ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ТРАНСПОРТНИХ ЗАСОБІВ: ВИБІР ВИСОКОМІЦНИХ СТАЛЕЙ ДЛЯ ПОЛІПШЕННЯ НЕСУЧОЇ ЗДАТНОСТІ НЕСІВНОГО МОДУЛЯ
Анотація
Вступ. Коефіцієнт тари вантажних вагонів колії 1520 мм є суттєво вищим порівняно з вагонами Північної Америки, що обмежує їхню вантажопідйомність та ефективність перевезень. Основними причинами цього є консервативні норми розрахунку зварних з’єднань та використання низьколегованих сталей типу 09Г2С з недостатніми міцнісними характеристиками. Актуальність. Коефіцієнт тари вантажних вагонів колії 1520 мм (0,29–0,34) майже вдвічі вищий, ніж у вагонів Північної Америки (0,17–0,24). Світове вагонобудування вже понад 20 років використовує високоміцні сталі з межею текучості до 700–960 МПа, що дає змогу створювати вагони вантажопідйомністю до 116 т з масою тари 18–25 т. В Україні цей досвід майже не впроваджується через відсутність науково обґрунтованих рекомендацій. Мета дослідження. Метою цього наукового дослідження є виявлення причин суттєво більшого коефіцієнта тари вагонів колії 1520 мм порівняно з вантажними вагонами Північної Америки й обґрунтування можливості підвищення вантажопідйомності піввагонів шляхом застосування оптимізованої високоміцної сталі для несучих елементів. Результати. Встановлено, що за використання високоміцних сталей масу балки можна знизити вдвічі порівняно зі сталлю 09Г2С. Проте наявність зварного з’єднання через низькі допустимі напруження (рекомендації Міжнародного інституту зварювання) збільшує масу конструкції майже вдвічі незалежно від марки сталі. На основі оптимізації хімічного складу сталі 09Г2С отримано матеріал з межею міцності до 750 МПа, межею текучості до 570 МПа за збереження відносного видовження 21 %. Застосування такої сталі в конструкції напіввагона дає змогу знизити масу тари на 2 т та підвищити вантажопідйомність до 73 т. Розрахунки за методом скінченних елементів підтвердили відповідність конструкції вимогам міцності (коефіцієнт запасу 1,01–1,14), жорсткості (максимальний прогин хребтової балки 4 мм) та стійкості (коефіцієнт запасу ny = 6,3 > [ny] = 1,1–1,6). Висновки. Запропоновано комплексний підхід до підвищення вантажопідйомності, що базується на визнанні втомної міцності зварного з’єднання головним критерієм маси тари, використанні оптимізованого хімічного складу сталі 09Г2С, отриманого за допомогою інтегральних фізико-хімічних критеріїв, та практичній реалізації в серійному піввагоні. Розроблено напрями зниження тари: експериментальне уточнення міцності зварних з’єднань, підвищення їх витривалості, перехід на болтові з’єднання.
Завантаження
Посилання
2. Bulakh M. Freight wagon body design with increased load capacity. Scientific Reports. 2025. Vol. 15. Article 13189. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-97152-7.
3. Фомін О.В., Бурлуцький О.В., Іщенко В.М., Красулін О.С., Третяк В.І. Оцінка впливу термічного попереднього навантаження на механічну роботу балкових елементів транспортних конструкцій на стадії технологій виготовлення. Науковий журнал Метінвест Політехніки. Серія: Технічні науки. 2025. № 5. С. 232–244. DOI: https://doi.org/10.32782/3041-2080/2025-5-27.
4. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Khara M.V., Melnyk O.M., Prochorchuk M.V., Muraviov V.M. Optimisation of the technological process of shot blasting before the restoration of non-weight-bearing structures of freight cars. Collection of Scientific Papers of Admiral Makarov National University. 2025. No. 3(501). P. 106–112. DOI: https://doi.org/10.15589/znp2025.3(501).11.
5. Ivanov Y., Porfiriev M., Gromov V., Popova N., Shliarova Y. Strengthening mechanisms of rail steel under compression. Metals. 2024. Vol. 14, No. 1. Article 9. DOI: https://doi.org/10.3390/met14010009.
6. Centeno D., Tressia G., Carvalho F.M., Cezario F.E.M., Ariza E.A., Masoumi M. Enhancing mechanical properties and wear resistance of heavy-haul rail systems through complex microstructure control. Journal of Materials Research and Technology. 2023. Vol. 27. P. 1146–1159. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.004.
7. Babachenko O.I., Kononenko H.A., Merkulov O.E., Podolskyi R.V., Safronova O.A. Development and research of bainitic steels for railway rails. International Young Scientists Conference on Materials Science and Surface Engineering. 2023. Vol. 56. P. 814–819. DOI: https://doi.org/10.15407/msse2023.053.
8. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Prochorchuk M., Krasulin O., Zelenskyi O. Evaluation of the efficiency of double-layer steel as a structural material for freight cars. Transactions of Kremenchuk Mykhailo Ostrohradskyi National University. 2025. Vol. 3 (152). P. 139–147. DOI: https://doi.org/10.32782/1995-0519.2025.3.15.
9. Hernich M.V., Kliuchyk S.V. The results of field studies of the stress-strain state of steel-reinforced railway structures. Science and Transport Progress. 2022. No. 3–4. P. 70–78. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2022/276534.
10. Vega B., Pérez J.Á. Comparative analysis of fatigue strength of a freight wagon frame. Welding in the World. 2023. DOI: https://doi.org/10.1007/s40194-023-01577-5.
11. Xia P., Vercruysse F., Celada-Casero C., Verleysen P., Petrov R.H., Sabirov I. et al. Effect of alloying and microstructure on formability of advanced high-strength steels processed via quenching and partitioning. Materials Science and Engineering. 2021. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.09818.
12. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Kubrak A.V., Holub H.M., Fursina A.D. Nonstationary factors of fatigue resistance and their influence on the service life of freight car joints: mathematical modeling and analysis. Вчені записки Таврійського національного університету імені В. І. Вернадського. Серія: Технічні науки. 2025. Т. 36 (75), № 3, ч. 2. С. 14–22. DOI: https://doi.org/10.32782/2663-5941/2025.3.2/03.
13. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Voronko I., Bursuk O., Kozachuk O. Optimization of the chemical composition of steel for engineering structures by the criterion of stabilization of mechanical properties. Scientific Bulletin of the Tavria State Agrotechnological University. 2025. Vol. 15, No. 1. P. 10–17. DOI: https://doi.org/10.32782/2220-8674-2025-25-1-1.
14. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Ishchenko V.M., Braikovska N.V., Ivanchenko D.V. Modelling and predicting the microstructure of basic and prospective steels for transport structures after thermal exposure. Transactions. 2025. Vol. 6 (155). P. 275–286. DOI: https://doi.org/10.32782/1995-0519.2025.6.34.
15. Fomin O.V., Burlutskyi O.V., Stoliarenko T.V., Leonov S.M. Prospects for creating digital twins of freight cars. The Scientific Journal Transport Development. 2025. No. 2 (25). P. 45–55. DOI: https://doi.org/10.33082/td.2025.2-25.04.
16. Бурлуцький О.В. Особливості методу визначення динамічного навантаження кузова напіввагону. Східно-Європейський журнал передових технологій. 2012. Вип. 4/7. С. 47–50.
17. Фомін О.В. Математичні моделі зміни основних показників базових несучих елементів кузовів напіввагонів. Залізничний транспорт України. 2013. Вип. 5/6. С. 95–104.
18. Бурлуцький О.В., Чухліб В.Л., Губський С.О. Конспект лекцій з навчальної дисципліни «Фазові співвідношення в металевих матеріалах». Харків : НТУ «ХПІ», 2026. 229 с. URL: https://repository.kpi.kharkov.ua/handle/KhPI-Press/100068.
19. Черкашин Д.В., Якубовський М.Д., Губський С.О., Явтушенко А.В., Бабай Ю.В. Аналіз вібраційних сигналів підшипників із застосуванням RMS-методу. Збірник наукових праць НУК. 2025. № 4. С. 89–98. DOI: https://doi.org/10.15589/znp2025.4(502).10.
20. ДСТУ ГОСТ 33211:2017 Вагони вантажні. Вимоги до міцності та динамічних якостей. [Чинний від 2019-01-01]. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2017. 45 с.
21. ДСТУ 8541:2015. Прокат сталевий підвищеної міцності. Технічні умови. [Чинний від 2016-07-01]. Київ : ДП «УкрНДНЦ», 2015. 28 с.
22. Hobbacher A. Recommendations for Fatigue Design of Welded Joints and Components. IIW. Cham : Springer, 2016.
23. Приходько Є.В. Ефективність комплексного легування сталі та сплавів. Київ : Наукова думка, 1995. 292 с.
24. Barrow K. Fortescue Railway – лидер тяжеловесного движения. International Railway Journal. 2016. No. 11. P. 20–24. URL: http://www.railjournal.com/index.php/australia-nz/pilbaras-heavyweightchampion-flexes-its-muscles.html?channel=000 (дата звернення: 20.04.2026).
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
