Введение к работе
Актуальность проблемы. Как известно, в машиностроении суммарные затраты на материалы, топливо и электроэнергию составляют не менее 2/3 общих затрат на выпускаемую продукцию. На нужды железнодорожного транспорта ежегодно расходуется до 12% топливно-энергетических ресурсов, вырабатывемых в стране, из которых более 1/3 тратится на преодоление трения, действием которого обусловлена потеря более 10% металла и до 80-85% отказов оборудования и узлов из-за их изнашивания.
Железнодорожный транспорт является значительным потребителем цветных металлов и сплавов. Так, в 1980-89 годах (годы наиболее высокого уровня грузонапряженности ж.д. транспорта) потребление цветных металлов ежегодно составляло в общей сложности более 86000 тонн. Основными потребителями в те годы было Главное управление по ремонту подвижного состава и производству запасных частей, Главное управление вагонного хозяйства и Главное управление локомотивного хозяйства. На долю первых двух подотраслей приходилось соответственно 58 и 33% потребления цветных металлов. В настоящее время в связи с отсутствием потребности в подшипниковых сплавах из-за перехода вагонного парка полностью на подшипники качения, низкого качества изготовления деталей трения из цветных металлов и повышенным количеством их замены и ремонтов локомотивное хозяйство переместилось на 2-е место по потреблению цветных металлов и сплавов. На тепловозах литые детали узлов трения , изготовленные из цветных металлов и сплавов, составляют свыше 90% по массе всех деталей из этих материалов.
Сложным является положение с физическим износом тепловозов. На 1 января 2002г выработали нормативный срок службы свыше 33,0% инвентарного парка тепловозов, а по отдельным сериям износ составляет 100%. По таким самым "ходовым, рабочим" сериям тепловозам как 2ТЭ116 процент выработки составляет 45%, ТЭМ2-53%. На отдельных железных дорогах положение еще хуже. Поставки новых магистральных грузовых тепловозов практически прекращены 10 лет назад. Указаниями Министерства путей сообщения (далее МПС) от"20.02Л996Г№М-184у и от 03.06.1999гг№Л-991у изъято право постановки тепловозов в ремонт по календарному времени работы, а установлено только по достижении норматива пробега, увеличен сам норматив. Указанием МПС от 19.03.2001 года №П-389у норматив пробега тепловозов с дизелями типа Д49 увеличен еще на 25% относительно ранее действовавшего.
Все вышеперечисленное приводит к возрастанию нагрузки на тепловозы и, соответственно, к еще более напряженной работе их силовых установок и деталей трения в них. В 2002 году только по неисправности деталей, входящих составной частью в узлы трения, допущено 100 случаев порч и неисправностей тепловозов, что составило 14,5% от всего количеілзд^одчді^вдхдажзогФі
BfE#&cPS
І 6ИБЛИЄТЕКА j
оэ <reff«wt%&7j
(*Г _ -. *
количество неплановых ремонтов. Настоятельно требуется разработка организационных и технических мер по поддержанию тепловозов в исправном состоянии, в том числе, через изучение идущих в деталях трения процессов износа, методов и способов его снижения. Поскольку на тепловозах детали трения в значительной степени изготовлены из цветных металлов и сплавов, то предлагаемая работа посвящена изучению способов уменьшения количества выходов этих деталей из строя.
Особенностью использования на локомотивах трущихся деталей из цветных металлов и сплавов является их применение в узлах, непосредственно обеспечивающих безопасность движения поездов. Детали из цветных металлов и сплавов широко используются на тепловозах в качестве подшипников скольжения и определяют работоспособность такого важнейшего узла как моторно-осевой подшипник (далее МОП), а также долговечность и экономичность работы таких базовых агрегатов тепловоза как дизель (коренные, шатунные, втулочные подшипники головок шатунов, поршни и работающие с ними в паре гильзы цилиндров) и турбокомпрессоры.
В связи со снижением централизованного снабжения и непомерно высокими отпускными ценами на цветные металлы и сплавы все тепловозоремонтные заводы отрасли и многие локомотивные депо перешли на изготовление деталей из цветных металлов и сплавов на своих предприятиях, при этом качество их изготовления резко ухудшилось. Так, в сопоставимых ценах стоимость цветных металлов возросла в среднем в 44,3 раза. Это создало положение, при котором, с одной стороны, с целью экономии средств изготовители в недостаточном количестве добавляют в шихту дорогостоящие компоненты, а с другой стороны, высокая стоимость цветных металлов повсеместно привела к хищениям. Только в 1999 году было зафиксировано 954 случая хищений и порч локомотивов и оборудования с общим ущербом более 5 млн. рублей. В связи с этим МПС было вынуждено издать указание от 03.08.1999г №Л-1556у о необходимости разработки мер по предупреждению хищений, на сеть железных дорог направлено прямое указание Министра от 17.04.2000г №100-пр-у о необходимости ускорения работ по замене цветных металлов на менее дорогие. Постановлением декабрьской 1999 года Коллегии МПС утверждена отраслевая Программа снижения расхода цветных металлов. При этом основными направлениями определены следующие: -замена цветных металлов на черные и расширение использования биметаллических деталей, -восстановление изношенных деталей и узлов, -увеличение их срока службы.
Изложенное определило актуальность выполнения данной работы. В предлагаемой работе проведены исследования вторичных структур на деталях, взятых непосредственно с работавших тепловозов и на вновь изготовленных. Для исследования были выбраны литые детали, изготовленные из бронзы: МОП, подшипники коленчатых валов дизелей, втулки верхней головки шатуна
дизеля и тормозного компрессора, подшипники газовых турбин-турбокомпрессоров и силуминовые поршни дизелей. Износ этих узлов нормирует необходимость постановки тепловозов на плановые виды крупных деповских ремонтов и на заводские ремонты, ими же определяется экономия топливно-энергетических ресурсов.
В работах В.А. Кислика, А.И. Ильина, Р.С. Николаева, Н.А. Буше, Б.М. Асташкевича, П.Г.Абрамова и ряда других ученых приводятся результаты исследований процессов износа материалов в различных узлах трения тягового подвижного состава. Но для узлов трения тепловозов не определены последствия нарушений технологии литья, недовложении необходимых ингредиентов в шихту, возникновении аварийных режимов эксплуатации. Не установлены допустимые отклонения химического состава при условии обязательного сохранения служебных свойств. В литературе мало работ по исследованию деталей трения тепловозов с позиций теории самоорганизации.
Решение этих задач расширит возможности прогнозирования свойств материалов, позволит сократить поломки деталей и их износ. Тем самым будут повышены надежность работы и уровень безопасности движения поездов.
Целью исследований является определение химического состава, структуры, механических и трибологических свойств материала деталей из цветных металлов и сплавов в узлах трения тепловозов, изучение характера проходящих процессов самоорганизации в зависимости от содержания компонентов, от условий трений и вида силового воздействия, вывод эмпирических формул механических свойств бронз в зависимости от химического состава, выработка практических рекомендаций по химическому составу, разработка технологических и организационных мероприятий по улучшению качества сплавов при изготовлении деталей из них в условиях депо и заводов.
Научная новизна. В работе получены следующие новые результаты:
1. На основе комплекса исследований по изучению создавшегося на сети
железных дорог положения с отклонениями от норм по химическому составу
антифрикционных - сплавов, - проведенному- анализу-выхода -из - строя -деталей,-
изготовленных из этих материалов, и исследованию вторичных структур,
образующихся на поверхностях трения, показана их роль в оценке служебных
свойств трущихся деталей.
2. Установлено, что для бронз класса Cu-Sn-Pb-Zn, из которых
изготавливаются МОП тепловозов, втулки верхней головки шатуна дизеля,
тормозного компрессора, подшипники турбокомпрессоров и дизельные
подшипники наибольшее влияние на образование защитных вторичных
структур оказывают олово и свинец. Выявлено, что при прохождении
процессов самоорганизации олово из твердого раствора в результате
необратимых процессов диффундирует на поверхность трения, образуя мягкую
прослойку. Тем самым, на поверхности трения обеспечивается соблюдение
правила положительного градиента механических свойств, установленного
И.В. Крагельским. В тоже время анализом материала образцов выявлено, что олово и свинец чаще других элементов содержатся в сплаве ниже нормы.
-
Выявлен механизм создания вторичных структур на поверхности при различных режимах трения деталей из бронз класса Cu-Sn-Pb-Zn, определен вклад в создание этих структур каждого из ингредиентов сплава, а также элементов, вносимых извне: смазки, абразива и др. Вторичные структуры рассмотрены с позиций комплексной структурной приспосабливаемое (КСП) материала детали. '
-
Определены защитные вторичные структуры на поверхностях трения поршней из силумина и структурная самоорганизация при трении с повышенным нагревом, выявлен вклад в создание этих структур каждого \ компонента сплава. Для силуминовых поршней доказана однотипность механизма образования рельефа поверхности независимо от вида воздействия.
5. На основе многомерного регрессионного анализа выведены
эмпирические формулы расчета механических свойств для бронз класса Cu-Sn-
Pb-Zn в зависимости от их химического состава.
6 Даны рекомендации по химическому составу деталей трения из бронз класса Cu-Sn-Pb-Zn и предложения по улучшению качества их изготовления. Разработаны, утверждены и направлены на ремонтные предприятия нормативно-технические документы, определяющие порядок изготовления, ремонта и контроля деталей трения из цветных сплавов.
7. Даны рекомендации по наиболее оптимальному химическому составу материала силуминовых поршней.
Методически работа состоит из следующих этапов:
—изучение литературных данных,
—сбор натурных деталей, имевших повреждения в эксплуатации и новых деталей, изготовленных в депо и на заводах для установки на тепловозы,
—оценка и систематизация повреждений, подготовка фрагментов деталей для металлографических и микрорентгеноструктурных исследований,
—анализ химического состава и механических свойств образцов,
—выполнение металлографических исследований материала на сканирующем микроскопе "Камибакс" с высокой разрешающей способностью,
—использование приемов статистических вычислений для вывода эмпирических формул механических свойств в зависимости от химического состава бронзы,
—анализ полученных результатов,
—формулирование выводов и разработка практических рекомендаций.
Практическая ценность работы. С целью устранения технологических и организационных недостатков при литье и изготовлении деталей из цветных сплавов с участием автора разработаны, утверждены МПС и направлены на локомотиворемонтные заводы и в депо для руководства следующие нормативные документы:
-
Технологический процесс отливки моторно-осевых подшипников тепловозов из вторичных материалов в условиях локомотивных депо в индукционной печи,
-
Технологический процесс отливки моторно-осевых подшипников тепловозов из вторичных материалов в условиях локомотивных депо в газопламенной печи.
-
Технологический процесс отливки моторно-осевых подшипников тепловозов из вторичных материалов в условиях локомотивных депо в печи электрошлакового переплава,
-
Технологический процесс на приемку вкладышей моторно-осевых подшипников тепловозов,
-
Технологический процесс заливки вкладышей моторно-осевых подшипников баббитом Б16,
-
Технологический процесс заливки вкладышей свинцовым сплавом на основе баббитов БК2 и БК2Ш в условиях локомотивного депо,
7. Технологический процесс на приемку вкладышей двигателя 1 ОД 100,
перезаливаемых свинцовым сплавом на основе баббитов БК2 и БК2Ш в
условиях локомотивных депо.
8.Технологический процесс заливки стале-бронзовых подшипников дизелей тепловозов ЧМЭЗ свинцовым сплавом на основе баббитов БК2 и БК2Ш в условиях локомотивных депо,
9. Типовой технологический процесс ремонта моторно-осевых подшипнков
локомотивов,
10. Технология заливки стальных корпусов моторно-осевых подшипников
свинцовыми баббитами,
11. ОСТ «Вкладыши стале-баббитовые моторно-осевых подшипников
локомотивов. Технические условия»,
12. Технологический процесс приготовления литейных алюминиевых сплавов.
Кроме того, в качестве обязательных мер предложено: —установить норматив на входной контроль шихтовых материалов, —выполнять системный контроль уровня ликвации по высоте отливки МОП в комплексе с металлографическими сравнениями с эталонами, —производить при механических испытаниях измерения не только нижнего, но и верхнего пределов твердости, ввести испытание на ударную вязкость, —ввести обязательное клеймение выпускаемой продукции.
На основе результатов выполненной научной работы: —предложены формулы расчета механических свойств бронз класса Cu-Sn-Pb-Zn в зависимости от их химического состава,
—даны практические рекомендации по оптимальному химическому составу указанных сплавов,
—даны рекомендации по оптимальному химическому составу материала силуминовых поршней.
Апробация диссертационной работы. Результаты исследований
доложены и обсуждены на научно-технических совещаниях комплексного
отделения "Транспортное металловедение" ВНИИЖТа, на научно-
практических конференциях: "Ресурсосберегающие технологии на
железнодорожном транспорте": г.Москва, РГУПС (МИИТ) 17-19 ноября 1998г,
г.Москва, РГУПС (МИИТ) 29-30 июня 2000г. Автор был содокладчиком по
теме работы в Институте проблем механики Российской Академии наук 2
апреля 1999г. *
Публикации. По теме диссертации опубликовано шесть печатных работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 244 страницах \
и состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой главе и обобщенных выводов по всей работе. Работа содержит 35 таблиц, 149 рисунков, список использованной литературы из 137 наименований.
