Анализ и выбор технологических решений по повышению износостойкости гребней колесных пар

Ведущее положение в транспортной системе России занимает рельсовый транспорт, поскольку он обеспечивает приблизительно две трети общего грузооборота по магистральным железным дорогам и около половины пассажирских перевозок в межобластном, пригородном и городском сообщении. От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.

На современном этапе развития экономики и промышленности в России в условиях рыночных отношений особое внимание должно уделяться эффективности производства.

Эффективность работы рельсового транспорта во многом определяется техническим совершенством подвижного состава. Железнодорожный подвижной объединяет общий принцип функционирования: контактное фрикционное взаимодействие колеса, нагруженного силой веса и тяговым моментом для ведущих колес, и рельсовой колеи в качестве направляющей путевой основы.

От процессов, происходящих в контакте взаимодействующих между собой колеса и рельса, зависит в целом эффективность подвижного состава железных дорог. Самой сложной по конструкции составляющей системы колесо — рельс является колесо.

Выход из строя колесной пары влечет за собой отказ в эксплуатации целого вагона или локомотива, вызывает увеличение времени их простоя в нерабочем парке.

Как показывает анализ отцепок вагонов в текущий ремонт, 35−40% приходится на неисправность колесных пар.

Колесная пара является одной из главных и ответственных частей вагона. Она направляет движение по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки, передающиеся от вагона на рельсы и обратно [1].

Колесная пара реализует функции: обеспечения перемещения экипажа относительно рельсов, что связано с восприятием конструкцией колеса значительных статических и переменных нагрузокобеспечение качения колеса с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений, превосходящих предел текучести колесной сталивыполнение поверхностью катания роли «тормозного барабана», воспринимающего нагрев и охлаждение с высокой скоростью, а также высокие напряжения сдвига и сжатия при значительном разогреве металла обода колес.

Проблема интенсивного износа гребней колес и бокового износа рельсов в последние годы является одной из наиболее острых на сети железных дорог, как России, так и во всем мире. Насколько актуальна проблема износа гребней колес, можно судить по тому, что сформулирована она в качестве одной из основных при учреждении специального международного конгресса по колесным парам, который созывается каждые 3−4 года. Теоретические исследования и практические разработки, посвященные решению этой проблемы, наиболее полно были представлены на двух международных конференциях, прошедших в Днепропетровске и Москве.

Чрезвычайность ситуации, сложившейся на железнодорожном транспорте неоднократно обсуждалась в транспортной печати, в том числе в журналах «Железнодорожный транспорт», «Вестник ВНИИЖТ», «Путь и путевое хозяйство», «Локомотив» и др.

Исторический анализ показывает, что в прошлом резкое увеличение износа рельсов и колес подвижного состава, как правило, было связано либо с заменой локомотивной тяги, либо с повышением весовой нормы поездов.

Так было при замене паровозной тяги на тепловозную и электрическую, в связи с чем вопрос о боковом износе рассматривался на Международном железнодорожном конгрессе, состоявшемся в 1954 г.

Последняя вспышка интенсивности износа наблюдается, начиная с 1985 г., причем если раньше барьерными местами были перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в последние годы износ стал распространенным явлением по всей сети железных дорог страны. На ряде участков сети фактическая интенсивность износа в 3 — 6 раз выше предусмотренной нормами эксплуатации пути и подвижного состава. В результате сроки службы колес вагонов и локомотивов между переточками и их полный ресурс сократились в несколько раз, соответственно возросли и продолжают увеличиваться эксплуатационные затраты предприятий вагонного и локомотивного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.

В настоящее время нет четкого представления о причинах внезапного обострения бокового износа колес подвижного состава и рельсов. Называется до 50 причин, которые в сумме привели к эффекту взрывного повышения изнашивания гребней колес и боковых поверхностей рельсов. За годы, предшествующие резкому повышению бокового износа, на железных дорогах произошло много необратимых изменений, таких, как: уменьшение ширины колеи со стандарта 1524 м на стандарт в 1520 ммпротяжение термоупрочненных рельсов на сети дорог увеличилось на 50%, а протяжение рельсов первой группы качества, имеющих повышенную твердость, возросло более чем в 2 разаизменение профиля головки рельса предусматривающего одноточечный контакт на утвержденный в 1979 г. профиль, предусматривающий наличие двухточечного контакта профиля катания колеса с головкой рельса. В этот же период осуществлялся переход с чугунных на композиционные тормозные колодки, завершился перевод буксовых узлов с подшипников скольжения на подшипники качения. Повышены максимальные и средние уровни статических осевых, а, следовательно вертикальных и поперечных горизонтальных динамических нагрузок от подвижного состава на рельсы. Началась интенсивная эксплуатация тяжеловесных и соединенных поездов. Произошло моральное и физическое старение многих вагонов и локомотивов. В 1995 г. на момент начала работы над диссертацией наблюдался новый всплеск повышения скорости изнашивания гребней колес и боковых поверхностей рельсов. В последние годы, как следствие интенсивной лубрикации, наблюдается снижение износа гребней колес с одновременным увеличением количества контактно-усталостных повреждений. Это, вероятно, связано с попаданием смазки на поверхность катания колес и рельсов и проявлением эффекта Ребиндера. По данным из различных источников в 1992 г. по износу гребня браковалось 70.80% колес, по выщербинам 4.7% и ползунам и наварам 5.7%. В 1997 г. — по состоянию гребня 55.60%, по выщербинам 12. 15%, ползунам и наварам 22.25%. К 2000 г. — по гребню 50.55%, по выщербинам 15. 18%), ползунам и наварам 25.27%. Такой дефект как прокат, представлявшийся основным дефектом до 1985 г., стал редкостью.

В результате анализа установлено, что надежность колесной пары главным образом определяется материалами и технологиями, применяемыми при изготовлении и ремонтном производстве, а также условиями ее эксплуатации.

Стандартами устанавливается средний срок службы колес в пределах 10 лет, однако срок службы колес может быть и меньше.

Установлено, что в среднем при ремонте колес по гребню в стружку уходит 12. 15 мм полезного металла с каждого колеса, а при ремонте по термоконтактно-усталостным дефектам 5.7 мм и более. Учитывая, что в настоящее время колесная пара интенсивно эксплуатируемого рабочего парка вагонов в год обтачивается по одному из дефекту, не менее одного раза, то средний срок службы колес составляет порядка 3. .4 лет.

После двух-трех обточек упрочненный слой срезается в стружку. Весь остальной период службы колесные пары интенсивнее изнашиваются и поражаются дефектами термо-контактно-усталостного происхождения.

Учитывая, что в настоящее время в эксплуатации находится порядка 50% колесных пар грузовых вагонов с толщиной обода менее 40 мм, из них 50% с толщиной менее 30 мм, при существенном увеличении объемов перевозок возникнет угроза потери работоспособности железных дорог и колоссального увеличения эксплуатационных затрат предприятий вагонного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.

Если до недавнего времени вагонные депо выходили из положения пополняя свой запас за счет колесных пар исключенных из инвентаря вагонов, то в настоящее время делать это, становится все сложнее.

Сложившиеся ситуация выдвигает проблему увеличения срока службы колес в число наиболее актуальных.

Вследствие этого, необходима разработка новых ресурсосберегающих технологических решений, гарантирующих требуемое качество и безопасность эксплуатации.

Целью работы является разработка предложений по повышению износостойкости гребней колесных пар.

Объектом исследования служат различные методы и средства уменьшения износа гребней колес.

В работе применен системный метод проведения экспериментальных исследований, включающий: анализ интенсивности износа на различных полигонах эксплуатации вагоновлабораторные триботехнические испытания образцов с электроконтактным &bdquo-ленточным" упрочнениеммногофакторные эксперименты по определению режимов упрочненияметаллографические исследования по определению микротвердости и структуры упрочненной зонысравнительные испытания на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ.

При проведении исследований использовались методы физического и математического моделирования с применением персональной электронно-вычислительной машины.

Научная новизна и практическая ценность диссертационной работы заключается в комплексном решении поставленной проблемы путем анализа и обобщения теоретических и экспериментальных данных, положений в результате которых: предложен математический аппарат, который может быть использован для оценки интенсивности износа гребней колес на заданном полигоне, сокращающий продолжительность испытаний износа гребней колес более чем в 10 раз, а, следовательно, и время от начала разработки технологии до ее практического использования;

— обоснована возможность и эффективность применения определенных технологических решений;

— использована технология электроконтактного упрочнения для повышения износостойкости гребней колесных пар;

— разработан метод расчета взаимодействия упрочненного слоя и основного массива обода колеса для оценки прочности их соединения.

Достоверность математической модели и выводов: подтверждена результатами испытаний образцов и натурных колесных пар (см. Приложение).

Внедрение работы: Разработанная методика реализована в виде в виде пакета программ для ПЭВМ, находящегося в Московском государственном университете путей сообщения. Программа используется в научных исследованиях и учебном процессе кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство». По результатам расчетов и испытаний определены необходимые схемы нанесения упрочненного слоя.

Апробация работы: Материалы диссертации докладывались на конференции «Неделя науки — 98», МИИТ, 1998 год, на IIй научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», МИИТ 1999 год.

Публикации: По материалам диссертации опубликовано три статьи. Отдельные вопросы подробно освещены в трех отчетах по научно-исследовательским работам, руководителем и исполнителем которых был автор.

Объем работы: Диссертация состоит из введения, 7 глав, общих выводов, библиографии, насчитывающей 91 наименования, в том числе 5 на иностранных языках и приложений. Приложения включают. страниц научно-технической и технологической документации по результатам испытаний. Общий объем составляет 195 страниц, из них 27 рисунка, 6 таблиц.

8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Задача обеспечения безопасности движения, снижения сопротивления движению, исследования причин износа гребней колес колесных пар подвижного состава железных дорог имеет большое практическое значение.

Как показывает анализ поступления вагонов в текущий ремонт, 35.40% отцепок приходится на неисправность колесных пар.

При этом, ремонт по износу гребня колеса, составляет 50% всех колесных пар, поступающих в переточку.

В настоящее время особую актуальность приобрела задача определения причин повышенного износа гребней колес колесных пар вагонов.

Выявление причин износа гребней колес и их устранение непосредственно повлечет снижение износа.

Для решения поставленной задачи в работе:

— изучено влияния отдельных факторов на увеличение интенсивности износа гребней колес колесных пар вагонов;

— проведены исследования поверхности изношенных гребней колес для определения характера износа;

— разработан математический аппарат для оценки интенсивности износа гребней колес на заданном полигоне:

— рассмотрена возможность и эффективность применения определенных технологических решений;

— предложены и разработаны пути повышения износостойкости гребней колес при ремонте и эксплуатации за счет применения электроконтактного («ленточного») упрочнения;

— проведены лабораторные испытания образцов с электроконтактным упрочнением на машине трения;

— проведены сравнительные натурные испытания колесных пар с электроконтактным упрочнением на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа;

— произведен расчет взаимодействия упрочненного слоя и основного массива обода колеса;

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы и предложения:

1. Установлено, что сокращение срока службы колесных пар в значительной степени зависит от снижения твердости по глубине обода колеса. После двух-трех ремонтных восстановлений твердость снижается, в результате колеса интенсивнее изнашиваются и поражаются дефектами термоконтактно-усталостного происхождения.

2. Установлено, что в настоящее время в эксплуатации находится порядка 50% колесных пар грузовых вагонов с толщиной обода менее 40 мм. При существенном увеличении объемов перевозок увеличатся затраты предприятий вагонного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.

3. Проведенные исследования поверхности изношенных гребней колес показали, что наряду с упругопластической деформацией металла гребня, происходит вырывание металла с его поверхности.

4. Изучение влияния отдельных факторов на увеличение интенсивности износа колес и рельсов показывает, что ни один из факторов изолированно не мог стать причиной интенсивного износа.

5. Разработан математический аппарат для оценки интенсивности износа гребней колес на заданном полигоне более чем в 10 раз сокращающий продолжительность испытаний износа гребней колес.

6. По результатам обработки 256 профилограмм, замеров износа поверхности катания колеса в эксплуатации и при поступлении в ремонт сделано заключение: необходимо дифференцированное упрочнение рабочих поверхностей колесцелесообразно применять профиль поверхности катания с меньшей толщиной гребня для увеличения периода приработки.

7. Рассмотрена возможность и эффективность применения определенных технологических решений;

8. Предложены и разработаны пути повышения износостойкости гребней колес при ремонте и эксплуатации за счет применения электроконтактного «ленточного» упрочнения.

9. Произведен расчет взаимодействия упрочненного слоя и основного массива обода колеса, позволяющий установить возможность применения «ленточного» упрочнения и определить оптимальную глубину упрочнения.

10. Проведены лабораторные испытания образцов с электроконтактным упрочнением на машине трения и натурные испытания колесных пар с «ленточным» упрочнением на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа, которые позволяют сделать вывод, что при изменении зон расположения упрочненных полос, глубины и твердости износостойкость гребней колес увеличится более чем в 2 раза.

13. Экономическая эффективность от внедрения «ленточного» упрочнения будет складываться из: снижения поступлений вагонов в текущий ремонт, сокращения расходов на ремонтные работы, уменьшении эксплуатационных расходов железных дорог.

14. Установлено что разрешение эксплуатации колесных пар с толщиной гребня до 23 мм, сокращает общий срок службы колеса, так как глубина снимаемого слоя при обточке увеличивается в 1,5. 1,8 раза.