CC BY
207
УДК 625.143.089.11
СНИЖЕНИЕ БОКОВОГО ИЗНОСА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ РЕЛЬСОВ ПРИ ПОМОЩИ ПЛАЗМЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО УПРОЧНЕНИЯ
М. В. Гречнева1, С. И. Медведев2, А. Е. Неживляк3,
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
2,3Сибирское отделение открытого акционерного общества «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта», 664005, г. Иркутск, ул. Пушкина, 23а.
Рассмотрено применение плазменного поверхностного упрочнения для снижения бокового износа рельсов в криволинейных участках железнодорожного пути. Приведены результаты исследований упрочнения боковой поверхности головки рельсов. Ил.11. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: боковой износ рельсов; плазменное упрочнение; плазменная установка; твердость закаленного слоя; глубина и ширина закаленного слоя.
REDUCING OF THE LATERAL WEAR AND TEAR OF RAILWAY RAILS WITH PLASMA SURFACE STRENGTHENING
M.V. Grechneva, S.I. Medvedev, A.E. Nezhivlyak
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Siberian Branch of PLC «All-Russian Research Institute of Railway Transport», 23а, Pushkin St., Irkutsk, 664005.
The authors consider the application of plasma surface hardening to reduce the lateral wear and tear of rails in curvilinear sections of a railroad track. They present the study results of strengthening the lateral surface of the rail head. 11 figures. 6 sources.
Key words: lateral wear and tear of rails; plasma strengthening; plasma installation; hardness of the tempered layer; depth and width of the tempered layer.
Проблема износа гребней колес и боковых граней рельсов насчитывает уже около 20-ти лет. Это связано, в большей мере, с увеличением грузоперевозок (грузонапряженности на путь) и применением длинно-составных поездов.
Интенсивный боковой износ рельсов происходит на кривых участках пути под воздействием квазистатических сил подвижного состава на путь [1].
Проблема бокового износа рельсов на кривых участках пути является очень важной для всей сети железных дорог. В процессе движения подвижного состава возникает как адгезивный, так и абразивный износ трибопары колесо-рельс (рис.1). Адгезивный боковой износ вызывает разрушения из-за схватывания контактирующих поверхностей рельсов и гребней колес при их взаимном скольжении. Абразивный боковой износ рельсов и гребней колес в зонах их контактов характеризуется стачиванием частиц материала при воздействии абразивных частиц, а также при взаимном скольжении шероховатой твердой поверхности гребня колеса на боковую грань головки и наоборот.
Рис. 1. Боковой износ рельса
Особенно остро эта проблема стоит на тех дорогах, которые имеют перевальные участки с радиусом кривых Р<600 м. На таких участках рельсы заменяются в 3-4 раза чаще, чем на прямолинейных. Рельсы со сверхнормативным боковым износом (свыше 20 мм) подлежат замене в плановом порядке.
Выделим ряд основных факторов, в значительной мере влияющих на интенсивный боковой износ.
1. Интенсивность износа зависит от радиуса кри-
1Гречнева Мария Васильевна, кандидат технических наук, профессор кафедры машиностроительных технологий и материалов, тел.: (3952) 405247, e-mail: mgrech@irk.ru
Grechneva Maria Vasilievna, Candidate of technical sciences, professor of the chair of Engineering Technologies and Materials, tel.: (3952) 405247, e-mail: mgrech@irk.ru
2Медведев Сергей Иванович, младший научный сотрудник, аспирант, тел.: (3952) 637101, e-mail: simedvedev@yandex.ru Medvedev Sergey Ivanovich, junior research worker, postgraduate student, tel.: (3952) 637101, e-mail: simedvedev@yandex.ru
3Неживляк Андрей Евгеньевич, кандидат технических наук, директор, тел.: (3952) 637802, e-mail: nejivliak@yandex.ru Nezhivlyak Andrey Evgenievich, Candidate of technical sciences, Director, tel.: (3952) 637802, e-mail: nejivliak@yandex.ru
вой и приблизительно определяется зависимостью
[2,3] = 0,15
с \ 400
V Кср У
Например, там, где преобладают кривые радиусом 350-400 м, боковой износ происходит в 2,5 раза быстрее, чем на кривых участках, где больше кривых радиусом 550-600 м (рис. 2).
5. Введение поездов повышенной массы и длины и увеличение грузоперевозок.
6. Введение в эксплуатацию новых мощных локомотивов.
7. Завышенное значение твёрдости колёс тягового подвижного состава (НВ 550 и более) при плазменном упрочнении бандажей по отношению к твёрдости головки рельсов (НВ 350) при грубой шероховатости поверхности бандажа.
0,097 а094
о ш
о
о ю
о
>1 о.
ю
0.086 | 0,075
0,067 0.067
0,023 о,021
<300 301-350 351-500 501-650 651-800 800-1000
■ 2006 □ 2007 радиус КрИВЫХ< М
Рис. 2. Интенсивность бокового износа за 2006 и 2007гг. на ВСЖД
2. Рост вертикальной и, особенно, горизонтальной жесткости пути (внедрение мощных рельсов тяжелых типов, железобетонных шпал и жестких скреплений).
3. Замена на подвижном составе буксовых подшипников скольжения на роликовые (помимо устранения естественного смазывания рельса подтекающей смазкой, это привело к резкому увеличению сопротивления повороту тележек подвижного состава в кривых).
4. Осуществление электрического торможения с головы состава, что сопровождается движением вагонов в принудительно перекошенном состоянии.
8. Резкое снижение эффективности рельсосмазы-вания из-за наличия в зоне контакта колеса с рельсом абразивного материала, состоящего, в основном, из металлических продуктов износа рельсов и бандажей колёс, а также кварцевого песка.
Рельсы Р65 с боковым износом более 18 мм заменяются в первоочередном порядке (рис. 3).
Вертикальный и боковой износ рельсов носит неравномерный характер по длине звена. Наиболее изнашиваемая зона - принимающий конец звена. Максимальный боковой износ превышает среднее значение на звене в 1,5-1,6 раза, вертикальный - в 1,3-1,5 раза.
Рис. 3. Количество рельсов со сверхнормативным износом
Интенсивность бокового износа рельсов зависит, в первую очередь, от: загруженности зоны контакта; скоростей относительного проскальзывания колеса, определяемых углами набегания колесных пар на рельсы; температуры в зоне контакта; наличия и свойств третьего тела в этой зоне.
Для снижения интенсивности бокового износа предлагается повышение твердости боковой поверхности головки рельсов в зоне контакта рельса и гребня колесной пары в точках 1 и 2 (рис. 4). Это можно достичь одним из способов термообработки.
Р
Рис. 4. Зона контакта системы «колесо-рельс»: 1,2 - точки контакта
В последние годы для упрочнения поверхностей металлических изделий широко используются высококонцентрированные источники нагрева (лазерный и электронный лучи, плазменная струя), позволяющие улучшить физико-механические свойства поверхности металла, повысить срок службы деталей и снизить стоимость их ремонта.
Из всех способов термообработки высококонцентрированными источниками нагрева наиболее экономичным и производительным является плазменный. Он характеризуется меньшей стоимостью, доступностью технологического оборудования и большими размерами упрочненной зоны. Поверхностная закалка обладает рядом преимуществ по сравнению с объемной в связи с меньшими затратами энергии, необходимой для нагрева лишь поверхностного слоя, и значительно меньшими термическими напряжениями и остаточными деформациями детали. Кроме того, применение поверхностной закалки способствует снижению вероятности усталостного разрушения детали в процессе эксплуатации.
По технико-экономическим показателям для упрочнения боковой поверхности рельсов в месте зоны износа предпочтительно упрочнение поверхности плазменной дугой прямого действия. В основе плазменного поверхностного упрочнения металлов лежит способность плазменной струи (дуги) создавать на небольшом участке поверхности высокие плотности теплового потока, достаточные для нагрева, плавления или испарения практически любого металла. Основной физической характеристикой плазменного упрочнения является температурное поле, значение которого дает возможность оценить температуру в разных точках зоны термического воздействия (в разные моменты времени), скорость нагрева и охлажде-
ния, а в конечном итоге структурное состояние и фазовый состав поверхностного слоя материала.
Процессы поверхностного упрочнения требуют применения концентрированного источника нагрева с плотностью теплового потока на поверхности материала 103 - 106 Вт/см2. Основным фактором, отличающим плазменный нагрев от лазерного, является механизм взаимодействия источника энергии с материалом. При лазерном нагреве световой поток излучения, направленный на поверхность материала, частично отражается от нее, а частично проходит вглубь материала.
Особенности плазменной поверхностной закалки -кратковременность процесса нагрева и возможность создания условий охлаждения, обеспечивающих высокую интенсивность, - оказывают существенное влияние на структуру закаленного слоя.
Скорость нагрева влияет на размер рекристалли-зованного зерна, так как с ее увеличением число центров рекристаллизации растет быстрее, чем скорость роста центров. Это приводит к измельчению зерна. Кратковременное пребывание стали в области закалочных температур и протекание фазовых превращений при температурах, превышающих равновесные, приводят к получению механических свойств, отличающихся от свойств стали, закаленной с нагревом, от традиционных источников теплоты. В доэвтектоидной стали при быстром нагреве (когда структурно свободный феррит претерпевает перекристаллизацию без влияния атомов углерода) аустенитное зерно всегда несколько мельче того, которое обычно получается при медленном нагреве до температуры аустениза-ции. Такое изменение блочной структуры аустенита приводит к уменьшению размеров когерентных областей и увеличению значений микронапряжений и искажений в закаленной стали. В условиях поверхностной закалки это становится причиной повышения твердости закаленного слоя. В предварительно сорбитизи-рованных структурах выравнивание концентрации углерода в аустените протекает быстрее, поэтому при нагреве стали с такой структурой размер зерна аустенита может быть еще более мелким - 14-16 баллов. Соответственно и игольчатость мартенсита имеет более тонкое строение, приближающееся к структуре, характеризующейся как безыгольчатый мартенсит. Измельчение структуры мартенсита приводит к увеличению ударной вязкости.
Применение быстрого нагрева, способствующего возникновению более мелкой структуры закаленной стали, дает возможность получить более благоприятное сочетание свойств прочности и вязкости.
Для высокотемпературной закалки рельсов и исследования упрочнения зоны износа боковой поверхности рельса Сибирским отделением ОАО «ВНИИЖТ» была разработана опытная плазменная установка (рис. 5). Режимы нарастания и снижения тока основной дуги подобраны для достижения качественного упрочнения.
Рис. 5. Установка для плазменного упрочнения верхнего строения пути
Основными параметрами процесса плазменного упрочнения являются: сила тока; напряжение на дуге; скорость перемещения плазмотрона, а также расход плазмообразующего газа; диаметр и длина канала сопла; расстояние от торца плазмотрона до обрабатываемой поверхности.
Термическое воздействие на поверхность головки рельса проводилось плазменной дугой прямого действия при различных значениях силы тока, напряжения, скорости перемещения плазмотрона. Нагретая зона охлаждается сразу при выходе из плазмы, в основном, за счет отвода теплоты в тело массивной стальной детали, кондуктивного и радиационного теп-лоотвода с поверхности в атмосферу. Нагрев каждого участка происходит с нарастающей плотностью теплового потока в соответствии с изменением теплофи-зических параметров плазмы по мере приближения к устью струи. Эти параметры, в свою очередь, можно регулировать в широком диапазоне. Особенностью такого процесса является мягкий прогрев с относительно небольшой скоростью нарастания температуры до начала аустенитизации стали. При этом параметры греющей среды, время взаимодействия с учетом температуропроводности материала согласуются так, чтобы обеспечить наибольшую глубину прогрева. Мягкий прогрев плавно переходит в жесткий с высокой скоростью нарастания температуры в поверхностном слое для более полной аустенитизации, гомогенизации и растворения карбидов.
В процессе опытных работ упрочнения боковой поверхности рельса установлено, что расположение плазмотрона должно обеспечивать равномерное распределение дуги по боковой поверхности головки рельса. Направление плазмотрона относительно рельса показано на рис. 6.
При изменении угла наклона плазмотрона к боковой поверхности рельса происходит прерывистое сканирование дуги с уклоном в одну из сторон и наблюдается нестабильность процесса упрочнения и значительное расхождение твердости по ширине дорожки.
Рассматриваемая схема процесса поверхностного плазменного нагрева под закалку характеризуется высоким КПД (60-80%) и согласованностью темпов нарастания плотности теплового потока греющей среды с теплофизическими свойствами стали.
Рис. 6. Расположение плазматрона относительно боковой поверхности головки рельса
Комплекс проведённых исследований и опытных работ по упрочнению зоны износа боковой поверхности рельса на опытной установке позволил определить предварительные оптимальные режимы и параметры упрочнения плазменной дугой. При таких режимах достигнута равномерная дорожка упрочнения зоны износа боковой поверхности рельса, не имеется поджогов и наплывов металла.
Для подтверждения достоверности выбора экспериментально установленных оптимальных режимов плазменного упрочнения было проведено исследование упрочненного слоя рельсовой стали (измерение твердости, исследование микроструктуры, натурные испытания рельсов на циклический изгиб).
Проведенные исследования показали, что структура упрочненного слоя состоит из смеси троостита и мартенсита в разном количественном соотношении. Измерения твердости по Виккерсу и микротвердости по глубине упрочненного слоя подтвердили результаты предварительных замеров твердости переносным твердомером. Твердость колебалась в пределах 500630 НВ. Микроисследования показали, что глубина закаленных слоёв на образцах составляет 2-2,5мм. Микроструктура поверхностного слоя от плазменной закалки состоит из мелкодисперсного мартенсита, твёрдость по Виккерсу ИУ10 803-824 (НВ 621). Между основным металлом рельсовой стали и закаленным слоем имеется переходная зона (рис. 7) со структурой смеси троостита и мартенсита с твердостью по Вик-
Рис. 7. Микроструктуры переходной зоны от закалённого слоя к основному металлу (х 500)
0 2 3 6 8 10 12 14 Расстояние от середины упрочненной дорожки, мм б)
Рис. 8. Распределение твердости упрочненного слоя: а - по глубине; б - по ширине
керсу ИУ10421-442 (НВ 410). Микротрещин и других дефектов в закаленном слое от плазменной закалки и переходной зоне к основному металлу не обнаружено. В краевых участках плазменной закалки и основного металла рельсовой стали структура благоприятная и состоит из троостосорбита. Микроструктура основного металла рельсовой стали на расстоянии 10 мм от закаленного слоя состоит из сорбита закалки и феррита с твердостью ИУ10370 (НВ 350), что соответствует ГОСТ 18267.
По результатам измерения твердости упрочненной зоны были построены графики распределения твер-
I *
! 1
хш&ШЯл
К) Аумы 1
ел ¡в
(11'¡Г
шШЩ
дости по глубине (рис. 8, а) и ширине (рис. 8, б). На графике распределения твердости по глубине наблюдается зона разупрочнения, так называемая мягкая прослойка, твердость металла в которой меньше твердости основного металла на 20-50 единиц. Оптимальная твердость упрочненной дорожки составляет 550-600 НВ.
Испытания на циклический изгиб проводили на гидропульсаторе типа ЦД-200/400 ПУ, работающем с частотой нагружения 300 циклов в минуту (рис. 9), в лаборатории экспериментального кольца ВНИИЖТ ст. Щербинка.
Результаты проведенных натурных усталостных испытаний упрочненных рельсовых проб при максимальной нагрузке 54 тс свидетельствуют о том, что закаленные плазменной обработкой образцы имеют достаточно высокую долговечность (1,5-2 млн циклов).
Судя по полученным экспериментальным результатам и визуальному осмотру изломов, разброс долговечности проб связан не со структурой и твердостью упрочненных слоев, полученных при различных режимах плазменной обработки, а с наличием или отсутствием поверхностных эксплуатационных дефектов, не полностью удаленных при репрофилировании.
Макроструктура излома одного рельсового образца показана на рис.10.
Рис. 10. Макроструктура излома рельсового образца
В процессе эксплуатации ввиду высокого динамического воздействия подвижного состава на закаленной поверхности произошел наклеп металла с высокой твердостью, что привело к образованию хрупких структур.
По завершению опытных испытаний закаленного рельса в пути установлено, что его износ за первые
3 6
Срок эксплуатации, мес
Рис. 9. Гидропульсатор типа ЦД-200/400 ПУ
Рис. 11. Зависимость величины бокового износа от срока эксплуатации
три месяца составил 0,6-0,7 мм (рис.11), тогда как износ серийного (обычного) рельса за этот период -4-6 мм. За девять месяцев износ обычного рельса достиг сверхнормативного - 18 мм, в то время как боковой износ рельса с упрочненной гранью головки составил 1-1,5 мм.
В результате длительной эксплуатации (15 мес) износ опытного рельса не превысил 2 мм. Отсюда вывод: интенсивность изнашивания рельсов с плазменным упрочнением значительно ниже, чем серийных.
Технология закалки позволит улучшить механические свойства, а также снизить коэффициент трения в
контакте гребня с боковой поверхностью рельса и повысить трещиностойкость материала в зоне плазменного упрочнения.
Проведенные исследования показали, что термообработка с применением низкотемпературной плазмы обеспечивает формирование структуры и свойств стали, которых нельзя достигнуть при традиционных способах термической обработки металлов. Плазменное упрочнение рельсовой боковой грани позволяет получить благоприятную структуру упрочненного слоя (смесь троостита и мартенсита) твердостью 500-630 НВ и толщиной закаленного слоя 2,5-3 мм, тем самым значительно увеличить ресурс эксплуатации рельсов.
Библиографический список
1. Лысюк В.С. Причины и механизм схода колеса с рельса. Проблемы износа колес и рельсов. М.: Транспорт, 1997. 188 с.
2. Карпущенко Н.И. Основные причины бокового износа // Путь и путевое хозяйство, 2002. № 8. С. 4-5.
3. Карпущенко Н.И. Боковой износ рельсов и безопасность движения // Путь и путевое хозяйство, 2005. № 5. С. 9-11.
4. Лащенко Г.И. Плазменное упрочнение и напыление. Киев: Экотехнология, 2003. 64 с.
5. Шур Е.А. Инновационные решения рельсовой проблемы / ВНИИЖТ - Транспорту. Научные проблемы технического развития железнодорожного транспорта // Сб. науч. тр. М: Интекст, 2008. С.18-24.
6. Богданов В.М., Захаров С.М. Современные проблемы системы колесо - рельс // Железные дороги мира, 2004. №1. С. 57-62.
УДК 621.923: 621.922
ТЕМПЕРАТУРА РЕЗАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЛЕПЕСТКОВЫМИ КРУГАМИ Ю. В. Димов1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработан аналитический метод расчета температуры резания при обработке лепестковыми кругами, собранными из шлифовальной шкурки. Процесс теплообразования при обработке лепестковыми кругами осуществляется активными зернами, расположение которых на режущей поверхности инструмента подчинено вероятностным законам, причем сам процесс обработки также является стохастическим. Получены уравнения для расчета средневероятной локальной и средней температур на рабочих поверхностях контакта зерна с деталью. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: лепестковый круг; зерно; шкурка; профилограмма; режущий рельеф; локальная и средняя температуры; теплопроводность; температуропроводность.
CUTTING TEMPERATURE WHEN MACHINING WITH FLAP DISCS Yu.V. Dimov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The author developed an analytical method for calculating the cutting temperature when machining with flap discs composed of sandpaper. The process of thermogenesis when machining with flap discs is performed by active grains. Their location on the tool cutting surface is subjected to the laws of probability, and the treatment process is also stochastic. The author obtains equations to calculate average-probable local and average temperatures on the working surfaces of grain contact with the workpiece. 3 figures. 2 tables. 5 sources.
Key words: flap disc; grain; sandpaper; profilogram; cutting relief; local and average temperatures; thermal conductivity; heat diffusivity.
Процесс теплообразования при обработке лепестковыми кругами следует рассматривать как осуществляющийся активными зернами, расположение которых
на режущей поверхности инструмента подчинено вероятностным законам, причем сам процесс обработки также является стохастическим.
1Димов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 405146, 89645427169, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru
Dimov Yury Vladimirovich, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Designing and Standardization of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405146, 89645427169, e-mail: Dimov-Ura@yandex.ru
