Институт проблем механики РАН представил Объединенному ученому совету ОАО "РЖД" пакет решений, способных повысить надежность железнодорожной инфраструктуры. Исследователи предлагают начинать борьбу с износом и дефектами в лаборатории, внедрив технологии математического прогнозирования, бронирования ауксетиками и электроимпульсного "лечения" трещин.

ПРОДЛЕНИЕ РЕСУРСА СИСТЕМЫ "КОЛЕСО – РЕЛЬС"

Одной из главных разработок лаборатории трибологии стал метод повышения контактно-усталостной долговечности деталей, включая подшипники и ключевое для железной дороги сопряжение колесо – рельс. В основе технологии лежит математический расчет глубины упрочняемого слоя поверхности, в котором наводятся сжимающие остаточные напряжения (например, с помощью лазерной ударной обработки или термического упрочнения).

Лабораторные испытания системы в условиях сухого и граничного трения показали впечатляющие результаты. Обычный стальной образец в условиях сухого трения заклинило уже через 10 часов. Деталь же, обработанная на глубину, рассчитанную математической моделью, проработала 200 часов. Эксперимент был остановлен вручную из-за стабильно низкого коэффициента трения и малого изнашивания.

"Снятие профилограмм изношенных поверхностей показывает, что в 10 раз высота неровностей уменьшается, если мы работаем с поверхностью, в которой наведены остаточные сжимающие напряжения", – отметила председатель Межведомственного научного совета по трибологии РАН, заведующая лабораторией трибологии Института проблем механики РАН академик РАН Ирина Горячева.

БРОНЯ ИЗ АУКСЕТИКОВ

Лаборатория механики новых материалов и технологий под руководством члена-корреспондента РАН Дмитрия Лисовенко предложила для отрасли защитные конструкции из ауксетиков. Это структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона: в отличие от обычных материалов, при сжатии они становятся толще и расширяются в поперечном направлении.

"Энергия у ауксетиков перераспределяется на всю конструкцию, а не только концентрируется в месте удара. Поэтому такие материалы используются как защитные конструкции", – пояснила Ирина Горячева. Во время лабораторного испытания металлический шарик, запущенный со скоростью 300 м/с, пробил насквозь обычную конструкцию, а сделанную из ауксетика – не смог. По мнению ученых РАН, такие материалы можно использовать для защиты днища подвижного состава и уязвимых элементов железнодорожной инфраструктуры.

ЭЛЕКТРОИМПУЛЬСНОЕ "ЛЕЧЕНИЕ"

Третье направление – технология "залечивания" макротрещин и микродефектов с помощью высокоэнергетической электроимпульсной обработки. В институте разработаны модели, которые позволяют подобрать параметры электрического импульса в зависимости от структуры материала и характера дефекта.

Технология тестировалась на низкоуглеродистой аустенитной нержавеющей стали (самый распространенный класс коррозионно-стойких сталей), легированной молибденом, которая активно применяется в том числе в 3D-печати. "После применения этой технологии в лабораторных экспериментах наблюдается "залечивание" поверхностных трещин и уменьшение пористости материала. В результате такой обработки на образце произошло уменьшение пористости на 51,7%", – прокомментировала результаты исследований Ирина Горячева. Для железной дороги это открывает возможности для восстановления как традиционных стальных деталей, так и композитных или аддитивных комплектующих.