Документ обсуждает эксплуатацию техники в условия северного климата и арктики, акцентируя внимание на проблемах, связанных с низкими температурами, такими как разрушение железных дорог и колесных пар локомотивов. Анализируются механические характеристики материалов и предлагаются методы для улучшения устойчивости к контактно-усталостным повреждениям. В документе также рассматриваются современные испытания техники, соответствующие экологическим нормам и требованиям эксплуатации в экстремальных условиях.

1. Лепов В.В.
ФГБУН Институт физико-технических проблем
Севера им. В.П.Ларионова СО РАН

2. Особенности эксплуатации техники в
условиях Севера и Арктики
 Резко континентальный климат:
длительный период низких температур и
резких суточных теплосмен в межсезонье
 Огромные расстояния и зависимость от
энергоисточников + бездорожье
 Многолетняя мерзлота + глобальное
потепление
 Ранимая природа – необходимость
использования щадящих подходов

3. Анадырь
Чокурдах
Чабыда
(Якутск)
Чара
Тикси
Кулар
Воркута
Норильск
Действующие геокриологические стационары
на территории криолитозоны России
В 80-е годы ХХ в. функционировало
более 60 стационаров. В настоящее
время продолжают работу около 15.

4. Проблемы больших технических систем
 Большие в пространственном и временном
масштабе конструкции
 Огромное число воздействующих факторов
и нагрузок
 Неоднородность конструкций
 Длительная и сложная история статических,
динамических нагрузок, и гигацикловая
усталость
 Многоуровневость, связность (температуры,
НДС, диффузии, излучения и др.)

5. Трасса ВСТО + «Сила Сибири»

7. Русло реки Кабарги. Таких переходов через
реки по трассе ВСТО более 400 (©WWF)

8. Железная дорога
 Вопросы эксплуатации дороги и ж/д
моста при низких температурах
 Разрушение пути и обледенение полотна
 Разрушение колесных пар и рельсовых
путей
 Эксплуатация локомотива и вагонов
 Эксплуатация сооружений
инфраструктуры в криолитозоне

10. Анализ повреждений колёс
Исследованы колёсные пары тепловозов из
локомотивного парка ОАО АК «Железные дороги Якутии».
Количество дефектных колесных пар
(КП) за период июнь-март. Июнь-24
КП, Январь-69 КП
Фрагмент бандажа колеса с
дефектом на поверхности
катания

11. Дефекты колесных пар
1
2
3
4
5 6
1
2
3
4
5
6
1 - повреждения контактно-
усталостного характера
(выщербины, выкрашивания,
раковины, ползуны);
2 - остроконечный накат;
3 - опасная форма гребня;
4 - риска на гребне;
5 - разность диаметров больше
допустимой нормы;
6 - тонкий гребень.
Участок бандажа колеса локомотива с
контактно-усталостным дефектом и
поверхностными трещинами:
а) увеличение ×80; б) увеличение ×20.
Основной причиной дефектов является
поврежденность от контактно-усталостного
выкрашивания.
Необходимость установить микромеханизм
контактно-усталостного выкрашивания

12. Оценка ресурса ж/д колёс
 Опыт эксплуатации локомотивов на участке Алдан-
Томмот показывает, что зимой ресурс колеса от
одной обточки до другой составляет всего два
месяца, за каждый из которых оно пробегает в
среднем 12 000 километров (преимущественно в
декабре-феврале и январе-марте).
 Ремонт занимает около одного месяца, и включает
обточку бандажа всех колес, независимо от
индивидуальных повреждений.
 Усталостный износ в зимнее время практически
отсутствует

13. Для определения влияния
перепадов температур окружающей
среды на значения твердости были
проведены измерения твердости по
шкале Бриннеля ультразвуковым
портативным твердомером МЕТ-У1
№3
№2
№1
Зоны измерений: 1) у гребня колеса; 2)
под поверхностью катания и 3)
основной металл.
№ участка
Значения твердости по шкале
Бриннеля, НВ
Образец 1 Образец 2 Образец 3
№1 347 332 343
№2 385 386 390
№3 343 352 347
Исследования механических характеристик
13

14. Минимальные климатические
температуры

15. Трещиностойкость –
ударная вязкость

16. Информация к размышлению
1. Складывающаяся на РЖД тенденция по увеличению ресурса эксплуатации
локомотивов колесных пар и вагонных тележек путем наращивания
механических характеристик бандажа и рельса приводит, в условиях
эксплуатации при низких климатических температурах, к обратному эффекту, -
уменьшается только усталостная поврежденность, практически не играющая
роли в выработке ресурса, тогда как резко возрастет доля контактно-
усталостных повреждений, зависящих от сопротивления материала ударным
нагрузкам.
2. На основе проведенных исследований разработан ряд методик оценки
охрупчивания и структурной деградации материала колесной стали при
понижении температуры, модель накопления в ней повреждений, и расчета
количества циклов до разрушения.
3. Предлагается изменить акцент для тепловозов исполнения ХЛ на вязкость
стали. В советское (послевоенное) время колеса локомотивов выполнялись из
остатков танковой стали, включающей в составе молибден, как повышающую
ударную вязкость легирующую добавку. В настоящее время необходимо
использовать специальную хладостойкую низколегированную сталь, возможно,
с использованием р/з элементов, например, Халиловского месторождения
Якутии, организовать мини-металлургическое производство, на основе
комплекса по переработке промышленных и бытовых отходов на основе печей
Ванюкова (кипящего слоя), эффективных и с экологической точки зрения.
16

17. Испытания техники для Севера и Арктики
 Анализ конструкции, схемы, технологии.
 Соответствие применяемых материалов, топлива,
масел - на соответствие экологическим нормам.
 Оценка технологического и конструкционного
риска (трубопроводы, энергетические комплексы)
 Испытание материалов в условиях низких
температур (ВИАМ)
Натурные испытания узлов и конструкций.
 Федеральная программа создания
Центров климатических испытаний

18. Универсальная испытательная
сервогидравлическая машина «Instron»
FastTrack 8802
С температурной
камерой
на жидком азоте,
позволяет проводить
испытания на
статическое
растяжение и
циклическую
усталость до -70º С.

19. Инструментированный
копер
Испытания образцов на ударную
вязкость проводятся на
инструментованном
маятниковом копре RKP-450
производства фирмы «Roell Amsler»
с системой термостатирования
до -60 С.
Этот маятниковый копер с
максимальной энергией удара 450 Дж
предназначен для проведения
испытаний по международным
стандартам Шарпи и Изод, а также
испытаний на ударное растяжение и
по Бруггеру.

20. Устройство для
комбинированной
интенсивной
пластической
деформации
металлической
пластины
Форсунки и завихрители газовых горелок (слева),
обеспечивающие 3-х кратное повышение срока службы, и
метизные изделия (справа) с повышенной в 2 раза
прочностью, изготовленные из наноструктурированной стали.
Пресс форма для
равноканального
углового прессования,
позволяющая
варьировать угол
пересечения каналов
в зависимости от
степени
деформируемости
материала

1
2
3
4

21. Экспериментальный стенд
атомно-силовой микроскопии
2008-2009 гг.

22. Концепция многоуровневого
эволюционного моделирования
Lepov V., et al. 2007 Key Engineering Materials, V.345-346, P.809
10-15 с
10-10 м
106 с
102 м

23. Спасибо за внимание!
РЖД?