51

ЗМІСТ

ВСТУП…………………………………………………………………….. 5

1. КРИТИЧНИЙ АНАЛІЗ ВПЛИВУ СТРУКТУРИ НА УТВОРЕННЯ ПОШКОДЖЕНЬ КУЗОВІВ ВАГОНА………………………………… 7

1.1. Особливості технології виготовлення кузова вагона……………... 7

1.1.1. Конструкція суцільнозварних кузовів…………………………… 8

1.1.2. Вихідні заготовки, які використовуються у виготовленні кузовів.12

1.1.3. Термічна обробка і структура сталі які застосовують для виготовлення кузовів вагона………………………………………………… 18

1.2. Експлуатація кузовів вагонів і утворення пошкоджень в них….. 18

1.3. Технологічні процеси ремонту кузовів вагонів, що пройшли експлуатацію………………………………………………………………….. 19

1.4. Вплив структури сталі, на формування пошкоджуваності вагона при експлуатації…………………………………………………………………… 24

2. МЕТОДИКА ДОСЛІДЖЕННЯ……………………………………... 27

2.1. Металографічні дослідження…………………………………….. 27

2.2. Вимірювань твердості за Брінелем та Роквелом……………….. 27

2.3. Вимірювання пошкоджуваності зразків…………………………. 31

3. РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА ЇХ ОБГОВОРЕННЯ………. 34

3.1 Фрагменти кузовів вагонів на яких проводились експериментальні дослідження…………………………………………………………………… 34

3.2. Аналіз мікроструктури зразків кузовів вагонів………………... 37

3.3. Дослідження пошкоджуваності кузовів вагонів методом

LM – твердості………………………………………………………………... 48

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ………………………………………….…….. 56

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ………………………….. 57

ДОДАТКИ……………………………………………………………….. 61

ВСТУП

На сьогодні залізничний транспорт є найважливішою та однією з ключових галузей економіки України. З кожним роком за рахунок старіння парку пасажирського рухомого складу витрати на його утримання і ремонт підвищуються, що приводить до зниження його ефективності на ринку компаній перевізників.

Однією з найважливіших проблем є утримання в належному стані лакофарбового покриття кузовів пасажирських вагонів в інтервалі між капітальними ремонтами та підвищення їх корозійної стійкості.

Так як кузов пасажирського вагона в процесі експлуатації піддається впливу руйнуючих зовнішніх факторів (перепади температур, вологе активне середовище, абразивний вплив, обробка хімічними речовинами при обмивці та інше) його лакофарбове покриття за короткий проміжок часу відлущується, а особливо в зимовий та весняний періоди, що приводить до корозійного впливу, який досягає до 50% поверхні кузова, та позначається на міцності конструкції, і її надійності. Це також тягне за собою додаткові витрати на неповне фарбування при деповському ремонті.

В той же час, одним із найбільш важливих факторів, який впливає на корозійні ушкодження є структура матеріалу кузовів вагонів.

Слід відмітити, що вплив параметрів мікроструктури на формування корозійних ушкоджень кузовів вагона особливо після відновлюючих ремонтів є до кінця невивченим.

В зв’язку з цим, метою роботи було визначити вплив технологічних пошкоджень, які виникають при відновлюючих ремонтах, на формування корозійних ушкоджень при експлуатації [15].

АНОТАЦІЯ

Бакалаврська кваліфікаційна робота на тему: «Роль структури у формуванні пошкоджень кузовів вагонів при експлуатації» складається із записки, що включає в себе 53с., рис. 23., табл.27., джерел 18.

Робота присвячена впливу структури на формування пошкоджень кузовів вагонів під час експлуатації з метою підвищення їх корозійної стійкості. Показано, що технологічні операції, які реалізуються під час капітального ремонту суттєво впливають на структуру і довговічність вагонів.

Об’єктами досліджень були фрагменти кузовів вагонів після відновлюючих ремонтів і експлуатації. З використанням металографічних досліджень, а також аналізу пошкодженості методом LM – твердості виявлено, що корозійні ураження при експлуатації розвивається в зонах фрагментів кузовів вагонів, в яких є мінімальне значення коефіцієнта гомогенності Вейбула (m), незалежно від проходження пошкоджень при зварюванні чи за умов пластичної деформації. Пошкодженність, яка формується в заготовках вздовж напрямку прокату є менша ніж поперек. В зв’язку з цим при зварюванні необхідно орієнтувати фрагменти так, щоб вони розміщувались по відношенню до зони зварювання вздовж напряму прокату.

На основі проведених досліджень розроблено рекомендації по оптимізації технологічних режимів ремонту для підвищення довговічності кузовів пасажирських вагонів.

Ключові слова: пасажирський вагон, кузов, пошкодженність, твердість, коефіцієнт гомогенності Вейбула (m).

1. Критичний аналіз впливу структури на утворення пошкоджень кузовів вагона.

   1. Особливості технології виготовлення кузова вагона.

Виготовлення вагона починається із розкрайки листа металу, який скручують і зварюють. Діаметр заготовок складає від 2200мм до 3200мм. На кожному етапі проводять контроль, щоб метал витримував навантаження у 70 т. Після того, коли спеціальні листи металу зварені в єдину конструкцію кожен, піддають ретельній перевірці: ультразвуковому дослідженні, а після цього гідравлічним випробуванням, лиш тоді коли перевірку завершено кузов встановлюється на залізничну платформу [6].

Українські виробники вагонів, крім виконання замовлень від «Укрзалізниці», активно співпрацюють з різними великими транспортними компаніями [5].

Дана галузь в Україні орієнтована на експорт. Обсяги експорту традиційно перевищують обсяги імпорту. За експертними оцінками, українські виробники поставили до зарубіжних країн різних вагонів і локомотивів на суму 1,42 $. Експортні поставки з України до інших країн в майбутньому цілком можуть збільшуватися [8].

1. Конструкція суцільнозварних кузовів.

Кузова основних типів сучасних вагонів пасажирського парку виконуються зі зварної конструкції, в основному з низьколегованих сталей, а окремих типів вагонів, призначених для перевезення харчових продуктів, кислот, газів і інших подібних вантажів - нержавіючих сталей, алюмінієвих сплавів і полімерних матеріалів [12].

Вибір матеріалу для різних елементів кузова вагона залежить від режиму, умов роботи та вимог щодо забезпечення надійності, економічності конструкції і технологічності виготовлення і ремонту [9].

З точки зору режимів роботи всі несучі елементи поділяють на три групи:

1. Несучі товстостінні елементи, такі як балки рами і деталі каркаса стін, граничний стан яких оцінюється міцністю. Тому метал для них повинен володіти підвищеними механічними характеристиками. Разом з тим у зв'язку із товщиною цих елементів пред'являються до них менш жорсткі вимоги по корозійної стійкості металу.

2. Тонкостінні елементи – дуги даху, деякі стійки, поперечні балки та інші несучі тонкостінні елементи кузова, їх граничним станом яких також є міцність. До металу цих елементів пред'являються вагони підвищеної міцності і антикорозійність.

3. Тонкостінні елементи, включаючи обшивку кузова, і деякі інші підкріплюють.

У зв'язку з малою товщиною цих елементів на їх несучу здатність істотний вплив мають корозійні пошкодженнях.

Тому до металу III групи пред'являються підвищені вимоги по антикорозійним властивостям і менш жорсткі за міцністю [7].

Для кузовів вантажних вагонів в основному застосовуються низьколеговані сталі марок 09Г2Д, 09Г2СД і 10ХНДП замість раніше застосовуваної вуглецевої сталі Ст3. Сталі 09Г2Д і 09Г2СД використовуються для виготовлення рам і підкріплюючих елементів стін і даху, а сталь 10ХНДП - для обшивки кузова. Пояснюється це тим, що сталі 09Г2Д і 09Г2СД значно дешевше стали 10ХНДП, тому вони використовуються в більш ємних елементах кузова. У зв'язку з тим що сталь 10ХНДП володіє приблизно в два рази більшою корозійною стійкістю, вона значно ефективніше використовується в обшивці кузовів. Однак у зв'язку із збільшеними вимогами до надійності вагонів для елементів I групи нормами рекомендована нова сталь марки 10Г2БД, легована ніобієм. Ця сталь на 20% міцніше 09Г2СД і дозволяє при цих же показниках знизити масу кузова на 2% [18].

Схема виготовлення кузова вагона з двох сталей показана на рис 1.1.

Рис. 1.1 - Модель 61-806 пасажирських вагонів з кузовом із низьколегованої і легованої ( нержавіючих ) сталей.

Для підвищення продуктивності роботи і якості виготовлення кузова у вагонобудуванні вирішується задача створення такої конструкції кузова, яка б забезпечила блоковий монтаж і демонтаж внутрішнього обладнення ( вентиляції, опалення, електрообладнання і так дальше). В існуючих конструкціях ці деталі збірних одиниці подаються через двері і люки в даху, і через це збірка проводиться в тісних приміщеннях вагонів. Одним із варіантів нової конструкції являється кузов із знімальним дахом, закріплений стінами за допомоги рельєфно-болтового з’єднання, забезпечуючи жорсткість, герметичності і технологічність збірних і демонтажних робіт як і при виготовленні, так і при ремонті [5].

1.1.2. Вихідні заготовки, які використовуються у виготовленні кузовів вагонів.

У вагонобудуванні, для виготовлення кузова вагона використовують вуглецеві сталі звичайної якості. Для заготовки кузова вагона використовують листовий прокат, з виробництва холоднокатаного листа низьковуглецевої сталі. Але для будування вагона в основному ці сталі використовують в гарячекатаному стані без додаткової термічної обробки, з феритно-перлітною структурою [13].

Сировиною для листа холоднокатаного служить низьковуглецева сталь, виробництво прокату здійснюється згідно ГОСТ 16523-89 (листи загального призначення) і ГОСТ 9045-93 ( маловуглецевої листи для штампування). В якості сировини для продукції, призначеної для подальшої штампування, використовується сталь марок 08Ю, 08КП, 08ПС [19].

Готовий прокат холоднокатаний може поставлятися не тільки в листах, але і в рулонах, за умови, що його товщина складає не більше 3 мм. Стандартна довжина кожного аркуша не більше 2,5 метрів, ширина - до 1,25 метрів [14].

1.1.3. Термічна обробка і структура сталей, які використовують для виготовлення кузовів вагона.

Для виготовлення вагонів здебільшого використовують вуглецеві сталі, які є основною продукцією чорної металургії. Вуглецева сталь промислового виробництва - це складний сплав заліза з вмістом вуглецю менше 2,14%, в якому крім вуглецю, що вводиться спеціально, є декілька інших елементів - постійних домішок. Вони потрапляють у сталь внаслідок особливостей технологічних процесів одержання сталі. Такими постійними домішками в сталях є марганець, кремній, фосфор, сірка, а також азот, кисень та водень [11].

Вуглець (C) - активний зміцнювач сталі, який підвищує її межу міцності, границю текучості та інші показники міцності, але знижує її пластичність і ударну в'язкість, при цьому міцність залізовуглецевих сплавів збільшується з зростанням вуглецю до 1%, а потім починає зменшуватись, твердість же зростає безперервно (рис. 1.2). Вуглець активно зв'язує в карбіди багато легуючих елементів. Він істотно знижує технологічність сталі при зварюванні. При вмісті вуглецю більш 0,25-0,3%, зварюваність сталі різко погіршується, оскільки в зоні термічного впливу утворюються структури загартування, що приводять до утворення тріщин. Крім того, підвищений вміст вуглецю може викликати при зварюванні пористість металу шва та утворення гарячих тріщин [11].

Рис. 1.2 - Залежність властивостей залізовуглецевих сплавів від вмісту вуглецю.

Кремній (Si) - досить активний розкислювач сталі при виплавці. У кількостях, що містяться в вуглецевих сталях (0,35-0,37%) кремній не викликає труднощів при зварюванні, однак при його вмісті більш 0,8% зварюваність сталі погіршується через високу рідкотекучість металу і утворення тугоплавких окислів кремнію, що забруднюють зварний шов неметалічними включеннями [17].

Марганець (Мп) - сприяє істотному підвищенню меж міцності і текучості сталі. Марганець - активний розкислювач і дисульфуратор сталі. Останнє проявляється в очищенні сталі і металу шва при зварюванні від шкідливої домішки - сірки шляхом утворення нерозчинних з'єднань сірчистого марганцю, що легко видаляються з металу. При звичайному його вмісті в вуглецевих сталях (0,3-0,8%) марганець сприятливо впливає на технологічність сталі і, крім того, зменшує розбризкування металу при зварюванні. Однак при більш високому вмісті, наприклад 1,8-2,5%, він істотно підвищує прогартовуваність сталі, в результаті чого з'являється небезпека появи тріщин в навколошовній зоні [17].

Сірка (S) є шкідливою домішкою в сталі, куди вона потрапляє з руди або палива. Із залізом сірка утворює хімічну сполуку - сульфід заліза FeS, який практично не розчиняється в залізі у твердому стані. Сульфід заліза утворює евтектику Fe-FeS з температурою плавлення 988°С, тобто дуже низькою для залізовуглецевих сплавів. Ця евтектика присутня в структурі сталі навіть при надзвичайно малому вмісті сірки і розміщується по границям зерен. Під час гарячого пластичного деформування з температурою процесу 1000°С евтектика розплавляється, через що в місцях її розташування виникають надриви або тріщини. Це явище називається явищем червоноламкості. Крім того, сірчані сполуки значно знижують механічні властивості сталі, особливо ударну в'язкість, пластичність, а також погіршують зварюваність і корозійну стійкість. Тому кількість сірки в сталі обмежують [16].

Найбільшу кількість, сірки до 0,05% мають сталі звичайної якості, в якісних сталях вона становить до 0,04%, у високоякісних - до 0,025%, а в особливо високоякісних - до 0,015%.

Фосфор (Р) - шкідлива домішка. Він розчиняється в фериті й аустеніті і значно спотворює кристалічну гратку заліза, що приводить до значного зниження в'язкості, - сталь стає холодноламкою. Негативний вплив фосфору посилюється внаслідок схильності до ліквації.

Найбільша його кількість допускається в сталях звичайної якості -0,04%, в якісних сталях - 0,035 %, а в високоякісних - 0,025 %.

Газові домішки азоту, кисню й водню іноді називають прихованими через невелику їх наявність в сталі: 0,002-0,008% кисню, 0,002 - 0,007% азоту, 0,0001 - 0,0007% водню.

Вони можуть знаходитися в сталі у вигляді:

· крихких неметалевих включень (оксиди FeО, Fe₂О₃, нітриди FeN);

· твердого розчину;

· у вигляді прошарків в дефектних ділянках металу (тріщинах, раковинах та ін.).

Ці домішки розміщуються, головним чином, по границям зерен, що знижує опір крихкому руйнуванню. Крім того, неметалеві включення - це концентратори напружень. Розчинність газів в d-твердому розчині зменшується з зниженням температури, що сприяє утворенню пересиченого твердого розчину. Пластична деформація та наступний невисокий нагрів такого розчину викликають сильне підвищення крихкості (деформаційне старіння), зменшення запасу в’язкості та підвищення порогу холодноламкості. Наявність водню призводить до виникнення флокенів — невеликих тріщин овальної форми, які значно погіршують всі властивості сталі. Сучасним ефективним засобом зменшення кількості цих домішок в сталі є вакуумування [3].

Сталі вуглецеві звичайної якості (ДСТУ 2651:2005) - найбільш дешеві i тому їх використовують у вагонобудуванні у вигляді зварних, клепаних чи болтових конструкцій (балки, швелери, листи) Вони випускаються наступних марок: Ст0, Ст1кп, Ст2кп, і так дальше .

Приклади марок низьколегованої сталі: 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД, 17Г1С, 16Г2АФ і т.д. Марки низьколегованої сталі 10ХНДП, 15ХНДП, 10ХСНД, 15ХСНД є атмосфернно корозійностійкими (АКС), товщина металоконструкцій з АКС за 20-30 років роботи зменшується у 2-3 рази повільніше, ніж товщина конструкцій зі звичайної вуглецевої сталі [16].

Хімічний склад сталі 10ХСНД, представлено в табл.1.1.

Призначення: елементи зварних металоконструкцій різні деталі до яких пред'являються вимоги підвищеної міцності і корозійної стійкості з обмеженням маси і працюють при температурі від -70 до 450 ° С.

Табл. 1.1 - Хімічний склад 10ХСНД

Хім. ел.	Si	Cu	As	Mn	Ni	P	Cr	N	S
Вміст %	0.8-1.1	0.4-0.6	Не більше 0.08	0.5-0.8	0.5-0.8	0.5-0.8	0.6-0.9	не більше 0.008	не більше 0.040

Табл. 1.2 - Технологічні Властивості 10ХСНД

Температура кування	Почала 1200, кінця 850
Зварюваність	Зварюється без обмежень. Способи зварювання: РДС, АКС під флюсом і газовим захистом, ЕШС
Оброблюваність різанням	У нормалізованому і відпущеному стані s B = 560 МПа Ku тв. спл. = 1,4, Kuб. ст. = 1,12.
Схильність до відпускної	Малосхильна
Флокеночутливість	не чутлива.

, 09Г2Т,

Табл. 1.3.- Хімічний склад сталі 09Г2С, %

Хім. ел.	Si	Cu	As	Mn	Ni	Р	Cr
Вміст %	Не більше 0.5-0.8	Не більше 0.30	Не більше 0.08	1.3-1.7	Не більше 0.30	Не більше 0.035	Не більше 0.30