Специалисты разработали новый способ термической обработки стальных литых элементов тележки ж/д вагона путем их закалки. Это позволит увеличить прочность конструкции почти в 1,5 раза. Ученые из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» и Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) создали уникальную технологию для предотвращения разрушения боковых рам тележки грузового вагона. Изобретение повысит предел выносливости и усталостную прочность боковой рамы на 50%, и значительно уменьшит число разрушений во время эксплуатации.
Сегодня условия эксплуатации железнодорожных составов сильно изменились — существенно увеличилась нагрузка на вагоны и длительность перевозок. В результате участились случаи схода вагонов с рельсов, возросли экономические потери и человеческие жертвы. Больше всего разрушению подвергается зона внутреннего угла буксового проема боковой рамы (так называемая зона внутреннего радиуса R55) тележки грузового вагона. При разрушении этой детали поезд сходит с рельсов и с вероятностью приблизительно 90% опрокидывается.
Причина возникновения изломов боковых рам кроется в производственных дефектах и изменении условий эксплуатации. Во время литья внутри изделия образуются раковины (полости в теле отливки) и крупные поры, избавиться от которых невозможно. Выявить наличие таких дефектов можно с помощью ультразвука или рентгена, но это очень трудоемкие методы, зачастую не дающие точных результатов. Традиционный ремонт боковых рам также не решает проблему разрушения — дефекты полностью не устраняются.
Разработанная в НИТУ «МИСиС» технология позволяет закаливать литые боковые рамы длиной до двух метров в специальной установке с температуры до 1100 градусов по Цельсию. Новая технология способствует появлению на поверхности рамы сжимающих напряжений, что позволяет детали выдерживать перегрузки до 30 тс. На данный момент средняя осевая нагрузка рам составляет 23,5 тс.
Как отметила ректор НИТУ «МИСиС» Алевтина Черникова, «перед НИТУ „МИСиС“, как одним из ведущих технологических университетов России, стоит задача войти в число лидеров в области разработки наукоемких технологий. Обязательным условием этого процесса является развитие научно-исследовательских инновационных проектов совместно с бизнес-сообществом. НИТУ „МИСиС“ сотрудничает с ведущими отечественными и зарубежными корпорациями в области создания уникальных технологий и разработок, которые могут применяться во многих областях деятельности человека: от медицины до космоса».
Для изучения влияния термического упрочнения на структуру и свойства рам, ученые университета разработали специальные методики, и провели комплекс механических испытаний закаленных деталей. В том числе, циклические испытания боковых рам для определения их усталостной прочности и живучести и измерение акустической эмиссии (возникновение и распространение акустических волн) при механическом нагружении детали. Это необходимо для определения момента начала разрушения боковой рамы (момент появления трещины) и анализа темпа роста трещины.
«Мы выполнили проект государственного значения, и разработали технологию, которая будет использоваться при производстве боковых рам, для повышения их прочностных характеристик. На основе этой технологии, не имеющей аналогов ни в России, ни в мире, создана экспериментальная установка для спреерного закаливания крупногабаритных литых деталей потоком воды. Закалка приводит к формированию „сэндвичной“ структуры металла: поверхностные слои становятся более твердыми, а сердцевина сохраняет вязкость и пластичность. Деталь приобретает упругость, что снижает вероятность образования трещин вне зависимости от наличия внутренних дефектов. В ближайшие три года мы планируем довести разработанную технологию до промышленного внедрения, а затем начать массовое промышленное производство и закаливать порядка двадцати тысяч боковых рам в год», — рассказал доцент кафедры металловедения и физики прочности НИТУ «МИСиС» Андрей Рожнов.
По словам ученого, внедрение новой технологии должно существенным образом уменьшить число разрушений этих деталей и повысить безопасность движения грузовых поездов.
Работа над проектом длилась три года. В конце 2016 года пройдут первые испытания восьми упрочненных боковых рам, установленных на два грузовых вагона, а летом 2017 года испытания рам продолжатся уже на большом количестве вагонов. После завершения испытаний планируется проведение сертификации упрочненных боковых рам и последующее оснащение ими вагонов грузовых поездов.
Проект выполняется в рамках федеральной целевой программы по заказу Минобрнауки России в интересах ОАО «РЖД»; технологию разрабатывают НИТУ «МИСиС», МГУПС МИИТ и ОАО «ВНИКТИ».
