CC BY
96
УДК 629.4-592 Климов Анатолий Александрович,
к. т. н., доцент кафедры «Эксплуатация железных дорог», Красноярский институт железнодорожного транспорта, Иркутский государственный университет путей сообщения, тел. 89029135902, e-mail: [email protected] Домнин Сергей Владимирович, преподаватель Красноярского техникума железнодоржного транспорта, аспирант Красноярского института железнодорожного транспорта, Красноярск,
тел. 89509872688, e-mail: [email protected] Стручков Алексей Валентинович, к. т. н., доцент кафедры «Основы конструирования машин» Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, г. Красноярск,
тел. 89135887802, e-mail: [email protected] Бондарик Владимир Борисович, начальник службы технической политики Красноярской железной дороги, Красноярск,
тел. 8905976874, e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ И ТВЕРДОСТИ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК НА ИЗНОС БАНДАЖЕЙ КОЛЕС ЛОКОМОТИВОВ
A. A. Klimov, S. V. Domnin, A. V. Struchkov, V. B. Bondarik
STUDY OF THE INFLUENCE OF STRUCTURE AND HARDNESS OF BRAKE PADS FOR LOCOMOTIVE WHEEL TYRES WEAR
Аннотация. В работе представлен анализ причин повышенного абразивного износа бандажей колесных пар локомотивов и снижения их срока службы, предложены основные мероприятия по снижению износа бандажей, в том числе и улучшение внутренней микроструктуры материала колодок. Целесообразность улучшения внутренней микроструктуры материала колодок была подтверждена авторами экспериментально в ходе сравнительных исследований в условиях эксплуатации на электровозе-толкаче, методика которых приведена в статье. Анализ результатов исследований полностью подтверждает технико-экономическую целесообразность использования феррито-графитной микроструктуры для чугуна тормозной локомотивной колодки и позволяет сделать главный вывод о том, что основным направлением по снижению износа бандажей колес локомотивов является переход на новую, более стабильную структуру чугуна, которая, улучшая все трибологические показатели, требует минимального изменения технологии изготовления и не требует изменения химического состава.
Ключевые слова: тормозные локомотивные колодки, феррито-графитовая микроструктура чугуна, износ, трещино-образование, натир, твердость.
Abstract. The issue presents an analysis of the reasons for high locomotive wheelsets bandages abrasive wear and reducing their service life, proposes basic activities to reduce the wear and tear of tyres, including improving internal microstructure of the material. The desirability of improving internal microstructure of material pad was confirmed experimentally by the authors during comparative studies in operating conditions on an electric locomotive-pusher, a technique of which is given in the article. Analysis of the results of studies fully confirms techno-economic feasibility of using ferrite-graphite microstructure for cast iron locomotive brake pads and allows to make conclusion that the main direction to reduce locomotive wheels tyres wear is to use a new, more stable structure of cast iron, which improves all tribological criteria requires minimal changes in manufacturing techniques and does not require changes in chemical composition.
Keywords: locomotive brake pads, ferrite graphite microstructure of cast iron? wear, cracking, rubbing, hardness.
Введение
Колеса магистральных электровозов для уменьшения износов оборудуются сменными бандажами, изготовленными из дорогостоящей хромистой стали [1]. При стоимости в 32 000 рублей и среднем сроке службы около 3 лет затраты на замену бандажей составляют значительную сумму -1 536 000 рублей, т. е. в среднем по 512 000 рублей в год на один локомотив. Годовые затраты даже на одной железной дороге могут достигать сотен миллионов рублей. В этих условиях важно уменьшить износ бандажей: уменьшение износа на 10 % дает экономический эффект в 51 200 рублей в год на каждый электровоз. Неслучайно проблема «колесо - рельс» является государственной программой
и ее решением занимаются уже в течение многих лет отдельные исследователи и организации.
По нашим данным [2], в износ бандажей большую часть вкладывают тормозные колодки, которые к тому же искажают поверхность катания (прокат), уменьшая величину контакта бандажа с рельсом [3]. В результате приходится проводить восстановление поверхности катания механической обточкой [4], что еще больше уменьшает срок службы бандажей.
Общеизвестно, что сухой абразивный износ в основном зависит от твердости поверхности трения [5, 6], увеличиваясь при увеличении твердости.
Тормозная чугунная локомотивная колодка (ГОСТ 302-49-97, тип М) имеет твердость в преде-
лах НВ229-303 [7], т. е. разброс твердости составляет 32 %, а с учетом бракованной по твердости продукции этот разброс может достигать НВ100-600 [8-12]. Колодки, попадая случайным образом на локомотив, обеспечивают неравномерный износ бандажей, уменьшая межремонтный цикл. Кроме того, в 100 % случаев поставки тормозных колодок осуществляются без очистки рабочей поверхности от пригара, зачастую колодки отбелены на глубину нескольких миллиметров, что значительно усиливает износ бандажей в период приработки колодок. За год может производиться 9 смен колодок, и износ бандажей в этот период может достигать значительной величины.
Сформулируем основные мероприятия по снижению износа бандажей:
1. Исключить отбел чугуна в производстве колодок.
2. Обязать поставщиков тормозных колодок выполнять ГОСТ по очистке рабочих поверхностей от пригара.
3. Провести массовый входной контроль твердости для отделения брака и селективного отбора колодок по группам твердости.
4. Провести исследования по улучшению внутренней микроструктуры материала колодок.
Методика исследований
Для исследования влияния структуры и твердости тормозных локомотивных колодок на износ бандажей в условиях эксплуатации нами были проведены сравнительные исследования на одном электровозе-толкаче на станции Бискамжа Красноярской железной дороги. Для исследования были отобраны 48 тормозных колодок и разделены на три группы (по 16 шт.) по твердости:
группа 1 - среднестатистическая твердость, 248НВ;
группа 2 - повышенная твердость, 295НВ;
группа 3 - средняя твердость (для изготовления экспериментальной структуры) 263НВ.
Третья группа колодок была обработана высокотемпературным графитизирующим отжигом при температуре 950 оС с выдержкой 2 часа и охлаждением вместе с печью. В результате такой обработки была получена экспериментальная феррито-графитная микроструктура чугуна.
Максимальная сравнимость износа бандажей каждой группой колодок достигалась их расстановкой на электровозе (рис. 1).
Стандартные тормозные колодки первой группы с номерами от 1 до 16 устанавливались на тормозные башмаки первой и четвертой тележек локомотива. Тормозные колодки повышенной твердости с номерами от 17 до 32 устанавливались
на тормозные башмаки второй и пятой тележек локомотива, тормозные колодки с измененной структурой с номерами от 33 до 48 устанавливаются на тормозные башмаки третей и шестой тележек.
Рис. 1. Схема установки колодок на электровозе
После установки тормозных колодок выполнялась регулировка тормозной рычажной передачи так, чтобы выходы штоков тормозных цилиндров были в пределах норм, установленных для соответствующего типа подвижного состава, после чего было испытано тормозное оборудование в объеме, установленном Инструкцией по техническому обслуживанию, ремонту и испытанию тормозного оборудования локомотивов и моторвагонного подвижного состава № ЦТ-533.
Перед установкой тормозных колодок: измерялась величина фактического износа геометрических параметров (толщина бандажа, толщина гребня, величина проката) бандажей всех колесных пар. Места измерений отмечались рисками на боковой поверхности бандажа краской желтого цвета. Измерения производились стандартными инструментами с принятой на производстве технологией на каждом бандаже колесной пары в трех точках, через 1200: толщина бандажа и толщина гребня специализированным микрометром с погрешностью 0,005 мм (шаблон для измерения износа толщины бандажа И372.01); прокат измерялся шаблоном для измерения проката И433.01. Измерительные приборы прошли соответствующую поверку. Результаты измерений, номер и тип мерительного инструмента, применяемого для выполнения измерений, заносился в журнал установленной формы.
Транспорт
Входные измерения проведены 03.07.2013. Электровоз, оборудованный экспериментальными колодками, работал на ст. Бискамжа в течение срока испытаний с 3 июля по 20 августа. На каждом ТО-2 производились замеры износа тормозных колодок. Износ бандажей измерялся на ТО-2 30 августа 2013 года. Все измерения вносились в журнал учета.
В результате измерений толщины бандажей колес до и после эксперимента было установлено, что в первой группе колодок средний износ составил 1,525 мм, во второй группе - 2,7 мм, в третьей группе - 0,788 мм (рис. 2).
В результате измерений проката бандажей до и после эксперимента было установлено, что в первой группе колодок прокат уменьшился на 0,825 мм, во второй группе увеличился на 0,438 мм, в третьей группе уменьшился на 0,375 мм (рис. 4).
Ф+Г НВ223
Группы колодой
Рис. 3. Износ гребней колес в среднем по группам колодок
Приведенные данные показывают зависимость проката колес от твердости колодок, минимальная твердость обеспечивает устранение проката, увеличение твердости на 20 % изменяет эту тенденцию на противоположную.
Группы колодок
Рис. 2. Износ бандажей в среднем по группам колодок
Таким образом, износ толщины бандажей колодками второй группы в 3,5 раза, а колодками первой группы почти в 2 раза больше, чем колодками с экспериментальной структурой.
Кроме того, износ бандажей колодками с экспериментальной структурой более стабильный, с меньшим разбросом по отдельным колодкам: максимальный износ бандажа в первой группе достигал 3,7 мм (в 2,4 раза больше среднего), во второй группе - 5,6 мм (в 2,1 раза больше среднего), в группе экспериментальных колодок 1,1 мм (в 1,4 раза больше среднего).
В результате измерений толщины гребней колес до и после эксперимента было установлено, что в первой группе колодок средний износ составил 1,575 мм, во второй группе - 1,75 мм, в третьей (экспериментальной) группе - 1,025 мм (рис. 3). Следовательно, средний износ толщины гребней в первой группе тормозных колодок в 1,54 раза, а во второй группе в 1,71 раза выше, чем в группе экспериментальных колодок.
г
1,8--
и
2 м "Н
я
I" □ 1
й
е э.е а
г э,б
7.
« 3.4
а,г
о —
Рис.
1 1
— 1
1 -
Гл о ■ V, VI-
1 2 Э
Группы КОЛОДОК
4. Изменение величины проката колес в среднем по группам колодок
Установить границу тенденции изменения проката колес для колодок стандартной группы не удалось из-за ограниченного количества групп, но предположительно это НВ225, что демонстрирует рис. 5, где показано изменение проката в зависимости от твердости.
Колодки с экспериментальной структурой не укладываются в эту тенденцию изменения проката,
при средней твердости НВ223 они показали уменьшение проката на 21 %.
+WB4
0%
< .. Ф+Г ШШЗ
141-4
Я*/(
IIВ 30 F
HB1ÎS
HIU4Î
- l Qt|)JOtTl, Kil.lt>,] Ük
Рис. 5. Изменение проката колес стандартными тормозными колодками в зависимости от их твердости
Выводы
В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Износ бандажей колес локомотивов зависит от твердости тормозных колодок и от их структуры.
2. Для колодок со стандартной структурой увеличение твердости на 20 % приводит к увеличению износа бандажа на 77 %, износа гребня колес на 11 %, изменению тенденции проката с уменьшения на 45 % до увеличения на 45 %.
3. Применение стабильной структуры Ф+Г тормозной колодки положительно сказывается на улучшении всех трибологических показателей:
- износ толщины бандажей колодками второй группы в 3,5 раза, а колодками первой группы почти в 2 раза больше, чем колодками с экспериментальной структурой;
- средний износ толщины гребней в первой группе тормозных колодок в 1,54 раза, а во второй группе в 1,71 раза выше, чем в группе экспериментальных колодок;
- при средней твердости НВ223 они показали уменьшение проката на 21 %.
Из сказанного можно сделать главный вывод: основным направлением по снижению износа бандажей колес локомотивов является переход на новую, более стабильную структуру чугуна, которая, улучшая все трибологические показатели, требует минимального изменения технологии изготовления и не требует изменения химического состава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Локомотивные бандажи марки 4 / А.В. Сухов и др. // Железнодорожный транспорт. 2012. № 2. С.58-61.
2. Климов А.А., Домнин С.В. Отчет по НИР. рег. № И130625053745. КрИЖТ ИрГУПС Красноярск. 2013. 57 с.
3. Кинематика взаимодействия «колесо-рельс» / Новачук Я.А. и др. // Мир транспорта. 2012. № 4.
4. Совершенствование обточки колес подвижного состава с усталостными дефектами / Бисерикан М.И. и др. // Омский научный вестник. 2012. № 2 С. 120-124.
5. Коротаев Б.В. Основы трибологии. Ч.2. Виды изнашивания деталей машин. Иркутск : ИрГУПС, 2009. 104 с.
6. Анализ исследований износостойкости рабочих поверхностей рельсов технологических путей авиастроительных предприятий. / И.А. Паулин и др. Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2013. Т. 1. № 9. С. 163-164.
7. ГОСТ 30249-97. Колодки тормозные чугунные для локомотивов. Технические условия. Введ. 1999-07-01. М. : Стандартинформ, 2005. 11 с.
8. Некоторые результаты массового обследования тормозных локомотивных колодок / А.А. Климов и др. Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1. (25). С. 73-77.
9. Климов А.А., Домнин С.В., Хацкевич Д.С. Способ повышения износостойкости тормозных локомотивных колодок из серого чугуна // Современные концепции научных исследований : материалы IX междунар. науч.-практ. конф. Ч. 1. М., 2014. № 9. С. 82-86.
10. Исследование возможности использования фер-рито-графитовой микроструктуры для чугуна тормозной локомотивной колодки / А.А. Климов и др. // Научные перспективы XXI века. Достижения и перспективы нового столетия : материалы IX междунар. науч.-практ. конф. Ч. 2. Технические науки. Новосибирск, 2015. С. 161165.
11. Цвик Л.Б., Запольский Д. В., Кулешов А. В. Снижение уровня напряжений и трещинообразова-ния в цельнокатаных железнодорожных колёсах с плоскоконической формой диска // Современные технологии. системный анализ. Моделирование. 2016. № 2 (50). С. 32-38.
12. Гозбенко В.Е., Тувшинтур Б. Анализ и пути снижения износа рельсов и колес подвижного состава // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 3 (47). С. 191197.
