Содержание к диссертации
Введение
2. Исследование причин износа бандажей колесных пар тягового подвижного состава и рельсов 36
2.1. Анализ основных факторов износа бандажей колесных пар тягового подвижного состава 36
2.2. Исследование факторов интенсивного изнашивания бандажей колесных пар электровозов на Свердловской железной дороге 53
2.3. Влияние изменения ширины рельсовой колеи с 1524 до 1520 мм на взаимный износ бандажей колесных пар тягового подвижного состава и рельсов 59
2.4. Влияние применения нового типа рельсов (Р65 вместо Р50) и параметров возвышения наружных рельсов в кривых участках пути 63
2.5. Влияние применения железобетонных шпал в конструкции верхнего строения пути на износ рельсов и бандажей колесных пар тягового подвижного состава 68
2.6. Влияние материала на износ бандажей и рельсов. Создание современных приборов неразрушающего контроля колесных пар 69
2.7. Влияние перекоса колесных пар в тележке тягового подвижного состава при движении по рельсовому пути на износ гребней бандажей 83
2.8. Влияние разности диаметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава, сверх допустимых значений, на их износ 85
2.9. Влияние шероховатости посадочных поверхностей на надежность соединения «бандаж-обод» и ресурс колесных пар тягового подвижного состава 90
2.10. Влияние режимов рекуперативного торможения тягового электроподвижного состава на износ бандажей колесных пар 91
3. Статистическо-математические методы исследования совокупности причин износа бандажей колесных пар тягового подвижного состава 96
3.1. Оценка эффективности снижения износа бандажей, обточенных по различным профилям 96
3.2. Метод оптимизации обточки бандажей колесных пар локомотивов по толщине гребня 119
3.3. Определение эффективного профиля бандажей колесных пар для различных серий локомотивов и участков обращения 123
3.4. Метод определения величины остаточного проката колесных пар для различных серий локомотивов и участков обращения тягового подвижного состава 126
3.5. Исследование износа колесных пар на основе регрессионного и корреляционного анализов 133
3.5.1. Метод построения уравнений множественной регрессии многомерной математической модели износа 133
3.5.2. Множественный регрессионный (корреляционный) анализ математической модели износа 146
4. Методика определения фактического круга катания и геометрических параметров тягового подвижного состава разработанными приборами 151
4.1. Измерение проката бандажей колесных пар электровозов на поверхности бандажа 151
4.2. Разработка прибора для оперативного измерения параметров колесных пар тягового подвижного состава 162
5. Исследование эффективности применения систем гребне-и рельсосмазываний 166
5.1. Общие методы, применяемые на российских железных дорогах, для сниженеия износа колесных пар тягового подвижного состава 166
5.2. Исследование износа гребней колесных пар подвижного состава, оборудованного гребнесмазывателями системы «Тракмастер» 168
5.3. Оценка надежности системы гребнесмазывания в целом и отдельных ее узлов в условиях эксплуатации 180
5.4. Влияние системы гребнесмазывания на энергетическую эффективность работы тягового подвижного состава 184
5.5. Влияние системы гребнесмазывания на тяговые свойства тягового подвижного состава 185
5.6. Исследование применения системы автоматического рельсосмазывания (АРС-Эл) на износ гребней колесных пар тягового подвижного состава 189
5.7. Исследование применения модификатора (триботехнического состава) ТС НИОД для уменьшения интенсивности износа гребней колесных пар тягового подвижного состава и рельсов 191
6. Исследование влияния перекоса, разности диаметров и рекуперативного торможения на износ гребней бандажей колесных пар тягового подвижного состава 203
6.1. Методы определения перекоса бандажей колесных пар тягового подвижного состава 203
6.1.1. Определение перекоса колесных пар (в тележке и относительно оси пути) на различных типах тягового подвижного состава 203
6.1.2. Метод измерения угла набегания колеса на рельс при помощи оптического прибора 214
6.2. Методы определения допустимой разности диаметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава в эксплуатации 218
6.2.1. Метод определения допустимых значений разности диаметров бандажей колесной пары в эксплуатации методом последовательных включений 218
6.2.2. Метод определения допустимой в эксплуатации разности диаметров бандажей по минимуму целевой функции 229
6.2.3. Способ обоснования величины допустимой разности диаметров 236
6.3. Методы контроля диаметров бандажей колесных пар тягового подвижного состава с использованием полуавтоматической измерительной системы 246
6.4. Исследование влияния режимов рекуперативного торможения на износ гребней бандажей колесных пар локомотивов 252
7. Метод контроля шероховатости посадочных поверхностей колесного центра и бандажа колесной пары тягового подвижного состава 258
7.1. Контроль шероховатости и его влияние на интенсивность отказов бандажей колесных пар 258
7.2. Сравнительная оценка различных способов контроля шероховатости бандажей колесных пар 266
8. Внедрение и экономическая эффективность разработанных технических решений 280
8.1. Оценка экономической эффективности от внедрения практических предложений и рекомендаций 282
8.2. Оценка экономической эффективности применения рекуперативного торможения и восстановления ресурса колес 288
Заключение 295
Список литературы 299
- Исследование факторов интенсивного изнашивания бандажей колесных пар электровозов на Свердловской железной дороге
- Метод оптимизации обточки бандажей колесных пар локомотивов по толщине гребня
- Разработка прибора для оперативного измерения параметров колесных пар тягового подвижного состава
- Влияние системы гребнесмазывания на тяговые свойства тягового подвижного состава
Введение к работе
Актуальность работы. По оценке экспертов, в России в начале 80-х гг. XX века срок службы бандажей колесных пар локомотивов составлял 6-7 лет, а в 90-е гг. он сократился уже до 2-3 лет; в 2010 г. ремонту с обточкой при восстановлении конфигурации их профиля подвергалось около 3 млн. колесных пар.
Увеличение срока службы бандажей - один из крупных источников экономии проката черного металла - позволит существенно увеличить пробеги до ремонта тягового подвижного состава (ТПС), снизить трудозатраты на замену бандажей и обточку колесных пар, увеличить скорость доставки грузов, повысить безопасность движения и снизить расходы на техническое обслуживание и ремонт ТПС и связанной с ним инфраструктурой. Для решения задачи снижения интенсивности износа гребней бандажей колесных пар ТПС необходимы новые научные исследования. Одним из таких направлений должна стать разработка методов позволяющих, исходя из конкретных условий эксплуатации, определить и устранить причины износа колеса и рельса.
Совершенствование методов контроля и предупреждение параметрических и непараметрических отказов колесных пар в пути следования являются одним из самых важных факторов обеспечения безопасности движения поездов. Для снижения интенсивности износа гребней колесных пар ТПС и рельсов необходимо разработать комплекс мероприятий, которые, исходя из конкретных условий эксплуатации, позволят найти и устранить причины износа колеса, повысить надежность работы бандажей, снизить эксплуатационные расходы.
Работа, направленная на решение проблемы повышения ресурса бандажей колесных пар ТПС за счет разработки, теоретического обоснования и реализации методов на основе совершенствования контроля геометрических параметров и прогнозирования технического состояния бандажей колесных пар ТПС является актуальной.
Объект исследования: тяговый подвижной состав железных дорог.
Предмет исследования: износ бандажей колесных пар ТПС с учетом серии, типа и условий эксплуатации.
Цель работы: повышение ресурса бандажей колесных пар ТПС за счет разработки, теоретического обоснования и реализации методов на основе совершенствования контроля геометрических параметров и прогнозирования их технического состояния.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:
- разработать математическую модель, описывающую комплексное влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания гребней бандажей колесных пар для решения задач прогнозирования применительно к конкретным условиям работы ТПС;
разработать методику сравнительного анализа процессов изнашивания бандажей для оценки причин их износа, которая позволяет обосновать выбор наилучших профилей и значения остаточного проката, способа лубрикации для разных серий ТПС и участков их эксплуатации исходя из критерия реализации максимального ресурса колесных пар до обточки и смены;
предложить методику измерения значения максимального износа бандажей для получения более достоверных результатов;
обосновать допустимые значения разности диаметров бандажей одной колесной пары и значения перекоса колесных пар в тележке с учетом конструктивных особенностей различных ТПС и условий их эксплуатации;
исследовать влияние лубрикации на тяговые свойства электровоза с использованием динамометрического вагона;
провести стендовые и экспериментальные исследования для определения наиболее эффективных конструктивно-технологических решений нанесения триботехнического состава (ТС) «НИОД» на гребни колесных пар ТПС;
разработать способ измерения геометрических параметров колесных пар и программное обеспечение, позволяющих контролировать и прогнозировать сроки обточки и смены бандажей, осуществлять паспортизацию технических параметров ТПС, оценивать эффективность принятых технических решений;
повысить эксплуатационную надежность посадки бандажа на обод колесного центра.
Методы исследования. Базовые положения теории надежности технических систем, технического контроля, вероятностно-статистических методов исследования: теории вероятностей, проверки статистических гипотез, регрессионного и дисперсионного анализов, элементы теорий моделирования, ситуационного планирования и прогнозирования, а также исследование физических явлений, лежащих на стыке ряда областей прикладных наук.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается многократными стендовыми и экспериментальными исследованиями, верификацией полученных результатов, положительным опытом эксплуатации предложенных приборов и технических устройств на сети железных дорог Российской Федерации.
Обоснованность полученных результатов исследований подтверждается использованием апробированных методов математической статистики и теории вероятности, а также сходимостью результатов полученных на основании проведенных расчетов с использованием различных моделей и методов.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
- математическая модель на основе методов теории вероятностей и мате
матической статистики, использование которой определяет комплексный под
ход к решению задач прогнозирования влияния различных факторов на интен-
5 сивность износа гребней бандажей колесных пар применительно к конкретным условиям эксплуатации ТПС;
методика сравнительного анализа процессов изнашивания бандажей для оценки причин износа, выбора наилучших профилей и значения остаточного проката, способа лубрикации для различных серий ТПС и участков их эксплуатации исходя из критерия реализации максимального ресурса колесных пар до обточки и смены;
методика измерения значения максимального износа бандажей для получения более достоверных результатов;
результаты оценки влияния лубрикации на тяговые свойства ТПС на основе проведенных испытаний с использованием динамометрического вагона, результаты стендовых и экспериментальных исследований для определения наиболее эффективных конструктивно-технологических решений нанесения триботехнического состава (ТС) «НИОД» на гребни колесных пар ТПС;
программное обеспечение и способ измерения геометрических параметров колесных пар, реализованных в виде электронного прибора, позволяющего контролировать и прогнозировать сроки обточки и смены бандажей, осуществлять паспортизацию технических параметров ТПС, оценивать эффективность отдельно принятых и (или) общих технических решений;
методика контроля шероховатости посадочных поверхностей обеспечивающая надежность соединения «бандаж-обод», позволяющая увеличить наработку до смены бандажей ТПС.
Научная новизна полученных результатов:
предложена математическая модель, описывающая комплексное влияние конструктивных и эксплуатационных факторов на интенсивность изнашивания гребней бандажей колесных пар для решения задач прогнозирования применительно к конкретным условиям работы ТПС;
разработана методика анализа процессов изнашивания бандажей для оценки причин их износа, которая позволяет обосновать выбор наилучших профилей и значения остаточного проката, способа лубрикации для разных серий ТПС и участков их эксплуатации исходя из критерия реализации максимального ресурса колесных пар до обточки и смены;
предложены методики определения допустимой разности диаметров бандажей одной колесной пары и значения перекоса колесных пар в тележке для различных серий ТПС и условий их эксплуатации;
обоснована необходимость смещения по ширине бандажа места измерения значения износа для получения более достоверных результатов;
разработана методика оценки влияния шероховатости посадочных поверхностей на надежность сочленения «бандаж-обод» и наработку до смены бандажей.
Практическая ценность исследования состоит в том, что:
предложены наилучшие профили бандажей колесных пар ТПС в зависимости от типа, серии и условий эксплуатации локомотивов и применения различных способов лубрикации гребней колесных пар ТПС и рельсов;
установлено влияние разности диаметров и степени перекоса колесных пар в тележках на ресурс бандажей колесных пар ТПС;
разработаны и конструктивно проработаны электронные приборы и устройства для определения геометрических параметров бандажей колесных пар ТПС;
определены наиболее эффективные конструктивно-технологические решения нанесения ТС НИОД на гребни колесных пар ТПС;
предложен способ измерения геометрических параметров колесных пар, реализованный в виде электронных приборов и программного обеспечения, позволяющего контролировать и прогнозировать сроки обточки и смены бандажей, осуществлять паспортизацию технических параметров ТПС, производить оценку эффективности отдельно принятых и (или) общих технических решений;
предложен способ контроля шероховатости посадочных поверхностей, реализованный в виде прибора, обеспечивающего существенное повышение эксплуатационной надежности сочленения «бандаж-обод» и позволяющего реализовать наработку до смены бандажей, практически равную величине ресурса по предельному износу;
сформулированные в диссертации теоретические положения, методологический подход и методический инструментарий позволяют при комплексном применении приведенных автором методов увеличить ресурс бандажа до смены до 1 млн. км.
Реализация результатов работы. Результаты исследования и практические предложения внедрены в локомотивных депо Свердловской, Московской, Южно-Уральской, Куйбышевской, Горьковской, Дальневосточной, Октябрьской, Забайкальской, Северной и Приволжской железных дорог РФ.
Устройство для контроля диаметров бандажей и их разности внедрено в 21 локомотивном депо, прибор для оценки шероховатости посадочных поверхностей «бандаж-обод» успешно используется в трех колесных цехах, приборы КИП и ИД с программным продуктом АРМ «Депо» проходят опытную эксплуатацию, приборы К-61 и Т-71 внедряются на заводах и депо российских железных дорог.
Результаты работы используются в учебном процессе по дисциплинам «Основы теории надежности и диагностики», «Эксплуатация и ремонт ЭПС», «Механическая часть ЭПС» и «Надежность ЭПС».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и были одобрены на: сетевых школах обмена опытом по износу колесных пар и рельсов (с 1992-го по 2000-й гг.), Межд. науч.-техн. конф. «Повышение автоматизации и механизации ремонта подвижного состава на железнодорожном транспорте» (Москва, 2009 г.), II Межд. науч.-техн. конф. по проблемам управления транспортными потоками (Екатеринбург, 2007 г.), Всерос. науч.-техн. конф. с межд. участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005 г.), XXXI Межд. конф. «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и в бизнесе (IT+SE-2004) (Украина, 2004 г.), IV Межд. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 2003 г.), IV Межд. науч.-практ. конф. «Безопасность движения поездов» (Москва, 2003 г.), Межд. науч.-техн. конф. «Надежность машин, механизмов, оборудования» (Украина, 2000 г.), Межд. конф. «Состояние и перспективы развития электровозостроения» (Новочеркасск, 1995 г.), II Межд. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта» (Москва, 1996 г.), II Межд. науч.-техн. конф. «Износостойкость машин» (Брянск, 1996 г.), II Межд. науч.-техн. конф. «Состояние и перспективы развития электроподвижного состава» (Новочеркасск, 1997 г.), Межд. науч.-техн. конф. «Проблемы железнодорожного транспорта и транспортного строительства Сибири» (Новосибирск, 1997 г.), Всерос. науч.-техн. конф., поев. 130-летию Свердловской ж.д. «Транспорт, наука, бизнес: проблемы и стратегия развития»: (Екатеринбург, 2008 г.), науч.-техн. совещаниях МПС России и ОАО «РЖД», других науч.-техн и науч.-практ. конференциях и отраслевых технических совещаниях.
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 104 печатных работах, в том числе 21 в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, кроме того 2 - в монографии и 65 - в материалах Международных и Всероссийских конференций, получено авторское свидетельство на изобретение. В опубликованных работах автору принадлежат основные идеи, теоретический и экспериментальный материал, выводы. Материалы диссертации приведены также в отчетах по Грантам и Программам, выполненным при участии и под руководством автора.
Структура работы. Диссертация включает в себя введение, восемь глав, заключение, библиографический список из 492 наименований и четырех приложений с описанием технических и технологических аспектов исследования. Основное содержание изложено на 346 страницах машинописного текста, в том числе 44 таблицы и 91 рисунок.
Автор выражает признательность д.т.н., профессору А. С. Лисовскому за конструктивные замечания и ценные советы, а также ректору УрГУПС А. Г. Галкину за поддержку и создание условий при выполнении работы.
Исследование факторов интенсивного изнашивания бандажей колесных пар электровозов на Свердловской железной дороге
Рекомендовалось применение пластических и твердых смазочных материалов, выдерживающих большие контактные напряжения путем нанесения их на боковую поверхность головки рельса с помощью специального передвижного устройства или на гребни колес тягового подвижного состава с помощью лубрикаторов.
Первый способ - автоматическое рельсосмазывание, которое позволяет регулировать подачу смазки в зависимости от эксплуатационных и климатических условий, гарантировать строго дозированное нанесение ее в зону контакта без выдавливания на поверхность катания, обеспечить пропуск не менее 20-25 поездов между проходами рельсосмазывателя при минимальном расходе смазки и исключении пробоксовки локомотивов.
Для смазки рельсов было разработано несколько типов смазочных материалов (РП, ПГВО, ИПОС и др.), находящихся на уровне и превосходящих по эффективности лучшие зарубежные аналоги [16-18, 323, 358, 375, 415— 417, 425, 420, 429]. Применение РП (ТУ 32 ЦТ 2133-89) в течение 1,5 лет на Дальневосточной ж.д. позволило снизить износ гребней колес в 4-6 раз, получить экономию энергии на тягу поездов в среднем 10-12 %.
Смазки типа ПГВО (ТУ 32 ЦТ 2180-92) и ИПОС применяются при работе гребнесмазывателей конструкции РИИЖТ, и ВНИКТИ, тягового подвижного состава [311, 312, 445].
Вопросы, связанные с изнашиванием рельсов и колес при рекуперативном торможении, обсуждались на страницах отраслевых журналов [340, 404, 434, 459, 463]. Известно, что при рекуперативном торможении в сеть возвращается до 7 % от общего расхода электроэнергии на тягу поездов [404]. В процессе рекуперативного торможения возникает сложное взаимодействие подвижного состава и пути, появляются дополнительные динамические вертикальные и поперечные горизонтальные воздействия колес на железнодорожный путь. Увеличение вертикального динамического воздействия на путь связано с тем, что для обеспечения следования локомотива без юза, под колеса локомотива подсыпают песок. Устройства для подачи песка не обеспечивают его равномерного распределения. Песок под колеса локомотива подается порциями, из-за чего возникают неровности на поверхности катания головок рельсов и дополнительные вертикальные динамические силы [459].
При прохождении электровозом кривой в режиме рекуперативного торможения внутренние колеса, которые должны пробегать меньший путь, проходят его чистым качением, без скольжения, а наружные колеса, пробегающие больший путь, помимо качения, проходят его со скольжением вперед [70, 144, 340]. В этом случае реакция рельса оказывается направленной назад и вызывает тем самым тормозное усилие.
Такое проскальзывание частично уменьшается благодаря конусности бандажей, когда наружное колесо катится по большему кругу катания, а внутреннее - по меньшему. Полностью устранить проскальзывание при движении в кривой не удается, поэтому в точках контакта возникают значительные силы трения, вызывающие повышенный износ колес и рельсов [88, 340, 341].
Распределение тормозных усилий между колесами зависит от того, какие колеса катятся без проскальзывания, а какие проскальзывают. Под действием только вертикальной нагрузки неподвижного колеса на рельс в месте их контакта образуется площадка по конфигурации близкая к эллипсу [273]. При торможении напряжения концентрируются на переднем (набегающем) по ходу движения крае площадки контакта, что приводит к большему вдавливанию колеса, тогда как в тяговом режиме напряжения распределяются более равно 49 мерно. Изменение эпюры напряжений при торможении приводит к усиленной концентрации удельных и общих усилий на набегающем крае колеса, что является теоретическим объяснением наблюдающихся нежелательных явлений, в т. ч. повышенного изнашивания колесных пар и рельсов [210, 252].
При исследованиях, проведенных с участием автора на Восточно-Сибирской ж. д., определено влияние системы рекуперативного торможения на изнашивание рельсов в условиях затяжного спуска с большим количеством кривых малого радиуса. Установлено, что в кривых радиусом от 300 до 1000 м величина вертикального износа рельсов в 2,6-2,8 раза больше, чем на прямых участках пути.
Отношение бокового износа рельсов в режиме рекуперативного торможения по сравнению с режимом тяги изменяется в зависимости от радиуса кривой, возрастая от 1,0 при R = 300 м до 2,4 при R = 800 м. Приведенный износ рельсов в режиме рекуперативного торможения больше в 1,3-2,1 раза по сравнению с тяговым режимом при изменении радиуса кривой от 300 до 800 м. Известно, что в процессе эксплуатации возникают значительные напряжения в месте контакта колеса с рельсом, и во время движения колеса испытывают следующие виды нагрузок: - давление рельса, соответствующее определенной части давления на ось колесной пары; - динамическая нагрузка от ударов колес на стыках рельсов; - силы трения, возникающие при качении колес по прямому участку пути и в кривых; - силы трения при торможении, возникающие на поверхности соприкосновения тормозной колодки с колесом; - силы трения при боксовании и движении заторможенного колеса юзом. Давление колеса на рельс приводит к сжимающим напряжениям в месте контакта, величина которых зависит от того, находится ли колесо на прямом участке пути, в кривой или на стыке. Удельное давление в месте стыка достигает 500 МПа [3, 5, 6, 15, 23, 25, 49, 65, 70, 88, 93, 184, 205, 230].
Трение качения приводит к возникновению касательных сил в месте контакта, приводящих к повышению напряжения в поверхностном слое колеса и к изнашиванию. При этом порядка 75 % затраченной на пластическую деформацию энергии превращается в тепло, которое концентрируется в микрообъемах, примыкающих к поверхности сдвига. Температура в этих объемах может превышать значения, при которых создаются условия для протекания мартенситного превращения, что приводит к растрескиванию и отслаиванию металла.
Удельные нагрузки в зоне контакта средней части гребня колеса и головки рельса достигают величины 3500 МПа, что вызывает в местах фактического контакта напряжения, превышающие предел текучести металла [65, 289, 305, 316, 379]. Об этом свидетельствует пластическое деформирование гребня колеса (остроконечный накат).
Метод оптимизации обточки бандажей колесных пар локомотивов по толщине гребня
Рельсовая сталь может быть микролегирована одним из перечисленных элементов или двумя одновременно (ванадием и титаном). В обозначении марки стали, содержащей ванадий, титан или цирконий, добавляется буква «В», «Т» или «Ц». Рельсы с содержанием ванадия, титана или циркония относятся к I группе, рельсы без микродобавок - ко II группе. Рельсовая сталь является флокеночувствительной. Флокены представляют собой очень тонкие трещины овальной или округлой формы. Они образуются при охлаждении на воздухе после прокатки в центральной части головки рельсов, от них при эксплуатации могут развиться поперечные усталостные трещины, приводящие к полному разрушению рельсов. Образование флокенов связано с одновременным действием двух факторов: повышенное содержание водорода в рельсовой стали (5-9 см3/100 г металла); наличие структурных микронапряжений.
Для предотвращения образования флокенов необходимо удалить значи-тельную часть водорода из стали (до 2 см / 100 г металла) в жидком состоянии путем вакуумирования или в твердом состоянии путем проведения специальной противофлокенной термической обработки.
Важнейшим фактором, влияющим на износостойкость рельсов, является твердость. Для большинства сталей имеется прямая зависимость между твердостью и износостойкостью. Для термически обработанных сталей износостойкость также возрастает с увеличением твердости, но в меньшей степени. Согласно ГОСТ 18267-82 термообработанные рельсы путем объемной закалки в масле (сталь М76, М76В, М76Т, М76Ц, М76ВТ) приобретают твердость, равную 341-388 НВ, а их концы - 311-401 НВ, а согласно требованиям ГОСТ 24182-80 горячекатаные рельсы, изготовленные из стали М74, М74Т, М74Ц имеют твердость 255-302 НВ, концы - 311-401 НВ; бандажи колесных пар локомотивов марок 1 и 2 имеют (по ГОСТ 398-96) твердость (на глубине 20 мм) 248 и 255 НВ соответственно. Применение рельсов из высокопрочных сталей требует, следовательно, применение таких же по прочности и твердости материалов бандажей. Преимущества получают марки стали, прошедшие термическую обработку и имеющие мелкозернистую микроструктуру, которые меньше подвергаются износу при увеличении силы нажатия. То, что термически улучшенные материалы, с точки зрения износа, имеют преимущество, вытекает из их микроструктуры. Так как феррит является мягким и пластичным, то он изнашивается быстрее, чем цементит, причем как в зонах структурно свободного феррита, так и в перлите.
В рельсах за счет выхода феррита ламели цементита быстро изнашиваются, их концы ломаются и крошатся при движении колес, а износ активнее распространяется в глубину. При малом расстоянии между ламелями в перлите ферритовая поверхность, напротив, является незначительной. Поэтому устранение феррита протекает медленнее, а цементитные ламели не выступают слишком высоко. При этих превышениях часть ламелей ломается и крошится под воздействием бандажей, а часть сохраняется и разрушается только при значительном уменьшении количества феррита. Износ материала при небольшом расстоянии между ламелями цементита в перлите, если он подвергается термической обработке, происходит медленее, чем при материалах, имеющих перлитно-ферритную микроструктуру с крупным перлитом, что соответствует нормализованной и не подвергнутой термообработке детали.
Площадь контакта нового бандажа с новым рельсом составляет 1,5-2,0 см , по мере их износа площадка (представляющая эллипс) начинает уменьшаться и при этом поворачиваться на некоторый угол. На эту площадку действует статическая нагрузка, составляющая 115-120 кН, которая может возрастать при движении локомотива из-за неровностей колес и рельсов. Помимо нормальных напряжений, изгибающих рельсы в вертикальной плоскости и значительно увеличивающихся при максимальном использовании силы тяги, касательные напряжения в рельсах достигают 2300 МПа, что значительно превышает предел текучести рельсовой стали. Но так как контактная площадка зажата со всех сторон рельсовым металлом, разрушения рельса в этой зоне, при однократном нагружении не происходит. На криволинейных участках пути на рельсы действуют также центробежные силы подвижного состава. Площадка приложения сил перемещается к внутренней кромке наружного рельса. В этих местах начинается «сплыв» металла с образованием выщербин [30, 49, 50, 57, 65, 70, 80].
В результате периодического действия вышеуказанных сил в головке рельса на глубине 4-7 мм от площадки контакта возникают знакопеременные напряжения, превышающие 60 % контактных. Наличие рельсовых стыков и накопившихся при эксплуатации неровностей на рельсах и колесах приводит к тому, что нагрузки часто носят ударный характер [23].
При торможении поезда или трогании с места с пробоксовкой колесных пар локомотива, а также вследствие прохождения питающего тока через контактные площадки от бандажа к рельсу, происходит нагрев поверхности катания головки выше температуры превращения (феррита в аустенит) рельсовой стали и закалка на мартенсит тонкого слоя (0,03-0,05 мм) ввиду быстрого отвода тепла внутрь металла [25, 30, 34, 47, 48, 50, 55].
Выкрашивание этого слоя при эксплуатации увеличивает износ рельсов. Перечисленные условия эксплуатации рельсов приводят к возникновению и развитию в них различных дефектов и повреждений: смятие и неравномерный износ головки рельса в вертикальном направлении и по боковой поверхности; отслоение и выкрашивание металла на поверхности катания; поперечные трещины в головке и изломы из-за них; дефекты и повреждения шейки и подошвы; изгибы рельсов и т.д. Основным видом разрушения рельсов являются контактно-усталостные повреждения (выщербины и выколы на поверхности катания, поперечные трещины усталости в головке, изломы из-за них и т.д.). Контактно-усталостное разрушение облегчается при наличии в головке рельса концентраторов напряжений в виде флокенов и строчечных неметаллических включений.
Разработка прибора для оперативного измерения параметров колесных пар тягового подвижного состава
В результате исследований закономерностей возникновения и накопления местных остаточных деформаций при контактном нагружении установлено, что уже при напряжении 3 ГПа даже у закаленных на высокую твердость (HRC 60-62) бандажей или рельсов появляются нарушения исходной формы, причем значения деформации растут пропорционально четвертой степени расчетного напряжения и при первом нагружении составляют 50-85 % такого ее уровня, которого она достигает при весьма большом (порядка 106) числе нагружения [160].
Оптимизируя технологические процессы можно многократно повысить прочность поверхностного слоя, стойкость его к напряжению (износостойкость), а следовательно, увеличить долговечность. В результате исследований были найдены многочисленные технологические средства для повышения износостойкости. Основные из них - это применение: современных методов создания прочных материалов для различных условий эксплуатации и получение из них заготовок высокого качества, близких по форме и размерам к готовым деталям; современных технологических приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и стабильности как по размерам, так и по физико-химическим свойствам; современных методов контроля качества материалов, заготовок и готовых изделий по соответствующим показателям надежности; упрочняющей обработки для получения требуемого качества рабочих поверхностей деталей с высоким сопротивлением изнашиванию и поломкам в различных условиях эксплуатации [372].
Технологические методы упрочнения можно разделить на шесть основных классов: 1) образование пленки на поверхности; 2) изменение химического состава поверхностного слоя; 3) изменение структуры поверхностного слоя; 4) изменение энергетического запаса поверхностного слоя; 5) изменение шероховатости поверхностного слоя; 6) изменение структуры по всему объему металла.
Чтобы предотвратить или замедлить изнашивание трущихся поверхностей, обычно стремятся повысить их твердость, используя традиционные методы повышения твердости деталей и узлов: цементация, азотирование, поверхностную закалку, наплавку твердыми материалами, цианирование, хромирование и др. К менее распространенным, но находящим все большее применение на железнодорожном транспорте методам, относится напыление (газоплазменное, электродуговое) твердых материалов на изнашиваемые поверхности.
Более перспективны другие методы, основанные на использовании новейших достижений научно-технического прогресса - лазерная, электроннолучевая и ионная обработка изнашиваемых поверхностей. В принципе, любой из рассматриваемых методов может быть применен в условиях депо, но любой экономически обоснованный способ упрочнения требует проверки технологии в конкретных условиях и для каждого вида упрочняемого изделия. Возможность применения метода упрочнения детали определяют дифференцировано по основным факторам, характеризующим внешние и внутренние условия эксплуатации упрочненных изделий и технико-экономические возможности использования метода в сложившихся условиях и в перспективе.
Одним из эффективных методов повышения ресурса бандажей колесных пар ТПС - обработка трущихся поверхностей триботехническим составом НИОД (ТС НИОД - нанесение ионного покрытия на детали или наружное ионное обменное действие). Успех применения этого материала в значительной мере зависит от условий работы, выбора оптимальной марки материала и конструкций узла трения. Главные характеристики для выбора марки материала: состав рабочей среды, величины рабочих нагрузок, скоростей и температур. Окончательное решение о пригодности материала для оснащения узла трения должно приниматься только после натурных испытаний.
Поверхностный слой образовавшегося твердого тела имеет избыточную энергию, вследствие чего он обладает повышенной активностью. Внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет «соседей» в виде таких же атомов. Поэтому, у атомов поверхностного слоя остаются свободными связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя. Физико-механические параметры поверхностного слоя, его структура и напряженное состояние, как правило, сильно отличаются от свойств всего объема материала.
В основе метода лежит процесс направленной диффузии, давший название применяемому при его реализации веществу, - ТС НИОД. Это твердое вещество, параметры кристаллической решетки которого очень близки к аналогичным параметрам одной из фазовых составляющих стали, что позволяет ему (при определенных условиях) диффундировать в глубину поверхностного слоя, вызывая упрочняющие его дислокации.
В Уральском государственном университете путей сообщения были проведены испытания на стационарной машине трения СМТ-1. Испытыва-лись пары трения: 1 - не обработанная ТС НИОД со смазкой ТАД-17И; 2 -обработанная ТС НИОД со смазкой ТАД-17И; 3 - пара трения, обработанная ТС НИОД без смазки. Нагрузка варьировалась от минимальной рабочей до запредельной (от 135 до 4500 кгс/мм ). Твердость измеряли твердомером Роквелла, микротвердомером ПМТ-3. Металлографические исследования проводились на оптическом микроскопе. При проведении испытаний выявлено наличие трех характерных зон максимального и минимального значений температур и моментов трения, указывающих на три стадии процесса: абразивное удаление дефектного поверхностного слоя с образованием ювенальной поверхности; дробление ТС НИОД с образованием свободных ионов, диффундирование их в поверхностный слой деталей и модификация поверхностей; удаление упрочненного слоя и дальнейшая приработка поверхностей. Во всем диапазоне рабочих нагрузок (от 145 до 2300 и более кгс/мм2) отмечено позитивное влияние ТС НИОД как на время приработки пар трения и уменьшения температуры образцов и моментов трения, так и на изменение микроструктуры поверхностного слоя и триботехнические качества поверхности. Результаты исследований показывают, что слабые и средние дефекты таких неисправностей, как раковины, сколы, износ, на телах качения, внутренних и наружных кольцах устраняются полностью.
С 1995 г. в локомотивном депо Свердловск-пассажирский Свердловской ж. д. автором в сотрудничестве с фирмой «Урал-Тест» проводится обработка гребней бандажей колесных пар пассажирских электровозов серии ЧС2 и ЧС7, грузовых электровозов ВЛ10, ВЛ11 и ВЛ1 Iм модификатором ТС НИОД. Для этого используются угольные «стержни» с наполнителем из состава самосмазывающего материала типа НИОД по ТУ 0254-002-23124986-96. Технология нанесения ТС НИОД на гребни колесных пар подвижного мостава была разработана под руководством и непосредственном участии автора диссертации (Приложение Г).
Влияние системы гребнесмазывания на тяговые свойства тягового подвижного состава
При К = 1 зависимость суммарного удельного приведенного числа ремонтов имеет минимальное значение, которому соответствует оптимальный пробег до смены бандажей колесных пар группы А - 661 тыс. км, а группы Б - 559 тыс. км. Увеличение К приводит к существенному уменьшению LQ. Так, при К = 3 бандажи колесных пар группы А имеют L0A = 638 тыс. км, а группы Б -1ОБ = 537 тыс. км [27, 36, 42, 65-67, 71, 132, 274].
Можно сделать вывод: оптимальный пробег до смены бандажей группы Б составляет 559 тыс. км, а для группы А - 661 тыс. км, оптимальный же пробег до замены бандажа по предельному износу - 683 тыс. км. Следовательно, оценка шероховатости посадочных поверхностей с помощью предлагаемого прибора позволяет увеличить пробег до смены бандажей на 19 %, что практически соответствует оптимальному ресурсу по предель ному износу бандажей колесных пар электровозов ВЛ11 локомотивных депо Смычка, Чусовская и Пермь-сортировочный (Свердловская железная дорога).
Общий вывод состоит в том, что оценка шероховатости посадочных поверхностей с помощью предлагаемого автором способа дает более точные и объективные результаты. Способ автора позволяет существенно повысить надежность и ресурс бандажей колесных пар, уменьшить количество случаев ослабления и сократить эксплуатационные расходы.
Проблема снижения интенсивности износа гребней колесных пар и бокового износа рельсов до сих пор остается одной из острейших для железных дорог России. Материалы, представленные в диссертации, являются составной частью фундаментальных научно-исследовательских работ УрГУПС по разработке методов повышения ресурса колесных пар ТПС железных дорог.
Основным результатом работы явилось практическое использование на железнодорожном транспорте России и в промышленности разработанных рекомендаций по повышению ресурса бандажей колесных пар тягового подвижного состава. На основе теоретических исследований автора разработаны приборы и устройства для контроля геометрических параметров колесных пар тягового подвижного состава, которые вместе с предложениями внедрены и (или) внедряются в производство.
Технико-экономическая оценка внедряемых работ выполнена с учетом рекомендаций ВНИИЖТ [362], ВНИИПИ [303], МПС России и ОАО «РЖД» [396] исходя из комплексности выполняемых работ, она учитывает основные факторы, капитальные и эксплуатационные затраты, получаемый при этом экономический эффект.
Выполнен расчет экономический эффективности внедрения приборов и технических устройств контроля параметров колесных пар ТПС, методов и технических решений по повышению ресурса бандажей локомотивов. Экономический эффект обеспечивается за счет использования разных типов профилей конфигурации поверхностей катания колесных пар различных серий локомотивов для определенных участков и условий их эксплуатации, обточки бандажей с оптимальным остаточным прокатом, применение триботехниче-ского состава НИОД, поддержания в эксплуатации допустимой разности диаметров, измененного способа контроля шероховатости посадочных поверхностей «бандаж-обод» (t-ът шаг).
При расчете было учтено: стоимость колесной пары - 417,6 тыс. руб.; цена бандажа колесной пары ТПС - 46,8 тыс. руб.; стоимость ремонта одной колесной пары (по данным ЕЭРЗ) - 270,0 тыс. руб.; стоимость обточки одной колесной пары в депо - 530,35 руб.; трудоемкость обточки колесной пары на колесно-токарном станке - 0,58 чел.-ч.; среднее количество проходов при обточке одной колесной пары - 2,5; затраты времени на обточку бандажей одной колесной пары - 1,4 ч.; работа локомотивной бригады на постановку локомотива на станок типа RaFAMET МИИ112, 1836 М10 КЖ-20 или А-41 -242,55 руб.; средее время простоя локомотива на обточке бандажей одной колесной пары - 6,7 ч. [396]; норма ремени на выполнение одной перекатки колесной пары ТПС - 24,74 чел.-ч.; среднее количество смены колесных пар -1 раз в 1,533 год (депо Свердловск-сортировочный - 1 раз в 1,423 г., депо Пермь-сортировочная - 1 раз в 1,644 г.); средний пробег до обточки, - 90% = 143,24 тыс. км (депо Свердловск-сортировочный), Z,9o% = 171,83 тыс. км (депо Пермь-сортировочная); стоимость 1 кВт-ч электроэнергии - 1,5 руб., стоимость 1 кг условного топлива для тепловозов - 1,96 руб.; средняя тарифная ставка токаря и слесаря 5-го разрядов - 47,88 руб., машиниста мостового крана - 45,17 руб., стропальщика - 37,77 руб.; месячный фонд оплаты труда мастера-технолога - 23173,6 руб.; стоимостной норматив расходов на измеритель лок.-ч. маневровой работы по подгонке (выгонке) одного электровоза (тепловоза) в текущий ремонт - 425,72 руб.; стоимостной норматив расходов на измеритель лок.-ч., включающий издержки на текущее содержание и амортизационные отчисления станционных путей - 220,24 руб.; среднее время простоя в текущем ремонте - 25,1 ч.; среднее время на подачу и уборку локомотивов в текущий ремонт - 0,45 ч.; стоимость одного часа простоя в ремонте - 351,57 руб.; расходы (согласно Прейскуранта № 10-01) в зависимости от загрузки вагона (13 т.), равной количеству колесных пар перевозимых на одной платформе - 10 ед. и массе одной колесной пары - 1,3 т., дальности перевозки - 1135 км, провозная плата составляет 13151 руб. за вагон.
Основными показателями общей экономической эффективности как в целом по народному хозяйству, так и применительно к железнодорожному транспорту, выступают чистый дисконтированный доход (интегральный экономический эффект) и срок окупаемости инвестиций (период возврата затрат) [362]. Чистый дисконтированный доход или интегральный эффект представляет собой сумму текущих эффектов за весь расчетный период, приведенных к начальному году. Величина интегрального экономического эффекта определяется по формуле [49, 362] N06. - годовая программа обточек бандажей колесных пар на одном локомотиве; Q - число колесных пар на локомотиве; L0 - ресурс бандажей до обточки; AL - увеличение ресурса бандажей; Lc - ресурс бандажей до внедрения предложений. Экономический эффект реализуется в результате сбережения энергоресурсов, фонда заработной платы и других расходов, связанных с уменьшением количества обточек бандажей колесных пар ТПС между ремонтами. Экономия средств по обточке составит
