Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 10
1.1. Анализ данных по повреждаемости колес вагонов 10
1.2. Анализ технологического процесса изготовления и требований к термической обработке колес вагонов 21
1.3. Анализ способов восстановления наплавкой колес вагонов.... 25
1.4. Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых процессов и структурных превращений при различных технологических воздействиях 36
1.5. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования 47
2. Разработка методики компьютерного моделирования тепловых процессов и структурных превращений в колесах вагонов при восстановлении наплавкой и сопутствующих процессах 50
2.1. Разработка методики расчетной оценки кинетики тепловых процессов 50
2.2. Применение основных положений метода конечных элементов для анализа кинетики тепловых процессов в ЦКК при технологических воздействиях, с учетом теплоты структурных превращений на основе решения нелинейной нестационарной задачи теплопроводности , 60
2.2.1. Стационарный перенос теплоты 60
2.2.2. Нестационарный перенос теплоты 65
2.2.3. Типы конечных элементов, примененных для разработки программного комплекса 68
2.2.4. Численное интегрирование и преобразование координат. 75
2.2.5. Осесимметричная задача переноса теплоты 77
2.3. Разработка методики конечно-элементного анализа тепловых процессов и структурообразования при восстановлении ЦКК
многопроходной наплавкой на основе использования серии диаграмм
анизотермического распада аусгенита колесной стали марки 2 79
2.4. Разработка алгоритма и программного обеспечения для компьютерного моделирования тепловых процессов и структурообразования в колесах вагонов при изготовлении и ремонте..,. 106
2.4. L Выбор и обоснование основных принципов построения программного обеспечения. Характеристика архитектуры комплекса 106
2.4.2. Верификация методического и программного обеспечения 117
2.5. Выводы по главе 2 124
3. Расчетный и экспериментальный анализ кинетики тепловых процессов и структурообразования при различных технологических воздействиях на колеса вагонов 126
3.1. Разработка конечно-элементных моделей колеса вагона с учетом изменения геометрии при эксплуатационном изнашивании 126
3.2. Анализ и формирование граничных условий для оценки кинетики тепловых процессов и структурных превращений в колесах вагонов 133
3.3. Компьютерное моделирование кинетики тепловых процессов и структурных превращений при тепловом воздействии, связанном с восстановлением наплавкой 145
3.3.1, Оценка кинетики тепловых процессов при подогреве ЦКК перед наплавкой с различной толщиной обода 145
3.3.2. Анализ структурного состояния и кинетики тепловых процессов колеса вагона при восстановлении наплавкой ЦКК при изменении толщины обода в пределах от 30 до 70 мм при различной температуре предварительного подогрева (20 С, 180 С, 250 С) 170
3.3.3. Анализ структурного состояния и кинетики тепловых процессов колеса вагона при восстановлении наплавкой ЦКК при увеличении толщины фебня в пределах нормативных рекомендаций (20 -27 мм) при толщине обода 30 мм и температуре предварительного подогрева 180 С 248
3.3.4. Экспериментальная оценка кинетики тепловых процессов и структурного состояния при наплавке 252
3.4. Выводы по главе 3. Рекомендации по корректировке нормативной документации 261
Общие выводы и заключения 268
Список литературы 271
- Анализ данных по повреждаемости колес вагонов
- Разработка методики расчетной оценки кинетики тепловых процессов
- Разработка конечно-элементных моделей колеса вагона с учетом изменения геометрии при эксплуатационном изнашивании
Введение к работе
Ведущее положение в транспортной системе России занимает рельсовый транспорт, поскольку он обеспечивает приблизительно две трети общего грузооборота по магистральным железным дорогам и около половины пассажирских перевозок в межобластном, пригородном и городском сообщении. От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.
Эффективность перевозочного процесса в значительной мере обеспечивается необходимым уровнем безотказности подвижного состава ж.д. транспорта (вагонов и локомотивов). Колесные пары подвижного состава относятся к конструктивным узлам высокой ответственности.
Колесная пара является одной из главных и ответственных частей вагона. Она направляет движение по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки, передающиеся от вагона на рельсы и обратно [I].
Выход из строя колесной пары влечет за собой отказ в эксплуатации целого вагона или локомотива, вызывает увеличение времени их простоя в нерабочем парке.
Как показывает анализ отцепок вагонов в текущий ремонт, 35-40 % приходится на неисправность колесных нар.
Исторический анализ показывает, что в прошлом резкое увеличение износа рельсов и колес подвижного состава, как правило, было связано либо с заменой локомотивной тяги, либо с повышением весовой нормы поездов.
Последнее увеличение интенсивности износа наблюдается, начиная с 1985 г., причем, если раньше барьерными местами были перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в последние годы износ стал распространенным явлением по всей сети железных дорог страны. На ряде участков сети фактическая интенсивность износа в 3 - 6 раз выше предусмот- ренной нормами эксплуатации пути и подвижного состава. В результате сроки службы колес вагонов и локомотивов между переточками и их полный ресурс сократились в несколько раз, соответственно возросли и продолжают увеличиваться эксплуатационные затраты предприятий вагонного и локомотивного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.
В настоящее время нет четкого представления о причинах внезапного обострения бокового износа колес подвижного состава и рельсов. Называется до 50 причин, которые в сумме привели к эффекту взрывного повышения изнашивания гребней колес и боковых поверхностей рельсов. За годы, предшествующие резкому повышению бокового износа, на железных дорогах произошло много необратимых изменений, таких, как: уменьшение ширины колеи со стандарта 1524 мм на стандарт 1520 мм; протяжение термоупрочпенных рельсов на сети дорог увеличилось на 50 %, а протяжение рельсов первой группы качества, имеющих повышенную твердость, возросло более чем в 2 раза; изменение профиля головки рельса предусматривающего одноточечный контакт на утвержденный в 1979 г. профиль, предусматривающий наличие двухточечного контакта профиля катания колеса с головкой рельса.
В этот же период осуществлялся переход с чугунных на композиционные тормозные колодки, завершился перевод буксовых узлов с подшипников скольжения на подшипники качения. Повышены максимальные и средние уровни статических осевых, а, следовательно, вертикальных и поперечных горизонтальных динамических нагрузок от подвижного состава на рельсы. Началась интенсивная эксплуатация тяжеловесных и соединенных поездов. Произошло моральное и физическое старение многих вагонов и локомотивов. В 1995 г. наблюдался новый всплеск повышения скорости изнашивания
7 гребней колес и боковых поверхностей рельсов. В последние годы, как следствие интенсивной лубрикации (смазывание рельсов), наблюдается снижение износа гребней колес с одновременным увеличением количества контактно-усталостных повреждений. Это, вероятно, связано с попаданием смазки на поверхность катания колес и рельсов и проявлением эффекта Ребиндера.
По данным из различных источников в 1992 г. по износу гребня браковалось 70...80 % колес, по выщербинам 4...7 % и ползунам и наварам 5...7 %. В 1997 г. - по состоянию гребня 55...60 %, по выщербинам 12...15 %, ползунам и наварам 22...25 %.
К 2000 г. - по гребню 50...55 %, по выщербинам 15... 18 %, ползунам и наварам 25...27 %. Такой дефект как прокат, т.е. равномерное изнашивание по толщине обода колеса, представлявшийся основным дефектом до 1985 г., стал редкостью.
В результате анализа установлено, что надежность колесной нары главным образом определяется материалами и технологиями, применяемыми при изготовлении и ремонтном производстве, а также условиями ее эксплуатации.
Стандартами устанавливается средний срок службы колес в пределах 12 лет, однако фактически срок службы колес существенно меньше.
Установлено, что в среднем при ремонте колес по гребню методом механической обработки в стружку уходит 12... 15 мм толщины обода с каждого колеса (см. рис. 1), а при ремонте по термо-контактно-усталостным дефектам 5...7 мм и более. Учитывая, что в настоящее время колесная пара интенсивно эксплуатируемого рабочего парка вагонов в год обтачивается по одному из дефектов, не менее одного раза, то средний срок службы колес составляет порядка 3... 4 лет.
Износ
После двух-трех обточек упрочненный заводской при термической об работке слой срезается в стружку. Весь остальной период службы колесные пары интенсивнее «бк7/--, ^ Vie OibLwi изнашиваются и поражаются дефектами термо-контактно-усталостного происхождения.
Учитывая, что в настоящее время в эксплуатации нахо дится порядка 50 % Y ' колесных пар грузо- Рис. 1. Ремонт ЦКК методом механической обработки вых вагонов с толщиной обода менее 40 мм, из них 50 % с толщиной менее 30 мм, при существенном увеличении объемов перевозок возникнет угроза потери работоспособности железных дорог и колоссального увеличения эксплуатационных затрат предприятий вагонного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.
Если до недавнего времени вагонные депо выходили из положения, пополняя свой запас за счет колесных пар исключенных из инвентаря вагонов, то в настоящее время делать это, становится все сложнее.
В настоящее время увеличился объем работ, связанных с восстановлением и упрочнением колес в эксплуатации, при применении различных технологий восстановления и упрочнения колес вагонов. В связи с этим необходимо их глубокое научное обоснование применяемых технологий для обеспечения необходимого уровня безопасности перевозочного процесса.
Важнейшими факторами, обеспечивающими необходимый уровень качества при восстановлении наплавкой являются тепловые процессы и струк-
9 турообразование. Следует отметить, что на эксплуатационные характеристики ЦКК после ремонта наплавкой влияют также другой ряд факторов, в частности напряженно-деформированное состояние, однако, в рамках данной работы рассматривается важная и самостоятельная часть этой проблемы, связанная с тепловыми процессами и структурообразованием.
Следует отметить, что, несмотря на достаточно широкое применение наплавки для восстановления гребней ЦКК отсутствует информация о влиянии степени изношенности колеса (изменение геометрии обода и гребня колеса) на тепловые процессы и структурообразование при наплавке.
В связи с этим проблема оценки кинетики тепловых процессов и струк-турообразования при восстановлении наплавкой колес вагонов с разной степенью изношенности в эксплуатации является актуальной.
Анализ данных по повреждаемости колес вагонов
При взаимодействии пути и подвижного состава возникают контактные напряжения в точках соприкосновения колес с рельсами. В результате этих напряжений при движении колес по рельсам происходит естественный износ трущихся поверхностей, а также их упругие и пластические деформации и усталостные разрушения. К основным частям колеса относятся: обод, ступица и диск. При достижении установленных величин износа или появлении повреждений, угрожающих безопасности движения, детали изымают из эксплуатации для ремонта или исключают из инвентаря. К числу таких повреждений относятся [1]: прокат (износ) по кругу катания более допускаемых размеров, износ гребня до предельного допустимой толщины, вертикальный подрез и остроконечный накат, толщина и ширина обода колеса менее допустимых размеров, а также местное уширение, дефекты на поверхности катания в виде ползунов, выщербин. Изымаются также из эксплуатации колеса, у которых обнаружены трещины в любой его части. Износ поверхности катания колеса является следствием естественного, нормального изнашивания и истирания тормозными колодками. В обычных условиях возникает равномерный прокат (износ) рис. 1.1. Если поверхность катания обладает неодинаковым сопротивлением пластическим деформациям из-за местной неоднородности металла или неравномерно разупрочняется от нагрева при торможении или поверхностные дефекты развиваются по-разному, то образуется неравномерный прокат рис. 1.2. Характерные признаки неравномерности проката - местный наплыв на наружную грань, сужение фаски, смятые фаски, местное уширение дорожки качения. Разрушение поверхности катания смятием под многократным воздействием нормальных сил приводит- к круговому наплыву (рис. 1.3) металла, выходящему за наружную грань обода. Кольцевые выработки на поверхности катания возникают под воздействием неметаллических тормозных колодок из-за их склонности к наволакиванию продуктов износа в условиях повышенной влажности рис. 1.4. При несимметричной насадке колес на ось, значительной разнице диаметров колес, перекосах рамы тележки или неправильной установке колесной пары в тележке, а также под воздействием центробежной силы при длительном следовании вагона в кривых участка пути у колесной пары колеса изнашиваются по-разному. При этом появляются тонкий гребень рис. 1.5, вертикальный подрез гребня рис. 1.6. В последнем случае износ гребня сопровождается активной пластической деформацией металла от основания к вершине гребня из-за высокого контактного давления, в месте взаимодействия его с головкой рельса. При остроконечном накате гребень становится тонким и острым и характеризуется выступом на сопряжении подрезной части его с вершиной рис. 1.7. В результате изнашивания в процессе эксплуатации и потерь металла при обточках поверхности катания обод колеса становится предельно тонким (рис. 1.8), а обточка внутренних граней колес может привести к износу обода колеса до минимально допустимой ширины (рис. 1.9).
Анализ данных по повреждаемости колес вагонов
В общем случае под понятием теплопередачи или теплообмена понимается учение о процессах распространения тепла в пространстве и времени.
Ниже излагаются некоторые известные положения теории теплопере-носа, необходимые для дальнейшего построения методики численного решения нелинейных нестационарных задач теплопроводности применительно к процессам восстановления наплавкой.
Понятие теплопередачи (теплообмена) охватывает весь комплекс явлений переноса тепла между телами или между частями одного и того же тела, обусловленных разностью температур. В общем случае перенос тепла представляет собой сложное явление, связанное с различными физическими процессами.
Различают три основных вида теплообмена:
1. теплопроводность;
2. конвективный теплообмен;
3. лучистый теплообмен.
При решении конкретных практических задач количество тепла, переданное теплопроводностью, излучением и конвекцией, может быть весьма различным, поэтому в расчетах часто пренебрегают видами теплообмена, роль которых в рассматриваемом случае несущественна, и весь процесс сводят к основному определяющему виду теплообмена.
Для удобства технических расчетов введено понятие о двух видах теплообмена, которые называют теплоотдачей и теплопередачей. Теплоотдачей называется процесс теплообмена, возникающий между твердым телом и омывающей его жидкой или газообразной средой. Теплопередачей называется процесс теплообмена, возникающий между жидкими или газообразными средами, разделенными твердой стенкой. Этим же термином иногда пользуются и в качестве обобщающего наряду с термином «теплообмен».
Температурное поле в декартовой системе координат задается уравнением вида
Г = /(х,у,2,т) (2.1)
где Т - температура, зависящая от пространственных координат данной точки x,y,zu времени г.
Температура Т является скалярной величиной, поэтому и поле температур - скалярное поле. Приведенное определение поля справедливо и для векторных физических величин, показывающих не только величину, но и направление (скорость, ускорение, сила). Такое поле называется векторным полем величины.
В некоторых задачах теплообмена уравнение температурного поля удобнее записывать в цилиндрической или сферической системе координат. В первом случае уравнение (2.1) имеет вид [57]:
Т = /{г, р,2,т) (2.2)
где Т - температура; г - расстояние от оси z до данной точки; р - угол отклонения радиуса г от выбранного начального направления; г- время. Во втором случае
Разработка конечно-элементных моделей колеса вагона с учетом изменения геометрии при эксплуатационном изнашивании
Для компьютерного моделирования тепловых процессов и структурных превращений, протекающих в колесе вагона при наплавке необходимо разработать конечно-элементные модели колеса вагона, которые учитывали бы изменение геометрических размеров при эксплуатации. Согласно инструкции [16] наплавка колеса выполняется если размеры изношенного колеса по гребню и ободу удовлетворяют следующим условиям:
толщина гребня в пределах 20.. .27 мм;
толщина обода не менее 30 мм.
Таким образом, были разработаны следующие конечно-элементные модели:
толщина обода 70 мм, толщина гребня 20 мм (рис. 3.1 - 3.2, 3509 четырех узловых изо параметрических конечных элементов и имеющая 3674 узлов);
толщина обода 50 мм, толщина гребня 20 мм (рис. 3.3, 2879 четырех узловых изопараметрических конечных элементов и имеющая 3034 узлов);
толщина обода 30 мм, толщина гребня 20 мм (рис. 3.4, 2249 четырех узловых изопараметрических конечных элементов и имеющая 2394 узлов);
толщина обода 30 мм, толщина гребня 25 мм (рис. 3.5, 2207 четырех узловых изопараметрических конечных элементов и имеющая 2352 узлов).
При практических расчетах теплоотдачи используют закон Ньютона-Рихмана:
6 = A.(r№-rJ.F, (ЗЛ)
где h — коэффициент полной теплоотдачи с поверхности материала; (т -Г,]- разность температуры окружающей среды и температуры поверхности материала;
F— площадь поверхности, с которой осуществляется теплоотдача. В общем случае коэффициент теплоотдачи переменен по поверхности и его можно определить как h= dQ
Таким образом, коэффициент теплоотдачи есть плотность теплового потока q (тепловой поток, отнесен ньш к единице площади поверхности) на поверхности тела, отнесенная к разности температур поверхности тела и окружающей среды.
Теплоотдача является достаточно сложным процессом. В наиболее общем случае коэффициент теплоотдачи является функцией формы и размеров тела, режима движения, скорости и температуры жидкости, физических параметров жидкости (коэффициента теплопроводности Л, теплоемкости с, плотности д температуропроводности а, коэффициента динамической вязкости температурного коэффициента объемного расширения fS) и других величин.
Точность расчетов в значительной степени зависит от правильности определении коэффициента теплоотдачи. Практически изучение процесса теплоотдачи сводится к определению зависимости коэффициента теплоотдачи от различных факторов.
Коэффициент полной поверхностной теплоотдачи значительно зависит от температуры и вида окружающей среды. В разработанном программном комплексе, значение коэффициентов полной поверхностной теплоотдачи, теплопроводности и объемной теплоемкости проинтерполировано с ПОМОЩЬЮ закона Ньютона для не равноотстоящих значений по формуле На рис. 3.6 - 3.7 приводятся зависимости коэффициента полной поверхностной теплоотдачи для случаев, когда охлаждающая среда: воздух и вода (спреерное охлаждение при закалке).
Как отмечалось выше коэффициенты теплопроводности и объемной теплоемкости также значительно зависят от температуры, но при этом они также значительно зависят и от структурной составляющей материала.
На рис. 3.8 и 3.9 приводятся зависимости коэффициентов теплопроводности и объемной теплоемкости для следующих типов структурной составляющих: аустенит, феррит + перлит, бейнит, мартенсит, сорбит, троостит. Зависимости коэффициента теплопроводности для таких структурных составляющих как феррит + перлит, бейнит, мартенсит, сорбит, троостит совпадают, а для коэффициента объемной теплоемкости для всех структур имеется одна зависимость.
