Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технологических основ упрочнения и продления срока службы ответственных элементов подвижного состава для обеспечения безопасности российских железных дорог

Докладчик: Никулин Сергей Анатольевич

Должность: Проф., заведующий кафедрой металловедения и физики прочности, НИТУ "МИСиС"., заведующий каф. МиФП

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение проблемы аварийных ситуаций на железнодорожном транспорте, связанных с разрушением боковых рам тележек грузовых вагонов при эксплуатации, сопровождающихся сходом грузовых вагонов с рельсов. В проекте предлагается и разрабатывается технология специальной упрочняющей термической обработки боковых рам позволяющая повысить комплекс их механических свойств и сопротивление разрушению, что приведет к увеличению их эксплуатационных характеристик и повышению безопасности российских железных дорог. 2. Целью выполнения ПНИЭР является создание научно-технологических основ упрочняющей обработки ответственных элементов подвижного состава (на примере боковых рам тележек грузовых вагонов), обеспечивающей продление срока службы и увеличение межремонтного ресурса в 2 раза за счет повышения усталостной долговечности и снижения хрупкого разрушения до 50% при незначительном (менее 10%) повышении их стоимости, для обеспечения повышения безопасности железнодорожного транспорта России. При выполнении ПНИЭР будет создан научно-технологический задел в области термического упрочнения элементов подвижного состава на примере боковых рам тележек грузовых вагонов для последующего создания Индустриальным партнером (Общество с ограниченной ответственностью «Трансвагонмаш») во взаимодействии с НИТУ «МИСиС» новой промышленной технологии термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки (ОПЗ) боковых рам тележек грузовых вагонов и создания нового вида продукции – термически упрочненных боковых рам тележек грузовых вагонов новых и после ремонта с заваркой дефектов.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Методики комплексных системных испытаний и исследований по оценке влияния термического упрочнения методом ОПЗ на чувствительность боковых рам к концентраторам напряжений, циклическую долговечность, статическую прочность и несущую способность; анализа напряженно-деформированного состояния боковых рам с помощью рентгеновского излучения; определения сопротивления разрушению с помощью высокочувствительного метода измерения акустической эмиссии (АЭ) и лабораторной АЭ-диагностики состояния боковых рам до и после эксплуатации. Методики механических испытаний экспериментальных образцов фрагментов боковых рам; проведения сравнительных исследований чувствительности экспериментальных образцов боковых рам к концентраторам напряжения и оценки их живучести. Методика проведения ускоренных предсертификационных испытаний экспериментальных образцов боковых рам, термически упрочненных методом ОПЗ с АЭ - мониторингом в процессе испытаний в составе грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ».
Математическая модель напряженного состояния боковых рам в эксплуатации с учетом наличия концентраторов напряжений. Результаты анализа повреждаемости в эксплуатации боковых рам тележек грузовых вагонов и определение доминирующих факторов, ограничивающих срок службы (эксплуатационный ресурс).
Результаты анализа возможности и условия реализации метода ОПЗ для литых деталей из низкоуглеродистых сталей. Результаты комплексных структурных исследований и механических испытаний образцов литого металла экспериментальных плавок до и после термического упрочнения методами ОПЗ. Влияние содержания химических элементов в пределах марочного состава стали 20ГЛ на эффект объемно-поверхностной закалки.
Режимы термического упрочнения фрагментов боковых рам методом ОПЗ. Результаты лабораторных стендовых исследований и механических испытаний фрагментов боковых рам после термического упрочнения методом ОПЗ и нормализации новых и после ремонта. Результаты исследования состояния фрагментов боковых рам методом АЭ до и после термического упрочнения. Результаты совместного анализа диаграмм деформации, АЭ и характера изломов.
Результаты сравнительных экспериментальных исследований чувствительности образцов боковых рам двух вариантов к концентраторам напряжений, определения живучести и испытаний на трещиностойкость образцов боковых рам. Результаты исследования механических напряжений в рамах рентгеновским методом.
Результаты ускоренных предсертификационных испытаний, термически упрочненных методом ОПЗ боковых рам в составе грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» до пробега, эквивалентного 500 тыс. км, в том числе с АЭ-мониторингом состояния боковых рам. Результаты измерений АЭ в процессе разработки и опробования предсертификационных испытаний боковых рам. Результаты экспериментальных исследований состояния боковых рам после ускоренных предсертификационных испытаний.
Эскизные конструкторские документы на закалочные устройства для оснащения лаборатории по отработке технологических параметров ОПЗ на фрагментах боковых рам. ТЗ на разработку технологических схем и режимов термического упрочнения боковых рам методом ОПЗ и оборудование для ее реализации, в том числе для ремонтного варианта упрочнения боковых рам после разделки и заварки металлургических дефектов. Эскизные конструкторские документы на изготовление лабораторной установки для термической обработки боковых рам методом ОПЗ. Проект ТУ на боковые рамы тележек грузовых вагонов, термически упрочненных методом ОПЗ. Проект ТУ на оборудование для термического упрочнения боковых рам методом ОПЗ после ремонта. Предварительный проект технологического процесса термического упрочнения боковых рам после ремонта. Проект ТЗ на ОКР по созданию опытно-промышленной линии и технологических режимов термического упрочнения боковых рам тележек вагонов.
Макеты закалочных устройств для отработки режима термического упрочнения фрагментов боковых рам методом ОПЗ. Измерительные модули АЭ для лабораторных исследований образцов боковых рам и мониторинга состояния боковых рам в процессе ускоренных предсертификационных испытаний. Лабораторная установка для термического упрочнения боковых рам методом объемно-поверхностной закалки.
2. Планируемые к получению результаты проекта должны сформировать необходимые и достаточные основы для разработки и внедрения промышленной технологии термического упрочнения боковых рам методом ОПЗ.
Разрабатываемые лабораторное оборудование и технологические режимы для упрочнения боковых рам методом ОПЗ обеспечат получение следующих характеристик боковых рам (новых и после ремонта):
- повышение временного сопротивления металла (в поверхностном слое до 10±2 мм) в 2 раза;
- повышение предела текучести металла (в поверхностном слое до 10±2 мм), в 1,5 раза;
- сохранение относительного удлинения металла (в поверхностном слое до 10±2 мм), не менее: 10±2%;
- обеспечение ударной вязкости металла (в поверхностном слое до 10±2 мм) при температуре минус 60 ОС на уровне не менее: 20±5Дж/см2;
- создание внутренних сжимающих остаточных напряжений в упрочненном поверхностном слое вместо растягивающих напряжений;
- повышение твердости упрочненной поверхности в 1,5-2,0 раза;
- обеспечение глубины упрочненного слоя, не менее 8±1 мм;
- обеспечение величины коэффициента запаса сопротивления усталости, не менее: 2,0±0,2
- увеличение предела выносливости по сравнению с базовым вариантом при вероятности неразрушения 0,95 при базовом количестве циклов нагружения 107, не менее 20±2%.
3. В работе впервые реализован комплексный подход к вопросам исследования влияния термической обработки на свойства литых боковых рам, определяющие их эксплуатационный ресурс, который предусматривает: расчетные и теоретические исследования напряженного состояния боковых рам и его моделирование; контроль состояния боковых рам до и после ОПЗ в процессе испытаний с использованием акустико-эмиссионного анализа и рентгеновской дифрактометрии.
Конструкция макетов закалочных устройств предусматривает оригинальную схему подачи закалочной среды в виде быстродвижущегося потока воды на упрочняемые поверхности боковой рамы.
Впервые показана возможность получения после обработки методом ОПЗ градиента свойств и создания твердой, упрочненной, износостойкой поверхности и вязкой, но упрочненной сердцевины в стенке упрочняемой боковой рамы из стали 20ГЛ толщиной 20 мм. В поверхностных слоях материала формируются внутренние остаточные сжимающие напряжения.
4. Предлагаемый для разработки и реализации упрочнения боковых рам способ ОПЗ является новой отечественной разработкой, не имеющей зарубежных аналогов. За рубежом применяют другие технические решения при изготовлении боковых рам тележек в виде штампосварных конструкций и полимерных материалов. Данные технологии не позволяют реализовывать принцип создания внутренних остаточных сжимающих напряжений в упрочненном поверхностном слое наиболее нагруженных зон боковых рам. Используемая, к примеру в США, методология оценки сопротивления боковых рам усталостным нагрузкам не предусматривает длительных испытаний на базе 107 циклов. Решение поставленных задач повышения долговечности боковых рам и уменьшения количества их хрупких изломов актуально для производства, ремонта и эксплуатации грузовых железнодорожных вагонов в Российской Федерации.
5. Получение заявленных результатов будет достигнуто путем:
- Определения доминирующих факторов, ограничивающих срок службы боковых рам в эксплуатации;
- Оценки напряженного состояния боковых рам в процессе эксплуатации во всем объеме детали с определением критических для образования и развития трещин зон и определение потенциальных возможностей применяемого для серийного производства материала удовлетворять существующим и перспективным требованиям эксплуатации;
- Обоснования технологического принципа создания контролируемой эпюры внутренних остаточных напряжений сжатия в критических зонах рам, как наиболее технически и экономически эффективного в части снижения чувствительности к концентраторам напряжения, повышения статической прочности и циклической долговечности;
- Определения химического состава стали для производства боковых рам, в наибольшей степени обеспечивающего эффект упрочнения от применения ОПЗ;
- Разработки набора методик исследований боковых рам и оценки их прочностного, напряженного, структурного состояния в процессе статических, динамических, циклических и ресурсных испытаний с применением методов акустической эмиссии, рентгеновского измерения внутренних напряжений, масс-спектрального анализа, фрактографических и электронномикроскопических исследований, ультразвуковой дефектоскопии;
- Разработки технологических схем и режимов термического упрочнения боковых рам методом объемно-поверхностной закалки, обеспечивающих заданный комплекс требований к рамам;
- Разработки закалочных устройств, лабораторной установки, средств неразрушающего АЭ-контроля для отработки технологических режимов упрочнения боковых рам методом объемно-поверхностной закалки и контроля за состоянием рам в процессе ускоренных предсертификационных испытаний;
- Подтверждения в эксплуатационных испытаниях возможности обеспечения эксплуатационного ресурса 500 тысяч км пробега и заявленных показателей свойств боковых рам путем применения технологии объемно-поверхностной закалки;
- Обеспечения проведения комплекса подготовительных мероприятий и обоснование перспектив для промышленно-коммерческой реализации результатов ПНИЭР Индустриальным партнером совместно с НИТУ «МИСиС»;
- Разработки требований к технологии, технологическому оборудованию для ее реализации, технико-экономическим и организационным условиям ее реализации, необходимым и достаточным для внедрения новой технологии и освоения выпуска инновационной продукции в течение трех лет Индустриальным партнером.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Планируемые результаты могут быть применены в области вагоностроения для упрочнения новых боковых рам, а так же на вагоноремонтных предприятиях для упрочнения и продления срока службы боковых рам после ремонта с наплавкой. Разработанные принципы упрочнения металлопродукции методом ОПЗ могут быть применены также при производстве массовых видов продукции для железнодорожного транспорта (литых деталей тележек, пружин рессорного подвешивания, упругих элементов скрепления верхнего строения пути, подкладок рельсовых скреплений), а также в автомобилестроении, кораблестроении, двигателестроении и других высокотехнологичных отраслях промышленности, где применяются технологии термического упрочнения для низкоуглеродистых, углеродистых и низколегированных сталей.
2. Результаты ПНИЭР послужат основой для последующего создания Индустриальным партнером (ООО «ТВМ») новой промышленной технологии термического упрочнения методом ОПЗ боковых рам тележек грузовых вагонов и создания нового вида продукции – термически упрочненных боковых рам тележек грузовых вагонов новых и после ремонта с заваркой дефектов.
Основные этапы практического внедрения включают в себя: разработку и согласование с причастными организациями ТУ на боковые рамы тележек вагонов, термически упрочненные ОПЗ, и оборудование для реализации данной технологии, технологического процесса упрочнения; выпуск полного комплекта рабочей конструкторской и технологической документации на боковые рамы, технологию и оборудование для их термического упрочнения; проведение приемочных испытаний и определение объема установочной серии; присвоение литеры О1 конструкторской и технологической документации; отработку конструкции на технологичность с учетом стандартов ЕСТД; Утверждение КД и ТД с присвоением литеры А.
3. Внедрение новой технологии упрочнения боковых рам фактически будет способствовать созданию нового рыночного сегмента: боковых рам после ремонта с повышенным эксплуатационным ресурсом, а также ускорит процессы освоения выпуска и эксплуатации вагонов с повышенной осевой нагрузкой.
Исследования и реализация процесса ОПЗ применительно к боковым рамам тележек грузовых вагонов создадут предпосылки к развитию научно-технологического направления упрочнения массовых видов металлопродукции по технологии ОПЗ с обеспечением продления эксплуатационного ресурса без значительного увеличения стоимости и отказа от использования дорогостоящих легирующих элементов.


Текущие результаты проекта:
Результаты анализа повреждаемости боковых рам в эксплуатации, исследование характерных видов дефектов литых боковых рам и причин их образования, позволил определить доминирующие факторы, ограничивающие срок службы литых деталей в эксплуатации.
Проведены исследования напряженного состояния с определением критических зон боковых рам с повышенным риском изломов;
Проведен расчет прокаливаемости стали 20ГЛ методом решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье и методом коэффициентов множителей в соответствии со стандартами ГОСТ 5657-78 "Метод испытания на прокаливаемость" и SAE J406 (США). Результаты расчета позволили определить минимальную скорость потока воды, достаточную для закалки стали 20ГЛ на максимальную твердость, что необходимо для разработки требований к оборудованию для оснащения термической лаборатории.
Отработаны технологические параметры закалочного охлаждения на фрагментах боковых рам с использованием специальных закалочных устройств; установлены зависимости между значениями эффективного коэффициента теплоотдачи и скоростью потока воды.
Разработаны и опробованы методики, предусматривающие применение различных видов диагностики литых деталей (рентгеновской, тензометрической, акустико-эмиссионной) для оценки состояния боковых рам и их фрагментов в условиях лаборатории и при ускоренных предсертификационных испытаниях.
Проведены исследовательские испытания по оценке получения наиболее полного комплекса результатов, характеризующих физико-механические свойств рам, микроструктуру, остаточное напряженное состояние, напряженное состояния при воздействии статической, динамической (при отрицательной температуре) и циклической нагрузок.
Получены результаты моделирования напряженного состояния боковых рам в том числе с концентраторами напряжений.
Разработана программа и методики комплексных системных исследований и испытаний материала боковых рам и их фрагментов по определению механических свойств, ударной вязкости, микроструктуры, внутренних остаточных напряжений, чувствительности к концентраторам напряжений, статической прочности и несущей способности, динамической прочности при отрицательной температуре, циклической долговечности фрагментов боковых рам Изготовлены образцы и проведено опробование методик.
Получены закономерности изменения структуры и свойств литых деталей при изменении режимов ОПЗ и повышения прочностных свойств и циклической долговечности по сравнению с нормализованным состоянием.
Разработано техническое задание и эскизные конструкторские документы для оснащения термической лаборатории. Проведена технологическая подготовка участка термической обработки на ОАО «ЛЛМЗ», изготовлено специальное оборудование и оснащен опытный участок для проведения экспериментов по упрочнению боковых рам.