CC BY
81
УДК 539.43 : 669.018.294
О. П. ОСТАШ, I. М. АНДРЕЙКО, В. В. КУЛИК, В. I. ПРОКОПЕЦЬ (Ф1зико-мехашчний шститут ÏM. Г. В. Карпенка НАН Украши, Львiв)
КОНТАКТНО-ВТОМНА ПОШКОДЖУВАН1СТЬ ПОВЕРХН1 КОЧЕННЯ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С ТИПУ КП-2 ТА КП-Т
Дослщжено пошкоджуванють поверхш кочення модельних зразшв зал1зничних колю. Встановлено осно-bhî дефекти поверхш кочення типу вищербина. Запропоновано схеми формування вищербин через штинго-утворення та розшарування.
Ключовi слова: поверхня кочення, зразок, зал1зничне колесо, пгтингоутворення
Исследована повреждаемость поверхности катания модельных образцов железнодорожных колес. Уста-новленны основные дефекты поверхности катания типа выщербина. Предложены схемы формирования ви-щербин через питингообразование и расслоение.
Ключевые слова: поверхность катания, образец, железнодорожное колесо, питингообразование
The damaging of rolling surface of railway wheels model specimens is investigated. Basic defects of rolling surface of shelling type are determined. The schemes of pit and shelling formation are proposed.
Keywords: rolling surface, model, railway wheels, pit formation
У свт щорiчно виготовлясться 5,4 млн. ва-гонних колю (СНД - 1,92; Азiя - 1,43; Ившчна Америка - 1,21; Свропа - 0,63; Ивденна Америка - 0,12; Австралiя - 0,06; Африка - 0,03), Укра1на випускае 550 тис. колю. Експортують колеса, виключно Свропа (174 тис.) та СНД (156 тис.) [1]. Строк 1х служби повинен стано-вити 12 роюв, проте на початку 1990-х роюв вш рiвнявся 4...5 рокам [2, 3]. У першу чергу строк служби залiзничних колю визначаеться властивостями 1х поверхш кочення та гребеня.
З позицш економiчноi ефективносп i безпе-ки експлуатацп, пiдвищення строку служби за-лiзничних колiс е одшею з найважливiших проблем залiзничного транспорту. На технiчне об-слуговування i ремонт колiсних пар витрача-еться приблизно 30 % ушх витрат служб рухомого складу залiзницi [4]. Бiльша частина витрат пов'язана з вщновленням профiлю поверхш кочення експлуатованих колiс та iз зам> ною зношених або пошкоджених колiс.
Впродовж 2008 року тд час експлуатацii залiзничних колiс виявлено 7 трщин, у т.ч. 4 трщини у диску, 2 трщини та один вiдкол в ободц пiд час ремонту виявлено 505 трщин, в тому чи^ в ободi - 243, у гребеш - 181 i диску - 81 [5]. Бшьшють цих трщин припадае на по-верхню кочення колеса i спричинюеться конта-ктними напруженнями у системi колесо-рейка. О^м мiсць з трiщинами втоми i сiтки термiч-них трiщин, на поверхш кочення колеса виявлено також iншi типи дефекпв (повзуни, вище-рбини, навари, вiдколини, повздовжш та попе-речнi трiщини металургшного походження).
Виникнення повзушв та вищербин, у першу чергу, пов'язують з розпусканням по1зд1в на мехашзованих сортувальних прках. Розлами колю через наявнють втомних трщин у при-ободовш зош суцшьнокатаного колеса можуть виникати при перевантаженш вагошв, а також за несприятливого поеднання мшмального розм1ру ободу колеса i наявносп на його поверхш кочення дефекпв, що перевищують нор-мативнi допуски i призводять до ударних вер-тикальних навантажень. Несвоечасне виявлен-ня трiщин може приводити до зламiв колiс бiля маточини чи в ободi колеса. В Iнструкцiях та Правилах прописан норми допускiв на розмiри цих дефектiв на поверхш кочення колю в експлуатацп, виходячи з допустимого ударного впливу на елементи коли i забезпечення цшю-носп самого колеса. Для усунення та недопу-щення понаднормативних дефектiв в ДА «Укр-затзнищ» розроблено Програму пiдвищення якостi колю на ВАТ «Нижньодншровський тру-бопрокатний завод», де серед п'яти основних ïï пунктiв зазначаеться про необхщнють освоення нових видiв колiс пiдвищеноï мiцностi. Як показала практика експлуатацп, виготовлених на цьому шдприемстта високомщних колiс типу КП-Т, ïx ресурс пiдвищився за критерiем зносо-стiйкостi на 30.. .40%. Проте у рядi випадкiв BiH скоротився порiвняно з традицiйно використо-вуваними середньомщними колесами типу КП-2 за критерiем пошкоджуваностi поверxнi кочення, зокрема, повзушв i вищербин (протокол наради у заст. генерального директора Укрзат-знищ вiд 20.01.2009 р.).
© Осташ О. П., Андрейко I. М., Кулик В. В., Прокопець В. I., 2011
Мета роботи - дослщити пошкоджува-нють поверхнi кочення модельних зразкiв, ви-рiзаних з середньомiцного (типу КП-2) i висо-комiцного (типу КП-Т) колю, за умов кочення колеса рейкою.
Методика випробувань
Випробування проводили на модельних зра-зках колеса та рейки (рис. 1, а, б), габаритш розмiри яких становили: товщина 4 мм, дiаметр 40 мм i довжина 220 мм, ширина 4 мм, висота 16 мм, вщповщно.
а б
Рис. 1. Модельш зразки колеса (а) 1 рейки (б)
Експериментальш дослщження проводили при навантаженш на колесо Р = 250 кг , тодi напруження в зош контакту пари колесо-рейка становили [6]:
P = 0,5642
P
■ 0,5642.
250
0,91 -10-4 • 4 • 20
ц-Ъ • R
= 105 кг/мм2
Експериментували на спещально спроекто-ваному випробувальному стендi (рис. 2) з контролем навантаження тензометричною балкою (динамометр Д1) та сили тертя тензометричною скобою (динамометр Д2).
Однieю з найпривабливших функцiй ви-пробувального стенду е поступально-зворотний хiд повзуна, що забезпечуе кочення колеса рейкою тд навантаженням тшьки в одному напря-мку.
Профiлограми вищербин отримували штер-ферометром «Micron-beta», що рееструе мкро-топографiю поверхнi шляхом обробки послщо-вних iнтерференцiйних картин в бшому свiтлi за змiщення опорного (еталонного) дзеркала. Це дозволяе отримувати оптичне зображення вищербини, а також ii профiлi у заданiй точцi в двох взаемно перпендикулярних площинах. 1нтерферометр дозволяе вимiрювати максима-льну висоту рельефу (Z) до 120 мкм з роздь льною здаттстто 5 нм.
Результати дослщжень та ix обговорення
Можна видiлити основш несправностi заль зничних колiс (рис. 3). Серед основних дефек-тсв поверхнi кочення колеса вiдзначають: пов-зун (20), «навар» (21), вищербина (22), мiсцеве розширення - розчавлювання обода (25), вщко-лина (поверхнева) зовшшньо! гранi обода (26), вщколина кругового напливу (27), цифри в дужках - номер дефекту згщно класифшатора де-фектiв, що дiе в Укрзалiзницi [7].
Рис. 2. Схема розмщення основних елеменпв випробувального стенду
Рис. 3. Несправност зал1зничних колю
Пошкодження вiд трщин мае мiсце вiд: по-вздовжшх трiщин в ободi (30), поперечних по-одиноких трiщин в ободi (31), сiтки термiчних трiщин в ободi (32). Аналогiчнi класифiкатори дефекпв складають та вводять у дш на залiз-ницях Евросоюзу [8]. В них прийнято буквено-цифрове щентифшування дефекту, наприклад WR 217 - повзуни на поверхш ободу колеса. Порiвняно з класифiкатором Укрзалiзницi в 1хньому окремим типом дефекту видшяються пiтинги на поверхнi ободу колеса 216).
Проведенi експериментальш дослщження пошкоджуваност показали, що кшьюсть вищербин, утворених шляхом розшарування е у кь лька разiв меншою для зразкiв високомiцного колеса порiвняно зi середньомiцними. Загальна кшьюсть цих вищербин становить 25 i 69 штук на контактну поверхню модельного зразка (400 мм2), вщповщно для сталi високо- та сере-
дньомщного колю. Площа цих вищербин зна-ходиться в межах 0,02...0,675 мм2, причому для сталi високомiцного колеса вщзначаегься бшь-ша однорiднiсть цих вищербин за площею (рис. 4). Зокрема, кшькють вищербин серед-ньою площею 0,075 мм2 становить 72 % вщ ус> е! кшькосп вищербин на поверхнi кочення модельного зразка з високомщно! стат (рис. 4). Тодi як для стат середньомiцного колеса цей показник становить 58 % i характерний шир-ший дiапазон розмiрiв вищербин, зi змiщенням його в сторону дефектов бiльших розмiрiв (рис. 4). Форма таких вищербин доволi рiзно-манiтна, проте вони видiляються спшьною ри-сою, а саме: !х контур можна вписати у рiвно-бедрений трикутник, вершина якого направлена проти напрямку кочення колеса. Це може бути тдтвердженням результат натурних ви-пробувань про вищу зносостiйкiсть колiс КП-Т порiвняно з колесами КП-2.
окремi з них до 5 мм у дiаметрi i глибиною до 1,0 мм [8]. Враховуючи принцип подiбностi модельних зразшв i реальних колiс, в перших розмiри вищербин повиннi бути в 11... 22 рази меншими, що вiдповiдае спостережуванiй кар-тинi на модельних зразках порiвняно з даними класифiкаторiв дефектiв [7, 8].
Рис. 5. Розподш кшькосто вищербин (штинпв) на трьох р1зних дшянках (1, 2, 3) поверхш кочення модельних зразшв, вир1заних з високомщного (КП-Т) 1 середньомщного (КП-2) колю
Проведений аналiз поверхонь кочення модельних зразшв дозволив запропонувати схеми утворення вищербин, коли кiнетику цього про-цесу визначае тривалiсть (V) рiзних стадiй роз-шарування та ттингоутворення (рис. 6 i 7).
Рис. 4. Розподш кшькосп вищербин (розшарувань) на поверхш кочення модельних зразшв, вир1заних з високомщного (КП-Т) 1 середньомщного (КП-2)
колю залежно вщ розм1р1в дефекпв (за площею 5" )
Вищербини, утворенi через ттингоутворення, виявились бшьш однотипними, незважаючи на вщмшнють сталей колю. За площею ттинга у плат всi вони iдентифiкуються на два дiапа-зони: площею = 0,0005...0,000625 мм2 i площею 52 = 0,00175...0,0025 мм2. Кшькють ттин-гiв меншо! площi переважала i досягала 70 %. Такий розподш був характерним для сталей високо- та середньомщного колю. Вщмшнють полягала у кшькосто штинпв на одиницю пло-щ^ яка для сталi високомiцного колеса е удвiчi бiльшою, а середне значення кшькосто вищербин через ттингоутворення для не! становить 45.50 штук/мм2 (рис. 5).
Якщо порiвнювати розмiри вищербин, отриманих на модельних зразках i на поверхнi кочення залiзничних колiс, то !х розмiри рiз-няться значно. Наприклад, на поверхш реальних колiс розмiри штинпв досягають ~1,0 мм, а
Рис. 6. Схема формування вищербини через розшарування
Рис. 7. Схема формування вищербини через ттингоутворення
Спiльним для них е те, що рют втомно! тр> щини почергово вщбуваеться за рiзно! комб> наци нормального вщриву (К) та поперечного зсуву (Кп). Зародження втомно! трiщини може вiдбуватися як з поверхнi кочення, так i з шд-поверхневих шарiв. Не виключена можливiсть !! зародження i вiд неметалевих включень. Тр>
щина зароджена з поверхш кочення росте вглиб модельного зразка за одночасно1 ди поперечного зсуву i нормального вщриву шд пев-ним кутом. 3i зростанням ii довжини змшюеть-ся механiзм руйнування в И вершинi: вiд сумю-но! ди поперечного зсуву i нормального вщри-ву (Kn + KI) через майже виключно, поперечний зсув (KII), що займае бiльшу частку у форму-ваннi вищербини (N2) i до поширення li за по-перечним зсувом i нормальним вiдривом (KII + KI) чи нормальним вщривом i поперечним зсувом (KI + KII) (N3) при виходi ii на поверхню кочення (див. рис. 6). Для вищербини вщ штин-гу характерно незначний перюд ii формування вщ поширення трiщини, переважно за поперечного зсуву (N2) та протяжш перiоди ii формування, переважно поширенням трiщин нормального вщриву при поширеннi ix вглиб поверх-нi кочення (N1) чи при виxодi ix на не1 (N3) (див. рис. 7).
При цьому треба мати на уваз^ що у форму-ваннi вищербин штингоутворенням i пiдповер-хневим розшаруванням суттеву роль можуть вiдiгравати ендогеннi неметалевi включення, розмiр яких у колюних сталях складае 5.. .60 мкм.
З метою отримання профшв вищербин, поверхш кочення модельних зразюв дослщжува-ли безконтактним iнтерференцiйним 3-D про-фiлографом «Micron-beta». Дослiдженню тдда-вались вищербини, сформованi через ттингоу-творення (рис. 8 i 9).
v
.....ДГ^^к
40 50
комщного колеса (див. рис. 8) е глибшими (10...11 мкм) порiвняно з такими для стат се-редньомiцного колеса (7...8 мкм, див. рис. 9).
Видно (див. рис. 6 i 7), що для аналiзу впли-ву структури i рiвня мiцностi колюно! стат на кiнетику утворення дефектiв типу вищербина потрiбнi кiнетичнi дiаграми втомного руйнування (ёа/ёЫ - АК^ i (ёа/ёЫ - АКП) [9]. Проте, на даний час вщсутш стандарты методики отримання таких дiаграм за умов циклiчного поперечного зсуву. Коли в зош контакту втом-на трiщина росте за мехашзмом вiдриву (за змiшаним типом 1+11 з перевагою типу I), и ю-нетику визначае розмах К1Н змiшаного типу АК1в(а).
^ - ■ —— ; - ; — icT, . :> : * Cr 1 * Щ
.........^..................
Рис. 9. Профшограми вищербини (штингоутворен-ня) стал1 середньомщного колеса. Розм1ршсть шкал подано в мкм
Швидюсть росту трщини можна визначати за формулою [8]:
da / dN = V0
fAK, e-AKlth Y AKlfc -AKi e
Рис. 8. Профшограми вищербини (штингоутворен-ня) стал високомщного колеса. Розм1ршсть шкал подано в мкм
Отримаш профiлографи (див. рис. 8 i 9) тд-тверджують вище запропоновану схему утворення таких дефекпв (див. рис. 7). Глибина вищербин (по ос ¿) залежить вiд властивостей сталей. Вищербини, сформоваш у сталi висо-
де AKlth, AKifc, V0 i q - константи матерiалу i умов випробувань, якi визначають на основi дiаграм (da/dN - AKI). 1з залежност видно, що внаслiдок понижено1 циктчно1 в'язкостi руйнування AKlfc високомщно1 сталi [10] колеса КП-Т повинш мати меншу втомну довговiч-шсть за критерiем вищерблювання порiвняно з колесами типу КП-2, що узгоджуеться з вище-наведеними даними (рис. 4 i 5).
Висновки
Спроектований та виготовлений випробува-льний стенд дозволяе отримувати пошкоджен-ня поверхонь кочення модельних зразюв анало-
ri4Hi спостережуваним на поверхш кочення реальних залiзничних колю.
Виявлено, що за умов кочення без проков-зування на поверхш модельних зразкiв з висо-кoмiцнoгo колеса типу КП-Т кiлькicть вищер-бин, якi утворюються шляхом розшарування, е меншою пoрiвнянo зi зразками iз середньомщ-ного колеса типу КП-2, шляхом ттингоутво-рення - навпаки.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Hondius, H. Exploiting synergies in the wheelset market [Text] / H. Hondius // Railway gazette international. - 2008. - 164, № 10. - P. 822-824.
2. Матвеев, В. В. Увеличение ресурса вагонных колес низкоуглеродистой легированной сталью наплавкой после отжига поверхности катания [Текст] / В. В. Матвеев // Мат. 8-ой межд. Научно-практической конф.-выставки «Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки», Ч. 1, 1114 апреля 2006. Санкт-Петербург: из-тво Политехнического университета, 2006. - C. 422-424.
3. Богданов, В. М. Современные проблемы системы рельс-колесо [Текст] / В. М. Богданов, С. М. Захаров // Ж.-д. трансп. - 2004.- № 1. -С. 57-62.
4. Cassidy, Ph. Perspective materials for production of railway wheels [Text] / Ph. Cassidy // International Railway Journal. -2001. - № 12. - P. 40-41.
5. Гаврилюк, О. Ф. Безпека руху: шляхи виршен-ня проблем [Текст] / О. Ф. Гаврилюк // Нераз-рушающий контроль. -2009.- № 1- С. 9-17.
6. Хебды, М. Справочник по триботехнике: Справ. пос.: в 3-х т. [Текст] / Под. ред. М. Хебды, А. В. Чичинадзе. - М.: Машиностроение; Варшава: ВКЛ, 1989.
7. Класифжац1я несправностей вагонних колкних пар та гх елеменпв [Текст]. - Затверджено та введено в дш Наказом Укрзалiзницi ввд 15.03.06 р. №095-Ц.
8. Mitura, K. Catalogue of wheel set defects rising during its service life, technical handbook for wheel set keepers [Text] / K. Mitura, R. Faja, P. Matusek, R. Fajkos // No. 25-271 (3rd edition).-BONATRANS GROUP.- Revolucni 1234.- Bohemia- Czech republic.- 236 pp.
9. Панасюк, В. В. Експлуатацшна довговiчнiсть залiзничних колю iз високомщно! сталi [Текст] / В. В. Панасюк та ш. // Проблеми ресурсу i без-пеки експлуатацп конструкцш, споруд та машин. - К.: 1н-т електрозвар. iм. С.О. Патона НАНУ. - 2009. - С. 659-663.
10. Осташ, О. П. Втомна довговiчнiсть сталей залiз-ничних колю [Текст] / О. П. Осташ та ш. // Фiз.-хiм. мехашка матерiалiв. - 2007. - №. 3. -С. 93-102.
Надшшла до редколегп 23.05.2011.
Прийнята до друку 30.05.2011.
