Исследование триботехнических своств пары трения "колесо-рельс" после плазменного упрочнения (стр. 2 из 3)
- пробег (км) упрочненных колесных пар между обточками увеличился в 2,5 –4,5 раза.
В 1996 – 1999 г.г. работы по внедрению технологии плазменного упрочнения гребней колесных пар на электровозах и вагонах были продолжены, что позволило накопить статистический материал по механизму износа гребней.
Методика исследования
На ВСЖД электровозы–толкачи эксплуатируются на фиксированных участках дороги. Кроме того, дорога имеет свой приписной парк пассажирских вагонов, которые эксплуатируются и приходят на текущий ремонт в депо приписки. В связи с этим, количественные измерения линейного износа гребней колесных пар можно проводить через определенный промежуток времени эксплуатации, который легко переводится в километры пробега. Следовательно, можно построить экспериментальную кривую изнашивания упрочненных и неупрочненных колесных пар.
Так, для электровозов–толкачей на участке Иркутск–Слюдянка был определен временной отрезок эксплуатации 72 часа (т.к. по инструкции он заходит на заправку и технический осмотр). В течение 72 часов толкач успевает сделать 3–4 рейса, что равняется 380-500 км пробега. Пассажирские колесные пары подкатывались под поезда местного следования, такие как: Иркутск–Усть-Илимск (2914 км.), Иркутск–Тайшет (1340 км.), Иркутск–Наушки (1424 км). Износ на них измерялся после каждого рейса.
Для определения износа гребней колесных пар использовались железнодорожные шаблоны, а также специально спроектированный 6-титочечный шаблон фирмы Плазмопротек. Этот шаблон позволяет измерять износ гребня колесной пары в шести точках от вершины до выкружки при помощи индикаторного нутромера часового типа с ценой деления 0,01 мм и точностью измерения 0,009 мм. Использование данного измерительного шаблона позволяет проводить экспериментальные исследования по динамике износа гребня в процессе эксплуатации (рис.2).
Рис. 2 Принцип измерения износа гребня при помощи 6-точечного шаблона
Кроме того, для построения кривых износа гребня в динамике использован «метод слепков», который копировал гребень через определенный промежуток времени и впоследствии строились профилограммы гребня.
Рис.3 Определение схемы упрочнения гребней колесных пар электровозов на участке Иркутск-Слюдянка в 1995 году.:
А). изношенный гребень ; Б). принятая зона упрочнения гребня
Для измерения макротвердости гребней колесных пар в процессе эксплуатации использовался твердомер ТЭМП-2, а для определения микротвердости по глубине упрочненного и неупрочненного слоя на образцах использовался ПМТ-3.
Исследования по образованию трещин, сколов, выщербин на упрочненных и неупрочненных поверхностях определялись при помощи визуального осмотра с 10-кратным увеличением, а также цветной и ультразвуковой дефектоскопией через определенные интервалы времени.
С целью повышения достоверности результатов на колесе отмечалось 3 точки под углом 2000, в которых каждый раз проводились измерения. Исследования проводились на колесных парах, обточенных по профилю ГОСТ 11018 – 87 и ДМЕТИ.
Кроме того, были исследованы различные режимы плазменного упрочнения:
- плазменное упрочнение в режиме струи;
- плазменное упрочнение в режиме дуги;
- плазменное упрочнение со сканированием дуги;
- плазменное термоциклирование;
- плазменное упрочнение двумя дорожками;
- плазменное легирование.
Поверхность гребня, подлежащая упрочнению, определялась на основе статистических данных по износу гребней колесных пар, эксплуатирующихся на участке Иркутск–Слюдянка. Всего было проанализировано 88 колесных пар. В результате была определена зона упрочнения гребня, рис.3.
Для других участков дороги, где наблюдается остроконечный накат и наплыв на полосу катания, зона упрочнения была скорректирована: захватывала вершины гребня и полосы катания.
Результаты исследования
В 1995 г. участок дороги Иркутск–Слюдянка был единственным участком постоянного тока, где эксплуатировались электровозы–толкачи ВЛ 10 т. В 1996 г. с переходом на переменный ток появились новые типы электровозов – толкачей ВЛ 80 т, ВЛ 80 с, ВЛ 80 р, которые используют рекуперативное торможение, а нагрузка на ось у них больше по сравнению с ВЛ 10 т. Однако сильных различий в механизме изнашивания гребней колесных пар не наблюдается, что будет показано ниже. Поэтому в дальнейшем нет необходимости учитывать влияние фактора «типа техники» на проблему износа гребней колесных пар. Кроме того, в 1995 – 1996 г.г. на дороге максимальная толщина гребней колесных пар при выпуске электровозов на линию принималась 32-33 мм, а выбраковка проводилась при толщине гребня 25,5–26,5 мм. В дальнейшем этот норматив был пересмотрен.
На рис.4(а) представлены данные по износу неупрочненных гребней колесных пар для различного диапазона толщин бандажа. После выбраковки поверхность гребней при визуальном осмотре покрыта многочисленными углублениями рваной формы диаметром 0,1–2,5 мм. По всей видимости процесс изнашивания неупрочненных колесных пар протекает следующим образом: на площадке фактического контакта гребня бандажа с головкой рельса происходит пластическая деформация мягкого металла бандажа, что сопровождается «разрыхлением» в отдельных местах структуры металла с последующим отделением небольших блоков (выкрашивание). Дополнительное воздействие ударно–абразивного изнашивания вызывает развитие процессов микрорезания и растрескивания поверхностного слоя, контактирующего с головкой рельса. Поверхность гребня бандажа покрывается многочисленными рваными ямками, которые под действием пластической деформации разрушаются. Данный механизм изнашивания прослеживается на протяжении всего периода эксплуатации до предельно допустимой толщины гребня.
А).
1 – диапазон толщин бандажа 50-60 мм (выборка 35 к.п.)
2 - диапазон толщин бандажа 60-75 мм (выборка 47 к.п.)
3 – диапазон толщин бандажа 75-94 мм (выборка 28 к.п.)
Б).
1 – диапазон толщин бандажа 50-60 мм (выборка 35 к.п.)
2 – диапазон толщин бандажа 60-75 мм (выборка 50 к.п.)
Из рис. 4(б) видно, что износ упрочненных гребней несколько отличается и выделяются некоторые этапы в механизме изнашивания. Это отчетливо видно, если рассмотреть кривую изнашивания упрочненного слоя (рис.5), где показаны эти этапы.
Рис.5 Кривая изнашивания упрочненного слоя на гребнях колесных пар ВЛ 10 с диапазоном толщин бандажа 92-94 мм (выборка 30 к.п.)
Первый этап характеризуется отсутствием стадии приработки, т.к. некоторое время (порядка 500 км) гребень работает практически без истирания. Однако под действием переменных контактных напряжений и твердых частиц абразива, попадающих в область контакта гребня с головкой рельса, начинают протекать процессы микрорезания отдельных блоков металла. Частицы износа отделяются в виде «чешуек». С учетом смешанного типа изнашивания гребня в виде ударно–абразивного износа, фрикционной и контактной усталости происходит разрушение тонкого поверхностного слоя глубиной 0,1-0,8 мм, что характерно для этапа приработки трущихся поверхностей [10-13]. Разрушение микрообъемов поверхностного слоя происходит циклично за Х циклов. Следовательно, интенсивность изнашивания Iп на стадии приработки в аналитической форме должна включать в себя три комплекса [10] в различных степенях:
- первый комплекс Rmax/S определяет параметры шероховатости контактирующих тел;
- второй комплекс r/E – напряжение состояния ;
- третий комплекс E¢/s - механические свойства материалов.
Однако провести аналитический расчет с учетом динамики очень сложно, т.к. один из важных факторов Р (давление), определяющий силовое воздействие пары трения, величина нелинейная. В связи с этим, второй этап (приработка) износа упрочненного гребня является наиболее динамичным по сравнению с другими этапами.
Третий этап – это установившееся изнашивание, которому характерно отсутствие микровыкрашивания. Поверхность металла гребня блестящая, гладкая. Процесс установившегося изнашивания упрочненного слоя заключается в деформировании, разрушении и непрерывном воссоздании на отдельных участках гребня поверхностного слоя со стабильными свойствами. При этом скорость изнашивания tga»const. По мере изнашивания упрочненного слоя его толщина уменьшается, и он уже не так воспринимает контактные нагрузки, что вызывает развитие процессов микрорезания и микроскалывания.
Четвертый этап заключается в увеличении интенсивности изнашивания упрочненного слоя – катастрофический износ. После полного изнашивания упрочненного слоя износ гребней возрастает (рис.6), т.к. происходит резкое изменение физико–механических свойств металла (структура, шероховатость, твердость, коэффициент трения и т.д.).
Рис. 6 Кривая изнашивания упрочненного слоя на гребнях колесных пар ВЛ 10 с диапазоном толщин бандажа 80-94 мм (выборка 110 к.п.)
Однако эксперименты показали, что увеличение износа протекает до определенной величины 0,5 – 2,4 мм, после чего наблюдается небольшое снижение интенсивности изнашивания. В дальнейшем на поверхности гребня появляются выщербины, выкрашивания, что характерно для катастрофического износа.
Таким образом, упрочненные колесные пары имеют в динамике VIII этапов изнашивания, и для каждого этапа характерны свои особенности.
Как уже отмечалось выше, в 1995-1996 г.г. допустимый износ гребней колесных пар составил 8 мм. Однако проведенные исследования показали, что после износа упрочненного слоя (3мм), интенсивность износа гребня значительно ниже, чем у неупрочненных колесных пар. Это объясняется улучшением условий контактирования гребней колесных пар и головки рельса [7].