50 МПа

В третьей главе проведено исследование напряжений в цельнокатаных колесах в процессе их производства рентгеновским методом в критических зонах, определенных в расчетах и измерений в главе i. Все измерения проводились по разработанной в главе 2 методике во время опытной эксплуатации рентгеновского измерительного комплекса в условиях колесопрокатного цеха ОАО «ВМЗ»

В процессе производства колес возможны отклонения в режимах термообработки (например, при подкалке средней части диска), что может привести к асимметрии распределения поверхностных напряжений по окружности колеса В результате в одном из секторов колеса может возникнуть опасная концентрации суммарных остаточных и эксплуатационных напряжений, приближающаяся к пределу текучести колесной стали а0>2 (для железнодорожных колес, применительно к диску а02 s 480 530 МПа) Другим следствием асимметричного распределения напряжений является искажение формы колеса, приводящее к его развалу или короблению, превышающее допустимые нормы по ГОСТ 10791-2004

На рис 1 а-б приведены распределения измеренных напряжений по окружности колеса с развалом 0,7 мм При измерении распределения поверхностных остаточных напряжений на диске колеса с развалом с внешней стороны обнаружена не только амплитуда изменения поверхностных напряжений в приободной зоне диска на уровне 200 МПа по периметру диска, но и наличие сжимающих радиальных и окружных (тангенциальных) напряжений в приободной зоне до -170 МПа (рис 1 б), которые переходят в растягивающие напряжения Причиной этому может быть нарушение симметричности и равномерности термообработки колеса по его окружности

Радиальные напряжения -е- Тангенциальные напряжения

Рис. 1 а. Распределение поверхностных напряжений по внешней сторо-

Рис. 1 б. Распределение поверхностных напряжений по окружности внешней стороны приббодной зоны диска колёса с .развалом 0,7 мм

Как дополнение к разрезке колеса при контроле обода на сходимость по ГОСТ 10791, проведено измерение сжимающих напряжений в ободе рентгеновским методом с внешней стороны обода по середине толщины боковой поверхности колеса, изготовленного по ГОСТ 10791. На рис. 2 сопоставлена

сходимость ободьев после разрезки с уровнем остаточных поверхностных тангенциальных сжимающих напряжений ободьев колес, о

га -50 cz S

IS

I -100 *

о; cl с: та

х -150

к s

X

а> т го

5 -20°

-250

—В—Тангенциальные напряжения

Рис. 2. Зависимость сжимающих напряжений (МПа) на боковой поверхности обода от сходимости обода (мм)

При измерениях обнаружено, что сжимающие напряжения в ободьях колес имеют значительный разброс значений в пределах плавки и не совпадают с напряжениями обода контрольного колеса, отправляемого в разрезку. Отмечено, что по аналогии с руководящим документом РД 32.144-2000, для оценки механических напряжений в ободьях цельнокатаных колес, рентгеновский метод имеет смысл применять, как метод неразрушающего контроля к выборке колес.

В четвертой главе проведено исследование напряжений в цельнокатаных колесах повышенной твердости рентгеновским методом с целью определению их безопасного уровня в условиях эксплуатации. Исследования проводились для колес с минимальной допустимой толщиной обода, поскольку такие колеса более чувствительны к дефектам на поверхности катания и усталостные разрушения происходят преимущественно на колесах с тонким ободом. Показано, что асимметричное распределение напряжений со значи-

1 2 1 4 1 6 1 8 :

-1 )0

-11 S0 -200

Сходимость обода . мм

тельной амплитудой изменения напряжений по окружности колеса (эолее 300 МПа), в частности, чередование сжимающих и растягивающих поверхностных остаточных напряжений в приободной зоне диска, может приводить к возникновению усталостных трещин. Показано, что наличие сжимающих напряжений в приободной зоне диска с внутренней стороны стандартного колеса, приведшее к образованию трещины, связано с отличными от штатных условиями охлаждения диска колеса, а именно с попаданием воды на срединную часть диска при закалке, что видно из анализ микроструктуры поверхностных слоев колеса в зоне трещины (рис. 3). При этом, наиболее чувствительны к образованию трещин колеса с плоскоконическим диском по сравнению с колесами с криволинейным диском.

Рис. 3. Микроструктура поверхности диска с внутренней стороны стандартного полноободного колеса по ГОСТ 10791 со сквозной трещиной в зоне сжимающих напряжений рядом с трещиной.

Актуальным является вопрос определения суммарного напряженного состояния колеса от результата действия суммарных эксплуатационных, нагрузок (вертикальной и боковой), определения влияния остаточных технологических напряжений на конструктивную прочность колеса. В процессе тен-зометрических исследований было установлено, что наибольшие временные напряжения возникают при двух схемах приложения нагрузки к поверхности

катания - приложение нагрузки к окологребневой зоне обода и к наружной зоне поверхности катания Данные схемы соответствуют движению колесной пары в кривой или ее вилянию

Измерения показали, что при приложении нагрузки к окологребневой зоне поверхности катания уже при нагрузке 20 тс в приободной зоне диска с внутренней стороны колеса поверхностные напряжения превышают 400 МПа, а при нагрузке 40 и 70 тс поверхностные напряжения в приободной зоне диска приближаются к пределу текучести На рис 4 показано сравнение временных поверхностных напряжений для колеса стандартной формы, полученных рентгеновским методом с напряжениями, полученными тензометрией (при помощи тензодатчиков) при максимальной нагрузке 70 тс для случая приложения нагрузки к окологребневой зоне поверхности катания (в этом случае наблюдаются наибольшие по абсолютной величине сжимающие напряжения) Измерения проводились для колес с дробенаклепом, при этом на растягивающие напряжения диска накладываются сжимающие напряжения после дробенаклепа, что приводит в сумме к сжимающим остаточным напряжениям Асимметрия напряжений в ободе и диске не вызывает к заметной асимметрии напряжений в ступице (амплитуда не более 100 МПа)

Железнодорожные колеса с криволинейной формой диска позволяют снизить остаточные напряжения в наиболее опасных переходных зонах колеса - ступица-диск и диск-обод по сравнении с колесом с плосконическим диском по ГОСТ 10791-2004, а также снизить уровень пиков динамических нагрузок за счет амортизации криволинейной формы диска при прохождении стыков рельсов, стрелок и разветвлений пути

На рис 5 показано сравнение временных поверхностных напряжений для колеса с криволинейной формой диска, полученных рентгеновским методом с напряжениями, полученными тензометрией при нагрузке 70 тс при приложении нагрузки к внешнему краю поверхности катания (в этом случае наблюдаются наибольшие по абсолютной величине сжимающие напряжения)

Радиальные напряжения в диске стандартного колеса от нагрузки 70 Тс.

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 Напряжения, МПа

Напряжения, МПа

Рис. 4. Сравнение временных поверхностных напряжений для колеса стандартной формы, полученных рентгеновским методом (пунктирная кривая) с напряжениями, полученными тензометрией при нагрузке 70 тс. на окологребневую зону поверхности катания

Радиальные напряжения в диске "Б'-образного колеса от нагрузки 70 Тс

Рис. 5. Сравнение временных поверхностных напряжений для колеса с криволинейной формой диска, полученных рентгеновским методом (пунктирная кривая) с напряжениями, полученными тензометрией при нагрузке 70 тс на внешний край поверхности катания.

Напряжения, МПа

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 Напряжения, МПа

Для колеса с криволинейной формой диска получено более равномерное распределение напряжений по радиусу диска При пиковых нагрузках, которым соответствует статическая нагрузка 70 тс, в отдельных зонах колеса, а именно в центральном выгибе с внутренней стороны и в приступичной зоне с внешней стороны поверхностные напряжения приближаются к 400 МПа, тогда как у колеса с плоскоконической формой диска они приближаются к 500 МПа, что близко к условному пределу текучести колесной стали

Полученный в результате статистического анализа коэффициент корреляции около 0,9 свидетельствует о том, что между результатами измерений рентгеновским методом и тензометрией наблюдается высокое совпадение в пределах погрешности рентгеновского метода

В пятой главе проведена оценка технико-экономического эффекта от внедрения на российских железных дорогах рентгеновского метода контроля поверхностных напряжений Показано, что при введении выборочного не-разрушающего контроля сжимающих напряжений в ободьях цельнокатаных колес применительно к выборке объемом 5% от плавки экономический эффект от практического внедрения рентгеновского метода определения напряжений при условии замены разрезки по ГОСТ 10791 может превысить 50 миллионов рублей в год

При проведении исследования неравномерного (асимметричного относительно оси) распределения напряжений колес с недопустимым короблением, за счет выявления и устранения причин такого распределения в процессе термической обработки, возможно снижение процента выпуска колес с недопустимым по ГОСТ 10791-2004 короблением Экономический эффект заключается в снижение процента обточенных колес с целью устранения коробления, как следствие увеличения ресурса пробега колеса с устраненным возможным короблением за счет совершенствования процессов равномерности нагрева и закалки при термической обработке

Экономический эффект для производителя колес за счет использования рентгеновского метода для оптимизации режима термической обработки по

исследованиям распределений поверхностных напряжений колес при условии полного устранения недопустимого коробления или развала применительно к объему производства ОАО «ВМЗ» может составить 6,5 миллионов рублей Экономический эффект для ОАО «РЖД» при условии полного устранения недопустимого коробления колес после термической обработки путем ее оптимизации по результатам измерений распределений поверхностных напряжений рентгеновским методом может составить более 50 миллионов рублей за год

Выводы

1 Рентгеновский метод показал свою дееспособность применительно к цельнокатаным колесам, он позволил выявить особенности распределения напряжений индивидуального колеса, которое невозможно получить расчетным и другим методом неразрушающего контроля Рентгеновский метод позволил определить суммарные значения остаточных и эксплуатационных напряжений в критических зонах их повышенной концентрации в абсолютных единицах

2 Все известные методы неразрушающего измерения остаточных напряжений (ультразвуковые, магнитные) имеют значительную погрешность, требуют калибровки на свойства измеряемого металла по эталонному образцу Наиболее точным и прямым неразрушающим методом измерения поверхностных остаточных напряжений является рентгеновский метод

3. Разработанная методика измерений поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных колесах портативным рентгеновским измерительным комплексом позволила впервые провести систематическое исследование поверхностных остаточных напряжений в различных цельнокатаных вагонных колесах Разработана методика подготовки поверхности к рентгеновским измерениям применительно к цельнокатаным колесам, включающая в себя шлифовку с убывающей шероховатостью абразивного материала с последующим электролитическим травлением Применительно к действующим отечественным дифрактометрам рентгеновский метод позволяет определять

поверхностные остаточные напряжения в прямых физических единицах измерения с точностью ±50 МПа

4. Проведенные исследования показали практическую возможность применения рентгеновского метода для неразрущающего контроля сжимающих напряжений в ободьях цельнокатаных колес Получена пропорциональная зависимость между сходимостью обода по ГОСТ 10791 и сжимающими напряжениями на боковой поверхности обода, для характерных значений сходимости ободьев колес на производстве по ГОСТ 10791 -1,4 -1,9 мм поверхностные остаточные напряжения обода по центру его боковой поверхности составляют -100 -240 МПа

5 Нарушение штатных режимов термообработки создает неравномерное и несимметричное относительно оси симметрии колеса распределение остаточных напряжений, следствием чего является недопустимые по ГОСТ 9036 развал и коробление Причиной коробления является неравномерное распределение напряжений по окружности обода, причиной развала - наличие неравномерного распределения сжимающих и растягивающих напряжений в приободной зоне диска колеса Амплитуда изменения напряжений по окружности приободной зоны с внешней стороны достигает 200 МПа при недопустимом по ГОСТ 9036 развале 0,7 мм, при этом растягивающие напряжения переходят в сжимающие, что не характерно для приободной зоны диска

6 Анализ полученных результатов показал, что одной из основных причин возникновения усталостных трещин при эксплуатации колес является неравномерное распределение поверхностных остаточных напряжений по окружности колеса При циклических нагрузках в одном из секторов колеса может возникнуть недопустимая суммарная концентрация напряжений -пиковые нагрузки в сумме с остаточными напряжениями могут превысить условный предел текучести колесной стали а02 и привести к пластической деформации и развитию усталостной трещины

Исследование колеса с усталостной трещиной в приободной зоне диска с внутренней стороны колеса показало, что наибольшая амплитуда изменения поверхностных напряжений (более 300 МПа) наблюдается именно там, где образовалась усталостная трещина

7 Рентгеновский метод позволил впервые измерить суммарные и эксплуатационные поверхностные напряжения на колесах с дробенаклепом Применение дробенаклепа приводит к наведению значительных сжимающих напряжений в наклепанных поверхностных слоях колеса (до -350 -450 МПа) В поверхностном слое колеса остаточные напряжения после закалки обода и отпуска суммируются с напряжениями, созданными дробенаклепом

Рентгеновские измерения показали, что для колеса повышенной твердости, с диска с плосконическим диском, имеющим дробенаклеп, при нагрузках 40 и более тс полные поверхностные напряжения в приободной зоне диска с внутренней стороны колеса (зоне повышенной концентрации напряжений) могут приближаться к условному пределу текучести колесной стали Для колеса повышенной твердости с криволинейным дробенаклепанным диском при пиковых нагрузках, приближающихся к 70 тс, в отдельных зонах колеса, а именно в зонах повышенной концентрации напряжений - центральном выгибе с внутренней стороны и в приступичной зоне с внешней стороны суммарные поверхностные напряжения могут достичь 400 МПа

8 Проведено измерение остаточных напряжений на поверхности колеса под нагрузкой при испытаниях колес, а также сравнение полученных результатов с измерениями остаточных напряжений, полученных при помощи тензодатчиков и с расчетными методами Сравнительный анализ результатов рентгеновских и тензометрических измерений показал соответствие полученных значений эксплуатационных напряжений с разницей в пределах погрешности рентгеновских измерений со статистическим коэффициентом корреляции 0,9

9 Экономический эффект от практического внедрения рентгеновского метода определения напряжений при условии замены разрезки по ГОСТ

10791, или устранения недопустимого коробления или развала по результатам отладки режима термической обработки может превысить 50 миллионов рублей в год

Основные положения и результаты диссертации изложены в следующих работах:

1 Пашолок И JI, Шиткин С Л «Применение рентгеновской тензометрии для измерения поверхностных остаточных напряжений цельнокатаных колес с различным качеством обработки » / Железнодорожный транспорт на современном этапе развития Труды ВНИИЖТ Москва. Интекст 2005 С.128 135

2 Пашолок И Л, Романов А В, Сухов А В , Шиткин С Л «Применение рентгеновской тензометрии для неразрушающего контроля остаточных напряжений цельнокатаных колес »// Вестник ВНИИЖТ 2005 №4 С 23 -28

3 IL Pasholok, А V Suhov, S L Shitkin, А V Romanov, N N Solovjev «Experience of application of the semiconducting detector for a X-ray strain measurement of solid wheels residual stresses aftei a hardening» (Опыт применения полупроводникового детектора для рентгеновской тензометрии остаточных напряжений цельнокатаных колес после закалки) // V International Scientific Railway Wheelsets conference Katowice 2002

4 A V Kotelkm, A D Zvonkov, A V Lutsau, D В Matveev, S L Shitkin "Residual stress determination in whole-rolled railway car wheels differing m disk profile design" (Определение остаточных напряжений в цельнокатаных железнодорожных колесах с различным профилем диска)» // 7th European Conference on Residual Stresses Berlin 2006

Подписано к печати 12 10 2007 г Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,5 п л Заказ 172 Тираж 100 экз Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул, д 10

Введение.

Глава 1. Остаточные напряжения в цельнокатаных вагонных колесах и их влияние на эксплуатационную надежность.

1.1. Остаточные поверхностные напряжения в цельнокатаных колесах после механической обработки.

1.2. Влияние напряжений в цельнокатаных вагонных колесах на эксплуатационную безопасность.

1.3. Обзор исследований остаточных напряжений в цельнокатаных колесах.

1.4. Расчетные и неразрушающие методы определения напряжённого состояния цельнокатаных колёс.

1.4.1 Расчеты внутренних и поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах.

1.4.2. Определение временных эксплуатационных напряжений при тензометрических испытаниях.

1.4.3 Неразрушающие методы определения остаточных напряжений в цельнокатаных колесах.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Теоретическое обоснование рентгеновского метода измерения поверхностных остаточных напряжений. Основные требования к измеряемой поверхности.

2.1. Методика определения поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах рентгеновским методом.

2.2. Влияние поверхности на результаты определения напряжений рентгеновским методом.

2.3. Принцип работы рентгеновского измерительного комплекса.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Исследование напряжений в цельнокатаных колесах при их производстве.

3.1. Исследование распределения поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах.

3.2. Измерения остаточных напряжений на ободьях колёс.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Исследование напряжений в цельнокатаных колесах в эксплуатации.

4.1. Влияние асимметрии распределения поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах на образование трещин в процессе эксплуатации.

4.1.1. Влияние амплитуды асимметрии напряжений на возникновение недопустимых напряжений при эксплуатации колес.

4.2.2. Влияние асимметрии напряжений на развитие усталостных трещин.

4.2.3. Влияние нарушений режима термической обработки на асимметрию напряжений и возникновение усталостных трещин.

4.2. Измерение поверхностных напряжений диска колеса рентгеновским способом под нагрузкой.

4.2.2 Исследование поверхностных напряжений колеса с плоскоконическим диском.

4.2.2 Исследование поверхностных напряжений колеса с криволинейным диском.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Экономический эффект от проведению дополнительных операций неразрушающего контроля остаточных напряжений.

Выводы по главе 5.

Выводы.

Научная новизна.

Практическая ценность диссертационной работы.

Безопасность железнодорожных перевозок в значительной степени зависят от надежности подвижного состава. Одним из наиболее ответственных элементов ходовой части подвижного состава является колесо. Железнодорожные цельнокатаные колеса в процессе изготовления подвергаются термической, механической, а также комбинированным видам обработки для получения заданных размеров, прочностных и физических свойств [1]. Остаточные напряжения цельнокатаных колес формируются в процессе их изготовления при термической и механической обработках. В макромасштабе их возникновение обусловлено металлургическими превращениями. Неравномерность нагрева и охлаждения различных участков металла в процессе термической обработки, изменение объема при фазовых превращениях (фазовые напряжения), неравномерность пластической деформации и температурные градиенты при механической обработке могут привести и приводят к значительным остаточным напряжениям.

Остаточные напряжения оказывают так же воздействия, как и любые другие напряжения, действующие на железнодорожное колесо. Опасность проявления остаточных напряжений заключается, в основном, в преждевременном разрушении колеса в процессе эксплуатации вследствие суммирования остаточных напряжений и напряжений, возникающих при действии полезной нагрузки (эксплуатационных напряжений), что особенно опасно при одновременном воздействии различных переменных нагрузок в процессе эксплуатации, неравномерно распределенных по сечению. Взаимодействие напряжений от статических, динамических и тепловых нагрузок при эксплуатации колеса с остаточными технологическими напряжениями, и прежде всего растягивающими, может привести к возникновению трещин или хрупкому излому. Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации показывает [2], что разрушения вагонных колес вызывают наибольшее количество крушений с тяжелыми последствиями и представляют реальную угрозу безопасности движения.

Одними из наиболее серьезных отказов на российских железных дорогах являются разрушения колес по диску в эксплуатации. С ростом доли цельнокатаных колес в вагонном парке и ужесточением условий эксплуатации (широкое применение железобетонных шпал и композиционных колодок, увеличение осевых нагрузок и скоростей движения) число изломов колес, особенно в 90-х годах, стало интенсивно возрастать. В последнее время динамика роста случаев изломов несколько замедлилась, ежегодно браковке по трещинам в диске подвергается значительное количество колес, что представляет потенциальную угрозу безопасности движения.

Продолжительность работы цельнокатаных колес до появления в диске усталостной трещины может находиться в интервале от 4 до 10 лет. В процессе аварии колесо с трещиной в диске разрушается на несколько частей (от 2 до 6 кусков) в зависимости от толщины обода. Повышенная серьезность данной проблемы обусловлена тем, что практически во всех случаях происходит сход подвижного состава, сопровождающийся повреждениями вагонов и рельсового пути. Таким образом, наряду с нарушением условий безопасности движения, изломы колес приводят к значительным материальным затратам.

Проведенный анализ хрупких разрушений [3] аварийных колес позволил заключить, что первичные трещины возникали на местах расположения крупных неметаллических включений или их скоплений. Аналогично эпицентром зарождения трещины могут быть другие поверхностные или объемные дефекты цельнокатаных колес. Известно, что остаточные технологические напряжения существенно влияют на размер и развитие трещин в изделиях. Остаточные напряжения сжатия в области локальной деформации у вершины трещины замедляют процесс разрушения. Растягивающие напряжения наоборот ускоряют раскрытие трещин и приводят к разрушению металла.

Уровень остаточных технологических'напряжений в колесах, с которыми они попадают в эксплуатацию, в ряде случаев является одним из основных показателей качества изготовления, определяющих их надежность и долговечность. Конструктивная прочность цельнокатаных колес в значительной мере зависит от термической обработки, которая обусловливает работоспособность материала колес, их напряженное состояние, при этом остаточные напряжения могут как снижать, так и повышать надежность цельнокатаных колес [4]. Особую актуальность приобретают эти вопросы при ужесточении условий работы транспорта, связанном со значительным увеличением осевых нагрузок (25 и 30 тс), скоростей движения, жесткости пути, строительством железных дорог в районах с низкими температурами [4, 5].

В последнее время большое значение имеет изготовление колес повышенной твердости с повышенным содержанием углерода [6], рассчитанных на повышенные осевые нагрузки. С возрастанием эксплуатационных нагрузок и увеличением прочности и твердости обода значительно возрастает уровень рабочих напряжений в колесах. Колеса повышенной твердости имеют более высокую сопротивляемость пластическим деформациям, наибольшую стойкость и контактно-усталостную прочность по сравнению со стандартными цельнокатаными колесами, а также лучшие эксплуатационные характеристики, т.к. их прочностные свойства выше по всей глубине обода колеса. Повышение сопротивления пластической деформации достигается за счет совершенствования термической обработки, так и за счет увеличения содержания углерода. Увеличение твердости колес увеличивает их износостойкость в эксплуатации [7, 8].

Актуальность: Актуальным является вопрос оценки суммарного напряженного состояния от действия технологических (остаточные напряжения) и внешних (эксплуатационные нагрузки) факторов, оценка их влияния на конструктивную прочность колеса, соответственно возникает задача о необходимости определения безопасного уровня остаточных напряжений в ободе и диске в процессе изготовления цельнокатаных колес. Вследствие сложности формы и режима работы деталей железнодорожного транспорта, в т.ч. колес, задача определения напряжений и деформаций расчетными аналитическими методами (например, методом сопротивления материалов) связана со значительными математическими трудностями и в ряде случаев решение удается получить лишь приближенно [9, 10].

Поэтому большое значение приобретают экспериментальные методы исследования напряжений и деформаций. Эти методы позволяют получить результаты там, где аналитический расчет затруднен, а также проверить точность и правильность приближенных расчетных методов. Актуальность разработки экспериментальных методов определения остаточных напряжений связана с целесообразностью использования напряженного состояния как резерва конструктивной прочности железнодорожных колес.

В настоящее время на российских железных дорогах отсутствуют прямые неразрушающие методы определения поверхностных остаточных напряжений цельнокатаных колес. В настоящей работе обоснована применимость рентгеновского метода измерения остаточных напряжений как прямого и одного из наиболее достоверных методов, разработана методика и проведено исследование влияния остаточных напряжений на эксплуатационную надежность цельнокатаных колес рентгеновским методом.

Цель работы: Исследование неразрушающим рентгеновским методом величины и распределения поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных вагонных колёсах для повышения их качества и эксплуатационной безопасности.

С этой целью:

- Разработана методика измерений поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных колесах портативным рентгеновским измерительным комплексом, исследованы и определены требования к качеству обработки измеряемой поверхности.

- Проведены исследования уровня и распределения поверхностных остаточных напряжений на колесах с плоскоконической формой диска по ГОСТ 10791 и колес с криволинейной формой диска, а также суммарных (полных) и временных напряжений под нагрузкой.

- Проведены исследования влияния асимметрии распределения поверхностных напряжений по окружности колеса на искажение требуемой формы колеса и возможность образования трещин в эксплуатации.

Апробация работы Основные положения, промежуточные и итоговые результаты диссертационной работы были доложены и опубликованы в трудах 5-й международной научной конференции по железнодорожным колесным парам (Катовице, Польша, 2002 г.), научной конференции молодых ученых и аспирантов по железнодорожному транспорту на современном этапе развития (г. Щербинка, 2004 г.), 7-й Европейской конференции по остаточным напряжениям (Берлин, 2006 г.), а также сделаны доклады на конкурсе аспирантов ФГУП ВНИИЖТ в 2005 г. и заседании рабочей группы по координации работ по совершенствованию качества железнодорожных колес , проходившей на ОАО «Нижнеднепровский трубопрокатный завод» с участием ОАО «Российские железные дороги» (Днепропетровск, 2006).

Разделы диссертационной работы ежегодно (2003 - 2007 гг.) обсуждались на научно-технических совещаниях комплексного отделения «Транспортное металловедение ФГУП ВНИИЖТ.

Выводы.

1. Рентгеновский метод показал свою дееспособность применительно к цельнокатаным колесам, он позволил выявить особенности распределения напряжений индивидуального колеса, которое невозможно получить расчетным и другим методом неразрушающего контроля. Рентгеновский метод позволил определить суммарные значения остаточных и эксплуатационных напряжений в критических зонах их повышенной концентрации в абсолютных единицах.

2. Все известные методы неразрушающего измерения остаточных напряжений (ультразвуковые, магнитные) имеют значительную погрешность, требуют калибровки на свойства измеряемого металла по эталонному образцу. Наиболее точным и прямым неразрушающим методом измерения поверхностных остаточных напряжений является рентгеновский метод.

3. Разработанная методика измерений поверхностных остаточных напряжений в цельнокатаных колесах портативным рентгеновским измерительным комплексом позволила впервые провести систематическое исследование поверхностных остаточных напряжений в различных цельнокатаных вагонных колесах. Разработана методика подготовки поверхности к рентгеновским измерениям применительно к цельнокатаным колесам, включающая в себя шлифовку с убывающей шероховатостью абразивного материала с последующим электролитическим травлением. Применительно к действующим отечественным дифрактометрам рентгеновский метод позволяет определять поверхностные остаточные напряжения в прямых физических единицах измерения с точностью ±50 МПа.

4. Проведенные исследования показали практическую возможность применения рентгеновского метода для неразрушающего контроля сжимающих напряжений в ободьях цельнокатаных колес. Получена пропорциональная зависимость между сходимостью обода по ГОСТ 10791 и сжимающими напряжениями на боковой поверхности обода, для характерных значений сходимости ободьев колес на производстве по ГОСТ 10791 -1,4.-1,9 мм поверхностные остаточные напряжения обода по центру его боковой поверхности составляют -100. .-240 МПа.

5. Нарушение штатных режимов термообработки создает неравномерное и несимметричное относительно оси симметрии колеса распределение остаточных напряжений, следствием чего является недопустимые по ГОСТ 9036 развал и коробление. Причиной коробления является неравномерное распределение напряжений по окружности обода, причиной развала - наличие неравномерного распределения сжимающих и растягивающих напряжений в приободной зоне диска колеса. Амплитуда изменения напряжений по окружности приободной зоны с внешней стороны достигает 200 МПа при недопустимом по ГОСТ 9036 развале 0,7 мм, при этом растягивающие напряжения переходят в сжимающие, что не характерно для приободной зоны диска.

6. Анализ полученных результатов показал, что одной из основных причин возникновения усталостных трещин при эксплуатации колес является неравномерное распределение поверхностных остаточных напряжений по окружности колеса. При циклических нагрузках в одном из секторов колеса может возникнуть недопустимая суммарная концентрация напряжений -пиковые нагрузки в сумме с остаточными напряжениями могут превысить условный предел текучести колесной стали о0,2 и привести к пластической деформации и развитию усталостной трещины.

Исследование колеса с усталостной трещиной в приободной зоне диска с внутренней стороны колеса показало, что наибольшая амплитуда изменения поверхностных напряжений (более 300 МПа) наблюдается именно там, где образовалась усталостная трещина.

7. Рентгеновский метод позволил впервые измерить суммарные и эксплуатационные поверхностные напряжения на колесах с дробенаклепом. Применение дробенаклепа приводит к наведению значительных сжимающих напряжений в наклепанных поверхностных слоях колеса до -350.-450 МПа). В поверхностном слое колеса остаточные напряжения после закалки обода и отпуска суммируются с напряжениями, созданными дробенаклепом.

Рентгеновские измерения показали, что для колеса повышенной твердости, с диска с плосконическим диском, имеющим дробенаклеп, при нагрузках 40 и более тс полные поверхностные напряжения в приободной зоне диска с внутренней стороны колеса (зоне повышенной концентрации напряжений) могут приближаться к условному пределу текучести колесной стали. Для колеса повышенной твердости с криволинейным дробенаклепанным диском при пиковых нагрузках, приближающихся к 70 тс, в отдельных зонах колеса, а именно в зонах повышенной концентрации напряжений - центральном выгибе с внутренней стороны и в приступичной зоне с внешней стороны суммарные поверхностные напряжения могут достичь 400 МПа.

8. Проведено измерение остаточных напряжений на поверхности колеса под нагрузкой при испытаниях колес, а также сравнение полученных результатов с измерениями остаточных напряжений, полученных при помощи тензодатчиков и с расчетными методами. Сравнительный анализ результатов рентгеновских и тензометрических измерений показал соответствие полученных значений эксплуатационных напряжений с разницей в пределах погрешности рентгеновских измерений со статистическим коэффициентом корреляции 0,9.

9. Экономический эффект от практического внедрения рентгеновского метода определения напряжений при условии замены разрезки по ГОСТ 10791, или устранения недопустимого коробления или развала по результатам отладки режима термической обработки может превысить 50 миллионов рублей в год.

Научная новизна.

1. Разработана методика измерения поверхностных напряжений рентгеновским методом применительно к цельнокатаным железнодорожным колесам. Разработаны особенности применения методики измерения остаточных напряжений рентгеновским методом, разработаны требования к качеству обработки поверхности и условия применимости методики измерений.

2. Показана связь поверхностных остаточных напряжений со сходимостью обода колеса по ГОСТ 10791, показана возможность применения рентгеновского метода для неразрушающего определения сходимости обода, контроля распределения поверхностных остаточных напряжений в условиях производства.

3. Показана связь асимметричности распределения поверхностных остаточных напряжений с нарушениями в термической обработке, развалом и короблением колеса. Показано влияние асимметрии распределения остаточных напряжений по окружности колеса на возможность образования усталостных трещин. Показано, что при развале возможно несимметричное по периметру колеса распределение поверхностных напряжений с амплитудой изменения напряжений до 200 МПа, приводящее также к искривлению обода.

4. В отличие от других известных неразрушающих методов, рентгеновским методом впервые исследованы и определены суммарные значения поверхностных остаточных и эксплуатационных напряжений в критических зонах обода и диска под нагрузкой и без нее для различных типов колес (стандартное, с криволинейной формой диска, с дробенаклепом), которые не измерялись ранее другими методами.

5. По результатам сравнительного анализа доказана применимость рентгеновского метода для определения поверхностных напряжений в цельнокатаных колесах. Сравнительный анализ результатов измерений эксплуатационных напряжений с тензометрией показал совпадение результатов с статистическим коэффициентом корреляции 0,9, что находится в пределах погрешности метода.

Практическая ценность диссертационной работы.

1. Разработана методика и методические рекомендации по неразрушаю-щему контролю поверхностных напряжений цельнокатаных колес, позволяющие проводить неразрушающий контроль сжимающих напряжений в ободе, а также измерять распределение поверхностных напряжений по ободу, диску и ступице с целью проверки равномерности режимов термической обработки, предотвращения недопустимого развала и коробления колес на производстве, определения уровня сжимающих напряжений при дробенаклепе.

2. Проведена опытная эксплуатация рентгеновского измерительного комплекса на ОАО «ВМЗ» с измерением напряжений обода и диска колес в колесопрокатном цехе непосредственно в процессе производства. Продемонстрирована возможность определения сходимости обода и поверхностного распределения напряжений (в целях определения причин развала цельнокатаных колес) в условиях производства.

1. Бибик Г.А., Иоффе A.M., Праздников А.В., Староселецкий М.И. Производство железнодорожных колес. М.: Металлургия, 1982. 232 с.

2. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ. / У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ланд-грен, X. Турне, В. Эберсен. М.: Интекст, 2002. - 408 с.

3. Потак Я.М. Хрупкое разрушение стали и стальных деталей. М.: Оборонгиз, 1995.388 с.

4. Марков Д.П. Повышение твердости колес подвижного состава // Вестник ВНИИЖТ. 1995. №3. С. 10. 17.

5. Пашолок И.Л., Харитонов В.Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1997. № 1., С. 32.36.

6. Сухарев И.П., Ушаков Б.Н. Исследование деформаций и напряжений методом муаровых полос. М.: Машиностроение, 1969. 208 с.

7. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций. Перевод с немецкого Красонтовича Ю.Ф., под редакцией Пригоровского Н.И. М.: Машиностроение, 1961. 536 с.

8. Технологические остаточные напряжения / Под ред. док. техн. наук. проф. А.В. Позднея. М.: Машиностроение, 1973. 216 с.

9. Гуляев А.П. Металловедение. Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1986. 544 с.

10. Узлов И.Г. Исследование влияния термической обработки на свойства колесной стали. Киев: АН УССР, 1957. 48 с.

11. Turley D.M., Doule E.D., Samuels L.E. The structure of damaged layer on metals / Proc. Int. Conf. Prod. Eng. Tokyo, 1974. p.2, p.p. 142. 147.

12. Дьяченко П.Е., Добычина П.А. Остаточные напряжения при скоростном точении//Вестник машиностроения. 1951. № 10. С.36.42.

13. Christian Н. Das rontgenographische Spannungmessver-fahren und seine An-wendung bei der Bestimmung der Spannungzustande in der oberfliichenbearbeiten und warmebehandelten Proben. Harter.-Techn. Mitt. 1971. v. 26. h.3. S.180.198.

14. Стародубов К.Ф., Савенков В .Я. Влияние условий термической обработки на прочность и усталостное выкрашивание железнодорожных колес / Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. М: АН СССР. 1959. С. 166.186.

15. Школьник. JI.M. Наклеп дробью как средство повышения усталостной прочности /Труды ВНИИЖТ. вып. 82. М., 1954. С. 97. 162.

16. Щапов Н.П. Поверхностное упрочнение деталей подвижного состава и пути / Труды ВНИИЖТ, вып. 82. М., 1954. С. 4 -9.

17. Школьник JI.M. О методике определения остаточных напряжений, вызванных дробеструйной обработкой // Заводская лаборатория. 1949. № 10. С. 1232. 1239.

18. Chausen R., Martin P. Changes in the surface zone of samples after shot-peening. Z. Wirtschaftiche Fertigung. 1979. v. 74. №7, p.p. 334.340.

19. Межгосударственный стандарт ГОСТ 10791-2004 Колеса цельнокатаные. Технические условия. М.: Издательство стандартов, 2004. 27 с.

20. Школьник JI.M. Некоторые вопросы контроля наклепа дробью // Заводская лаборатория. 1952. №2. С. 211.214.

21. Школьник Л.М., Сунгуров А.С. Прогнозирование предела выносливости и циклической несущей способности цельнокатаных колес вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1986. №2 . С. 35.39.

22. Школьник JI. М., Староселецкий М. И., Сунгуров А. С., Бондаренко JI. И Нагрузка текучести и циклическая трещиностойкость цельнокатаных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1985. № 4. С. 25.28.

23. Кудрявцев Н.Н., Данченко О.А. Изучение сил, возникающих при неровностях на поверхностях катания колес пассажирских вагонов / М.: Труды ВНИИЖТ. 1979. вып.608. С. 47.60.

24. Кудрявцев Н.Н. Исследование динамики необрессоренных масс вагонов / М.: Транспорт. Труды ВНИИЖТ, 1965, выпуск 287. 168 с.

25. Гальперин В.Е., Еганов А.А. Динамические напряжения в дисках колес грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1984. №7. С. 39.41.

26. Кудрявцев Н.Н., Литовченко Е.П., Бомбардиров А.П. Динамические напряжения в дисках колес пассажирских вагонов // Вестник ВНИИЖТ. 1981. № 5. С. 30.34.

27. Государственный стандарт ГОСТ 9036-88 Колеса цельнокатаные. Конструкции и размеры. М.: ГК СССР по стандартам, 15 с.

28. Сунгуров А.С. Методика оценки сопротивления усталости цельнокатаных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1984. №7. С. 41 .44.

29. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар № ЦВ/3429. 1977.

30. С. Марек Повышение работоспособности колес железнодорожных экипажей конструкционными, технологическими и эксплуатационными методами / Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук. Санкт-Питербург, 1995. 48 с.

31. Сунгуров А.С. Причины разрушения в эксплуатаци вагонных колес по диску и их упрочнение. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1987., 27 с.

32. Школьник JI.M., Сунгуров А.С., Цюренко В.Н. Повышение надежности вагонных колес // Железнодорожный транспорт. 1984. № 4. С. 55 57.

33. Биргер И.А. Остаточные напряжения. М.: Машгиз, 1963. 232 с.

34. Ларин Т. В., Узлов В. И., Мирошниченко Н. Г. и др. Об остаточных напряжениях в цельнокатаных железнодорожных колесах // Вестник ВНИИЖТ. 1978. №7. С. 39.40

35. Европейский стандарт DIN EN 13262-2006 Железнодорожный транспорт. Колесные пары и тележки. Колеса. Требования к продукции. 46 с.

36. Школьник JI.M., Марков Д.П., Староселецкий М.И., Бондаренко Л.И., Чу-прина Л.В. Оценка величины остаточных напряжений в цельнокатаных вагонных колесах // Вестник ВНИИЖТ. 1989. №8. С. 41. .44

37. Узлов И. Г., Данченко Н. И., Миронов П. Ф., Подольский С. Е., Панчоха Г.В. Влияние термической обработки и тепловых нагрузок на напряженное состояние железнодорожных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1984. № 1. С. 44.45

38. Узлов И. Г., Никольская Э. Н., Данченко Н. И. и др. Остаточные напряжения в термически упрочненных цельнокатаных колесах / Сборник статей «Ме136таллургическая и горнорудная промышленность» Днепропетровск, 1981, № 4. С. 44.46.

39. Данченко Н. И., Перков О. Н., Миронов П. Ф., Подольский С. Е. Конструктивная прочность термически упрочненных цельнокатаных колес / В сборнике «Термическая и термомеханическая обработка сталей». М.: Металлургия, 1984. С. 80—83.

40. Стародубов К.Ф. Процесс термической обработки цельнокатаных железнодорожных колес с индукционного нагрева / Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. М.: АН СССР, 1959. С. 101. 123.

41. Стародубов К.Ф. Исследование влияния скорости охлаждения на микроструктуру и свойства колесной стали / Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. М.: АН СССР, 1959. С. 124. 141.

42. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1978,392 с.

43. Термическая обработка железнодорожных цельнокатаных колес / Под редакцией акад. К.Ф. Стародубова. Киев: Техника, 1956. 179 с.

44. Литовченко Е. П., Артамонов В.М. Влияние тепловых режимов торможения на напряженное состояние цельнокатаных вагонных колес // Вестник ВНИ-ИЖТ. 1979. №8. С. 35.38.

45. Екобори Т. Физика и механика разрушения и прочности твердых тел. М.: Металлургия, 1971. 264 с.

46. Киселев С. Н., Черкашин Ю. М., Киселев А. С., Саврухин А. В. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния цельнокатаных колес вагонов от термических и механических эксплуатационных нагрузок // Тяжелое машиностроение. 2005. № 2. С. 36.41

47. Узлов И.Г., Приходько А.П. О характере распределения остаточных напряжений в цельнокатаных колесах // Вестник машиностроения. 1964. № 11. С. 39.41.

48. РД 32.144-2000 Контроль неразрушающий приемочный. Колеса цельнокатаные, бандажи и оси колесных пар подвижного состава. Технические требования.

49. Акустическая тензометрия / Неразрушающий контроль. Справочник в 8 томах под ред. чл.-корр. РАН В.В. Клюева, том 4, книга 1, М.: Машиностроение, 2006. 736 с.

50. Киселев С.Н., Киселев Александр С., Киселев Алексей С., Саврухин А.В. Компьютерное моделирование тепловых и деформационных процессов при сварке и сопутствующих процессах // Справочник. Инженерный журнал. 1998. № 11. С. 25.32.

51. Киселев С.Н., Пашолок И.Л. и др. Контроль остаточных напряжений в цельнокатаных колёсах, возникающих в процессе изготовления и эксплуатации, на основе компьютерного моделирования // Контроль. Диагностика. 1999. №4. С.3.13.

52. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1968. 400 с.

53. Ильюшин А. А. Пластичность. М.: АН СССР, 1963. 376 с

54. Куркин А. С. Применение теории течения и метода конечных элементов // Известия вузов. 1988. № 1. с. 16.20

55. Стародубов К. Ф., Узлов И. Г. Исследование влияния скорости охлаждения на микроструктуру и свойства колесной стали / Вопросы производства железнодорожных цельнокатаных колес. АН СССР, 1959. С. 124.141.

56. Разумов А.С. Определение механических характеристик и изменений в конструкции цельнокатаных колес грузовых вагонов с учетом повышения осевых нагрузок / Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ВНИИЖТ, 2003.

57. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация / Пер. с англ. Б. И. Квасова под ред. Н. С. Бахвалова. М.: Мир, 1986. 318 с.

58. Кудрявцев Н. Н. Исследование динамики необрессоренных частей железнодорожных вагонов / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М.: ВНИИЖТ, 1967. 409 с.

59. Динамические нагрузки ходовых частей грузовых вагонов / Труды ЦНИИ МПС под ред. Н.Н. Кудрявцева. Вып. 572. М.: Транспорт, 1977. 144 с.

60. Кудрявцев Н.Н., Попов А. А., Чиркин В. В., Вертинский С. В., Федосеев А. В. Исследования динамики вагонов / Сборник научных трудов ВНИИЖТ. Вып. 105. М.: Трансжелдориздат, 1955. 100 с.

61. Школьник JI. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. М.: Металлургия, 1973. 216 с.

62. Дайчик М. Л., Пригоровский Н. И., Хуршудов Г. X. Методы и средства натурной тензометрии. Справочник. М.: Машиностроение, 1989. 240 с.

63. Никитина Н.Е. Акустоупругость. Опыт практического применения. Н. Новгород: ТАЛАМ, 2005.208 с.

64. Магнитные методы контроля. / Неразрушающий контроль. Справочник в 8 томах под ред. чл.-корр. РАН В.В. Клюева, том 6, книга 1 М.: Машиностроение, 2006. 848 с.

65. Паньковский Ю.П. Аппаратная реализация некоторых магнитных методов неразрушающего контроля // Мир Измерений. 2005. № 5. С. 9. .12.

66. Бозорт Р. Ферромагнетизм, пер. с англ. М., 1956. 420 с.

67. Kashiwaja К., Sakamoto Н., Yoshida S. Nondestructive evaluation of hoop stress in rolling stock wheels // QR ofRTRI. 1997. vol. 38. № 2. Jun. p. 66.69.

68. Безлюдько Г.Я. Эксплуатационный контроль усталостного состояния и ресурса металлопродукции неразрушающим магнитным (коэрцитиметрическим)139методом // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2003. № 2. С. 20.26.

69. Макклинток Ф, Аргон А. Деформации и разрушение материалов. М.: Мир, 1970. 443 с.

70. Гинье А. Рентгенография кристаллов. М.: ГИФМП, 1961. 604 с.

71. Пиявский С.А. Численные методы принятия решений в компьютерных технологиях технического творчества в строительстве. М.: Ассоциация строительных высших учебных заведений, 1994. 190 с.

72. Комяк Н.И., Мясников Ю.Г. Рентгеновские методы и аппаратура для определения напряжений. Л.: Машиностроение, 1972. 88 с.

73. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. М.: Металлургия, 1969. 496 с.

74. Горелик С.С., Расторгуев Л.Н., Скаков Ю.А. Рентгенографический и электронный анализ. М.: Металлургия, 1970. 66 с.

75. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев Л.Н. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. 632 с.

76. Пай Дж. Физические свойства кристаллов. М.: Мир, 1967. 385 с.

77. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория упругости / Теоретическая физика. Том VII. М.: Наука, 1987. 248 с.

78. А.А. Русаков Рентгенография металлов Москва, Атомиздат, 1977,480 с.

79. Радиационный контроль / Неразрушающий контроль. Справочник в 8 томах под ред. чл.-корр. РАН В.В. Клюева, том 1, книга 2, М.: Машиностроение, 2003. 560 с.

80. Нормы радиационной безопасности НРБ-99. Гигиенические нормативы. М.: Центр санитарно-эпидемиологического нормирования, гигиенической сертификации и экспертизы Минздрава России, 1999. 116 с.

81. Лютцау А.В и др. Портативный рентгеновский анализатор напряжений и текстуры РАНТ-1 // Заводская лаборатория. 1993. № 12. С. 38

82. Узлов И.Г., Приходько Э.В. Характер распределения остаточных напряжений в цельнокатаных железнодорожных колесах / Труды ИЧМ АН УССР «Металловедение и термическая обработка стали и чугуна», АН УССР, 1962., т. XVIII.

83. Приходько Э.В. Определение остаточных напряжений методом осверловки столбиков в слоях, лежащих ниже поверхности // Заводская лаборатория. 1962. №12.

84. Стародубов К. Ф., Ларин Т. В., Узлов И. Г., Приходько Э. В. Влияние остаточных напряжений на деформацию цельнокатаных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1965. № 1.С. 35.37.

85. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1993. 448 с.

86. Сопротивление материалов деформированию и разрушению. Справочное пособие. Отв. ред. акад. АН Украины В.Т. Трощенко. Часть 1. Киев: Наукова думка, 1993.288 с.

87. Сухов А.В., Любовцов Д.В. Влияние параметров закалки на механические свойства цельнокатаных колес / Железнодорожный транспорт в современных условиях. М.: ВНИИЖТ, 2000. С. 133. 139.

88. Стародубов К.Ф., Узлов И.Г., Савенков В.Я., Поляков С.Н., Борковскй Ю.З., Калмыков В.В. Термическое упрочнение проката. М.: Металлургия, 1970. 368 с.

89. Пашолок И.Л., Романов А.В, Сухов А.В., Шиткин С.Л. Применение рентгеновской тензометрии для неразрушающего контроля остаточных напряжений цельнокатаных колес// Вестник ВНИИЖТ. 2005. №4. С. 23.28.

90. Сухов А.В., Пашолок И.Л., Романов А.В. Экспериментальное исследование напряженного состояния вагонных колес методом рентгеновской тензометрии / Сборник татей «Проблемы железнодорожного транспорта». М.: Интекст, 1999. С. 30.35

91. Технические условия ТУ 0943 157 - 01124328 - 2003 Цельнокатаные колёса повышенного качества и твердости. М.: ВНИИЖТ, 2003.

92. Технические условия ТУ 0943 170 оп - 01124323 - 2004 Колёса цельнокатаные с повышенной твердостью обода с криволинейным диском для вагонов нового поколения. Опытная партия. М.: ВНИИЖТ, 2004.

93. Пашолок И.Л., Цюренко В.Н., Разумов А.С. .Разработка критериев работоспособности дисков цельнокатаных колес для грузовых вагонов нового поколения // Вестник ВНИИЖТ. 2002. № 3. С. 19.

94. J. C. Fortmann, et al. Совершенствование колес подвижного состава // Железные дороги мира. 2004. №4.// Revue Generale des Chemins de Fer. 2002. № 5. p. 17.23.

95. Гинзбург Я.С. Релаксация напряжений в металлах. М.: Машгиз, 1957

96. Екобори Т. Научные основы прочности и разрушения материалов. Киев: Наукова Думка, 1978. 352 с.

97. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: Наука, 1986. 544 с.

98. ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ В С КI' о с с и Некий Н АУЧНО-И с С Л НДС) в Л Т Е л Ь С К И Й ИИ С Т И Т У т ж ел е 1II од о р ож н ого транспорта (ФГУП ВНИИЖТ)1. УДК

99. Госрегистрация Инвентарный Л"»- утверждаю; Зам. л lip с icrop а ФГУП ВНИИЖТ

100. Методика измерений остаточных напряжений цельнокатаных колес с использованием рентгеновской тензометрии.

101. Шифр работы по плану НИОКР МПС России 8.2.21 ЦВ

102. Руководители работы Заведующий комплексным отделением «Транспортное металловедение»кандидат технических и a vie.подпись, .yph) (шшииалы. фамилия)

103. Заведующий комплексным отделением

104. Пассажирские и грузовые вагоны»инициалы, фамилия)

105. Ответственный соисполнитель заместитель Генерального директора

106. ЗД©^нститут Композит-Тест»подпись, дата)инициалы, фамилия)1. Зав. лабораторией1. Ответственный исиолнителькандидат технических наукученая скжтЛу^К^рнудпись.^мга) МОСКВА-20(tf г.1. Теоретическое обоснование

107. Рисунок 1. Схема хода рентгеновских лучей при определении макронапряжений вметалле

108. Таким образом, фиксируя отклонение угла 0 от табличного (т.е. в отожженном виде) значения 0О, и воспользовавшись известной связью между напряжениями и деформациями, можно определить значения действующих в образце напряжений.

109. Е,м-рентгеновские константы упругости (модуль Юнга и коэффициент Пуассона), вх,ву, аху, ст2, Oxz, oyz компоненты тензора напряжений.

110. Данный способ определения остаточных напряжений называется также методом «sin2y».

111. Из формулы (4) видно , что o(cp)=const* ®(ч//)-0(^).где const = Е/(1 +м).х ctg0o /[sin2(ij/2)-sin2(i|/;)].

112. Рабочая формула для расчета величин макронапряжений выведена на основе формулы (5) и имеет следующий вид:аф=Ах(КхЬ20бр-Ь10бр+В) (6)

113. Здесь Ь2обр и Li°6p обозначают положения максимумов дифракционных линий соответственно для 1-го и 2-го датчиков приемных окон детекторной головки.

114. Константа А учитывает упругие свойства материала образца, длину волны используемого излучения и геометрические характеристики рентгенооптической схемы.

115. Константы В и К корректируют погрешности сборки коллимационно-регистрирующего устройства.

116. Калибровка прибора заключается в определении вышеозначенных констант А, В, К и осуществляется путем съемки эталонных образцов.

117. Для нахождения констант В и К производилась съемка тест-образца, изготовленного из смеси отожженных порошков железа и хрома (таким образом определяется положение максимумов дифракционных линий при нулевом значении напряжений).

118. Константы К и В вычислялись по формулам:1.r — LFe1. K=rCrrFe ' (?)1. J—/ 2 21. B = L,Fe-KxL2Fe (8)где L. и L2 положения максимумов дифракционных линий хрома и железа соответственно в первом и втором окнах детектора1. Импульсы

119. Рисунок. 2. Дифракционный профиль от исследуемого участка эталонного образца.

120. Константа А вычислялась по формуле:д Отг т обр т обр ' ( 9 )1. К'ДЬ2 1где L) и L2 изменения положений дифракционных максимумов при изменении нагрузки на Да в первом и втором окнах детектора соответственно.

121. Описание методики 1. Подготовка поверхности.

122. Далее зернистость шлифовальной бумаги должна понижаться до «нулевки» так, чтобы последующее шлифование снимало неровности предыдущего. После обработки «нулевкой», поверхность необходимо травить электролитом для снятия наклепа обработки.

123. При травлении необходимо следить за равномерностью травления поверхности. В противном случае могут образоваться бугры, которые сделают дифракционную картину не соответствующей дифракции от плоской поверхности и результаты измерений будут неверными.

124. В качестве электролита используется водный раствор 10% NH4C1 и 44% глицерина.

125. При токе j = 0,4 мА экспериментально установлено, что скорость травления составляет 20мкм за 10 минут.

126. Указанный состав электролита не разъедает руки, а также не дает резких испарений при условии не увеличения силы тока выше указанного значения.

127. В результате всей обработки снимается от 200 до 500 мкм поверхностногослоя.

128. На рисунке 3 показаны пятна 2 и 3, образованные на поверхности колеса 1, после обработки поверхности шлифовальной бумагой и последующем травлении электролитом.1. Рисунок 3.

129. Весь процесс обработки одной поверхности может занимать время до одногочаса.

130. Регистрация результатов измерений.

131. В приборном комплексе ПИК 10 применяется рентгеновский детектор, управляемый ЭВМ и дающий на выходе дифракционные профили от исследуемого участка образца для обоих пучков.

132. Крепление детекторной головки и ход датчиков рентгеновского излучения позволяет производить измерение для углов дифракции в диапазоне 60 85 градусов.