Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ПОВРЕЖДЕНИЯ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ КОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ И МЕРЫ, ПРИНИМАЕМЫЕ ДЛЯ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ 18
1.1. Повреждения колес подвижного состава при контактном взаимодействии 18
1.2. Меры, принимаемые для предотвращения повреждения контактных поверхностей колес подвижного состава 27
2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 32
2.1. Вычисление проскальзывания и оценка его предельных значений 32
2.1.1. Методика вычисления проскальзывания 32
2.1.2. Оценка величины проскальзывания для элементов колесно-рельсовой пары 38
2.2. Вычисление величины контактных давлений 51
2.3. Методика проведения контактно-усталостных испытаний 55
2.4. Методика проведения испытаний на износ 56
2.4.1. Методика определения скорости изнашивания при качении с проскальзыванием 59
2.4.2. Определение скорости изнашивания при чистом скольжении 65
2.5. Методика проведения испытаний на заедание 68
2.5.1 Определение порога прекращения заедания методом снижения давлений 72
2.5.2. Определение порога начала заедания методом ступенчатого увеличения давлений 73
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ КОЛЕСНЫХ СТАЛЕЙ 76
3.1. Исследование влияния различных факторов на износ 81
3.1.1. Влияние нагрузок и давлений 82
3.1.1.1. Зависимость скорости изнашивания от давления при чистом проскальзывании 86
3.1.1.2. Данные по зависимости износостойкости колесных сталей от давления при качении с проскальзыванием 93
3.1.2. Влияние скорости и проскальзывания 97
3.1.3. Влияние микроструктуры 105
3.1.4 Влияние химического состава колесной стали 109
3.1.5. Влияние твердости 112
3.1.6. Влияние состояния поверхностей 134
3.2. Исследование процесса заедания 151
3.2.1. Топографические особенности поверхностей трения при заедании в условиях чистого скольжения 157
3.2.2. Топографические особенности поверхностей трения при заедании в условиях качения с проскальзыванием 182
3.2.3. Определение порога конца заедания методом снижения давлений (метод лунок) 185
3.2.4. Определение порога начала заедания методом ступенчатого увеличения нагрузки 186
3.2.5. Порог заедания при качении с проскальзыванием 189
3.2.6. Влияние скорости скольжения 191
3.2.7. Обобщение результатов экспериментов по исследованию заедания колесно-рельсовых сталей и их прикладное значение 193
3.3. Исследование процесса смятия (пластического износа) 199
3.4. Исследование процесса изнашивания колесной СТАЛИ ПРИ взаимодействии с тормозными колодками 212
3.4.1. Износ колодок и фрез в процессе изготовления колодок 213
3.4.2. Износ колодок и роликов из колесной стали при совместной работе 215
4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА КОНТАКТНУЮ УСТАЛОСТЬ 223
4.1. Влияние различных факторов на образование выщербин второго типа 226
4.1.1. Влияние нагрузки и контактных давлений 226
4.1.2. Влияние проскальзывания 230
4.1.3. Влияние формы контртела 236
4.1.4. Влияние исходных остаточных напряжений, создаваемых однократным деформированием 240
4.1.5. Влияние смазки 245
4.1.6. Влияние твердости 249
4.1.7. Влияние состава и структуры 251
4.1.7.1. Влияние содержания углерода 251
4.1.7.2. Влияние структуры стали 254
4.2. Взаимосвязь износа и контактной усталости 256
4.3. Влияние последствий торможения на контактную усталость 262
4.3.1. Последствия взаимодействия колеса с тормозной колодкой 263
4.3.1.1. Температурно-силовые характеристики процесса торможения 263
4.3.1.2. Влияние трения о тормозные колодки на контактную усталость колесной стали 268
4.3.2. Последствия трения колеса о рельс при юзе 270
4.3.2.1. Условия образования выщербин первого рода 270
4.3.2.2. Влияние ожогов на контактно-усталостную повреждаемость колесной стали 273
4.3.2.3. Влияние углерода на образование выщербин первого рода 281
5. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ УВЕЛИЧЕНИЯ СТОЙКОСТИ КОЛЕС ПРИ КОНТАКТНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 286
5.1 Карбонитридное упрочнение колесных сталей 286
5.2. Повышение прокаливаемости колесных сталей 302
5.2.1. Прокаливаемость углеродистых сталей 302
5.2.2. Влияние ванадия и азота на прокаливаемость. 309
5.3. Повышение твердости колес 313
5.3.1. Повышение твердости поверхности катания 313
5.3.2. Закалка гребней вагонных колес на высокую твердость для снижения бокового износа 316
5.3.2.1. Закалка отводом тепла во внутренние слои металла 322
5.3.2.1.1. Плазменная закалка (высокотемпературная плазма) 324
5.3.2.1.2. Лазерная закалка 326
5.3.2.1.3. Эксплуатационные испытания колес с лазерной и плазменной закалкой гребней под пассажирскими вагонами 327
5.3.2.2. Закалка гребней с применением принудительного отвода тепла охлаждающей средой 330
5.3.2.2.1. Пламенный нагрев (низкотемпературная плазма) 331
5.3.2.2.2. Упрочнение гребней закалкой ТВЧ 332
5.3.2.2.2.1. Закалка ТВЧ гребней вагонных колес непрерывно-последовательным методом 333
5.3.2.2.2.2. Закалка ТВЧ гребней вагонных колес при одновременном нагреве всего гребня 338
5.3.2.2.3. Закалка гребней колес с печного нагрева 339
ВЫВОДЫ 346
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 351
ПРИЛОЖЕНИЯ 368
Введение к работе
Работа направлена на повышение износостойкости и контактно-усталостной выносливости колес подвижного состава, т. е. на устранение повреждений, связанных с контактным взаимодействием колеса с рельсом. Повреждаемость контактных поверхностей колес всегда была одной из основных проблем железнодорожного транспорта. В последние годы эта проблема заметно обострилась. Срок службы колес подвижного состава уменьшился. Если до 1980 года уменьшение срока службы колес связывалось обычно с возрастанием интенсивности перевозок, то в последнее десятилетие уменьшение срока службы наблюдается на фоне снижения их интенсивности. Если раньше возникали вспышки повреждаемости отдельными видами дефектов, то в последние годы наблюдается увеличение повреждаемости одновременно разными видами. Сегодня много колесных пар поступает в обточку уже спустя два-три месяца после начала эксплуатации.
В соответствии с "Программой дальнейших действий по проблеме износа гребней колесных пар подвижного состава и бокового износа рельсов", утвержденной Коллегией МПС РФ 22-23 декабря 1995 г, для решения проблемы бокового износа предполагается выполнить большой комплекс работ по проектированию и внедрению путевых лубрикаторов и гребнесмазывателей, разработке новых материалов для колес и рельсов, конструкции подвижного состава и пути, усовершенствованию режимов эксплуатации и т. д. Разделы диссертации касающиеся износной тематики полностью согласованы с Программой.
Все виды повреждений контактных . поверхностей колес подвижного состава в эксплуатации можно подразделить на износные и контактно-усталостные (термические повреждения не выделены в отдельный вид, поскольку, они не приводят непосредственно к браковке колесных пар и могут быть причиной как повышенного износа, так и контактно-усталостных повреждений). Условия возникновения и особенности развития этих видов повреждений рабочих поверхностей колес во многом различны. Всвязи с этим в работе развиваются две линии: "Повышение износостойкости колес подвижного состава" и "Повышение контактно-усталостной выносливости колес подвижного состава".
Несмотря на большую историю и накопленный опыт, проблема колесо-рельс имеет еще очень много нерешенных вопросов. Это связано с большим числом действующих факторов, взаимным их влиянием друг на друга, наличием критических точек, приводящих к резкому изменению параметров трибосистемы, трудностями с регистрацией некоторых факторов, взаимным влиянием элементов трибосистемы на изучаемые параметры, отсутствием специальной испытательной техники и др.
На контактное взаимодействие поверхностей оказывают влияние многочисленные факторы. Необходимость изучения их действия в совокупности и взаимовлиянии приводят к необходимости проведения большого числа опытов. Особенность поверхностных повреждений состоит в том, что в число факторов, влияющих на повреждаемость необходимо включать и так называемые внешние. Эти факторы можно классифицировать следующим образом [1]:
1. Физико-механические свойства материалов и геометрия контактируемых поверхностей, определяющие фрикционное поведение пары трения.
2. Факторы, непосредственно влияющие на физико-механические свойства материалов и геометрию контакта: температура, нагрузка, скорость скольжения.
3. Конструкционные особенности узла трения, влияющие на физико-механические свойства материалов и геометрические характеристики трущихся поверхностей, в особенности через температуру и нагрузку (условия теплоотдачи, коэффициент взаимного перекрытия, распределение температурных полей, эпюры нагрузок и скоростей, зазоры между сопрягаемыми деталями).
4. Окружающая среда - количественный и качественный состав окружающей атмосферы, наличие радиационного облучения и т. д.
На повреждаемость колес при их контактном взаимодействии с рельсами оказывает влияние более 10 основных факторов. Исследование таких сложных закономерностей требует обширных лабораторных экспериментов, на которые и был сделан акцент в работе. Опыт мировой науки (например опыт таких ученых трибологов, как А. В. Чичинадзе, В. В. Гриба, Т. В. Ларина, Г. Краузе, Т. М. Бигли, П. Клэйтона и др.) показывает, что испытание на трение должны проводиться в несколько этапов. Например В. В. Гриб рекомендует следующие [1]:
1 этап - лабораторные испытания для оценки физико-механических и механических характеристик материалов.
2 этап - лабораторные испытания для определения влияния физико-механических свойств и режима трения на фрикционные свойства материалов.
3 этап - стендовые испытания для оценки влияния конструкционных особенностей на фрикционные свойства узла трения. Эти испытания могут подразделяться еще на несколько этапов в зависимости от сложности механизма. 4 этап - натурные испытания для определения взаимовлияния различных узлов механизма, надежности и долговечности работы механизма в целом.
Лабораторные эксперименты являются первым, необходимым и наиболее длительным этапом любых исследований в области трения и изнашивания. В настоящее время к лабораторным испытаниям в области моделирования взаимодействия колеса и рельса привлечено пристальное внимание и прикладываются усилия ученых многих стран. К сожалению в России в последние годы преобладает тенденция к снижению интереса и расходов на лабораторные исследования, что несомненно пагубно отражается на состоянии железнодорожного транспорта.
Ужесточение условий эксплуатации железных дорог естественный процесс развития цивилизации. В результате корректировки конструкции подвижного состава и пути, режима эксплуатации, изменения климата и т. д. происходит постоянное изменение факторов, оказывающих влияние на износ и контактно-усталостную стойкость колес. В последнее десятилетие такие изменения привели к резкому увеличению скорости бокового изнашивания, а в последний год попытки борьбы с боковым износом путем лубрикации - к увеличению повреждений контактно-усталостного и тормозного характера.
Факторы, оказывающие влияние на повреждаемость колес, можно подразделить на первичные и вторичные. Более 10 первичных факторов оказывают непосредственное влияние на повреждаемость колес при их контактном взаимодействии с рельсами:
W = f (HK, Hp, SK, Sp, P, а, П, T°, V, x, M/) (1)
где: HK, Hp, SK, Sp - твердость и параметры микроструктуры колес и рельсов; Р, и a - нагрузка и давление в контакте; П -проскальзывание; Т° - температура; V - скорость качения; % -параметр состояния поверхностей трения; \j/ - параметр среды. С учетом взаимодействия колеса с колодками число первичных факторов возрастает до 15.
Число вторичных факторов в несколько раз больше. Например, величина контактных давлений в свою очередь зависит от профиля колес и рельсов, жесткости пути, диаметров колес, профиля пути в плане, состояния контактных поверхностей, состояния ходовой части вагона и т. д. В настоящее время нет должной ясности в вопросе о влиянии на контактную повреждаемость колес первичных факторов, без которой не имеет смысла рассматривать роль вторичных. Кроме того, моделирование большинства вторичных факторов в лабораторных условиях практически невозможно или нецелесообразно. Исходя из этого в работе была поставлена цель рассмотреть влияние на износ и контактную усталость первичных факторов. Влияние этих факторов на износ и контактную усталость колесно-рельсовых сталей исследовалось неоднократно на различных установках в различных условиях, как до, так и после становления трибологии как науки. В работах таких ученых-транспортников, как С. М. Андриевский, О. П. Ершков, В. Н. Данилов, А. Я. Коган, С. В. Вершинский, Н. Н. Кудрявцев, В. Шпехт, Дж. Калкер и др., рассмотрено влияние нагрузки, скорости качения, проскальзывания как в "чистом" виде, так и через воздействие вторичных факторов. Влияние твердости, структуры стали, химического состава, состояния поверхностей, среды рассматривалось в работах Т. В. Ларина, В. А. Кислика, А. М. Вихровой, В. П. Девяткина, Ю. М. Лужнова, Г. Краузе, Г. Лехны, И. Г. Узлова, Т. М. Бигли П. Клэйтона и др. В работах Т. В. Ларина, В. А. Кислика, П. Клэйтона с сотрудниками заложены теоретические основы и определились контуры общей многофакторной зависимости износостойкости и контактно-усталостной выносливости колесно-рельсовой пары сталей.
В настоящее время цельнокатаные колеса и бандажи поставляются в состоянии закалки на сорбит (сорбитизации) в поверхностном слое (пластинчатый, в редких случаях зернистый сорбит, твердость 270...310 НВ) и перлито-ферритную структуру на глубине более 4...8 мм от поверхности с твердостью 220...270 НВ. В работе проведено исследование износа и контактной усталости колесных сталей с широким спектром твердостей от 250 до 900 НВ и предложены технологические решения для создания колес с повышенной и дифференцированно распределенной по контактной поверхности твердостью.
Существует много средств и способов приведения работы железнодорожного транспорта в нормальное состояние, такие как усовершенствование ходовой части подвижного состава, нанесение покрытий, изменение твердости и профиля колес и рельсов, изменение скорости движения и др. с помощью которых эта задача могла бы быть решена в короткий срок и с минимальными затратами. Трибология, однако, еще не готова ответить на вопрос, какие параметры пути, подвижного состава и режимов эксплуатации, в какую сторону и на сколько необходимо изменить, чтобы добиться этого. Таким образом, борьба с боковым износом, повышение стойкости колес и рельсов при контактном взаимодействии и в целом развитие железнодорожного транспорта в настоящее время сдерживается недостатком систематизированных знаний в области транспортной трибологии.
Цель работы
Поиск и научное обоснование способов повышения стойкости колес подвижного состава при контактном взаимодействии с рельсом. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
Дальнейшее развитие раздела транспортной трибологии "Рельс-колесо-колодка", в части исследования влияния различных факторов на износостойкость колес подвижного состава и нахождения критических точек перехода от одного преимущественного вида изнашивания к другому, определения основных видов изнашивания и областей их реализации при качении с проскальзыванием, исследования механизмов и закономерностей заедания и износа за счет пластической деформации (далее "пластический износ"), как видов износа создающих и определяющих проблему бокового износа колес и рельсов, исследования влияния различных факторов и поиск путей борьбы с контактно-усталостными повреждениями колес подвижного состава, разработка на основе этих исследований рекомендаций по повышению стойкости колес и способов производства колес, стойких к различным видам повреждений, связанных с контактным взаимодействием.
Научная новизна.
1. Исследованы скорости изнашивания колесно-рельсовой пары сталей в широком диапазоне твердостей .и проскальзываний.
Показано, что характер зависимости скорости изнашивания от твердости закономерно меняется при изменении величины проскальзывания и переходе от одного вида изнашивания к другому.
2. Обоснована необходимость дифференцированного распределения твердости на элементах рабочих поверхностей колес и рельсов в соответствии с распределением поля проскальзываний. Даны рекомендации по величине и соотношению твердостей.
3. Исследованы закономерности истирания поверхностных пленок при качении с проскальзыванием колесных и рельсовых сталей. Получены зависимости длительности их истирания от толщины пленки, величины проскальзывания, контактных давлений.
4. Впервые порог заедания определен двумя способами - при повышении и при снижении давления в контакте. Метод определения порога заедания при ступенчатом увеличении давлений усовершенствован с учетом процесса истирания поверхностных пленок. Разработан ранее не применявшийся метод определения порога заедания при снижающемся в процессе увеличения площади лунки износа давлении. Введены понятия реального и идеального порогов заедания.
5. Исследован процесс заедания колесно-рельсовых сталей. Обнаружены два вида заедания, которые временно обозначены в работе как задир и намазывание. Определены их характерные особенности. Найдены области существования этих видов заедания при изменении нагрузок, твердостей, скоростей скольжения, проскальзываний, внешней среды. Показано, что как задир, так и намазывание развиваются постепенно. Существует критический путь непрерывного скольжения, необходимый для зарождения и развития задира колесно-рельсовой пары сталей, зависящий от давления, состояния поверхностей, среды и свойств материалов. В экспериментах обнаружено, что при качении с проскальзыванием заедание колесно-рельсовых сталей начинается при определенной величине проскальзывания, независимо от давлений в пределах эксплуатационного диапазона.
6. Найдены некоторые закономерности развития смятия (пластического износа) колесной стали при качении с проскальзыванием (изменения формы, профильного радиуса, ширины контактной канавки). Обнаружено, что во многих трибосистемах при увеличении средней величины снижается амплитуда колебаний проскальзывания, что приводит не к увеличению, а к снижению скорости пластической деформации и соответственно не к снижению, а к увеличению контактно-усталостной долговечности.
7. Показано, что на многие виды повреждаемости тел при контактном взаимодействии (окислительный, усталостный, пластический износы, заедание, контактная усталость) оказывает влияние не только величина, но так же направление и циклическое изменение проскальзывания. Последнее непосредственно связано с жесткостью трибосистемы, а при контактной усталости еще и с несовершенством формы тел качения, чем в большинстве случаев обусловлено различие в результатах испытаний на различных установках.
8. Контактно-усталостная долговечность определяется не столько исходным напряженным состоянием в зоне контакта и не столько полем остаточных напряжений и напряженным состоянием, возникающими в процессе взаимодействия, сколько неравномерностью деформирования поверхностного слоя и соответственно неоднородностью распределения в нем ПОЛЯ остаточных напряжений, к моменту зарождения трещины. Практическая ценность и реализация работы.
• Разработаны технологические основы дифференцированного упрочнения рабочих поверхностей колес подвижного состава, предназначенного для работы со скоростями до и свыше 120 км/час. Найдены оптимальные режимы закалки гребней ТВЧ, лазером и объемно-поверхностной закалки (ОПЗ).
• Разработаны ТУ на опытные партии колес с закалкой гребней лазером и ТВЧ, изготовлены и проведены эксплуатационные испытания опытных партий таких колес.
• Даны рекомендации по регламентированию прокаливаемости колесных и бандажных сталей. Показано, что по величине прокаливаемости существующие колесно-бандажные стали идеально подходят для упрочнения гребней колес объемно-поверхностной закалкой.
• Разработаны основы карбонитридного упрочнения колесных сталей и ТУ на новые марки сталей с карбонитридным упрочнением.
• Получены критерии и исходные зависимости, необходимые для расчета эксплуатационной стойкости лубрикационных смазок.
На зашиту выносятся следующие положения:
1. Закономерность изменения характера зависимости скорости изнашивания колесно-рельсовых сталей от твердости при изменении величины проскальзывания в соответствии со сменой видов изнашивания и рекомендации по дифференцированному упрочнению рабочих поверхностей колес и рельсов.
2. Закономерности истирания поверхностных пленок на колесно-рельсовых сталях.
3. Разработка методов определения порога заедания с учетом свойств поверхностных пленок и нахождение зависимостей порога заедания колесно-рельсовых сталей от твердости, скорости скольжения, проскальзывания, состояния поверхностей, среды.
4. Экспериментальное обоснование двух типов заедания колесно-рельсовых сталей, закономерностей их возникновения и развития в том числе при качении с проскальзыванием. Независимость порога заедания колесно-рельсовых сталей при качении с проскальзыванием от давления в эксплуатационном диапазоне.
5. Экспериментальное и теоретическое обоснование влияния колебаний величины проскальзывания и жесткости трибосистемы на порог заедания, пластическое смятие, контактно-усталостную повреждаемость.
