Регистрация / Вход
Прислать материал

14.581.21.0009

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.581.21.0009
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Разработка научно-технологических основ упрочнения и продления срока службы ответственных элементов подвижного состава для обеспечения безопасности российских железных дорог
Докладчик
Никулин Сергей Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель проекта: 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 задачи проекта:
- Разработка режимов термического упрочнения методом объемно-поверхностной закалки (ОПЗ) боковых рам тележек грузовых вагонов, обеспечивающих создание внутренних сжимающих напряжений и повышение усталостной прочности;
- Разработка и изготовление лабораторной установки для термического упрочнения боковых рам тележек грузовых вагонов методом ОПЗ с использованием охлаждения быстродвижущимся потоком воды;
- Разработка комплекса специальных методик и аппаратуры и проведение исследований и испытаний по изучению влияния ОПЗ на структуру и свойства боковых рам;
- Разработка методик и проведение ускоренных испытаний боковых рам в составе тележек грузовых вагонов при движении состава.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность проекта обусловлена резко возросшим за последние годы числом разрушений боковых рам тележек грузовых вагонов при эксплуатации, сопровождающихся в большинстве случаев крушениями поездов, что приводит к большим экономическим потерям и человеческим жертвам. Проект направлен для решения важной государственной задачи, значение которой подтверждается письмами Минтранса России №СА-21/9666 от 31.07.2014г. и Минпромторга России № 20-2275 от 04.08.2017г.

В работе впервые разрабатывается технология объемно-поверхностной закалки крупногабаритных деталей с литой структурой – боковых рам тележек грузовых вагонов, разрабатывается не имеющая аналогов в России и за рубежом специальная установка для объемно-поверхностной закалки боковых рам быстродвижущимся потоком воды.
Описание исследования

Исследования влияния объемно-поверхностной закалки (ОПЗ) на комплекс свойств боковых рам тележек грузовых вагонов из стали типа 20 ГЛ проводились последовательно на экспериментальных образцах различного типа, включающих малогабаритные образцы, фрагменты боковых рам и цельные боковые рамы. На первом этапе исследования был проведен комплексный анализ возможности реализации ОПЗ для упрочнения боковых рам и проведены исследования ОПЗ на малогабаритных образцах. На втором этапе были проведены экспериментальные исследования влияния ОПЗ на структуру и свойства фрагментов боковых рам, в частности были разработаны специальные методики лабораторных исследований. На третьем этапе была разработана и изготовлена установка для ОПЗ цельных боковых рам и соответствующие режимы термического упрочнения. На четвертом этапе было проведено термическое упрочнение боковых рам с использованием разработанной установки и проведены комплексные испытания боковых рам после упрочнения. На пятом этапе по результатам испытаний были доработаны технологические режимы термического упрочнения, проведены ускоренные испытания упрочненных боковых рам в составе вагонов в движении, проведено обобщение и анализ результатов по проекту в целом.

В части аналитических и теоретических исследований в работе проведены следующие основные работы: анализ статистики повреждаемости в эксплуатации боковых рам тележек грузовых вагонов, включая анализ причин разрушения боковых рам; анализ научно-технической литературы и нормативно-технической документации; теоретический анализ возможности и условий реализации метода ОПЗ для литых деталей из низкоуглеродистых сталей.

В части расчетных работ и математического моделирования проведен расчет прокаливаемости литых полых деталей с толщиной стенки 20 мм; проведен расчет внутренних остаточных напряжений в упрочненном сечении боковой рамы; проведено математическое моделирование напряженного состояния боковых рам в эксплуатации.

В части экспериментальных работ, связанных с разработкой и изготовлением макетов и образцов проведены следующие основные работы: изготовлены макеты закалочных устройств для отработки режима термического упрочнения фрагментов боковых рам методом ОПЗ; изготовлена лабораторная установка для термического упрочнения цельных боковых рам методом ОПЗ; изготовлены измерительные модули акустической эмиссии (АЭ) для лабораторной АЭ-диагностики состояния боковых рам до и после эксплуатации и для АЭ-мониторинга состояния боковых рам в процессе ускоренных испытаний; изготовлены малогабаритные образцы, фрагменты и цельные боковые рамы из стали типа 20ГЛ для комплексных экспериментальных исследований структуры и свойств после ОПЗ.

В части технологических работ проведены экспериментальные работы по отработке термического упрочнения методом ОПЗ на фрагментах боковых рам с использованием макетов закалочных устройств и экспериментальные работы по термическому упрочнению цельных боковых рам на лабораторной установке термического упрочнения.

В части экспериментальных исследований и исследовательских испытаний проведены следующие виды работ: исследование химического состава сталей типа 20ГЛ  с помощью спектральных методов анализа; дилатометрические исследования критических точек сталей типа 20ГЛ различного состава; комплексные структурные исследования и механические испытания образцов стали типа 20 ГЛ до и после термического упрочнения методом ОПЗ, включающие исследования структуры методами оптической и электронной микроскопии, измерение твердости и микротвердости, механические испытания на растяжение, изгиб, ударную вязкость и трещиностойкость, фрактографический анализ изломов методом сканирующей электронной микроскопии; стендовые испытания фрагментов боковых рам из стали типа 20 ГЛ после ОПЗ, включающие испытания по определению статической, динамической и усталостной прочности; исследование внутренних остаточных напряжений боковых рам с использованием тензометрии и рентгеновского метода; исследование состояния фрагментов боковых рам методом АЭ до и после термического упрочнения; стендовые усталостные испытания боковых рам, упрочненных методом ОПЗ в сравнении с нормализованными боковыми рамами; сравнительные исследования чувствительности упрочненных боковых рам  к концентраторам напряжений и определение их живучести; исследование влияния ОПЗ на коррозионную стойкость боковых рам; ускоренные предсертификационные испытания упрочненных боковых рам в составе тележек грузовых вагонов с измерением акустической эмиссии в движении.

Результаты исследования

Экспериментальные образцы исследуемого материала: экспериментальные образцы цельных боковых рам, фрагментов боковых рам, и образцы вырезанные из фрагментов боковых рам упрочненные методом ОПЗ;

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 метода измерения 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 ОПЗ с измерением АЭ в процессе испытаний в составе грузовых вагонов в движении; 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;  лабораторная установка для термического упрочнения цельных боковых рам методом объемно-поверхностной закалки; 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 ОПЗ для литых деталей из низкоуглеродистых сталей, результаты комплексного расчета прокаливаемости; 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 ОПЗ фрагментов и цельных боковых рам; результаты лабораторных исследований и стендовых испытаний фрагментов боковых рам после термического упрочнения методом ОПЗ 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 ОПЗ 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 ОПЗ боковых рам в составе грузовых вагонов в том числе с АЭ-мониторингом состояния боковых рам.

Практическая значимость исследования
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.
Презентация

Presentation_template_TS_1.4.ppt

Постер

Poster_1.4.ppt