«Несущественные» причины разрушения боковых рам тележек грузовых вагонов. Вакуумно-пленочная формовка.

Феклин Н. Д.,
Медведчук С. А.

Последствиями разрушения боковых рам грузовых вагонов, чаще всего, являются крушения ж/д составов, порой с гибелью людей, с многомиллионными убытками (Рис.1,2,3) и поэтому, вопросам обеспечения безопасности движения железнодорожного транспорта должно уделяться самое пристальное внимание.

Рисунки 1-3. Аварии подвижных составов железной дороги.

Существующие работы по изучению условий эксплуатации транспорта и отдельных его элементов, глубокий анализ уже свершившихся аварий, подготовка отраслевых нормативно-технических документов на все виды комплектующих, на их испытания, на контроль, на сборку и т.д. на сегодняшний день, позволяют максимально снизить вероятность формирования негативных факторов, влияющих на безопасность движения.

Не смотря на это, полностью устранить негативные факторы не удается.

При описании некоторых прочностных расчетов, при анализе условий нагруженности деталей, условий приемки и сборки, требований к литейной продукции и т.п., пренебрегают имеющимися «несущественными» факторами, которые в своей совокупности, как ни странно, и могут являться основными причинами разрушений рам. На примере изготовления, сборки и условий эксплуатации детали «Рама боковая» (Рис.4)  опишем имеющиеся, как бы, не существенные негативные факторы и их совокупное влияние на ее прочность, при этом, не будем касаться уже известных причин.

Рисунок 4. Рама боковая.

1. Литейная технология:

Наиболее прогрессивной литейной технологией производства таких отливок является вакуумно-пленочная формовка (ВПФ), в сравнении с другими технологиями, позволяющая получать отливки более высокого качества.

Проведем анализ отливок, получаемых на существующих автоматических формовочных линиях (АФЛ) с горизонтальным разъемом форм (Рис.5).

Рисунок 5. Автоматическая формовочная линия ВПФ.

При разработке литейных технологий для ВПФ рекомендуется, как правило, ответственные части отливок размещать в нижней части формы, более стойкой к воздействию горячего металла и не подверженные резкому падению вакуума в процессе заливки. Кроме этого, такой тип отливок рекомендуется получать в формах под наклоном, либо с расположением моделей в форме под наклоном. В нашем случае одна половина отливки формируется в нижней части, а другая в верхней и наклон формы (либо моделей в форме) технологическим оборудованием конструктивно не предусмотрены.

В процессе первичного поступления металла в форму, в связи с отсутствием ее наклона, металл растекается по плоским частям полости формы, натекая на облицовочную пленку и стенки формы. Такое растекание приводит к образованию множественных микродефектов, таких как; поверхностная газовая пористость, рыхлоты, слоистость, засоры и отсутствие направленной кристаллизация металла. Хаотическое движение металла, его перемешивание с продуктами разложения облицовочной пленки и материалами антипригарного покрытия в нижней части полости формы, приводит к началу первичного, неупорядоченного роста кристаллов. Кроме того, на стыке зерен образуется тончайшая пленка инородных материалов, многократно снижающих прочность сцепления этих зерен. В последующем, при заполнении формы металлом и его контакте с «холодными» стенками стержней, не имеющих решений по эффективному отводу газов из формы, происходит его поверхностная кристаллизация с образованием неровностей (Рис.6), подверженных практически тем же микродефектам.

Рисунок 6. Качество внутренней поверхности отливки.

Некоторые из этих дефектов невозможно определить, даже, с помощью существующих методов диагностики, а на другие (к примеру – качество поверхности отливки со стороны стержней) не обращают внимание. Такие дефекты литья считаются «не существенными» и допускаются техническими требованиями к литью. При этом, на таких узловых, высоконагруженных местах отливки, как R55 буксового проема, при первичном поступлении металла, происходит его волнообразное воздействие (металл натекает и оттекает назад), связанное с образованием препятствия движению потока на ровной, плоской поверхности и его перераспределения на два независимых потока. Такое движение металла нарушает процесс его естественной кристаллизации, формируя разнородный, ослабленный слой металла, создавая дополнительные условия образования внутренних раковин с неровной поверхностью. С учетом горизонтального разъема формы, практически вся поверхность низа полости формы и особенно, узловые места ее нижней части, получаются ослабленными.

Заполнение верхней части полости формы, за счет ее предварительного прогрева теплом металла, поступающего снизу вверх и возможности подпитки ее термических узлов через прибыли, позволяет получить более качественную структуру металла и поверхностного слоя отливки, с гораздо меньшим количеством микродефектов.

Вопреки существующей закономерности технологии вакуумно-пленочной формовки, что «часть отливки, формируемая в нижней части формы, должна получаться более качественной, чем верхняя ее часть», при существующем способе заливки форм с горизонтальным разъемом, получается наоборот, - нижняя часть выходит более низкого качества с многочисленными поверхностными микродефектами.

Практически во всех литейных технологиях, в нижней части формы расположена одна и та же сторона рамы - с «кронштейном подвески триангеля», которая и получается наиболее ослабленной.

2. Допуски:

Существующие допуски на детали тележек грузового вагона, взаимодействующие друг другом (расчетные цепочки размеров с учетом допусков), создают различные, допустимые техническими условиями, размеры, которые могут не значительно влиять на распределение нагрузок на отдельные части рамы боковой.

Согласно технических условий на Рамы боковые и Балки надрессорные (ГОСТ 32400-2013), установлены параметры точности размеров и поверхности отливок, степень коробления элементов отливок, степень точности поверхности, смещение элементов отливок и ряд припусков  на поверхности отливок. Разность между наибольшим и наименьшим предельными значениями параметров, приводит к комплектации тележки деталями с разными размерными отклонениями.

Согласно технических условий на пружины одного пружинного комплекта грузового вагона (ГОСТ 1452-2003), установлены их допустимые размерные отклонения по высоте - 4мм. (Рис.7).

Рисунок 7. Пружина тележки грузового вагона.

3. Деформации:

Постоянное воздействие статических нагрузок и переменное воздействие динамических нагрузок на тележку грузового вагона, приводит к упругой деформации ее составных частей (Рис.8). Ориентировочная статическая нагрузка на одну тележку от груженого вагона, составляет около 50 тонн. Усилие от веса вагона приходится на центр балки надрессорной, которая, через пружинный комплект рессорного проема, передает нагрузку на рамы боковые, а рамы, в свою очередь, через опорные поверхности буксовых узлов, на консоли осей колесных пар. За счет воздействия нагрузки на тележку грузового вагона, происходят упругие деформация балки надрессорной, пружинного комплекта, рамы боковой и оси колесной пары.

Рисунок 8. Деформация деталей тележки от веса вагона.

При деформации (прогибе) балки надрессорной всего лишь на 0.5 градусов, с учетом межосевого расстояния расположения крайних пружин рессорного комплекта, смещение края балки в вертикальной плоскости, только на этом участке, составит более 3мм. Такой изгиб балки приводит к неравномерному распределению нагрузки на опорную плиту рамы (максимальная нагрузка с внутренней стороны тележки), особенно при возникновении динамических нагрузок (Рис.9).

Рисунок 9.  Распределение нагрузок на опорной плите рамы боковой.

С учетом меньшей жесткости оси колесной пары и наличия, практически, такого же плеча, деформация края оси по длине контакта рамы с буксой, будет сопоставима с деформацией балки, что приводит к неравномерному распределению нагрузки по плоскости рамы в буксовом проеме. В связи с жестким контактом (без амортизации) адаптера буксы с рамой, особенно при воздействии динамических нагрузок (повышенных), и образования увеличенного прогиба оси колесной пары, происходит существенное смещение сил в одну из сторон (внутренняя сторона тележки) (Рис.10).

Рисунок 10. Распределение нагрузок в буксовом проеме рамы боковой.

Известно, что элементы детали «рама боковая» в нагруженном состоянии от «балки надрессорной» и от противодействия сил со стороны «колесных пар» в буксовых проемах, испытывают определенные деформации (Рис.11), которые, в основе, и принимаются при расчетах прочности детали.

Рисунок 11. Деформация элементов детали рама боковая от действующих осевых нагрузок.

Описанные выше воздействия на раму боковую от перераспределения нагрузок при статических и, особенно, при динамических нагрузках, приводит к образованию дополнительных, не учтенных ранее деформаций, таких как кручение, растяжение, и срез (Рис.12).

Рис.12 Дополнительная деформация рамы от действия вне осевых нагрузок.

За счет смещения действия нагрузок относительно оси рамы, в ней возникают сложные напряжения, где основные усилия приходятся на ее боковые поверхности (Рис.13). Воздействие таких негативных напряжений на раму значительно возрастают в процессе соударениях вагонов при маневрах, осаживания и трогания тяжеловесных составов, при полном сжатии опорных витков пружин и пульсирующих динамических нагрузках.

Еще одним из немаловажных данных, при анализе деформаций деталей тележки, является вертикальная жесткость пружинного комплекта (статический и динамический прогиб). Допускаемое отклонение при сжатии любой из пружин рессорного комплекта, составляет +-5%.

Необходимо знать, что любая деформация сборочных единиц тележки грузового вагона, приводит к перераспределению нагрузок на раму боковую.

4. Теория вероятности и безопасность движения.

На основании вышеизложенной информации, попробуем смоделировать сборку тележки грузового вагона с учетом существующих допустимых данных по качеству, допускам и деформации (сборка описана выборочно).

На литую деталь рамы боковой с микродефектами со стороны кронштейна подвески триангеля, изготовленную с минимальными толщинами стенок (в пределах допусков), устанавливают пружины рессорного комплекта. Во внутреннюю сторону опорной плиты рамы боковой ставят две пружины с максимальным допуском по высоте - +4мм. (относительно других пружин этого же рессорного комплекта) и максимальной жесткости. Рама боковая устанавливается на адаптеры букс колесных пар. На пружинный рессорный комплект опирают край балки надрессорной, изготовленной с минимальными толщинами стенок. На такую тележку вагона действуют статические и динамические нагрузки от груженого вагона. Деформация балки надрессорной, в совокупности с дополнительной неравномерной деформацией пружинного комплекта и существующей размерной разнице по высоте пружин, приведет к существенному перераспределению нагрузки на опорной плите, во внутреннюю сторону тележки (Рис.9).

В свою очередь, нагрузка от рамы боковой передается на консоли оси колесных пар, за счет которых она незначительно изгибается. Такой изгиб консоли оси приводит к перераспределению нагрузки на адаптеры буксы (Рис.10). В связи с жестким контактом (буксы и рамы), особенно при динамических нагрузках, нагрузка может периодически полностью перемещаться на одну из боковых поверхностей рамы (внутреннюю сторону тележки). Балка надрессорная и рама боковая, изготовленные с минимальными пределами толщин стенок, при максимальных нагрузках на тележку, приводят к самым большим деформациям, влияющим на перераспределение нагрузок с осевых на вне осевые.

Действие двух разнонаправленных сил с одной стороны рамы боковой, разнесенных по длине и высоте друг от друга, выгибают ее внутреннюю поверхность, приводят к образованию крутящего момента, создают сложные деформации элементов рамы. При таких условиях, самыми уязвимыми местами детали являются ее боковые поверхности, принимающие основные нагрузки. Формирование трещин в процессе эксплуатации вагонов, чаще всего, начинается на ослабленных боковых поверхностях рамы. Наиболее напряженными являются части боковых поверхностей рамы в зоне буксового проема, где одновременно появляются деформации кручения, растяжения и среза (Рис.12, Рис.13).

Рисунок 13. Излом боковой рамы. Начало формирования трещины с ее внутренней стороны.

Беря во внимание наличие других размерных (и не только) допусков на используемые отливки, которые могут дополнительно создать условия одностороннего перераспределения нагрузок, рассматривая вероятность полного сжатия витков пружин и их жесткого воздействие на раму с опорной плиты, общее воздействие вне осевых сил на раму боковую, может значительно возрасти.

Рассматривая схему мест расположения эксплуатационных дефектов боковой рамы тележки (Рис.14), видно, что трещины, в основном, образовываются на ее боковых поверхностях в зонах повышенных несоосных нагрузок.

Рисунок 14. Места расположения дефектов.

Предположим, что по теории вероятности, сборка деталей тележки грузового вагона, примерно с такими же допусками и допустимыми характеристиками составляет всего 0.1%, то есть 1 на 1000 тележек. Значит один из 500 вагонов, либо один из, примерно, 13 составов, при существующих условиях, находятся в зоне риска, как бы являются «бомбой замедленного действия».

Выводы и рекомендации.

Доработка литейных технологий не возможна без доработки существующего технологического оборудования АФЛ, позволяющего производить заливку только в горизонтально расположенные формы. Необходимость наклона форм, либо моделей в форме, при заливке их металлом, и использование существующих новых подходов при разработке литейных технологий (описаны в предыдущих статьях), позволит получать отливки высокого качества, многократно снизив проблемы с качеством боковых поверхностей (Рис.15, Рис.16). Такие конструктивные и технологические доработки оборудования и оснастки, сделают возможность, практически, бездефектного формирования отливки в нижней части формы.

Рисунок 15. Литейная форма с наклоном моделей.

Рисунок 16. Способ протяжки моделей расположенных под наклоном.

Для получения качественной внутренней поверхности рамы боковой, формируемой стержнями, необходимо: при изготовлении стержней использовать песок более мелких фракций, аналогично песку для литейных форм; выполнять стенки стержней более газопроницаемыми; применить принудительный отсос газов из полостей стержней. Ужесточение и упорядочение цепи размерных допусков, при комплектации деталей каждой из тележек, позволит дополнительно снизить риски образования критически нагруженных зон отливки. Правильный подбор и установка пружин рессорного комплекта, с учетом линии изгиба балки надрессорной в нагруженном состоянии, равномерно распределит нагрузку на опорную плиту рамы и предотвратит осевые смещения, воздействующих на нее, сил. Изготовление опорной площадки для адаптера с расчетным уклоном, в сторону линии изгиба оси колесной пары, а так же использование амортизирующих прокладок между адаптером буксы и опорной поверхностью рамы, позволит устранить, практически любое смещение осевых нагрузок в буксовом проеме рамы.

Последствиями разрушения боковых рам грузовых вагонов, чаще всего, являются крушения ж/д составов, порой с гибелью людей, с многомиллионными убытками… Улучшить ситуацию безопасности движения грузовых поездов можно и необходимо.

Начните с оборудования и литейной технологии, и, уже на этом первом этапе, Вы многократно сократите число аварий на железной дороге.

Литература:

1. Монастырский А., Бубнов В., Котенко С., Балакин В. Излом боковой рамы тележки грузового вагона. Анализ технологии производства, пути устранения дефектов. // Журнал «Машиностроение». - №5. – 2012.
2. ГОСТ 32400-2013 Рама боковая и балка надрессорная литые тележек грузовыхвагонов. Технические условия.
3. ГОСТ 1452-2003 Пружины цилиндрические винтовые тележек и ударно-тяговых приборов подвижного состава железных дорог. Технические условия.
4. (http://mybiblioteka.su/) Расчет боковой рамы тележки грузового вагона на вертикальные силы.
5. http://vse-lekcii.ru/zheleznodorozhnyj-transport/vagony/raschet-chastej-telezhek Расчет надрессорной балки двухосной тележки грузового вагона.
6. Рузметов Я.О., Якушев А.В., Комиченко С.О. Методика расчета прочности литых боковых рам грузовых вагонов с учетом внутренних литейных дефектов. // Интернет-журнал «Науковедение». – 3. май-июнь 2014.
7. Кузнецов В.П. Вакуум – процесс. Книга «НОУ-ХАУ»
8. Феклин Н.Д., Медведчук С.А. Особенности конструирования литниковых систем для вакуумно-пленочной формовки. // ИТБ «Литье Украины». – 2018. - №6.
9. ww.wagner-sinto.de Линии вакуумно-пленочной формовки. V – процесс. // dpl-foundry.com

ИТБ "Литье Украины", №10 (218) 2018 г.