Регистрация / Вход
Прислать материал

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

Номер контракта: 14.581.21.0009

Руководитель: Никулин Сергей Анатольевич

Должность: зав.кафедрой

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
безопасность, ответственный элемент подвижного состава, боковая рама тележки, термическое упрочнение, эксплуатационный ресурс, наработка на отказ, концентратор напряжения, сопротивление разрушению, напряженно-деформированное состояние, акустическая эмиссия, усталостная долговечность

Цель проекта:
Проект направлен на повышение безопасности движения грузового подвижного состава, а именно на решение проблемы разрушения боковых рам тележек грузовых вагонов в эксплуатации, приводящего к сходу вагонов с рельсов и крушениям поездов, ведущих к значительным экономическими потерям и человеческим жертвам. Целью выполнения ПНИЭР является создание научно-технологических основ упрочняющей обработки ответственных элементов подвижного состава на примере боковых рам тележек грузовых вагонов, обеспечивающих продление срока службы и повышение межремонтного ресурса в 2 раза за счет повышения усталостной долговечности и снижения хрупкого разрушения до 50% при незначительном (менее 10%) повышении их стоимости, а также существенное повышение безопасности железнодорожного транспорта России путем уменьшения числа аварийных ситуаций с изломами боковых рам в эксплуатации, сопровождающихся сходом вагонов с рельсов.

Основные планируемые результаты проекта:
К основным, наиболее значимым результатам проекта относятся:
Экспериментальные образцы исследуемого материала: экспериментальные образцы цельных боковых рам, фрагментов боковых рам, и образцы вырезанные из фрагментов боковых рам упрочненные методом объемно поверхностной закалки; Методики исследований: методика анализа напряженно-деформированного состояния боковых рам с помощью рентгеновского излучения и расчета; методика исследований по оценке влияния термического упрочнения на чувствительность боковых рам к концентраторам напряжений, циклическую долговечность, статическую прочность и несущую способность; методики определения сопротивления разрушению, диагностики состояния боковых рам до и после эксплуатации и в процессе ускоренных предсертификационных испытаний с помощью высокочувствительного метода измерения акустической эмиссии (АЭ); методики статических, циклических и динамических стендовых испытаний экспериментальных образцов фрагментов боковых рам; методика 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 объемно-поверхностной закалки с измерением АЭ в процессе испытаний в составе грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» до наработки ресурса, эквивалентного 500,0 тыс. км пробега; комплексная методика оценки качества боковых рам после операции термического упрочнения.
Экспериментальные образцы (макеты): макеты закалочных устройств для отработки режима термического упрочнения фрагментов боковых рам методом объемно-поверхностной закалки и соответствующая эскизная конструкторская документация; лабораторная установка для термического упрочнения цельных боковых рам методом объемно-поверхностной закалки и соответствующая эскизная конструкторская документация; измерительные модули АЭ для лабораторных исследований образцов боковых рам и для мониторинга состояния боковых рам в процессе ускоренных предсертификационных испытаний.
Результаты исследований: модели напряженного состояния рам построенные с помощью с помощью метода конечных элементов и рассчитанные значения напряжений, результаты анализа возможности и условий реализации метода объемно-поверхностной закалки для литых деталей из низкоуглеродистых сталей, результаты комплексного расчета прокаливаемости и минимальной скорости потока воды для закалки; результаты ультразвуковой дефектоскопии рам; результаты комплексных структурных исследований и механических испытаний образцов литого металла экспериментальных плавок до и после термического упрочнения методами объемно-поверхностной закалки; результаты аттестации боковых рам по химическому составу, структуре и механическим свойствам на изготовленных образцах; режимы термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки фрагментов и цельных боковых рам; результаты лабораторных исследований и стендовых испытаний фрагментов боковых рам (экспериментальных образцов) после термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки и нормализации новых и после ремонта с заваркой; результаты экспериментальных исследований состояния боковых рам до и после эксплуатации, а также в процессе ускоренных предсертификационных испытаний, полученные с помощью метода АЭ; результаты лабораторных и стендовых циклических испытаний боковых рам после термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки и нормализованных, после ремонта с заваркой и новых; результаты исследований чувствительности образцов боковых рам к концентраторам напряжений и определения живучести экспериментальных образцов боковых рам; результаты ускоренных предсертификационных испытаний, термически упрочненных методом объемно-поверхностной закалки 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.
Лабораторная установка для термического упрочнения экспериментальных образцов боковых рам методом объемно-поверхностной закалки будет состоять из печи газового или электрического нагрева, закалочного устройства для термического упрочнения боковых рам, насосной станции для подачи потока воды, трубопровода, контрольно-измерительных приборов для измерения давления, расхода и температуры потока воды.
Основные функциональные характеристики лабораторной установки:
- нагревательная печь: тип печи – проходная, роторная, камерная; рабочая температура печи – 1100 ±30 ОС; тип нагрева – газовый или электрический;
- закалочное устройство: тип охлаждения – поток воды, водяной душ; упрочняемые поверхности боковой рамы – зоны R55 буксового проема;
- насосная станция: тип насосов – электрогидравлический, производительность – от 300 до 500 м3/час.
Основные функции лабораторной установки:
- печной газовый или электрический нагрев боковых рам до температуры 950-970 ОС в течение двух часов;
- индивидуальная выдача боковых рам на закалочную позицию в течение 3 – 5 мин;
- охлаждение быстродвижущимся потоком воды до температуры 100 – 120ОС в течение 3- 5 мин.
Лабораторная установка предназначена для термического упрочнения обеспечивающего следующие характеристики боковых рам новых и после ремонта:
- временное сопротивление металла (в поверхностном слое до 10±2 мм), не менее: 950 ± 10 МПа;
- предел текучести металла (в поверхностном слое до 10±2 мм), не менее: 600 ± 10 МПа;
- относительное удлинение металла (в поверхностном слое до 10±2 мм), не менее: 10±2%;
- ударная вязкость металла при температуре минус 60 ОС (в поверхностном слое до 10±2 мм), не менее: 20±5Дж/см2;
- внутренние остаточные напряжения в упрочненном поверхностном слое: от минус 100 до минус 250 МПа;
- характер внутренних остаточных напряжений: сжатие;
- твердость упрочненной поверхности: 241-311 HB;
- глубина упрочненного слоя, не менее: 8±1 мм;
- величина 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%.
Внедрение новой технологии термического упрочнения боковых рам методом объемно-поверхностной закалки за счет повышения прочностных свойств рам на 25-30 %, предела выносливости на 50%, снижения чувствительности к концентраторам напряжения на 50%, снижения хрупких разрушений в эксплуатации на 30-50% позволит в дальнейшем реализовать производство литых крупногабаритных деталей повышенной прочности и несущей способности для вагонов с увеличенной осевой нагрузкой до 27 и 30 тс на ось.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
При выполнении ПНИЭР будут созданы необходимые и достаточные научно-технологические основы в области термического упрочнения элементов подвижного состава на примере боковых рам тележек грузовых вагонов для последующего создания Индустриальным партнером (ООО «ТВМ») во взаимодействии с НИТУ «МИСиС» новой промышленной технологии термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки боковых рам тележек грузовых вагонов и создания нового вида продукции – термически упрочненных боковых рам тележек грузовых вагонов новых и после ремонта с заваркой дефектов.
В качестве готового продукта в конечном итоге будут выступать промышленная установка термического упрочнения цельных боковых рам быстродвижущимся потоком воды, а также технологические режимы такого упрочнения.
По результатам работ, выполненных в проекте в будущем будет создана новая промышленная технология упрочняющей обработки цельных боковых рам тележек грузовых вагонов на основе объемно-поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды и новая промышленная установка для ее осуществления. С помощью данной технологии и оборудования станет возможным получать новый вид продукции – литые боковые рамы тележек грузовых вагонов термически упрочненные методом объемно-поверхностной закалки (новые и после ремонта с заваркой дефектов). В процессе выполнения работ по проекту будут разработаны новые высокочувствительные методики испытаний и измерительное оборудование для диагностики разрушения цельных боковых рам непосредственно при движении поезда, будут разработаны методики расчета и математического моделирования напряженного и теплового состояния боковых рам с использованием современных программных средств.
Традиционной термической обработкой для боковых рам тележек грузовых вагонов в РФ в настоящее время является нормализация. В некоторых странах за рубежом, например в США, применяется двойная нормализация, которая позволяет достигать более высокого комплекса свойств. Однако длительность полного цикла такой термообообработки достаточно велика и составляет около 10 часов, кроме того, такая термообработка не решает проблем надежности и долговечности боковых рам. Предлагаемая обработка будет являться существенно более эффективной с точки зрения повышения комплекса механических свойств боковых рам по сравнению с обычной и двойной нормализацией, а также с точки зрения длительности цикла термической обработки, который будет существенно короче. Поэтому разрабатываемая технология и оборудование для объемно-поверхностной закалки боковых рам характеризуются новизной мирового уровня.
Заявленные результаты будут достигаться за счет проведения комплекса прикладных научных исследований и экспериментальных разработок, включающих работы по поиску и отработке режимов объемно-поверхностной закалки на фрагментах и цельных боковых рамах, разработке и изготовлению лабораторных установок для объемно-поверхностной закалки фрагментов и цельных боковых рам, разработке методик и проведению комплексных исследований и испытаний фрагментов и цельных боковых рам до и после термического упрочнения, в том числе с использованием высокочувствительных диагностических методик, проведению ускоренных предсертификационных испытаний, упрочненных методом объемно-поверхностной закалки боковых рам в составе грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ».
По завершении проекта планируется выполнение совместно с индустриальным партнером опытно-конструкторских и опытно-технологических работ по дальнейшему доведению созданной лабораторной установки и технологии объемно-поверхностной закалки боковых рам до промышленного внедрения.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Назначением создаваемого нового технологического оборудования и новой технологии объемно-поверхностной закалки является получение нового более высокого качества ответственных изделий - боковых рам тележек грузовых вагонов новых, а также после ремонта, связанного с разделкой и заваркой дефектов. Новая продукция в виде закаленных боковых рам предназначена для эксплуатации в составе тележек грузовых вагонов конструкций 18-100, 18-578, а также других конструкций трехэлементных тележек грузовых вагонов по ГОСТ 9246-2013 на сети железных дорог ОАО «РЖД».
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 других 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.
По завершении работ по проекту Индустриальным партнером (ООО «ТВМ») с Получателем субсидии будет заключен лицензионный договор на использование результатов интеллектуальной деятельности, полученных при выполнении проекта, к которым относятся в первую очередь режимы термического упрочнения цельных боковых рам методом объемно-поверхностной закалки.. Будут проведены необходимые опытно-конструкторские и опытно-технологических работы по созданию промышленной установки и технологии объемно-поверхностной закалки боковых рам. В конечном итоге в производственных условиях ООО «ТВМ» планируется создать промышленную линию по термическому упрочнению методом объемно-поверхностной закалки боковых рам тележек грузовых вагонов.
Разработка и успешное внедрение новой технологии объемно-поверхностной закалки даст толчок развитию методов термического упрочнения крупногабаритных деталей и изделий, применяемых в различных отраслях промышленности, что позволит повысить их эксплуатационные характеристики.
Освоение промышленного производства боковых рам, как новых, так и после ремонта, по новой технологии обеспечит повышение их эксплуатационного ресурса не менее, чем в 2 раза, существенно сократит количество изломов отремонтированных боковых рам в эксплуатации; а так же обеспечит повышение межремонтного эксплуатационного ресурса тележки грузового вагона с 210 тысяч км до 500 тысяч км.
Достижение таких высоких параметров соответствует основным направлениям развития железнодорожного транспорта России в части создания подвижного состава нового поколения с обеспечением технических возможностей роста объемов грузоперевозок при одновременном снижении воздействия на путь, уменьшении затрат на текущее содержание и повышении безопасности движения за счет предотвращения сходов и крушений по причинам излома деталей тележек вагонов.
Таким образом, промышленная реализация результатов ПНИЭР и последующего ОКР обеспечит российский железнодорожный транспорт боковыми рамами тележек грузовых вагонов высокого качества и создаст условия для дальнейшего развития отечественного вагоностроения с обеспечением его деталями и комплектующими, соответствующими требованиям по эксплуатационной нагруженности перспективного подвижного состава.
Результаты разработки и испытаний новой технологии объемно-поверхностной закалки и боковых рам упрочненных с помощью нее будут доложены на российских и зарубежных конференциях в области материаловедения и транспортного машиностроения. Научные статьи, содержащие результаты исследований будут опубликованы в ведущих научных журналах. Это откроет новые возможности для международного сотрудничества по данному научному направлению и позволит популяризировать полученные результаты на российском и международном уровне, а также выходить на зарубежные рынки машиностроения с разработанной промышленной технологией объемно-поверхностной закалки.

Текущие результаты проекта:
Изготовлены образцы боковых рам тележек вагонов, проведены ультразвуковые исследования дефектов в образцах. Изготовлены образцы фрагментов рам и образцы из фрагментов. Рамы аттестованы по составу, структуре и механическим свойствам. Отработаны режимы термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки на фрагментах рам. Разработаны и опробованы методики и проведены статические, циклические и динамические стендовые испытания фрагментов рам, в том числе с измерением акустической эмиссии (АЭ). Проведено термическое упрочнение фрагментов рам. Проведены исследования структуры и механических свойств фрагментов и образцов из фрагментов после термического упрочнения. Исследовано состояние фрагментов рам методом АЭ до и после упрочнения. Разработана комплексная методика и проведен расчет и верификация внутренних напряжений в упрочненном сечении рамы. Проведена корректировка режима и дополнительное термическое упрочнение фрагментов рам и их лабораторные и стендовые испытания. Разработано техническое задание на разработку технологических схем и режимов термического упрочнения боковых рам и оборудования для ее реализации.
Изготовлена лабораторная установка для термического упрочнения боковых рам методом объемно-поверхностной закалки и разработана соответствующая эскизная конструкторская документация, проведена технологическая подготовка участка для работы установки. Разработаны методики и аппаратура измерения АЭ для мониторинга состояния боковых рам в процессе ускоренных предсертификационных испытаний. Проведена технологическая подготовка участков для проведения комплексных исследований боковых рам.