Введение к работе
Актуальность работы. Развитие народного хозяйства в России >условливает дальнейший рост перевозок железнодорожного транспорта, го достигается увеличением грузоподъемности вагонов и скорости шжения поездов. Железнодорожные колесные пары являются важной істью подвижного состава и в значительной степени обеспечивают [)фективность его работы и безопасность движения. Возрастание уровня ігрузок на колеса влечет за собой увеличение количества восстановлений, іязанньїх прежде всего с ремонтом бандажей колес, что свидетельствует о хоответствии характеристик поверхности катания эксплуатационным іебованиям. Выход из строя бандажей колесных пар влечет за собой 1ъятие из эксплуатации локомотива, увеличение времени его простоя в :рабочем состоянии. Следует отметить, что интенсивное изнашивание лтельного перехода, рабочей поверхности гребня особенно наблюдается на індажах колес электровозов. Кроме этого, в последние годы резко ієличилось число отказов колесных пар из-за проворота бандажа тюсительно колесного центра. На наш взгляд, это обусловлено наибольшей личиной тяги этих локомотивов, рядом эксплуатационных причин, спользование известных способов восстановления работоспособности індажей не приводят к заметному повышению долговечности пары трения шдаж колеса - рельс.
Ремонт бандажей колес в процессе эксплуатации в большинстве учаев ведет к сокращению на 30-40 % расчетного срока службы колес из-за >тери контактных свойств профиля катания бандажей, а также к потерям ягалла.
Среди рекомендаций по борьбе с интенсивным изнашиванием лтельного перехода и рабочей поверхности гребня основными являются шышение твердости этих поверхностей и применение смазки в контакте індаж колеса - рельс.
Предлагаемая работа является развитием системного подхода к іучньїм исследованиям на стадиях ремонта колесных пар и эксплуатации ектровозов в рамках указания МПС "Программа дальнейших действий по юблеме износа гребней колесных пар подвижного состава и бокового носа рельсов (утв. ук. МПС от 01.02.96 № А-132у), а также совместных учных исследований с Омским государственным университетом путей общения по темам:
технологические процессы ремонта колес с целью повышения ] ресурса и экономии транспортного металла;
методы снижения износа гребней бандажей в эксплуатации Томским институтом физики прочности и материаловедения АН по те\ "Разработка метода упрочнения галтельных переходов бандажей колесш пар применительно к станку КЗТС с помощью мощного ультразвука".
Цель работы - улучшение эксплуатационных характеристик колесш пар путем совершенствования контактных свойств колеса и рельса на стад ремонта и эксплуатации поверхности катания бандажей колес злектровозої
Исследовательские задачи. Проведение системного аналіі работоспособности пары трения бандаж колеса - рельс и разрабог технологических и эксплуатационных мер воздействия на характеристи поверхностей бандажа, в том числе:
на изменение твердости галтельного перехода и гребня бандажа;
на повышение несущей способности соединения бандаж - колеси центр;
- на снижение интенсивности изнашивания рабочих поверхност
пары трения гребень бандажа - рельс.
Методика исследований. В работе использованы натурн наблюдения, сбор данных повреждаемости колесных пар в услови текущего ремонта, технического обслуживания локомотивов с анализ статистических данных. Деформированное состояние прессового соединен колесной пары исследовано методами теоретической механики сопротивления материалов. Структурное исследование стали проведене применением методов оптической и просвечивающей злектронн микроскопии с дифракционным анализом. Испытания на износостойко! поверхностей бандажа и несущей способности соединения бандаж колесный центр проведены на типовом и специально созданн оборудовании.
Научная новизна. На основе экспериментально-расчетн
исследований разработаны технические решения, способствуюц повышению работоспособности колес электровозов и безопасно! движения. Работу характеризуют следующие основные результа выносимые на защиту:
определен системный подход повышения работоспособности олесных пар электровозов, основанный на комплексном сочетании ехнологических и эксплуатационных разработок;
предложены способы избирательного повышения твердости оверхности катания колес, оказывающие влияние на благоприятное очетание физико-механических свойств поверхностных слоев пары трения андаж колеса - рельс;
получены качественные зависимости, отражающие введение в истему трения колесо — рельс смазочного материала на износостойкость ребня бандажа и головки рельса;
- разработана методика и оригинальная установка для исследования
нтенсивности изнашивания гантельного перехода бандажа, получены
екомендации рационального распределения твердости по рабочей
оверхности гребня.
Практическое значение работы заключается в использовании азработанных способов решения задач ремонта и эксплуатации колес для овышения срока их службы, интенсификации процессов восстановления аботоспособности бандажей, экономии транспортного металла депо Тайга, елово, Восточное погрузочно-транспортное управление ПО Экибастузуголь".
Получены акты внедрения форсунки при смазывании боковой оверхности рельса.
Технологическая карта ПТО утверждена ВНИИЖТом на основании сследований проведенных в депо Тайга в 1996-1998 годах.
Апробация работы. Основные результаты работы представлены на горой международной научно-технической конференции "Актуальные роблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва, МГУПС, 1996), і международной научно-технической конференции "Проблемы развития жомотивостроения" (Москва, МИИТ, 1996), на международной научно-їхнической конференции "Состояние и перспективы развития іектроподвижного состава", Новочеркасск, АО ВЭлНИИ, 1996), на научно-жническом семинаре (Томск, ТПУ, 1997, 1998), на региональной научно-эактической конференции "Транссиб 99" (Новосибирск, 1999), на научно-:хническом семинаре (Омск, ОмГУПС, 2000).
Публикации. По теме научного доклада опубликовано 16 работ, в том ісле 2 свидетельства на полезные модели и 2 научных отчета.
Интенсивность изнашивания колес подвижного состава зависит і многих факторов, основополагающими из которых можно счита физические, определяющие механические и триботехнические свойст поверхностных слоев материалов рельс и колес.
Наиболее важной характеристикой поверхности трения являет твердость (микротвердость), при этом микротвердость является структурне чувствительной характеристикой. Знание структуры материала важно д прогнозирования работоспособности поверхностных слоев. Структура стал разработанной для изготовления бандажей, удовлетворяет требования предъявляемым условиями эксплуатации пары трения рельс - колесо, в то* время металлургические дефекты, такие как полосчатость, неоднородное состава и структуры снижают износостойкость как новых, так отремонтированных колес. Изучением природы повреждаемости колес повышением качества колесной стали занимались Т.В. Ларин, В.А. Киси А.И. Кармазин, В.П. Кротов, В.Г. Крысанов и другие, улучшением качест: колес в связи с повышенными режимами нагружения - Ю.М. Парыше И.Г. Узлов, Н.Г. Мирошниченко, Б.М. Климовский, В.Я. Френкель, В. Новиков и другие, исследованиями прочности прессовых соединений - П. Шевченко, И.В. Наумов, А.С. Евстратов, Е.С. Гречищев, А.А. Иляшенк Ю.Г. Шнейдер и многие другие.
В настоящее время ученые России: А.И, Беляев, Н.А. Буше, А. Балановский, А,П. Буйносов, А.А. Воробьев, А.В. Горский, Ю.А. Евдокимо С.Н. Киселев, Б.Д. Никифоров, Г.А. Филиппов и многие другие уделяй исключительное внимание повышению работоспособности трибосистем колесо - рельс.
Реальная ситуация на железнодорожном транспорте складывает таким образом, что ремонтные предприятия осваивают различные метет восстановления и упрочнения колес. При предельном износе профиля кол в ремонтном производстве широко используются методы наплавки гребні колес под флюсом электродной проволокой. Твердость наплавленні поверхности составляет в среднем 200 НВ, что приблизительно на 90 Е ниже твердости отожженной колесной стали. Применение мето, упрочнения плазменной струей после обточки колес без вьїкаті обеспечивает повышение твердости на глубину до 1 мм. Практическі интерес представляют методы, позволяющие повышать твердое изнашиваемых поверхностей при получении удовлетворительн<
шероховатости. В этом отношении рационально применение методов поверхностного пластического деформирования. Следует заметить, что такая обработка увеличивает твердость слоя на небольшую глубину. Так в случае дробеструйной обработки этот слой не превышает 0,5 мм.
Среди известных методов перспективны методы алмазного выглаживания галтельиых переходов бандажей. При выглаживании закаленных сталей происходит интенсивный распад остаточного аустенита и переход, его в мартенсит. Пластическая деформация сдвига способствует образованию мелкокристаллической структуры с ориентированием зерен вдоль направления деформации, обеспечивает малую шероховатость рабочих поверхностей, увеличивает поверхностную твердость на 30-40 %, что способствует повышению износостойкости стальных деталей при относительном сдвиге.
В результате анализа научно-исследовательских работ определены основные направления и способы повышения работоспособности бандажей колесных пар электровозов. Для решения проблемы предложен системный подход, основанный на комплексном сочетании технологических и эксплуатационных приемов (рис. 1).
Основные направления и способы повышения работоспособности пары трения бандаж колеса - рельс
Производственные
Т
Эксплуатационные
Плазменная поверхностная обработка
Рельсосмазывание с подачей
смазки форсункой
Обработка рабочей поверхности
гребня высокоскоростным
трением
Смазывание гребня бандажа
твердосмазочными
материалами
Способ ультразвуковой
финишной обработки
галтельиых переходов бандажей
Способ ультразвукового
шаржирования гантельного
перехода бандажа
Повышение прочности
соединения бандаж - колесный
центр
Испытания пары трения бандаж колеса — рельс (имитатор)
Рис. 1. Основные направления и способы повышения работоспособности бандажа
2.1. Плазменная поверхностная обработка бандажей колесных пар
В локомотивном депо Тайга в 1996 году создан участок плазменной термической обработки (ПТО) гребней колесных пар (рис. 2).
-
- колесная пара
- поддерживающий ролик
- вращающийся ролик
- механизм вывешивания
-
- станина
-
- станина
-
- плазмотрон
Рис. 2. Принципиальная схема плазменной термической обработки гребня КП
Проведено структурное исследование стали, подвергнутой кратковременному воздействию потока воздушной плазмы. Показано, что использование способа плазменной термообработки обеспечивает упрочнение требуемой зоны поверхности катания бандажа.
Структура исследуемой стали на глубине 1,0 мм представляет собой ферритно-перлитную смесь. По мере приближения к поверхности в структуре появляются участки с мартенситной структурой. Доля
мартенситной составляющей явно нарастает с приближением к поверхности, что предполагает вывод о превращении исследуемой стали под воздействием потока плазмы в структуры, способствующие улучшению физико-механических свойств подповерхностного слоя. С этой целью исследованы структуры на глубине 800 и 400 мкм от поверхности, подвергнутой воздействию плазменной поверхностной термообработки (ПТО). На расстоянии 800 мкм от поверхности в тонкой структуре наблюдаются существенные изменения по сравнению с исходной. Главным является появление мартенситной составляющей из тонких реек (рис. 3), объединенных в пакеты (реечный мартенсит). В нем присутствует развитая дислокационная структура - сетчатая. В структуре мартенсита отсутствуют карбиды, в том числе цементит. Эти признаки указывают на тот факт, что это - мартенсит закалки. Безусловно, такая картина свидетельствует о диффузии атомов углерода в ферритную матрицу, произошедшей во время воздействия ПТО. Наблюдаются и другие структуры, которые, по-видимому, являются промежуточными и заслуживают дальнейшего изучения.
Рис. 3. Мартенситная и перлитная составляющие после ПТО на глубине 800 мкм от поверхности. ХЗ1000. М - реечный мартенсит.
На глубине 400 мкм от поверхности структура стали представлена теми же типами, что и в предыдущем случае. Наблюдается реечный мартенсит и недопревращенный перлит (рис. 4).
Объемная доля мартенситной фазы возросла, и в структуре мартенсита появились весьма крупные кристаллы с высокой плотностью дислокации. На этой глубине обнаруживаются микротрещины и, как правило, в структурах промежуточного типа (рис. 5).
Структура в поверхностном слое после ПТО является мартенситной Она занимает большую часть объема слоя. Перлит практически отсутствует наблюдаются участки аустенитной фазы, что объясняется более високої скоростью теплоотвода в поверхностном слое, чем в ниже лежащих слоях.
Рис. 4. Реечный мартенсит в исследуемой стали на глубине 400 мкм от поверхности после ПТО. Х31000. М - реечный мартенсит.
Рис. 5. Микротрещины на глубине 400 мкм от поверхности (отмечены стрелками) Х31000.
Таким образом, в результате воздействия ПТО на поверхность бандажа из ферритно-перлитной поверхностной структуры формируется упрочненный слой толщиной около 1 мм. Упрочнение обусловлено фазовым превращением, в ходе которого образуется закаленный мартенсит и спектр
лруктур промежуточного типа. ГГТО позволяет увеличить твердость любой юны поверхности катания и гребня бандажа.
На Рис.6 представлено распределение средней интенсивности «нашивания упрочненных и не упрочненных гребней бандажей колесных тар электровозов ВЛ10 за 1997 - 1999 гг.
-
- упрочненных ПТО
-
- не упрочненных
I И Ш IV V VT VII VII! IX X XI XII
Месяцы
Рис. 6. Распределение средней интенсивности изнашивания 1ср гребней бандажей электровозов ВЛ10 по месяцам за 1997-1999 гг.
Эксплутационные исследования подтвердили целесообразность декретного изменения твердости рабочей поверхности колеса. Упрочнение ребня позволило снизить его интенсивность изнашивания в 1,5-2 раза.
2.2. Обработка рабочей поверхности гребня высокоскоростным рением
Обработка металлов высокоскоростным трением сопровождается інтенсивной пластической деформацией приконтактных слоев металла. Ісследован способ изготовления гребней колес подвижного состава, источающий термическую обработку трением (автор - А.В. Бородин. Патент 'Ф № 2096157). К вращающемуся ободу 1 колеса подводят іьістровращающийся диск 2, установленный в шпинделе 3, создают усилие в управлении, перпендикулярном профилю рабочей поверхности 4 гребня рис. 7). В зоне контакта диска и гребня колеса из-за разности линейных коростей возникает трение и интенсивный износ поверхности гребня.
В процессе снятия поверхностного слоя быстровращающимся диском с іетали, находящейся в холодном состоянии, вновь образуемый
поверхностный слой нагревается до высоких температур. Скорость нагрева определяется соотношением скорости подачи снимаемого слоя к скорости распространения теплового потока. Путем теплоотвода вглубь металла и в окружающую среду происходит быстрое охлаждение, в результате в поверхностном слое образуются структуры закалки и фиксируется упрочнение слоя.
Толщина вновь образуемого слоя зависит от режимов обработки трением. Распределение температуры в прнконтактном слое определяли при скоростях подачи от 1 до 10 мм/с, окружной скорости диска - от 1 до 90 м/с при толщине съема до 0,5 мм (рис. 8).
Проведены исследования физико-механических свойств образованных поверхностей. При малых скоростях подачи приконтактный слой бандажной стали (содержание углерода я.0,6 %) после обработки имел трооститную структуру с небольшим количеством мелкоигольчатого мартенсита. С повышением скорости подачи количество мартенсита увеличивается. Дефекты на гребне - трещины и другие нарушения сплошности термического характера отсутствуют. В результате термообработки элементы рабочих поверхностей гребня и гантельного перехода приобретают следующие свойства: глубина закаленного слоя 3-5 мм; твердость поверхностей 400 - 480 НВ.
0.2 4 мм
п - —
Рис. 7. Принципиальная схема обработки трением поверхности гребня
Рис. 8. Распределение температур в
прнконтактном слое бандажа
при различных скоростях по
дачи: 1 - 0,9 мм/с; 2 - 9,0 мм/с;
У = 80м/с;п = 0,5мм.
2.3, Ультразвуковая финишная обработка галтельных переходов
бандажей. ,2Основными параметрами режимов ультразвуковой обработки (УЗО) являются амплитуда колебаний концентратора (инструмента), усилие прижима и частота колебаний. Формирование поверхностных слоев связано с интенсивной деформацией материала, сопровождающейся экструзией и залечиванием микронадрезов, остаточными следами впадин от предшествующей технологической обработки. Упрочнение стали обусловлено механизмом дробления микроструктуры поверхностного слоя с образованием микроискажений кристаллической решетки. Происходящие при этом структурные и фазовые превращения наряду с эффектом упрочнения способствуют повышению микротвердости.
Экспериментальные исследования метода ультразвуковой финишной обработки (УФО) проводили на цилиндрических образцах, изготовленных из стали бандажей колес. После точения образцы подвергались УФО, затем выполняли измерение шероховатости, твердости и микротвердости.
Исследования в депо Тайга проводили для колес электровоза из стали марки 2 ГОСТ 3225-80 с содержанием углерода 0,60 - 0,61 %, по химическим свойствам, подобной стали 60Л. Для ультразвуковой обработки применялась установка типа Москит 160 УЗТК- 18/22-0/25, состоящая из генератора и преобразователя, который закреплялся на суппорте токарного станка марки УТ16П. Обработка образцов проводилась индентором с твердосплавной напайкой ВК-8 в диапазоне скоростей 50 - 200 об/мин, усилий прижима 50 -250 Н и скоростях продольной подачи 0,05 - 0,30 мм/об. Исходная шероховатость обеспечивалась точением и шлифованием. Шероховатость измерялась на приборе "Профилометр 296" твердость по Виккерсу - на приборе УХП 4,2, микротвердость - на микротвердометре ПМТ-3. Металлографические исследования шлифов образцов выполняли с использованием микроскопа "NEOFOT" и МИМ-9 при увеличениях от 50 до 500. Химическое травление шлифов осуществляли в 4 % растворе азотной кислоты в этиловом спирте. Для электронно-микроскопических исследований использовали электронный микроскоп ЭВМ-100 при увеличениях до 100000. Для этого приготавливались фольги из продольных вырезов образцов в характерных зонах. Утонение образцов осуществляется механическим или электрохимическими способами.
Исследования выявили, что ультразвуковая финишная обработка бандажной стали приводит к кардинальным изменениям структуры и свойств поверхностного и приповерхностного слоев. На металлографическом изображении структуры (рис. 9) в поверхностном слое наблюдается нетравящийся слой (О), на глубине до 12 мкм (I) -неравновесные зоны, вытянутые в направлении обработки. Микротвердость
в поверхностном слое составляет Н5о = 6400 МПа, что на 220 % больше, че среднее значение микротвердости в исходном материала (рис. 10).
Электронно-микроскопические исследования показали, что УФ перлитной стали сопровождается измельчением структуры поверхностної слоя, формированием субструктуры в ниже лежащих слоях, мощны переносом атомов углерода, который имеет место в мартенснтных сталі при УЗО.
В качестве технологических факторов для УФО были выбран исходная шероховатость поверхности катания колеса после обточки резцо и скорость продольной подачи ультразвукового индентора.
Результаты испытаний свидетельствуют, что с уменьшением скоросі подачи инструмента снижается шероховатость, но возрастав микротвердость поверхностных слоев.
Апробирование применения оборудования типа УЗТК для УФ1 бандажей колесных пар в зоне галтельного перехода проводилась условиях механического производства депо станции Тайга на станке КЗТ( предназначенном для проточки профиля колес чашечными резцами.
Рис. 9. Металлографическое изображение микроструктуры стали
60Л после УФО. О - зона выглаживания; I, II, III - продольные
формирования зоны.
Н/и
0 0,Z 0,4 0,5 «w
Рис. 10. Распределение микротвердости по глубине образца после УФО
Преобразователь с инструментом закреплялся на суппорте резцедержателя. Рабочая часть индентора имела форму полусферы диаметром 7 мм. УФО позволила снизить шероховатость поверхности с одновременным увеличением твердости галтельного перехода до 345 НВ.
Сложность исследования зависимости скорости изнашивания от твердости с продольным проскальзыванием малой величины заключается в отсутствии экспериментальной техники, позволяющей поддерживать постоянную величину проскальзывания. Автором предложена методика испытаний гребня, которая включает переменную по величине нагрузку на гантельный переход и рабочую поверхность гребня, дискретное изменение величины продольного проскальзывания гребня. Разработан специальный стенд (рис. 11) для исследования гребней колес рельсовых транспортных средств (свидетельство на полезную модель № 5647 РФ). Галтельный переход поверхности катания и рабочая поверхность гребня 1 прижимаются к опорному катку-имитатору рельса 2 специальным роликом 3, разработанным автором (свидетельство на полезную модель № 5628 РФ). Зубчатый ряд 4 обеспечивает настройку стенда на требуемую величину проскальзывания колеса и имитатора рельса. При включении привода 5 за счет фрикционного контакта упорного обода ведущего ролика 3 с торцовой
поверхностью колеса вращательное движение передается колесу катку-имитатору рельса 2 и колесам зубчатого ряда 4. Эксцентричный вал и установленный на нем ролик 3 при вращении создают переменное усили с которым рабочая поверхность гребня прижимается к ободу катка опирающегося на торцовой подшипник 7. Величину усилия можі регулировать изменением положения эксцентрика на валу 5. Обод катка имитирует головку рельса. Рабочие поверхности гребня и галтельної перехода модифицировали в процессе испытаний способам рассмотренными в работе.
Рис. 11. Принципиальная схема стенда для испытания на износостойкость гребней бандажей
Режим испытаний характеризовался следующими параметрами скорость вращения колеса 20 об/мин, нагрузка на гребень 600-1200 Н продольное проскальзывание 5 и 10 %, величина пути - 50 000 оборотої колеса. Испытания показали, что увеличение твердости поверхностеі галтельного перехода и гребня на 100-150 НВ снижают величину износ; поверхностей в 2,3 - 3,1 раза. Повышение твердости приводит к уменьшений площади очагов схватывания, размеров вырывов материала.
Результаты испытаний позволяют сделать следующий вывод. Так каї проскальзывание вдоль образующей колеса и рельса имеет различнук величину, твердость рабочих поверхностей колеса необходимс дифференцировать: твердость поверхности галтельного перехода и рабочее поверхности гребня должна быть выше, чем поверхности катания из-зг больших величин проскальзывания.
4. ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЯ БАНДАЖ -ОЛЕСНЫЙ ЦЕНТР
В последние годы резко увеличилось число отказов колесных пар из-за роворота бандажа относительно колесного центра. На рисунке 12 редставлены статистические данные замены колесных пар по причине зойного проворота бандажа КП в локомотивном депо Тайга.
Рис. 12. Количество замененных колесных пар по провороту бандажа КП
На наш взгляд, это обусловлено наибольшей величиной тяги этих ікомотивов, рядом эксплуатационных причин. Одним из способов івьішения прочности прессовых соединений является изменение геометрии прягаемых поверхностей (свидетельство № 4793 РФ, автор - А.В. іродин). Это достигается путем изготовления на наружной поверхности ватываемой детали канавок малой глубины. Поверхность сопряжения лучается дискретной и условия передачи силового потока меняются. :сущая способность соединения определяется как силой трения между прягаемыми поверхностями, так и дополнительным воздействием упругой формационной волны, возникающей в материале охватываемой детали на астках, свободных от контактного давления.
Этапы расчета соединения с дискретным стыком:
определение высоты упругой деформационной волны;
расчет средней величины контактного давления и силы трения на >іке;
- оценка дополнительного силового сопротивления 01 деформационной волны.
При решении этих задач физическая модель прессового соединенш представляется следующим образом. Материал бандажа 2 (рис. 13) в зонах канавок на колесном центре 1 находятся как бы в свободном состоянии из-за отсутствия контакта с колесным центром. В действительности под действием контактного давления слои материала бандажа перемещаются в радиальном направлении, образуя при этом в зонах канавок деформационную волну (см. рис. 13, вид А).
Рис. 13. Прессовое соединение бандаж - колесный центр с дискретным стыком
Такая модель позволяет использовать формулы Ляме для расчета деформационной волны, при этом контактное давление определяется по формуле
(1)
С, Сг
q =
где Np - расчетный натяг;
X - коэффициент, учитывающий повышение давления у торцов бандажа;
Ej и Ej - модули упругости для материалов колесного центра и бандажа соответственно;
С| и С2 - коэффициенты Ляме.
Максимальная высота деформационной волны равна разности перемещений TJ2 и U„:
AU2 = U2-UD, (2)
где U2 - радиальное перемещение от натяга поверхности бандажа;
Ub - перемещение точки В поверхности бандажа в канавку колесного центра.
1-ц2 r3q _ І+Ц2 r-r22-q
Щ'—'1ГТ+-l2—"г7^г~, (3)
Ub s qr [(№- 1)г+ (ц2 + 1) г2] (4)
(г+г2)Е2
де и2 - коэффициент Пуассона материала бандажа.
Идея расчета средней величины q, контактного давления в соединении : дискретным стыком состоит в определении работы деформации Ад. Іеремещению U2 соответствует контактное давление q, а в пределах канавок ісформации и напряжения отличаются от контактных. Среднюю величину тдиального перемещения точек волны с достаточной твердостью іпределяет уравнение
Uli = U2 - 0,67Д U2. (5)
Работа деформации Ад будет равна
Ая = п 0,5 q тс d L U2 + 0,5 n, qL, d L, Uli, (6)
де qu = q ULIIU2;
n и пі - количество площадок контакта и канавок соответственно.
Если учитывать, что фактически контактное давление с-д , еформирующее охватываемую деталь, действует только на площадках онтакта,
Ая = 0,5 ndL
Следует отметить, что методика определения Ць учитывает длины зпрягаемых деталей.
Контактное давление q^ создает в стыке силу трения F, которую ассчитывают по формуле:
F = cbfS,, (8)
;е f - коэффициент трения;
Sa - площадь поверхности контакта, упругая деформационная волна - дополнительное силовое сопротивление, тределяемое по формуле
P = % d, L] qu tg(
b ( 4AU2
где tga = — , tg
Расчетная модель проста, отражает физику процесса и обеспечива достаточную точность получаемых результатов.
Испытывали соединения с 12-ю кольцевыми выточками j поверхности бандажа (рис. 14), при этом соседние выточки имели раз» направление кривизны и образовывали О - образные и X - образні структуры с последовательным их чередованием.
Рис. 14 .Наружная поверхность колесного центра с криволинейными канавками (развертка и продольное сечение)
После тепловой сборки криволинейный профиль канавок, перемени: глубина профиля по длине каждой канавки обеспечивали дискретні напряженное состояние в точках контакта сопрягаемых поверхносте Возникающий в соединении "шпоночный эффект" в криволинейнь канавках значительно повысил несущую способность соединения.
При определении усилия распрессовки использовался гидравличесы пресс. Результаты испытаний подтвердили целесообразность введені криволинейных выточек на поверхности колесного центра. 'Усилі распрессовки увеличилось на 30 - 40 %, что повысило эксплуатационну надежность соединения, снизило расход бандажной стали при ремой колес.
Рассмотрены способы смазывания жидкостными и твердь» смазочными материалами.
Влияние жидкостного смазочного материала на износ противоречиво, сталостные трещины, возникая на поверхностях бандажа и рельса, под іиянием жидкостного смазочного материала распространяются вглубь и ізрушают поверхности. При загрязнении рельса песком он шаржируется в шдаж и вызывает абразивное изнашивание рельса. Минеральные масла не лдерживают больших контактных нагрузок, поэтому необходимы эисадки, обеспечивающие образование граничной пленки.
Гребнесмазывание и рельсосмазывание позволяет повысить элговечность пути в кривых и бандажей колес. В решающей мере это лисит от правильной и надежной работы гребнесмазывателей. Необходимо ; допускать попадания смазки на поверхность катания головки рельсов и шдажей. Целесообразно использование твердосмазочных материалов, шзрые в ряде случаев показывают существенные преимущества перед идкостными устройствами.
5.1. Рельсосмазывание с подачей смазки форсункой
Опыт эксплуатации вагона - рельсосмазывателя в условиях :сплуатации локомотивов на Западно-Сибирской железной дороге выявил И недостатков. При достаточно высоких эксплуатационных расходах >актически необходим ежедневный ремонт механизма, регулировка и ^становление работы штуцеров. Наблюдается быстрый износ лыж (через 10-150 км), попадание смазки на всю головку рельса. При низких мпературах жидкостная смазка застывает в маслопроводе.
В депо Тайга усовершенствован узел подачи смазки. В узел введена улка с резьбовыми концами, к одному из которых крепится форсунка с верстием диаметром 3 мм. Регулирование высоты и угла наклона узла ізволило резко снизить потери масла, а главное, экономить энергию на тягу іездов до 7 %.
5.2. Смазывание гребня твердосмазочными материалами
Широкое распространение получили гребнесмазыватели с пользованием твердых смазочных материалов на основе афитосодержащих материалов. Большинство технических решений едусматривает постоянный подвод смазочного материала к гребням колес, о снижает их экономическую эффективность. Кроме этого, наличие влаги ляется необходимым условием для проявления графитом смазывающего
действия. Без жидкого вспомогательного материала твердые пленки могу ухудшить условия смазывания или иметь ограниченный срок действия.
Исследован более рациональный способ смазывания гребне бандажей, включающий поджатие твердосмазочного материала (патент Р< № 2138416, автор - А.В. Бородин). Принципиальная схема смазывани гребня представлена на рис. 15.
К вращающемуся гребню 1 бандажа подводят диск 2, обод 3 которог выполнен из самосмазывающегося материала. Ступица диск устанавливается на ось 4, которую соединяют упругой связью 5 с корпусно деталью 6. При вращении колесной пары наружная поверхность обода 3 з счет фрикционного контакта совершает вращательное движение. Подведени смазочного материала - натирающее действие наружной поверхности диск проявляется при изменении величины линейных скоростей контактирующи поверхностей, т.е. в периоды ускоренного или замедленного движени состава. Скорость вращения диска изменяют грузами 7, размещенными н торцовой поверхности диска, влияя этим на интенсивность нанесени твердосмазочной пленки на рабочую поверхность гребня.
Рис. 15 Принципиальная схема смазывания гребня
При исследовании в качестве твердосмазочных материале рассматривались медьсодержащие вещества, наибольшее внимание уделен латунированию. Выявлено, что стойкость твердосмазочных пленок зависи от наличия вспомогательного материала при их нанесении. Дл интенсификации процесса латунирования разработан диск с емкостью дл жидкого вспомогательного материала (рис. 16).
Диск включает обод из латунных пластин (толщиной 2 мм). Пр
взаимодействии ролика с гребнем в периоды ускоренного или замедленног
вращения колеса в зону трения вводится вспомогательный материал -глицерин, который способствует увеличению прочности наносимых твердосмазочных пленок.
Способ смазывания обеспечивает повышение износостойкости рабочей поверхности гребня на 20-30 % при снижении расхода твердосмазчного материала, прост и обладает свойством "самодействия".
Рис. 16. Устройство диска для смазывания гребня
5.3. Шаржирование галтелыюго перехода бандажа ультрадисперсными порошками
В экспериментах по шаржированию поверхности галтельного перехода бандажа с помощью УФО в охлаждаемую жидкость добавляется мелкодисперсный порошок дисульфида молибдена, ультрадисперсные порошка диоксида циркония (производство СХК г. Томск) и ультрадисперсный алмазный порошок (производство НПО "Алтай", г. Бийск). Результаты испытаний показали возможность изменения
качественных показателей поверхности трения, при этом решающе* значение имело увеличение микротвердости галтельного перехода < одновременным снижением шероховатости. Триботехнические стендовые исследования подтвердили целесообразность рассмотренного направление модифицирования поверхности шаржированием ультрадисперсным! порошками при УФО - износостойкость цилиндрических образцої диаметром 50 мм из колесной и рельсовой стали, испытанных на машиш трения МИ-1, повысились не менее, чем на 23 %.
Похожие диссертации на Разработка способов улучшения эксплуатационных характеристик бандажей колесных пар электровозов
-
