Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке
Исследовано тепловое и термонапряженное состояние бандажа железнодорожного колеса
 при локальной поверхностной закалке. Для различных точек сечения бандажа изучены
 закономерности изменения во времени температур, термических напряжений, деформаций
 и их скоростей, а также отн...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Проблемы прочности |
|---|---|
| Datum: | 2004 |
| Hauptverfasser: | , , , , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України
2004
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47095 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных
 колес при локальной поверхностной закалке / Б.С. Карпинос, В.Г. Барило, С.В. Петров, А.Г. Сааков,
 Л.И. Маркашова, М.Л. Валевич, В.П. Дроговоз, Н.Г. Соловьева,
 В.В. Задорожный // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 112-123. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860063846444564480 |
|---|---|
| author | Карпинос, Б.С. Барило, В.Г. Петров, С.В. Сааков, А.Г. Маркашова, Л.И. Валевич, М.Л. Дроговоз, В.П. Соловьева, Н.Г. Задорожный, В.В. |
| author_facet | Карпинос, Б.С. Барило, В.Г. Петров, С.В. Сааков, А.Г. Маркашова, Л.И. Валевич, М.Л. Дроговоз, В.П. Соловьева, Н.Г. Задорожный, В.В. |
| citation_txt | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных
 колес при локальной поверхностной закалке / Б.С. Карпинос, В.Г. Барило, С.В. Петров, А.Г. Сааков,
 Л.И. Маркашова, М.Л. Валевич, В.П. Дроговоз, Н.Г. Соловьева,
 В.В. Задорожный // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 112-123. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Проблемы прочности |
| description | Исследовано тепловое и термонапряженное состояние бандажа железнодорожного колеса
при локальной поверхностной закалке. Для различных точек сечения бандажа изучены
закономерности изменения во времени температур, термических напряжений, деформаций
и их скоростей, а также отношений главных напряжений. Установлено, что закаливаемый
материал подвергается знакопеременному упругопластическому деформированию. Проанализировано
влияние расположения плазмотрона на уровни температур и термических
напряжений.
Досліджено тепловий та термонапружений стан бандажа залізничного колеса
при його місцевому поверхневому гартуванні. Для різних точок перерізу
бандажа вивчено закономірності зміни у часі температур, термічних напружень,
деформацій та їх швидкостей, а також відношення головних напружень.
Установлено, що матеріал, який загартовується, піддається знако-
змінному пружно-пластичному деформуванню. Проаналізовано вплив розташування
плазмотрона на рівні температур і термічних напружень.
We have studied thermal and thermostressed states
of railroad wheel tread after local surface hardening.
For various points of the tread cross section
we have determined the kinetics of temperatures,
thermal stresses, strains and strain rates, as well as
of ratios between the main stresses. It is found that
the hardened material is subjected to reversal
elastoplastic deformation. Effect of plazmatron location
on the levels of themperatures and thermal
stresses is analyzed.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:06:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.438; 539.43; 621.791.927.6
Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных
колес при локальной поверхностной закалке
Б. С. Карпиноса, В. Г. Барилоа, С. В. Петров6, А. Г. Сааков6,
Л. И. Маркашовав, М. Л. Валевичв, В. П. Дроговоз1, Н. Г. Соловьеваа,
В. В. Задорожныйа
а Институт проблем прочности им. Г. С. Писаренко НАН Украины, Киев, Украина
6 НПП “ТОПАС”, Киев, Украина
в Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, Украина
г Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический
институт”, Киев, Украина
Исследовано тепловое и термонапряженное состояние бандажа железнодорожного колеса
при локальной поверхностной закалке. Д ля различных точек сечения бандажа изучены
закономерности изменения во времени температур, термических напряжений, деформаций
и их скоростей, а также отношений главных напряжений. Установлено, что закаливаемый
материал подвергается знакопеременному упругопластическому деформированию. Проана
лизировано влияние располож ения плазмотрона на уровни температур и термических
напряжений.
Ключевые слова: закалка, температура, термические напряжения, тепло
проводность, термоупругость, термопластичность.
О боз на чени я
а - коэффициент температуропроводности
Е - модуль упругости
ц - коэффициент Пуассона
Т - температура
а т - коэффициент линейного термического расширения
а* - коэффициент теплообмена
Я - коэффициент теплопроводности
Е, о - термические деформации и напряжения
£г , Ев , Е 2 , о г , о в , о 2 - компоненты термических деформаций и напряжений:
соответственно радиальные, окружные, осевые
Е г-, о г- - интенсивность деформаций и напряжений,
1
(1 + 0 уЯ̂ {£г £2 )2 + (£г £в)2 + (£в £2 )
^ 7 ( 0 г - о 2 )2 + (ог - О в )2 + (0в - 0 2 )2Стг 42
г, г - цилиндрические координаты
I - время
© Б. С. КАРПИНОС, В. Г. БАРИЛО, С. В. ПЕТРОВ, А. Г. СААКОВ, Л. И. МАРКАШОВА, М. Л. ВАЛЕВИЧ,
В. П. ДРОГОВОЗ, Н. Г. СОЛОВЬЕВА, В. В. ЗАДОРОЖНЫЙ, 2004
112 188Ы 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние
Постановка задачи. Установлено, что при эксплуатации железнодорож
ных колес в ободе через некоторое время вначале возникает сетка трещин, а
затем несколько магистральных (рис. 1), что приводит к аварийной ситуа
ции. В настоящее время отсутствует однозначная объективная оценка причин
и времени появления трещин.
Рис. 1. Бандаж железнодорожного колеса.
Для выяснения возможных причин образования трещин и обоснования
их дальнейшего поведения необходима информация о напряженно-деформи
рованном состоянии колеса в процессе его термообработки. Эксперимен
тально показано, что в зависимости от режима закалки колеса, объема
закаливаемого материала и его расположения трещины могут либо появ
ляться, либо отсутствовать [1].
В работе исследовалось тепловое и термонапряженное состояние бан
дажа железнодорожного локомотивного колеса в процессе локальной закал
ки. С целью оценки остаточных полей напряжений и деформаций особое
внимание уделялось состоянию материала при нагреве в момент достижения
максимальных температур и максимальных термических напряжений, а
также при полном охлаждении колеса.
Исходные данные. Для решения краевых задач термоупругости и
термопластичности необходимо располагать данными о форме и размерах
детали, о механических (модуль упругости, пределы текучести и прочности,
предельная деформативность) и теплофизических (коэффициенты линей
ного и объемного расширения, теплоемкость и теплопроводность) свойствах
материала, а также начальными и граничными условиями нагружения. Объек
тивность получаемых результатов расчетов зависит от достоверности этих
сведений, возможности учета влияния на характер связи между напряже
ниями и деформациями величины деформаций, температуры материала, на
личия в нем структурных и фазовых превращений. Естественно, что полу
чить такой объем информации затруднительно.
Поэтому на практике при решении задач часто используют средние
значения характеристик. При необходимости выполняется численный экспе
римент, когда та или иная характеристика принимает ряд возможных значе
0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 113
Б. С. Карпинос, В. Г. Барило, С. В. Петров и др.
ний. При этом обязательно следует учитывать, что механические и тепло
физические характеристики связаны между собой термодинамическими соот
ношениями. Например, желание учесть температурную зависимость модуля
упругости при отсутствии таковой для других характеристик может при
вести не к повышению, а наоборот, к снижению достоверности результатов
расчетов.
Бандаж железнодорожного локомотивного колеса представляет собой
осесимметричное полое тело, внешняя поверхность которого изготовляется
по специальному профилю, что обеспечивает необходимый контакт с рель
сом. Бандаж, нагретый до температуры Т = 250...300оС, по скользящей
посадке устанавливается на колесную пару. Это приводит к формированию в
нем после охлаждения полей остаточных растягивающих напряжений.
Профиль бандажа и его геометрические размеры приведены на рис. 1.
Закалка материала поверхностных слоев происходит в результате оттока
теплоты от поверхности в глубь бандажа после интенсивного локального
нагрева. Колесо при закалке вращается с заданной скоростью. При этом
нагретые до высокой температуры поверхностные слои выходят из зоны
теплового воздействия и охлаждаются за счет теплопроводности материала
и естественной конвекции. В качестве термического источника используется
плазмотрон, генерирующий ионизированный высокоэнтальпийный поток.
Передача теплоты от плазмы к бандажу представляет собой сложный термо
динамический процесс, который характеризуется наличием одновременно
тепло-, массообменных и химических процессов на поверхности и в глубине
материала. Отметим также нестационарность процесса и его локализацию
(неоднородность). Все это усложняет корректное аналитическое задание
граничных условий теплообмена при решении задач нестационарной тепло
проводности и напряженно-деформированного состояния. Поэтому основ
ное внимание уделялось результатам экспериментального термометрирова-
ния бандажа в процессе закалки. Величина коэффициента теплообмена,
температура среды, а также закономерности изменения их во времени и
продолжительность теплового воздействия (рис. 2) подбирались таким
образом, чтобы в реперных точках бандажа экспериментальные [1] и полу
чаемые расчетные кинетики температур совпадали с принятой погрешно
стью 2%.
Тс, ОС; а*, Вт/(м2 • град)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
о 50 юо г, с
Рис. 2. Изменение граничных условий теплообмена во времени при моделировании процесса
закалки бандажа колеса: 1 - температура плазмы Тс; 2 - коэффициент теплообмена между
плазмой и поверхностью бандажа а .
а , Вт/(м2 • град)
ГГ
1
114 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние
Время нагрева ̂ принималось равным 14,6 с. В течение этого времени
коэффициент теплообмена возрастал по закону параболы, температура перво
начально изменялась линейно, а затем принималась постоянной. Наиболее
интенсивный теплообмен имел место в конце нагрева. После нагрева про
исходило резкое уменьшение теплообмена и температуры. В течение после
дующих 84 с задавались граничные условия естественной конвекции и темпе
ратура, равная температуре окружающей среды. На практике в зависимости
от состояния поверхностных слоев бандажа, необходимых условий и целей
закалки реализуются различные варианты расположения оси плазмотрона
относительно сечения бандажа. Приведенные на рис. 3 варианты располо
жения плазмотрона приняты основными, для них выполнены соответст
вующие расчеты.
Вариант 1 Вариант 2 Вариант 3
Вариант 4 Вариант 5
Рис. 3. Основные варианты расположения плазмотрона относительно бандажа.
Бандаж изготовлялся из малолегированной стали 60 [2] следующего
химсостава, %: 0,57...0,65 С; 0,17...0,37 81; 0,5...0,80 Мп; 0,040 Р; 0,040 8;
0,25 Сг. Механические (модуль упругости Е, кривые деформирования о =
= /(£ )) и теплофизические (коэффициент линейного расширения а Т, тепло
емкость ср и теплопроводность Я) характеристики исследуемой стали
представлены на рис. 4, где точки - экспериментальные данные, штриховые
линии - их аппроксимация.
Программа расчета теплового и напряженно-деформированного состоя
ний позволяла учитывать зависимость механических и теплофизических
характеристик стали от температуры в виде полинома второй степени. Кри
вые деформирования состоят из двух участков: упругого и пластического де
формирования. В таблице приведены уравнения линий регрессий в интервале
изменения температуры 0 < Т < 1500°С и достоверность аппроксимации А .
Методика расчета. Для расчета напряженно-деформированного состо
яния использовался один из наиболее перспективных методов решения задач
механики твердого деформируемого тела - метод конечных элементов, осно
ванный на теории смягченно-смешанных аппроксимаций. Абсолютно устой
чивая экономная схема расщепления в сочетании с алгоритмом экстраполя
ШБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 115
Б. С. Карпинос, В. Г. Барило, С. В. Петров и др.
ции Ричардсона позволила достигнуть заданной точности решения. Все
этапы решения автоматизированы от генерации сетки до отображения рас
четной схемы и результатов расчета [3].
Уравнения регрессий зависимостей механических и теплофизических характеристик
от температуры
Х а р а к т е р и с т и к а У р а в н е н и е р е г р е с с и и Д о с т о в е р н о с т ь
а п п р о к с и м а ц и и А 2
Е Е = ( 4 • 1 0 _ 7 Т 2 - 0 ,0 0 2 2 Т + 2 ,1 6 5 2 ) • 1 0 11 П а 0 ,9 0 7 3
а Т а Т = ( 4 • 1 0 - 7 Г 2 + 0 ,0 0 0 7 Г + 1 ,0 1 4 8 ) • Ю - 6 г р а д - 1 0 ,9 8 0 5
Я Я = (5 • 1 0 - 6 Т 2 - 0 ,0 1 9 5 Г + 4 3 ,6 9 6 ) В т / ( м • гр а д ) 0 ,9 3 0 0
сР ср = (9^ 1 0 - 5 Т 2 + 0 ,3 1 0 1 Т + 9 0 ,6 2 ) Д ж / ( к г • гр а д ) 1 ,0 0 0 0
Е •Ю-11, Па а Т - 1 0 6 ,г р а д 1
2,5 - 2,5 -
2 < 2 -
1,5 - 1,5
1 - 1 -
0,5 - 0,5 -
0 - і ............. Т------ — 0 ------------ ,------------т-----------
О 500 1000
Я , В т / ( м • гр а д )
1500 Т ,°С
500 1000
500
ср , Д ж / ( к г • гр а д )
1000 1500 Т , °С
1500 Т , °С 500 1000 1500 Т ,°С
о , МПа
[ 800°С ] ( 1100°С ]
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025 е
Р и с . 4 . З а в и с и м о с т и ф и з и ч е с к и х х а р а к т е р и с т и к с т а л и о т т е м п е р а т у р ы .
116 НБЫ 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние ...
В общей постановке задача теплового и напряженно-деформированного
состояний бандажа является трехмерной. Однако, учитывая локальный ха
рактер теплового воздействия, ее можно рассматривать как осесимметрич
ную двухмерную, что намного упрощает ее решение. Это аргументируется
тем, что тепловой поток принимается не сконцентрированным в подвижном
пятне, а распределенным по части поверхности контура обода. Уравнение
нестационарной теплопроводности принято в виде
д 2Т 1 дТ д 2Г 1 дТ
■ + ------+
дг2 г дг дг2 а дг
Для расчета напряженно-деформированного состояния использовались
известные соотношения между деформациями £ г , £ 2, £в , £ 2 и перемеще
ниями и и V:
ди дv и 11ди дv
£ г = , £ 2 = , £й = , £ гг = I +г дг 2 дг й г г 2 \ дг дг
закон Гука:
Е
а г = ----------— 2 [ (1 -л)ег + ц ( + £ г ) - « т т ]
1 - ц - 2 ц 2
Е
а 2 = :---------Г Г [ ( 1 - Ц)£ ̂ + ц ( £в + £ г ) - « т т ]1 - ц - 2ц 2
Е
а в = : ---------г г [ ( 1 - Ц )£е + Ц( £ 2 + £ г) - « т т ]1 - ц - 2ц 2
Е
а Г2 2(1 + ц )
уравнения равновесия:
да г а г + а а да гг
— - + —------- + — - = 0,
дг г дг
да гу а гу да у
— - + — - + — - = 0
дг г ду
и совместности деформаций
2 2 2
д £ г + д £ г = 2 д £ гг
дг2 дг2 дгдг
д в - 1 д(£ г 2в- )
дг 2 г дг
д 2 = 1 д(2в гг - £ г )
дг2 г дг
ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 117
Б. С. Карпинос, В. Г. Барило, С. В. Петров и др.
£в + д£в ^ д£ г
г дг г дг
При решении задачи термопластичности использовался метод дополнитель
ных деформаций.
Предварительно решалась тестовая задача нестационарной теплопровод
ности для бесконечного цилиндра - тела, для которого известно точное
аналитическое решение уравнения нестационарной теплопроводности при
соответствующих граничных условиях теплообмена. Решение задачи без
учета зависимости теплофизических характеристик от температуры имеет
следующий вид [4]:
в(г ,Ро) = 1 - 2 А п1 о(гЧ П )ехр(-ч
п=1
_ Т( г , г) - Т0
где в - относительная температура; в( г , Бо) = --------------- ; Т (г , г) - теку-
Тс - Т0
щее значение температуры; То - начальное значение температуры цилиндра;
Т с - температура среды; ч п - корни характеристического трансцендентного
10(Ч п) Ч п , уравнения ----------= ----- ; А п - тепловые амплитуды,
11(Ч п) В1
А = ( - 1) п+1 2В^ В12 + ч 2 ;
п ч п + (В12 + В1 + ч 2 ) ’
г = г/Я - относительный радиус; Я - радиус цилиндра; В1 = а * Я /Я - крите
рий Био (относительная интенсивность нагрева или охлаждения); Бо= а ^ Я 2
- критерий Фурье (относительное время нагрева или охлаждения). Беско
нечный ряд в решении уравнения нестационарной теплопроводности имеет
быструю и хорошую сходимость.
Погрешность расчета температуры зависит от времени и текущей
координаты. В начальный момент теплового воздействия на поверхности
тела она максимальна. С целью обеспечения не более 2% погрешности
расчета температуры на поверхности цилиндра учитывались значения пяти
сотен корней. Для времени, равного времени нагрева при закалке обода
колеса (Бо= 1,18-10-5 ), использование такого количества корней обеспечи
вало погрешность результатов расчета менее 0,01%. Сопоставление данных
аналитического и численного расчетов по различным методикам показало
удовлетворительное их совпадение. Максимальное отличие результатов не
превышало 1,5%.
Цилиндр разбивался на 780 треугольных элементов, соединенных в 440
узлах. Оптимальная разбивка сечения на треугольные конечные элементы
достигалась на основании анализа нескольких вариантов сетки разбивки,
отличающихся количеством подобластей и линий в контуре каждой под
118 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние
области, а также числом узлов и неравномерностью сгущения узлов на
каждой линии. В качестве параметров оптимизации использовали мини
мальный угол треугольного элемента, общее количество элементов и нали
чие вынужденных аномальных сгущений узлов. На рис. 5 приведена опти
мальная разбивка сечения и его фрагментов. Сечение бандажа колеса раз
бивалось на 657 конечных элементов, соединенных в 365 узлах.
Фрагмент 1-1 Фрагмент 1-2 Фрагмент 1-3 Фрагмент 1-4
Рис. 5. Разбивка сечения бандажа колеса на конечные элементы.
Данная сетка использовалась при решении уравнений нестационарной
теплопроводности, термоупругости и термопластичности для всех вариантов
механических граничных условий и граничных условий теплообмена. На
рис. 5 точками 1-5 обозначено пересечение оси плазмотрона с поверх
ностью бандажа (варианты 1-5). Расстояние между этими точками состав
ляло 5 мм. Дополнительно акцентировалось внимание на точках, располо
женных на расстоянии 5 мм от крайних положений оси плазмотрона.
Программа предусматривала стандартные этапы решения задачи напря
женно-деформированного состояния тела в конечноэлементной постановке,
а именно: определение матрицы жесткости каждого элемента, глобальной
матрицы жесткости, главных векторов сил и перемещений, а затем напряже
ний, деформаций и перемещений каждого элемента. При неупругом деформи
ровании использовались экспериментальные данные о деформировании стали
при статическом одноосном нагружении в условиях различных температур.
Анализ результатов расчета теплового, напряженного и деформиро
ванного состояний. В процессе нагрева изменение температуры отмечается
в небольшой приповерхностной области бандажа на глубине 5-6 мм, т.е.
имеет место существенная неоднородность полей температур. При изме
нении положения оси плазмотрона максимальное значение температуры
изменяется. Так, по мере удаления от гребня она понижается от 1048оС
(вариант 1) до 9140С (вариант 4), а затем незначительно повышается до
9200С (вариант 5).
0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 119
Б. С. Карпинос, В. Г. Барило, С. В. Петров и др.
Материал бандажа находится в условиях сложного напряженного не
однородного состояния. В исходном состоянии за счет натяга происходит
пластическое деформирование материала, уровень напряжений в начальный
момент времени незначительно превышает предел текучести, в то время как
уровень напряжений вблизи центра нагрева имеет меньшие значения по
сравнению с периферией нагрева, что обусловлено уменьшением механи
ческих характеристик при высоких температурах. Поэтому максимальные
напряжения наблюдаются не в центре нагрева, а на некотором расстоянии от
него. Различие между величинами напряжений для разных вариантов распо
ложения оси плазмотрона незначительное (около 5%).
В отличие от напряженного состояния максимум деформаций совпадает
с максимумом температур, т.е. находится в центре нагрева. Для различных
вариантов расположения оси плазмотрона деформации, как и напряжения,
отличаются несущественно. При этом можно отметить следующую законо
мерность. По мере удаления оси плазмотрона от гребня деформации умень
шаются на 13% (1-4 варианты) и затем увеличиваются на 18% (4, 5 вари
анты).
Сопоставление результатов расчета напряженного состояния бандажа
без натяга и с натягом показало, что натяг приводит к росту и смене знака
окружных напряжений. В момент достижения максимальной температуры
на поверхности бандажа напряжения увеличиваются с о в = —139 МПа (без
натяга) до о в = 393 МПа (с натягом). При этом интенсивность напряжений
изменяется несущественно, возрастая примерно на 2%, в то время как
интенсивность деформаций и пластическая деформация уменьшаются при
близительно на 10%.
После охлаждения в колесе возникают остаточные напряжения и дефор
мации. Температурное поле практически однородное. Интенсивность напря
жений превышает предел текучести материала, а пластические деформации
Е = 0,0015. Материал находится в условиях трехосного растяжения при
отношении главных напряжений 1...5. Размеры наиболее напряженной
области бандажа соответствуют области термического воздействия. Зона
пластического деформирования материала распространяется от поверхности
бандажа на глубину 5-6 мм. Максимальные пластические деформации отме
чаются на поверхности бандажа в области непосредственного воздействия
на него струи плазмотрона.
Рассмотрим подробнее изменение температур, напряжений и дефор
маций для варианта 2 расположения оси плазмотрона (рис. 6). Как показала
практика, при таком варианте закалки возможно появление трещин в банда
же.
В момент окончания нагрева для материала характерны экстремальные
значения термодинамических параметров состояния: температура на поверх
ности достигает Т = 1019°С, окружные напряжения о в = —120 МПа, пласти
ческие деформации £ = 0,0236. При таких деформациях в пластичных мате
риалах не могут появиться трещины. Однако если в результате закалки
характеристика пластичности материала \р существенно уменьшится до
0,02...0,03, то возникновение трещин вполне вероятно.
120 ISSN 0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние
Интенсивность полных деформаций в начале нагрева уменьшается до
определенного минимума вследствие наложения сжимающих термических
деформаций на растягивающие деформации натяга, затем возрастает до
максимума и с началом охлаждения снова уменьшается. Время достижения
максимальных и минимальных значений деформаций и их величина с ростом
глубины монотонно уменьшаются. Так, на наружной поверхности бандажа
минимальное значение достигается на 8-й секунде нагрева, а на глубине 5 мм
- после начала охлаждения. Время достижения максимума интенсивности
полных деформаций на поверхности практически совпадает с началом охлаж
дения, в то время как на глубине оно отмечается значительно позже. На
поверхности интенсивность полных деформаций уменьшается примерно на
30%, на глубине 5 мм - более чем на порядок. Максимальное значение на
поверхности более чем на два порядка выше, чем на глубине 5 мм.
Т , °с Од, МПа
Рис. 6 . Изменение в процессе закалки температуры (а), термических напряжений (б) и
деформаций (в, г) в различных точках бандажа. (Здесь и на рис. 7: 1 - на поверхности; 2, 3,
4 - на глубине 1, 2 и 4 мм соответственно.)
0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 121
Б. С. Карпинос, В. Г. Барило, С. В. Петров и др.
Величина шарового тензора напряжений достигает максимума несколь
ко раньше максимума температур, в то время как величина шарового тен
зора деформаций на поверхности бандажа достигает максимума сжатия в
момент максимума температур. На глубине 1 мм в этот момент наблюдается
минимум сжимающих напряжений (по абсолютному значению) вследствие
роста с глубиной растягивающих деформаций, нормальных к выпуклой
поверхности, т.е. выпучивания наружу прогретого слоя из-за его сжатия. На
глубине 2 мм кратковременный интенсивный нагрев оказывает уже значи
тельно меньшее влияние на величину деформаций, чем более длительный,
но менее интенсивный предварительный прогрев. Поэтому максимум дефор
маций здесь проявляется раньше максимума температур. На глубине 5 мм
имеет место весьма существенное запаздывание процессов нагрева и дефор
мирования материала по сравнению с таковыми на поверхности.
На структурные превращения в процессе теплового воздействия боль
шое влияние оказывают как температура, так и скорость ее изменения, а
также величина шарового тензора напряжений. Наибольшие скорости изме
нения температуры отмечаются на поверхности бандажа в конце нагрева и в
начале охлаждения, т.е. в момент достижения максимальной температуры.
Приведенные на рис. 7 данные позволяют сделать предварительное заключе
ние о степени завершенности закалочных процессов и глубине слоя закалки.
dT /d t, град/с a j а з
15 t, с 15 t, с
Рис. 7. Изменение во времени скорости температуры d T /d t (a) и отношения главных
напряжений а х/ а 3 в различных точках бандажа (б).
Слой материала толщиной 1 мм является наиболее благоприятным
местом для закалки.
Выводы
1. Положение плазмотрона относительно бандажа при закалке не оказы
вает существенного влияния на уровень максимальных термических напря
жений и деформаций.
2. В процессе закалки бандажа отмечается знакопеременное упруго
пластическое деформирование материала. Бандаж находится в условиях
122 ISSN 0556-171X. Проблемы прочности, 2004, № 3
Тепловое и термонапряженное состояние
квазиравноосного напряженного состояния. Причиной охрупчивания мате
риала и, как следствие, появления трещин могут служить уровни темпе
ратур, значения компонент термических напряжений и их скоростей.
Резюме
Досліджено тепловий та термонапружений стан бандажа залізничного коле
са при його місцевому поверхневому гартуванні. Для різних точок перерізу
бандажа вивчено закономірності зміни у часі температур, термічних напру
жень, деформацій та їх швидкостей, а також відношення головних напру
жень. Установлено, що матеріал, який загартовується, піддається знако-
змінному пружно-пластичному деформуванню. Проаналізовано вплив роз
ташування плазмотрона на рівні температур і термічних напружень.
1. Петров С. В., Сааков А. Г. Плазма продуктов сгорания в инженерии
поверхности. - Киев: ТОПАС, 2000. - 218 с.
2. Журавлев В. Н ., Николаева О. И. Машиностроительные сплавы. Спра
вочник. - М.: Машиностроение, 1981. - 340 с.
3. Ковальчук Б. И., Лебедев А. А., Уманский С. Э. Механика неупругого
деформирования материалов и элементов конструкций. - Киев: Наук.
думка, 1987. - 278 с.
4. Лыков А. В. Теория теплопроводности. - М.: Высш. шк., 1967. - 600 с.
Поступила 27. 12. 2002
0556-171Х. Проблемы прочности, 2004, № 3 123
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-47095 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0556-171X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:06:20Z |
| publishDate | 2004 |
| publisher | Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Карпинос, Б.С. Барило, В.Г. Петров, С.В. Сааков, А.Г. Маркашова, Л.И. Валевич, М.Л. Дроговоз, В.П. Соловьева, Н.Г. Задорожный, В.В. 2013-07-09T17:47:02Z 2013-07-09T17:47:02Z 2004 Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных
 колес при локальной поверхностной закалке / Б.С. Карпинос, В.Г. Барило, С.В. Петров, А.Г. Сааков,
 Л.И. Маркашова, М.Л. Валевич, В.П. Дроговоз, Н.Г. Соловьева,
 В.В. Задорожный // Проблемы прочности. — 2004. — № 3. — С. 112-123. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0556-171X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47095 621.438; 539.43; 621.791.927.6 Исследовано тепловое и термонапряженное состояние бандажа железнодорожного колеса
 при локальной поверхностной закалке. Для различных точек сечения бандажа изучены
 закономерности изменения во времени температур, термических напряжений, деформаций
 и их скоростей, а также отношений главных напряжений. Установлено, что закаливаемый
 материал подвергается знакопеременному упругопластическому деформированию. Проанализировано
 влияние расположения плазмотрона на уровни температур и термических
 напряжений. Досліджено тепловий та термонапружений стан бандажа залізничного колеса
 при його місцевому поверхневому гартуванні. Для різних точок перерізу
 бандажа вивчено закономірності зміни у часі температур, термічних напружень,
 деформацій та їх швидкостей, а також відношення головних напружень.
 Установлено, що матеріал, який загартовується, піддається знако-
 змінному пружно-пластичному деформуванню. Проаналізовано вплив розташування
 плазмотрона на рівні температур і термічних напружень. We have studied thermal and thermostressed states
 of railroad wheel tread after local surface hardening.
 For various points of the tread cross section
 we have determined the kinetics of temperatures,
 thermal stresses, strains and strain rates, as well as
 of ratios between the main stresses. It is found that
 the hardened material is subjected to reversal
 elastoplastic deformation. Effect of plazmatron location
 on the levels of themperatures and thermal
 stresses is analyzed. ru Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України Проблемы прочности Научно-технический раздел Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке Thermal and Thermostressed States of Railroad Wheels after Local Surface Hardening Article published earlier |
| spellingShingle | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке Карпинос, Б.С. Барило, В.Г. Петров, С.В. Сааков, А.Г. Маркашова, Л.И. Валевич, М.Л. Дроговоз, В.П. Соловьева, Н.Г. Задорожный, В.В. Научно-технический раздел |
| title | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| title_alt | Thermal and Thermostressed States of Railroad Wheels after Local Surface Hardening |
| title_full | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| title_fullStr | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| title_full_unstemmed | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| title_short | Тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| title_sort | тепловое и термонапряженное состояние железнодорожных колес при локальной поверхностной закалке |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/47095 |
| work_keys_str_mv | AT karpinosbs teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT barilovg teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT petrovsv teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT saakovag teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT markašovali teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT valevičml teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT drogovozvp teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT solovʹevang teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT zadorožnyivv teplovoeitermonaprâžennoesostoânieželeznodorožnyhkolesprilokalʹnoipoverhnostnoizakalke AT karpinosbs thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT barilovg thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT petrovsv thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT saakovag thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT markašovali thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT valevičml thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT drogovozvp thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT solovʹevang thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening AT zadorožnyivv thermalandthermostressedstatesofrailroadwheelsafterlocalsurfacehardening |