Стаття Злам бічної рами візка вантажного вагона

стаття

Злам бічної рами візка вантажного вагона. Аналіз технології виробництва, шляхи усунення дефектів

Завантажити статтю у форматі PDF - 971 Кбайт

Матеріал по темі, заявленій у назві статті, величезний і може бути (і напевно послужив) основою не для однієї дисертації. Будь-який бажаючий знайде в мережі Інтернет статистику аварій, що сталися через злами бічних рам вантажних вагонів, зібрану з 2001 року. З аналізу цієї статистики випливають два невтішні висновки.

Пошуку вирішення проблеми якості лиття рам присвячено безліч статей. Можна легко знайти роботи 2004 року (звичайно, є і більш ранні), останні доступні статті датовані 2011 роком. З цього випливає, що ситуація загалом не змінюється, рішення не знайдено, а отже роботи у цьому напрямі слід продовжувати. Публікації поділяються на дві групи. У першій ситуація розглядається з позиції обладнання [4, 5]: таких публікацій небагато, їх загальний недолік полягає у відсутності зв'язку між дефектами бічних рам, що стали причиною багатьох аварій (рис. 2 і 3), та різними способами виготовлення піщаних форм (як і чим склеїти/спресувати пісок) без розгляду самої технології одержання виливки (літниково-живильна система, технологічні параметри процесу). Купівля та впровадження нових ліній формування дозволяють розширити асортимент продукції, вирішити проблему зношеного обладнання, але в переважній більшості випадків не вирішують проблем якості виливків [5]. У результаті продукція закуповується у Китаї.

До другої, основної групи можна віднести статті, в яких розглядається технологічний процес, робляться спроби аналізу причин утворення дефектів. Слід зазначити, що майже у всіх публікаціях цієї групи використовуються результатиінженерного аналізу, отримані із застосуванням спеціалізованого програмного забезпечення різних виробників – систем комп'ютерного моделювання ливарних процесів (СКМ ЛП). Без застосування таких систем практично неможливо ефективно модернізувати технологію виготовлення виливки такої складної конфігурації як бічна рама. Але хоча в багатьох випадках наводяться правдоподібні результати моделювання серійної технології, вкрай рідко можна зустріти аналіз причин виникнення цих дефектів. Наприклад, у статті [6] за допомогою системи SOLIDCast аналізується технологія Бежицького сталеливарного заводу. Сумнівно виглядає використання теплових властивостей сталі 20ГЛ, взятих із довідкової літератури. При констатації неефективної роботи прибутків та холодильників не аналізуються причини їхньої незадовільної роботи.

У роботах [7, 8] обґрунтовується зв'язок між утворенням гарячих і втомних тріщин і усадковими дефектами, але оскільки всі висновки робляться за результатами експерименту на зразку [8], інформація має загальний теоретичний характер. В одній із останніх статей [9], присвячених бічній рамі, досить докладно розбираються можливі причини дефектів рами: неспаї, недоливи, хвилястість та гарячі тріщини. Однак заявлений у назві роботи вплив технологічних параметрів на ці дефекти практично не обговорюється, не показано зв'язок між конкретною технологією та дефектами виливків.

Безумовно, як відповідальна деталь залізничного вагона, бічна рама — ще й комерційний продукт, який має величезний попит. Тому всі особливості технології, як і її доопрацювання, на будь-якому підприємстві є комерційною таємницею. Найімовірніше, це головна причина неповноти інформації в усіх публікаціях. У пропонованій статтінаводяться деякі результати значної роботи, виконаної фахівцями ПрАТ «АЗОВЕЛЕКТРОСТАЛЬ» у співпраці із ЗАТ «СіСофт». Її мета — намітити шляхи зміни технології та конструкції виливки «Рама бічна», зокрема — розібратися в причинах утворення дефектів усадки в найбільш критичних зонах виливки: буксовому отворі (R55) і ресорному отворі (R40). ЗАТ «СіСофт», будучи партнером відомої французької компанії ESI Group, має у своєму розпорядженні СКМ ЛП ProCAST та багаторічний досвід виконання технічних проектів (наприклад, [10]). Фахівці ПрАТ «АЗОВ-ЕЛЕКТРОСТАЛЬ» мають багатий досвід конструювання та випуску виливків для РЗ.

Термічна напруга в бічній рамі

Одним з етапів аналізу серійної технології виготовлення бічної рами на ПрАТ «АЗОВЕЛЕКТРОСТАЛЬ» було моделювання ситуації, коли при охолодженні ливарного блоку можливе виникнення значних термічних напруг і, як наслідок, пластичних деформацій. Самі по собі ці напруження далеко не завжди становлять небезпеку руйнування, але контакт з формою, що ускладнює лінійну усадку, може стати причиною виникнення тріщини. ProCAST володіє необхідними моделями та функціоналом для коректного вирішення завдання напружено-деформованого стану виливка з урахуванням контактної взаємодії з формою, включаючи утворення зазору, що змінює характер охолодження блоку. У розрахунку форму ставили як абсолютно жорстке тіло для моделювання максимально строгих умов при деформації виливки. Аналіз результатів розрахунку показав, що на момент вибивання загальний рівень напруг у критичних зонах значно нижчий за межу міцності (рис. 4). У процесі остигання зона R55 буксового отвору деформується в пластичній ділянці, але рівень залишкових пластичних деформаційневеликий (не більше 2%). Оскільки розрахунок напруг виконувався без урахування усадкових дефектів, що утворюються у виливку (тобто для щільного металу), за його результатами можна зробити висновок, аналогічний наведеному в роботі [8]: тріщини в бічній рамі, що виникають на стадії виробництва, - результат не стільки накопичення залишкових напруг, скільки ослаблення конструкції за рахунок внутрішніх ливарних дефектів (рис. 2).

Усадочні раковини в бічній рамі

Згадані у звітах комісій «внутрішні ливарні дефекти» виявляються під час моделювання заливання та кристалізації блоку за серійним технологічним процесом (рис. 5). Розглянемо причини утворення усадкових раковин у критичних зонах – R55 та R40. Для цього проаналізуємо геометрію в районі внутрішнього радіусу R55 буксового отвору та внутрішнього радіусу R40 ресорного отвору.

Товщина стінки буксового отвору плавно збільшується у бік внутрішнього кута R55, тому саме тут при твердінні утворюється спочатку тепловий вузол (рис 6а), а потім раковина. Оскільки рама має конструкцію короба, в районі R55 формуються два такі вузли: один зверху, інший знизу (рама заливається в положенні лежачи). Освіта двох вузлів показано на рис. 6б. Живлення верхнього вузла не становить проблеми, над ним чи поруч можна поставити прибуток відповідних розмірів (звичайний чи екзотермічний). Вона забезпечить живлення цього вузла, а заразом і центральної (опорної) частини буксового отвору. Це завдання було швидко вирішено за допомогою моделювання в системі ProCAST, в результаті залишився лише нижній тепловий вузол, як показано на рис. 5. Його харчування дуже утруднено, оскільки стінка, через яку живиться вузол, має постійну товщину по висоті при значній протяжності (близько 15 см). Її охолодженняздійснюється досить інтенсивно через контакт розплаву з холодною формою, «перемерзання» відбувається практично незалежно від розміру встановленого зверху прибутку. Тому, щоб просочити таку протяжну область без зміни її геометрії (наприклад, створення нахилу стінки по висоті), потрібні додаткові технологічні прийоми (наприклад, встановлення холодильників в нижній тепловий вузол).

Схожу ситуацію можна спостерігати і в ресорному отворі. Зони стикування технологічних ребер у районі R40 ресора також є місцями утворення теплових вузлів (рис. 7). Складна геометрія ресорного отвору, внутрішнє технологічне ребро та довжина зони по висоті роблять практично неможливою організацію необхідного живлення проблемної стінки без зміни геометрії. Вирішення проблеми може бути знайдено шляхом встановлення прибутку над верхнім тепловим вузлом. Для цього потрібно змінити геометрію кута отвору, щоб забезпечити подачу рідкого розплаву стінку. Як і у випадку з буксовим отвором, тут може знадобитися застосування холодильників, оскільки довжина стінки та її контакт з холодною формою не можуть забезпечити безперервність живлення нижнього теплового вузла.

Підсумовуючи вищевикладене, можна зробити наступні висновки: аналіз геометрії та моделювання серійної технології виготовлення виливки «Рама бокова' в СКМ ЛП ProCAST показав, що:

  • швидше за все, термічна напруга і утруднене усадка - не основна причина виникнення тріщин у відповідальній зоні в районі радіуса R55;
  • причиною зламів рам є приховані ливарні дефекти - усадкові раковини, що служать концентраторами напруг і послаблюють перетин рами;
  • причиною утворення раковин слід вважати, перш за все, невдале(горизонтальне) з погляду харчування розташування виливки у формі. Завдяки такій орієнтації блоку можна здійснювати ефективне живлення верхньої половини рами;
  • живлення нижніх теплових вузлів незадовільно через наявність протяжних стінок рівної товщини, якими здійснюється живлення цих вузлів;
  • Вирішити проблеми можна як зміною геометрії (наприклад, створенням ухилів у стінках), так і створенням спрямованого характеру затвердіння (знизу вгору) у критичних зонах. Другий варіант може бути досягнутий підбором оптимального розміру, положення та типу прибутків на верхній частині рами та встановлення холодильників у її нижній частині.

Деякі питання моделювання бічної рами

Зупинимося докладніше на деяких питаннях технології виготовлення бічної рами. Моделювання ливарної технології (у нашому випадку – у системі ProCAST) – іноді єдиний спосіб опрацювання тих чи інших технологічних рішень, що дає інженеру обґрунтовану інформацію про їхню ефективність.Вплив технології виготовлення форми. На українському ринку існує досить жорстка конкуренція постачальників обладнання для виготовлення форм, у процесі якої потенційні споживачі справляють враження, що закупівля лінії обладнання (NO BAKE, COLD BOX, ВПФ) вирішить проблему не лише застарілого обладнання, а й якості лиття. Певною мірою це правильно, але не має жодного відношення до дефектів, розглянутих вище. На рис. 8а наведено порівняння теплопровідності форм (з бази даних ProCAST), приготовлених за різною технологією, а на рис. 8б ці властивості форм порівнюються з теплопровідністю сталі 20ГЛ (розрахована за хімічним складом з допомогою термодинамічної бази даних ProCAST). З рис. 8а зрозуміло, що піщаніформи мають низьку здатність відводити тепло від виливки (близько 1 Вт/м/К), тоді як теплопровідність самого матеріалу перебуває у межах 25-35 Вт/м/К (рис. 8б). При такій різниці спосіб виготовлення піщаної форми не має помітного впливу на роботу літниково-живильної системи. Отже, модернізація цеху без модернізації технологічного процесу отримання виливка не дасть бажаного ефекту.

Екзотермічні вставки. Основою екзотермічних вставок є суміші на основі оксидів металів, що виділяють значну кількість тепла в результаті протікання окислювально-відновних реакцій при контакті з рідким металом у прибутку. Їх застосування дозволяє використовувати прибутки менших розмірів без шкоди для ефективності запобігання усадковим раковинам. Після влучення металу в порожнину прибутку екзотермічна суміш спалахує. Під час горіння виділяється значна кількість тепла, що дозволяє довше зберігати метал рідким. Вставка, що згоріла, перешкоджає віддачі тепла від прибутку у форму. Вітчизняні виробники пропонують споживачеві каталоги, у яких зазначаються різні типи вставок, наводяться таблиці з типорозмірами.

Цієї інформації недостатньо для обґрунтованого вибору розміру екзотермічного прибутку, тому технолог змушений підбирати відповідну за типом та розміром вставку досвідченим шляхом. Система ProCAST дозволяє проводити моделювання технології отримання виливка із застосуванням екзотермічних вставок, але для отримання коректних результатів крім геометрії вставки (з каталогу) потрібні такі дані:

  • теплофізичні властивості матеріалу вставки (тепломісткість, теплопровідність, щільність) залежно від температури до та після горіння;
  • температура займаннявставки;
  • час горіння вставки;
  • кількість тепла, що виділяється під час горіння;
  • відомості про нелінійність процесу (у разі якщо тепло в процесі горіння виділяється нерівномірно);
  • коефіцієнти теплопередачі від виливки до вставки та від вставки до форми.

На жаль, цих даних у каталогах немає. Винятком є ​​компанія Ashland, яка розробила базу даних своєї продукції, що містить необхідну для моделювання інформацію з адаптацією під ProCAST. Очевидно, що для розробки бездефектної технології із застосуванням екзотерміків слід вимагати надання інформації у постачальника вставок.

Внутрішні холодильники. Внутрішні холодильники встановлюють внутрішньо порожнини форми, що утворює тіло виливки. Зазвичай холодильники виготовляють із того ж сплаву, що й виливок. При заповненні форми внутрішні холодильники частково розплавляються та зварюються з основним металом. Як холодильники використовують дріт, прутки, смуги, стружку та тирсу. При виборі розміру, конфігурації та місця встановлення внутрішнього холодильника необхідно вирішити два завдання:

  • створення необхідного характеру затвердіння виливки і, як наслідок, запобігання утворенню раковин та пористості;
  • забезпечення зварювання чи сплавлення холодильника з тілом виливки.

Отже, при проектуванні технологічного процесу дуже важливо простежити його роботу, що можливо лише із застосуванням комп'ютерного моделювання. На рис. 10а показаний варіант розрахунку технології виготовлення бічної рами із застосуванням внутрішнього холодильника, а на рис. 10б - крива частки твердої фази, знята в центрі холодильника і показує його перехід у твердо-рідкий стан. Тільки за допомогоюмоделювання можна переконатися, що станеться зварювання холодильника з виливком і надалі це місце не стане причиною розшарування металу та утворення тріщини.