Прогнозирование накопления повреждений и ресурса локомотивных колес в условиях холодного климата

Железная дорога, расположенная на территории Республики Саха (Якутия), отличается экстремальными условиями эксплуатации полотна и элементов подвижного состава: это резко континентальный климат с продолжительным периодом низких температур (для отрицательных температур составляет около 210 суток), минимальной температурой до - 60 ° С, и разностью средних температур в течение года более 70 ° С, также велики суточные колебания температуры в межсезонье. Относительная влажность воздуха изменяется здесь в течении года в широких пределах, наиболее высокая отмечается в декабре-феврале, что соответствует минимуму температуры. Большая часть территории Республики Саха (Якутии) относится к районам многолетней мерзлоты.

Из анализа теоретических и экспериментальных работ следует, что сезонные колебания и экстремально низкие климатические температуры отрицательно сказываются на характеристиках динамической прочности машин и оборудования из малоуглеродистой и закаленной стали, не говоря уже о снижении общей эксплуатационной надежности изделия. В этих условиях наблюдается резкое повышение количества выхода из строя отдельных узлов техники. Однако обоснований повышенного количества отказов и выхода из строя элементов железнодорожной техники вследствие контактно-усталостной по-врежденности накоплено пока недостаточно,

накопление повреждений, ресурс необходимы дополнительные исследования. Следует отметить, что в процессе эксплуатации такие элементы железнодорожной техники, как колеса и бандажи локомотивных колес, кроме статического, подвергаются достаточно сложному взаимодействию двух видов циклического нагружения – многоциклового усталостного и малоциклового ударного [1]. Установлено, что свойства материала локомотивных колес пластически компенсировать возникающие деформации ухудшаются при низких температурах. И хотя предел текучести несколько повышается, относительное удлинение существенно падает, в материале происходит вязко-хрупкий переход, или потеря пластичности, и материал «охрупчивается» [2]. Следовательно, немаловажное значение на охрупчивание металла железнодорожных колес, кроме степени наклепа от деформации, имеет температура окружающей среды и режимы эксплуатации

Ударная нагрузка от рельсовых стыков значительно ухудшает условия работы, что приводит к возникновению ряда опасных повреждений помимо усталости металла и может явиться причиной полного выхода колеса из эксплуатации. Если учесть, что длина железнодорожного рельса на участке в среднем составляет 20 м, то может быть рассчитано количество циклов до разрушения от ударно-контактного нагружения. Как показывает опыт эксплуатации локомотивов на участке Алдан-Томмот, зимой ресурс локомотивного колеса от одной обточки до другой составляет всего два-три месяца, за каждый из которых оно пробегает в среднем 12 000 километров (преимущественно в декабре-феврале и январе-марте). Ремонт занимает около одного месяца и включает обточку бандажа всех колес, независимо от индивидуальных повреждений. Усталостный износ в зимнее время практически отсутствует.

В этих условиях определение точного ресурса элементов железнодорожного транспорта от начала эксплуатации до перехода в предельное состояние, является одной из наиболее сложных задач. Точное определение ресурса имеет важное научное, инженерное и прикладное значение. Особенно важным моментом является проблема индивидуальной оценки ресурса отдельных узлов по результатам наблюдения за их состоянием в процессе эксплуатации, что позволит сформировать технические задачи в области диагностирования данных объектов, оптимизировать финансовые затраты, а также изготовить детали и узлы с оптимальным ресурсом в зависимости от условий их эксплуатации. В свете противоречивости требований к механическим характеристикам железнодорожных колес задача поиска оптимальных соотношений между этими характеристиками в зависимости от условий эксплуатации остается актуальной.

Цель работы: прогнозирование накопления поврежденности и ресурса элемента железнодорожной техники при эксплуатации в регионах с умеренным и резко континентальным климатом.

Объект исследований: бандаж локомотивного колеса, изготовленный из колесной стали марки Кп-2 (химический состав: С-0,6, Si-0,33, Mn-0,83, P <0.02, S<0.02). В процессе эксплуатации объект подвергается статическим и циклическим (динамическим ударным) нагрузкам. В этой связи возникает необходимость как определения сопротивления материала действию таких ударных нагрузок, так и количественного расчета накапливаемых в нем повреждений. Согласно разработанному подходу [3], возможна оценка накопленной поврежденности при малоцикловом нагружении с учетом вязко-хрупкого перехода в материале бандажа колес на соответствующем участке железной дороги в зимние календарные месяцы, согласно следующей зависимости:

В целях подтверждения недопустимости эксплуатации колес из одного того же материала в условиях Крайнего Севера и средней полосы России, необходимо учесть температурные условия эксплуатации и оценить таким образом разницу в процессах накопления повреждений в различных климатических зонах. Для этого воспользуемся данными Гидрометцентра РФ, например, в Московской области. На рис. 1 представлены усредненные кривые минимальных климатических температур на участке Нерюн-гри-Томмот и Московской области по месяцам года за 5 лет. Следует отметить, что значения минимальной температуры окружающей среды на участке Нерюнгри-Томмот в основном лежат ниже -200С, таким образом, большую часть года элементы колеса эксплуатируются при пониженных значениях ударной вязкости. Учитывая то, что перепады температуры окружающей среды на исследуемом участке дороги составляют в среднем более 700С, можно сопоставить значения ударной вязкости, полученные в результате вышеописанных испытаний на ударный изгиб [1], с данными по температуре, откуда можно увидеть, что в зимнее время материал бандажа локомотивного колеса работает в неблагоприятной области с пониженной стойкостью к ударным нагрузкам и подвергается опасности хрупкого разрушения. При этом в элементах железнодорожных конструкций также возникают большие температурные напряжения.

K

Pl = £ j=1

KCV

1-- j

KCV

m

где P L - относительная поврежденность, обусловленная низкими температурами, KCV 0 , KCV j – исходная (при комнатной температуре), и ударная вязкость в момент j -го повреждения, соответственно, m ~ 0,25-0,3 – коэффициент, зависящий от материала и вида НДС.

В соответствие с усредненными значениями минимальных температур, представленных выше, можно численно аппроксимировать значения ударной вязкости по соответствующим календарным месяцам года. Усредненные результаты вычисленных значений ударной вязкости KCV бандажа колеса в условиях на участке Нерюнгри - Томмот и в Московской области представлены на рис. 2. На рис. 3 представлена кривая зависимости ударной вязкости KCV от температуры после сплайновой аппроксимации.

Рис. 1. Минимальные климатические температуры

Рис. 2. Значения ударной вязкости, соответствующие минимальным температурам

Рис. 3. Сплайн-интерполяция зависимости значения ударной вязкости от температуры

В настоящей работе осуществлен численный расчет поврежденности, накопленной в бандаже локомотивного колеса, с учётом влияния низких температур на снижение пластичности согласно формуле (1), что выражено зависимостями ударной вязкости на соответствующем участке железной дороги (рис. 2): на участке Нерюнгри - Томмот мера поврежденности составила Ψ L =0,851, тогда как в Московской области вычисление относительной поврежденности по (1) дает величину Ψ L =0,364, что более, чем в 2-3 раза ниже, чем для участка Нерюнгри-Томмот в Якутии. Реально же повреждения из-за более жестких условий эксплуатации (зазор между рельсами и ударная нагрузка будут значительно выше при низких температурах) отличаются еще больше. Опыт эксплуатации локомотивов на железной дороге в условиях Республики Саха (Якутия) показывает снижение срока службы колес в 3 раза, чем в регионах с умеренным климатом.

В качестве примера приведем исследование поврежденности колесных пар локомотивного парка ОАО АК «Железные дороги», где пробег тепловозов между обточками по причине образования на поверхности катания бандажей локомотивных колес недопустимых дефектов контактно-усталостного характера составляет в среднем 12 000 км. Тогда количество циклов на 12 тыс. км составит:

N = 303×12×10³ ≈ 3,636×10⁶.

Очевидно, что материал колеса накапливает повреждения, близкие к пределу усталости для данной стали, эксплуатируемой в условиях низких температур. В то же время число ударноконтактных повреждений по стыкам рельсов, учитывая среднюю длину одного рельса в пути равную 20 м, будет равно: N 1 = 12×10⁶/20 = 6×10⁵, что соответствует малоцикловому повреждению.

На основании проведенных исследований и результатов численного расчета накопленной поврежденности, согласно формуле (1), приведем методику определения ресурса бандажа локомотивного колеса по следующей схеме:

• 1.    Согласно (1) рассчитывается накопленная поврежденность в ободе локомотивного колеса Ψ .

• 2.    Определяется количества циклов N lim с условием, что при достижении Ψ L =1 наступает предельное состояние.

• 3.    Вычисляется пробег локомотива в километрах, с учетом длины одного рельса ~20 м.

• 4.    Определяется ресурс бандажа локомотивного колеса, с учетом числа обточек n за весь жизненный цикл колеса.

С использованием вышеописанной методики оценки поврежденности и ресурса бандажа локомотивного колеса был проведен расчет ресурса бандажа локомотива, эксплуатируемого на железной дороге Республики Саха (Якутия). В соответствии с приведенной схемой определим следующее:

• 1.    Мера накопленной поврежденности, рассчитанная по формуле (1), составит Ψ L =0,851, что соответствует числу циклов ударного нагружения по стыкам рельсов N 1 =6×10⁵.

• 2.    При условии достижения предельной меры повреждений Ψ L = 1 наступает разрушение материала, и количество циклов по формуле (2) станет равным N m =7,05^10 .

• 3.    Согласно (3) рассчитывается пробег локомотива до образования недопустимого дефекта, L =14101 км (с учетом средней длины рельса на данном участке дороги l ~ 20 м).

• 4.    При выполнении условий по данной схеме, определяется ресурс бандажа локомотивного колеса Т = 112 808 км (4).

Выводы: расчет ресурса бандажа локомотивного колеса позволил определить пробег до момента образования поверхностного повреждения браковочного размера и за весь жизненный цикл. Расчетный пробег составил 112 808 км, что 2-3 раза меньше, чем пробег бандажа в регионах с умеренным климатом и меньше га- рантированного заводом-изготовителем пробега для нового бандажа почти в 4-5 раз. Важно отметить, что при внедрении в производство железнодорожных колес новых марок в условиях низких климатических температур можно с использованием вышеописанной методики исследований подобрать элемент железнодорожной техники с оптимальными характеристиками. Предложенная методика определения ресурса позволит спрогнозировать достижение предельной поврежденности данного узла, что позволит оптимизировать и спланировать финансовые расходы на содержание колесных пар.

Определение расчетного ресурса Т

T = L • n

где n – число обточек за весь срок службы.

Рис. 4. Схема методики расчета ресурса бандажа локомотивного колеса