Остаточные напряжения в железнодорожном колесе: закалка + торможение

Железнодорожное колесо

Грузовые железнодорожные колеса (рисунок 1) являются самыми нагруженными элементами среди всех других компонентов грузового вагона. Колесо должно поддерживать вес вагона и направлять его по рельсам. Статическая нагрузка на 36-дюймовое (914 мм) колесо под грузовым вагоном весом 286000 фунтов (130 т) составляет 35750 фунтов (16,2 т). Колесо должно выдерживать огромное количество воздействий от температурных и механических напряжений, которые возникают при колодочном торможении и высоких динамических нагрузках.


Рисунок 1 – Литое колесо CH36 для железнодорожного грузового вагона
производства компании Griffin (США) [1]

Процесс изготовления колеса

Железнодорожные колеса изготавливают двумя способами: прокаткой и литьем.

Ниже будет рассмотрен процесс изготовления литых колес на заводах компании Гриффин [1]. Термическая обработка катаных и литых железнодорожных колес аналогична.

После отливки колеса подвергают нагреву до температуры 815 ºС чтобы снять неблагоприятные остаточные напряжения, которые остаются в колесе после их отливки. Колесо выдерживают при температуре нагрева некоторого времени для гомогенизации его микроструктуры. Затем обод охлаждают струями воды по поверхности катания в закалочной машине, схема которой показана на рисунке 2.


Рисунок 2 – Схема закалки обода колеса в закалочной машине

Закалка обода повышает уровень прочности стали, улучшает ее стойкость к износу и формирует в ободе благоприятные сжимающие остаточные окружные напряжения.

Когда струи воды охлаждают горячий обод колеса часть обода, примыкающая к поверхности катания, охлаждается и сокращается в размерах. Однако в это время внутренняя часть обода находится еще при высокой температуре и поэтому имеет пониженный предел текучести. Под воздействием наружной части обода в этой части обода и примыкающей к нему части диска, которые находятся в сжатом состоянии, происходит пластическая деформация.

После закалки колесо помещается на два часа в печь отпуска при температуре 510 ºС для снижения уровня остаточных напряжений. Во время этого этапа температура колеса выравнивается. Наружная часть обода пытается вернуться в исходное состояние, но этому сопротивляется внутренняя часть обода, а также примыкающая к нему часть диска. Поэтому в них возникают растягивающие остаточные напряжения, а наружная часть обода оказывается при остаточных сжимающих напряжениях. Затем колесо остывает до комнатной температуры с сохранением характера распределения остаточных напряжений.

Таким образом, в результате операции термической обработки колоса в его ободе формируются благоприятные сжимающие остаточные напряжения. Известно, что такие остаточные напряжения помогают предотвращать в условиях эксплуатации образование в ободе усталостных трещин и, тем самым, повышать их безопасность.

Температурные нагрузки на колесо в эксплуатации

В эксплуатации колесо действует как тормозной барабан в дополнение к боковым и вертикальным механическим нагрузкам. Когда тормозная колодка прижимается к поверхности катания колеса, поверхность катания нагревается под воздействием трения. Самые жесткие температурные нагрузки колесо испытывает, когда нагруженный поезд спускается по уклону в течение длительного времени. Кроме того, неисправность тормозного механизма может приводить к заклиниванию колодки на поверхности катания колеса. В таких случаях обод колеса нагревается до высокой температуры. Разогретая сталь на поверхности катания и в ободе вблизи поверхности катания пытается расшириться. В тоже время, расширению нагретой части обода препятствует более холодная часть обода и диск колеса. Поэтому в более нагретой части обода возникают сжимающие температурные напряжения.

Смена сжимающих остаточных напряжений в ободе на растягивающие

Сталь в нагретой части обода колеса будет иметь пониженный предел текучести и сжимающие напряжения, которые выше этого предела текучести. Поэтому в этой нагретой части обода будут происходить пластические деформации. Когда колесо остынет после окончания торможения те части обода, которые подверглись пластической деформации, будут пытаться вернуться в прежнее положение. Однако этому будут препятствовать ниже лежащие слои обода и диск. В результате в поверхности катания и прилегающей к ней части обода исходные остаточные сжимающие напряжения, которые были сформированы при термической обработке колеса, сменяться на растягивающие остаточные напряжения.

Хрупкое разрушение обода

Термическая усталость стали в поверхности катания из-за повторяющихся циклов торможения может привести к возникновению и распространению термических трещин. Присутствие термических трещин в колесе с растягивающими остаточными напряжениями в ободе может привести к его хрупкому разрушению, которое инициируется термической трещиной. Поэтому очень важно знать не допускать смены знака остаточных напряжений в железнодорожном колесе.

 Конечно-элементная модель

Лучше понять процессы формирования остаточных напряжений при закалке колес и их изменение при нагреве в эксплуатации помогает компьютерное моделирование [1].

Моделирование методом конечных элементов включает расчет:

  • температурных напряжений в колесе при его закалке
  • закалочных остаточных напряжений после термической обработки
  • изменение остаточных напряжений в колесе после длительного торможения.

Сетка конечных элементов

Благодаря осесимметричной форме колеса и прилагаемой температурной нагрузки задача является двумерной осесимметричной. Для всех расчетов применялась одинаковая сетка конечных элементов, которая содержит 1826 узлов и 1695 элементов (рисунок 3).


Рисунок 3 – Конечно-элементная сетка колеса

Граничные условия при закалке

Граничные условия при охлаждении колеса в ходе закалки были двух видов (рисунок 4):

  • охлаждение водой по поверхности катания;
  • охлаждение воздухом на всей остальной поверхности.


Рисунок 4 – Граничные условия при закалке колеса

Моделирование нагрева при торможении

Поскольку готовые колеса являются термически упрочненными, то различные его части имеют различные термические и механические свойства.

К таким термическим свойствам относятся:

  • коэффициент теплопроводности;
  • теплоемкость.

К таким механическим свойствам относятся:

  • модуль упругости;
  • предел текучести;
  • сдвиговый модуль;
  • коэффициент Пуассона;
  • коэффициент температурного расширения.

Два варианта термических свойств колесной стали (рисунок 5):

  • для диска и ступицы, которые не подвергались закалке (Т1).
  • для термически упрочненного обода (Т2);


Рисунок 5 – Варианты термических свойств колесной стали
термически упрочненного железнодорожного колеса
для термических расчетов при нагреве торможения

Три варианта механических свойств колесной стали (рисунок 6):

  • сталь с незначительным влиянием термической обработки (М1);
  • сталь со средним влиянием термической обработки (М2);
  • термически упрочненная сталь (М3).


Рисунок 6 – Варианты механических свойств колесной стали
термически упрочненного железнодорожного колеса
для расчетов его напряженного состояния

Колесная сталь класса С

Во всех расчетах применялась колесная сталь класса С по классификации Ассоциации американских железных дорог  (AAR). Эта колесная сталь имеет содержание углерода от 0,67 до 0,77 % и большинство колес в США изготовляются именно из нее [1].

Все механические свойства стали, кроме коэффициента Пуассона, применялись в виде функций, которые зависят от температуры.

Упругопластическая модель

При механических расчетах применялась модель упруго-пластического материала с билинейным кинематическим упрочнением.

Граничные условия при нагреве от торможения

Размеры и расположение участка поверхности катания, на который воздействует тормозная колодка, принималась согласно стандарту AAR S660 [1]:

  • ширина – 86 мм;
  • расстояние от центра участка до заднего торца обода – 87 мм.

Мощность потока тепла от тормозной колодки к колесу принималась равной 33 кВт (45 л.с.) [1].

Моделирование закалки колеса

Расчетное распределение температуры в колесе в конце закалки показано на рисунке 7. Минимальная температура достигается на поверхности катания и составляет 218 ºС, максимальная температура – в ступице – 784 ºС. Расчетное распределение остаточных окружных напряжений термически упрочненного колеса показано на рисунке 8.


Рисунок 7 – Распределение температуры в конце закалки колеса


Рисунок 8 – Распределение окружных остаточных напряжений в колесе
после его  термического упрочнения

Моделирование нагрева при торможении

Выполнялись расчеты температуры и окружных напряжений при различной длительности торможения:

  • 20 минут;
  • 57 минут;
  • 70 минут.

На рисунке 9 показаны остаточные окружные напряжения на поверхности катания после торможения различной длительности. При тепловом потоке 33 кВт остаточные напряжения на поверхности катания не изменяются, если длительность торможения не превышает 50 минут. При торможении более 50 минут остаточные напряжения начинают быстро изменяться. При длительности 57 минут происходит переход от сжимающих к растягивающим остаточным напряжениям.

Рисунок 9 – Остаточные окружные напряжения на поверхности катания колеса
в зависимости от длительности торможения мощностью 33 кВт

На рисунке 10 показаны остаточные окружные напряжения в термически упрочненном железнодорожном колесе после тормозного нагрева мощностью 33 кВт в течение 70 минут. Максимальные растягивающие остаточные окружные напряжения составляют 480 МПа.


Рисунок 10 — Остаточные окружные напряжения
в термически упрочненном железнодорожном колесе
после тормозного нагрева мощностью 33 кВт в течение 70 минут.

Остаточные радиальные напряжения

Отметим, что в работе [1] представлены только остаточные окружные напряжения. Для железнодорожного колеса, особенно для его диска, большое значение могут иметь также и остаточные радиальные напряжения.  Радиальные напряжения от механических нагрузок дают основной вклад в циклическое нагружение диска.  См. об этом подробнее здесь.

Источник:

  1. Investigation Of Heat Treating Of Railroad Wheels And Its Effect On Braking Using Finite Element Analysis / Kexiu Wang, Richard Pilon — Griffin Wheel Company