CC BY
8
№1X94)
AunÎ Лт te)
universum:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2022 г.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ УПРОЧНЯЕМОГО БАНДАЖА
Файзибаев Шерзод Сабирович
д-р. техн. наук, проф. кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет,
Республика Узбекистан, Ташкент E-mail: sherzod_fayzibaev@mail.ru
Соболева Ирина Юрьевна
ст. преподаватель кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: soboleva_irinayu@mail.ru
Нигай Родион Павлович
доц. кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: radion. 49@mail.ru
Мамаев Шерали Иброхимович
ст. преподаватель кафедры "Материаловедения и машиностроение " Ташкентский государственный транспортный университет,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: mamayevsherali@gmail.com
Абдирахманов Жамшид Абдигапбар угли
ст. преподаватель кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Ташкентский государственный транспортный университет,
Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: tytmabdiraxmanov@yandex. ru
THE RESEARCH OF THE IMPACT OF PLASTIC DEFORMATIONS ON THE SURFACE OF A HARDENED BANDAGE
Sherzod Fayzibaev
Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department "Wagons and Wagon Economy" of TSTU,
Uzbekistan, Tashkent
Irina Soboleva
Senior lecturer of the Department "Wagons and Wagon economy" of TSTU,
Uzbekistan, Tashkent
Nigay Rodion
PhD, docent of the Department "Wagons and Wagon Economy" of TSTU,
Uzbekistan, Tashkent
Mamaev Sherali
Senior lecturer
of the Department " Materials Science and Mechanical Engineering" of TSTU,
Uzbekistan, Tashkent
Abdirakhmanov Jamshid
Senior lecturer
of the Department "Wagons and Wagon economy" of TSTU,
Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ УПРОЧНЯЕМОГО БАНДАЖА // Universum: технические науки : электрон. научн. журн. Файзибаев Ш.С. [и др.]. 2022. 1(94). URL: https://7uniyersum.com/ru/tech/archiye/item/12975
№1X94)
universum:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2022 г.
АННОТАЦИЯ
В статье приводится расчетное обоснование оценки деформаций на поверхности бандажа. Рассчитывались режимы нагружения, которые обеспечивают пластические деформации поверхностей деталей.
ABSTRACT
The calculated ground of the estimation of the deformation on the surface of the strengthened bandage is presented in this article. The mode of the loading, which provide elastic deformation on the surface of the parts under control, were calculated.
Ключевые слова: колесо, рельс, износ, скорость, поверхность катания, упрочнение. Keywords: wheel, rail, wear, speed, rolling surface, hardening.
Введение. Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава. Износ бандажей колесных пар и рельсов представляет собой сложный процесс, который определяется многими факторами. В количественном отношении между ними имеется взаимная связь, которую можно установить на основе имеющихся наблюдений за износом в эксплуатации. Большое влияние на условие работы колесных пар оказывают возрастающие скорости движения поездов. Допустимые скорости движения грузовых поездов установлены в пределах 90 - 100 км/ч, пассажирских: 120 - 160 км/ч (до 200 км/ч - высокоскоростные поезда). Увеличение скорости движения приводит к росту динамических нагрузок на колесные пары и появлению высокочастотных колебаний на участках с большой жесткостью пути. Возрастание нагрузок от колесной пары, максимально реализуемой силы тяги и скорости приводило к повышению напряженного состояния рельсов и колес, что еще больше увеличило износ колес и рельсов.
Сужение рельсовой колеи привело к уменьшению среднего зазора между рабочими гранями колеса и головки рельса. Это с одной стороны повысило устойчивость подвижного состава в колее и позволило увеличить допускаемые скорости движения, с другой - вызвало возрастание интенсивности износа гребней подвижного состава и вертикальных граней головок рельсов.
При ширине колеи 1524 мм, в процессе эксплуатации колесных пар сначала нарастал прокат по кругу катания без существенного уменьшения толщины гребня, и лишь при значениях проката, близких к предельно допустимому, отмечалось возрастание интенсивности изнашивания гребня. Таким образом, обточку колесных пар назначали в связи с достижением предельного значения проката или в связи с обнаружением непрогнозируемого дефекта (выщербины, раковины и т.п.). После изменения колеи до 1520 мм износ гребня стал опережать нарастание проката. Изменился и характер износа: после сужения колеи он стал происходить как бы по касательной плоскости к внутренней (рабочей) поверхности гребня. Это привело к существенному учащению обнаружения остроконечного наката и к возрастанию нового типа повреждений колес - опасной формы
гребня. Совокупность «острого гребня» и ступенчатого бокового износа рельса, приводила к сходам с рельсов подвижного состава, особенно в кривых участках пути.
Цель. Настоящая работа посвящена изучению особенностей износа поверхности катания бандажей колесных пар локомотивов после механической обработки ввиду того, что при механической обработке снимается упрочненный слой металла с поверхности катания, что приводит к интенсивному износу в эксплуатации. Приводится расчетное обоснование оценки влияния поверхностного упрочнения на величину износа. В сложившейся ситуации было принято решение, не отличающееся системным подходом к проблеме, а именно была в одностороннем порядке повышена твердость рельсов, притом, что твердость рабочих поверхностей колес была оставлена прежней. С одной стороны применение рельсов тяжелых типов позволило значительно снизить эксплуатационные расходы железных дорог. Но по мере укладки новых рельсов еще более повышалась интенсивность изнашивания рабочих граней гребней колес. Среднегодовой удельный износ гребней бандажей колесных пар в ряде случаев вырос приблизительно в 3 раза. Интенсивность износа вызвала рост эксплуатационных расходов в локомотивном и вагонном хозяйствах, связанных с внеплановыми обточками колесных пар, дополнительным приобретением новых бандажей и колес. Обтачивания по износу гребня при ремонте связаны с удалением большого объема работоспособного металла колеса, то есть с существенным технологическим изнашиванием. Так при равномерном износе на каждый миллиметр бокового износа гребня требуется снять металл по толщине бандажа на глубину около 1,75 мм. Поэтому возрастание доли таких обточек всегда влечет за собой непропорционально сильное сокращение среднего срока службы колеса. С целью снижения интенсивности изнашивания колесных пар в последние годы проводится ряд мер технического и организационно-технологического характера (лубрикация, улучшение конструкции пути и подвижного состава, совершенствование геометрии профиля поверхности катания колесных пар и рельсов, повышение качества их металла и т.д.). К сожалению ни одно из этих мероприятий в полном объеме проблемы не решило. Разработка новых профилей поверхности катания бандажей, уменьшение разбегов колесных пар в тележке, конструирование гребнесмазывателей и другие методы, хотя и повышают ресурс бандажей, но являются борьбой с последствиями их износа.
№ 1 (94)
universum:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2022 г.
Метод
Технология восстановления профиля катания далеко не совершенна. Главный недостатком является отсутствие методов и средств, позволяющих осуществить оптимальный процесс резания, что приводит к заведомо излишнему снятию металла. В результате при восстановлении конфигурации профиля бандажа с поверхности катания колес удаляется упрочненный в процессе эксплуатации износостойкий слой металла. Ведь известно, что в начале приработки деталей, а именно в системе «колесо -рельс» после обточки износ быстро растет. Затем наступает момент, когда износ протекает плавно. Поэтому требовалось найти и устранить первопричины, вызывающие усиленный износ бандажей колесных пар локомотивов и рельсов. В данном случае предлагается метод, позволяющий выполнять упрочнение поверхности бандажей, способствующий увеличению срока службы колесных пар.
На рисунке 1 показана схема нагружения бойка 1 с использованием рычага 8 с шарниром поворота в точке 10 и опорой 11, закрепленной на раме 12.
Рычаг 8 нагружается усилием Рн, создающимся от растяжения пружины 14, концы которой закреплены в точке К к кронштейну на раме установки 6 и в точке Ь к винту 15. Винт 15 связан с гайкой 16, установленной на рычаге 8 с возможностью вращения вокруг винта 15 и рычага 8. Выбор величины усилия Рн должен быть увязан с размерами 1а, 1н и обеспечивать значения Ра до 15 тс. При Ра =12 тс максимальная нагрузка на один шарик 4 будет достигать N0=2600 кг, а всего в опоре 5 должно быть 9 шариков диаметром ^Ш=28,58 мм (30 мм) (см.п. 3.1). При этом на шарнир в точке 10 опоры 11 будет передаваться нагрузка Рю= Ра + Рн, вектор которой Рю параллелен Ра, а шарнир в точке К нагружен усилием Рн. Для связи подвижной опоры 5 с плитой 6 должны быть использованы два болта 7 (рис. 2 и 1).
Рисунок 1. Расчетная схема нагружения бойка 1, бандажа 2, шариков 4 в опоре 5, плиты 6 и рамы стенда 12
Расчетное обоснование используется для технического задания на разработку установки для импульсного упрочнения материала бандажей колесных пар тепловозов типа ТЭ10 в двух зонах:
• на поверхности перекатывания колесных пар по рельсам БАВ для бандажа 2Н (рис. 2) от бойка 1 конической формы под расчетной нагрузкой РА;
• в зоне гребня ДГЕ бандажа 2Н (снизу) от воздействия шарика 4 диаметром ёШ=28,58 мм,
нагружаемого усилием № и являющегося результатом суммирования векторов РА = РГ + NГ, реакция вектор FГ через колесный центр и ось колесной пары передается на второй колесный центр, шарик 41 и опору 51. Нагрузка Ж от шарика 4 передается на подвижное основание опоры 5 и поверхность ЖЖ плиты 6. Для обеспечения регулировки относительного расположения опоры 5 и плиты 6 введены болты 7 и набор шайб 8 колиброванной толщины.
№1X94)
universum:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2022 г.
Рисунок 2. Расчетная схема силового нагружения от бойка 1 на поверхность БАВ бандажа 2 и зоны ДГЕ гребня 3 на шарик 4, опору 5 и плоскость ЖЖ плиты 6
Расчетное обоснование проведем для модели нагружения поверхностей деталей и бандажей [4] через шаровую поверхность радиуса г = (13 -15) мм
от шариков подшипников, используемых на локо-мотиворемонтных заводах.
Анализируется нагружение неподвижной поверхности бандажа (цилиндрической радиуса Як) через шар радиусом гш. Для такого случая используем формулы модели «цилиндр - сферическое тело» [5] с материалами, имеющими равные модули упругости
= = 2,1 -104 кг/мм2 и коэффициенты Пуассона
/Л1= ^2=0,3. Для первого варианта расчета принимаем гш=12 мм ЯК=525 мм и усилие нагружения Рк=104 кг; определяем отношение Гш'. Як=12:525=0,0229, по которому из таблицы 52 [5] находим методом интерполяции коэффициенты Ия=4,31, пв=0,389, Пр=0,6 и па=0,562.
Выполняем расчеты для модели нагружения величин:
• размеров полуосей эллипса контакта шара и бандажа
Используем допущение о соотношении между контактным напряжением окт и пределом текучести от =35 кг/мм2, при которых появляются остаточные деформации
акт = = — = 50 кг/мм2 КТ 1 -м 0,7
Выбор расчетного от =35 кг/мм2 объясняется планированием опытов на бандажах из стали 60. Определяем расчетное усилие Ркт, при котором будут достигаться контактные напряжения, равные окт
из условия
= < 3
откуда получим
р
1 КТ
< КТ
= 104
50 735,6
:314
кг
Для условий нагружения усилием РКТ определяем расчетное сближение модели шара и бандажа
a = 1,397 • 4,31 з
12•525
2,1 (1050 +12)
= 8,51 мМ
Д™ = 0.977 • 0.5623
^ Л 2
\( 3,14 ^2 12 +1050
I 2100
12•525
= 0,000185 мм
B = a^ = 8,510389 = 0,768 мм n 4,31
Выполняем оценку остаточной упругой деформации
максимальных контактных напряжений
. 0,6^2,12 • 102Г= 735,6 кг/мм2 \ I 525-12 )
а = 0,245-0,63(2,12 -10 .
525-12
сближений шара и бандажа
Д = 0,977 • 0,5623
V 2,1 у
12 +1050 12•525
0,185 мм
Д =Д-Дет = 0,185 - 0,000185 = 0,184 мм
Вводим допущение о взаимосвязи диаметра ё0 отпечатка на поверхности бандажа с радиусами Гш, Як и упругой деформацией Ад
г
Д = r
Л
1 — cos
'2. r
+ R
i ао
1 — cos —-2 R
(1)
р
к
1
№ 1 (94)
universum:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
январь, 2022 г.
Выполняем разложения тригонометрических функций в ряды по степеням (при ограничении учета вторых членов), в этом случае получим условие
d02( R + Г,) 8 гш R
(2)
или
,2 1 d4 d ---
4 D
d4 - 4D2UId2 +
4P НВт
= 0
НВт
■ D2ni = 0
откуда получим формулу для диаметра
, = R Д 0
R гш
(3)
Для принятых условий нагружения при Р=104 кг, ^=0,185 мм, ^0=0,184 мм получим
,8 • 12 • 525 • 0,184
^ = Л---= 4,15 мм
. 525+12
Выполняем проверку формулы (3.25)
Д 0 = 121
1 - cos4151 + 525^1 - cos-4,151 = 0,183 мм. 24 ) I 1050)
Используем соотношения для прибора Бринелля между нагрузкой Рш на шарик, его диаметром 2гш=От и диаметром отпечатка ^
HB =
2P
2 Р ■ 1
21 Ш 1
тЮ2
1 -
1 -
Ч v
D...
(4)
Выполняем разложение функции в ряд по степеням с ограничением до третьего члена ряда
1 -. 1-
D,
Г г Л2 л( г Л4
d 4 ) 1 ( d 4
D,
81 D,
D
1 1 ( d
2 81 D
В этом случае из (4) получим
HB =
4 Р,
Td'
Г , Л
1 -1 4
D
ш )
откуда при известных
Рш, НВ и Бш получим уравнение для определения dn
Решаем это уравнение
dl = 2D 2 ±, 4D 4
16P
тНВ
Ш D 2 = 2 D 2 DШ = 2 DШ
1 ± 1
4P,
tHBD
Так как dп< йш, то решение последнего уравнения получим в виде
d = DTrr л/2
1 - 11 - 4РШ
tHBD
(5)
Принимаем Рш=104кг, материал бандажей из стали 60 с аВ=90 кг/мм2 и НВ=250 ед., йш =24 мм. При этих исходных данных получим
d = 2442
1 -
4 ■ 104
т ■ 250 ■ 242
= 1,53
мм
Сопоставление dп: do=1,53:4,15=0,369 мм При увеличении овм до 150 кг/мм2 (максимального значения) получим
НВм=417 ед. и d = 24л/2
1 -
4-104
т ■ 417 ■ 24:
dnM~0,91 мм.
Отношение dпм: ¿0=0,91:4,15=0,219 мм.
Вывод
В результате исследования было установлено, что поверхностное упрочнение ведет к уменьшению износа и доказано, что диапазон пластических деформаций находится в пределах от 0,219 до 0,369 расчетного значения do упругой деформации, определяемой по формулам теории контактных напряжений.
?
?
П1
Список литературы:
1. Глущенко А.Д., Файзибаев Ш.С. Моделирование импульсного динамического и теплового нагружения материала колесных пар локомотивов Ташкент.: Фан, 2002. - 194 с.
2. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. - 412 с.
3. Шур Е.А., Бычкова Н.Я., Марков Д.П., Кузьмин Н.Н. Износостойкость рельсовых и колесных сталей. Трение и износ. М.: Транспорт, 1995. - 240 с.
4. Яковлев В.Ф. Исследование сил взаимодействия деформаций и напряжений в зоне контакта железнодорожных колес и рельсов. Л.: Транспорт, 1964. - 324 с.
5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1988 с. - 734.
