Учится конструировать необходимо самым настоящим образом. Сопротивление материалов.
Мамедов Александр Нусратович , главный специалист, ООО «Техноинжениринг»
г .Ташкент ,тел. Моб. +998946351672,
e-mail: mamedov_46@mail.ru,texnoing@bk.ru.
Аннотация. В статье приведено напоминание о дисциплине сопротивлении материалов, об отношении к науке, к материалам и роли инженера в понимании физики процессов, происходящих в конструкциях. Приведены примеры в технике, где наиболее обозначена практика применения положений сопромата.
Ключевые слова: сопротивление материалов, сопромат, конструкция, нагрузки, материал, расчет прочности.
Написанию настоящей статьи о сопромате, о его практическом применении, о ВУЗовских знаниях в целом, предшествовало прочитанное накануне, изложение полемического интервью в статье «Без сопромата очень опасен» Алексея Боровкова, проректора Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого. Надо сказать, что его мысли о современном сопромате и вообще об инженерии в целом, очень доходчивы и понятны. Они об отношении к науке о материалах и роли инженера в понимании физики процессов, происходящих в конструкциях.
Вместе с тем, он четко обозначил место современных программных систем компьютерного инжиниринга, которые позволяют достаточно быстро и правильно решать самые сложные задачи. В настоящей статье, нисколько не касаясь того, о чем шла полемика, принимая некоторые положения, изложенные проректором, как должное, я лишь постарался подробнее раскрыть практическое применение сопротивление материалов в инженерной практике.
Итак, есть базовые дисциплины, такие как сопротивление материалов
(популярный термин — сопромат),строительная механика или теоретическая механика, которые являются неотъемлемым фундаментальным элементом хорошего инженерного образования.
Сопромат представляет собой раздел механики деформируемого твердого тела и выступает, как часть общего образования, общей инженерной культуры. В сопромате изучается поведение простейших элементов машин и сооружений (а также материалов, из которых они сделаны), под действием нагрузок.
Сопромат дает теоретические основы расчета прочности, жесткости и устойчивости инженерных конструкций, будь то самолет, корабль, мост. Сопромат учит рассчитывать эти конструкции, а также определять их надежные размеры.
Вместе с тем ,главное, он позволяет нам понимать, как ведет себя материал в тех или иных типичных ситуациях нагружения. Практика показывает, что все части конструкций под действием нагрузок деформируются, то есть изменяют свою форму и размеры, а в некоторых случаях происходит разрушение конструкции.
Теория и практика при решении этих задач находятся в тесном взаимодействии. Используемые конструкционные материалы обладают разными механическими свойствами, а рассчитываемые детали отличаются многообразием форм и размеров. Базируясь на законах и выводах теоретической механики, сопротивление материалов, учитывает способность реальных материалов деформироваться под действием внешних сил.
С целью упрощения расчетов и возможности использования математического аппарата, в сопротивлении материалов приняты определенные обобщения, идеализация реальных объектов и допущения, не противоречащие, впрочем, реальным условиям работы конструкций. Сопромат предусматривает значительные упрощения. Материалы рассчитываемых деталей – моделей наделяются определенными идеализированными свойствами, обобщающими реальное поведение материалов под нагрузкой. При практических расчетах различных конструкций способами и методами сопротивления материалов принимают некоторые упрощения, вызванные невозможностью установить влияние некоторых свойств реальных материалов или элементов конструкций. Для осуществления расчетов на прочность и жесткость, мы сознательно вводим всевозможные коэффициенты, которые компенсируют все упрощения и дают возможность широко применять его в инженерной практике. Все коэффициенты, присутствующие в этих уравнениях, получаются экспериментальным путем и имеют определенный физический смысл. Основные допущения:
1. Материал считается однородным (независимо от его микроструктуры физико-механические свойства считаются одинаковыми во всех точках).
2. Материал полностью заполняет весь объем тела, без каких-либо пустот (тело рассматривается как сплошная среда).
3. Обычно сплошная среда принимается изотропной, т.е. предполагается, что свойства тела, выделенного из нее, не зависят от его ориентации в пределах этой среды. Материалы, имеющие различные свойства в разных направлениях, называют анизотропными (например, дерево).
4. Материал является идеально упругим (после снятия нагрузки все деформации полностью исчезают, т.е. геометрические размеры тела полностью или частично восстанавливаются). Свойство тела восстанавливать свои первоначальные размеры после разгрузки называется упругостью.
5. Деформации тела считаются малыми по сравнению с его размерами. Это допущение называется принципом начальных размеров. Допущение позволяет при составлении уравнений
равновесия пренебречь изменениями формы и размеров конструкции. 6. Перемещения точек тела пропорциональны нагрузкам, вызывающим эти перемещения (до
определенной величины деформации материалов подчиняются закону Гука). Для линейно деформируемых конструкций справедлив принцип независимости действия сил (или принцип суперпозиции): результат действия группы сил не зависит от последовательности нагружения ими конструкции и равен сумме результатов действия каждой из этих сил в отдельности.
7. Предполагается, что в сечениях, достаточно удаленных от мест приложения нагрузки, характер распределения напряжений не зависит от конкретного способа нагружения. Основанием для такого утверждения служит принцип Сен-Венана.
8. Принимается гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): плоские поперечные сечения стержня до деформации остаются плоскими и после деформации.
Реальные детали конструкций машин и сооружений с действующими на них силами представляются в виде расчетных схем, в которых конкретные детали заменяются упрощенными по форме элементами – моделями; силы рассматриваются, как сосредоточенные и распределенные. При этом характер сил – статические или динамические – принимается во внимание.
Поскольку все положения сопротивления материалов основаны на экспериментальных данных, эта наука является основой практических расчетов и конструирования всех реальных объектов.
Все инженерные расчеты, так или иначе, проверяются при готовности машины, сооружения если это позволяют условия, испытаниями на прочность жесткость, устойчивость с приложением испытательной нагрузки.
Инженер должен понимать физику процессов, происходящих в конструкциях. Это далеко непросто, недостаточно знать уравнения математической физики, описывающие физические явления с помощью математических моделей. Решая задачи численно для разных простейших ситуаций необходимо разделять сложные нестационарные, нелинейные явления на составляющие. Затем, постепенно усложняя модель, ты начинаешь понимать или даже чувствовать физический смысл каждого нового вводимого элемента. Проделывая так с конструкциями каждый раз, получая результаты, мы формируем индивидуальный подход ,интуицию инженера. И вот эта ценность понимания — та вещь, которая не звучит широко, но, на мой взгляд, она абсолютно ключевая. Это самое дорогое. Этим глубоким пониманием наши инженеры, как раз и отличаются о других.
Короче говоря, для решения сложных реальных задач, в которых скрывается много
физических явлений и процессов, нужно хорошо понимать эти явления и процессы,
нужно понимать и уметь «строить» корректные математические модели, начиная с
простого и переходя к сложному, а эти знания, умения, навыки приобретаются и
отрабатываются исключительно при изучении базовых дисциплин, таких как сопротивление материалов, теоретическая механика, математическая физика.
В дальнейшей, продолжительной инженерной практике сопромат постепенно утрачивает свое первоначальное значение. Вы начинаете понимать, что сопромат это самая первая и элементарная ступенька в понимании сложных явлений и процессов, формирующая общую инженерную культуру, мировоззрение, мироощущение. Но это фундамент устойчивого развития в области высокотехнологичной промышленности.
В моей практике конструирования я десятки раз перепроверяю свои расчеты, сверяю свои конструкции с уже известными ,типовыми. И как-то ответ уже становится известным заранее.
Приходиться, конечно, иногда, когда нагрузки запредельно высокие , приходиться вторгаться в область совершенно чуждую ощущениям, утрачивается способность свободно конструировать, приходиться придерживаться строго математическим расчетам. К примеру, мне чуждая область, где обороты вала шпинделя станка более 3000 об/ мин или нагрузка на конструкцию порядка 80 тонн. Плохо воспринимаю давление в трубопроводах более 10МПа. На испытаниях воочию убеждаешься, как загруженную конструкцию буквально терзают огромные неизвестные силы.
В конструировании переходов газопроводов через водные препятствия, я могу сейчас свободно воспринимать загруженность металлической конструкции пространственного типа, при пролетах до 70 метров. В основе конструкции, основной части, лежит созданная мной пространственная ферма, которая представляет собой треугольную призму. Задачи решаю, что называется, «ручками», на пальцах, чувствую, все нюансы все эффекты, возникающие в процессе, решения понятны и доступны. От проекта к проекту постоянно меняются и величины пролетов и нагрузки. Условия усложняются, еще, различной номенклатурой у заказчика материала для ферм.
В основном, применяю вышедшие из эксплуатации газовые трубы. Это очень хороший конструкционный материал, трубы из малоуглеродистой, качественной стали, конструкции выходят прочные и хорошо сваривается. Все ответственные стыки проверяются неразрушающим контролем и защищаются муфтами. Появились свои эталоны конструкции, есть с чем сравнивать, на чем проверять свои решения.
Для меня никогда не возникала мысль о том, что сопромат сейчас не нужен, что можно вполне обойтись без него. Удивительно, жизнь доказывает, что ни один предмет обучения вообще нельзя игнорировать. Так или иначе, все мне пригодилось в моей практике , в области механики, совершенно разной по направлениям деятельности. И главное, очень пригодилось школьные и институтские практики. Надо сказать, я всегда старательно, с удовольствием, учился практическим навыкам, не гнушаясь самой грязной работы. До сегодняшнего дня деятельности, я продолжаю применять знания, приобретенные ранее.
А вообще занимаясь, основной работой, аппаратами и трубопроводами под высоким давлением газа, приходилось рассчитывать все трубы, детали узлы, сооружения, емкостное оборудование на прочность от воздействия высокого давления. Вплоть до давления в 500 атмосфер. Тут без сопромата опасно!
Хорошее видение напряжений в материале позволяло, иногда, идти на риск, переступать дозволенные пределы, указанные в нормах. При этом, конструирование и изготовление конструкций нестандартных соединительных деталей трубопроводов, происходило по всем правилам, с применением расчетов на прочность, с испытанием материалов, с проверкой сварочных швов неразрушающими методами, с термической обработкой после сварки и т.д. Никого не призываю так поступать, всегда поджидает неожиданность, но вот в практике случалось конструировать нестандартные соединительные детали трубопроводов,
иногда, для давления до 320 атмосфер, Это была большая партия, порядка трехсот штук отводов и тройников для трубопроводов высокого давления. Эти системы до сих пор успешно эксплуатируется на самом ответственном участке газотранспортной магистрали.
Теперь о самом главном, на чем зиждется понятие сопротивление металлов, о волокнистом строении металла .
При получении непрерывной заготовки непрерывной разливки стали, размер зерен зависит от скорости охлаждения расплавленного металла большая скорость охлаждения способствует возрастанию количества центров кристаллизации и получению мелкозернистого строения при медленном охлаждении центров кристаллизации зарождается мало, получается крупнозернистая структура металла. Мелкозернистая структура металла обеспечивает его большую прочность. В процессе ковки и прокатки кристаллические зерна вытягиваются в волокна, в результате чего получается волокнистое строение металла;, повышается его прочность вдоль волокон. Чем больше степень деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентацию (текстуру). Характер текстуры зависит от природы металла и вида деформации (прокатка, волочение и т. д.) Кристаллографическую текстуру не следует отождествлять с волокнистой структурой, волокнистость иногда может и не сопровождаться текстурой. Образование текстуры способствует появлению анизотропии механических ;и физических свойств.
При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристаллизацией обработки;, или первичной рекристаллизацией. В волокнистой структуре между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения, из-за которых пластически деформированный металл ;анизотропен. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек. Волокнистое строение металла можно заметить невооруженным глазом.
Конечно, сейчас есть современные программные системы компьютерного инжиниринга, которые позволяют достаточно быстро и правильно решать самые сложные задачи. На их основе в проектных институтах созданы расчетные группы. И вот здесь и появилось явление, инженер запускает программу, и дальше свято верит в ту картинку, тот результат, который выдала программа, но, с одной стороны, не способен оценить адекватность и точность полученного численного решения, а с другой — не в состоянии поставить реальную задачу, как правило, сложную задачу, не понимая всех тонкостей. Всем начинает нравиться компьютерная картинка. Это серьезное помощь, но также очень опасное явление и не все видят эту опасность, увлекшись получением стабильных быстрых результатов, похвалой, премиями и т.д.
Надо помнить, что программные системы компьютерного инжиниринга, это все лишь инструментарий. Хороший, может даже очень точный, но инструментарий. Его необходимо умело использовать, но не заменять инженерию. Увлечение автоматизацией проектирования, программными расчетами пагубно влияет на становление инженера, превращает его в человека, который ловко стучит по клавишам компьютера, прекрасно разбирается в программах и сервисе. Это и ставиться первостепенным в его достижения, никто не замечает, что у нас растут, прикрываясь достижениями в области автоматизации проектирования, вместо специалистов с инженерным мышлением, обычные пользователи ПК.
Теперь о практике применения положений сопромата.
Прежде всего, о ведущей современной отрасли, трубопроводном транспорте углеводородов. Современные проекты газопроводов ориентированы на сооружение магистральных трубопроводов нового поколения, как класса капитальных сооружений высокого уровня безопасности, надежности и эффективности. Предпочтение отдается газопроводам, смонтированных из высокопрочных труб, освоенных промышленностью в ряде ведущих стран, способных выдерживать давление до 9,8 МПа (100 кгс/см2).
При заказе труб с определенными показателя качества, требуется от инженера, задающего основное сопротивление материала труб, сконцентрировать в одном документе сведения из различных областей науки и производства. Чтобы уяснить суть строительства газопровода, эксплуатации трубопроводов с трубами большого диаметра, производства труб на заводах, начнем с самого начала, со словаря:
1.Некоррозионно-активный природный газ - это природный газ, вызывающий равномерную коррозию незащищенной стенки трубы со скоростью не более 0,1 мм в год.
2.Сварное соединение – неразъемное соединение, выполненное сваркой и представляющее собою совокупность характерных зон в трубе.
3.Свариваемость металла- свойство металла образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.
4.Термическая обработка труб - тепловая обработка труб для улучшения пластических и вязкостных свойств основного металла и сварных соединений труб.
5.Неразрушающий контроль - контроль сплошности металла физическими методами, не разрушающими металл.
6.Документ о качестве - документ о качестве труб, содержащий основные технические данные о партии труб и подтверждающий соответствие фактических свойств нормативным требованиям стандарта. Сертификат качества представляют потребителю вместе с трубами.
7.Экспандирование труб - гидравлическая или гидромеханическая калибровка труб на экспандере путем пластической деформации стенки для получения нормативных геометрических параметров труб.
8.Класс прочности труб - прочность металла труб, оцениваемая временным сопротивлением ;в иобозначаемая символами от К34 до К60, что соответствует нормативным значениям ;в, (кгс/мм2).
9.Рабочее (нормативное) давление — наибольшее избыточное давление, при котором обеспечивается заданный режим эксплуатации трубопровода.
10.Магистральный трубопровод - единый производственно-технологический комплекс, включающий в себя здания, строения и сооружения, трубопроводы и предназначенный для обеспечения приема, транспортировки, хранения, сдачи и (или) перевалки на другой вид транспорта жидких и газообразных опасных веществ, а также их смесей. Это объект повышенной опасности. При проектировании, строительстве нужно учесть требования нормативных актов и привлекать специалистов, имеющих навыки, подтвержденные сертификатами.
11.Линейная часть газопровода — часть магистрального газопровода, состоит из стальных сварных прямошовных труб диаметром 114 – 1420 мм, транспортирующих некоррозионно-активный природный газ при избыточном рабочем давлении до 9,8 МПа (100 кгс/см2).
Итак, современные трубы большого диаметра на трубопрокатном заводе свариваются из листа. Технология изготовления листового металла для труб из стали до класса прочности Х80 внедрена большинством производителей России, Китая, Европы, Северной Америки и Японии. В целом система легирования и технологическая концепция упрочнения у всех предприятий-производителей одинаковы. В настоящее время не существует серьезных аргументов против использования этих, тем более что в Германии, Словакии и Канаде были получены хорошие результаты при эксплуатации газопроводов, смонтированных из высокопрочных труб (сталь Е550). Сейчас происходит вынужденный демонтаж некоторых трубопроводов прослуживших 20-25 лет для транспортирования сернистого газа. С удовлетворением замечаем, что трубы, поставляемые японскими компаниями, изготовленные по требованиям советских стандартов, успешно отработали положенный срок и совершенно не имеют коррозионных повреждений Особенно эффективно изготовлять из таких сталей трубы для строительства протяженных трубопроводов высокого давления (10 - 15 МПа). Для труб используется бейнитная, феррито-бейнитная сталь К65 (L555, Х80) и К60 (L455, Х70) толщина стенки 23,0-37,9 мм. Для основного металла исследованных труб характерна мелкозернистая ферритно-бейнитно-перлитная структура. Минимальное значение предела текучести основного металла исследованных труб равнялось 554 МПа, временное сопротивление разрыву – 648 МПа, относительное удлинение – 26%. Ударная вязкость основного металла при температуре испытаний минус 20;С на образцах острым надрезом Шарпи находилась в пределах 124-302 Дж/см2 и не менее 160 Дж/см2 (средние значения), а доля вязкого излома на образцах DWTT при этой же температуре – не менее 85%. Значения Менаже, KCV-20 для металла шва превышала 50 Дж/см2, а металла ЗТВ сварных соединений (на образцах с надрезом на расстоянии 2 мм от места пересечений линии сплавления внутреннего и наружного швов) – не менее 200 Дж/см2.
Трубы должны иметь наружное антикоррозийное полиэтиленовое покрытие и гладкостное эпоксидное внутреннее покрытие.
За рубежом были изготовлены и успешно испытаны экспериментальные трубы из стали класса прочности X100, предназначенные для работы под давлением свыше 15 МПа. В основе их производства лежит описанная выше концепция изготовления стали класса прочности Х80. В составе стали класса прочности X100, помимо ниобия, имеются молибден, никель и медь. Вредные примеси в стали серы (S), фосфора (Р) следует ограничить в пределах 0,010 % и 0,025 % соответственно, чтобы уменьшить образование неметаллических включений и возможность выделений их в межзерных границах. Испытания показали, что достигнутый уровень вязкости, прочности и пластичности удовлетворяет выдвинутым требованиям, в связи с чем производство такой стали уже сегодня можно осваивать в промышленном масштабе.
Исследованные плавки стали содержали ограниченное количество углерода (не более 0,06%) и микро легирующих элементов (Nb+V+Ti; 0,14%) и были дополнительно легированы молибденом в последних плавках стали не более 0,14%). Повышение твердости и прочности стали, связано, как правило, с повышением склонности ее растрескиванию под напряжением. Поэтому твердость стали ограничивается максимальной величиной не более 22 единиц по Роквеллу (шкала С).
При изготовлении труб применяли современные процессы сварки и сварочные материалы. Исследования труб показали, что основной металл и сварные соединения по химическому составу, механическим свойствам, результатам неразрушающего контроля и гидравлических испытаний соответствовали трубам такого класса прочности, в частности требованиям ОАО «Газпром» к трубам для газопроводов с рабочим давлением 11,8 МПа, а также требованиям API Spec.5L (PSL2).Однако, следует отметить целый ряд проблем в связи с переходом к использованию труб пятого поколения, в связи с повышенной прочностью сталей и снижением технологической свариваемости.
Таким образом, основными требованиями к этим сталям будет являться, это обеспечение технологической прочности (по критерию сопротивляемости холодным трещинам), обеспечение конструктивной прочности (по показателям хронопрочности сварных соединений), без дефектности и стойкости к коррозионному растрескиванию. Эти стали по показателю эквивалента относятся к ограниченно свариваемым, потому что эквивалент углерода 0,43-0,45 – это уже предел, когда металл становится ограниченно свариваемым. Необходимо применять специальные методы, которые обеспечивают нужную скорость охлаждения. Оценкой свойств материала, то есть появление закалочных структур (эти стали относятся к сталям бейнитного класса), а также возможностью появления мартенситной составляющей, которая будет определять сопротивляемость холодным трещинам. Как силовой фактор, конечно, остаточные сварочные напряжения, и как провокатор, наличие водорода и отсюда требования к технологии сварки. Имеется в виду, необходимость подогрева или регулирование скорости охлаждения, оценки напряженно-деформированного состояния и исключение попадание водорода, подготовка под сварку, прокалка электродов, обработка кромок.
Высокие напряжения возникают в зонах термического влияния сварки. Напряжения снимаются отпуском при температуре в интервале 550-650 0С.
Важно остановится еще на сопротивляемости коррозионному растрескиванию. Со сталями Х100 нужно быть предельно осторожными. Часть трубопроводов транспортируют газ с содержанием сероводорода Н2S
Сероводородное растрескивание сталей является следствием наводораживания и снижения пластических свойств металла в процессе электрохимической коррозии в присутствии сероводорода.
Влияние сероводорода на сталь выражается в сероводородном растрескивании под напряжением (СРН) и водородным растрескиванием (ВР) типа расслоения. Кроме того, в средах в присутствии влаги происходит электрохимическая в т. ч. сплошная локальная коррозия внутренней поверхности труб и оборудования.
Низшим пределом концентрации сероводорода в газах, при котором возникают вышеуказанные виды коррозии, принято считать концентрации, обуславливающие при рабочем давлении в трубопроводе парциальное давление сероводорода PH2S более 300 Па
Наивысшим нормируемым пределом концентрации является PH2S=1,5МПа соответственно в газах и жидкостях. В сертификатах на поставляемые трубы должны быть сведения о проведении лабораторных испытаний металла труб на сероводородное растрескивание по методикам МСКР 01-85 или NASE TM 0177-90 (метод А) и водородного растрескивания с указанием показателей длин трещин GLR и толщин трещин CTR при испытании по методике NASE TM02-84-96.
Разработан Стандарт Газпрома «Сопротивляемость трубных сталей и сварных соединений коррозионному растрескиванию». Он предусматривает испытания одноосных образцов при заданной скорости, испытания при постоянной нагрузке, имеющие конструктивное подобие с реальной трубой, с тем, чтобы оценить влияние материалов, технологий. Поэтому по этой методике мы сейчас испытываем различные стали для строительства и ремонта.
Несмотря на простоту расчета, все же необходимо знать весьма точно и много о различных трубопроводах.
Все указанное выше помещается в один документ, представляющий техническую часть контракта на поставку труб. Документ содержит подробный расчет трубопровода на прочность.
Этот документ предлагает заводу-изготовителю перечень свойств труб, параметры прочностных показателей, качество материала и техническую характеристику труб, в рамках существующих мировых стандартов.
На основании этого документа завод изготовитель формирует технические условия на изготовление и поставку требуемой партии труб.
Как вам стало ясно из изложенного, для профессиональной деятельности необходимы все знания, полученные в современном техническом ВУЗе, значительно усиленные более глубокой разносторонней индивидуальной подготовкой инженера, включая практику. Объем знаний просто невероятно огромный, особое место в этом объеме занимают знания и понимание нормативной документации. Это все вместе дает свободное и твердое восприятие всех процессов изготовления современных труб на любом заводе мира. Более подробно о достижении прочности, надежности, стойкости газопровода, труб в статьях «Труба на миллион: «Северный поток - 2» глазами инженера» и «Безграничное доверие огню»
Таких примеров за мою практику продолжительностью в 50 лет, скопилось масса.
Вот еще одно интересное наблюдение за конструкциями и воздействием на них нагрузок.Оно касается колесных пар грузовых вагонов.
Казалось в начале, что там такого сложного и интересного в обыкновенной колесной паре.
Однако рассмотрим конструкцию с точки зрения сопротивления материалов. В процессе эксплуатации на шейки оси колесной пары приходиться основная нагрузка. Поскольку колеса находятся все время в движении, нагрузка воздействует на ось, вызывая все время циклические напряжения. Этот вид напряжения и связанное с ним усталость металла, которое в итоге приводит к разрушению оси и определяет подборку материала и весь технологический цикл изготовления элементов колесной пары. Они должны обладать достаточной прочностью, износостойкостью, иметь небольшую массу для снижения тары вагона и уменьшения динамического воздействия на верхнее строение пути, а также обладать некоторой упругостью для смягчения динамических сил, возникающих при движении вагона. Колесные пары наиболее ответственные узлы вагонов, от их исправного состояния во многом зависит безопасность движения поездов и работоспособность вагона.
Это делает ось является одним из самых важных компонентов железнодорожного подвижного состава. Вагонная ось это элемент колесной пары, на котором укрепляются колеса.
Она представляет собой стальной брус круглого, переменного по длине поперечного сечения. Вагонные оси различаются: размерами основных элементов в зависимости от значения
воспринимаемой нагрузки, формой шейки оси — для подшипников качения и
подшипников скольжения, формой поперечного сечения — сплошные или полые.
Кроме этих признаков, определяющих конструкцию, оси классифицируются: по
материалу, способу изготовления, способу торцового крепления подшипников качения —
корончатой гайкой или шайбой.
У вагонной оси имеются две шейки , пред под ступичные и под ступичные части, а
также средняя часть оси. Для снижения концентрации напряжений в местах изменения диаметров оси делают плавные переходы— галтели, выполненные определенным радиусом.
Снижение концентрации напряжений, вызванных посадкой деталей подшипников качения,
достигается разгружающей канавкой, расположенной у начала задней галтели шейки оси.
Оси для подшипников скольжения по торцам имеют буртики, препятствующие
смещению подшипников вдоль оси наружу при движении вагона.
Оси для роликовых подшипников по концам шеек вместо буртиков имеют
нарезную часть для навинчивания корончатой гайки.
Нестационарный режим нагружения, при вращении колесной пары, вызывает в оси
знакопеременные напряжения, с амплитудами изменяющейся величины, что требует
применения специальных мер, повышающих предел выносливости осевой стали.
К таким мерам относятся, обточка средней части оси и упрочнение всей поверхности оси путем накатки роликами, а также контроль оси ультразвуком или другими методами
дефектоскопии. Параметры шероховатости после обработки для поверхностей оси установлены
Государственным стандартом.
Крепление колес на оси предусмотрено прессовой посадкой. Запрессовка колес на оси производится в холодном состоянии на гидравлических прессах машиностроительных заводов, оснащенных манометрами и контрольными самопишущими приборами, для записи диаграмм запрессовки.
В качестве материала для изготовления вагонных осей применяется: для вагонов
основных типов сталь ОсВ, для вагонов электропоездов — сталь ОсЛ. Гарантийный срок
эксплуатации осей установлен 8,5 лет, а срок службы — 15 лет.
Химический состав: углерода 0,40—0,48; марганца 0,55—0,85; кремния 0,15—0,35; фосфора не
более 0,04; серы не более 0,045; хрома не более 0,3; никеля не более 0,3; меди не более 0,25%.
Вагонные оси изготавливают поперечно-винтовой прокаткой и радиально-ротационным
методом.
Процесс поперечно-винтовой прокатки ведется на трехвалковом стане, валки
которого расположены под углом 120° один к другому, что обеспечивает автоматическую
деформацию заготовки по форме оси при помощи копировального устройства. При
радиально-ротационном способе черновая ось зажимается в шпинделе машины, где
ролики обеспечивают обжатие заготовки в соответствии с требуемыми размерами.
Изготовление вагонных осей методом поперечно-винтовой прокатки и радиально-
ротационным методом дает возможность обеспечить высокую производительность и
улучшить качество металла оси.
На шейке или средней части оси в горячем состоянии наносят знаки и клейма. После этого
черновые оси термически обрабатывают (нормализация или нормализация с отпуском) с
последующим процессом правки на прессах, штампах, либо под плитами, а затем очистки
в дробеструйных конвейерных камерах.
Аварийные ситуации нередкость в железнодорожном транспорте. Неоднократно я наблюдал аварийные ситуации с осями колесных пар, из-за неисправности подшипников и тормозной системы.
Чтобы не чрезмерно загружать статью, думаю ограничится приведенными примерами, хотя у меня примеров непосредственного применения знаний немало. На фоне успехов механиков, конструкторов, электронщиков в современном ВПК, наша промышленность совершает грандиозный поворот в сторону совершенствования. Она, вскоре, станет опять передовой промышленностью мира, ей, как и прежде, сейчас очень нужны грамотные, всесторонне развитые инженеры. Для этого в стране есть все предпосылки, традиции, примеры первенства, имена лучших ученых и инженеров настоящего и прошлого.
Ссылки на статьи.
1.Статья «Без сопромата очень опасен»А.Механик. журнал «Стимул» ,2019.
2. Статья «Труба на миллион: «Северный поток - 2» глазами инженера». А.Мамедов. «Energoland»/ 2021.
3. Статья «Безграничное доверие огню.» А.Мамедов. 2022.