При эксплуатации железнодорожной техники в условиях аномально низких климатических температур существенно падают показатели безопасности и экономической эффективности и, как правило, растет ресурсо- и энергоемкость перевозок. Особенную актуальность данная проблема приобретает с учетом строительства новых участков железной дороги и повышения грузооборота. Одним из наиболее ответственных узлов железнодорожной техники являются колесо и рельс. Их долговечность и надежность существенно влияют на эксплуатационные расходы, а разрушения недопустимы, так как создают непосредственную угрозу безопасности движения.
Объектом исследований, выполненных в данной работе, является материал бандажа локомотивного колеса, который выработал свой ресурс при эксплуатации в условиях Крайнего Севера.
В результате проведенных исследований повреждаемости бандажей локомотивных колес установлено преобладание повреждений контактно-усталостного характера, таких как выщербины, выкрашивания, раковины на поверхностной части данного узла [2]. Такие дефекты на поверхности катания могут развиться от поверхности вглубь металла, тем самым спровоцировать выход детали из строя, при неблагоприятных обстоятельствах приводящий к аварии или крушению поезда. Также из-за частых случаев образования таких дефектов снижается ресурс детали, повышаются экономические расходы. Как показали испытания, описанные в работе [3], механические свойства материала бандажа локомотивного колеса при низких температурах ухудшаются. Предел текучести повышается, а относительное удлинение существенно падает, происходит потеря пластичности – охрупчивание материала. Также от контакта с рельсом на поверхности катания образуется слой наклепанного (поврежденного пластически деформированного) материала глубиной 3–4 мм.
Материал и методы исследования
В процессе эксплуатации бандаж локомотивного колеса подвергается как механическим усталостным, так и ударным (динамическим) нагрузкам от рельсовых стыков и неровностей самой поверхности катания. Таким образом, возникает необходимость определения сопротивления материала действию таких ударных нагрузок и количественного расчета накапливаемых в нем повреждений. Одним из распространенных методов оценки сопротивления материала действию ударных нагрузок являются испытания на ударный изгиб [4]. Поскольку бандаж локомотивного колеса эксплуатируется в широком диапазоне рабочих температур, то принципиальным является исследование ударной вязкости материала бандажа как при положительных (20 °С), так и при отрицательных температурах (–20 °С, –40 °С, –60 °С).
Результаты испытаний на ударную вязкость
|
Т, °С |
KCV, Дж/см2 |
|
–60 |
0,70 |
|
0,58 |
|
|
0,74 |
|
|
0,51 |
|
|
0,67 |
|
|
Среднее значение |
0,62 |
|
–40 |
0,71 |
|
0,54 |
|
|
0,96 |
|
|
Среднее значение |
0,73 |
|
–20 |
1,33 |
|
1,37 |
|
|
1,38 |
|
|
Среднее значение |
1,36 |
|
20 |
2,29 |
|
1,75 |
|
|
1,69 |
|
|
1,72 |
|
|
1,64 |
|
|
Среднее значение |
1,82 |
Результаты испытаний представлены в таблице. Значение ударной вязкости материала бандажа при температуре испытаний –60 °С падает в три раза. Таким образом, несмотря на высокие показатели прочности, материал при низкой температуре становится существенно хрупким, тем самым снижается его сопротивление действию ударных нагрузок.
С другой стороны, уже при температуре –40 °С наблюдается наибольший разброс величин ударной вязкости, что, собственно, и характеризует момент перехода в хрупкое состояние. Таким образом, ударные воздействия, производимые на бандаж локомотивного колеса при рабочей температуре близкой к –40 °С и ниже, будут приводить к сильной локализации пластических деформаций и образованию микро- и макротрещин по механизму откола или отслаивания. Процесс накопления повреждений будет проходить в ускоренном режиме и приводить к снижению общего ресурса локомотивных колес.
Экспериментальное определение характеристик долговечности бандажа локомотивного колеса является достаточно сложной задачей. При определении поврежденности бандажа локомотивного колеса с учетом различных условий эксплуатации существует ряд трудностей и поэтому возникает необходимость различного рода упрощений и схематизации реального процесса нагружения.
Процесс эксплуатации элементов железнодорожной техники, в частности бандажа локомотивного колеса, состоит из повторяющихся циклов нагружения. В данной работе рассчитано количество циклов до разрушения (образования недопустимого выкрашивания или откола на поверхности катания). Используя зависимость, полученную в работе [6], и ранее определенные механические характеристики материала бандажа локомотивного колеса [3], вычислено количество циклов до разрушения:
(1)
где τDV – эквивалентное напряжение, по критерию Данг Вана [7].
Круговой контакт при максимальном давлении p0 = 1000 МПа содержит точку с наибольшими касательными напряжениями τmax, равными 0,32p0, которая располагается на оси z, проходящей от центра контактного пятна на глубине 0,5a, где a – радиус пятна контакта [1]. Нормальные напряжения в ней равны σх = σy = –0,18р0, σz = –0,8p0.
Подставляя полученные величины в уравнение для эквивалентного напряжения [6], получим:
(2)
Согласно (2) в условиях низких климатических температур для данной стали цикл будет являться повреждающим, только если эквивалентные касательные напряжения превысят значение 77,6 МПа. Число циклов до разрушения N согласно (1): N = 3,88∙106. Таким образом, материал бандажа локомотивного колеса накапливает усталостные повреждения, сочетающиеся с малоцикловыми ударно-контактными, что наряду с воздействием низких климатических температур обуславливает его ранний выход из строя.
В связи с тем что перепады температуры окружающей среды в условиях Крайнего Севера составляют более 70 °С, необходимо сопоставить значения ударной вязкости, полученные в результате вышеописанных испытаний на ударный изгиб с данными по температуре.
Согласно данным метеослужбы Республики Саха (Якутия) перепады температуры окружающей среды составляют более 70 °С. Сопоставляя значения ударной вязкости, полученные в результате вышеописанных испытаний на ударный изгиб с данными по температуре, получаем, что в зимнее время материал бандажа локомотивного колеса подвергается большим температурным напряжениям.
На рис. 2 представлена экспериментальная зависимость ударной вязкости и кривая после сплайновой аппроксимации. Резкое снижение данной характеристики в диапазоне температур –45...–35 °С свидетельствует о низкой сопротивляемости отрыву при динамических воздействиях. В таких условиях будет происходить накопление повреждений по механизму образования и роста пор и микротрещин, ведущее к разрушению [5].
Рис. 1. Средние значения температуры окружающей среды по шкале Цельсия в г. Томмот, Республика Саха (Якутия)
Рис. 2. Сплайн интерполяция зависимости значения ударной вязкости от температуры
Результаты исследования и их обсуждение
Ударная нагрузка значительно ухудшает условия работы бандажа локомотивного колеса и приводит к возникновению ряда опасных повреждений. Помимо усталости металла, такие неблагоприятные условия эксплуатации могут явиться причиной разрушения бандажа колеса и привести к крушению подвижного состава. Учитывая, что средняя длина одного рельса в пути составляет ~20 м, количество циклов до разрушения при воздействии ударного нагружения составит 6⋅105, что соответствует малоцикловому повреждению.
На основе проведенных в данной статье экспериментальных и расчетных исследований предложена инженерная методика оценки ресурса для бандажа локомотивного колеса по следующей схеме (рис. 3):
1) с использованием функции (1) вычисляется общее количество циклов до разрушения;
2) из рассчитанного ранее общего числа циклов определяется пробег до образования на поверхности дефекта недопустимого размера, согласно формуле (3);
3) используя функцию (4), рассчитывается общее количество обточек, произведенных по причине образования дефекта недопустимых размеров;
4) расчет ресурса бандажа локомотивного колеса осуществляется по формуле (5).
Рис. 3. Алгоритм расчета ресурса бандажа локомотивного колеса
Посредством предложенной в данной статье методики оценки поврежденности и ресурса бандажа локомотивного колеса произведен расчет ресурса реального узла, эксплуатируемого на железной дороге Республики Саха (Якутия). В соответствии с приведенной схемой определено, что:
1. Расчетная сумма количества циклов N от усталостного и квазистатического ударного нагружения составляет 4,48∙106.
2. Исходя из расчетного количества циклов, пробег L до образования на поверхности катания бандажа локомотивного колеса будет равным 14785 км.
3. Число обточек бандажей за весь срок его службы n по формуле (4), где полезная толщина нового бандажа S при расчетах принимается равным 40 мм, а глубина слоя металла, снимаемого при обточке по причине недопустимого повреждения, Δ = 4,8 мм, составит n = 8,33, т.е. всего 8 технологических ремонтных обточек;
4. При выполнении условий по данной схеме определяется ресурс (срок службы) бандажа локомотивного колеса, равный соответственно (5) Т = 123 159 км.
Выводы
Разработанная методика расчета ресурса бандажа локомотивного колеса позволяет определить пробег до момента образования поверхностного повреждения браковочного размера. Вычисленный пробег для материала бандажа колеса, эксплуатируемого на участке железной дороги Алдан‒Томмот в условиях низких климатических температур, оказался равен 123 159 км, что в 2–3 раза меньше, чем фиксируемый пробег бандажа в регионах с умеренным климатом, и в 4–5 раз – гарантированного заводского пробега для нового бандажа.
Таким образом, обоснованная экспериментальными исследованиями расчетная методика определения ресурса бандажа позволяет спрогнозировать остаточный ресурс такого наиболее важного с точки зрения безопасности движения элементов железнодорожной техники, как локомотивное колесо и колесная пара локомотива в целом.
Следует подчеркнуть, что в современной перспективе развития транспорта на Дальнем Востоке и в Сибири, в арктической зоне работы в области прогнозирования жизненного цикла локомотивных колес в экстремальных климатических условиях позволяют значительно повысить показатели безопасности и экономической эффективности таких проектов за счет уменьшения расходов, связанных с возрастанием риска отказов, и в целом снижают угрозу безопасности движения.
Рецензенты:Бондарев Э.А., д.т.н., профессор, зам. директора по научной работе, Институт проблем нефти и газа СО РАН, г. Якутск;
Левин А.И., д.т.н., зав. сектором ритмологии отдела РЭСТ Якутского научного центра СО РАН, г. Якутск.
Работа поступила в редакцию 26.02.2014.