Технологическое обеспечение повышения долговечности ходовых частей тележек метропоездов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Попова Татьяна Александровна

• Попова Татьяна Александровна
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Попова Татьяна Александровна

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ПРОБЛЕМАТИКЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Современное состояние научной разработанности исследуемой проблемы

1.2 Влияние эксплуатационных и конструктивных параметров

на показатели надежности шпинтонного узла

1.2.1 Теоретические аспекты оценки надежности подвижного состава

1.2.2 Нормативные требования по надежности к деталям подвижного состава

1.2.2.1 Прочностные параметры

1.2.2.2 Статическая прочность

1.3 Факторы, определяющие усталостную прочность элементов подвижного состава

1.3.1 Корреляция внутренних напряжений с долговечностью деталей

1.3.2 Методология определения поверхностных остаточных напряжений в шпинтонах

1.3.2.1 Измерение продольных остаточных напряжений

1.3.2.2 Измерение окружных остаточных напряжений

1.3.3 Влияние концентраторов напряжений на усталостную прочность

1.3.4 Влияние технологических методов поверхностного упрочнения

на сопротивление усталости

1.3.5 Закономерности образования и развития усталостных трещин

1.4 Перспективные направления повышения прочностных характеристик деталей подвижного состава

1.5 Специфика технологических процессов изготовления шпинтонов

1.6 Серийный технологический процесс изготовления шпинтонов

1.6.1 Дефектоскопия машиностроительных изделий

1.6.2 Исследование физико-химических характеристик материала для изготовления шпинтонов при серийной производственной технологии

Выводы по разделу

2 НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ МОДИФИКАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ШПИНТОНОВ

2.1 Критерии выбора оптимального материала для шпинтонов

2.2 Предложение альтернативного метода изготовления шпинтонов

2.2.1 Альтернативный метод обработки шпинтонов

2.2.2 Структурные изменения металла после обработки быстродвижущимся потоком воды

2.2.3 Описание процесса закалки шпинтонов с помощью быстродвижущегося потока воды

2.2.4 Процесс закалочного упрочнения быстродвижущимся потоком воды шпинтонов из стали 40Х

2.2.5 Процесс закалочного упрочнения быстродвижущимся потоком воды шпинтонов из стали

2.2.6 Технологическое решение для сохранения качества резьбы шпинтона

2.3 Выводы по разделу

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ ШПИНТОНОВ НА СТАТИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ

3.1 Описание опытной партии шпинтонов

3.2 Методика и результаты статических испытаний шпинтонов

из сталей 40Х и 35 с модифицированной термообработкой

3.3 Выводы по разделу

4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СЕРИЙНЫХ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ШПИНТОНОВ

4.1 Определение схемы нагружения при проведении усталостных испытаний шпинтонов

4.2 Оценка усталостной прочности шпинтонов

4.2.1 Серийные образцы (сталь 40Х, партия 1)

4.2.2 Экспериментальные образцы (сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, среднетемпературный отпуск, партия 2)

4.2.3 Экспериментальные образцы (сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, низкотемпературный отпуск, партия 3)

4.3 Сравнительный анализ результатов усталостных испытаний

4.4 Выводы по разделу

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦАХ, ПРОШЕДШИХ ТЕХНОЛОГИЮ УПРОЧНЕНИЯ

5.1 Методика исследования остаточных напряжений

5.1.1 Описание экспериментальной установки

5.1.2 Выбор образцов шпинтонов для проведения исследований

на наличие остаточных напряжений

5.1.3 Реализация методики измерения остаточных напряжений

5.2 Анализ полученных экспериментальных данных

5.3 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технологическое обеспечение повышения долговечности ходовых частей тележек метропоездов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Согласно стратегии развития железнодорожного транспорта Российской Федерации для дальнейшего социально-экономического роста страны необходимо обеспечение эффективного функционирования железнодорожного транспорта, что, в свою очередь, зависит от качества используемых деталей подвижного состава. Таким образом, решение проблемы повышения долговечности деталей при снижении их себестоимости является приоритетной задачей для достижения поставленной цели.

В данной диссертации рассматриваются вопросы по повышению долговечности деталей подвески пассажирских вагонных тележек путем внесения изменений в технологию их изготовления.

Тележки являются ключевыми элементами вагонов, от их конструкции, прочности и надежности зависит безопасность движения.

Совокупность элементов конструкции, обеспечивающих соединение кузова вагона с тележкой, представляет собой узел подвешивания. В настоящее время широко используются вагоны с конструктивным решением подвески в виде шпинтонного узла. Шпинтонное подвешивание вагона метрополитена является наиболее используемым видом буксового подвешивания. Шпинтоны предназначены для передачи продольных и поперечных горизонтальных усилий от буксы на раму, ограничения продольных и поперечных перемещений, а также для повышения устойчивости буксовых пружин. Принципиальным положением является сохранение высокой несущей конструктивной прочности шпинтона и особенно усталостной прочности.

Актуально проведение исследований, направленных на модернизацию технологического процесса упрочнения шпинтонов путем закалки быстродвижущимся потоком воды, что позволит получить улучшенные технологические показатели детали по сравнению с серийным производством изготовления шпинтонов с упрочнением в масляной среде.

Перспективным является подбор более дешевого материала для изготовления

шпинтонов без потери качества деталей по таким параметрам, как усталостная и механическая прочность.

С учетом вышеизложенного можно утверждать, что исследования, направленные на оценку прочности и надежности деталей ходовых частей вагонных тележек метропоездов, а также разработка на их основе технологических решений для повышения усталостной долговечности шпинтонов, представляют значительную актуальность.

Степень разработанности темы исследования. Диссертационное исследование опирается на достижения ученых и специалистов в сфере организации производства и эксплуатации железнодорожного транспорта, а также на актуальные практические наработки в данной области.

Исследовательские работы по теме подвешивания пассажирских электропоездов были выполнены в различных научных и научно-производственных организациях, институтах, предприятиях

и университетах, таких как ВНИКТИ, БГТУ, ДИИТ, РИИЖТ и Рижский вагоностроительный завод. Исследования включают в себя разработку норм прочности, методику расчетно-экспериментального определения характеристик прочности тележек, анализ напряженного состояния, оценку воздействия эксплуатационных нагрузок на напряженно-деформированное состояние и определение предельного состояния.

Многолетний опыт испытания деталей железнодорожного транспорта: колеса, бандажи, рельсы, шестерни, большие зубчатые колеса и другие детали, описан в методологии сформулированной Н.П. Щаповым (ВНИИЖТ).

Исследования ученых, таких как И.В. Бирюков, И.В. Кудрявцев, Э.С. Оганьян, С.Н. Киселев, А.Д. Пузанков, Р.И. Зайнетдинов, В.Н. Котуранов, В.Д. Хусидов, А.Н. Савоськин, Г.С. Михальченко, Н.А. Панькин и другие, освещают ряд проблем, связанных с ходовыми частями тележек. Методы оценки долговечности узлов тележек активно разрабатываются.

Проведенные исследования позволили сформулировать обоснование выбора испытательных нагрузок, сближенных с реальными эксплуатационными

условиями.

Объект исследования - шпинтонный узел, являющийся центральным элементом буксового подвешивания пассажирских вагонов и метровагонов.

Предмет исследования - технологический процесс изготовления шпинтонов, усталостная и статическая прочность шпинтонов, остаточные напряжения в поверхностном слое образцов шпинтонов, изготовленных с использованием закалки различными методами.

Цель диссертационного исследования - повышение долговечности и надежности шпинтонов буксового узла вагонов метропоездов путем усовершенствования технологического процесса упрочнения, а именно внедрения объемной поверхностной закалки с интенсивным охлаждением, и экспериментальное доказательство возможности замены стали 40Х на сталь 35 для изготовления шпинтонов при использовании данной технологии.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи диссертационного исследования:

- обобщить результаты различных научных исследований по разработке технологических решений с целью увеличения долговечности шпинтонного узла;

- модернизировать технологический процесс упрочнения шпинтона, в том числе путем исключения поверхностной закалки токами высокой частоты (ТВЧ) рабочей зоны шпинтона для устранения концентраторов растягивающих напряжений с целью повышения долговечности детали;

- выбрать материал для изготовления шпинтонов, существенно не уступающий по характеристикам стали 40Х, применяемой в настоящее время на производстве;

- экспериментально обосновать выбор технологического процесса на основе данных о статической и усталостной прочности деталей и оптимизации внутреннего напряженного состояния изделия (сжимающие напряжения в поверхностном слое должны компенсироваться растягивающими в сердцевине);

- определить преимущества модернизированного технологического процесса.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлены причины невысокой долговечности шпинтонов тележек метровагонов;

- предложен метод закалки шпинтонов быстродвижущимся потоком воды, адаптирована технология процесса, экспериментально доказано его преимущество в обеспечение надежности и долговечности детали подвижного состава;

- научно обосновано и доказано применение альтернативного материала, предлагаемого для изготовления шпинтонов (сталь 35) взамен базовой стали 40Х, при котором основные физические параметры не отличаются от серийного образца, дополнительно появляется возможность снизить отбраковку по неметаллическим включениям на первоначальной стадии производства.

Теоретическая и практическая значимость результатов диссертационной работы заключается в следующем:

- проведен анализ эффективности технологии изготовления шпинтонов,

который указывает на имеющиеся потенциальные возможности модернизации процесса;

- проведена оценка статической и усталостной прочности образцов из двух марок стали (сталь 40Х и сталь 35) при различных вариантах упрочнения, результатом которой является выбор рациональных параметров процесса закалки быстродвижущимся потоком воды;

- на основе полученных данных предложены рекомендации по технологии упрочнения шпинтонов, изготавливаемых из двух типов сталей.

Модернизация технологии упрочнения шпинтонов, входящих в систему буксового подвешивания пассажирских и метропоездов, позволяет повысить надежность и комфортность железнодорожного транспорта.

Предложенный метод закалки детали позволяет перейти от дорогостоящего технологического процесса к более дешевому и экологичному. При этом достигаются физические параметры изделия, отвечающие всем эксплуатационным характеристикам и не уступающие деталям в базовом варианте. Выбранный тип

обработки позволяет отказаться от дополнительного упрочнения детали токами высокой частоты (ТВЧ).

Методология и методы исследования. В диссертационной работе использован системный анализ справочной и научно-технической литературы по направлению исследования.

Для подтверждения возможности модернизации технологического процесса,

а также перехода на использование другого материала (сталь 35) разработана методология и проведены натурные испытания на статическую и усталостную прочность образцов, полученных по серийной технологии, а также образцов, полученных с применением закалки быстродвижущимся потоком воды с обязательным проведением расширенных испытаний по оценке твердости, металлографических исследований, а также дополнительной оценке механических свойств по сечению деталей.

Исследование микроструктуры получаемых образцов позволяет судить о структурном изменении материала при термообработке.

Исследование твердости образцов проведено методом Роквелла и Виккерса.

Исследования статической прочности проводились на универсальной машине EU100. По результатам измерений построены диаграммы зависимости прогиба от нагрузки.

Исследования усталостной прочности проводились на машине EUS40. Построены кривые выносливости шпинтонов из стали 40Х и стали 35 при различных способах закалки.

Исследования поверхностных остаточных напряжений (ПОН) в поверхностном слое шпинтона проводились механическим разрушающим методом Н.Н. Давиденкова [36] на автоматизированном комплексе МерКулОН «Тензор-3».

Положения, выносимые на защиту:

- предложена замена материала (сталь 40Х) для изготовления шпинтонов на сталь, схожую по характеристикам стали 40Х, но более экономически выгодную, - сталь 35;

- предложено исключить применение поверхностной закалки токами высокой частоты в технологическом процессе изготовления шпинтонов с использованием серийной марки стали 40Х с улучшенными характеристиками, без опасности хрупкого разрушения. На данной марке стали технология закалки с применением быстродвижущегося потока воды применена впервые;

- внедрение в технологический процесс упрочнения шпинтонов закалки быстродвижущимся потоком воды, что приводит к более рациональному распределению внутренних напряжений в металле.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность предложенных теоретических данных подтверждается экспериментальными результатами, полученными в ходе исследований в условиях научных лабораторий РУТ (МИИТ) и НПП «Салют».

Полученные результаты исследования не противоречат исследованиям других авторов.

Основные и промежуточные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» РУТ (МИИТ) в 2024-2025 годах.

Результаты научно-исследовательской работы были представлены на научных конференциях и семинарах:

- VI Научно-технический семинар «Компьютерное моделирование в железнодорожном транспорте: динамика, прочность, износ» (Брянск, 2024 г.);

- «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке материалов». МИСИС. Университет науки и технологий (Москва, 2024 г.);

- VIII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов», посвященная 300-летию Российской академии наук и 100-летию со дня рождения профессора Александра Сергеевича Лисовского. ОмГУПС (Омск, 2024 г.).

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНЫХ ТРУДОВ ПО ПРОБЛЕМАТИКЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Современное состояние научной разработанности исследуемой проблемы

Улучшение стабильности и эффективности передвижения вагонов железнодорожного транспорта осуществляется путем применения разнообразных систем подвешивания кузова. При этом учитывается воздействие различных факторов, таких как скорость движения, нагрузка, состояние инфраструктуры и оборудования. Совокупность всех данных влияет на надежность и безопасность перевозок в целом.

Ходовые части современных метровагонов обеспечивают успешное прохождение кривых участков пути малого радиуса с минимальным сопротивлением движению. Тележки являются ключевым элементом вагонов, от их конструкции, прочности и надежности зависит безопасность движения. Они гарантируют плавность хода вагона, воспринимают неровности пути и смягчают удары, передаваемые на кузов вагона.

Все метровагоны оснащены двумя двухосными поворотными тележками. Воздействие всех сил, приводящих в движение вагон, реализуется через эти тележки, расположенные на одинаковом расстоянии от центра вагона. Их геометрические параметры (в частности, база тележки) позволяют обеспечить прохождение минимального радиуса рельсового пути [21], в который может быть вписан вагон. Схемы выносов частей вагона в кривой рассмотрены в работе [92]. Тележка направляет вагон по рельсовому пути. Для снижения различных неровностей на каждой тележке вагона применяется система двойного подвешивания - центральное и буксовое.

Развитие технологий в сфере подвешивания вагонов дает возможность увеличить осевую нагрузку на вагоны, обеспечивая успешное прохождение

порожних составов по кривым участкам с малым радиусом, и снизить эксплуатационные расходы за счет улучшения динамических характеристик [92].

Широкое применение находят фрикционные гасители колебаний в буксовой ступени подвешивания. Эти устройства просты по конструкции, надежны в работе и не требуют специального ухода в процессе эксплуатации. Одним из примеров является двухосная тележка модели 68-4065, разработанная на Калининском вагоностроительном заводе (КВЗ) в сотрудничестве с ЦНИИ МПС. Она является стандартной для пассажирских вагонов. Центральной частью рассматриваемых фрикционных гасителей является шпинтон.

Шпинтонное подвешивание стало одним из наиболее используемых способов обеспечения стабильности и безопасности движения пассажирских поездов. Комплексное сочетание всех элементов системы буксового подвешивания позволяет достичь оптимальной прочности и гибкости, что делает данную конструкцию неотъемлемой частью современного метрополитена.

Одной из значимых деталей пассажирских тележек являются шпинтоны. Они предназначены для ограничения продольных и поперечных перемещений, а также для увеличения устойчивости буксовых пружин [48].

В работе проведен анализ эффективности технологии изготовления шпинтонов и внесены предложения по модернизации технологического процесса изготовления детали, позволяющие повысить надежность и комфортность железнодорожного транспорта. Проведена оценка статической и усталостной прочности образцов из двух марок стали (сталь 40Х и сталь 35) при различных вариантах упрочнения. Рассматриваются разные временные параметры для проведения закалки, а также оцениваются прочностные параметры в зависимости от температурных значений в процессе нагрева, отпуска (процесс закалки). Полученные результаты имеют теоретическое и прикладное значение.

На основе полученных данных предложены рекомендации по технологии упрочнения шпинтонов, изготавливаемых из двух типов сталей.

Шпинтонное подвешивание вагона метрополитена является наиболее используемым видом буксового подвешивания. Здесь нет поводков, а роль

передающего элемента тяговых и тормозных нагрузок (на одно колесо) отводится двум шпинтонам. Они предназначены для ограничения продольных и поперечных перемещений, а также для увеличения устойчивости буксовых пружин. В динамике движения рама тележки совершает колебательные перемещения относительно колесных пар, что соответствует возвратно-поступательным перемещениям шпинтона относительно втулки [25].

В шпинтонном подвешивании вагонов метрополитена нет необходимости получения высокой поверхностной твердости в зоне взаимодействия сопрягаемых деталей, тем более что происходит это взаимодействие через пластиковую втулку. Принципиальным положением остается сохранение высокой несущей конструктивной прочности шпинтона и особенно усталостной прочности. Внешний вид шпинтона вагона метрополитена представлен на рисунке 1.1.

1 - защитный колпак; 2 - резиновая прокладка, 3 — нижняя опора пружины; 4 - пластмассовая втулка; 5 - крепежная проволока; 6 - пружина; 7 - верхняя направляющая опора; 8 - шпинтон; 9 - стопорная планка; 10 - винт; 11- фиксирующая гайка; 12 - защитный кожух; 13 - гайка, 14 - нижняя опора пружины; 15 - резиновая втулка; 16 - стяжной хомут

Рисунок 1.1— Шпинтонный узел вагона метрополитена [21]

Важно отметить, что шпинтон несет на себе значительные нагрузки и является основным элементом передачи силы от колесных пар к раме тележки. Колебательные движения рамы тележки благодаря работе шпинтона обеспечивают плавность и комфортность поездки для пассажиров.

В буксовом узле тележек пассажирских вагонов шпинтонное подвешивание обеспечивает работу узла как фрикционный гаситель колебаний (рисунок 1.2). В данном варианте втулка надета на шпинтон. Вокруг втулки расположены фрикционные конусные секторы. Работа гасителя колебаний основана на трении между фрикционными элементами и втулкой шпинтона (или его корпусом), которое возникает при их относительном перемещении во время колебаний тележечной рамы относительно буксового узла [120].

1 - шпинтон; 2 - втулка шпинтона; 3 - внутренняя пружина;

4 - нажимное кольцо; 5 - фрикционный сектор; 6 - резиновая прокладка;

7 - тарельчатая пружина; 8 - корончатая гайка; 9 - металлическая прокладка;

10 - кожух; 11 - наружная пружина

Рисунок 1.2 - Фрикционный гаситель колебаний тележки КВЗ-ЦНИИ с переменной силой трения [120]

В такой конструкции шпинтонного узла пассажирских поездов большую роль играет поверхностная твердость металла, так как шпинтон подвергается значительному износу. Известно, что твердость и износостойкость, особенно абразивная - прямая зависимость, то есть чем выше твердость, тем выше

износостойкость. По этой причине создание высокой твердости, в том числе с применением непрерывно-последовательной поверхностной индукционной закалки шпинтона, является оправданной технологией упрочнения.

Исследования по эксплуатационному содержанию вагонного подвижного состава, представлены в работе [79].

В современном вагоностроении важно предсказывать время службы деталей механизмов. Для этой цели создаются сложные модели, учитывающие множество факторов. Эти модели помогают определить, на протяжении какого периода времени можно безопасно использовать деталь при воздействии различных факторов эксплуатации. Особое значение имеют статические и динамические нагрузки, которые нужно учитывать вместе с условиями окружающей среды.

Для обеспечения продления срока безотказной работы металлоконструкций подвижного состава требуется системный подход при оценке остаточного ресурса. Под воздействием циклических нагрузок прочностные характеристики металлических деталей и конструкций экипажной части тягового подвижного состава постепенно ухудшаются. Усталостное сопротивление снижается, предел текучести увеличивается, материал становится более хрупким, что может привести к возможной поломке [22]. Для долговечной эксплуатации железнодорожной техники необходимо обеспечить возможность продления срока безотказной работы.

Оптимизация конструкции деталей на этапе проектирования достигается с помощью прогностических моделей, основанных на математических зависимостях в сложных функциональных соотношениях. Особое внимание уделяется анализу влияния геометрии пути и его типа на долговечность компонентов [92]. Приоритет отдается точности измерений, обработке диаграмм деформирования и разрушения, а также достоверности значений трещиностойкости из-за разнообразия конструкционных материалов по механическим свойствам, структуре и технологиям производства [112]. Усовершенствование технологии изготовления основных составляющих узлов возможно благодаря рассмотрению вопросов прогнозирования ресурса деталей

системы подвешивания подвижного состава. Важным аспектом является обеспечение равномерного распределения веса и оптимального сцепления с рельсами систем подвешивания вагонов метро, что позволит минимизировать износ путей и повысить безопасность движения. Кроме того, система подвешивания вагонов играет ключевую роль в уменьшении вибраций и шума, что способствует комфортной поездке пассажиров. Схема передачи нагрузок на железнодорожный путь приведена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 - Передача нагрузок от кузова вагона на рельс [66]

В пассажирских вагонах метрополитена применяется шпинтонное буксовое подвешивание, которое считается наиболее перспективным видом подвешивания. Буксовое рессорное подвешивание выполняет три основные функции: - амортизацию динамических нагрузок - смягчение вертикальных и горизонтальных воздействий от неровностей пути;

- демпфирование колебаний - эффективное гашение резонансных колебаний кузова;

- защиту пути - снижение динамического воздействия на железнодорожное полотно.

За рубежом также актуальными являются вопросы буксового подвешивания пассажирских вагонов [136, 138, 141, 142].

В работе [59] отмечается, что международными стандартами качества предусмотрено обязательное исполнение требований для конструкций с целью обеспечения прочности, надежности и безопасности.

Использование современных систем подвешивания вагонов предусматривает особое внимание к технологическим процессам изготовления деталей, чтобы обеспечить долговечность и надежность конструкции. Применение инновационных подходов в области подвески помогает уменьшить износ вагонов и путей, обеспечивая более стабильное движение поездов на высоких скоростях.

Конструкция с применением шпинтонов предполагает центральное подвешивание без жесткого контакта с тележкой, что используется, например, на вагонах типа 81-717/714 для подвешивания кузова. Данный вид подвешивания используется с тележками типа КВЗ-И2 и КВЗ-ЦНИИ.

Плавное движение вагона по рельсовому пути с минимальным сопротивлением обеспечивается именно вагонными тележками, которые принимают на себя тяговые и тормозные силы, обеспечивая таким образом перераспределение нагрузки от кузова на путь [8, 66].

Конструкционные особенности вагонной тележки подробно представлены в работе [15].

Тележка типа КВЗ-ЦНИИ, разработанная на Калининском (ныне Тверском) вагоностроительном заводе совместно с ЦНИИ МПС России (ныне ВНИИЖТ), является типовой для современных пассажирских вагонов метропоездов. Основное преимущество перед другими типами пассажирских вагонов дает двухступенчатая система рессорного подвешивания.

Особенности конструкций тележек представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Особенности конструкции тележек [1]

Типы тележки Особенности конструкции буксового подвешивания

КВЗ-ЦНИИ (I и II типа) Два резиновых кольца устанавливаются под каждую наружную пружину, а между ними помещается металлическое кольцо, которое защищает их от износа

ТВЗ-ЦНИИ-М (модели 68875, 68-876) На шпинтон снизу устанавливается резиновый конус, который прижимается гайкой через тарельчатую пружину, обеспечивая плотное прилегание торцев шпинтонной втулки. Вследствие замены двух резиновых прокладок на одну высота наружной буксовой пружины увеличилась, что привело к повышению ее гибкости на 15 %

Шпинтоны взаимодействуют в паре с пружинами и ограничивают перемещения букс в горизонтальной плоскости. Они также выполняют важную функцию в передаче продольных и поперечных горизонтальных усилий от буксы на раму.

Основной причиной повреждений в системе являются усталостные напряжения металла [24, 48]. При сборке шпинтонного узла усталостные трещины чаще всего появляются в зоне пересечения кольцевых швов вварки втулки шпинтона с продольным швом балки рамы. Применение специальной накладки на верхнюю полку в зоне вварки втулки позволяет избежать подобного дефекта [89].

Важно отметить, что конструкция шпинтонного узла (рисунок 1.4) обеспечивает гашение извилистого движения колесных пар, боковую качку и улучшает плавность хода пассажирского вагона. Благодаря передаче нагрузки на боковые скользуны надрессорных балок, а не на центральный подпятник достигается оптимальное распределение сил и улучшение характеристик движения.

Рисунок 1.4 - Тележка метровагона в сборе [21]

На рисунке 1.5 представлена схема тележки с шпинтонным подвешиванием.

1 - рама; 2 - тормозная рычажная передача; 3 - буксовое шпинтонное подвешивание; 4 - колесные пары с буксовыми узлами; 5 - поводок; 6 - шарнирно-маятниковая люлька; 7 - горизонтальный скользун; 8 - гидравлический гаситель колебаний; 9 - надрессорная балка; 10 - центральная ступень подвешивания

Рисунок 1.5 - Эскиз тележки с шпинтонным подвешиванием КВЗ-ЦНИИ типа 1 [71]

Тележки шпинтонного типа были сконструированы Мытищинским машиностроительным заводом как альтернатива тележкам с поводковой подвеской [89, 116]. В процессе производства вагонов модели 717.5 метрополитена рама вагонной тележки создается из сварной конструкции, включающей продольные и поперечные балки и разнообразные кронштейны.

Два шпинтона запрессованы во втулки. Через втулку на каждой буксе шпинтоны соединяются с продольной балкой. Таким образом шпинтоны осуществляют важную роль - передают горизонтальные усилия от буксы на раму.

На начальных этапах эксплуатации шпинтонных тележек было выявлено, что в рамах первого выпуска в зоне пересечения кольцевых швов вварки втулок внутренних шпинтонов с продольными швами продольных балок зарождались усталостные трещины как на верхних, так и на нижних полках балок. Благодаря ряду конструктивно-технологических мероприятий (на верхней полке в зоне вварки втулки приваривалась специальная накладка, производилась двусторонняя разделка кромок под кольцевой шов и др.) удалось предотвратить в указанной зоне появление трещин. В данном случае накладные опоры имели вид профиля с наличием бокового прилива для резьбовых отверстий с одной стороны и фасонную канавку для сопряжения со скругленным участком - с другой стороны. На подкладке закреплялась центрирующая втулка и помещалась на нижней поверхности балки между накладными опорами. Подкладка устанавливалась вровень с опорными поверхностями накладных опор на фланец [42, 84].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Попова Татьяна Александровна, 2026 год

// 1

'4,6; н Я »,04

1

/

/

/

1

10 15 20 25 30 35 40 45

И, мм

0 5

Рисунок 3.7 - Диаграмма «нагрузка-прогиб» образца шпинтона № 21

Рисунок 3.8 - Диаграмма «нагрузка-прогиб» лабораторного образца шпинтона № 5

Рисунок 3.9 - Диаграмма «нагрузка-прогиб» образца шпинтона № 10

Fmax, кН 350

300

250

200

150

100

50

0

14 /

1

1

\

5, 1 1 V,)

-»

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60

h. мм

Рисунок 3.10 - Диаграмма «нагрузка-прогиб» образца шпинтона № 8

Дополнительно рассматривался опытный образец № 38 из стали 40Х с закалкой БПВ, отпуск 450 °С 1,5 часа.

Гтах, кН

23,4; 402.4 5

л

---

/

гУ 4.7 283.03

/

О 5 10 15 20 25

Ъ, мм

Рисунок 3.11 - Диаграмма «нагрузка-прогиб» образца шпинтона № 38

Сводные данные по результатам испытаний шпинтонов на трехточечный изгиб при статическом нагружении приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Результаты испытаний образцов шпинтонов на изгиб

№ Описание Максимальная Деформация Нагрузка при Условный

опытного нагрузка, кН при условном предел

образца максимальной нагрузке, мм пределе текучести, кН текучести, МПа

Сталь 40Х,

№ 21 серийное производство 261 33,2 150 1222

Сталь 40Х,

№ 5 закалка БПВ, отпуск 400 °С 410 26,2 269 2192

Сталь 40Х,

№ 38 закалка БПВ, отпуск 450 °С 402 23,4 283 2306

Сталь 35,

№ 8 Закалка БПВ, отпуск 200 °С 313 54,7 163 1328

Сталь 35,

№ 10 закалка БПВ, отпуск 180 °С 302 31,0 154 1255

Обобщенные данные по статическим испытаниям шпинтонов трех групп образцов шпинтонов из стали 40Х по базовому варианту, из стали 40Х с закалкой БПВ, из стали 35 с закалкой БПВ представлены на рисунке 3.12.

.Ртах, кН 450

400 350 300 250 200 150 100 50 0

(25,5 ; 410) Л

* -у

А г * (31 ,0;302 )

/

/ * (33,2 ■ 1

1 /

1 1

я 1 •

1 1 1 • 1 1.__-

10 15 20 25 30 35

40 45

А. мм

1 - образец из стали 40Х, серийная термообработка; 2 - образец из стали 40Х, закалка БПВ, отпуск 400 °С; 3 - образец из стали 35, закалка БПВ, отпуск 180 °С

Рисунок 3.12 - результаты статических испытаний на трехточечный изгиб

Проведенный анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:

1 для стали 40Х применение технологии закалки БПВ обеспечивает значительное повышение прочностных характеристик шпинтонов, полученные значения предела прочности превышают показатели, полученные после серийной термической обработки на 12-15 %;

2 для стали 35 использование закалки БПВ демонстрирует сопоставимый уровень прочности с легированной сталью 40Х после серийной термообработки (эквивалентные значения твердости в поверхностном слое 52-54 НЯС);

3 варьирование температуры отпуска для образцов из стали 35 в диапазоне 180 - 200 °C незначительно влияет на уровень прочностных свойств шпинтонов.

Характерные виды изломов шпинтонов трех партий с приложением максимальной нагрузки в зону «210» приведены на рисунках 3.13-3.18. Анализ полученных изломов показывает, что в зоне излома стали 40Х (рисунок 3.13, а) после улучшения и индукционной закалки рабочей зоны шпинтона (серийная термообработка) в зоне растяжения фиксируются мелкозернистая структура, что характерно для упрочненной ТВЧ поверхностной зоны, и вязкая структура в зоне долома.

Зона излома образца из стали 40Х (рисунок 3.13, б) после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска 400 °C характеризуется мелкозернистой структурой излома по всему сечению, что характерно для разрушения образцов со сквозной прокаливаемостью и высокой прочностью по сечению. Высокая прочность приводит к выколу части образца в зоне сжатия.

а - образец № 21 сталь 40Х, серийная термообработка; б - излом образца № 21

Рисунок 3.13 - Внешний вид шпинтона изготовленного по серийной технологии упрочнения после статических испытаний

Зона излома образца из стали 40Х (рисунок 3.14) после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска 450 °С также характеризуется мелкозернистой структурой излома по всему сечению. Повышение температуры отпуска с 400 °С до 450 °С приводит к увеличению пластичности, что устраняет выкол в зоне нагружения детали.

а -образец № 5, сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды; б - излом образца № 5;

Рисунок 3.14 - Внешний вид шпинтона из стали 40Х по предлагаемой технологии закалки БПВ после статических испытаний

а - образец № 38 - сталь 40Х закалка быстродвижущимся потоком воды;

б - излом образца № 38

Рисунок 3.15 - Внешний вид шпинтона № 38 из стали 40Х после закалки БПВ и отпуска 450 °С

Зоны излома образцов из стали 35 (рисунок 3.15, б) после закалки быстродвижущимся потоком воды и низкотемпературного отпуска 180 °С и 200 °С.

а - образец № 10 - сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды;

б - излом образца № 10

Рисунок 3.16 - Внешний вид шпинтона № 10 из стали 35 по предлагаемой технологии закалки БПВ после статических испытаний

Зоны излома образца из стали 35 (рисунок 3.15, б) характеризуются мелкозернистой структурой по поверхности образца (зона закаленного слоя - по причине низкой прокаливаемости) и вязким изломом в сердцевине.

а - образец № 8- сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды;

б - излом образца № 8

Рисунок 3.17 - Внешний вид шпинтона № 8 из стали 35 после закалки БПВ

после статических испытаний

Из-за более высокой температуры отпуска - 200 °С на стали 35 отмечается более высокий уровень зоны пластической деформации.

Для более наглядного представления зон изломов шпинтонов, изготовленных по трем технологическим схемам, на рисунке 3.18 показан внешний вид изломов этих партий, позволяющих визуально отличить характер разрушения.

а б в г

а - излом опытного образца № 21, сталь 40Х, серийная термообработка; б - излом опытного образца № 5, сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды; в - излом опытного образца № 10, сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды; г - излом опытного образца № 8, сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды

Рисунок 3.18 - Характерные изломы трех партий шпинтонов после статических

испытаний

Дополнительно при проведении статических испытаний на шпинтонах серийного производства из стали 40Х была подобрана партия шпинтонов, забракованных магнитопорошковым методом дефектоскопии. Особое внимание уделялось тому, чтобы при приложении нагрузки в зоне растяжения находилось большое количество продольных дефектов от неметаллических включений. Анализ уровня прочности при изломе и макроструктура излома не выявили влияние продольных дефектов, характерных неметаллических включений, характеризующихся как концентраторы напряжений.

3.3 Выводы по разделу 3

1 Предварительные испытания шпинтонов, изготовленных из сталей 40Х и стали 35 с различной технологией термической обработки, показывают, что при производстве указанных деталей принципиально достигнут результат закалки легированной стали 40Х технической водой при отсутствии закалочных трещин.

2 На основании данных экспериментальных исследований установлена возможность применения экологически чистой закалочной среды (замена масла на воду). При этом достигается фактически двукратное увеличение механических свойств изделия, что дает основание устранения дополнительной индукционной закалки рабочей поверхности шпинтона.

3 Выявлено, что применение стали 35 с закалкой быстродвижущимся потоком воды и низкотемпературным отпуском обеспечивает уровень прочности и поверхностной твердости на шпинтонах, изготовленных по предложенной технологии, аналогичный уровню прочности шпинтонов изготовленных по серийной технологии из стали 40Х после улучшения и индукционной закалки с соответствующими видами отпуска.

3 Данные анализа воздействия максимальной нагрузки до излома образцов дают основание для перехода к следующему этапу предварительных испытаний

- определению усталостной прочности трех групп образцов (изготовленных из стали 40Х по серийной технологии, из стали 40Х с упрочнением БПВ и из стали 35 с упрочнением БПВ), что является более значимым критерием работоспособности изделия, так как именно этот параметр наиболее близок к эксплуатационному воздействию на шпинтоны.

4 ИССЛЕДОВАНИЕ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ СЕРИЙНЫХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБРАЗЦОВ ШПИНТОНОВ

В шпинтонном подвешивании вагонов метрополитена принципиальным положением является сохранение высокой конструктивной прочности шпинтона и особенно усталостной прочности [91, 146]. Вопрос получения высокой поверхностной твердости в зоне взаимодействия сопрягаемых деталей, обеспечивающих функции гашения колебаний, не является актуальным, так как в данной конструкции взаимодействие осуществляется через пластиковую втулку.

Усталостная прочность в наибольшей степени дает возможность получения более объективных данных по работоспособности деталей в эксплуатации.

В рамках настоящего исследования выполнен сравнительный анализ усталостной прочности шпинтонов, изготовленных по трем различным технологическим маршрутам:

1 серийная технология упрочнения стали 40Х: стандартный цикл термообработки;

2 адаптированная технология закалки стали 40Х: закалка быстродвижущимся потоком воды с последующим отпуском;

3 адаптированная технология для углеродистой стали 35: закалка быстродвижущимся потоком воды с последующим низкотемпературным отпуском.

Методика испытаний включает:

- циклические нагружения по заданным режимам;

- контроль развития усталостных повреждений;

- сравнительный анализ пределов выносливости.

4.1 Определение схемы нагружения при проведении усталостных

испытаний шпинтонов

Анализ разрушений шпинтонов, находящихся в эксплуатации, выявил основные повреждения в зоне «210». Данный участок представляет собой

переходную область между поверхностным упрочненным слоем, сформированным индукционным нагревом, и металлом с улучшенной структурой. Критичность этой зоны обусловлена резким градиентом механических характеристик -существенным перепадом твердости между упрочненной и улучшенной областями. Такие условия приводят к инверсии знака остаточных напряжений: от сжимающих в поверхностном слое к растягивающим в глубине материала. Указанный фактор создает выраженный концентратор напряжений, который при циклическом нагружении инициирует образование усталостных трещин и последующее разрушение детали.

При эксплуатационном содержании шпинтона в тележке метрополитена необходимо выяснить необходимость упрочнения рабочей поверхности шпинтона на твердость 40 - 50 НЯС, так как эта зона взаимодействует с пластиковой втулкой.

Такая система взаимодействия сопрягаемых пар предполагает необходимость высокой несущей способности деталей, а упрочнение на высокую твердость должно присутствовать при взаимодействии двух трущихся пар, например, «металл-металл» при эксплуатационном содержании. При этом твердость и износостойкость деталей являются оправданными.

На рисунке 4.1 представлен типичный вид излома шпинтона. Анализ статистики отказов показывает преимущественное разрушение деталей в зоне «210», что послужило основанием для разработки соответствующей методики усталостных испытаний.

а б

а - внешний вид излома; б - схема темплета для исследования зоны разрушения

Рисунок 4.1 - Исследование характерного излома шпинтона в зоне «210» на боковой раме листовой конструкции

Экспериментальные исследования выполнены на аттестованной универсальной испытательной машине EUS-40 (рисунок 4.2), прошедшей регулярную метрологическую поверку в установленные сроки.

В качестве базовой схемы нагружения принят трехточечный изгиб со следующими параметрами:

- опорная база: 400 мм;

- точка приложения нагрузки: критическая зона «210».

Рисунок 4.2 - Универсальная испытательная машина EUS40 при усталостных испытаниях шпинтона

Выбранная схема испытаний обеспечивает адекватное моделирование реальных условий нагружения, что позволяет достоверно оценить усталостные характеристики шпинтонов в наиболее напряженной конструктивной зоне.

4.2 Оценка усталостной прочности шпинтонов 4.2.1 Серийные образцы (сталь 40Х, партия 1)

Проводилось исследование усталостной прочности образцов, изготовленных по серийной (базовой) технологии представленных в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Экспериментальные образцы шпинтонов, изготовленных по серийной технологии

№ опытного образца Материал, основные технологические параметры Режим нагружения Количество циклов нагружения

образец №22 сталь 40Х, стандартная термообработка Ртах = 195 кН, Ртт = 80 кН, частота - 10 Гц n = 18 150

образец № 24 сталь 40Х, стандартная термообработка Ртах = 135 кН, Ртт = 20 кН, частота - 10 Гц n = 45 561

образец № 23 сталь 40Х, стандартная термообработка Ртах = 100 кН, Ртт = 10 кН, частота - 10 Гц, n = 147 602

Внешний вид излома образца № 22 приведен на рисунке 4.3. Анализ зоны излома образца свидетельствует о характерном разрушении образца при усталостных испытаниях. Зона зарождения усталостной трещины: глубина -19 мм, ширина - 31 мм, развитие усталостной трещины - ручьистый излом, характер -вязкий; зона долома - с характерной складкой, что говорит о слишком

высокой нагрузке.

а - опытный образец № 22; б - излом опытного образца № 22

Рисунок 4.3 - Образец № 22 после усталостных испытаний

Внешний вид излома образца № 24 из стали 40Х, прошедшей стандартную термообработку приведен на рисунке 4.4. Анализ зоны излома показывает, что зона усталостной трещины имеет глубину 17 мм, ширину 36 мм; развитие усталостной трещины: ручьистый излом, характер - вязкий; зона долома - с незначительной складкой.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 24; б - излом опытного образца № 24

Рисунок 4.4 - Образец № 24. Серийная термообработка

Внешний вид излома образца № 23 приведен на рисунке 4.5. Анализ зоны излома образца показывает, что зона зарождения усталостной трещины имеет глубину 17 мм, ширину 38 мм; развитие усталостной трещины - ручьистый излом, характер - вязкий.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 23; б - излом опытного образца № 23

Рисунок 4.5 - Образец № 23. Сталь 40Х, серийная термообработка

На образцах № 23 и № 24 при магнитно-порошковой дефектоскопии были выявлены продольные макротрещины, характерные для областей неметаллических включений, которые часто фиксируются в качественной конструкционной стали 40Х. Процент брака по этому дефекту значителен и составляет около 10 %.

При усталостных испытаниях образцов этой партии (№ 23, 24) области с максимальным количеством дефектов в виде продольных трещин располагались в зоне растяжения.

Области неметаллических включений, выявленных магнитопорошковой дефектоскопией на шпинтонах из стали 40Х после серийной технологии производства показаны на рисунке 4.6.

а

а - образец № 23, б - область неметаллических включений на образце № 23;

в - область неметаллических включений на образце № 23 в зоне буртика; г -образец № 24 для усталостных испытаний с расположением максимального количества областей неметаллических включений в зоне растяжения

Рисунок 4.6 - Внешний вид продольных областей неметаллических включений

Анализ усталостных разрушений образцов № 23 и 24 не выявил характерных дефектов от микротрещин в усталостной зоне образцов. Глубина областей неметаллических включений не является значимым параметром по снижению усталостной прочности.

4.2.2 Экспериментальные образцы (сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, среднетемпературный отпуск, партия 2)

Проводилось исследование усталостной прочности опытных образцов [118], изготовленных по технологии с применением закалки быстродвижущимся потоком воды и среднетемпературного отпуска, основные параметры которых представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Экспериментальные образцы шпинтонов, изготовленных по адаптированной технологии из стали 40Х

№ опытного образца Материал, основные технологические параметры Режим нагружения Количество циклов нагружения

образец № 3 сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 400 °С Бтах = 195 кН; Бтт = 80 кН; частота нагружения -10 Гц п = 18 420

образец № 32 сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 450 °С Ртах = 135 кН; Бтт = 20 кН; частота нагружения -10 Гц п = 31 000

образец № 33 сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 450 °С Ртах = 135 кН; Бшт = 20 кН; частота нагружения -10 Гц п= 717 400

образец № 35 сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 450 °С - -

Внешний вид излома опытного образца № 3 приведен на рисунке 4.7. Анализ зоны излома образца показывает характерный излом образца в высокопрочном состоянии, без характерной зоны зарождения усталостной трещины. В данном случае фиксируется многоочаговый характер повреждения в растянутой зоне. Зона долома характеризуется не просто складкой от значительной перегрузки образца при испытаниях, а даже выражена фактически ступенью долома.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 3; б - излом опытного образца № 3 Рисунок 4.7 - Образец № 3. Сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды

Внешний вид излома опытного образца №32 приведен на рисунке 4.8. Анализ зоны излома образца показывает более характерный излом с характерной зоной зарождения усталостной трещины (5 мм). Зона распространения излома - матовая. Зона долома с незначительной складкой.

а б

1 1 фш - F » ^ г 1

а - опытный образец после усталостных испытаний № 32; б - излом опытного образца № 32

Рисунок 4.8 - Внешний вид усталостного излома шпинтона № 32 из стали 40Х после

закалки быстродвижущимся потоком воды

Внешний вид излома опытного образца №33 приведен на рисунке 4.9. Анализ зоны излома образца показывает характерный излом в высокопрочном состоянии. Зона зарождения усталостной трещины - многоочаговая. Зона распространения излома - матовая. Зона долома с незначительной складкой.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 33; б - излом опытного образца № 33

Рисунок 4.9 - Образец № 33. Сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды

На рисунке 4.10 показан внешний вид излома шпинтона из стали 40Х после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска 450 °С.

Рисунок 4.10 - Внешний вид излома шпинтона из стали 40Х (№ 35) после закалки быстродвижущимся потоком воды и отпуска 450 °С, излом при пуске пульсатора в работу.

Излом от поперечной трещины

Излом образца произошел при пуске пульсатора в работу. Разрушение произошло от кольцевой поперечной трещины от незначительной нагрузки. Характер разрушения - хрупкий.

4.2.3 Экспериментальные образцы (сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, низкотемпературный отпуск, партия 3)

Проводилось исследование усталостной прочности опытных образцов, изготовленных из стали 35 с применением закалки быстродвижущимся потоком воды и низкотемпературного отпуска, представленных в таблице 4.3.

Таблица 4.3 - Экспериментальные образцы шпинтонов, изготовленных по адаптированной технологии из стали 35 [118]_

№ опытного образца Материал, основные технологические параметры Режим нагружения Количество циклов нагружения до излома

образец № 9 сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 180 °С Бшах = 195 кН; Бшт = 80 кН; частота нагружения -10 Гц п = 18 380

образец № 7 сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, отпуск 180 °С Бшах = 135 кН; Бтш = 20 кН; частота нагружения -10 Гц п = 341 000

Внешний вид излома опытного образца № 9 приведен на рисунке 4.11. Анализ зоны излома образца показывает характерный излом образца с высокопрочным поверхностным слоем и вязкой сердцевиной.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 9; б - излом опытного образца № 9

Рисунок 4.11 - Образец № 9, сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды

На рисунке 4.12 представлен образец № 7 из стали 35. После 341 000 циклов нагружения произошел излом.

Процесс разрушения образцов со значительным градиентом твердости по сечению происходит следующим образом: разрушение поверхностного высокопрочного слоя с развитием опоясывающей высокопрочной зоны, в данном случае глубиной 5 мм, и характерной вязкой зоной разрушения в сердцевине.

Анализ зоны излома образца № 7 показал, что характер разрушения полностью аналогичен характеру образца № 9.

а - опытный образец после усталостных испытаний № 7; б - излом опытного образца № 7

Рисунок 4.12 - Образец № 7, сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды

Зона высокопрочного состояния также составляет 5 мм, и по ней происходит опоясывающее разрушение. Более мягкий режим нагружения образца № 7 по сравнению с образцом № 9 обеспечивает более высокую живучесть детали, и для осуществления разрушения образца после испытания к нему прикладывается статическая нагрузка, что в зоне разрушения фиксирует зону излома, характерную для статического нагружения.

4.3 Сравнительный анализ результатов усталостных испытаний

Для визуальной сравнительной оценки характерных зон разрушения образцов шпинтонов, изготовленных по трем технологическим схемам, на рисунке 4.13 показан их внешний вид.

а б в

а - образец № 22; б - образец № 3; в - образец № 9

Рисунок 4.13. - Характерные изломы трех партий шпинтонов после усталостных

испытаний

Усталостные испытания проводились при нагружении: Ртах = 195 кН, Ртт = 80 кН, частота нагружения - 10 Гц.

Для образца № 22, сталь 40Х, серийная термообработка, число циклов нагружения до излома составило N=18 150; для образца № 3, сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, N=18 420; для образца № 9, сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, N=18 380 .

На рисунке 4.14 приведен внешний вид шпинтонов, изготовленных по трем технологическим схемам производства после усталостных испытаний с определением предела выносливости на базе 2,0 млн циклов нагружения.

а

б

а - партия 1 - сталь 40Х, серийная термообработка, № 25, Ртах = 70 кН, 2,0 млн. циклов нагружения; б - партия 2 - сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды, № 34, Ртах = 100 кН, 2,5 млн. циклов нагружения; в - партия 3 - сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды, № 6, Ртах = 100 кН, 2,0 млн. циклов нагружения

Рисунок 4.14 - Три партии шпинтонов после усталостных испытаний

Анализ приведенных изломов шпинтонов показывает, что характер их разрушения при усталостных испытаниях зависит от прочностных свойств материалов по сечению изделия:

1 партия - образец № 22 - сталь 40Х, серийная термообработка - структурные особенности: высокопрочный поверхностный слой (индукционная

в

закалка), улучшенная сердцевина, выраженный перепад твердости от поверхности к центру;

2 партия - образец № 3 - сталь 40Х закалка быстродвижущимся потоком воды, среднетемпературный отпуск 400 - 450°С - структурные особенности: равномерное распределение прочности по сечению, отсутствие выраженного градиента свойств, высокие прочностные показатели по всему сечению шпинтона;

3 партия - образец № 9 сталь 35 закалка быстродвижущимся потоком воды, низкотемпературный отпуск 180 - 200°С - структурные особенности: сочетание высокой поверхностной прочности, вязкая сердцевина.

Обобщенные результаты испытаний на усталостную прочность представлены в таблице 4.4.

Таблица 4.4 - Результаты испытаний на выносливость образцов шпинтонов

№ п/п Номер образца Наибольшая нагрузка цикла, кН Наименьшая нагрузка цикла, кН Коэффициент асимметрии цикла Частота, Гц Число циклов Результат испытания

Партия № 1: сталь 40Х, серийная термообработка

1 22 195 80 0,41 10 18 150 сломался

2 24 135 20 0,15 10 45 561 сломался

3 23 100 10 0,10 10 147 602 сломался

4 25 70 7 0,10 10 2 000 000 не сломался

Партия № 2: сталь 40Х, закалка быстродвижущимся потоком воды

1 3 195 80 0,41 10 18 420 сломался

2 33 135 20 0,15 10 71 740 сломался

3 32 135 20 0,15 10 31 000 сломался

4 34 100 10 0,10 10 2 500 000 не сломался

Партия № 3: сталь 35, закалка быстродвижущимся потоком воды

1 9 195 80 0,41 10 18 380 сломался

2 7 135 20 0,15 10 341 000 сломался

3 6 100 10 0,10 10 2 000 000 не сломался

В результате проведенных усталостных испытаний шпинтонов выявлены значения пределов выносливости образцов (таблица 4.5).

Таблица 4.5 - Пределы выносливости образцов после проведения усталостных испытаний

Партия Материал и технология обработки Предел выносливости, МПа

1 сталь 40Х (серийная термообработка) 470

2 сталь 40Х (закалка БПВ) 770

3 сталь 35 (закалка) 815

Результаты по оценке усталостной прочности трех партий шпинтонов приведены на рисунке 4.15.

1- из стали 40Хсерийного производства (сталь 40Хсерийный вариант); 2 - из стали 40Хпосле закалки быстродвижущимся потоком воды (сталь 40ХБПВ); 3 - из стали 35 после закалки быстродвижущимся потоком воды (сталь 35 БПВ)

Рисунок 4.15 - Результаты выносливости шпинтонов

Анализ полученных результатов усталостной прочности показывает, что применение адаптированной технологической схемы закалочного охлаждения шпинтонов БПВ как из серийной марки стали 40Х, так и из стали 35 обеспечивает более высокий предел выносливости при усталостных испытаниях.

127

4.4 Выводы по разделу 4

1 На основании проведенных экспериментальных исследований образцов шпинтонов на усталостную прочность выявлено, что применение технологии упрочнения с использованием быстродвижущегося потока воды для термообработки стали 40Х обеспечивает более высокий предел выносливости по сравнению с серийной технологией.

2 На основе результатов экспериментальных исследований по определению предела выносливости показано, что наивысший предел выносливости среди всех исследованных образцов демонстрирует углеродистая сталь 35, упрочненная закалкой быстродвижущимся потоком воды. Достигнутое значение составило 815 МПа, что на 43% выше, чем у образцов из стали 40Х, обработанных по серийной технологии, и на 6% превышает показатель стали 40Х, также упрочненной закалкой быстродвижущимся потоком воды

3 Полученные экспериментальные данные подтверждают эффективность технологии закалки быстродвижущимся потоком воды и перспективность применения стали 35 вместо легированных марок.

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦАХ, ПРОШЕДШИХ ТЕХНОЛОГИЮ УПРОЧНЕНИЯ

Для эффективного контроля и управления макроскопическими остаточными напряжениями важно учитывать не только процессы деформации и свойства материалов, но и другие факторы, влияющие на формирование напряжений в конструкциях. Оптимизация процессов и внедрение новых подходов к анализу помогут минимизировать риски от действия остаточных напряжений на структурные элементы [45].

Применение универсальных аналитических моделей для расчёта остаточных напряжений в деталях сложной геометрии, особенно при нерегулярном распределении, сопряжено со значительными трудностями. По этой причине разработка экспериментальных методик требует учёта специфики формы объекта, свойств материала, технологических параметров изготовления, особенностей термообработки, а также истории механических воздействий. Интеграция этих факторов позволяет повысить точность определения напряжений и адаптировать метод под конкретные инженерные задачи [86].

Исследовалась рабочая часть шпинтона - короткий цельнометаллический вал из трёх марок сталей с разной термообработкой. Результаты показали, что все варианты обработки создают перепад твёрдости (твёрдая поверхность -пластичная сердцевина), что подтверждает наличие сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое, повышающих усталостную прочность [70].

В диссертационной работе используется определение остаточных напряжений в образцах шпинтонов по методу Н. Н. Давиденкова, когда методика предполагает подход к измерению окружных остаточных напряжений без использования сложных оптических приборов. Данный метод позволяет определить интегральную характеристику Mp - суммарный окружной момент

и измерить раскрытие трубчатого образца в диапазоне от долей до единиц миллиметров.

Сначала применяется метод поэтапного снятия слоев образца, что приводит к изменению кривой окружных напряжений для каждого удаленного слоя. Это приводит к эквивалентному воздействию дополнительного момента, который вызывает изменение значения деформации д. Удаление слоев происходит с использованием химического стравливания.

Остаточные напряжения, возникшие в деталях вследствие неравномерной упруго-пластической деформации, формирования заготовки, механической обработки и упрочнения поверхностных слоев, находятся в равновесии в различных участках детали. Нарушение этого равновесия приводит к перераспределению напряжений или короблению детали. Глубина и величина остаточных напряжений в поверхностных слоях зависят от условий обработки поверхности и могут различаться в разных направлениях вдоль поверхности.

В ходе процессов кристаллизации и последующего охлаждения материала в структуре зерен развиваются сложные фазовые превращения, сопровождающиеся возникновением микронапряжений. Данные напряжения обусловлены:

1 термомеханическими эффектами: объемные изменения при фазовых превращениях, анизотропия термического расширения кристаллической решетки, неравномерность охлаждения различных зон зерна;

2 кристаллографическими особенностями;

3 формированием дислокационных скоплений и развитием точечных дефектов. Ротации кристаллической решётки и искажения могут происходить в отдельных микрообластях из-за неупругого микродеформирования.

Комплексное взаимодействие этих факторов определяет конечное распределение микронапряжений, существенно влияя на эксплуатационные характеристики материала.

Остаточные микронапряжения играют важную роль в механических свойствах материалов и могут влиять на их долговечность и надёжность.

Определение остаточных напряжений может быть осуществлено путем применения различных физических методов, таких как дифракционные, акустические (согласно ГОСТ Р 52731-2007 [31]) и электромагнитные (согласно ГОСТ 30415-96 [28]), а также механические методы.

5.1 Методика исследования остаточных напряжений

Известно, что остаточные напряжения после термоупрочнения сталей могут оказывать значительное влияние на долговечность и прочностные характеристики материалов, особенно в условиях экстремальных нагрузок.

Важным аспектом при учете разбросов повреждаемости является также анализ взаимодействия остаточных напряжений с другими факторами, такими как внешние нагрузки, температурные изменения и воздействие внешней среды. Это позволит учесть все возможные варианты воздействия на материал и предусмотреть необходимые меры по минимизации рисков возникновения повреждений.

Понимание влияния остаточных напряжений на прочностные свойства материалов позволяет предпринимать целенаправленные действия для обеспечения долговечности и надежности изделий при эксплуатации.

5.1.1 Описание экспериментальной установки

Для изучения поверхностных остаточных напряжений (ПОН) в поверхностном слое шпинтонов применялся механический разрушающий метод по методике Н. Н. Давиденкова. Исследования проводились на автоматизированном измерительном комплексе МерКулОН «Тензор-3» (рисунок 5.1), обладающем следующими характеристиками:

• использование унифицированного электролита для травления различных сталей и сплавов;

• автоматическое управление параметрами травления;

• высокая точность измерений (погрешность не превышает 5 %), соответствующая ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 [32].

Комплекс сертифицирован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (сертификат RU.E28.003A № 26030), внесен в Государственный реестр средств измерений под № 33350-06, официально допущен к применению на территории Российской Федерации.

" I— /„ Г^С !

Рисунок 5.1 - Внешний вид установки МерКулОН «Тензор» [131]

Преимущества методики:

- возможность послойного анализа напряженного состояния;

- автоматизация процесса измерений;

- стандартизированные условия проведения испытаний;

- воспроизводимость результатов.

Применение данного метода позволило получить достоверные данные о распределении остаточных напряжений в поверхностном слое шпинтонов с высокой степенью точности.

5.1.2 Выбор образцов шпинтонов для проведения исследований на наличие

остаточных напряжений

Длина образца выбиралась таким образом, чтобы неискажённая часть превышала длину участков, искажённых краевыми дефектами [ 86]. Проводилось исследование трех образцов, распределение твердости которых представлено на рисунке 5.2.

0

01 К

60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10

>

—> <

0 1 2 3 4 5 6 7

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 Расстояние, мм

—•—сталь 40Х, стандартная т/о

—ж—сталь 40Х, закалка БПВ, отпуск 450 °С

—»—сталь 35, закалка БПВ, отпуск 180 °С

Рисунок 5.2 - Распределение твердости по сечению рабочей зоны шпинтонов после

различных вариантов упрочнения

На рисунке 5.3 приведен внешний вид натурных образцов деталей после термообработки. Рассматривались образцы длиной около 200 мм диаметром 50 мм с изломом на одном торце. Коэффициент асимметрии 0,1.

а б

а - сталь 40Х, серийная термообработка; б - сталь 40Х, БПВ, отпуск 450 °С; в - сталь 35, БПВ, отпуск 180 °С

в

Рисунок 5.3 - Шпинтоны на замер остаточных напряжений после термообработки

На рисунке 5.4 приведены образцы после проведения усталостных испытаний для определения поверхностных остаточных напряжений.

а

а - опытный образец №° 22 - сталь 40Х, серийная термообработка; Рмах = 195 кН;

Рмин = 80 кН; п = 18 150 циклов нагружения; б - опытный образец №° 3 - сталь 40Х, закалка БПВ, отпуск 450 °С; Рмах = 195 кН;

Рмин = 80 кН; п = 18 420 циклов нагружения; в - опытный образец №° 9 - сталь 35, закалка БПВ, отпуск 180 °С; Рмах = 195 кН; Рмин = 80 кН; п = 18 380 циклов нагружения

Рисунок 5.4 - Образцы на замер остаточных напряжений после усталостных испытаний

На рисунке 5.5 приведены образцы после проведения статических испытаний для определения поверхностных остаточных напряжений.

а

а - № 10 - сталь 35, БПВ, отпуск 180 0С, Рмах=302 кН, прогиб 31 мм; б - № 5 - 40Х, БПВ, отпуск 450 0С, Рмах=410 кН; прогиб 29,5 мм; в - № 21 - 40Х, серийная термообработка, Рмах=261 кН, прогиб = 33,2 мм

Рисунок 5.5 - Образцы на замер остаточных напряжений после статических испытаний

Для проведения исследований поверхность образцов зачищают для устранения внешних дефектов и наносят метки для измерения деформаций.

5.1.3 Реализация методики измерения остаточных напряжений

Комплекс МерКулОН «Тензор 3» обеспечивает получение достоверных данных о распределении остаточных напряжений по глубине поверхностного слоя, что особенно важно для оценки эксплуатационной надежности деталей.

Алгоритм исследования методом Н. Н. Давиденкова включает следующие этапы:

1 подготовка образца (выбирается плоский образец с контролируемой геометрией (пластина), подготовка поверхности);

2 измерение начального состояния (определяется начальная кривизна поверхности, установка тензодатчиков для контроля деформаций);

3 послойное удаление материала (производится съем тонких слоев материала электрохимическим травлением с контролем толщины удаляемого слоя);

4 измерение внутренних напряжений после каждого этапа снятия слоя с помощью тензодатчиков, контроль изменения кривизны поверхности образцов;

5 расчет остаточных напряжений математическим методом согласно формулам З. А. Серебрянникова [87].

Глубина удаляемых поверхностных слоев определяется с высокой точностью на основе закона Фарадея, что обеспечивает достоверность измерений остаточных напряжений [132]. В ходе эксперимента выполняется условие постоянства величины электрохимического эквивалента, который контролируется и корректируется по убыли веса образца.

С целью определения ПОН из шпинтона электроэрозионным методом проволокой были вырезаны образцы (рисунок 5.6):

- призматические вдоль оси шпинтона для определения осевых ПОН;

- кольцевые поперек оси шпинтона для определения окружных ПОН.

а - призматические пластины для определения осевых ПОН; б - кольцевые сегменты для определения окружных ПОН

Рисунок 5.6 - Образцы для определения ПОН в поверхностном слое шпинтонов

Эффективное определение остаточных напряжений требует установления корреляции между измеряемыми параметрами и компонентами напряженно-деформированного состояния. Эта задача осложняется множеством влияющих факторов. Методические сложности обусловлены возникновением вторичных индуцированных напряжений при механическом удалении материала, возможной деструкции поверхности в процессе измерений.

Представленный подход позволяет получать достоверные данные о распределении остаточных напряжений при минимальном влиянии измерительной процедуры на исходное напряженное состояние материала.

Электроэрозионный способ подготовки гарантирует сохранение исходного распределения остаточных напряжений, что принципиально важно для достоверности результатов.