CC BY
7DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1 -76-80
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОСЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ОСЕВОЙ СТАЛИ В ВЫСОКОСКОРОСТНОМ ПОДВИЖНОМ СОСТАВЕ
Волохов Г.М.1, Князев Д.А.1, Чунин В.В.1, Тимаков М.В.1, Ваулин П.В2
1 Акционерное общество «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический институт подвижного состава» (АО «ВНИКТИ»), г. Коломна
2 Общество с ограниченной ответственностью «Уральские локомотивы» (ООО «Уральские локомотивы»), г. Верхняя Пышма
В данной статье приведены основные механические характеристики металла осей колесных пар скоростного (высокоскоростного) подвижного состава, эксплуатирующегося на сети железных дорог Российской Федерации. Также приведены результаты стендовых испытаний стандартных образцов и натурных осей, изготовленных из различных марок сталей ОС и EA4AT, на циклическую вязкость разрушения и живучесть соответственно. На основании полученных результатов испытаний проведена расчетная оценка периодичности роста трещины от воздействия сил, действующих на колесную пару скоростного (высокоскоростного) подвижного состава в эксплуатации.
На данный момент в России эксплуатируется высокоскоростной подвижной состав ЭВС1 проекта Velaro Rus «Сапсан», который был разработан в соответствии с европейскими нормативными документами и имеет конструкционную скорость 250 км/ч. Согласно конструкторской документации в колесной паре используется полая ось, изготовленная из марки стали EA4T.
Схожие по конструкции и материалу изготовления оси колесных пар эксплуатируются в скоростном моторвагонном подвижном составе ЭС1 проекта Desiro Rus «Ласточка». При этом при подписании контракта на закупку данного подвижного состава была предусмотрена процедура локализации изготовления его деталей в России. В связи с ее реализацией оси колесных пар «Ласточки» (ЭС2Г) стали изготавливать в соответствии с требованиями ГОСТ 33200-2014 из марки стали ОС. Для сравнения основные характеристики этих осей приведены в таблице 1.
Таблица 1. Механические характеристики металла и п
точность осей из марки стали ОС и EA4T
№ п/п Наименование показателя Ось ЭС2Г Ось ЭС1 Ось ЭВС1
«Ласточка» «Ласточка» «Сапсан»
1 Марка стали ОС ЕА4АТ ЕА4АТ
2 Предел прочности ав, МПа 671 755 705
3 Предел текучести От, МПа 340 570 550
4 Относительное удлинение,% 28 21 27
5 Поперечное сужение ф,% 49,0 61,5 68,0
6 Твердость на поверхности оси, HV 225 240 230
7 Предел выносливости о-1д, МПа 206 186 180
8 Коэффициент запаса статической прочности 2,32 3,89 3,75
9 Коэффициент запаса сопротивления усталости 1,39 1,27 1,22
При оценке соответствия осей колесных пар требованиям ТР ТС 001 (ТР ТС 002) по параметрам прочности подтверждаются характеристики статической прочности и циклической долговечности. Из таблицы видно, что коэффициент запаса статической прочности выше у осей из марки стали ЕА4Т, это связано с более высоким значением предела текучести для
данной стали по сравнению с маркой ОС. При этом значение коэффициента запаса сопротивления усталости выше у оси из марки стали ОС, так как выше полученный экспериментальным путем предел выносливости данной оси по сравнению с осями, изготовленными из марки стали ЕА4Т.
Еще одним показателем, отвечающим за безопасность эксплуатации подвижного состава, является живучесть оси колесной пары, то есть период, за который трещина разовьется с размера, допускаемого при проведении ультразвукового контроля (при проведении УЗК допускаются дефекты не более 2 мм) до размера длины трещины, эквивалентного потере несущей способности конструкции оси (160 мм). При этом для исключения возможности разрушения (излома) конструкции оси колесной пары в эксплуатации необходимо устанавливать соответствующую периодичность неразрушающего контроля.
Для оценки живучести осей колесных пар были проведены исследования трещиностой-кости (циклической вязкости разрушения) на стандартных образцах по ГОСТ 33200-2014 и скорости роста трещины на натурных осях, для марок стали ЕА4Т и ОС.
Для проведения испытаний на циклическую вязкость разрушения были изготовлены по двенадцать образцов для каждой марки стали. Образцы изготавливались из шеек натурных осей в соответствии рис. 2. Геометрические размеры стандартных образцов приведены на рис. 1.
Рис. 1. Образец с краевым концентратором для испытаний на трещиностойкость
Рис. 2. Места вырезки образцов
Образцы испытывали на плоский изгиб при нагружении по схеме балки, установленной на двух опорах с приложением циклической нагрузки посередине образца. Исходная трещина на образцах была расположена в плоскости, перпендикулярной наибольшим растягивающим напряжениям. Испытания по определению циклической вязкости разрушения выполняли до разрушения образца при постоянном коэффициенте асимметрии цикла нагружения согласно ГОСТ 33200-2014. Нагружение мягкое, заданное размахом нагрузок.
По результатам испытаний были получены параметры кинетической диаграммы усталостных разрушений (КДУР), приведенные в таблице 2. Таблица 2. Характеристики трещиностойкости металла осей
Марка стали / , °С испытаний К& , МПау[м КЛ , МПау[м
ОС 25 70,3 15,4
ОС -60 47,6 18,3
ЕА4Т 24 88,7 14,3
ЕА4Т -60 53,7 18,7
Для сравнительной оценки скорости роста трещины в натурной конструкции оси были проведены их испытания на живучесть. Для установки в стенд в соответствии с ГОСТ 337832016 натурные оси формировались с имитаторами колес на одной стороне оси, а на другие свободные торцы осей монтировались нагружающие устройства (рис. 3), позволяющие воспроизводить нагрузку, эквивалентную эксплуатационной с учетом ее увеличения для сокращения времени испытаний.
Рис. 3. Внешний вид объекта испытаний (ось в сборе с технологическим имитатором колеса)
После установки в стенд производилось тензометрирование осей для определения напряжений в них от воздействия сил при различных режимах нагружающего устройства. Далее в наиболее нагруженных сечениях осей воспроизводились максимально допускаемые по методу неразрушающего контроля (НК) трещиноподобные дефекты, приведенные на рис. 4.
Рис. 4. Место нанесения трещиноподобного дефекта с допускаемыми по НК размерами
После чего производилось циклическое нагружение данных осей, от воздействия которого на границах трещиноподобного дефекта возникли трещины, длина которых замерялась по прошествии определенного количества циклов нагружения. Графические зависимости роста длины трещины от количества циклов при постоянной нагрузке приведены на рис. 5 для оси, изготовленной из стали ОС, и рис. 6 для оси, изготовленной из стали ЕА4Т.
Рис. 5. Зависимость изменения длины трещины от количества циклов нагружения оси,
изготовленной из марки стали ОС
1 гиг
ЯЛ.
1Г,
ЗО
А. о
-5001» -зов» -10000 10000 3.0000 50000 70000 «ООО ! 10000 ПОООО 150000
Количсстео циклов
Рис. 6. Зависимость изменения длины трещины от количества циклов нагружения оси, изготовленной из марки стали ЕА4Т
10* 10* 10* ш' 10* 10* ю"
1, измеренная дистанция; 2664.9 км 2; измеренная дистанция: 2664.9 01
Точки измерения в центре iiiii
ifJii""!"
■с-: .... - • • Датчик 3: измеренная дистанция: 2664.9 км
— Ü! i üiiii i г Точки измерения вблизи колеса
::: 1 / :::::: :
1
тт ::::: : " !
!!Г
... ■i ----•-. »ii-— -j-j }к|— ajr к-...j.. Üi
!"
: :: !
i
i i;ii üiiii 1 ; ::,,., л : : :; iiii i
Рис. 7. Величины напряжений, возникающие в оси, полученные по результатам проведения ходовых испытаний
Из полученных графических зависимостей видно, что при одинаковых номинальных амплитудах напряжений в наиболее нагруженной зоне осей количество циклов нагружения до достижения критической длины трещины больше для стали марки ОС по сравнению с маркой ЕА4Т. Для обоснования периода освидетельствования осей колесных пар проведен перерасчет периода живучести полученных зависимостей с учетом блока эксплуатационной нагруженно-сти осей колесных пар, полученных по результатам натурных ходовых испытаний по маршруту Санкт-Петербург - Москва - Нижний-Новгород, приведенный на рис. 7.
На рис. 8 приведены сравнительные результаты живучести осей, изготовленных из стали марки ОС и ЕА4Т с учетом полученного блока эксплуатационной нагруженности (рис. 7). Из полученных результатов видно, что живучесть оси колесной пары, изготовленной из марки стали ОС, выше на 11% по сравнению с осями из марки стали ЕА4Т.
60 50 1 40 га" I <3 30 2? 20 10 0
50000 100000 150000 200000 250000 Пробег, км
Рис. 8. Живучесть оси колесной пары с учетом блока эксплуатационной нагруженности
По результатам проведенной расчетно-экспериментальной работы можно сделать выводы:
1. Пороговые значения КИН (Кь) сопоставимы, а циклическая вязкость разрушения (К&) у стали ЕА4Т выше на 7%.
2. Живучесть (наработка с момента зарождения трещины в натурной оси до потери ее несущей способности) оси из стали марки ОС на 11 % больше по сравнению с осью марки стали ЕА4Т. Возможному объяснению этого является создание на поверхности оси из марки стали ОС сжимающих остаточных напряжений вследствие упрочнения накатывания роликом.
3. Учитывая ограниченную выборку объектов испытаний, предполагается оценку живучести осей колесных пар из марок сталей ОС и ЕА4Т сделать на большем количестве образцов.
