автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение прочности цельнокатаных колёс железнодорожного подвижного состава

КОНОНОВ Дмитрий Павлович

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Петербургском государственном университете путей сообщения Министерства путей сообщения Российской Федерации.

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор ИВАНОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор БИТЮЦКИЙ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ;

кандидат технических наук ЗАЛЬЦМАН СЕРГЕЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

Ведущее предприятие - Федеральное Государственное Унитарное

Предприятие ВНИКТИ МПС РФ

30

Защита состоится ЯО. 40. 2003 г. в час на заседании

диссертационного совета Д218.008.05 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке университета.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан "30" & 9 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

Н. П. СЕМЕНОВ

О-лоз-Д

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Цельнокатаные колёса являются наиболее нагруженными элементами подвижного состава, которые в эксплуатации подвержены действию значительных статических и динамических нагрузок, а также тепловому воздействию при торможении. Постоянный рост грузооборота, скоростей движения поездов определяет необходимость обеспечения безопасности движения и эксплуатационной надёжности колёсной пары.

Внимание к проблеме надёжности колёс вызвано ещё и тем, что в эксплуатации наблюдаются случаи появления усталостных трещин, а также полного излома колёс при уменьшении толщины обода. Эта случаи представляют реальную угрозу безопасности движения. Поэтому необходима разработка технических и технологических решений, позволяющих повысить усталостную прочность колес, как при ремонте, так и при изготовлении.

Вопросы, рассматриваемые в диссертационной работе являются составной частью задач, решаемых в соответствии с комплексной программой МПС РФ «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 - 2010 г.»

Цель работы. Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс для повышения безопасности движения поездов.

Реализация указанной цели предполагает решение следующих задач:

- анализ современного состояния вопроса:

- оценка напряжённо-деформированного состояния эксплуатирующихся колёс при существующих и перспективных осевых нагрузках;

- разработка предложений по повышению усталостной прочности

эксплуатирующихся колёс при ремой ic^u

библиотека i

1 OS^ÍO^í/^J

- -т —~*

- внедрение результатов исследования и оценка их технико-экономической эффективности.

Методы исследования. При проведении исследований использованы теоретические и экспериментальные методы. Они основывались на использовании разделов фундаментальных наук: физики твёрдого тела, металловедения, прикладной математики и др. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и в производственных условиях.

Научная новизна. Разработаны и исследованы пути повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс. При этом:

1. Произведена оценка напряжённого состояния эксплуатирующихся цельнокатаных колёс при существующих и перспективных осевых нагрузках.

2. Предложен и исследован метод повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс, заключающийся в локальном упрочнении при ремонте зон поверхности диска, в которых возникают в процессе эксплуатации наибольшие напряжения.

3. Предложена методика расчёта напряжённого состояния колеса с локальным упрочнением диска.

4. Экспериментально исследована усталостная прочность колёс с локальным упрочнением диска.

5. Установлены требования к величинам параметров качества поверхности диска колеса и предложены режимы его термической и механической обработки.

Реализация работы. Материалы диссертационной работы использованы при разработке рекомендаций по созданию цельнокатаных колёс для бегунковых колёсных пар рельсошлифовального поезда в Тосненской механизированной дистанции службы пути.

Методики теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе и на занятиях по повышению квалификации ИГР в ЦЦПО ПГУПС.

Апробация. Основные результаты были доложены и получили одобрение на неделях науки ПГУПС (2001, 2002 и 2003 гг.), на конференциях аспирантов и молодых учёных механического факультета ПГУПС (апрель и октябрь 2002 г.), на интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2002 г.), на «V International Scientific Conference for Middle and Eastern European Countries» (Катовице, Польша, 2002), на «The 43rd international scientific conference of Riga Technical University» (Рига, 2002 г.), на 111 научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (С.-Петербург, 2003 г.)

Публикации. Материалы исследований опубликованы в 11 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из 10 разделов, включая введение, 5 глав, общие выводы и рекомендации, список использованных источников и приложения. Объём работы составляет 140 стр. (без приложений), в том числе 44 рис., 7 табл., 4 приложения.

Основное содержание диссертация

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель работы, её научная новизна и практическая значимость.

В первой главе работы рассмотрено состояние проблемы надёжности и долговечности железнодорожных колёс, представлены статистические данные по изломам колёс в эксплуатации, проанализированы факторы, способствующие возникновению и развитию усталостных повреждений, и основные направления работ по повышению прочности и усталостной прочности цельнокатаных колёс.

Большой вклад в решение рассматриваемой проблемы внесли отечественные учёные Л. М. Школьник, В. Ф. Яковлев, Е. П. Литовченко, Т. В. Ларин, Н. Н. Кудрявцев, И. В. Кудрявцев, В. Н. Цюренко, В. Е. Гальперин, И. Г. Узлов, В. С. Наговицын, А. А. Битюцкий, И. Л. Пашолок, С. Н. Киселёв, В. Г. Иноземцев и др., а также зарубежные исследователи: П. Равенс, П. Готье, Д. X. Стоун, Г. Лонг, Г. Г. Осгут, М. А. Батлер, М. Ситаж и др.

Исследование проблемы надёжности и долговечности цельнокатаных колёс показало, что увеличение скоростей движения, нагрузки на ось, применение композиционных тормозных колодок вместо чугунных оказали заметное влияние на повреждаемость цельнокатаных колёс. Наряду с ростом повреждений колёс, непосредственно угрожающих безопасности движения (изломы, трещины в диске), возросло количество колёсных пар с повреждением поверхности катания колёс (ползуны, навары, выщербины, неравномерный прокат). Наличие таких дефектов, кроме дополнительных эксплуатационных расходов на их устранение, может явиться источником повреждений, приводящих к изломам колёс.

Основной причиной усталостных разрушений колёс в эксплуатации является общее снижение усталостной прочности колеса, обусловленное влиянием множества взаимосвязанных факторов. Это факторы, связанные с технологией изготовления колёс (металлургические дефекты, подкалка диска, обезуглероженность поверхностного слоя и др.), и факторы, связанные с особенностями их эксплуатации (заниженная толщина обода, неравномерный прокат, ползуны, навары, выщербины и др.). Причём, усталостные трещины в основном появляются в приободной части диска с внутренней стороны колеса на расстоянии 40 - 60 мм от обода.

Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс может быть обеспечено следующими основными способами: производственным, эксплуатационно-ремонтным, конструкционно-технологическим и органи-

зационным. В работе рассмотрены возможности повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс, как при ремонте, так и при изготовлении.

Задачи, поставленные в диссертационной работе, решались путём комбинирования методов теоретического исследования, методов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований.

Предлагаемая последовательность решения поставленных задач приведена на рис. 1.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс при различных осевых нагрузках, толщине обода и диска. Рассмотрены действующие на колёсную пару нагрузки и произведён анализ существующих напряжений, появившихся в процессе изготовления колеса и формирования колёсной пары.

На напряжённо-деформированное состояние колеса оказывают воздействие внешние переменные статические и динамические нагрузки, постоянно действующие силы, обусловленные посадками с натягом колёс на ось, а также термические нагрузки, возникающие при торможении. Во время движения колёсная пара нагружается пространственной системой сил, изменяющихся по величине и во времени. Основная составляющая сил - вертикальная нагрузка, зависящая, в основном, от брутто вагона.

Остаточные напряжения в цельнокатаных колёсах возникают в процессе их изготовления и обработки на всех этапах. Анализ литературных данных показал, что остаточные напряжения должны быть сжимающими, а их величина должна составлять:

Оост - (0,2 - 0,5)от,

где от - предел текучести.

С помощью метода конечных элементов были определены напряжения, действующие в колесе при приложении эксплуатационных нагрузок.

Статистические данные по повреждаемости цельнокатаных колёс Факторы, вызывающие разрушение колёс Основные направления работ по повышению прочности цельнокатаных колёс

| Цель и задачи исследования |

Напряжённо-деформированное состояние эксплуатирующихся колёс при различных осевых нагрузках, толщине диска и обода Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс при ремонте Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс при изготовлении

Постановка задачи оценки напряжённо-деформированного состояния колёс с учётом технологической наследственности ! Разработка предложений по повышению усталостной прочности 1 Метод локальной термообработки диска Предпосылки к разработке методики расчётного определения параметров качества поверхностного слоя в зависимости от механической обработки

Построение математической модели Металлографические исследования изменения твёрдости металла диска колеса Расчёт остаточных напряжений в обработанной поверхности элементов колёс

Результаты расчёта и анализ полученных результатов Методика и результаты экспериментов по оценке усталостной прочности и остаточных напряжений Расчёт высоты неровностей обработанной поверхности с учётом термомеханических явлений процесса резания

1

Выбор метода оценки напряжённо-деформированного состояния, упрощения Определение глубины и степени наклёпа обработанной поверхности

. _. .. ______________л___________________________ 1

Анализ результатов расчёта и границы применимости Влияние параметров качества обработанной поверхности диска на предел выносливости колёс

| Технико-экономическая оценка результатов исследования

Рис. 1.

Для построения математической модели напряжённо-деформированного состояния колеса использован прямой метод жёсткости. В глобальной декартовой системе координат производилось разбиение колесной пары на тетраэдральные конечные элементы (рис. 2). При этом колёсная пара опиралась на рельсы и решалась контактная задача теории упругости.

Рис. 2. Конечно-элементная модель колёсной пары Решение данной задачи теории упругости производилось с помощью минимизации интегральной величины, связанной с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки.

р у,

<=1 е=1

где Р - полная потенциальная энергия; Л - энергия деформаций; И'р - потенциальная энергия приложенных сил. Е - число элементов; е - произвольный элемент. При этом отыскивались узловые значения вектора перемещений. После чего вычислялись компоненты тензоров деформаций и напряжений.

В расчётах учитывались нагрузки, приложенные по двум вариантам: согласно схеме, представленной в «Нормах для расчёта вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных)», а также по методике испытаний колёс, предложенной ВНИИЖТом. В этом случае нагружение колёс осуществлялось приложением усилия к вершине гребня при закреплении колеса на оси, свободно пропущенной через отверстие в ступице. Такое нагружение создаёт в диске колеса напряжения, равные сумме напряжений от действия двух сил: вертикальной, действующей на поверхности катания обода, и боковой, приложенной к внутренней стороне гребня колеса при вписывании тележки в кривые. Доля действия указанных двух сил в формировании суммарных напряжений в диске колеса составляет соответственно 80 и 20%.

Расчёты по первому варианту произведены в границах линейной теории деформирования изотропного материала с модулем упругости первого рода £ = 2,1 • 105 МПа и коэффициентом Пуассона ц = 0,28 для колёсной пары, изготовленной по ГОСТ 9036 под различной статической нагрузкой на ось: 23,5; 25 и 30 тс и с различной толщиной обода и диска. Толщина обода принималась 22 мм, 47 мм и 70 мм. Толщина диска менялась от 10 мм до 30 мм.

Результаты расчётов позволили сравнить данные два метода приложения нагрузок. В колёсах с нагрузкой на гребень максимальные напряжения возникают в зоне приложения нагрузки. Действительные же максимальные напряжения возникают в зоне перехода диска в обод с внутренней стороны колеса и составляют для колёс с толщиной обода 70 мм, 47 мм и 22 мм - 181 МПа, 240 МПа и 409 МПа соответственно. При расчёте колёсных пар с нагрузкой, приложенной согласно «Нормам...», максимальные эквивалентные напряжения в новых колёсах возникают в зоне перехода диска в ступицу с внутренней стороны и составляют под статической на-

грузкой 30 тс на ось 190 МПа, тогда как у изношенных колёс они находятся в зоне перехода диска в обод и составляют 250 МПа.

Также было установлено, что распределение нормальных напряжений от эксплуатационной нагрузки носит неравномерный характер. Имеются зоны концентрации напряжений в приободной и предступичной части поверхности диска с внутренней и наружной стороны. На внутренней стороне диска колеса в зоне перехода диска в обод формируются сжимающие нормальные напряжения, составляющие -250 МПа при толщине обода 22 мм под нагрузкой 30 тс на ось. В зоне перехода диска в ступицу образуются растягивающие напряжения, составляющие 220 МПа (рис. 3).

Рис. 3. Напряжения в колесе с толщиной обода 22 мм На наружной стороне диска, при той же толщине обода и под такой же нагрузкой в зоне перехода диска в обод нормальные напряжения составляют -220 МПа. В зоне перехода диска в ступицу данные напряжения г составляют-160 МПа.

Графики изменения напряжений при различной толщине обода и диска представлены на рис. 4 и 5. Из них видно, что при толщине обода 22 мм максимальные напряжения возникают с внутренней стороны колеса в месте перехода диска в обод. При толщине обода 70 мм (полномерное колесо) максимальные напряжения возникают в месте перехода диска в ступицу с внутренней стороны колеса. При изменении толщины диска также проис-

ходит изменение напряжений: с увеличением толщины диска напряжения уменьшаются, причем максимальные напряжения возникают в местах перехода диска в обод с внутренней стороны колеса.

20 40 60

-приободная часть с наружной стороны диска -приободная часть с внутренней стороны диска -предступичная часть с наружной стороны диска -предступичная часть с внутренней стороны диска

80 Ь, мм

Рис. 4. Изменение напряжений в зависимости от толщины обода при толщине диска 19 мм

5 10 15 20 25 -•—приободная часть с наружной стороны диска

-•-приободная часть с внутренней стороны диска

предступичная часть с наружной стороны диска

—♦—предступичная часть с внутренней стороны диска

35 Ь, мм

Рис. 5. Изменение напряжений в зависимости от толщины диска при толщине обода 22 мм

Было выявлено, что деформирование оси колёсной пары и колеса имеет изгибный характер.

В третьей главе рассмотрен метод повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс при ремонте. Предложено в зонах концентрации напряжений в приободной и предступичной частях диска создавать на его поверхности локальные упрочнённые зоны. Они наносятся равномерно с внутренней и наружной стороны диска колеса напротив друг друга токами высокой частоты, плазменным нагревом, газопламенным нагревом и т.д. (рис. 6). Для обеспечения локального термоупрочнения необходимо применять нормализационный отпуск (нормализацию), заключающийся в нагреве стали до температуры, превышающей точку Асз па 40 - 50 °С (для данной марки стали - до 830 ± 15 °С), непродолжительной выдержке для завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при прокатке.

1 - упрочнённая зона;

2 - основной металл.

Рис. 6. Схема термообработки диска

Данной обработке могут подвергаться как новые колёса, поступающие в эксплуатацию, так и колёса, прослужившие некоторый срок, в процессе их ремонта. В результате плавного и равномерного нагрева создаются участки термообработанного металла. В глубину диск прокаливается на 1,5 - 2 мм с каждой стороны.

После локальной термообработки происходит увеличение твёрдости в упрочняемых зонах с 250 - 265 НВ до 340 - 370 НВ. Графики изменения твёрдости по глубине и по поверхности диска представлены на рис. 7. Здесь НУ - твёрдость материала по Виккерсу, Ь - ширина обрабатываемой поверхности, Ь - глубина термообработанного слоя.

НУ 370

330

290

250

210

170

„ ш

1 » 1 и 1 5 2 0 25 3 0 3 54 D 4 5 51

Li мм

-»- HV при h=2 мм--HV при h=l,5 мм

HV при h=l мм -HV при h=0,5 мм

Рис. 7. Графики распределения твёрдости

Металлографические исследования структуры металла термообрабо-танной зоны диска колеса (рис. 8) показали, что микроструктура упрочнённого слоя металла имеет вид троостита на поверхности диска, плавно переходящего в сорбит. В середине диска сохраняется исходная микроструктура из зёрен перлита и сетки феррита, отвечающая структуре незакалённой стали.

I *

1 - основной металл;

2 - переходный слой;

3 - упрочнённый металл.

Рис. 8.Микроструктура металла после термообработки

По нормам международного стандарта 1ЛС 812-3 были проведены испытания по определению остаточных напряжений в локально упрочнённых колёсах. Величина напряжений оценивалась после радиальной разрезки колеса по сближению его кромок, замеренному на средней окружности обода с базой замера 100 мм. При этом использована зависимость:

„ _А

001 ^ Г)

где Д/к - сближение кромок колеса, мм;

Е - модуль продольной упругости, Е- 2,1'105 МПа; £>ср - средний диаметр обода, мм.

у

Полученные данные показали, что в результате локальной термообработки в колесе образуются сжимающие остаточные напряжения, удовле-• творяющие требованиям норм международного стандарта.

В связи с тем, что программы, применяющиеся для расчёта напряжённо-деформированного состояния изделий, не позволяют учитывать повышенную твёрдость упрочнённого металла, была разработана методика рас-

чёта конструкций с локальными термоупрочнёнными зонами, которая включает замену местного повышения твёрдости другим параметром, позволяющим показать, что в данном месте была проведена термообработка.

В частности, в местах локально повышенной твёрдости были добавлены слои металла с определёнными размерами такой же твёрдости, что и V основной металл. Т. е., условно созданы «рёбра жёсткости». Для расчёта геометрических параметров этих рёбер (высоты и ширины) использована зависимость между прочностью и твёрдостью металла колеса и графики изменения твёрдости по глубине и по поверхности диска после локальной термообработки.

Известно, что прочность материала зависит от твёрдости в соотношении:

ав = (0,33 - 0,36) НВ Для колёсной стали марки 2 было принято ав = 0,36 НВ. Так как твёрдость упрочнённой зоны не постоянна, а уменьшается как по глубине, так и по ширине, была принята средняя твёрдость металла на глубине 2,4 мм и шириной Ь = 22 мм равной 300 НВ, что соответствует о8 = 1080 МПа.

Расчёты показали, что наименьшие перемещения образуются в колесе, у которого упрочнённые зоны создаются в местах перехода диска в обод и ступицу, т. е. в самых напряжённых частях цельнокатаных колёс. Возникающие перемещения представлены на рис. 9.

Из полученных результатов видно, что наибольшие перемещения образуются в верхней части колеса и составляют: для упрочнённого колеса с * толщиной обода 22 мм под статической нагрузкой 30 тс на ось 4,395 мм, для неупрочнённого - 4,814 мм. В новом колесе перемещения под той же нагрузкой составляют 4,139 мм. Из этого следует, что, применяя данный способ термообработки, мы обеспечиваем такую же прочность колёс с толщиной обода 22 мм, как и у колёс с толщиной обода 52 мм.

N

Рис. 9. Перемещения в локально-упрочненной колёсной паре с толщиной обода 22 мм, возникающие под действием нагрузки 30 тс на ось

В четвёртой главе рассмотрен способ повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс при изготовлении за счёт создания в поверхностном слое диска благоприятных показателей качества, таких как величина и глубина залегания остаточных напряжений, степень и глубина наклёпа, а также шероховатость поверхности. Это обеспечивается с помощью обточки диска колеса по всей поверхности, захватывая переходы диска в обод и ступицу. Повышение усталостной прочности при этом может быть достигнуто за счёт сложения остаточных напряжений после изготовления и обточки диска с напряжениями от действующих нагрузок.

Для различных вариантов сочетаний параметров режима обработки диска были определены основные параметры процесса обточки: контактные нагрузки, температуры, составляющие силы резания, напряжения и др.

При расчёте остаточных напряжений (Силин С.С., Безъязычный В.Ф.) определялись напряжения от сил резания, приложенных к передней и задней поверхностям инструмента, а также температурные остаточные напряжения. Действие силовых полей от передней и задней поверхностей инструмента различно по своему характеру, по разному зависит от условий

резания. Создаваемые ими остаточные напряжения могут иметь существенно отличающиеся величину, знак и глубину залегания. Разделение действия температурного поля от передней и задней поверхностей инструмента нецелесообразно. Вне зависимости от того, каким фактором оно вызвано, влияние его на напряжённое состояние будет одним и тем же.

Расчёт силовых остаточных напряжений осуществлялся в следующем порядке. Определялись: нормальные и касательные напряжения от действия сил резания; главные напряжения и остаточные напряжения в соответствии с теоремой Генки о разгрузке:

Фиктивные напряжения а^ определялись в соответствии с предложением об идеальной упругости материала. Истинные напряжения ат, соответствующие состоянию текучести, - из условия равенства упругих и пластических деформаций на границе их раздела.

Также проверялось условие пластичности по теории Хубера-Мизеса, т. е. пластические деформации возникают тогда, когда интенсивность напряжений достигает величины предела текучести материала при растяжении.

При оценке температурных остаточных напряжений определялась закономерность распределения температуры в в поверхности диска по глубине .у при его обточке:

/ -.Х,, \Xj-d

яп^^а-зт0-2'^,

где 0А - максимальная температура первичных пластических деформаций в условной плоскости сдвига; Со, Х|, Хг, Х3, Х4, <1 - безразмерные коэффициенты;

*

Ре = — - критерий Пекле, характеризующий степень влияния режима

ных условий процесса по сравнению с теплофизическими (а - коэффициент температуропроводности колёсной стали); а, у - задний и передний углы лезвия инструмента; аь р\ - ширина среза и радиус скругления режущей кромки; В = - величина, характеризующая степень пластических деформа-ч ций металла (/?[ - угол наклона условной плоскости сдвига).

Далее проверялось условие возникновения температурных остаточных напряжений при нагревании и охлаждении и определялись границы раздела упругих и пластических деформаций, а также максимальные напряжения, возникающие при охлаждении <г0шах- В зависимости от величины стопих определялись температурные остаточные напряжения <гтсмп-

Суммарные остаточные напряжения определялись алгебраическим суммированием температурных и силовых остаточных напряжений. Напряжения от структурно-фазовых превращений не учитывались.

Высота неровностей Яг определялась по следующей зависимости:

где Яр - теоретическая или расчётная высота неровностей; М - приращение высоты неровностей в результате упругого восстановления поверхности среза; И> - приращение высоты неровностей из-за вибраций режущего инструмента; 11с - приращение высоты неровностей вследствие срезания их вершин сходящей стружкой.

Глубина наклёпа обработанной поверхности определялась как глубина залегания пластической деформации, определяемая из условий равенст-» ва алгебраической суммы напряжений (обусловленных силовым асу и тем-

пературным <т„ воздействием инструмента на обрабатываемую поверхность) пределу текучести:

N

На основании сопоставления результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также оценки общего напряжённого состояния колёс установлены требования к уровню остаточных напряжений, шероховатости и степени наклёпа поверхностного слоя элементов колеса, представленные в табл. 1. •

Таблица 1.

Требования к параметрам качества поверхностного слоя _элементов диска цельнокатаного колеса_

Участки поверхности диска Остаточные напряжения, МПа Шероховатость Яг, мкм Степень наклёпа 14, %

Наружная сторона колеса Приободная часть от -60 до -80 10 10- 15

Средняя часть от-80 до-100 10-20 10-15

Предступич-ная часть от -50 до -70 20 10-15

Внутренняя сторона колеса Приободная часть от-80 до-100 10 10-15

Средняя часть от-80 до-100 10-20 10-15

Предступич-ная часть от-100 до-120 20 10-15

Для достижения требуемых параметров качества, следует при изготовлении цельнокатаных колёс производить обточку диска с обеих сторон при следующих режимах резания (табл. 2).

Пятая глава посвящена технико-экономической оценке предлагаемых вариантов повышения усталостной прочности.

Были проведены усталостные испытания цельнокатаных колёс после

*

локальной термообработки и после обточки диска на рекомендуемых режимах резания на основе рекомендованного ВНИИЖТом блок-программного нагружения. Нагружение осуществляли в форме однород- <

ных блоков, составляемых из определённого числа ступеней с частотой 5 Гц.

Таблица 2.

Режимы обточки дисков колёс грузовых вагонов__

Участки поверхности диска Скорость резания, м/с Подача, мм/об Глубина резания, мм

Наружная сторона колеса Приободная часть 1,6 0,75 1

Средняя часть 1,6 0,75 1

Предступич-ная часть 0,4 1,5 1

Внутренняя сторона колеса Приободная часть 1,6 0,75 1

Средняя часть 1,6 0,75 1

Предступич-ная часть 0,8 1,5 1

На рис. 10 представлены результаты испытаний, из которых видно, что при блочном нагружении стандартных колёс с толщиной обода 45 мм по данным ВНИИЖТа разрушение происходит после 1,2 - 1,3 млн. циклов, тогда как колёса с толщиной обода 22 мм (данные ПГУПС) после локальной термообработки выдерживали 1,6-3 млн. циклов, а колёса после обточки диска - 1,5-1,7 млн. циклов.

1, 2, 3, 4 - стандартные цельнокатаные колёса (данные ВНИИЖТ и ПГУПС);

5, 6, 7 - колёса после локальной термообработки диска (данные ПГУПС); 8,9, 10 - колёса после обточки диска (данные ВНИИЖТ и ПГУПС); N - блоки нагружения.

Рис. 10. Результаты испытаний колёс при блок-программном нагружении

Был предложен технологический процесс локального упрочнения поверхности диска колеса с помощью токов высокой частоты.

На основании ГОСТ 3.1405-86 и ГОСТ 3.1121 разработаны операционные карты технологических процессов обработки цельнокатаных колёс грузовых вагонов для формирования требуемых параметров качества.

Расчет эффективности предлагаемых мероприятий показал, что при снижении количества изломов колёс на 50% ожидаемый экономический эффект для Октябрьской железной дороги составит от 200 до 500 тыс. руб. При повышении безопасности движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены научно обоснованные технические и технологические решения по повышению усталостной прочности цельнокатаных колёс и безопасности движения поездов, которые можно рассматривать как имеющие существенное значение для железнодорожного транспорта. При этом получены следующие научные и практические результаты:

1. Приведены и проанализированы статистические данные по выбраковке и разрушениям цельнокатаных колёс в эксплуатации. Результаты анализа показывают, что за последние годы отмечаются случаи усталостных изломов цельнокатаных колёс в эксплуатации, которые представляют серьёзную угрозу безопасности движения поездов. Рассмотрены основные причины появления усталостных разрушений цельнокатаных колёс, характерные для нынешнего этапа интенсивной работы железнодорожного транспорта.

2. Выполнены расчёты напряжений в колёсах грузовых вагонов при приложении к ним существующих и перспективных эксплуатационных нагрузок. Произведена оценка общего напряжённого состояния. Анализ показывает, что наиболее неблагоприятные уело-

вия работы характерны для приободной и предступичной части диска: здесь действуют напряжения до 250 МПа при толщине обода 22 мм.

3. Предложен метод повышения усталостной прочности колёс с по-

V мощью локальной термообработки дисков, заключающийся в уп-

рочнении мест перехода диска в обод и диска в ступицу, в которых возникают наибольшие напряжения при эксплуатации. По данно-

* му методу получено положительное решение о выдаче патента № 2002117541/02 МПК7 C21D9/34 «Способ восстановления работоспособности колёс рельсового транспорта».

4. Предложена методика расчёта конструкций с локальными термо-упрочнёнными зонами, включающая замену местного повышения твёрдости другим параметром, который позволяет учесть, что в данном месте была проведена термообработка. Осуществлён расчёт напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс, подвергнутых локальной термообработке.

5. Предложен метод повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс путём формирования в поверхностном слое требуемых параметров качества. Управление качественными параметрами целесообразно производить за счёт разработки рациональных режимов механической обработки с учётом физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а так. же геометрии режущего инструмента.

6. Экспериментальная оценка усталостной прочности по методике ВНИИЖТа показала, что, если неупрочнённые колёса с толщиной

* обода 47 мм выдерживают 1,2 - 1,3 млн. циклов, то локально-упрочнённые, с толщиной обода 22 мм - 1,6 - 3 млн. циклов, а обточенные - 1,5 - ! ,7 млн. циклов

7. Разработаны технологические процессы локальной термообработки и механической обработки дисков цельнокатаных колёс.

8. Подсчитан ожидаемый годовой экономический эффект для Октябрьской железной дороги, который при снижении количества изломов колёс на 50% составит от 200 до 500 тыс. рублей.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Кононов Д. П. К вопросу о расчёте напряжений цельнокатаных колёс с тонким ободом.// Вопросы надёжности подвижного состава. Материалы семинара аспирантов механического факультета. С.-Петербург, 2003 г., с. 26-29.

2. Иванов И. А., Кононов Д. П. Технология ресурсосбережения при эксплуатации цельнокатаных колёс.// Вестник инженеров электромехаников железнодорожного транспорта. Выпуск 1, Самара, 2003 г., с. 74 - 78.

3. Иванов И. А., Кононов Д. П. Повышение работоспособности цельнокатаных колёс.// Тезисы докладов к Ш научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты», С.-Петербург, 2003 г., с. 37 - 38.

4. Иванов И. А., Кононов Д. П., Урушев С. В., Шадрина Н. Ю. Способ восстановления работоспособности колёс рельсового транспорта. Патент №2002117541/02(018376) от 01.07.2002.

5. Иванов И. А., Кононов Д. П. Анализ напряжённого состояния дисков цельнокатаных колёс при различных схемах нагружения// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 1. -Брянск, 2002 г., с. 45 - 49

6. Кононов Д. П. Влияние локальной термообработки дисков цельнокатаных колёс на остаточные напряжения// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 2. - Брянск, 2002. - с. 33 - 37.

7. Иванов И. А., Кононов Д. П. Методика численного определения напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс при наличии локального упрочнения// Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов. Выпуск 2. - Брянск, 2002. - с. 24 - 28

* 8. D. Kononov. The analysis of stress condition of disks of railway wheels at the different schemes of a loading// Transport and engineering. Number 5. RTU, Riga, 2002.-p. 52-57

*

9. И. А. Иванов, Д. П. Кононов. Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс методом локальной термообработки дисков// Transport and engineering. Number 5. RTU, Riga, 2002. - p. 57 - 61

10. Бардышев О. А., Иванов И. А., Кононов Д. П. Повышение прочности железнодорожных колёс с тонким ободом.// Тезисы к докладу на шестьдесят второй научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Неделя науки - 2001» ПГУПС. - СПб, 2001, с. 45-46.

11. Иванов И. А., Кононов Д. П. Повышение усталостной прочности железнодорожных колёс с тонким ободом. Тезисы к докладу на шестьдесят второй научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Неделя науки - 2002» ПГУПС. - СПб, 2002, с. 15.

Подписано к печати 25.09.03г. Печ.л.-1.4

Печать - ризография. Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1\16

Тираж 100 экз. Заказ № 952_

Тип. ПГУПС 190031, С-Петербург, Московский пр. 9

é

»

165 60

»

1

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ Ж. Д. ТРАНСПОРТА И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ ПО РАЗРУШЕНИЮ КОЛЁС.

1.2. АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ФАКТОРОВ, ВЫЗЫВАЮЩИХ УСТАЛОСТНЫЕ РАЗРУШЕНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС. 1.2.1. Виды разрушений.

1.2.2. Классификация факторов, вызывающих усталостные разрушения.

1.3. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ РАБОТ ПО ПОВЫШЕНИЮ

ПРОЧНОСТИ И УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС ПРИ УВЕЛИЧЕНИИ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ.

1.3.1. Критерий надёжности цельнокатаных колёс.

1.3.2. Конструкционные методы повышения усталостной прочности колёс.

1.3.3. Технологические методы повышения усталостной прочности колёс.

1.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2. НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ОСЕВЫХ НАГРУЗКАХ И ТОЛЩИНЕ ОБОДА.

2.1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОЦЕНКИ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЕСА С УЧЁТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ.

2.1.1. Механические нагрузки.

2.1.2. Термические нагрузки.

2.1.3. Оценка уровня остаточных напряжений.

2.1.4. Монтажные напряжения.

2.2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

2.3. ПРОГРАММА РАСЧЁТА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

2.4. ВЫВОДЫ.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС С ЛОКАЛЬНО-УПРОЧНЁННЫМ ДИСКОМ

3.1. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ.

3.2. МЕТОД ЛОКАЛЬНОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИСКА.

3.3. МЕТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТВЁРДОСТИ МЕТАЛЛА ДИСКА КОЛЕСА.

3.4. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ОЦЕНКЕ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ.

3.5. ВЫБОР МЕТОДА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ, ОСНОВНЫЕ УПРОЩЕНИЯ.

3.6. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА И ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ.

3.7. ВЫВОДЫ.

4. ПОВЫШЕНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ С ПОМОЩЬЮ ОБТОЧКИ ДИСКА.

4.1. ПРЕДПОСЫЛКИ К РАЗРАБОТКЕ МЕТОДИКИ РАСЧЁТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО

СЛОЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.

4.2. РАСЧЁТ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС.

4.3. РАСЧЁТ ВЫСОТЫ НЕРОВНОСТЕЙ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ С УЧЁТОМ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ.

4.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИНЫ И СТЕПЕНИ НАКЛЁПА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.5. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ДИСКА НА ПРЕДЕЛ ВЫНОСЛИВОСТИ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС.

4.6. ВЫВОДЫ.

5. РЕАЛИЗАЦИЯ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ УСТАЛОСТНЫХ

ИСПЫТАНИЙ.

5.2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ЛОКАЛЬНОГО УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ДИСКА КОЛЕСА.

5.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС УПРОЧНЕНИЯ ЦЕЛЬНОКАТАНЫХ КОЛЁС ОБТОЧКОЙ ДИСКА.

5.4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМЫХ МЕРОПРИЯТИЙ.

5.5. ВЫВОДЫ.

Технический прогресс на железнодорожном транспорте неразрывно связан с ростом скоростей, повышением осевых нагрузок, внедрением новых конструкций верхнего строения пути, применением новых композиционных материалов. Это вызывает значительные изменения в условиях эксплуатации вагонного и локомотивного парка и, прежде всего, ходовых частей подвижного состава. При этом их эксплуатационная надёжность и прочность должны обеспечивать, в первую очередь, безопасность движения на железных дорогах.

Эффективность работы на железнодорожном транспорте в значительной степени зависит от надёжной и безотказной работы колёс, являющихся одним из основных элементов подвижного состава.

Особую актуальность в настоящее время приобретают вопросы повышения предела выносливости цельнокатаных колёс. Внимание к проблеме повышения надёжности колёсных пар вызвано тем, что, начиная с 1976 года в эксплуатации стали наблюдаться случаи появления усталостных трещин, а также полного излома колёс при уменьшении толщины обода. Эти случаи, хотя и носят единичный характер, представляют реальную угрозу безопасности движения. Поэтому необходимо разработать методы, позволяющие повысить усталостную прочность колёс как при изготовлении новых, так и при ремонте существующих.

Решение рассматриваемой проблемы включает в себя разработку, создание и внедрение новых технических и технологических методов совершенствования конструкции колеса.

Данная работа является одним из этапов решения задачи повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс железнодорожного подвижного состава при ремонте и изготовлении. Вопросы, рассматриваемые в диссертационной работе являются составной частью задач, решаемых в соответствии с комплексной программой МПС РФ «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 — 2010 г.» Целью данной работы является повышение безопасности движения поездов за счёт повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс.

Для достижения поставленной цели использованы теоретические и экспериментальные методы. Они основывались на использовании разделов фундаментальных наук: физики твёрдого тела, металловедения, прикладной математики и др. Экспериментальные исследования проводились как в лабораторных, так и в производственных условиях.

В диссертационной работе предложены и исследованы пути повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс. Научная новизна данной работы состоит в том, что:

1. Произведена оценка напряжённого состояния эксплуатирующихся цельнокатаных колёс при существующих и перспективных осевых нагрузках.

2. Предложен и исследован метод повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс, заключающийся в локальном упрочнении при ремонте зон поверхности диска, в которых возникают в процессе эксплуатации наибольшие напряжения.

3. Предложена методика расчёта напряжённого состояния колеса с локальным упрочнением диска.

4. Установлены требования к величинам параметров качества поверхности диска колеса и предложены режимы его термической и механической обработки.

5. Экспериментально исследована усталостная прочность колёс с локальным упрочнением диска.

Достоверность полученных выводов и предложений подтверждается проверкой согласованности результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны способы повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс железнодорожного подвижного состава с тонким ободом. Способы могут быть использованы как при ремонте, так и при изготовлении.

Сформулированы основные требования к величинам параметров качества дисков цельнокатаных колёс, а также назначены режимы локального термоупрочнения дисков, обеспечивающие повышение усталостной прочности колёс.

Материалы диссертационной работы использованы при разработке рекомендаций по созданию цельнокатаных колёс для бегунковых колёсных пар рельсошлифовального поезда в Тосненской механизированной дистанции службы пути.

Методики теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе и на занятиях по повышению квалификации ИТР в ЦДПО ПГУПС.

Основные результаты были доложены и получили одобрение на неделях науки ПГУПС (2001, 2002 и 2003 гг.), на конференциях аспирантов и молодых учёных механического факультета ПГУПС (апрель и октябрь 2002 г.), на интернет-конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2002 г.), на «V International Scientific Conference for Middle and Eastern European Countries» (Катовице, Польша, 2002), на «The 43rd international scientific conference of Riga Technical University» (Рига, 2002 г.), на 111 научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (С.-Петербург, 2003 г.)

По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ.

Диссертация состоит из 12 разделов, включая введение, 5 глав, общие выводы и рекомендации, список использованных источников и приложения. Объём работы составляет 140 стр. (без приложений), в том числе 44 рис., 7 табл., 4 приложения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Приведены и проанализированы статистические данные по выбраковке и разрушениям цельнокатаных колёс в эксплуатации. Результаты исследований показывают, что за последние годы отмечаются случаи усталостных изломов цельнокатаных колёс в эксплуатации, которые представляют серьёзную угрозу безопасности движения поездов. Отмечено, что трещины и изломы усталостного характера возникают во всех элементах колеса: диске, ободе, ступице, но наибольшее их число и более тяжёлые последствия связаны с изломом диска. Изменение условий эксплуатации колёсных пар вызывает повышенные требования к их качеству.

Причинами появления усталостных трещин и низкой циклической прочности колёс являются как металлургические (обезуглероженность поверхности, раскатаные загрязнения, неудалённые полностью прокатные плёны, морщинистость поверхности, общее или местное утоньшение диска при прокатке и др.), так и развивающиеся в процессе эксплуатации (неравномерный прокат, «навары», заниженная толщина обода и др.) дефекты.

Проведён анализ нагрузок, действующих на колёсную пару в процессе эксплуатации. Железнодорожные колёса работают под действием знакопеременных статических и динамических нагрузок. Во время движения колёсная пара нагружается пространственной системой сил, изменяющихся по величине и по направлению. Также, в процессе торможения тормозные колодки, воздействуя на колёсную пару, вызывают в ней термические нагрузки. Остаточные напряжения возникают почти при всех видах термической или механической обработки. При воздействии внешних нагрузок остаточные напряжения, суммируясь с напряжениями от внешних сил, могут превышать предел упругости, что приводит к неравномерной пластической деформации, потере устойчивости, короблению, скручиванию и т. д.

Проведённый анализ основных направлений работ по повышению прочности цельнокатаных колёс показал, что для повышения усталостной прочности можно применять производственные (механическая, термическая обработка, повышение качества стали и др.), эксплуатационно-ремонтные (рациональные режимы движения, восстановление профиля, надёжный контроль и др.), конструкционно-технологические (снижение уровня действующих напряжений, применение упрочняющей технологии), а также организационные (сбор статистических данных об отказах, систематизация и стандартизация элементов и др.) методы.

2. Предложен расчётно-экспериментальный метод, позволяющий на основе экспериментальных зависимостей уровня напряжений в колесе от нагрузки и метода конечных элементов оценить с достаточной точностью напряжённое состояние цельнокатаных колёс в эксплуатации.

На основе применения объёмных конечных элементов разработана расчётная модель колеса, позволяющая производить уточнённый расчёт параметров напряжённо-деформированного состояния с учётом основных геометрических особенностей по действием эксплуатационной нагрузки и выполнены расчёты напряжений в колёсах грузовых вагонов при приложении к ним эксплуатационных нагрузок. Анализ общего напряжённого состояния колёс показал, что наиболее неблагоприятные условия работы характерны для приободной и предступичной части диска. Здесь максимальные эквивалентные напряжения под действием нагрузки 25 тс на ось составляют 290 МПа для изношенных колёс с толщиной обода 22 мм и 230 МПа для новых колёс. При этом в зоне перехода диска в обод создаются напряжения от -280 до +80 МПа, а в предступичной части - от -250 до +280 МПа.

Проведённое для оценки точности разработанной расчётной модели сравнение с экспериментальными данными доказало её достоверность. Максимальное расхождение значений составило не более 5% [102].

3. Предложено для повышения усталостной прочности использовать метод локальной термообработки дисков колёс, заключающийся в нагреве и охлаждении зон перехода диска в обод и диска в ступицу при использовании специальных режимов, обеспечивающих повышение прочности в наиболее напряжённых местах диска.

Разработан режим данной термообработки. Нагрев может осуществляться с помощью газовой горелки, токами высокой частоты или другими способами, обеспечивающими определённую скорость нагрева (170 град/ч) до заданной температуры (850 °С). Далее следует охлаждение на воздухе и на массу.

4. Предложена методика по расчёту конструкций с локальными термо-упрочнёнными зонами, включающая замену местного повышения твёрдости другим параметром, который позволяет показать, что в данном месте была проведена термообработка. Для решения поставленной задачи в местах локально повышенной твёрдости пластины добавляем слои металла с определёнными размерами такой же твёрдости, что и основной металл. Т. е., условно создаём «рёбра жёсткости». Для расчёта геометрических параметров этих рёбер (высоты и ширины) воспользовались зависимостью между прочностью и твёрдостью и графиками изменения твёрдости по глубине и по поверхности пластины после локальной термообработки.

Осуществлён расчёт напряжённо-деформированного состояния цельнокатаных колёс, подвергнутых локальной термообработке. Рассмотрены и произведено сравнение различных схем упрочнения. Из полученных результатов видно, что наибольшие деформации образуются в верхней части колеса и составляют: для упрочнённого колеса 2,6 мм, для неупрочнённого — 4,65 мм, т.е. уменьшились на 44%.

5. Предложен метод повышения усталостной прочности цельнокатаных колёс путём формирования в поверхностном слое требуемых параметров качества. Управление качественными параметрами целесообразно производить за счёт разработки рациональных режимов механической обработки с учётом физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а также геометрии режущего инструмента.

На основании предложенной методики построения и расчёта параметров математической модели «режимы резания - параметры качества - усталостная прочность» произведено теоретическое определение зависимостей величины параметров качества поверхности от режимов механической обработки с учётом физико-механических свойств обрабатываемого и инструментального материалов, а также геометрии режущего инструмента.

6. Произведены усталостные испытания, которые показали, что при блочном нагружении стандартных колёс с толщиной обода 45 мм разрушение происходит после 1,2 - 1,3 млн. циклов, тогда как колёса с толщиной обода 22 мм после локальной термообработки выдерживали 1,6-3 млн. циклов, а колёса после обточки диска - 1,5 - 1,7 млн. циклов. Разработан технологический процесс локальной термообработки цельнокатаных колёс. А также разработаны операционные карты технологического процесса механической обработки колёс грузовых вагонов.

7. Экономический эффект от сокращения количества усталостных разрушений цельнокатаных колёс составит для Октябрьской железной дороги от 200 до 500 тыс. руб. Повышение усталостной прочности колёс даёт возможность предотвратить возникновение усталостных повреждений в дисках, повысить надёжность колёс и обеспечить повышение безопасности движения поездов.

1. Наговицын В. С., Вешкурцев Ю. М., Шахов В. Г., Головаш А. Н. Техническая диагностика подвижного состава// Вестник транспорта. 2002, №5, с. 19-22.

2. Продление срока службы рельсов и колёс. По материалам зарубежной печати// Вестник транспорта. 2002, №6, с.39 40.

3. Исследования процесса восстановления профиля катания бандажных локомотивных и моторвагонных колёсных пар с использованием отжига при нагреве ТВЧ: Отчёт ЛИИЖТ. Руководитель темы Продан Н. С. №449. Инв. №02825036774. Л., 1981. 124 с.

4. Школьник Л. М., Парышев Ю. М., Вихрова А. М. Эволюция технических условий на вагонные колёса. Вестник ВНИИЖТа, 1986, №6, с. 34 -39.

5. Повышать безопасность движения поездов/ В коллегии МПС России// Железнодорожный транспорт, 2000, №3, с. 12-14.

6. Пехтерев Ф. С. Повышение скоростей движения. О ходе реализации программы развития скоростного и высокоскоростного движения на железных дорогах России// Железнодорожный транспорт, 2002, №7, с. 10-15.

7. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986, 559 с.

8. Яковлев В. Ф. Исследование сил взаимодействия деформаций и напряжений в зоне контакта железнодорожных колёс и рельсов. Дисс. на со-иск. уч. степ. докт. техн. наук. Л.: ЛИИЖТ, 1964, 377 с.

9. Пахомов М. П. Взаимодействие подвижного состава и пути и динамика вагонов. Метод, указания по курсу лекций. Омск, 1966, 139 с.

10. Оптимизация взаимодействия колеса и рельса// Железные дороги мира, 2003, №1, с. 66-70.

11. Богданов А. Ф., Чурсин В. Г. Эксплуатация и ремонт колёсных пар вагонов. М.: Транспорт, 1985. 270 с.

12. Перспективные материалы для изготовления колёс// Железные дороги мира, 2002, №5, с. 39-41.

13. Ларин Т. В. Перспективы улучшения качества железнодорожных цельнокатаных колёс. Вестник ВНИИЖТа, 1985, №3, с. 31 35.

14. Пути снижения износа колёс и рельсов// Железные дороги мира, 2002, №4, с. 65 72.

15. Кудрявцев Н. Н., Литовченко Е. П., Бомбардиров А. П. Динамические напряжения в дисках колёс пассажирских вагонов. Вестник ВНИИЖТа, 1981, №5, с. 30-34.

16. Ларин Т. В., Узлов И. Г., Парышев Ю. М. Причины выхода колёс из эксплуатации и пути повышения их служебных свойств. Вестник ВНИИЖТа, 1975, №6, с. 30 33.

17. Цюренко В. Н. Эксплуатационная надёжность колёсных пар грузовых вагонов. Железнодорожный транспорт, 2002, №3, с. 24 28.

18. Сунгуров А. С. Методика оценки предела усталости цельнокатаных колёс. Вестник ВНИИЖТа, 1984, №7, с. 41 44.

19. Школьник Л. М., Сунгуров А. С. Прогнозирование предела выносливости и циклической несущей способности цельнокатаных колёс. Вестник ВНИИЖТа, 1986, №2, с. 35 39.

20. Иванов И. А., Битюцкий А. А., Сколотнева Н. Ю. Оценка напряжённого состояния цельнокатаных колёс с различным износом обода. Конструкционно-технологическое обеспечение надёжности колёс рельсовых экипажей. Сборник научных трудов, ПГУПС, 1997, с. 76 80.

21. Богданов А. Ф. и др. Восстановление профиля поверхности катания колёсных пар: Учебное пособие / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Си-таж. СПб.: ПГУПС, 2000. - 128 с.

22. Сунгуров А. С. Причины разрушения в эксплуатации вагонных колёс по диску и их упрочнение. Дисс. на соиск. учён. степ. канд. техн. наук. М.: ВНИИЖТ, 1987.

23. Гальперин М. Я. Характеристики выносливости металлов на двух стадиях усталостного разрушения и различных базах испытаний. // Проблемы прочности. 1978. №5, с. 23-35.

24. Гофф М. Э., Крамаренко О. Ю. Роль низких напряжений спектра в развитии усталостного разрушения.// В кн.: Прочность материалов и конструкций. Киев: Наукова думка, 1975, с. 55 — 56.

25. Буше Н. А. Трение, износ и усталость в машинах. М.: Транспорт, 1987, 223 с.

26. Владимиров В. И. Физическая природа разрушения металлов. М.: Металлургия, 1984, 280 с.

27. Иванова В. С., Терентьев В. Ф. Природа усталости металлов. М.: Металлургия, 1975, 474 с.

28. Николаев Р. С. Причины поломок деталей подвижного состава и рельсов. М.: Гострансжелиздат, 1954, 196 с.

29. Беженаров С. А. Повышение надёжности цельнокатаных колёс скоростного подвижного состава. Дисс. на соискание уч. степени канд. тех. наук. Л. ЛИИЖТ, 1990, 164 с.

30. Рахштадт А. Г., Семёнов В. М., Серебрин С. М. Влияние обезуглеро-женного слоя и поверхностных дефектов на напряжённое состояние в изгибаемом образце. // Проблемы прочности. 1974, №5, с. 68 — 72.

31. Гальперин В. Е., Еганов А. А. Динамические напряжения в дисках колёс грузовых вагонов. Вестник ВНИИЖТа, 1984, №7, с. 39 42.

32. Нагрузка текучести и циклическая трещиностойкость цельнокатаных колёс / JI. М. Школьник, М. И. Староселецкий, А. С. Сунгуров, JI. И. Бондаренко. Вестник ВНИИЖТа, 1985, №4, с. 25 28.

33. А. с. СССР №885083 М Кл В60В 3/06. Колесо для колёсной пары транспортного средства./ Есаулов В. П., Есаулов А. Т., Алимов А. А. и др. Опубл. 30.11.81. Б. И. №44, 1981.

34. А. с. СССР №779100 М Кл В60В 7/02. Цельнокатаное колесо./ Есаулов В. П., Есаулов А. Т., Алимов А. А. и др. Опубл. 15.11.80. Б. И. №12, 1980.

35. А. с. СССР №751666 М Кл В60В 19/10. Колесо железнодорожного транспортного средства./ Есаулов В. П., Есаулов А. Т., Кузьмичёв В. М. и др. Опубл. 30.07.80. Б. И. №28, 1980.

36. А. с. СССР №897592 М Кл В60В 9/00. Железнодорожное колесо./ Есаулов В. П., Есаулов А. Т., Кузьмичёв В. М. и др. Опубл. 15.01.82. Б. И. №2,1982.

37. Pasholok I. L., Razumov A. S., Efimov V. P. Perspective design decisions for freight car wheels of the Russian manufacturers.

38. Kozlovsky A., Taran Yu., Staroseletsky M., Esaulov V., Gubenco S., Slad-kowski A., Shramko A. Improvement of profiles of the working surface for carload and locomotive wheels.

39. Сопротивление развитию усталостных трещин в металлических сплавах, применяемых на железнодорожном транспорте./ Буше Н. А., Геор-гиева М. Н. Сб-к научн. тр. ВНИИЖТ, М.: Транспорт, 1984.

40. Новые материалы, сокращающие износ колёс./ Железные дороги мира, №9,1990.

41. Батлер М. А. Влияние структуры стали на её усталостную прочность после поверхностно-пластического деформирования. Сб.: Исследования по упрочнению деталей машин. М.: Машиностроение, 1972, с. 226-234.

42. Браславский В. Н. Технология обкатки крупных деталей роликами. -М.: Машиностроение, 1975, 160 с.

43. Кудрявцев И. В. Поверхностная пластическая деформация деталей машин как эффективный путь повышения их прочности и долговечности. Сб.: Пути снижения металлоёмкости и трудоёмкости при создании изделий. М.: Знание, 1979, с. 140 -146.

44. Саверин М. М, Дробеструйный наклёп. М.: Машгиз, 1955. 312 с.

45. Макаров А. Д. Оптимизация процессов резания. М.: Машиностроение. 1976. 278 с.

46. Кузнецов Н. Д. и др. Технологические методы повышения надёжности деталей машин: Справочник/ Н. Д. Кузнецов, В. И. Цейтлин, В. И. Волков. М.: Машиностроение, 1993, - 304 с.

47. Петросов В. В. Гидродробеструйное упрочнение деталей и инструмента. М.: Машиностроение, 1977.

48. Митарин А. С. Основные направления развития научно-технического прогресса отрасли// Железнодорожный транспорт, 2000, №3, с. 2 — 11.

49. Пашолок И. Д., Цюренко В. Н., Разумов А. С. Разработка критериев работоспособности дисков цельнокатаных колёс для грузовых вагонов нового поколения// Вестник ВНИИЖТ, 2002, №3, с. 19 23.

50. Барбарич С. С., Цюренко В. Н. Требования к грузовым вагонам нового поколения// Железнодорожный транспорт, 2001, №8, с. 26 31.

51. Нормы для расчёта и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). ГосНИИВ-ВНИИЖТ, М., 1996.

52. Кудрявцев Н. Н., Данченко О. А. Изучение сил, возникающих при неровностях на поверхности катания колёс пассажирских вагонов. Тр. ВНИИЖТ, 1979, вып. 608, с. 47 60.

53. Кудрявцев Н. Н., Бартенева JI. И., Сасаковец В. М. Динамические нагрузки ходовых частей грузовых вагонов. М.: Транспорт, 1977, 143 с.

54. Long G. Wrought Wheel Design for Hearty Axle Load Unit Trains. ВНР Technical bulletin. Vol. 22. №2. November 1978, pp. 27 32.

55. B^k R., Matyja Т., Mrowczynska B. Zastosowanie mikrokomputera IBM-PC do oceny wytrzymalosci zestawow kolowych pojazdow szynowych. Z. N. Politechnika Sl^ska. S. Transport №14. 1989, s. 25-40.

56. Резников A. H., Резников JI. А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990, 288 с.

57. Киселёв С. Н., Иноземцев В. Г., Петров С. Ю., Киселёв А. С. Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатаных вагонных колёсах при различных режимах торможения// Вестник ВНИИЖТ, 1994, №7, с. 13-17.

58. Литовченко Е. П., Артамонов В. М. Влияние тепловых режимов торможения на напряжённое состояние цельнокатаных вагонных колёс// Вестник ВНИИЖТ. 1979, №8, с. 35-38.

59. Стародубов К. Ф. Применение индукционного нагрева для термической обработки изделий металлургической промышленности. Промышленное применение токов высокой частоты. Кн. 46, Киев, 1957.

60. John М. С. Testing Resistance Spot Welds Using stress Ware Emission (SWE) Techniques. Materials Evaluation, 1978, March, p. 41 44.

61. Осгут Г. Г. Остаточные напряжения. Иностранная литература, М., 1957, с. 259.

62. Кудрявцев И. В. Внутренние напряжения как резерв прочности цельнокатаных колёс. Вестник ВНИИЖТа, 1985, №3, с. 31 35.

63. Ужик Г. В. Усталость металлов. М., Иностранная литература, 1961. 378 с.

64. Шур Е. А., Конюхов А. Д. Влияние остаточных напряжений в закалённых рельсах на возникновение и распространение усталостных трещин при циклическом изгибе. Труды ЦНИИ МПС, вып. 491, 1973, с. 29-37.

65. Kalinski W., Wojnarowski J. Badanie rozkladow naprqzeri wlasnych w elementach zestawow kolejowych. Prace IM i PKM Politechnika Sl^ska w Gliwicach, s. 247.

66. Кондратенко В. Г. Обеспечение надёжности прессового соединения при формировании колёсных пар. Автореферат дисс. на соиск. учён, степ. канд. тех. наук. СПб, 2002.

67. Hetler W. Zur Entwicklung und Weiterentwicklung der Gute und Gebrauch-seigenschaften heafitiger Schienenstahle. ERT, n 1, s. 71 78.

68. Kalinski W. Okreslenie naprqzeri wlasnych w zestawach kolejowych. Praca doktorska. Politechnika Slq,ska w Gliwicach, 1979.

69. Давалян С. А. Аналитическое определение напряжений в диске цельнокатаного колеса. Вестник ВНИИЖТа, 1960, №3, с. 36 40.

70. Байляр П. П. Некоторые замечания о влиянии остаточных напряжений на хрупкое, пластическое и усталостное поведение конструкций. Сб. Остаточные напряжения под ред. Осгуда В. Г., М., 1957, с. 147 160.

71. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979, 388 с.

72. Ефимов Ю. Н., Сапожников JI. Б., Троицкий А. П. Реализация метода конечных элементов на ЭВМ для решения плоской задачи теории упругости // Известия ВНИИГ, 1970, т. 93, с. 17 46.

73. Розин JI. А. Метод конечных элементов. JL: Энергия, 1971, 214 с.

74. Есаулов В. П., Сладковский А. В. Применение полуаналитическогоi

75. МКЭ к расчёту тел вращения под действием несимметрической нагрузки. Деп. в Укр. ЦИНТИ 02.01.89 №14 - 4к89, 18 с.

76. Галлагер Р. Метод конечных элементов. М.: Мир, 1984, 428 с.

77. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.

78. Сколотнева Н. Ю. Повышение усталостной прочности цельнокатаных колёс технологическими методами при ремонте. Дисс. на соиск. учён, степ. канд. тех. наук. СПб, 1996.

79. Иванов И. А., Кононов Д. П., Урушев С. В., Шадрина Н. Ю. Способ восстановления работоспособности колёс рельсового транспорта. Заявка на патент №2002117541 от 01.07.02.

80. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение. 1980.-493 с.

81. Гуляев А. П. Металловедение. 5-е изд. М., Металлургия, 1977, 664 с.

82. Сухов А. В. Оптимизация технологии изготовления вагонных колёс с повышенной твёрдостью обода. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. Москва, 2001.

83. Стоун Д. X. Дефекты колёс из-за нагрева при торможении // VI11 Международный конгресс по колёсным парам. — Мадрид, 1985.

84. Равенс П., Готье П. Цельнокатаные поверхностно-закалённые колёса из углеродистой стали // Ежем. Бюлл. Международн. ассоц. ж.-д. конгрессов. 1963. -№12. -с. 12- 86.

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

86. Влияние средней температуры контакта при резании на основные характеристики качества поверхностного слоя/ А. Д. Макаров, В. В. Кривошеее, В. М. Колченко и др.// В кн. Теплофизика технологических процессов. Куйбышев: Книжное изд-во, 1970. С. 270 277.

87. Макаров А. Д., Мухин В. С., Кашуров В. М. Наклёп при чистовом точении жаропрочных сплавов// В кн.: Резание и инструмент. Харьков: Изд-во Харьковского ун-та, 1973. Вып. 8. С. 21 26.

88. Тонаторов Н. А. Влияние некоторых технологических факторов на выбор оптимальных режимов резания// В кн. Высокопроизводительное резание в машиностроении. М.: Наука, 1966. С. 63 71.

89. Безъязычный В. Ф. Назначение режимов резания по заданным параметрам качества поверхностного слоя. Учебное пособие, Ярославль, 1978.

90. Безъязычный В. Ф., Шарова Т. В., Мищенко Л. А. Расчёт режимов резания в курсовом и дипломном проектировании с использованием электронно-вычислительных машин/ Учебное пособие. Ярославль: ЯПИ, 1983, 88 с.

91. Безъязычный В. Ф. Теоретические основы для автоматизации расчёта режимов резания, обеспечивающих заданные требования к детали// Оптимизация операций механической обработки: Сб. научных трудов. Ярославль: ЯПИ, 1984, с. 15-23.

92. Безъязычный В. Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин// Приложение. Справочник. Инженерный журнал, №4, 2001, с. 9 — 14.

93. Силин С. С. К вопросу теоретического обоснования автоматизации производственных процессов механической обработки по температуре// Автоматическое регулирование процессов резания по температуре: Сб. научных трудов ЯПИ, РАТИ. Ярославль, 1976, с. 5 11.

94. Силин С. С. Метод подобия при резании металлов. М.: Машиностроение, 1979.152 с.

95. Коротин Б. С. Влияние температуры резания на образование остаточных напряжений при механической обработке// Производительность и качество при обработке жаропрочных и титановых сплавов: Сб. научных трудов КУАИ. Куйбышев, 1967. Вып. XXV, с. 94 98.

96. Маталин А. А. Технологические методы повышения долговечности деталей машин. Киев: Техника, 1971.

97. Подзей А. В. Технологические остаточные напряжения. М.: Машиностроение, 1973.

98. Якобсон Н. О. Шероховатость, наклёп и остаточные напряжения при механической обработке. М.: Машгиз, 1956. 232 с.

99. Шубин А. А. Оптимизация процесса восстановления профиля поверхности катания вагонных колёсных пар. Дисс. на соискание уч. степени канд. тех. наук. JL, 1986.

100. Васильев Д. Т. Влияние вибраций на стойкость режущего инструмента при резании металлов// Исследование колебаний металлорежущих станков при резании металлов: Сб. научных трудов. М.: Машгиз, 1957, с. 246 250.

101. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. JL: Машиностроение, 1986, 174 с.

102. Шарова Т. В. Разработка теоретического метода определения остаточных напряжений при точении сталей и сплавов с учётом температурного и силового факторов. Автореферат дисс. на соискание уч. степени канд. тех. наук, Уфа, 1976, 24 с.

103. Сулима А. М., Шулов В. А., Ягодкин Ю. Д. Поверхностный слой и эксплуатационные свойства деталей машин. М.: Машиностроение, 1988. 231 с.

104. Рудницкий И. М. К оценке влияния остаточных напряжений и упрочнения поверхностного слоя на усталостную прочность деталей// Проблемы прочности. 1981. №10, с. 27 — 33.

105. Школьник JI. М., Кудрявцев Н. Н., Сунгуров А. С., Староселецкий М. И., Прохоренко И. М., Чуприна JI. В. Оценка эффективности упрочнения вагонных колёс по испытаниям эксплуатационным блок-программным нагружением. Вестник ВНИИЖТа, 1988, №2, с. 32 36.

106. Фролов Ф. Колёса диктуют вагонные// Российская газета. — 12.03.03. — №45 (3159).