3016

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

порожнего вагонного парка. Программа позволит осуществлять принципиально новый вид планирования: планирования не только расходов, но и экономической прибыли от перевозки.

Среди важнейших инновационных показателей перевозочного процесса в программе должны быть заложены и учитываться при регулировочной деятельности:

«скорость продвижения вагона по сети», являющаяся обобщенным параметром, образованным сложением нескольких факторов, таких как участковая скорость на различных участках, затрат времени на образование поездопотоков (здесь существенную роль играет количество маршрутов на данном направлении), но не учитывающий время на грузовые операции для вагона; данный критерий является перспективным способом оценки качества перевозочной работы сети ОАО «РЖД»;

необходимо принимать во внимание рациональное соотношение вместимости путей станций различной специализации работы (сортировочные, грузовые, участковые) и вагонного парка, проходящего через нее в единицу времени; этот критерий как раз позволит определить спрос на инфраструктуру данного региона и регулировать тарифы на перевозки в соответствии с загруженностью производственных мощностей.

Функциональная схема нового программного комплекса представлена на рис. 1.

Рис. 1

121

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

В заключение хотелось бы отметить, что эффективность внедрения инновационных методов управления вагонным парком зависит, в первую очередь, от осознания того факта, что железная дорога подчиняется существующим сегодня законам рынка и для поддержания отрасли на конкурентоспособном уровне необходимо активно использовать информационные технологии для получения прибыли, а не выполнения абстрактных показателей, характерных для плановой экономики – нужно твердое понимание того, в каких рамках сохранение централизованного управления ОАО «РЖД» повышает эффективность ее работы и с какого момента приводит к ее неконкурентоспособности.

Научный руководитель канд. техн. наук, доц. О.П. Югрина

С.А. Кумачева

(аспирант кафедры «Физика»)

Исследование температур размягчения

иплавления боросиликатных и бороцинковых композиций

сразличными добавками

Внастоящее время зарубежные научные центры ведут активные исследования по разработке низкотемпературной керамики, применяемой в технологии LTCC. Важным преимуществом LTCC технологии является низкая температура спекания диэлектрика (керамики), что обеспечивает этому материалу возможность применения в современных микроминиатюрных СВЧ модулях. На основе керамики, имеющей температуру спекания менее 950˚С, могут быть изготовлены многослойные структуры с ис-пользованием металлов с высокой проводимостью и низким сопротив-лением на высоких частотах, таких как серебро или золото. Применение этих материалов позволяет существенно улучшить параметры электронных устройств [1].

Ряд ведущих зарубежных фирм (Asahi Glass, Kyocera, NEC (Япония), Heraeus (Германия), Ferro, DuPont (США)) осуществляет интенсивный поиск новых материалов для LTCC технологии. Об этом свидетельствуют результаты их научных исследований и сведения об устройствах СВЧ диапазона с использованием этого

122

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

класса керамики и технологий на его основе. Исследованы и переданы для реализации десятки стеклокомпозитов для различных использований [2-6] и круг их продолжает расширяться.

Температура спекания LTCC керамики должна быть меньше температуры плавления металлических проводников (например, Тпл Ag = 961°С), но при этом нежелательно, чтобы температура спекания керами-ки была ниже 800 °С, поскольку низкая температура может оказаться недостаточной для полного удаления органических веществ и растворителей, содержащихся в токопроводящих пастах, что приведет к появлению остаточных углеродных следов в микроструктуре проводника.

Главной задачей при создании низкотемпературной керамики класса LTCC является разработка составов композиции с температурой спекания в указанном интервале температур.

Стеклокомпозиты изготавливаются на основе легкоплавкого стекла (≤ 950 °С) и кристаллического наполнителя (глинозем α- Al2O3, кордиерит, анортит и др.). Важной и, одновременно, сложной научно-технической задачей является разработка легкоплавкой составляющей композита. Для этой цели используют, в основном, боросиликатные стекла с различными добавками (ВаО-В2О3-SiO2, MgO- В2О3- SiO2, ZnO-В2О3-SiO2, Li2O-В2О3-SiO2, PbO-В2О3-SiO2, Li2O-MgO- ZnO- В2О3-SiO2). В работах [7-8] были представлены результаты по изучению термических свойств (температуры размягчения и плавления) боросиликатных стекол с добавлением оксидов щелочноземельных элементов. Модифицирование боросиликатного плавня оксидами щелочноземельных элементов продиктовано необходимостью улучшения его диэлектрических характеристик и поэтому представляет большой интерес для исследователей.

Следует отметить значительное отставание отечественной науки и практики в данной области материаловедения. Это обстоятельство предопределяет целесообразность изучения зарубежного опыта и проведения самостоятельных исследований, направленных на создание импортозамещающих материалов и технологий в производстве электронных устройств СВЧ диапазона.

В настоящей работе приведены экспериментальные результаты оценки температурных характеристик систем: B2O3 – ZnO и B2O3 – ZnO – SiO2 с добавками ВаО и V2O5, где оксиды бора и кремния

123

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

являются стеклообразователями, а оксиды цинка, ванадия и бария – модифицирующие добавки.

Методика эксперимента. Образцы стеклокомпозитов для оценки их температурных характеристик препарируются путем сухого измельчения и смешивания исходных компонентов (оксидов) в агатовой ступе с последующим их смешением с борной кислотой в массовом соотношении как 1:1. Оксиды для проб имеют чистоту более 99 % (марка ОСЧ). Нагрев приготовленных проб осуществляется в трубчатой печи. В качестве оснастки (огнеприпаса) используется корундовая пластина с содержанием Al2O3 > 99 % (ВК-100). Контроль температуры обеспечивается термопарой, находящейся в непосредственной близости от корундовой пластины с пробой. Периодически, на фиксированных температурах нагрева, производится визуальная оценка состояния пробы (усадка навески, состояние размягчения и плавления).

Рис. 1. Диаграммы состояния систем:

а– система В2О3 – ZnO; б – система V2O5 – ZnO; в – V2O5 – ВаО;

г– V2O5 – SiO2

124

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Согласно диаграммам состояния (рис. 1), были определены соотношения оксидов, обеспечивающие низкие температуры плавления систем, и, согласно описанной методике, препарированы композиции, приведенные в табл. 1.

Оценка температур размягчения и плавления исследуемых составов производилась визуальным осмотром в процессе нагрева проб в трубчатой печи при ее открывании. В табл. 2 представлены результаты такой оценки с кратким описанием состояния навесок-проб, которые были помещены на корундовую пластину, размещенную в трубчатой печи.

Таблица 2

Изменение состояния проб 20-23 при нагреве до 950 °С

По активности размягчения и плавления эти составы можно расположить в следующий ряд:

125

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

21 (Тпл = 750 °С) > 23 (Тпл = 800 °С) >

> 22 (Тпл = 900°С) > 20 (Тпл = 950 °С).

Из этого опыта следует, что боросиликато-цинковые композиции расплавляются при температуре ≤ 950 °С, при этом, увеличение в составе композиции содержания В2О3 и уменьшение ZnO способствуют снижению температуры размягчения и плавления вплоть до 750 °С. При частичной замене ZnO в составе 21 на ВаО (состав 23) температура плавления пробы повышается до 800 °С.

Вторая серия составов была препарирована на предмет замены силикатной составляющей на оксид V2O5, который способен давать с другими легкоплавкие расплавы (табл. 3).

Результаты оценки размягчения и плавления композиций из табл. 3 приведены в табл. 4.

Таблица 4

Изменение состояния проб бороцинковых композиций с V2O5

№Характеристика состояния проб при нагреве до температуры, °С

126

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

Наиболее легкоплавкими оказались составы 26 и 29, начало оплавления для них наступает при 650–700 °С. Состав 26 является двухкомпонентным при соотношении В2О3: ZnO = 3:2, а состав 29 – многокомпонентный, содержащий как оксиды В2О3, ZnO, V2O5, так и SiO2 и ВаО. Для составов 27 и 28 температуры оплавления сдвинуты в область температур 870–900 °С, при этом растекание состава 27 происходит в узком интервале температур. Следует отметить, что процесс плавления состава 26 происходит медленно в широком интервале температур (700–900 °С).

Действие оксида ванадия на температуры размягчения и плавления боросиликатного стекла было проверено на примере многокомпонентной композиции, включающей помимо боросиликатного стекла добавки оксидов щелочноземельных элементов (табл. 5).

Таблица 5

Составы многокомпонентных боросиликатных стекол

Синтезированный состав композиции 24 является аналогом материала китайских исследователей [9], которые предлагают его для применения в технологии LTCC.

Состав 25 – это скорректированный состав 24, в котором исключены оксиды щелочных элементов, уменьшено содержание оксидов кремния, магния и кальция и введен оксид ванадия.

Результаты оценки состояния проб этих составов при нагревании приведены в табл. 6.

127

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

По результатам эксперимента можно заключить, что многокомпонентный состав, предложенный в работе [9] является высокотемпературным (температура плавления более 900 °С). Введение оксида ванадия (скорректированный состав 25) существенно снижает температуру плавления композиции (на 100–150 °С) и, следовательно, обеспечивает лучшие условия для спекания низкотемпературной керамики.

Таким образом, результаты проведенной серии экспериментов по оценке температурных характеристик композиций, включающих в свой состав, наряду со стеклообразователем, оксиды цинка, ванадия, магния, бария, свидетельствуют о перспективности этой группы материалов для получения стеклокомпозитов для LTCC – керамики.

Библиографический список

1.Sebastian M.T., Jantunen H. Low Loss Dielectric Materials for LTCC Applications: A Review // International Materials Reviews. 2008. 34. C. 57–90.

2.Сhen S., Zhou X., Zhan S., Li B. Low temperature preparation of the β-CaSiO3 ceramics based on the system CaO-SiO2-BaO-B2O3 // Journal of Alloys and Compounds. 2010. № 505. С. 613–618.

3.Jean J., Lin S. Low-fire processing of ZrO-SnO2-TiO2 ceramics // Journal of the American Ceramic Society. 2000. № 83(6). C. 1417–1422.

4.Chiang C., Wang S., Wang Y., Hsu Y. Characterizations of CaO- B2O3-SiO2 glass-ceramics: thermal and electrical properties // Journal of Alloys and Compounds. 2008. № 461. С. 612–616.

5.Ghosh S., Sharma D., Kundu P., Basu N. Tailor-made BaO-CaO-Al2O3- SiO2-based glass sealant for anode-supported planar SOFC // ESC Transactions. 2007. № 7(1). C. 2443–2452.

6.Hsiang H., Mei L., Yang S., Liao W. Effects of alumina on the crystallization behavior, densification and dielectric properties of BaO-ZnO-SrO-СаО- Nd2O3-TiO2-B2O3-SiO2 glass-ceramics // Ceramics international. 2011. № 37. C. 2453–2458.

7.Плетнев П.М., Кумачева С.А., Непочатов Ю.К. Структурно-фазовые и технологические свойства низкотемпературной керамики // Строительные материалы – 4 С: междунар. сб. науч. трудов РАЕН, РАК. 2015. С. 31–35.

8.Кумачева С.А., Непочатов Ю.К., Плетнев П.М. О составе связующего низкотемпературной керамики LTCC // Строительные материалы – 4 С: междунар. сб. науч. трудов РАЕН, РАК. 2015. С. 127–130.

9.Chen X. Densification and characterization of SiO2-B2O3-CaO-MgO glass / Al2O3 composites for LTCC application // Ceramics International. 2013.

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. П.М. Плетнев

128

Сборник научных статей аспирантов и аспирантов-стажеров

М.Ю. Маликов

(аспирант-стажер кафедры «Мосты»)

Опроблеме эксплуатации сварных пролетных строений

сусталостными трещинами

Управление состоянием объектов железнодорожной инфраструктуры, в том числе мостов, должно осуществляться на основе анализа надежности, рисков и стоимости жизненного цикла. Одной из проблем, которую надо решить в связи с этим, является разработка методики оценки надежности и последствий отказов сварных пролетных строений, а также разработка эффективных мер по управлению соответствующим риском.

В настоящее время на сети ЖД эксплуатируется 11195 металлических пролетных строений мостов. При этом сварные пролетные строения составляют значительную часть. Их насчитывается 5186 шт. (46 % от общего количества ПС) [1]. Первые такие пролетные строения появились в середине 50-х гг. ХХ в. Наибольшее распространение получили типовые проекты № № 821, 563, 690, 739. Наиболее распространенное и опасное повреждение сварных пролетных строений – усталостные трещины в сварных швах и основном металле в околошовных зонах. Основная причина появления трещин – высокие концентрации напряжений и наличие остаточных напряжений в местах концентрации. На рис. 1 представлены данные по количеству пролетных строений, имеющих трещины по сравнению с общим количеством эксплуатируемых пролетных строений на Восточно-Сибирской железной дороге.

Рис. 1. Данные по Восточно-Сибирской железной дороге

129

Наука и молодежь СГУПСа в третьем тысячелетии

Опыт эксплуатации таких пролетных строений показал, что усталостные трещины возникают достаточно часто. Прогнозировать появление трещин необходимо для оценки надежности пролетных строений, даже если бы эти трещины возникали нечасто, но были связаны со значительным риском.

Стоит заметить, что за последние пять лет количество трещин увеличилось почти в 2 раза! Это связано главным образом с увеличением грузонапряженности на дорогах и с ростом нагрузок. В последние годы на сети ЖД РФ появились локомотивы с нагрузкой на ось 25,5 тс, а затем и вагоны с нагрузкой на ось 25 тс. Сейчас на всей сети железных дорог эксплуатируется 302 сварных пролетных строения, в которых насчитывается 1575 нелокализованных трещин. В основном это трещины в стенке балки у верхних нижних концов ребер жесткости (трещины Т-9 и Т-10 согласно принятой классификации) [2]. В этой связи такие пролетные строения нуждаются в особом внимании.

Очевидно, что наличие трещин будет негативно сказываться на основных показателях надежности, поэтому необходимо выяснить, как трещины на них влияют. Одним из основных показателей надежности является вероятность отказа при заданной наработке пролетного строения. Отказом называют событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта. Признаки (критерии) отказов устанавливают нормативно-технической документацией. При классификации отказов применяют термины: независимый и зависимый, внезапный и постепенный, перемещающийся, конструкционный, производственный и эксплуатационный и др/3/.

При эксплуатации технических систем (в том числе и мостов) всегда существует вероятность наступления отказа, а значит, есть риск. В общем случае под риском понимают возможность наступления некоторого неблагоприятного события, влекущего за собой различного рода потери (например, получение физической травмы, потеря имущества, получение доходов ниже ожидаемого уровня и т.д.) [4]. Уровень риска эксплуатации бездефектных пролетных строений достаточно мал. Если в процессе эксплуатации возникают повреждения (трещины), то уровень риска эксплуатации становится выше, так как повреждение может перейти в отказ. Поэтому необходимо оценивать уровень риска эксплуатирования таких про-

130