Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования 6
1.1. Конструктивные особенности тележек грузовых вагонов модели 18-100 и фрикционных клиновых гасителей колебаний 6
1.2. Условия работы и причины отказов в эксплуатации деталей гасителя колебаний 8
1.3. Технические требования к материалу фрикционного клина и планки и пути их реализации 15
1.4. Цель и задачи исследования 19
Глава 2. Методики оценки качества и служебных свойств фрикционных клиньев и планок 23
2.1. Методики металлографического исследования структуры и определения механических свойств металла фрикционных клиньев и планок 23
2.2. Методики определения показателей конструкционной прочности . 25
2.2.1. Методики определения износостойкости и коэффициента трения металла фрикционных клиньев и планок 25
2.2.2. Методика определения коэффициента относительного трения металла фрикционных гасителей 32
2.3. Методика эксплуатационных испытаний деталей фрикционного гасителя колебаний 34
Глава 3. Исследование и разработка материалов для производства фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов 36
3.1. Качество и служебные свойства стальных фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов 36
3.1.1. Опытно-промышленные работы по повышению долговечности стальных фрикционных клиньев 38
3.1.1.1. Совершенствование конструкции клина 38
3.1.1.2. Нанесение износостойких покрытий 39
3.1.1.3. Опытно - промышленные работы по производству клиньев из легированных сталей 44
3.1.2. Оптимизация химического состава стали и разработка технологии упрочняющей термической обработки клиньев 47
3.1.2.1. Объемная закалка клиньев 47
3.1.2.2. Объемно-поверхностная закалка клиньев 51
Обсуждение результатов испытаний 59
3.2. Качество и служебные свойства фрикционных клиньев из серого чугуна 61
3.2.1. Повышение качества чугунных фрикционных .клиньев серийного производства 62
3.2.2. Фрикционные клинья из легированного серого чугуна 68
3.2.3. Закалка фрикционных клиньев из серого чугуна 70
3.2.3.1. Поверхностная закалка с индукционного нагрева 70
Обсуждение результатов испытаний 73
3.3. Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна в литом и закаленном состоянии 74
3.3.1. Качество и служебные свойства фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна в литом состоянии 79
3.3.2. Качество и служебные свойства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна 83
3.3.2.1. Зарубежный опыт производства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна 83
3.3.2.2. Качество и служебные свойства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна, изготовленных на предприятиях России 86
3.3.3. Объемно - поверхностная закалка фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна 90
Обсуждение результатов испытаний 96
Глава 4. Исследование и разработка материалов для производства фрикционных планок узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов 98
4.1. Конструкция, технология изготовления и используемые материалы для серийного производства фрикционных планок в России и за рубежом 98
4.2. Конструкция и технология производства составных фрикционных планок 105
Глава 5. Износостойкость и механизм износа материалов для фрикционных клиньев тележек грузовых вагонов 106
5.1. Сравнительные лабораторные исследования 106
5.1.1. Испытания на машине трения МТШ-1 107
5.1.2. Испытания на машине трения МИ-1 109
5.2. Работоспособность фрикционного узла гасителя колебаний в условиях сетевой и опытной эксплуатации 115
Обсуждение результатов испытаний 121
Глава 6. Технико-экономическая эффективность изготовления фрикционного клинового гасителя колебаний из разных материалов 124
Общие выводы 127
Список литературы 132
Приложение 1 138
Приложение 2
- Условия работы и причины отказов в эксплуатации деталей гасителя колебаний
- Методики определения показателей конструкционной прочности
- Совершенствование конструкции клина
- Конструкция и технология производства составных фрикционных планок
Введение к работе
Актуальность
Повышение грузоподъемности вагонов является основным направлением увеличения объема перевозок. С повышением массы вагонов и скорости передвижения поездов возрастают динамические силы, действующие на вагон и железнодорожный путь. Увеличение динамических сил вызывает интенсивный износ и повреждение деталей и узлов тележки, приводит к увеличению сил взаимодействия между колесом и рельсом, к понижению устойчивости колеса на рельсе, плавности хода вагона и сохранности перевозимых в нем грузов. Кроме того, увеличение воздействия вагонов на путь приводит к расстройству пути и повышенным затратам на его текущее содержание.
Основным узлом грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний. Работоспособность деталей, входящих в этот узел, является также основой при определении межремонтного пробега тележки грузового вагона. Ввиду этого повышение пробега грузовых вагонов до 500 тыс. км по критерию износостойкости деталей фрикционного узла является актуальной научно - технической задачей.
Цель работы
Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов за счет выбора новых материалов (марок стали и чугуна и технологии их термической обработки) для изготовления фрикционных клиньев и планок.
Научная новизна
1. Исследованы причины отказов и низкой работоспособности деталей серийного фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов (стальной фрикционный клин, стальная фрикционная планка, наклонные поверхности стальной надрессорной балки) и на этой основе сформулированы тре-
4 бования к материалу клиньев и планок с целью обеспечения пробега тележек грузовых вагонов по этому узлу не менее 500 тыс. км.
Изучена износостойкость и механизм износа материалов для изготовления фрикционных клиньев из разных марок стали, серого и высокопрочного чугуна в нетермообработанном (литом) и закаленном состоянии. Дано объяснение преимущества фрикционных клиньев из серого чугуна по сравнению со стальными в литом состоянии.
Сформулированы требования к химическому составу и микроструктуре высокопрочного чугуна в литом состоянии, выполнение которых обеспечивает высокую работоспособность фрикционных клиньев после изотермической закалки (500-1000 тыс. км пробега грузовых вагонов).
Дано обоснование применения новой универсальной для грузового вагоностроения закаленной стали марки 25Х (твердость 360...420 НВ) для изготовления фрикционных и контактных планок взамен применяемой в настоящее время дорогостоящей стали марки 30ХГСА ГОСТ 4543.
Практическая ценность работы
Разработаны технические условия на промышленное производство фрикционных клиньев из серого чугуна с включением в них чугуна марки СЧ 35 с твердостью210...275 НВ (ТУ 3183-234-01124323-2007 «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов»).
Разработаны технические условия ТУ 32 ЦВ 2459-2007 «Установка износостойких элементов тележки модели 18-100 при плановых видах ремонта», в которых отраженыны требования к качеству износостойких элементов.
Разработаны технические требования и технологические параметры термической обработки вертикальной рабочей поверхности стальных фрикционных клиньев и клиньев из высокопрочного чугуна способом объемно-
5 поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды и поверхностной закалки клиньев из серого чугуна после с индукционного нагрева.
Показано, что предлагаемая новая пара трения узла гасителя колебаний (чугун СЧ35 и сталь 25Х) позволяет повысить нормативный пробег грузовых вагонов по узлу гасителя колебаний со 160 до 210 тыс. км после деповского и капитального ремонтов.
Сформулирован технико-экономический принцип выбора материалов для изготовления деталей фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов (фрикционных клиньев и планок) на основе оптимального соотношения их стоимости и долговечности (межремонтного пробега новых тележек и тележек после деповского и капитального ремонтов).
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы рассмотрены на НТС отделения «Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ» и на ежегодных аттестациях аспирантов.
Основные результаты работы были доложены на:
научных семинарах «Проблемы транспортного металловедения», в 2007 и 2009гт.
научных конференциях молодых ученых и аспирантов по современным проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка) в 2006 и 2007гг.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов. Изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 23 таблицы, список литературных источников из 53 наименований, а также 2 приложения.
Условия работы и причины отказов в эксплуатации деталей гасителя колебаний
Фрикционные гасители колебаний вводятся в рессорное подвешивание для создания сил сопротивления колебательному процессу обрессоренных масс вагона и уменьшения амплитуд при резонансах. Работа деталей, входящих в узел фрикционного гасителя колебаний, является определяющей при установлении срока межремонтного пробега тележки грузового вагона [8].
Во фрикционных гасителях необходимое сопротивление колебаниям обрессоренных частей вагона создается силами трения, возникающими при относительном смещении трущихся деталей (фрикционного клина и фрикционной планки). Эти силы могут быть постоянными или переменными за один цикл в зависимости от конструктивных особенностей гасителей.
Достоинством фрикционных гасителей колебаний является простота конструкции и надежность работы. Поэтому они широко применяются в рессорном подвешивании тележек грузовых вагонов, а также в буксовом подвешивании тележек пассажирских вагонов. К недостаткам таких гасителей можно отнести: недостаточную стабильность работы, т.е. изменение характеристик гасителя в результате изменения состояния трущихся поверхностей; невозможность регулирования сил трения в зависимости от режима колебаний вагона; большие силы трения покоя, препятствующие прогибам рессорного подвешивания при малых скоростях движения.
Наибольшее распространение в рессорном подвешивании вагонов получили клиновые фрикционные гасители [9, 10]. Фрикционный клиновой гаситель колебаний двухосной тележки модели 18-100 грузовых вагонов (рис. 1.3.) имеет два фрикционных клина - 2, размещенных между наклонными поверхностями надрессорной балки - 1 и фрикционными планками - 3, укрепленными на колонках - 4 боковой рамы тележки.
В начале 1980-х годов фирма «А.Стаки Компани» (США) первой применила фрикционные клинья с эластомерными прокладками, которые заменили цельнометаллические клинья с геометрически взаимозаменяемыми компонентами. Эта продукция была разработана с тем, чтобы снизить износ наклонных поверхностей надрессорной балки. Упругий фрикционный гаситель имел быстрый успех в Северной Америке, в частности, в тяжеловесных перевозках и при перевозках насыпных грузов, таких как уголь, например. На ж.д. транспорте США фрикционные клинья с уретановыми прокладками стали фактически стандартиыми[11].
В 1993-2000 гг. ВНИИЖТ провел комплекс работ, направленных на существенное увеличение межремонтных пробегов грузовых вагонов и разработал технические требования на узлы трения [12]. Проведены ходовые динамические и эксплуатационные испытания полувагонов, оборудованных фрикционными клиньями с уретановыми прокладками «А.Стаки Компани». В результате установлено, что можно прогнозировать межремонтные пробеги указанного узла 1 млн. км, что в 5-Ю раз превышает достигнутый в настоящее время уровень в России. При этом практически отсутствуют износы наклонных поверхностей надрессорных балок и не требуется их дорогостоящий ремонт наплавкой с последующей станочной обработкой.
Что касается России, то в 1995 году были проанализированы статистические данные о техническом состоянии ходовой части грузовых вагонов, выявлены элементы и узлы трения, подверженные наибольшим повреждениям. Исследованы условия работы узлов трения тележки модели 18-100. На базе проведенных исследований и опираясь на положительные результаты зарубежных коллег, в частности американской компании «А.Стаки Компани», были разработаны технические требования к средствам защиты контактирующих поверхностей в узлах трения, в том числе снижение нагрузки, передаваемой через трущиеся поверхности.
В 1996 году тщательно проработаны и проведены мероприятия по защите и улучшению работы узла фрикционного клинового гасителя колебаний. В 1996 году согласно указанным требованиям новые конструктивные элементы узлов трения были изготовлены на ФГУП "Производственное объединение «Уралвагонзавод»" и других предприятиях и поставлены во ВНИИЖТ для проведения испытаний. Поскольку все новые конструктивные элементы пар трения изменяют условия работы тележки, была необходима оценка динамических качеств грузового вагона на таких тележках. С этой целью в рамках указанной темы были проведены ходовые динамические испытания грузовых вагонов в груженом и порожнем режиме, тележки которых были оснащены новыми износостойкими элементами в узлах трения. Испытания проводились на скоростном испытательном полигоне Белореченское-Майкоп. Каждый из элементов испытывался отдельно при серийно изготовленных деталях узлов трения, с тем, чтобы достоверно оценить вклад его в изменение динамических качеств вагона. Отмечен факт, что одним из наиболее важных узлов тележки грузовых вагонов, влияющих на динамическое состояние вагона, является узел гашения колебаний и детали, входящие в этот узел.
Анализ статистической информации по отказам в эксплуатации грузовых вагонов в последние годы показывает, что наиболее неблагоприятная ситуация сложилась с надежностью ходовых частей, которые дают половину неисправностей. На ремонт и поддержание тележек в исправном состоянии приходится основная часть затрат при эксплуатации вагонов.
Несовершенные нормы ремонтов тележек, низкий уровень технического обслуживания вагонов, а также неудовлетворительное текущее содержание пути приводят к интенсивному износу клиновой системы рессорного подвешивания и основных деталей, входящих в него (фрикционный клин, фрикционная планка).
Согласно руководящему документу по ремонту РД 32 ЦВ 072-2005 [13, 14], при прохождении вагоном планового ремонта замена износостойких элементов регламентируется величиной износа рабочих поверхностей:
при деповском ремонте допускается установка неподвижных планок с износом 1,5 мм по толщине со стороны ее взаимодействия с подвижной планкой. Не допускается установка неподвижных планок, имеющих механические повреждения;
подвижная планка толщиной 6мм, имеющая механические повреждения, трещины, отколы и суммарный износ по толщине более 2 мм или 1,5 мм на сторону, заменяется при ремонте на новую планку;
при деповском ремонте допускаются суммарные износы наклонной и вертикальной плоскостей фрикционного клина не более Змм или не более 2мм одной из сторон. При капитальном ремонте фрикционные клинья заменяются на новые.
Методики определения показателей конструкционной прочности
Узел гасителя колебаний «фрикционный клин - фрикционная планка» работает в жестких условиях сухого трения. Основной задачей этого элемента является уменьшение динамических нагрузок, передаваемых кузовом вагона на тележку, то есть гашение колебаний. Режим трения фрикционного клина: возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости. Задняя вертикальная поверхность клина взаимодействует с фрикционной планкой. Работоспособность этого узла и характер износа зависят от материала трущихся поверхностей (сталь по стали, чугун по стали, сталь надрессорной балки по уретановой накладке).
Работа трибосопряжения «клин-планка» определяется эксплуатационными факторами и свойствами материала клина и планки: - удельное давление; - скорость перемещения; - наличие абразивной среды; - площадь сопряжения; - путь перемещения сопрягаемых тел. К параметрам качества материала фрикционного клина и фрикционной планки относятся: - марка стали или чугуна; - микроструктура металла, а также количество, форма, размер и распределение графита в чугуне; - твердость; - наличие и толщина обезуглероженного слоя; - шероховатость поверхностей.
Принимая во внимание указанные выше характеристики условий работы узла трения, важным является воспроизведение на машинах трения основного (ведущего) вида изнашивания элементов узла. Изучение взаимодействия пары трения позволило установить, что изнашивание их поверхностей происходит за счет контакта рабочих поверхностей при движении вагона. Такой вид изнашивания может быть реализован на машине трения МИ-1 типа Амслера при трении скольжения без смазывания образцов, то есть в условиях сухого трения скольжения.
Методика проведения испытаний на машине трения МИ-1 типа Амслера. Машина трения МИ-1 типа Амслера при реализация трения скольжения [17] в отсутствии смазки испытываемых образцов позволяет воспроизвести в лабораторных условиях основной вид изнашивания элементов трибосопряжения «фрикционный клин - фрикционная планка». Схема машины трения МИ-1 представлена на рис. 2.1. Испытания проводятся в условиях статического пагружения 25-200 кг с возможностью его плавной регулировки.
Используемая для испытаний машина трения МИ-1 имеет следующие характеристики: - частота вращения вала нижнего образца - 240 в минуту; - предел допускаемой погрешности счетчика суммарного числа оборотов вала нижнего образца ± 100 об.; - диапазон измерения момента трения: - диапазон I - от 1 до 10 Н/м; - диапазон II - от 2 до 20 Н/м; - диапазон измерения усилий на образцах - от 500 до 2000 Н; - предел допускаемого значения среднего квадратического отклонения приведенной погрешности измерителя усилий в режиме статического нагружения - 1%. Испытания проводятся на образцах в виде звездочки (верхний образец) и ролика (нижний образец), рис. 2.2.
Точность изготовления образцов должна быть не ниже 2-го класса по ГОСТ 11472-69, а шероховатость рабочей поверхности - в пределах Ra 0,63 мкм по ГОСТ 2789-89. После окончательной механической обработки образцы не должны иметь раковин, рыхлот, утяжин, следов коррозии, трещин и забоин.
Перед установкой образцов на машину производится их обезжиривание в бензине. Образцы устанавливаются на машину таким образом, чтобы их поверхности трения правильно сопрягались между собой без перекосов и смещений. При этом ролики устанавливают на верхний вал машины, а звездочки на верхний вал каретки.
Перед испытанием производится приработка образцов: ее начинают под весом каретки (25 кг), а затем постепенно производят нагружение образцов с периодической остановкой машины для визуального осмотра состояния поверхностей трения образцов. Усилие нагружения на образцы контролируется пружинным динамометром.
Руководствуясь реальными условиями работы элементов пар трения «фрикционный клин - фрикционная планка» (схема взаимодействия, основной вид изнашивания трущихся поверхностей), был выбран следующий режим испытаний: - нагрузка на образцы - 50 кг и 70 кг (при приработке); - скорость скольжения - 0,42 м/с; - режим трения - скольжение в условиях отсутствия смазки образцов.
В процессе испытаний регистрировались: число оборотов ролика (счетчиком машины), изменение момента трения (маятниковым динамометром), а также суммировалась работа трения (интегратором).
Износостойкость испытанных материалов определялась как величина, обратная средней скорости изнашивания, которая рассчитывалась как разность массы образцов после приработки и после окончания испытаний, отнесенная к числу оборотов рабочего вала машины. Для получения надежных результатов испытанию подвергали не менее 3 точек каждой пары трения. В процессе испытаний контролировали стабильность нормальной нагрузки N, температуры и воздействия окружающей среды. Методика проведения испытаний на машине трения МТШ-1 типа Шпинделя. Кроме указанного выше метода испытания по Амслеру, условия сухого трения скольжения могут быть реализованы и на машине трения МТШ-1 типа Шпинделя [15]. Эти испытания являются ускоренными (по сравнению с испытаниями на машине МИ-1) и дают возможность произвести сравнительную оценку износостойкости испытываемых металлов. На машине МТШ-1 образец из исследуемого материала в виде бруска длиной 80-100мм, шириной 30-40 мм, толщиной 10-25 мм и шероховатостью испытываемых поверхностей не более Ra=06 мкм испытывается с постоянной нагрузкой Р. При испытании брусок опирается на вращающийся с окружной скоростью СО стальной диск, имеющий диаметр 120-320 мм и толщину 2 мм. Общий вид и схема узла трения машины МТШ-1 представлены соответственно на рис. 2.3. и 2.4. Принимая во внимание условия работы исследуемого узла трения (фрикционный клин - фрикционная планка), методикой испытания принят следующий режим: - нормальная нагрузка - 14 кгс; - окружная скорость вращения стального диска — 0,14 м/с; - режим сухого трения; - продолжительность испытания - 50 оборотов диска. За критерий изнашивания принимается длина лунки, образовавшейся на испытуемом образце после 30-ти оборотов стального диска. Размер лунки износа на образцах определяют с помощью оптического компаратора с точностью 0,05 мм.
Совершенствование конструкции клина
Совершенствование конструкции клина заключается, в основном, в увеличении площади вертикальной и наклонной рабочих поверхностей. Так, ФГУП ПО «Уралвагонзавод» предложил увеличить высоту вертикальной поверхности фрикционных клиньев со 135 ± 2 мм (чертеж № 100.30.001-0 «Клин») до 190 ± 2 мм (чертеж № 100.30.001-1 «Клин»). Чертежом предусмотрено увеличение толщины наклонной поверхности фрикционного клина с 14 до 16 мм. Увеличение площади вертикальной и наклонной рабочих поверхностей клиньев снижает их износ в эксплуатации и, безусловно, является эффективным способом повышения их работоспособности. 3.1.1.2. Нанесение износостойких покрытий.
Электроэрозионное легирование. В 1991-92 г.г. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ проводились эксплуатационные пробеговые испытания двух четырехосных вагонов производства ПО «Уралвагонзавод», оборудованных опытными фрикционными клиньями [19]. На наклонную и вертикальную поверхность клиньев по технологии института «НИИСтали» наносилось покрытие электроэрозионным легированием [20] электродами из твердого сплава системы ТК толщиной 0,5-1,0 мм.
После пробега 100 тыс. км интенсивность износа наклонной поверхности упрочненного клина составила 1,1 мм, а вертикальной поверхности - 3,2 мм, что соответствует износам серийного стального клина за такой же пробег. Трущиеся поверхности упрочненных клиньев изнашивались равномерно, следы схватывания отсутствовали.
Интенсивность износа серийной фрикционной планки, взаимодействующей с упрочненным клином, за пробег 100 тыс. км составляет 2,0-2,5 мм, что соответствует износу серийной планки, взаимодействующей с серийным стальным клином. Таким образом, предложенная технология нанесения на рабочие поверхности фрикционного клина покрытия электроэрозионным легированием не оказала ожидаемого положительного влияния на срок службы клиньев.
Электродуговая металлизация. Другие эксперименты по повышению износостойкости рабочих поверхностей фрикционных клиньев и планок проведены по предложению института ВПТИ ТяжМаш. На наклонные и вертикальные поверхности 15 фрикционных клиньев и на 15 планках было нанесено покрытие до 1,5 мм способом электродуговой металлизации [21] порошковой проволокой ППМ-63. На одном клине и одной планке покрытие было нанесено газоплазменным напылением.
После пробега 58 тыс. км грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ клинья и планки имели незначительный износ. Однако у трех планок наблюдались сколы напыленного слоя соответственно 14 %, 7 % и 1 % от площади напыления. Сколы наблюдались вокруг болтов, крепящих планки, и в их средней части. Сколы напыленного слоя наблюдались также и на вертикальной поверхности клиньев. Поверхности клина, напыленного газопламенным способом, сколов не имели.
После пробега 150 тыс. км износ планок после электродуговой металлизации составил 1,0... 1,5 мм, клина— 1,0 и 1,3 мм соответственно по наклонной и вертикальной плоскости. Износ типовой планки при работе со стальным типовым клином после пробега 150 тыс. км составил 7... 10 мм [17].
Детали, напыленные газоплазменным [22, 23] способом, имели следующие износы: планка - до 8 мм, вертикальная поверхность клина - 8,7 мм, наклонная поверхность - 3,7 мм, т.е. положительного эффекта от этого способа поверхностного упрочнения не выявлено.
Таким образом, нанесение электродуговой металлизацией покрытия толщиной 1,5 мм на рабочие поверхности фрикционных клиньев и планок обеспечивает пробег деталей на Экспериментальном кольце до 150 тыс. км или более 4- лет эксплуатации на сети.
Положительный эффект от электродуговой металлизации клиньев и планок был бы ещё более заметным, если бы не отколы напыленного слоя. Отмечено, что если площадь сколов превышает 20 %, то интенсивность износа повышается в 2 и более раз. Таким образом, эта перспективная технология должна быть доработана и произведен технико-экономический расчет от ее внедрения. Поверхностное оплавление.
Попытка повышения износостойкости рабочих поверхностей фрикционных клиньев и планок серийного производства методом поверхностного оплавления [24, 25, 26] была предпринята на ГУП ПО «Уралвагонзавод» в начале 90-х годов. Для проведения эксплуатационных испытаний на тележки грузовых вагонов модели 18-100 было установлено по 8 фрикционных клиньев и планок, взаимодействующие поверхности которых были обработаны способом оплавления.
Перед началом испытаний, а также после пробега 54 и 100 тыс. км специальными шаблонами по методике ВНИИЖТ были проведены измерения с целью определения величины износа вертикальных и наклонных поверхностей фрикционных клиньев и фрикционных планок. После обработки результатов измерений было установлено, что интенсивность износа после 100 тыс. км пробега на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ составила для вертикальной и наклонной поверхностей опытных клиньев соответственно 3,8 и 2,0 мм, т.е. суммарный износ двух поверхностей клина равен 5,8 мм.
Для типового стального клина на контрольном вагоне, работающем в таких же условиях и при тех же осевых нагрузках, износы соответственно составили 3,4 и 1,4 мм при суммарном износе 4,8 мм.
Износ опытных фрикционных планок в среднем в 1,2 раза выше, чем у серийных. Таким образом, испытания показали, что интенсивность износа фрикционных клиньев и планок, обработанных оплавлением по технологии УВЗ, в 1,1... 1,4 раза выше, чем у серийных деталей, т.е. предложенная технология оплавления рабочих поверхностей клиньев и планок не является перспективной.
Конструкция и технология производства составных фрикционных планок
Исследуя работоспособность фрикционного гасителя колебаний тележки грузовых вагонов, специалисты ГосНИИВагоностроения и Уралвагонзавода предложили изменить конструкцию фрикционной планки и вместо единой планки толщиной 16 мм (чертеж УВЗ № 100.00.008-1 «Планка фрикционная») устанавливать на тележки составную планку, состоящую из двух деталей: собственно фрикционной планки толщиной 10 мм, приклепываемой к боковой раме, и контактной (промежуточной) планки толщиной 6 мм, свободно устанавливаемой на выступы боковой рамы.
Как показали эксплуатационные испытания, при установке новой (составной) планки стабилизируется работа фрикционных гасителей колебаний и сокращается интенсивность износа трущихся поверхностей. Требования к составной фрикционной планке сформулированы в разработанном нами нормативном документе «Составная фрикционная планка боковой рамы тележки грузового вагона. Общие технические требования», утвержденном Департаментом вагонного хозяйства ОАО «РЖД». В соответствии с этими требованиями «... фрикционная (неподвижная) и контактная (подвижная) планка должны изготавливаться из стали типа ЗОХГСА с твердостью 320...400 НВ, с прокаливаемостью не менее 5 мм (сквозной прокаливаемостью) и короблением не более 1 мм».
Требования по изготовлению и установке на тележки грузовых вагонов составной фрикционной планки введены в проект ПКБ Департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД» № М 1698.00.000 «Модернизация узлов тележки модели 18-100».
В соответствии с требованиями этого проекта, многочисленные предприятия (ОАО «Чебоксарский агрегатный завод», ОАО «Балаковский завод запасных деталей», ОАО «Селивановский машиностроительный завод», ЗАО «Научно-производственный холдинг "Рокада"», ООО «СотекКомЦентр» и др.) изготавливают составные фрикционные планки.
Типовой технологический процесс изготовления фрикционных и контактных планок состоит из следующих операций.
Фрикционные планки (черт. М 1698.02.001) изготавливаются из прокатной полосы толщиной 10 мм и шириной 270 мм. После входного контроля (проверяется марка стали, твердость и размеры) полоса подается к прессу усилием 400 т, где изделие вырубается в штампе по контуру на соответствие чертежным размерам: 260 "; 215" ; 200"" и 90-". Затем планка подается в заточное отделение, где на обдирочно-шлифовальных станках на планке снимается заусенец по контуру. Далее планка подается на пресс на пробивку 4х отверстий, затем на вертикально-сверлильный станок для зенковки отверстий (снятия фасок под углом 60 на глубину 8 мм), правку и клеймение. После правки планки подаются в термическое отделение на закалку и отпуск [52]. Нагрев под закалку производится на индукционной установке, температура нагрева (900-950С) регулируется временем выдержки в индукторе (35 сек.). Закалка в масле. Отпуск планок при температуре 500-520С производится в шахтной печи Ц-105 или камерной печи с выкатным подом. После термообработки ОТК проверяет твердость на 2 % планок от партии. На коробление (не более 1 мм) проверяется 100 % планок по шаблону. Контактные планки толщиной 6 мм (чертеж М 1698.02.004) изготавливаются также из стали ЗОХГСА по аналогичной технологии. Исключаются операции пробивки и зенковки отверстий. Режим термической обработки (закалки и отпуска) сохраняется таким же, как и при производстве фрикционных планок. Исходя из условий работы контактных (промежуточных) планок особое внимание уделяется контролю кривизны, которая не должна превышать 1 мм.
Проведенный комплекс исследований по оценке технологии изготовления фрикционных и контактных планок (литые, катаные), макроструктуры, микроструктуры (после окончательной термической обработки), механических свойств, эксплуатационные испытания и исследование причин отказов позволили сформулировать следующие требования к материалу (марке стали) и к планкам в целом как изделиям: 1. Достаточная закаливаемость, т.е. выбранная марка стали, технология термической обработки и конструктивные размеры планки должны обеспечить непосредственно после закалки (до отпуска) твердость не менее 450...500 НВ с тем, чтобы после отпуска получить заданную нормативной документацией твердость 360...420 НВ. 2. Требуемая прокаливаемость, т.е. марка стали и технология термической обработки должны обеспечить толщину закаленного слоя не менее 3 мм, поскольку нормативным документами (указание МРС России от 07.08.03 г. № Н-832у) установленная величина износа фрикционной планки не должна превышать 2 мм. 3. Металл фрикционной и контактной планок после окончательной термической обработки должен обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью, чтобы исключить случаи их хрупкого разрушения (прежде всего по ушкам фрикционных планок и изломов по всему сечению контактных планок) при движении грузовых вагонов по неровностям верхнего строения пути (стыки, стрелочные переводы, просадки и др.).
Кроме того, достаточная пластичность металла планок необходима при проведении механической правки планок. 4. Коробление планок не должно превышать 1 мм. 5. Фрикционные и контактные планки не должны иметь поверхностных дефектов типа волосовин, закатов, плен, рисок и др., являющихся концентраторами напряжений и приводящих к хрупким разрушениям планок в эксплуатации. Хотя сталь ЗОХГСА, предложенная ФГУП ПО «Уралвагонзавод» для изготовления фрикционных и контактных планок, получила широкое распространение, по нашему мнению она не является оптимальной по следующим соображениям: сталь является дорогой, т.к. имеет в своем составе дорогостоящие элементы - хром (X), марганец (Г) и кремний (С) [53]; содержание фосфора и серы в сталях типа ХГСА не должно превышать 0,025%, что очень усложняет и удорожает технологический процесс выплавки этой стали и главное - в таком низком содержании серы и фосфора нет никакой необходимости при изготовлении такой массовой продукции, как фрикционные планки; сталь типа ХГСА неудобна при практическом применении, т.к. фактически требуется изготавливать износостойкие элементы из двух марок стали - 20ХГСА и ЗОХГСА; на изделиях из стали 20ХГСА при содержании углерода на нижнем пределе (0,17...0,18 %) трудно получить требуемую твердость (320...400 НВ) ввиду низкой закаливаемости этой стали.
Нами предложено для изготовления износостойких элементов, устанавливаемых на тележки грузовых вагонов при проведении их модернизации, применять недорогую универсальную сталь с содержанием углерода 0,22-0,28 % (типа стали марки 25Х), которая не требует подогрева при приварке сделанных из нее износостойких элементов, в отличие от стали ЗОХГСА [54]. Сталь типа 25Х заметно дешевле сталей типа ХГСА, т.к. имеет в своем составе пониженное содержание марганца и кремния и допускает повышение содержания серы и фосфора до 0,04 %, т.е. упрощает процесс выплавки стали.
