Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования 8
1.1 Роль фрикционного клина в работе узла гашения колебаний тележки грузовых вагонов 8
1.1.1 Принцип работы, технические и силовые характеристики 10
1.1.2 Конструкция, материал и служебные свойства фрикционных клиньев 14
1.1.3 Анализ факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики фрикционного клина гасителя колебаний 22
1.2 Анализ эксплуатационных свойств фрикционного клина на основе экспериментальных данных 30
1.2.1 Количественная оценка экспериментальных данных 31
1.2.2 Статистический анализ экспериментальных данных 34
1.2.3 Комплексный анализ обработанных данных 39
1.3 Пути повышения технических и эксплуатационных свойств фрикционных клиньев 44
1.3.1 Фрикционные клинья из серого чугуна 44
1.3.2 Стальные фрикционные клинья 46
1.3.3 Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна 48 Основные выводы. Цель и задачи исследования 48
Глава 2 Методики оценки свойств материала и эксплуатационных характеристик фрикционных клиньев 51
2.1 Методики исследования свойств материала фрикционных клиньев 51
2.1.1 Лабораторные исследования химического состава, структуры и механических свойств 52
2.1.2 Стендовые сравнительные исследования на износостойкость 55
2.2 Методики исследования прочностных свойств и износостойкости фрикционных клиньев 57
2.2.1 Стендовые испытания на прочность 58
2.2.2 Стендовые испытания на износостойкость и трибологические свойства 62
Глава 3 Разработка, получение и исследование специального модифицированного чугуна с заданными свойствами 63
3.1 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании 64
3.1.1 Влияние легирующих элементов на свойства серого чугуна 65
3.1.2 Модифицирование серого чугуна 69
3.2 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании 73
3.2.1 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35 и легированного чугуна на его основе 73
3.2.2 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35, легированного Ni и Mo с использованием модификаторов «Z-GRAPHТ» и «Р20» 90
3.3 Исследование чугуна легированного молибденом, никелем и обработанного модификатором «Z-GRAPHТ» 97
3.3.1 Получение опытных образцов 97
3.3.2 Лабораторные исследования образцов из чугуна ЧМН- 35М 99
3.3.3 Стендовые сравнительные исследования образцов из чугуна ЧМН-35М на износостойкость 108
3.4 Выводы по главе 110
Глава 4 Исследование прочностных и трибологических свойств фрикционных клиньев 111
4.1 Совершенствование конструкции фрикционного клина 111
4.1.1 Цифровое электронное макетирование и инженерный анализ конструкции серийного фрикционного клина 112
4.1.2 Цифровое электронное макетирование и инженерный анализ облегченной конструкции фрикционного клина 119
4.2 Исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев 122
4.2.1 Определение величины напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов 123
4.2.2 Статические стендовые испытания на разрушающую нагрузку фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов 130
4.3 Стендовые сравнительные испытания фрикционных клиньев на износостойкость и трибологические свойства 141
4.3.1 Сравнительный анализ износостойкости фрикционных клиньев из модифицированного чугуна ЧМН-35М с серийными 142
4.3.2 Определение коэффициента относительного трения пар трибосочетания с использованием фрикционных клиньев из чугуна марки ЧМН-35М 144
4.4 Выводы по главе 145
Глава 5 Технико-экономическая эффективность 147
Заключение 153
Список литературы 156
- Анализ эксплуатационных свойств фрикционного клина на основе экспериментальных данных
- Методики исследования прочностных свойств и износостойкости фрикционных клиньев
- Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании
- Исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях роста промышленного производства и увеличения грузоперевозок в Российской Федерации, все большее значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одной из основных задач этого является минимизация затрат на обслуживание и ремонт грузовых вагонов. В то же время, значительное количество отцепок вагонов, приводящее к длительным простоям, снижению безопасности движения и частым трудоемким ремонтам, происходит по причине неисправностей ходовых частей.
Так как основным узлом тележки грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний, исследования, направленные на совершенствование тележек грузовых вагонов и их компонентов, являются актуальными и вытекают из первоочередных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом.
Основное внимание исследователей, при этом, привлекает разработка новых материалов путем оптимизации химического состава, улучшение физико-механических и трибологических свойств, совершенствование конструкции, а так же прогнозирование работы фрикционного клина узла гашения колебаний в различных условиях эксплуатации.
Цель и задачи исследования. Целью настоящего исследования является улучшение эксплуатационных характеристик фрикционного клина узла гашения колебаний тележки грузового вагона путем разработки специального модифицированного чугуна и способа его получения, а также совершенствование конструкции клина на основе применения разработанного материала.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ свойств и существующих способов получения
специальных чугунов с заданными свойствами, при использовании технологий
легирования и модифицирования серых чугунов;
получить и провести комплекс исследований вариантов модифицированния серого чугуна, легированного фосфором, медью, никелем, хромом, молибденом и оловом;
разработать химический состав и технологию изготовления специального модифицированного серого чугуна с заданными свойствами, получить и исследовать образцы специального чугуна по химическому составу, структуре и механическим свойствам;
- провести испытания на износ при сухом трении образцов специального
модифицированного чугуна в сравнении с серым чугуном марки СЧ35 и сталей
марок 30ХГСА, 25Х, применяемых в парах трения деталей узла гашения
колебаний грузовых вагонов;
- для определения прочностных свойств специального
модифицированного серого чугуна разработать средствами цифрового
макетирования электронную модель облегченного клина и провести ее
инженерный анализ на прочность;
- изготовить физический прототип фрикционного клина из специального
модифицированного серого чугуна по разработанной технологии его
получения;
- провести стендовые сравнительные прочностные испытания и
трибологические исследования полученного прототипа фрикционного клина с
серийно применяемыми клиньями из серого чугуна марки СЧ35.
Научная новизна.
1. На основании аналитических исследований принципа работы, конструкции, силовых и технических параметров узла гашения колебаний тележки грузового вагона установлено влияние структуры, химического состава и механических свойств материалов фрикционного клина на его прочностные и эксплуатационные характеристики.
2. В результате статистического анализа работоспособности
фрикционных клиньев из серого чугуна марки СЧ25 при эксплуатации на сети
железных дорог выявлена и формализована закономерность в виде зависимости
износостойкости (прогнозируемого пробега клина) от его твердости.
-
На основе сравнительных исследований структуры и свойств серого чугуна марки СЧ35 различных вариантов легирования и модифицирования показано, что наиболее перспективным является легирование серого чугуна никелем и молибденом в сочетании с добавками комплексного модификатора, приводящими к получению в структуре сетчатого пластинчатого графита и металлической матрицы преимущественно перлитной структуры с присутствием игольчатого феррита и мартенсита, повышающими прочность и износостойкость.
-
Разработана, получена и исследована новая марка специального износостойкого чугуна ЧМН-35М с улучшенными прочностными и фрикционными свойствами, на основе легирования и модифицирования серого чугуна марки СЧ35 никелем, молибденом и комплексным модификатором на основе кремния, марганца, циркония, бария, алюминия и кальция.
-
С учетом специфических свойств разработанного специального чугуна, использования средств цифрового электронного моделирования и инженерного анализа, рассчитана и спроектирована новая конструкция фрикционного клина уменьшенной материалоемкости.
-
Разработана оснастка и впервые использована методика стендовых прочностных сравнительных испытаний и исследования напряженного состояния конструкции фрикционных клиньев различных модификаций.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных в работе результатов и обоснованность выводов по проведенным исследованиям, подтверждаются заключениями аккредитованных испытательных центров и лабораторий, выполненных с применением комплекса современного оборудования, метрологического
обеспечения и использования апробированных методик исследований и испытаний.
Практическая ценность работы.
1. Разработан комплект технологических инструкций, а так же внедрены
на ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» технические условия на получение
специального модифицированного чугуна ТУ 0812-001-10036140-2013 «Чугун
легированный модифицированный марки ЧМН-35М», предназначенного для
использования при изготовлении тяжело нагруженных деталей тележек
грузовых вагонов, в том числе фрикционного клина облегченной конструкции.
2. На ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» разработана
конструкторско-технологическая документация на производство фрикционного
клина облегченной конструкции (чертеж ВАГР-0113.50.00.002 «Клин») и
внедрены технические условия на его изготовление и приемку - ТУ
ВАГР.667149.001ТУ «Клин фрикционный из чугуна легированного
модифицированного для тележек грузовых вагонов».
-
Изготовлена опытная партия клиньев облегченной конструкции из чугуна марки ЧМН-35М и поставлена на пробеговые испытания.
-
Сформулирован технико-экономический принцип выбора материалов для изготовления фрикционного клина гасителя колебаний тележек грузовых вагонов на основе оптимального соотношения их стоимости и долговечности (межремонтного пробега новых тележек и тележек после деповского и капитального ремонтов).
На защиту выносятся:
1. Результаты аналитических исследований структурообразования
легированных и модифицированных серых износостойких чугунов с
улучшенными прочностными свойствами.
2. Разработка химического состава, технологии получения и результаты
лабораторных исследований образцов серого чугуна легированного
"Ni","V","Мо","P".
-
Разработка химического состава, технология получения и результаты лабораторных исследований и механических испытаний образцов синтетического чугуна, легированного ферромолибденом, ферроникелем и обработанного различной массой модификатора «Z-GRAPHТ».
-
Результаты сравнительных исследований на износостойкость образцов специального чугуна марки ЧМН-35М и серого чугуна марки СЧ35.
-
Результаты стендовых сравнительных испытаний и исследований на износостойкость, прочностные и трибологические свойства, разработанного фрикционного клина облегченной конструкции из специального модифицированного чугуна марки ЧМН-35М с серийными клиньями.
Личный вклад автора. Автор участвовал в постановке целей и задач исследования, в выборе и разработке методик исследования, разработке состава легированного модифицированного чугуна, проведении лабораторных исследований и стендовых испытаний, разработке нормативно-технической документации, проектировании и инженерных расчетах.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались: на международных научно-практических конференциях «Инновации в машиностроении» (Новосибирск 2012 г.) и «Современная наука и образование: инновационный аспект» (Москва, 2013 г.); на XXII Уральской школе металловедов термистов «Актуальные проблемы физического металловедения в сталях и сплавах» (Оренбург, 2014 г.); на литейной секции научно-технического совета ОАО «Алтайвагон» (Новоалтайск 2013 г.); на научно-технических советах ОАО «ВРК-2» (Москва, Челябинск 2012-2013гг.); на научно-технических совещаниях Департамента технической политики ОАО «РЖД» (2012-2013 гг.); на производственно-технических совещаниях заводов ЗАО «Алтайский сталелитейный завод» и ООО «СибТрансМаш» (2012-2013 гг.); на Международной научно-практической конференции «Перспективы использования инновационных материалов и технологий в промышленности» (Москва, 2014 г.).
Публикации. По результатам диссертации опубликовано 8 статей в том числе в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ - 6, получено 3 патента на полезную модель.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка из 91 наименования и 6 приложений. Общий объём работы составляет 186 страниц, содержит 72 иллюстрации и 48 таблиц.
Анализ эксплуатационных свойств фрикционного клина на основе экспериментальных данных
Фрикционный клин в процессе эксплуатации характеризуется множеством параметров, влияющих на его работоспособность в составе узла фрикционного гасителя колебаний вагонной тележки. Значения этих параметров являются проявлением как непосредственных свойств клина, так и свойств, обусловленных влиянием внешней среды (условий эксплуатации).
Для получения объективной оценки эксплуатационных свойств фрикционного клина на ОАО «ВРК-2» совместно с ООО «СибТрансМаш» была проведена работа по качественной оценке состояния фрикционных клиньев марки СЧ25 при плановых видах ремонта, по следующим параметрам:
- фиксировался пробег вагона; - определялся износ вертикальной стенки; - определялся износ наклонной стенки; - определялась остаточная твердость вертикальной стенки; - определялась остаточная твердость наклонной стенки. Определение износа вертикальной и наклонной стенок проводилось в соответствии с требованиями РД 32 ЦВ 052 «Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов» шаблонам Т 914.09.000 и Т 914.20.000. Определение твердости проводилась при помощи твердомера типа ТЭМП-4, настроенному по эталонному образцу. Замеры твердости проводились не менее чем в 4-х точках на каждой из поверхностей фрикционного клина.
Всего было проверено 55 тысячи клиньев в тридцати трех вагоноремонтных депо ОАО «ВРК-2».
Эксплуатационные свойства фрикционного клина при количественной оценке характеризуются набором следующих экспериментальных данных о его техническом состоянии, которые определяются на основе результатов физических измерений при установлении его замены или дефектации: - величина пробега от планового вида ремонта (P), тыс.км; - величина износа наклонной поверхности клина (Zн), мм; - величина износа вертикальной стенки клина (Zв), мм; - величина суммарного износа наклонной и вертикальной стенок клина (Zобщ), мм; - средняя остаточная твердость вертикальной стенки клина (Tсрв), HB; - средняя остаточная твердость наклонной стенки клина (Tсрн), HB; - средняя суммарная остаточная твердость клина (Tср), HB;
Средние значения остаточной твердости вертикальной и наклонной стенок клина определяются путем измерения твердостей Т1, T2, T3 и T4 в четырех контрольных точках на каждой поверхности, с последующим их усреднением: Tсрв(н)=(T1в(н)+T2в(н)+T3в(н)+T4в(н))/4.
Величина суммарного износа наклонной и вертикальной стенок клина определяется как: Zобщ = Zн + Zв, мм. Средняя суммарная остаточная твердость клина определяется следующим образом, а именно: Tср = (Tсрв+ Tсрн)/2, HB.
При этом, за основу количественной оценки экспериментальных данных принимаются: величина пробега от планового вида ремонта, величина суммарного износа наклонной и вертикальной стенок клина и средняя суммарная остаточная твердость клина.
Исходя из количественного анализа по пробегу (таблица 1.9), количество клина с известным пробегом составляет 35128 шт. (64%), количество клина с пробегом от 120000 км., свыше 150000 км, то есть фактически прошедших межремонтный пробег составляет 24360 шт. (44%).
Фрикционные клинья, не дошедшие до межремонтного пробега, составляют 10768 шт. (19.6%).
Количественная оценка суммарного износа фрикционных клиньев (таблица 1.10) по выборке 52577 шт, показывает в зонах низкого (до 2 мм.) и рабочего (до 5 мм.) суммарных износов находится 62% клина, в зонах предельного (до 7 мм.) и критического (свыше 7 мм.) суммарных износов находится 38% клина.
Рассматривая количественную оценку по усредненной остаточной твердости фрикционных клиньев (таблица 1.11), следует отметить, что в зону остаточной твердости от 200 до 280 HB, которой соответствует более 90%, используемых в грузовых тележках фрикционного клина из серого чугуна, попадает лишь 63.5% проверенного клина.
Исходя из предоставленных данных по остаточной твердости фрикционных клиньев, следует так же обратить внимание, что в зону с 240 по 280 HB попадает не более 36% измеренных клиньев. Данная зона отражает высокое качество серого чугуна. 1.2.2 Статистический анализ экспериментальных данных
Подготовка экспериментальных данных для статистического анализа В общем виде экземпляры наборов значений параметров представляют собой многомерные совокупности числовых значений [51,52] и могут быть представлены в виде матрицы экспериментальных данных Z, которая после проведения предварительной обработки исходных экспериментальных данных, имеет следующий вид
Методики исследования прочностных свойств и износостойкости фрикционных клиньев
Для оценки качества фрикционного клина как изделия проводятся:
1. Контроль геометрических размеров клиньев на соответствие требованиям чертежей № М1698.00.002, М 1698.00.003 «Клин фрикционный».
2. Оценка состояния поверхности клиньев (наличие, форма, размер, расположение литейных дефектов) по ГОСТ 19200-80 и техническим требованиям чертежей, оценка шероховатости рабочих поверхностей клиньев по ГОСТ 9378-75. 3. Оценка макроструктуры (наличие и расположение внутренних раковин, пор, рыхлот, ликвации) на вырезанных из клиньев темплетах, путем травления их в кипящем 50% растворе соляной кислоты. 4. Стендовые испытания фрикционных клиньев проводились с целью определения и сравнительной оценки конструкционной прочности клиньев различных модификаций, износостойкости и коэффициента относительного трения пар «фрикционный клин – фрикционная планка» и «фрикционный клин – надрессорная балка». При этом испытаниям подвергаются фрикционные клинья, изготовленные по разным технологиям, в паре с серийной фрикционной планкой и надрессорной балкой. Оценка конструкционной прочности проводилась при сравнении напряженного состояния, возникающего во фрикционных клиньях при испытании на стенде. Для этого производили сборку фрагмента узла гасителя колебаний тележки грузового вагона модели 18-100 (рисунок 2.2).
Данный стенд состоит из боковой рамы, крайнего участка надрессорной балки, двух фрикционных клиньев – правого (Р) и левого (L), с установленными под ними жесткими ограничителями. Пружинные комплекты под балку не устанавливали, тем самым не ограничивали свободу перемещения, способствуя прямой передаче нагрузки на фрикционные клинья. Предварительно на каждом клине в выбранных точках технологического отверстия наклеивали по три тензорезистора. Для измерения напряжений были использованы тензорезисторы компании ZEMIC (Китай) типа ВF350-6АА (11) N6-Х сопротивлением 349,7±0,2 Ом и порогом чувствительности 2,12±1 %. Собранный таким образом фрагмент тележки грузового вагона устанавливали на испытательную машину ЦДМ 200Пу-1. Нагрузку прикладывали к фрагменту надрессорной балки, обходя верхний пояс боковой рамы. Напряжения с тензодатчиков снимались и обрабатывались с помощью 8-ми канального измерительного усилителя Spider 8 и программного пакета Catman 4,0. Максимальная испытательная нагрузка 600 кН и места наклейки тензодатчиков (рисунок 2.3) определялась прочностью конструкции в соответствии с предоставленными прочностными расчетами от заказчика работы. Анализ результатов напряжений проводился по определенным значениям нагрузок – 200, 250, 300 kN.Стендовые испытания на разрушающую нагрузку Целью испытаний являлось определение величины предельной (разрушающей) нагрузки с получением значений напряжений, возникающих в выбранных ранее точках фрикционных клиньев облегченной и стандартной конструкции, изготовленных из чугуна и стали. Под предельной нагрузкой понимается наибольшая воспринимаемая деталью нагрузка, приводящая к полной потере ее несущей способности. Максимальная испытательная нагрузка 600 кН определялась прочностью конструкции в соответствии с предоставленными прочностными расчетами, а также возможностями испытательного оборудования. Испытание фрикционных клиньев проводилось с использованием специально разработанной для этого оснастки на машине ЦДМ 200Пу-1 (рисунок 2.4). Нагрузка прикладывалась к наклонной поверхности фрикционного клина через цилиндрический сегмент и при плавном ее возрастании снимались значения напряжений в выбранных ранее точках. Стендовые испытания по воздействию циклической нагрузки испытательного стенда типа ЦДМ 200Пу-1 на рессорно-пружинный комплект и фрикционный узел гасителя колебаний проводили на базе испытаний 1,0 млн. циклов нагружения для каждого клина. При этом оценивали: величины линейного, весового износа фрикционных клиньев и планок; линейного износа наклонных поверхностей фрагмента надрессорной балки, входящего в состав испытательного стенда; коэффициенты относительного трения узла гасителя колебаний с имитацией груженого и порожнего вагонов на указанной базе испытаний.
Так как испытания проводились при ограниченном базовом количестве циклов нагружения (1,0 млн. циклов для каждого клина), а амплитуда перемещения фрикционных клиньев относительно планок и, соответствующая амплитуда деформации рессорно-пружинного комплекта, ограничены ходом испытательной машины ЦДМ 200Пу-1, который составляет 4...7 мм при статическом прогибе пружины 50 мм, то с целью реализации максимального перемещения фрикционного клина относительно фрикционной планки и, соответственно, максимального износа клина на заданной базе испытаний, испытания клиньев в составе фрикционного узла гасителя колебаний осуществляли попеременно, чередуя установку под клин рессорно-пружинного комплекта стальной жесткой опоры высотой 200 мм (разность между высотой пружин по чертежам 100.30.002-0 и 100.30.04-0 - 249 (допуск+7,-2) мм, которая при испытаниях принимается равной для всех пружин 250 мм, и деформацией пружин по чертежам 100.30.002-0 и 100.30.04-0 - 48 (допуск +5,8, -3,8) мм под статической нагрузкой Рст, которая при испытаниях принимается равной для всех пружин 50 мм). Циклическую нагрузку в диапазоне Рмах=(260 - 350) кН, Рмин=(80 - 100) кН, обеспечивающую полную амплитуду перемещения подпружиненного клина 7,0 - 10,0 мм, прикладывали с количеством циклов нагружения 1 000 000.
Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании
Для проведения сравнительных исследований структуры и механических свойств специальных модифицированных чугунов с использованием легированных добавок были разработаны рецептуры легированного чугуна и получены образцы, в соответствии со следующим химическим составом:
- химический состав серого чугуна марки СЧ35 (образец №1) по ТУ3183-234-1124323 – 2007 приведен в таблице 3.1.
- химический состав материалов специального чугуна на основе серого чугуна марки СЧ- 35, легированного "Ni","V","Мо","P" (образцы №№ 2-4) приведен в таблице 3.2.
Плавка проводилась по разработанному шихтовому листу. В печь завалили взвешенный стальной лом категории 4А по ГОСТ2787 в объеме 0,5 тонн. После расплавления шихты производился забор пробы на определение химического состава расплава.
Содержание углерода определялось по ГОСТ 22536.1.
На основании заключений производилась корректировка химического состава расплава в печи. Удалялся шлак и на зеркало освобожденного металла вводились по шихтовому листу взвешенные науглероживатель и ферросплавы.
После положительного заключения лаборатории, по составу химических элементов (таблица 5.1.образец № 1) расплава на соответствие ТУ 3183-234-01124323 - 2007, металл разлили по формам. Замер температуры визуальным пирометром «Проминь М». Температура металла перед сливом составила 1435 -14500С. Металл из печи сливался в чайниковый ковш металлоемкостью 0,5 тонны. Время заливки форм составило 5 - 6 минут. После выдержки, формы были выбиты, отливки охладили на воздухе.
Аналогично изготовлению образца №1, с применением лигатур были изготовлены образцы под №2, №3, №4.
Химический состав примененной лигатуры для изготовления образцов №2, №3, №4 приведен в таблицах 3.3, 3.4 и 3.5.
Исследование полученных образцов чугуна проводилось в ОАО «ВНИИЖТ» по следующей программе:
- определение химического состава чугуна опытных плавок;
- исследование микроструктуры на шлифах;
- определение механических свойств предоставленных образцов. Химический состав чугуна опытных фрикционных клиньев определялся на оптическом эмиссионном спектрометре «SpectroLAB-S» (Германия). Заданный химический состав чугуна четырех вариантов клиньев приведен в таблице 3.6, а фактический в таблице 3.7.
Сопоставление приведенных в обеих таблицах данных позволяет сделать следующие выводы:
- фактическое содержание углерода во всех четырех вариантах клиньев не отвечает заданным в таблице 1 требованиям. Так в чугуне вариантов №№ 1, 2, 4 имеется завышенное содержание углерода – соответственно 3,36% в чугуне варианта № 1 вместо 2,9…3,0%, в чугуне варианта № 2 содержится 3,12% и в чугуне варианта № 4 – 3,24%. И, наоборот, в чугуне варианта № 3 с фосфором содержание углерода занижено – 2,57% вместо 2,9…3,0%;
- содержание кремния во всех четырех вариантах клиньев либо отвечает, либо близко к установленному требованию 1,2…1,5%;
- содержание марганца полностью отвечает требованию к содержанию этого элемента в чугуне в пределах 0,7…1,02% для всех четырех вариантов клиньев.
В чугуне опытных плавок получено высокое содержание легирующих элементов: в чугуне первого варианта фрикционных клиньев – 1,56% Ni, 0,34% Cu и 0,60% V, второго варианта – 1,18% Mo и 0,39% Ni, третьего варианта – 0,75% P и 0,39% Ni. Столь высокое содержание легирующих элементов привело к стабилизации аустенита и получению ледебуритной структуры во всех четырех вариантах клиньев. Этому способствовало также по всей вероятности быстрое остывание клиньев и пробных брусков, о че свидетельствует структура клиньев четвертого сравнительного варианта, изготовленных из чугуна марки СЧ35 ГОСТ 1412-85.
Твердость чугуна опытных плавок определялась на поперечных шлифах из пробных брусков.
Измерение твердости на поперечных шлифах из пробных брусков проводилось по методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) при испытательной нагрузке 150 кГ. Измерение проводилось через 2 мм по одной дорожке на каждом шлифе. Результаты определения твердости пробных брусков представлены в таблице 3.8. Твердость клиньев измерялась по ГОСТ 9012-59 на твердомере ХПО-250 при диаметре стального шарика 10 мм и испытательной нагрузке 3000 кГ.
Пониженная твердость у поверхности шлифов из пробных брусков № 1 и №3 связана с повышенным содержанием графита в чугуне опытных плавок.
Фрикционные клинья из опытных плавок легированного чугуна имеют очень высокую твердость – 388…444 НВ (таблица 3.9), поскольку микроструктура чугуна этих клиньев состоит в основном из цементита и ледебурита, а в чугуне плавки № 2 с молибденом присутствует мартенсит.
Исследование микроструктуры чугуна опытных плавок проводилось: 1) на поперечных шлифах, изготовленных из цилиндрических пробных брусков диаметром 35 мм, отлитых по ГОСТ 24648-90 для определения механических свойств при испытании на растяжение; 2) на шлифах, изготовленных непосредственно из фрикционных клиньев. Просмотр на инвертированном микроскопе Axio Observer Alm (Carl Zeiss) при увеличениях от х12,5 до х100 нетравленых шлифов из пробных брусков и фрикционных клиньев выявил наличие: 1) структурно свободного графита с различной формой и распределением; 2) трещин в пробных брусках у образцов № 2 и №3 3) осевой пористости на поперечных шлифах из пробных образцов № 1, № 3 и №4.
Исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев
Основной задачей исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев является подтверждение результатов инженерного анализа цифровых электронных моделей различных конструкций клиньев на основе проведения стендовых испытаний их физических прототипов, а также определения фактического запаса прочности конструкций фрикционных клиньев различных модификаций. Для решения этой задачи были выполнены следующие работы:
- проведено исследование напряженного состояния наиболее нагруженных зон фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов в состоянии поставки и после износа в эксплуатации;
- определены величины разрушающей нагрузки и характера разрушения серийных клиньев и клиньев облегченной конструкции на специально созданном стенде.
Для проведения испытаний были предоставлены следующие партии фрикционных клиньев:
- новые клинья стандартной конструкции, изготовленные из стали 20ГЛ на ОАО «Алтайвагон»;
- новые клинья стандартной конструкции производства ООО «СибТрасМаш», изготовленные из серого чугуна СЧ25;
- клинья с износом стандартной конструкции, изготовленные из стали 20ГЛ на ОАО «Алтайвагон», прошедшие до первого деповского ремонта 180 тыс. км. (средний суммарный износ – 5.8 мм.);
- клинья с износом стандартной конструкции производства ООО «СибТрасМаш», изготовленные из серого чугуна СЧ25, прошедшие до очередного деповского ремонта 110 тыс. км. (средний суммарный износ – 5.2 мм.); 123
- новые клинья облегченной конструкции производства ООО «СибТрасМаш», изготовленные из стали 20ГЛ;
- новые клинья облегченной конструкции производства ООО «СибТрасМаш», изготовленные из серого чугуна СЧ25;
- новые клинья облегченной конструкции производства ООО «СибТрасМаш», изготовленные из модифицированного чугуна легированного молибденом.
4.2.1 Определение величины напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов
Целью работы являлось сравнение напряженного состояния [88, 89] фрикционных клиньев, изготовленных из чугуна и стали с облегченной и стандартной конструкцией, а также клиньев с износом рабочих поверхностей после эксплуатации (только для стандартной конструкции). Ниже изложены результаты проведенного исследования.
В соответствии с методикой испытаний, нагрузку прикладывали к фрагменту надрессорной балки, обходя верхний пояс боковой рамы. Напряжения с тензодатчиков снимались и обрабатывались с помощью 8-ми канального измерительного усилителя Spider 8 и программного пакета Catman 4,0. Максимальная испытательная нагрузка 600 кН и места наклейки тензодатчиков определялись прочностью конструкции в соответствии с предварительно выполненными прочностными расчетами. Анализ результатов напряжений проводился по значениям нагрузок в 200, 250 и 300 kN.
Отличие элементов конструкции серийного клина (чертеж ПКБ ЦВ №М 1698.00.002) от облегченного (чертеж ООО «СибТрансМаш» № 1293.00.004 Приложение 3.) приведено в таблице 4.1. Испытанию подвергались серийные фрикционные клинья из стали 20ГЛ ГОСТ 977-88 (чертеж НПК Уралвагонзавод № 100.30.001-1 «Клин») и чугуна марки СЧ25 ТУ 3183-234-01124323-2007 (чертеж ПКБ ЦВ М 1698.00.002 «Клин»), а также клин облегченной конструкции из стали 20ГЛ, чугуна марки СЧ25 и чугуна легированного молибденом (чертеж № 1293.00.004 (таблица 4.2 и 4.3). Результаты испытаний представлены в таблице 4.4 и на рисунках 1.15 –
Сравнительный анализ напряжений в нижней части технологических отверстий в месте установки датчиков производился при испытании клиньев статической нагрузкой от 100 до 300 кN в состоянии «нагрузка». Получены следующие результаты испытаний:
- в месте установки датчиков наблюдаются только сжимающие напряжения, величина которых зависит от материала клиньев (сталь 20ГЛ или серый чугун марки СЧ25), конструкции клиньев (серийный или облегченный) и величины износа клиньев;
- существенного различия в величине сжимающих напряжений в технологических отверстиях фрикционных клиньев из стали 20ГЛ и чугуна марки СЧ25 как для стандартной, так и для облегченной конструкции не выявлено;
- напряжения в фрикционном клине из стали 20ГЛ облегченной конструкции в 3-5 раз превышают напряжения в контролируемых точках клиньев серийной конструкции;
- аналогичный результат получен и при сравнении напряжений в фрикционных клиньях из чугуна марки СЧ25: напряжения в облегченной конструкции клина в 3-5 раз выше, чем в клиньях стандартной конструкции;
- при этом максимальная величина сжимающих напряжений в технологических отверстиях фрикционных клиньев из стали 20ГЛ облегченной конструкции составляет 521 МПа,
- при сравнении напряжений и в клиньях из стали 20ГЛ, и в клиньях из чугуна СЧ25 установлено значительное снижение сжимающих напряжений в технологических отверстиях клиньев с износом;
- в фрикционных клиньях облегченной конструкции из легированного чугуна с молибденом напряжения значительно выше, чем в клиньях стандартной конструкции и из стали 20ГЛ, и из серого чугуна марки СЧ25;
- при сравнении напряжений в клиньях облегченной конструкции получены результаты: напряжения в клиньях из легированного молибденом чугуна ниже, чем в клиньях облегченной конструкции из стали 20ГЛ и чугуна СЧ25.
- при сравнении напряжений в состоянии «нагрузка» во внутренней перегородке фрикционных клиньев и в наружных стенках технологического отверстия установлено, что в перегородках клиньев облегченной конструкции сжимающие напряжения достигают максимальной во внутренней перегородке клиньев серийной конструкции из стали 20ГЛ (225 МПа).
Проведенные исследования по оценке напряжений в наиболее нагруженной внутренней перегородке и в зоне технологических отверстий фрикционных клиньев, с учетом используемого материала, подтверждают результаты инженерного анализа их цифровых электронных моделей.
