Оценка остаточного ресурса узлов и деталей подвижного состава по результатам НК

Оценка остаточного ресурса узлов и деталей подвижного состава по результатам НК

Об авторах

Сотрудники ОАО «НИИТКД», г. Омск:

Смирнов Виктор Александрович
Зам. ген. директора по технической политике, главный инженер, к. т. н.

Кузнецов Виктор Федорович
Начальник группы моделирования, к. т. н.

По данным анализа безопасности движения на сети железных дорог излом высоконагруженных деталей подвижного состава в большинстве случаев происходит из-за наличия старых трещин площадью сечений от 12 % (боковые рамы тележек грузовых вагонов) до 50 % и более (оси колесных пар) площади сечения детали. Одним из наиболее эффективных способов повышения срока службы деталей подвижного состава и исключения случаев перебраковки продукции является разработка методик определения остаточного ресурса с использованием технических средств НК.

Процесс формирования трещин в конструкциях подвижного состава в период эксплуатационного цикла можно разделить на три этапа:

- период развития микродефекта до образования микротрещины (10 нм - 0,01 мм);

- развитие микротрещины до критических размеров;

- лавинообразный рост трещины и разрушение материала детали.

Для оценки длительности каждого периода необходимо строго определить единые критерии для каждого высоконагруженного ответственного конструктивного элемента подвижного состава. При этом следует руководствоваться тем, что граничные значения каждого периода во многом (в основном) определяются эксплуатационными условиями, местом расположения дефекта в детали и характером нагружения.

Наиболее заманчивым является построение характеристик долговечности деталей, подобных кривой усталости материала - зависимости времени безопасной эксплуатации детали от величины и характера статического и динамического нагружения при различных климатических условиях, скорости движения, весовых нормах, типа и профиля пути. Эти зависимости можно представить функциями вида

Необходимо войти для просмотра

где a, b, с - аппроксимирующие коэффициенты, о - внутренние напряжения в металлоконструкциях.

Реализация этого подхода требует проведения значительного объема испытаний с мониторингом процесса разрушения материала в различных эксплуатационных условиях.

Факторы, определяющие процесс трещинообразования в материале детали, разнообразны по своей физической природе. При этом, в подавляющем большинстве их влияние носит стохастический характер (не поддается точному теоретическому описанию), и доминирование того или иного фактора проявляется в зависимости от конкретных условий. Поэтому привлечение точных теоретических исследований для анализа возникновения и развития микротрещин в деталях подвижного состава с точки зрения авторов является несостоятельным.

Целесообразным видится оценка первого этапа жизненного цикла детали на основе данных дефектометрии. При этом нет смысла выявления различного вида субмикротрещин (< 10 мкм). Для каждой детали следует определить геометрические параметры трещины, гарантирующие необходимое время эксплуатации детали (например, время, необходимое для доставки транспортного средства в депо или завершения цикла перевозочного процесса). Эти предельные параметры определяются на основе эксперимента и являются нормирующими для эксплуатационной диагностики. С момента обнаружения трещины (дефекта) с критически «допустимыми» параметрами деталь может прослужить гарантированный минимальный период без разрушения до ее обязательной замены. Оценка длительности этого периода является наиболее ответственным моментом в определении остаточного ресурса конструктивных элементов с выявленным дефектом. Выполнение требований максимального использования ресурса детали увеличивает риск пропуска недопустимых дефектов, что может повлечь за собой тяжелейшие аварии и крушения.

Существует много теоретических исследований в области анализа скорости развития трещин и оценки живучести материала [1]. Наибольшее распространение в машиностроении получил критерий оценки скорости роста трещины

Необходимо войти для просмотра

где N - количество циклов нагружения, С и n - вероятностные параметры, зависящие от материала и эксплуатационных условий, Δk - размах коэффициента интенсивности за цикл

Необходимо войти для просмотра

где Y(l/b) - параметр, учитывающий геометрию элемента и форму трещины, b - характерный размер элемента.

На основе этой зависимости можно получить оценку длительности эксплуатации, в течение которой произойдет рост трещин от произвольного размера l0 до критического l .

Достаточно глубокие исследования в этом направлении (применительно к деталям подвижного состава) проводились сотрудниками ВНИИЖТ [2 - 4], однако, по мнению авторов, используемый в работах подход к оценке интенсивности напряжений не нашел широкого практического применения по следующим причинам:

- коэффициент интенсивности рассчитывается для «эталонных» дефектов, что не отражает многообразия трещин, возникающих в деталях подвижного состава;

- размах напряжений До определяется на основе приборных измерений в различных условиях эксплуатации, что является крайне сложной и дорогостоящей процедурой, а в ряде случаев - неприемлемой с точки зрения техники проведения эксперимента.

Возможным выходом из такой ситуации является применение математических имитационных моделей для расчета поля динамических напряжений по объему исследуемой детали и определение параметров а, в, с по результатам стендовых испытаний.

Динамическое поле напряжений в элементах металлоконструкций формируется под воздействием внешних факторов (сил) и сил взаимодействия элементов механической системы между собой. Методику исследования долговечности деталей подвижного состава для такого случая можно представить схемой, изображенной на рис. 2.


Оценка размеров трещин и наблюдение за их развитием может осуществляться различными способами непосредственного наблюдения (визуальный и капиллярный контроль), магнитными (магнитопорошковый, вихретоковый, феррозондовый контроль) и акустическими методами (табл. 1).


Наиболее эффективным для задач дефектометрии представляется использование акустических методов в силу больших возможностей по выявлению внутренних и поверхностных дефектов, определению размеров и глубины их залегания, а также доступности автоматизации процесса. Это подтверждается повышенным вниманием к разработкам в этом направлении со стороны ученых европейских стран и США. Так на 9 Европейской конференции в Берлине по НК более 45 % докладов и выступлений было посвящено акустическим методам построения 2D и 3D моделей дефектов с помощью аппарата функций Грина, акустической голографии, томографии и ширографии.

Создание доступных систем технического зрения, осветительных элементов на сверхярких светодиодах создают предпосылки для развития автоматизированных способов дефектометрии магнитопорошковым и капиллярным методами.

С точки зрения практического применения результатов диагностики в эксплуатационных условиях полезным является опыт железных дорог Германии. Для оценки живучести металла предлагаются зависимости длины l трещины от эксплуатационной наработки т детали, полученные по результатам экспериментальных исследований (рис. 3). Эксплуатационная наработка т детали взята в отношении к единице нагрузки на ось.


Использовать такой подход на отечественных железных дорогах возможно. Отличительной особенностью эксплуатации подвижного состава на Российских железных дорогах является разнородное распределение даже одного и того же параметра на эксплуатационных полигонах. Поэтому необходим существенный экспериментальный материал. Так как в условиях реальной эксплуатации сбор такого материала для каждой конкретной детали подвижного состава практически неосуществим, то естественным и единственным выходом является создание лабораторно-испытательного комплекса для определения коэффициентов с последующим моделированием различных эксплуатационных условий и расчетом времени живучести и области гарантированного безаварийного пробега.

Литература:

1. Школьник Л. М. Скорость роста трещин и живучесть металла. - М.: Металлургия, 1973.

- 216 с.

2. Северинова Т. П., Грачева Л. О. Экспериментальные исследования напряженного состояния надрессорной балки тележки грузового вагона. - Вестник ВНИИЖТ. 1988. № 5. С. 33- 36.

3. Северинова Т. П. Определение интенсивности напряжений при наличии трещины в нижнем поясе надрессорной балки грузового вагона

- Вестник ВНИИЖТ. 1990. № 1. С. 32-34.

4. Северинова Т. П. Исследование трещи-ностойкости сталей литых деталей тележек грузовых вагонов длительного периода эксплуатации - Вестник ВНИИЖТ. 1999. № 3. С. 35-40.

Смирнов В.А., Кузнецов В.Ф. Оценка остаточного ресурса узлов и деталей подвижного состава по результатам НК. − В мире НК. – Март 2008 г. − № 1 (39). − С. 76–78. Статья любезно предоставлена редакцией журнала «В мире НК» (http://www.ndtworld.com). Наиболее точная и достоверная версия – в прикрепленном файле.