Содержание к диссертации
Введение
1 Причины, влияющие на износ бандажей колесных пар локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте 10
1.1 Постановка задачи и характеристика объекта исследования 10
1.2 Обзор научных работ, направленных на повышение ресурса бандажей колесных пар промышленных локомотивов 15
2 Разработка компьютерной модели экипажной части промышленного электровоза пэ2м для расчета ресурса бандажей колесных пар 24
2.1 Теоретическое обоснование выбора модели 24
2.2 Основные принципы построения модели 25
2.3 Результаты проведения моделирования 29
3 Повышение ресурса бандажей колесных пар локомотивов за счет лубрикации, триботехнического состава нап и выбора профиля поверхности катания 36
3.1 Сбор и обработка статистического материала об износе бандажей колесных пар тепловозов ТЭМ2 и ТЭМ18,
уточнение методики определения ресурса 36
3.1.1 Выбор контролируемых параметров для определения ресурса бандажей колесных пар 36
3.1.2 Определение зависимости числовых характеристик от наработки. Определение ресурса до обточки (смены) бандажей колесных пар промышленных тепловозов 47
3.2 Эксплуатационные исследования твердо-смазочных стержней с использованием бесприводных гребнесмазывателей
3.2.1 Разработка состава ТС НАЛ и способа его нанесения на гребни колесных пар 72
3.2.2 Проведение лабораторных испытаний бандажей до и после применения ТС НАЛ 77
3.3 Выбор профиля поверхности катания бандажей колесных пар на промышленном железнодорожном транспорте 82
4 Увеличение ресурса бандажей колесных пар промышленных электровозов с помощью наплавки 92
4.1 Производство наплавочных работ с выкаткой и без выкатки колесных пар из-под локомотива в России 92
4.2 Разработка оборудования и технологии наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар промышленных электровозов ПЭ2М 96
4.3 Проведение исследований по режиму наплавки и выбору сварочной проволоки 101
5 Внедрение и экономическая эффективность разработанных технических решений 111
5.1 Внедрение технических решений повышения ресурса бандажей локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте 111
5.2 Экономический эффект от внедрения триботехнического состава НАЛ 112
Заключение 125
Список литературы
- Обзор научных работ, направленных на повышение ресурса бандажей колесных пар промышленных локомотивов
- Основные принципы построения модели
- Определение зависимости числовых характеристик от наработки. Определение ресурса до обточки (смены) бандажей колесных пар промышленных тепловозов
- Разработка оборудования и технологии наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар промышленных электровозов ПЭ2М
Введение к работе
Актуальность работы. Бандажи колесных пар являются наиболее ответственными деталями механической части локомотива, износ которых представляет собой сложный процесс взаимодействия системы «колесо-рельс», определяющийся многими факторами. Интенсивность изнашивания гребней бандажей на ряде промышленных предприятиях, имеющих собственный подвижной состав, достигает 2 мм и более в месяц.
Так как железнодорожные цеха промышленных предприятий финансируются по «остаточному принципу», любые затратные проекты по улучшению качества работы подвижного состава практически не применяются. Необходимо искать способы повышения ресурса ходовых частей локомотивов, исходя из минимальных капитальных вложений с высокой отдачей. К таким способам можно отнести экономию проката черного металла, это позволит существенно увеличить межремонтные пробеги и снизить затраты на замену и обточку бандажей колесных пар локомотивов.
Объект исследования: локомотивы промышленного железнодорожного транспорта.
Предмет исследования: повышенный износ бандажей колесных пар локомотивов на железнодорожном транспорте необщего пользования.
Цель работы: повышение ресурса бандажей колесных пар локомотивов, реализуемых в условиях промышленных предприятий железнодорожного транспорта.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие научные задачи:
выполнить анализ причин интенсивного износа бандажей колесных пар и существующих способов повышения ресурса бандажей колесных пар локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте;
разработать программный алгоритм расчета ресурса бандажей для оценки наработки до обточки колесных пар электровозов;
усовершенствовать методику сбора и обработки статистических данных об изменении значений контролируемых параметров бандажей колесных пар от наработки;
исследовать влияние различных способов лубрикации и конфигурации профиля поверхности катания бандажей на увеличение ресурса колесных пар до обточки;
провести лабораторные и натурные экспериментальные исследования для обоснования нового разработанного способа повышения ресурса бандажей за счет наплавки гребней без выкатки колесных пар из-под электровоза.
Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось путем комбинирования аналитических методов, основанных на теории надежности, теории вероятностей и математической статистики, проверки статистических гипотез, регрессионного и дисперсионного анализов, теории эксперимента, численного моделирования и использования данных лабораторных и натурных экспериментальных исследований.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается сходимостью результатов, полученных с помощью программного комплекса «Универсальный механизм», лабораторных и натурных экспериментальных исследований. Обоснованность результатов расчета подтверждается апробированными методами математической статистики и теории вероятности. Расхождение расчетных и экспериментальных данных не превысило 8 %.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
- математическое моделирование процессов изнашивания пары «ко
лесо-рельс», позволяющее определить ресурс бандажей колесных пар ло
комотива, при наличии в контакте «третьего тела»;
усовершенствованная методика определения 95%-ного ресурса бандажей за счет изменения контролируемых параметров от наработки;
способы повышения долговечности бандажей за счет наплавки гребней без выкатки колесных пар из-под электровоза, различных спосо-
бов лубрикации и выбора наилучшего профиля поверхности катания исходя из критерия реализации их максимального ресурса.
Научная новизна полученных результатов работы:
сформирована математическая модель экипажной части промышленного электровоза, позволяющая определить ресурс колесных пар до обточки, с учетом основных процессов происходящих в паре «колесо-рельс»;
усовершенствована методика для повышения точности прогнозирования ресурса бандажей за счет изменения контролируемых параметров (уменьшение толщины гребня и нарастание проката) от наработки и расчета 95%-ного ресурса до обточки колесных пар локомотивов;
разработаны способы повышения долговечности бандажей за счет наплавки гребней без выкатки колесных пар из-под электровоза, использования автоматических гребнесмазывателей с разработанным блоком управления, применения нового триботехнического состава и выбора наилучшего профиля поверхности катания исходя из критерия реализации их максимального ресурса.
Практическая ценность исследования:
- внедрен блок управления автоматического гребнесмазывателя
АГС-8 для тепловозов ТЭМ2, ТЭМ18 приписки ООО «ЛУКойл-Транс»;
внедрены и эксплуатируются гребнесмазыватели твердого типа с триботехническим составом НАЛ на предприятиях ОАО «Ураласбест» и ОАО «Евраз КГОК»;
предложены наилучшие профили поверхности катания бандажей колесных пар для тепловозов ТГМ4 и ТГМ23 предприятия ЗАО «Железнодорожник»;
внедрены на предприятии ОАО «Ураласбест» разработанное технологическое оборудование и режимы наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза.
Материалы диссертации являются частью научно-исследовательских работ УрГУПС по разработке методов повышения ресурса бандажей колесных пар локомотивов.
Реализация результатов работы. Результаты исследований и практические предложения внедрены: на тепловозах серии ТЭМ2 и ТЭМ18 в железнодорожном цехе ООО «ЛУКойл-Транс» (г. Пермь); на промышленных электровозах ПЭ2 в Управлении внешнего железнодорожного транспорта (УВЖДТ) ОАО «Ураласбест» (г. Асбест) и Качканарского горнообогатительного комбината ОАО «Евраз КГОК» (г. Качканар); разработанная установка по наплавке гребней бандажей без выкатки колесных пар из-под электровоза успешно эксплуатируется в ремонтных предприятиях 000 «РПО-Центр» (г. Асбест), 000 «Пром-Техно» и 000 «Желдорком-плекс Плюс» (Екатеринбург).
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе по дисциплинам «Техническая диагностика электрического подвижного состава» и «Электронные тренажеры в локомотивном хозяйстве».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и одобрены: на науч.-техн. конф. «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы - Неделя науки-2011» (Санкт-Петербург, 2011 г.); Межд. науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы науки и практики» (Курган, 2012 г.); Всерос. науч. конф. с международ, участием «III Информационная школа молодого ученого» (Екатеринбург, 2013 г.) и др.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 7 изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, кроме того, 6 - в материалах международных и всероссийских конференций, 1 - в сборнике научных трудов ОмГУПС, 13 - в рецензируемых журналах и в 2-х отчетах по научно-исследовательским работам.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение, библиографический список из 174 наименований и три приложения. Основное содержание диссертации изложено на 149 страницах машинописного текста, в том числе 47 рисунков и 26 таблиц.
Обзор научных работ, направленных на повышение ресурса бандажей колесных пар промышленных локомотивов
В Законе Российской Федерации № 17-ФЗ «О железнодорожном транспорте в Российской Федерации» [162], статья 1 «Основы функционирования железнодорожного транспорта в Российской Федерации», пункт 2 сказано: «Железнодорожный транспорт в Российской Федерации состоит из железнодорожного транспорта общего пользования и железнодорожного транспорта необщего пользования, а также технологического железнодорожного транспорта, организации, предназначенной для перемещения товаров на территориях, указанных организацией, и выполнения начальных и конечных операций».
Промышленный железнодорожный транспорт (железнодорожный транспорт необщего пользования) является неотъемлемой частью и связующим звеном перевозочного процесса транспортной системы России. Взаимодействуя с другими видами транспорта, включая железнодорожный, транспорт общего пользования (магистральный железнодорожный транспорт) на начально-конечных операциях перевозки грузов обеспечивает транспортное обслуживание организаций и предприятий всех отраслей экономики: металлургической, угольной, машиностроительной, лесной, стройиндустрии и других [103].
Особенно эффективно применение промышленного железнодорожного транспорта как составной части единой транспортной системы Российской Федерации в добывающих отраслях промышленности страны [33].
Промышленный железнодорожный транспорт разграничевают на внешний и внутренний, его функция (до- и послепроизводственного) прием предприятием сырья и заготовок с транспорта общего пользования и передача готовой продукции на железнодорожный транспорт общего пользования. Осуществляют это средствами железнодорожного транспорта общего пользования или средствами предприятия, иногда с привлечением подрядной транспортной организации владельцев подъездных путей, объединенного хозяйства промышленного транспорта или промышленного предприятия железнодорожного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации.
Внутренний (или внутрипроизводственный) промышленный железнодорожный транспорт предприятий осуществляет в основном производственно-технологические связи между блоками, цехами и участками предприятия, участвует в процессе перемещения внутрипроизводственных предметов труда между циклами, операциями или на определенных этапах процесса, когда закончена часть производственного цикла. Погрузочно-разгрузочные работы являются составной частью транспортно-технологического комплекса производства и рассматриваются как операции, тесно увязанные между собой.
Анализ последних исследований показал, что на территории Российской Федерации действуют свыше 116 предприятий промышленного железнодорожного транспорта, имеющие подъездные пути к магистральным железнодорожным линиям [140]. Их задача - максимум прибыли, доходов от своей деятельности. Общий объем перевозок, осуществляемых железнодорожным транспортом необщего пользования в добывающих отраслях, сегодня составляет около 300 млн т угля в год, нефти около 500 млн т в год, готовой переработанной продукции нефтепереработки около 190 млн т в год. В черной металлургии производство товарной железной руды составило около 105 млн т [33].
По данным, опубликованным президентом ассоциации «Промжелдор-транс» А. И. Кукушкиным, в настоящее время промышленный железнодорожный транспорт испытывает трудности, связанные с уменьшением объемов грузов, предъявляемых для перевозки железнодорожным транспортом. Необходимо формирование новых нормативно-правовых условий для развития предприятий [104, 72, 152], что позволит в перспективе до 2030 г. увеличить объемы промышленных перевозок грузов железнодорожным транспортом необщего пользования. По оценкам экспертов [151], в черной металлургии составит 2,5 млрд т в год (по многолетним данным ПромтрансНИИпроекта, он составит 50 % общего объема промышленных железнодорожных перевозок). В угольной промышленности, одной из основных грузообразующих отраслей - возрастут до уровня 2 млрд т в год.
Большое количество промышленных предприятий в стране располагают собственным парком тягового подвижного состава, для которого характерна большая номенклатура машин. Используемый вид тяги - тепловозная и электровозная. На 1 января 2012 г. в инвентарном парке ОАО «РЖД» содержалось 20101 локомотив, из них 7417 - грузовые электровозы и 5989 - маневровые тепловозы, остальные относятся к пассажирскому движению. С просроченным сроком службы - 523 грузовых электровоза (12,3 %), 876 магистральных тепловозов (20,5 %) и 1896 маневровых тепловозов (44,4 %) [147].
Общая протяженность железнодорожных путей необщего пользования шириной колеи 1520 мм к началу XXI века составила более 120 тысяч км, примерно на половине длины уложены рельсы типа 1-а, Р38, Р43, на другой половине - уложены рельсы Р50, Р65 с профилем по ГОСТ Р 51685-2000 [65] и более тяжелые [142]. Свыше 15 % общей протяженности железнодорожных путей приходится на предприятия черной металлургии, почти 10 % - на предприятия угольной промышленности. Прочность пути на крупных промышленных предприятиях страны достигла самой высокой в мире величины [3] благодаря систематической замене при капитальных ремонтах слабых конструкций пути с рельсами 1-а, Р38, Р43 и Р50 на самые прочные в мире конструкции с рельсами Р65, эпюрой шпал 1840-2000 шт/км и увеличенной толщиной слоя щебня под шпалами [51].
Значительный парк подвижного состава составляют промышленные тепловозы серий ТГМЗ, ТГМ6, ТГМ23В, ТЭМ18 и ТЭМ2. В ряде отраслей промышленности применяются специально приспособленные для работы на путях железнодорожного транспорта необщего пользования тепловозы, например тепловоз ТГМ6, который отличается повышенным моторесурсом, оптимальным временем реверсирования, надежной тепловой изоляцией топливных баков от перевозимых горячих грузов, хорошим вписыванием в кривые участки пути [33].
На электрифицированных путях железнодорожного транспорта необщего пользования используются промышленные электровозы с автономными источниками питания. На открытых горных разработках используются тяговые агрегаты, в составе которых работают электровозы ЕЛ1, ЕЛ2, ЕЛ21, 21Е и 26Е, ма-неврово-промышленные электровозы Д100м, Д94, а также электровозы (тяговые агрегаты) НП1, ОПЭ1АМ, ПЭП2, ПЭ2М и другие [33].
Основные принципы построения модели
Такой способ по сравнению с восстановлением обточкой и формированием профиля за счет уменьшения полезной толщины бандажа имеет бесспорные преимущества: наплавка гребня в сочетании с формой охватывающего профиля сводит к минимуму технологический износ контролируемого параметра, ресурс бандажа до списания определяется преимущественно его естественным износом; снижается простой локомотивов, вызванный необходимостью промежуточных обточек (для электровоза 8-12 часов); уменьшаются расходы на содержание станков для обточки без выкатки и приобретение режущего твердосплавного инструмента; достигается экономия заработной платы [34].
В середине прошлого века восстановление изношенных поверхностей с помощью наплавки позволило значительно увеличить ресурс бандажей колесных пар [62]. Согласно инструкции ЦТ-336 от 11.08.1995 г. [84] наплавку контролируемых параметров колесных пар грузовых локомотивов разрешается производить с выкаткой их из-под локомотива.
В настоящее время потенциал возможностей наплавки гребней бандажей электровозов далеко не исчерпан. В железнодорожных цехах на любом промышленном предприятии его можно развивать и искать другие оптимальные пути. При правильном выборе режимов практически сразу обеспечивается отдача, происходит сокращение: - материальных затрат на приобретение новых бандажей в результате увеличения количества восстановленных наплавкой; - простоя локомотивов и повышение производительности в результате увеличения срока службы бандажей колесных пар; - расходов на ремонт за счет увеличения межремонтного периода работы локомотива.
Таким образом, применение наплавки для восстановления профиля гребня бандажа до чертежных размеров (для данного типа профиля) сокращает трудовые затраты и в значительной степени увеличивает срок службы бандажа. Математическая модель процесса износа пары «колесо-рельс» на предприятиях промышленного железнодорожного транспорта - процесс непредсказуемый, зависящий от большого числа факторов, действующих на локомотив в режиме тяги, выбега и торможения [46]. Поэтому применение даже сложных разработанных технических моделей эксплуатационного износа, по определению факторов, влияющих на интенсивность изнашивания, направленных на повышение износостойкости бандажей в процессе работы, очень сложно, так нет возможности учитывать все процессы, возникающие в пятне контакта пары колеса и рельса.
Проделанная работа в данном направлении (повышение срока службы бандажей колесных пар) позволит в некоторой степени судить о возможных воздействиях предлагаемых способов на износостойкость бандажей [95], но совместное их влияние на конечный результат до сих пор не исследовалось.
Задачей настоящей диссертационной работы является повышение ресурса бандажей за счет разработки мероприятий по снижению износа гребней колесных пар локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте.
Изучению подвергались бандажи колесных пар локомотивов, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях, имеющих железнодорожные пути и собственный парк электровозов и тепловозов.
В период 2008-2012 гг. проводился сбор статистических данных контролируемых параметров. Наблюдались тепловозы ТЭМ2 и ТЭМ18 приписки железнодорожного цеха ООО «ЛУКойл-Транс» (г. Пермь); промышленные электровозы ПЭ2М Управления внешнего железнодорожного транспорта (УВЖДТ) приписки промышленного предприятия ОАО «Ураласбест» (г. Асбест); тепловозы ТГМ4 и ТГМ23 двух локомотивных депо Пермские моторы и Мотовилиха приписки ЗАО «Железнодорожник» (г. Пермь).
Работы по установке гребнесмазывателей на электровозы ПЭ2М проводились совместно с предприятием ООО «РПО-Центр» (г. Асбест). Структура исследования и решения задачи приведена на рисунке 1.2.
Анализ причин изнашивания бандажей Анализ основных способов колесных пар локомотивов, обзор научных — повышения долговечности работ, посвященных проблеме повышенногоизноса бандажей колесных пар на железнодорожном транспорте необщего бандажей колесных пар Моделирование процесса пользования. Постановка задачи изнашивания бандажей и характеристика объекта исследования колесных пар электровоза ПЭ Способы повышения долговечности бандажей колесных пар локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте исходя из критерия их максимального ресурса
Во время движения электровоза сила продольного крипа оказывает наибольшее влияние на износ гребня, так как вызвана явлением самоцентрирования колесной пары в кривой.
Для подтверждения данной гипотезы было проведено моделирование динамики электровоза, движущегося с начальной скоростью 25 км/ч, по участку профиля пути на рельсах Р65. Моделируемый участок включает в себя: прямую длиной 30 м; переходную кривую длиной 50 м; правую кривую радиусом 150 м и длиной 400 м; левую кривую радиусом 200 м и длиной 300. Исходный профиль бандажа ГОСТ 11018-2011 начальный прокат и подрез гребня отсутствовали [46].
Исследование эволюции профиля поверхности катания бандажа колесной пары проводилось поэтапно. Движение моделировалось на каждом этапе в соответствии с выбранным участком со скоростями 25 км/ч и 40 км/ч. Результаты шага сравнивались, выводилось среднее значение параметров крипа и износа, на основании которого строилась кривая измененного профиля колеса.
Рассматривались две ситуации моделирования, отличавшихся параметрами материалов контактирующих поверхностей в системе «колесо-рельс»: обработанные и необработанные триботехническим составом НАЛ. Для каждой ситуации был проведен анализ эволюции профиля, состоящий из ста итераций, значения параметров которых приведены в таблице 2.1.
Определение зависимости числовых характеристик от наработки. Определение ресурса до обточки (смены) бандажей колесных пар промышленных тепловозов
Основными задачами проводимого опыта являются исследование и апробация результатов эффективного слоя, образовавшегося на поверхности трения пары «колесо-рельс» в результате нанесения триботехнического состава нано-пористого антифрикционного покрытия (далее ТС НАЛ) на гребни колесных пар промышленных электровозов ПЭ2М. Этот слой играет в трибологических парах [111] роль «третьего тела», предотвращающего контакт «металл-металл» [18].
Эффект уменьшения износа колесных пар локомотивов связан с образованием на гребне бандажа пленочных «зеркал» скольжения, образованию которых способствует наличие в ТС НАЛ магнетита (FeO, Fe203), находящегося в тесном «сродстве» с серпентинитом (окись магния (MgO) + двуокись кремния (Si02) + Н20) [28].
Наличие магнетита обуславливает «налипание» ТС НАЛ на металлическую поверхность бандажа, способствуя таким образом формированию антифрикционной пленки (зеркала) скольжения. Благодаря образованию этой пленки происходит заметное снижение коэффициента трения и износа колесных пар локомотивов.
Однако было бы неверным проблему износа бандажей колесных пар локомотивов сводить лишь к образованию на выкружке гребня пленочных «зеркал» скольжения. Существует дополнительный фактор предупреждения износа, образуемый на поверхности гребня ТС НАЛ компенсирует водородное «истощение» металла бандажа.
В ТС ЛАП на основе серпентинита присутствуют силоксановые (мости-ковые) связи Si-0-Si, при разрыве которых, вследствие разрушения (измельчения) минерала, образуются нескомпенсированные, оборванные связи Si-O, яв 73 ляющиеся активными акцепторами водорода в форме Ни-. При их взаимодействии образуются скомпенсированные силанольные группы Si-OH. Таким образом, тонко измельченный серпентин, обладающий большой удельной поверхностью и большим числом оборванных силаксановых связей, создает благоприятные условия для связывания находящегося в зоне трения активного водорода, что препятствует водородному износу металла бандажа.
Если считать оборванные связи поверхностными дефектами силиката, то адсорбция водорода с образованием силанольных групп Si-OH - это способ энергетической компенсации таких дефектов, своего рода «самозалечивание» поверхностей трения при помощи серпентинита в составе ТС НАЛ.
Таким образом, силикаты с оборванными Si-0-Si связями являются эффективными адсорбентами активного водорода и, следовательно, могут использоваться для решения проблемы водородного износа металлов в узле трения с экстремальными нагрузками (температура и давление), характерными для взаимодействия пары «колесо-рельс».
С другой стороны, в зоне трения пары «колесо-рельс» образуется температура до 600 С, при которой ТС НАЛ переходит в форстерит: Mg6 [Si4O10](OH)8 - 3Mg2Si02 + 4Н20 [28].
Данный процесс разложения является эндотермическим, т. е. требует затрат энергии (336 кДж на 1 моль ТС НАЛ), которая «гасится» реакцией разложения находящегося в зоне трения серпентинита. При этом указанная температура разложения ТС НАЛ относится к нормальному атмосферному давлению и с ростом давления существенно снижается.
Как показали исследования, адсорбция водорода образованными силакса-новыми связями Si-O-Si в измельченном ТС НАЛ протекает очень энергично.
Например, для графита замена в результате адсорбции водорода оборванных связей С-С на связи С-Н не дает эквивалентной компенсации связей минерала, и с этой точки зрения он (графит) менее эффективен для уменьшения коэффициента трения. Другими словами, использование графита как средства борьбы с водородным охрупчиванием металлических поверхностей существенно уступает слоистым силикатам, к которым относится ТС НАЛ [30].
ТС НАЛ - это тонкодисперсные смеси минералов, добавок и катализаторов с размером зерна менее 10 мкм. Состав экологически безвреден и абсолютно безопасен для человека при производстве и эксплуатации.
ТС НАЛ работает только там, где выделяется энергия, т. е. только на поверхностях трения. С маслами и другими носителями в реакции не вступает [31].
ТС НАЛ создает защитный слой, компенсирующий износ поверхностей трения «колесо-рельс» в условиях их реальной эксплуатации. Защитный слой по своим физико-механическим свойствам более стоек к износу и коррозии, чем металлы, на которых он образуется, и имеет более низкий коэффициент трения.
Согласно технологическому описанию в общем случае стеклокерамиче-ское покрытие получают плавлением кристаллов исходного состава до температуры перехода в стеклообразное состояние, не допуская превышения температуры плавления (наиболее благоприятные температуры находятся в диапазоне 550-700 С), с последующим охлаждением. Также для поддержания малой тол-щины покрытия (порядка 10-10 м) и равномерного распределения состава по поверхности необходимо наличие достаточного давления в точке плавления.
В месте контакта колеса и рельса во время движения температура возрастает до 800 С в штатном режиме. Давление колеса на рельс промышленного электровоза ПЭ2М составляет величину порядка 108 Па. В результате выполнения перечисленных требований за один оборот колеса на поверхности основного материала (бандажной и рельсовой стали) образуется один слой стеклокера-мического покрытия. В результате последующего оборота колеса поверх него образуется новый слой, поэтому покрытие, полученное по исчерпанию стержнем своего ресурса, состоит из множества слоев [15].
Полученное стеклокерамическое покрытие обладает набором положительных качеств. Данный материал обладает коэффициентом теплового расширения (Рстекл = 5-7-10 6 К-1), он значительно ниже, чем у стали (Рстали = 11-17-10"6 К-1). Стеклокерамические материалы имеют очень низкие показатели удлинения при повышении температуры, что означает высокую устойчивость образовавшегося покрытия к последующему нагреванию, циклически происходящему при вращении колеса.
Также следует отметить свойство анизотропии стеклокерамики, означающее хорошие качества теплопроводности образовавшегося многослойного покрытия в поперечном направлении.
Таким образом обеспечивается рассеивание тепла от зоны контакта колеса и рельса. За счет свойства анизотропии материал может обладать низким значением коэффициента Пуассона. В среднем для стеклокерамических материалов его величина составляет 0,2.
Гребнесмазывающий стержень имеет длину 150 мм, а диаметр - 0 19 мм, и массу - 60±5 грамм, представляет собой графитовый стакан, который наполнен пластичным смазочным материалом.
Исследуемый состав относится к твердым смазочным материалам, который может обеспечить режим трения, исключающий непосредственный контакт поверхностей и их взаимное внедрение [123].
Разработка оборудования и технологии наплавки гребней бандажей без выкатки колесных пар промышленных электровозов ПЭ2М
Колесные пары локомотивов на промышленном железнодорожном транспорте считаются наиболее важными узлами, так как от их технического состояния напрямую зависит безопасность движения. Силы трения, возникающие в контакте «колесо-рельс», способствуют снижению до 10 % мощности промышленного электровоза и снижению износа гребней колесных пар [11].
Наиболее эффективным методом повышения долговечности бандажей, у которых износ гребня значительно опережает рост проката, является восстановление изношенных гребней колесных пар электровозов с помощью наплавки [34, 127].
Сегодня трудно представить хотя бы одну отрасль промышленности или вид транспорта, в которых не используются сварочные технологии. На предприятиях промышленного железнодорожного транспорта применяются более сорока способов сварки, наплавки и напыления с использование ручной [11], механизированной [131] и автоматической наплавки [170] под слоем флюса. Велика роль сварочных технологий в решении научных и практических задач ресурсосбережения бандажей колесных пар, снижения эксплуатационных расходов и повышения безопасности движения поездов.
В 40-х годах прошлого века в локомотивном депо Чусовское Свердловской железной дороги лунинские методы породили новые заботы [165]. Из-за увеличения пробега в депо значительно возрос прокат бандажей и проявился подрез гребней бандажей колесных пар паровозов и электровозов ВЛ22. По этой причине за воротами депо скопилось большое количество локомотивов, требовавших обточки бандажей, а следовательно, и выкатки колесных пар. Решение было найдено инженерно-техническими работниками депо Чусовское, которые изготовили установку для обточки бандажей без выкатки колес из-под локомотива и впервые применили наплавку изношенных гребней бандажей электровозов ВЛ22, таким образом перевозки не были сорваны [15, 76].
Большое внимание на промышленном железнодорожном транспорте уделяется разработке и реализации технологий восстановления поврежденных поверхностей наплавкой и напылением. Ремонт сваркой, наплавкой и напылением технических средств железнодорожного транспорта отвечает общей тенденции освоения и внедрения в практику ресурсосберегающих
Внешний вид установки показан на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 - Установка для автоматической наплавки гребней бандажей под слоем флюса после выкатки колесной пары из-под электровоза
Наплавка гребней бандажей электровозов без выкатки из-под электровоза производилась еще более 50 лет назад. Инструкция по освидетельствованию, ремонту и формированию колесных пар локомотивов и электросекций 1954 г. позволяет наплавлять следующие элементы бандажей: изношенные гребни, выбоины (ползуны), местный прокат. После выполнения наплавочных работ колесных пар паровозов без выкатки их из-под локомотива следовала обработка с помощью специального устройства со шлифовальными кругами для придания концентричности [135].
В соответствии с действующей инструкцией по сварочным и наплавочным работам ЦТ-336 от 11.08.1995 г. [84] при ремонте тягового подвижного состава рекомендуют производить наплавку изношенных поверхностей бандажа колесной пары. Согласно п. 2.10.8.8. инструкции [84] наплавку производят с использованием специальных сварочных аппаратов под слоем флюса, с последующей их обточкой. К сожалению, в инструкции по ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм (ЦТ-329, 1995 г.) и последующих дополнениях отсутствуют такие рекомендации. Также в инструкции [85] неоправданно указывается о проведении наплавки колесных пар с выкаткой из-под электровоза.
В настоящее время для восстановления гребней бандажей электровозов на предприятиях ОАО «РЖД» применяют двухдуговую наплавку под слоем флюса с предварительным нагревом бандажа до 250 С и последующим охлаждением в течение 6 часов. После наплавки и охлаждения производят механическую обработку и ультразвуковой контроль бандажа колесной пары. При этом время нахождения одной колесной пары после выкатки из-под электровоза в процессе наплавки составляет не менее 8 часов [44].
Условия эксплуатации на путях общего пользования, конечно же, отличаются от эксплуатации на железнодорожном транспорте необщего пользования из-за наличия на последнем большого числа стрелочных переводов, наличия значительного числа криволинейных участков, в том числе малых радиусов (100 м и менее), и широкого диапазона нагрузки от оси подвижного состава на путь (от 200 до 560 кН) [51]. Кроме того, на открытых разработках преобладает движение по крутым уклонам, в карьерах - по временным путям.
Эти обстоятельства указывают на то, что технология наплавки гребней бандажей промышленных электровозов значительно сложнее и требует обеспечения наряду с долговечностью [134] - отсутствия сварочных дефектов под воздействием неизбежных на промышленном железнодорожном транспорте (необщего пользования) технологических отклонений. Выполнение требований такого рода осложнено тем, что бандаж относится к тяжелосвариваемым деталям локомотивов из-за высокого содержания в материале бандажа углерода и склонности его при сварке к образованию усталостных трещин. Из-за перечисленных выше недостатков разработанная ВНИИЖТом установка и сама технология не нашли применения в железнодорожных цехах промышленных предприятий.
