Разработка конструкции оптической головки и технологии лазерной наплавки шеек вагонных осей

Введение 6
1. Общие сведения о детали «вагонная ось» 12
1.1 Химический состав и физико-механические свойства металла
1.2 Анализ условий эксплуатации вагонных осей и характер изнашивания шеек 13
1.3 Основные технологические требования к восстанавливаемой поверхности. 17
2. Технология лазерной наплавки 18
2.1 Технологические особенности лазерной наплавки 18
2.2 Влияние лазерной наплавки на износостойкость 22
3. Разработка конструкции оптической головки………...…………………33
3.1 Волоконный лазер…………..……………….……………........39
3.2 Комплекс лазерной обработки………………..……………….42
4. Оценка экономической эффективности внедрения лазерно-порошковой наплавки шеек вагонных осей………………………………..44
5. Безопасность жизнедеятельности……..…………….…………………....58
5.1 Безопасность при эксплуотации лазеров…………..…………58
5.2 Нормативно-технические требования 58
5.2.1 Вентиляции при лазерной наплавки шейки оси 59
5.2.2 Противолазерные очки 62
Список использованных источников 65

Весь текст будет доступен после покупки

Колесные пары являются важнейшими частями вагона. Они несут на себе массу вагона, направляют его движение по рельсовому пути и воспринимают жестко все удары от неровностей пути и в свою очередь жестко воздействуют на путь. В связи с этим вагонная колесная пара должна обладать достаточной прочностью и износостойкостью, обеспечивающими безопасность движения, иметь возможно меньшую массу для понижения тары вагона, а также уменьшения влияния необрессоренной массы колес на рельсовый путь и кузов вагона при прохождении неровностей пути, обладать упругостью для уменьшения шума и смягчения толчков, испытываемых вагоном при движении по рельсовому пути. От исправного состояния колесной пары и ее элементов, прежде всего зависит безопасность движения поезда.
Ежегодно на железных дорогах выходит из строя большое количество осей вагонных колесных пар. Анализ статистических данных показывает, что наряду с вышедшими из строя осями из-за возникновения усталостных трещин выбраковывают также оси с заниженными размерами.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Общие сведения о детали «вагонная ось»
1.1 Химический состав и физико-механические свойства металла.

Вагонные оси изготавливают из стали марки Ос методом ковки, штамповки или винтовой прокатки. Оси должны быть подвергнуты механической обработке с последующей упрочняющей накаткой роликом для снятия внутренних напряжений. Химический состав стали марки Ос согласно ГОСТ 4728—2010 [3] приведен в табл. 3. Твердость осевой стали составляет 190-200 HB.
Таблица 3
Химический состав осевой вагонной стали Ос, % по массе
С Si Mn Cr S Р Сu Ni



не более
0.42-0.50 0.15-0.35 0.60-0.90 0.30 0.035 0.035 0.25 0.30

В настоящее время применяется процесс изготовления осей способом поперечно-винтовой прокатки.
В результате поперечно-винтовой прокатки расход металла на заготовку оси сокращается на 15 %.
Повышение усталостной прочности материала оси может быть также достигнуто совершенствованием термической обработки. Например, индукционная закалка по сравнению с типовой технологией термообработки, повышает предел выносливости вдвое.
1 Массовая доля алюминия должна быть не более 0,035 %. По согласованию изготовителя с потребителем допускается устанавливать нижнее значение содержания алюминия.
2 Суммарное содержание серы и фосфора в стали, разливаемой в слитки, не должно превышать 0,065 %, а в стали непрерывной разливки — 0,045 %.
3 Предельные отклонения по массовой доле химических элементов в осевых заготовках составляют, %: углерода марганца +„;10°5; кремния ± 0,05; серы + 0,005; фосфора ± 0,005.
Механические характеристики осевой стали представлены в табл. 4
Механические характеристики осевой стали
Временное сопротивление при растяжении ?в, МПа Относительное удлинение ?, % Ударная вязкость KCU при плюс 20 °С, Дж/см?
среднее значение минимальное значение
не менее
580—615 20,0 49 34
620—645 19,0 39 29
650 и более 18,0 34 29

1.2 Анализ условий эксплуатации вагонных осей и характер
изнашивания шеек
Несмотря на то, что нагрузка на колесные пары вагонов увеличивается, выход осей из эксплуатации по трещинам систематически снижается, что говорит о повышении их прочностных свойств. Это происходит за счет средних и подступичных частей осей, однако их выход из строя по трещинам в шейках остается практически на одном уровне (рис. 4) .

Рис. 4 Выбраковка вагонных осей
Обращает на себя внимание тот факт, что в то время, как выбраковка вагонных осей (в % к общему количеству забракованных по всем видам дефектов подступичных и средних частей снижается табл. 4, наблюдается рост удельного веса выбраковки вагонных осей по дефектам шеек с 19,9 % (1999 г.) до 34,6 % (2002 г.), причем, если учитывать только вагонные роликовые оси, то количество осей, забракованных по дефектам шеек, составил в 2002 г. 77 % от общего количества роликовых осей, забракованных по всем видам повреждений, или 5,35 % от общего количества осмотренных осей. Эти данные получены из результатов массовых обследований вагонно-колесных мастерских ряда дорог.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ГОСТ 22780-93. Оси для вагонов железных дорог колеи 1520 (1524) мм типы, параметры и размеры.
2. ГОСТ 4728—2010. Заготовки осевые для железнодорожного подвижного состава.
3. Хызов А. А. Перспективы применения лазерной наплавки при восстановлении деталей сельскохозяйственной техники// Научный журнал КубГАУ. 2019. №154(10) С.1-10.
4. Wang K., Chang B., Chen J., Fu H., Lin Y. and Lei Y. Effect of Molybdenum on the Microstructures and Properties of Stainless Steel Coatings by Laser Cladding// 2017 Applied Sciense. 2017. Vol. 7, 1065 С. 1-15.
5. Seo J.W., Kim J.C., Kwon S.J., Jun H.K. Effects of Laser Cladding for Repairing and Improving Wear of Rails// International Journal of Precision Engineering and Manufacturing 2019. Vol. 20: С. 1207–1217.
6. Завитков А.В., Локтев А.С., Люхтер А.Б., Фролов К.А.. Пути снижения неметаллических включений в покрытиях, нанесенных лазерной наплавкой// Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. 2023. Т. 24. № 3. С. 271-278.
7. Григорьянц А. Г., Мисюров А. И., Третьяков Р. С., Ставертий А. Я. Исследование влияния режима генерации лазерного излучения на структуру и свойства инструментальной стали при газопорошковой наплавке// Научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ. 2012. #7 С. 11-20.
8. Lewis S. R., Fretwell-Smith S., Goodwin P. S., Smith L., Lewis R., Aslam M., Fletcher D. I., Murray K., Lambert R.. Improving Rail Wear and RCF Performance using Laser Cladding// White Rose Research Online. 2016. Vol. 366. С. 268-278.
9. Макаров А.В., Кудряшов А.Е., Невежин С.В., Герасимов А.С., Владимиров А.А., Авдеева Н.Е., Перспективы применения технологии лазерной наплавки для восстановления роликов машин непрерывного литья заготовок|// Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020. №7 С. 109-118.

Весь текст будет доступен после покупки