Исследование триботехнических своств пары трения "колесо-рельс" после плазменного упрочнения (стр. 1 из 3)

Балановский А.Е. ,ИрГТУ (ИРКУТСК)

Исследование триботехнических свойств гребней

колесных пар подвижного состава после

плазменного упрочнения

В конце 80-х годов на отечественных железных дорогах обострилась проблема износа колес подвижного состава и рельсов, непотерявшая своей актуальности и сегодня [1,2]. На ВСЖД, начиная с 1989 г., проводились работы по снижению износа колес подвижного состава с использованием различных мероприятий, таких как рельсосмазывание и гребнесмазывание, плазменное упрочнение, оптимизация технологии обточки колесных пар, профильная механическая обработка головки рельса. Внедрение на дороге всего комплекса мероприятий позволило снизить износ в паре трения «колесо-рельс-тормозная колодка» в 3-6 раз. Однако вопрос о причинах повышенного износа колес и рельсов остается открытым.

В данной работе приводятся результаты исследований триботехнических свойств гребней колесных пар подвижного состава после плазменного упрочнения и их изменения в процессе эксплуатации.

Теоретические предпосылки

Триботехническая система «колесо-рельс» основана на двух антагонистических принципах. Во фрикционном контакте первый определяет силу тяги локомотива по сцеплению с рельсом, а второй определяет износ колесных пар и рельсов. Оба принципа связаны между собой коэффициентом трения, с ростом которого коэффициент тяги возрастет, а износ в паре трения колесо-рельс увеличивается и наоборот. С целью увеличения коэффициента тяги, в пару трения подается песок и, в тоже время, с целью уменьшения износа, в пару трения подается смазка. Песок является сильнейшим абразивом и значительно влияет на износ колеса и рельса. Кроме того, исследования [3] показали, что после прохода первого колеса размол песка практически завершается, а поверхность песка увеличивается в 4-5 раз и становиться адсорбционно-активной средой, интенсивно поглощающей в своих порах смазку и влагу. В связи с этим, лубрикационные пленки на поверхности трения колесо-рельс после попадания на них песка выполняют разделительные свойства и не защищают ее от износа.

Колесные пары являются основными элементами ходовой части и наиболее ответственными узлами подвижного состава. Железнодорожные колеса реализуют следующие функции [4-7]:

- обеспечение перемещения экипажа относительно рельсов, что связано с восприятием конструкцией колеса значительных статических и переменных нагрузок;

- обеспечение качения колеса с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений, превосходящих предел текучести колесной стали;

- выполнение поверхностью катания роли «тормозного барабана», воспринимающего нагрев и охлаждение с высокой скоростью, а также высокие напряжения сдвига и сжатия при значительном разогреве металла обода колеса.

Качение колеса по рельсу с проскальзыванием (от 0 до 100 %) вызывает в основном два процесса разрушения: объемную пластическую деформацию (снятие) и абразивный износ. Объемная пластическая деформация неравномерна по глубине от поверхности катания, достигает наибольших величин непосредственно у поверхности и уменьшается по мере удаления от нее. Согласно [5], давление в контакте «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации изменяется от 1,7 s (s - предел текучести колесной и рельсовой стали) до 3s и более. Результатом пластической деформации является течение металла из зоны основания гребня на поверхность катания и на вершину гребня, рис. 1.

Рис. 1 Результат пластической деформации в паре трения «колесо-рельс»

В ходе пластической деформации начинают протекать процессы истирания, включающие в себя: микросрез, схватывание, образование усталостных трещин и т.д. Уменьшение влияния пластической деформации на процессы истирания в условиях эксплуатации возможно за счет регулирования свойств микроструктуры колесной и рельсовой стали, которое можно осуществить за счет термической обработки стали. Таким образом, мы выходим на важнейшую механическую характеристику колесных и рельсовых сталей, отвечающую не только за прочностные свойства, но и триботехнические – соотношение значений твердости в системе «колесо-рельс».

Согласно работам И.В. Крагельского [8], для передачи крутящего момента и обеспечения сцепления колеса с рельсом, необходимо внедрение колеса в опорную поверхность рельса. При этом, для обеспечения протекания нормального износа в системе «колесо-рельс» с проскальзыванием до 10 %, соотношения твердостей должно составлять как минимум 1,2 : 1, т.е. при твердости колеса на 20 % превышающей твердость рельса. Однако с переходом в конце 50-х годов на объемно-закаленные рельсы, соотношение в паре «колесо-рельс» было нарушено и составляет сегодня 1 : 1,4, что приводит к ухудшению сцепления, увеличивает проскальзывание и вызывает интенсивный износ колесных пар.

В работах [4,7] на основе анализа мирового опыта и экспериментальных работ сделан вывод: увеличение твердости колеса на 1 НВ в эксплуатационном интервале твердостей увеличивает их износостойкость на 1-2 %. Кроме того, увеличение твердости колес от 250 до 600 НВ практически не влияет на износ и контактную долговечность рельса, а контактно–усталостная долговечность колес возрастает пропорционально квадрату приращения их твердости.

В работе [9] показано, что поверхностный слой в трибосистеме «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации, в особенности гребни и боковые поверхности рельса, упрочняется. Причем, глубина фрикционного слоя достигает 0,01-0,03 мм, а приращение твердости на поверхности - от 220 до 1200 HV_0,1 (нижний индекс – нагрузка на индентор, кгс). По мнению авторов [9], механизм упрочнения фрикционного слоя более сложный, чем просто его наклеп или закалка с фазовыми превращениями, хотя высокие контактные нагрузки до 1000-1500 МПа и высокие температуры до 1000°С существуют в малых объемах фактического контакта «колесо-рельс». Однако они существуют в течение тысячных долей секунды. Поэтому правильнее говорить не о нагреве или наклепе поверхностного слоя, а о его высокой энергонасыщенности. При такой плотности энергии металл в слое сдвига течет аморфно, как жидкое стекло. Этот механизм деформирования, по мнению [9], можно определить как бездифузионный недислакационный высокоэнергетический аморфный сдвиг. После выхода из зоны трения металл в полосе скольжения мгновенно охлаждается, сохраняя при этом аморфную структуру металлического стекла с твердостью 800 HV и более.

Таким образом, из краткого анализа видно, что повышение износотойкости пары трения «колесо-рельс» - сложный многофакторный процесс, требующий комплексного подхода. В то же время, первым и естественным шагом к решению этой проблемы является устранение сложившегося соотношения твердостей.

На сегодняшний день существует несколько способов повышения твердости гребней колесных пар, которые классифицируются по способу нагрева и охлаждения:

- объемная закалка в печах;

- закалка ТВЧ;

- закалка лазерным, электронным лучами;

- закалка плазменной дугой (струей);

- электроконтактная закалка;

- кислородно-ацитиленовая закалка;

- лазерная наплавка;

- плазменное напыление.

На ВСЖД в 1994 г. были начаты работы по разработке и внедрению плазменного поверхностного упрочнения гребней коленых пар, как наиболее простого и дешевого способа, по сравнению с другими, позволяющего обрабатывать как выкаченные колесные пары, так и, что самое главное, производить закалку непосредственно под электровозом или вагоном (без выкатки колесных пар) [1-3]. За восемь лет работы на ВСЖД открыты 12 участков плазменного упрочнения гребней колесных пар и обработано более 35 500 колесных пар. В течение этих лет проводились исследования триботехнических свойств упрочненных колесных пар на фиксированном участке ВСЖД, а именно на горном участке Иркутск-Слюдянка. Выбор участка для проведения исследования был не случаен - это самый сложный участок ВСЖД с точки зрения интенсивности износа пары «колесо-рельс».

Протяженность участка 121 км, 92 % участка состоит из кривых, на горизонтальный путь приходиться всего 9 км. Известно, что наибольший износ в паре «колесо-рельс» происходит при вписывании экипажной части в кривые рельсового пути с радиусом менее 500 м. На участке Иркутск-Слюдянка кривые радиусом 300 м и менее составляют 32 %, кривые радиусом 300-350 м – 36 %, радиусом 350-450 м – 14 % и около 10 % - кривые радиусом 500-650 м.

Из истории внедрения плазменного упрочнения на ВСЖД

Первые колесные пары в количестве 4 шт. были упрочнены в 1993 г. в вагонном депо Иркутск-Сортировочный. Однако по причине отсутствия своего приписного парка вагонов испытания не проводились. В 1994 г. в локомотивном депо Слюдянка был организован пост плазменного упрочнения выкаченных колесных пар электровозов, где прошли упрочнение 10 колесных пар. В связи с неисправностью оборудования эти колесные пары не были подкачены под электровоз, и поэтому участок по упрочнению пришлось создавать непосредственно под электровозом. В марте 1995 г. первый электровоз ВЛ 10^Т-759 вышел на линию с полностью упрочненными колесными парами, глубина упрочненного слоя составляла 1,5 мм, и эксплуатировался на участке Иркутск–Слюдянка в течение 60-ти дней. В течение каждых 48 часов эксплуатации электровоза проводились измерения износа гребней колесных пар. Износ упрочненных колесных пар был в 2,5 – 3,4 раза меньше по сравнению с неупрочненными, находящимися в эксперименте в то же время. Получив первые результаты, руководством ВСЖД было решено продолжить испытания. В течение 1995 г. на горном участке Иркутск–Слюдянка прошли испытания 420 упрочненных колесных пар электровозов, которые показали, что:

- износ (мм) упрочненных колесных пар, в зависимости от места расположения в тележке, в 2-4 раза меньше по сравнению с не упрочненными колесными парами;