Материалы, применяемые при строительстве железнодорожных вагонов

Размещено на http:www.allbest.ru/

«ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОТРАНСПОРТНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

РЕФЕРАТ

«Материалы применяемые при строительстве Ж/Д вагонов»

Специальность: ТЭ-11-1 - «Специальность 190629 Техническая эксплуатация подъемно-транспортных, строительных, дорожных машин и оборудования»

Пермь 2014

Содержание

1. Ведение

2. Задачи в области используемых материалов. Стали. Высокопрочные стали.

3. Высоколегированные стали (нержавеющие стали)

4. Алюминий

5. Сочетание материалов: сталь и алюминий

6. Заключение

7. Список литературы

Введение

Изготовление железнодорожных вагонов -- хорошо регламентированный и стандартизованный отраслевой сегмент. Несмотря на это, конструкторы и производители железнодорожных вагонов всегда ищут новые методы снижения веса, повышения коррозионной стойкости, высокой эффективности и надёжности.

Альтернативные, инновационные материалы (стали повышенной прочности, алюминий, нержавеющие стали) вместе с новыми сварочными технологиями (TIME, TimeTwin, CMT, CMT Twin, TIG Plasma, LaserHybrid) открывают новые и успешные подходы. Совместно со специализированными идеями автоматизации можно достигать и экономичного производства, хотя свариваемость новых материалов -- это более сложный процесс. Автоматизация является самой непростой задачей в сборке железнодорожных вагонов: чем выше доля автоматизированных процессов при производстве, тем сложнее технологические задачи, но тем выше качество и уровень экономической эффективности.

Основываясь на прогнозе роста мировой численности населения до 8 млрд. к 2025 году, можно назвать «мобильность» одной из ключевых концепций будущего. Развитие мегаполисов, возрастающая персональная мобильность и глобализация экономики станут темами завтрашнего дня, поэтому развитие пассажирского и грузового транспорта, особенно железнодорожного, будет играть главную роль с упором на экономические и экологические аспекты. Кроме того, установится более строгая дифференциация общественного и грузового транспорта, и развитие железнодорожных транспортных систем с повышенной пропускной способностью будет происходить с концентрацией на следующих направлениях: железнодорожный вагон сварка

Увеличение скорости перемещения (пассажирский транспорт)

Значительное увеличение нагрузки на ось (грузовой транспорт)

Сокращение времени в пути (увеличение разгонной и тормозной мощностей)

Сокращение производственных издержек и стоимости обслуживания

Энергоэффективность при использовании подвижного состава

Инженерам придется столкнуться со следующими проблемами:

Возрастающий уровень вибраций (конструкция состава)

Увеличение динамической нагрузки (состав и железнодорожное полотно)

Увеличение уровня шума

Повышенный износ и вероятность повреждения (контакт колесо-рельс)

Новые конструкторские решения в сочетании с новыми материалами и усовершенствованными технологиями обслуживания могут помочь в решении данных проблем. Оптимизация проектных решений, применение материалов с высоким соотношением прочности и плотности, использование высокопроизводительных технологий сварки с пониженным тепловложением и высокой стабильностью процесса являются ключевыми задачами в современной сварке железнодорожных вагонов.

Задачи в области используемых материалов

При производстве железнодорожных вагонов используются различные материалы: традиционно ведущая роль принадлежит стали и дереву, однако при этом алюминий является незаменимым материалом, благодаря сравнительно малому весу. Тем не менее, в области материалов еще существуют множество возможностей по улучшению таких качеств, как прочность и жесткость изделий.

Стали

Высокая надежность, низкая стоимость, простота производства в сочетании с проверенными технологиями штамповки и сварки делают нелегированные и низколегированные стали наиболее распространенным материалом в производстве железнодорожных вагонов. До настоящего времени производители были консервативны в выборе материалов, но современные разработки в сфере производства железнодорожных вагонов весьма интересны.

Высокопрочные стали

Современные металлургические предприятия уже разработали высокопрочные и сверхвысокопрочные марки стали с пределом текучести более 1000 МПа и пределом прочности на разрыв до 1400 МПа при достаточно высокой ударной вязкости, что может помочь значительно снизить необходимую толщину стенки конструкций, прочность которых критична. Основное значение придается обеспечению хорошей свариваемости и обрабатываемости различными способами формовки.

Такие виды стали с успехом применяются для производства кранов и в автомобильной промышленности. Их использование в строительстве железнодорожных вагонов также может иметь свой потенциал, что демонстрирует пилотный проект voestalpine

(рис.)

Новые материалы позволяют достичь 30-процентного уменьшения веса конструкции по сравнению со стандартной сталью. Иначе говоря, это позволит перевозить дополнительно 3 тонны груза на один грузовой вагон или уменьшить выбросы парниковых газов во время транспортировки на 6%.

Высоколегированные стали (нержавеющие стали)

Нержавеющие стали имеют более высокую стоимость в сравнении с углеродистой сталью, но, благодаря их высокой коррозионной стойкости, высокой прочности, ударной вязкости, пластичности и огнестойкости, производители могут использовать при производстве пассажирских вагонов более тонкостенные секции и панели при увеличении безопасности пассажиров. Кроме того, можно оставлять детали вагонов неокрашенными или подвергать их поверхность финишной обработке, например, полировке, что позволит дополнительно снизить стоимость и вес вагонов. Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание также находятся на нижней границе расходов, характерных для стандартных стальных конструкций.

Основными критериями выбора материала для грузовых вагонов являются более низкая потребность в техническом обслуживании, увеличение износостойкости и высокая коррозионная стойкость для перевозки химикатов.

В таблице 1 приведены механические свойства наиболее распространенных нержавеющих сталей, используемых в строительстве железнодорожных вагонов. Широко используются нержавеющие ферритные стали с содержанием хрома 12 % (например, X2CrNi12, отечественный аналог 03Х14ГНФ-ВИ), которые могут конкурировать с углеродистыми сталями благодаря высокой коррозионной стойкости и значительно более высокой износостойкости. Если основное значение придается коррозионной стойкости, используются аустенитные стали, например, X10CrNi18-8 (12Х18Н9) и X2CrNiMo17-12-2 (03Х17Н14М3).

Дуплексные и обеднённые дуплексные нержавеющие стали становятся все более популярными для изготовления легких конструкций благодаря своей высокой прочности и жесткости в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью.

Таблица 1.

Механические свойства высоколегированных сталей, используемых в производстве железнодорожных вагонов.

Высоколегированные стали, используемые в производстве железнодорожных вагонов, имеют, в целом, хорошую свариваемость. Тем не менее, следует учитывать риск образования трещин при нагревании, эффекты укрупнения зерна, некоторую степень повышения хрупкости и возможное снижение коррозионной стойкости в зоне сварки. Каждый тип высоколегированной стали имеет собственную «металлургию сварки», и его использование следует обсуждать индивидуально перед выполнением сварки, но все данные сплавы требуют процессов сварки с малым вводом тепла и чрезвычайно стабильной дугой, которая особенно важна при сварке тонкой листовой стали.

Алюминий

Алюминий является наиболее часто используемым легким металлом, который имеет плотность, приблизительно равную 1/3 плотности стали, при прочности более 1/2 прочности стали. Кроме того, алюминий имеет достаточно высокую пластичность и коррозионную стойкость. В связи с этим алюминий используется в производстве железнодорожных вагонов для изготовления корпусов уже более пятидесяти лет, при этом наиболее широко используются несколько сплавов:

Серии 5xxx: Al-Mg, неупрочняемые; например, 5005, 5754, 5083

Серии 6xxx: Al-Mg-Si, упрочняемые; например, 6005, 6060, 6061, 6063

Серии 7xxx: Al-Zn, упрочняемые; например, 7075 

В то время как неупрочняемые сплавы на основе алюминия, например, 5754/AlMg3, используются преимущественно при изготовлении крыши и стен вагонов в связи с их высокой коррозионной стойкостью, упрочняемые сплавы, например, 6060/AlMgSi, используются для изготовления ходовой части и пола. С другой стороны, использование алюминия для изготовления тележек, осей и колёс на настоящий момент не представляется целесообразным.

Сварка алюминия принципиально отличается от сварки стали: низкая температура плавления, высокая активность по отношению к кислороду, высокая температура плавления поверхностного оксидного слоя, высокая теплопроводность и температурное расширение предъявляют к процессу сварки специфические требования. Необходимо предотвращать пористость, несплавления и оксидные включения в сварочной ванне. Следует также проявлять особую внимательность в начале сварки, чтобы предотвратить значительные потери тепла в связи с высокой теплопроводностью алюминия, в противном случае возникает высокая вероятность несплавления.

Кроме того, следует учитывать теплообразование во время сварки, связанное с высокой теплоемкостью, которое приводит к перегреву материала, и узкий интервал температур кристаллизации в ванне расплавленного металла, что приводит к возникновению пористости. Сварка в инертных газах вольфрамовым электродом на переменном токе (GTAW-AC) представляет собой распространенную технологию сварки алюминия; переменный ток используется для того, чтобы удалить окислы алюминия с высокой температурой плавления с поверхности путем изменения полярности дуги.

Помимо GTAW, для сварки алюминия также может использоваться технология сварки плавящимся электродом в защитных газах (GMAW). Чтобы не допустить образования во время сварки нежелательных окислов, следует использовать инертный защитный газ. Применение GMAW в инертных газах требует реализации следующих условий: обеспечение чрезвычайно стабильной сварочной дуги при малом вводе тепла, зажигание дуги без брызг, повышенный ток старта, импульсный режим при чрезвычайно стабильной дуге при очень низкой силе тока с короткими импульсами для регулярного отделения капель от электрода и снижение тока на этапе заполнения кратера.

Сочетание материалов: сталь и алюминий

При соединении стали и алюминия учитываются как преимущества материалов, так и недостатки. С конструкционной точки зрения, детали с более высокими требованиями по жесткости, например, тележка и рама, должны изготавливаться из стали, а детали, для которых наибольшую важность имеет малый вес, например, кузов вагона, могут изготавливаться из алюминия. По соображениям жесткости использование высокопрочных сталей в конструкциях вагонов могло бы представлять преимущество, но при этом пришлось бы выполнять сварные соединения стали и алюминия.

С точки зрения металлургии для соединения стали и алюминия невозможно использовать сварку плавлением. Возникновении общей сварочной ванны немедленно приведет к образованию твердых и чрезвычайно хрупких фаз Fe-Al, при этом сварное соединение будет ненадежным. Единственно возможным способом соединения является недопущение плавления, по крайней мере, одного материала во время сварки. На практике это осуществляется с помощью технологии «холодной» сварки.

При использовании «холодного» сварочного процесса плавлению подвергается только алюминий; материал стальной детали остается в твердом состоянии, как при пайке. Тем не менее, для реализации процесса используется, главным образом, оцинкованная сталь, поскольку цинковое покрытие выполняет функцию флюса и обеспечивает образование надежного соединения стали с расплавленным алюминием, как показано на рисунке 2.

Соединение стали с алюминием (DC04 AZE -- AW 6016), выполненное с помощью технологии CMT компании Fronius.

Заключение

Отрасль строительства железнодорожных вагонов сталкивается с требованиями по модернизации производства. На данном этапе проектирование и выбор материалов основаны на чрезвычайно традиционных концепциях, и для того, чтобы осуществить необходимую модернизацию, следует учесть новые подходы к использованию материалов и новые технологии сварки. Тщательные исследования показали, что эти новые концепции в сочетании с увеличением объема автоматизации позволят значительно улучшить такие параметры, как вес конструкции, обеспечение качества и безопасности вагонов.

Размещено на Allbest.ru