CC BY
73
УДК 621.791.75
Е. Н. Кузьмичев, Я. А. Новачук, Е. А. Дроздов
УВЕЛИЧЕНИЕ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС ПРИ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИИ ЭЛЕКТРОШЛАКОВОЙ НАПЛАВКОЙ
Представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на повышение ресурса обода колес подвижного состава. Используется способ электрошлаковой наплавки для восстановления поверхности катания и гребня цельнокатаных вагонных колес, а также бандажей локомотивов. Результаты экспериментальных исследований подтверждают перспективность предлагаемого способа восстановления обода железнодорожного колеса.
С первых дней существования железнодорожного транспорта возникла проблема износа колес и рельсов. Первые токарные станки для обточки железнодорожных колес были смонтированы в Царском Селе в 1844 г. На этих станках точили чугунные колеса первых вагонов и паровозов, когда на них возникали повреждения, угрожающие безопасности движения.
В настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» повреждения колес подвижного состава приобрели угрожающие масштабы. Основные неисправности колесных пар выражены износом их гребней и температурными раковинами, возникающими на поверхности катания колеса. В этой связи железнодорожные инфраструктуры вынуждены нести незапланированные затраты труда и капитала, связанные с упреждением и устранением повреждений колес, чтобы обеспечить необходимый уровень гарантий безопасности движения поездов.
Упреждающие износ гребней способы достаточно стереотипны и выражаются только лубрикацией их поверхностей.
Устраняют износ гребней колес и поверхностей катания традиционным способом точения на колесотокарных позициях. В процессе обточки колес значения параметров снятого металла (глубина резания) с поверхности катания и гребня имеют хорошую сходимость с эмпирическим выражением (рисунок 1), построенным по многолетним эксплуатационным данным.
Способ восстановления профиля обода колеса (гребня и поверхности катания) путем обточки уменьшает его толщину, сокращая срок службы колеса. К примеру, количество обточек колесных пар локомотивов на ДВЖД за 2011 г. составило в среднем 2,13 обточки на одну колесную пару (таблица 1). Таким образом, срок службы бандажей локомотива составляет в среднем три года.
77
4
2
¿у
8
7>
20
б
Рисунок 1 - Профиль бандажа с углом наклона гребня 70° (а) и зависимость глубины резания по поверхности круга катания от величины износа гребня колесной пары (б)
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба
Таблица 1 - Количество обточек колесных пар локомотивов на ДВЖД за 10 месяцев 2011 г.
Серия локомотива Количество колесных Общее кол-во обточек Общее кол-во обточек
пар (КП) бандажей КП одного бандажа КП
По элект ровозам
ВЛ 80С 526 2068 3,68
ВЛ 60К и ВЛ60ПК 126 193 1,53
3ЭС5К 1548 2655 1,72
2ЭС5К 664 1153 1,74
По тепловозам
3ТЭ10 2610 5085 1,95
2ТЭ10 912 1959 2,15
ТЭП70 84 387 4,61
Маневровые 1638 532 0,32
Известны способы восстановления обода колеса путем электродуговой [1] или электрошлаковой наплавки металла на изношенную поверхность [2].
Электродуговая наплавка предназначена для восстановления преимущественно малогабаритных деталей. Использование электродуговой наплавки, например, для восстановления обода колеса железнодорожного вагона до нормативных размеров приводит к увеличению срока службы колеса. Однако такая технология восстановления не исключает образования термических трещин в ободе колеса из-за неравномерности температурных полей. Недостатком этого способа восстановления обода колеса рельсовых транспортных средств является повышенная хрупкость металла восстановленной поверхности, которая приводит к ее разрушению в процессе эксплуатации. Поэтому такой способ восстановления в настоящее время на сети дорог не применяется.
Способ электрошлаковой наплавки предназначен для восстановления деталей больших размеров. Использование его для восстановления обода колеса железнодорожного вагона до нормативных или необходимых размеров обеспечивает увеличение срока службы колесных пар. Восстановление гребня обода колеса осуществляют при его износе по толщине до предельно допустимого значения.
Способ восстановления заключается в следующем. Изношенный гребень удаляют газовой резкой и нагревают обод вращающегося колеса до температуры 200 - 250 °С, с последующей электрошлаковой наплавкой легированного металла на поверхность гребня обода колеса сварочной проволокой с одновременным отпуском наплавленного металла.
Для проведения электрошлаковой наплавки используют полый разборный кристаллизатор, имеющий в поперечном сечении профиль гребня обода колеса. Кристаллизатор устанавливают на части обода колеса в месте срезанного гребня, охватывая сектор колеса. При этом кристаллизатор располагают так, что его поперечное сечение находится в горизонтальной плоскости и перпендикулярно поверхности катания обода колеса, а его открытая сторона примыкает к месту среза гребня. Затем на поверхности катания обода колеса под кристаллизатором закрепляют стартовую пластину.
Для получения легированного металла подбирают сварочную проволоку с высоким содержанием углерода и легирующих элементов, например, сварочную проволоку Нп-30ХГСА, которая содержит 0,3 % углерода и до 1 % хрома, марганца и кремния. Используемый при наплавке флюс АН-8 содержит БЮ2 в пределах 33,0 - 39,0 %, МпО - 21,0 - 26,0 %, СаБ2 - 3,5 - 8,4 %, СаО - 4,0 - 7,0 %, MgO - 5,0 - 7,5 %, М2О3 -11,0 - 15,0 %, СаБ2 -13,0 - 19,0 %, Бе2О3 - 1,5 - 3,5 % и является низколегирующим. Флюс в известном способе восстановления гребня обода колеса выполняет функцию защиты наплавленного металла от внешних воздействий.
В процессе наплавки вращение колеса осуществляют вокруг горизонтальной оси при неподвижном кристаллизаторе. Наплавку гребня обода колеса производят в направлении, перпендикулярном оси колеса. Расплавленный металл проволоки и поверхности основного металла обода заполняет кристаллизатор, принимая в процессе кристаллизации профиль
№,011,3) ^И ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 3
гребня. В процессе вращения колеса вокруг своей оси происходит постепенное образование восстановленного гребня по окружности обода. За полный оборот колеса гребень формируется по всему ободу. Наплавленный слой представляет собой углеродистую среднелегиро-ванную сталь, в которой насыщение легирующими элементами происходит из сварочной проволоки.
Завершают восстановление обточкой поверхности катания и наплавленной поверхности гребня колеса для устранения на ней шлаковых включений и неровностей, возникающих в результате наплавки.
В результате восстановления получают колесо с профилем гребня, соответствующим стандартному профилю гребня колеса, и толщиной обода в пределах допустимого размера, но меньше толщины нового колеса.
Механические свойства металла восстановленного гребня колеса превышают механические свойства основного металла поверхности катания колеса, повышая износостойкость гребня, работающего в условиях трения скольжения и значительных удельных контактных давлений при движении в кривых участках пути и по стрелочным переводам.
Условия работы поверхности катания обода колеса отличаются от условий работы гребня. Поверхность катания требует иных механических свойств металла (высокой твердости и ударной вязкости), которые в условиях трения качения и при постоянных динамических нагрузках на рельсовых стыках, стрелочных переводах и неровностях пути способны исключить образование трещин и выщербин на поверхности катания.
В связи с этим была поставлена задача разработать способ восстановления обода колеса рельсовых транспортных средств с заданными свойствами при сохранении его нормативных параметров после многократных обточек, чтобы увеличить срок службы колесных пар.
Для решения поставленной задачи разработан способ восстановления обода колеса рельсовых транспортных средств электрошлаковой наплавкой легированным металлом поверхности катания и гребня колеса. Цель достигается средствами в виде полого разборного кристаллизатора, внутреннюю поверхность которого выполняют в поперечном сечении с профилем и параметрами стандартного обода колеса; низкоуглеродистой сварочной проволоки и высоколегирующего флюса на основе вольфрама.
Колесо устанавливают в кристаллизатор, располагая внутреннюю грань обода колеса на дно кристаллизатора с обеспечением параллельности профилей обода колеса и кристаллизатора, а также с обеспечением их соосности по вертикали. Наплавку производят параллельно оси колеса в направлении от гребня при одновременном вращении колеса и кристаллизатора.
Предлагаемый способ восстановления обода колеса позволяет восстанавливать его до геометрических параметров нового колеса. Восстановление происходит при равномерном нагреве по всей поверхности колеса, что исключает образование термических напряжений и появление поверхностных трещин. Использование высоколегирующих флюсов позволяет получать необходимые физико-механические свойства наплавленного металла гребня и поверхности катания.
На рисунке 2 представлен разрез кристаллизатора для осуществления способа восстановления обода колеса рельсовых транспортных средств с установленным в кристаллизаторе колесом, иллюстрирующий и подтверждающий работоспособность и промышленную применимость рассмотренного способа.
Восстановление бандажа или обода цельнокатаного колеса 1 осуществляют только при уменьшении его толщины до предельно допустимого значения, например, для грузовых вагонов эта величина составляет 22 мм, для локомотивов - 25 мм [3, 4].
Для электрошлаковой наплавки используют высоколегирующий флюс на основе оксидов кремния, марганца, вольфрама и циркония, являющихся легирующими компонентами. В качестве экспериментальных флюсов использовались разработанные авторами керамические легирующие флюсы [5 - 7], содержащие графит, фторид кальция, бадделеитовый концентрат и шеелитовый концентрат с содержанием оксида вольфрама 45 - 72 %, оксида железа
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
0
10 - 25 %, оксида марганца 2 - 10 % и оксида кремния 3 - 8 %, оксид циркония 0,5 - 3 % , а также нелегированную электродную проволоку Св-10ГА с содержанием углерода в пределах 0,08 - 0,1 %.
4 3 2 5 1 6
I
\\1 Я / 1 1 V ' 1 //
Т :
Рисунок 2 - Схема восстановления гребня и поверхности катания колеса электрошлаковым переплавом: 1 - колесо; 2 - гребень; 3 - поверхность катания; 4 - кристаллизатор;
5 - поворотная платформа; 6 - выводная втулка
Для начала процесса электрошлаковой наплавки предварительно собранный кристаллизатор 4 устанавливают дном на поворотную платформу 5 механизма вращения (на рисунке 2 не показан) с совмещением вертикальной оси кристаллизатора 4, оси вращения поворотной платформы 5 и оси колеса.
Колесо 1 с предварительно удаленным гребнем 2 устанавливают в кристаллизаторе 4, располагая внутреннюю грань обода колеса 1 с удаленным гребнем 2 на дно кристаллизатора 4, совмещая их оси и обеспечивая параллельность профилей обода колеса 1 и кристаллизатора 4.
На наружную грань обода колеса 1 устанавливают выводную втулку 6 для поддержания заданного уровня шлаковой ванны при полностью наплавленном ободе колеса 1.
Далее производят нагрев обода колеса 1 рельсовых транспортных средств до температуры 200 - 250 °С.
В полость между стенкой кристаллизатора 4 и ободом колеса 1 засыпают высоколегирующий флюс и вводят равномерно по окружности не менее восьми электродных проволок.
Для расплавления флюса используют электродуговую сварку. После расплавления всего флюса и образования шлаковой ванны колесо 1 с кристаллизатором 4 приводят во вращение вокруг своей оси со скоростью, достаточной для поддержания шлаковой ванны в жидком состоянии в течение всего процесса наплавки (не менее 1 об/мин). В процессе наплавки производится отпуск наплавленного металла путем постоянного подогрева обода колеса 1 индукционными нагревателями.
Процесс наплавки начинается от внутренней грани обода колеса 1 с нерабочей поверхности гребня 2, идет в сторону поверхности катания 3 и заканчивается у наружной грани обода колеса 1 благодаря расположению колеса 1 внутренней гранью обода на дне кристаллизатора 4.
В первоначальный момент расплавленный металл электродной проволоки проходит в кристаллизаторе 4 через расплавленный шлак. Легирующие элементы в шлаке еще находятся в оксидной форме и не поступают в расплавленный металл. Низкоуглеродистая нелегированная сталь электродной проволоки не получает из шлака легирующие элементы и после кристаллизации сохраняет свои первоначальные свойства. В результате нерабочая поверхность гребня 2 обода колеса 1, с которой начинается процесс наплавки, наплавляется нелегированным металлом.
С повышением температуры расплавленного флюса в нем происходят восстановительные реакции освобождения легирующих элементов из их оксидов. Расплавленный металл электродной проволоки, проходя через такой шлак, максимально обогащается легирующими элементами: марганцем, кремнием, вольфрамом и цирконием. Легирующие элементы, попадая в металл проволоки, образуют интерметаллические соединения, карбиды и растворы в
№Л!3) ^^МЗВЕСТИЯ Транссиба 5
железе и после кристаллизации металла улучшают его механические свойства. В результате рабочая поверхность гребня 2 обода колеса 1 наплавляется высоколегированным металлом.
В дальнейшем при увеличении высоты наплавленного металла концентрация легирующих элементов в шлаке уменьшается и каждая следующая порция расплавленного металла проволоки извлекает все меньшее количество легирующих элементов. Уменьшение содержания легирующих элементов, попавших в металл проволоки после кристаллизации расплава, вызывает соответствующее ухудшение механических свойств металла. В результате процесс наплавки поверхности катания 3 обода колеса 1 осуществляется уже низколегированным металлом.
После завершения наплавки и охлаждения металла кристаллизатор 4 разбирают, убирают выводную втулку 6 и получают восстановленное колесо с габаритами, несколько превышающими параметры стандартного колеса. Затем колесо очищают и обтачивают для получения обода с гладкой поверхностью и параметрами стандартного колеса.
Рабочая поверхность гребня 2 обода колеса из высоколегированного металла характеризуется твердостью и износостойкостью, необходимыми для работы в условиях трения скольжения и больших удельных давлений в контакте.
Поверхность катания 3 обода колеса из низколегированного металла обладает высокой ударной вязкостью и упругостью, что необходимо для работы в условиях трения качения при высоких ударных нагрузках.
Таким образом, срок службы обода колеса увеличивается за счет восстановления размеров обода колеса до первоначальных размеров, что позволяет приблизить его к сроку службы оси колесной пары.
В Дальневосточном государственном университете путей сообщения проведены опыты по наплавке части обода вагонного цельнокатаного колеса предлагаемым способом.
Металлографический анализ наплавленного металла проводился с помощью микроскопов Лабомет-2 и агрегатного ЕС МЕТАМ РВ-21 при увеличении до 1000Х. Микротвердость определялась на приборе ПМТ-3М. Дифференциально-термический анализ осуществлялся на дериватографе Q-1000. Фазовый состав полученных материалов изучался на рентгеновском дифрактометре «ДРОН-7». Исследование элементного состава полученных сплавов проводилось на рентгеновском флуоресцентном кристалл-дифракционном сканирующем спектрометре «Спектроскан МАКС-ТУ» и растровом электронно-зондовом микроскопе 18М-35С (ШОЬ, Япония) с приставкой электронно-зондового микроанализатора - рентгеновского спектрометра 35-8Б8 с волновой дисперсией.
Для анализа физико-механических и эксплуатационных свойств наплавленного металла использовались следующие приборы: для измерения твердости - ТШ-2М, ТК-14, ТП-2; для исследования износостойкости - машина ИИ-5018 в условиях трения без смазки при нагрузке 50 кгс/мм и контртелом из стали 40ХН, закаленной в масле до НЯС 60 - 62. Результаты механических испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Физико-механические показатели металла ободьев колес
Механические свойства наплавленного металла Колесо восстановленное ЭШП Новое колесо
флюс пат. № 2207388 флюс пат. № 2424091
поверхность гребня поверхность катания поверхность гребня поверхность катания поверхность гребня поверхность катания
НВ 228 - 245 227 - 234 246 - 262 236 - 253 235 235
ав, кгс/мм2 46 44 47 45 42 42
ан, кгс-м/см2 18,5 18,3 18,7 18,4 18,3 18,3
ан45, кгс-м/см2 5,5 5,2 5,7 5,3 4,2 4,2
Т= -60 С
Коэффициент из- 0,93 0,93 1,1 1,1 0,87 0,87
носостойкости
Результаты испытаний показывают, что механические показатели металла обода колеса,
6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба
восстановленного предложенным способом, значительно превосходят свойства металла колес, восстановленных другими способами, а также показатели металла стандартного колеса.
Получение металла на различных поверхностях обода колеса с необходимыми свойствами для работы в соответствующих условиях приводит к повышению срока службы колесных пар. Результаты исследований показали применимость такого способа восстановления обода колеса в условиях специализированных ремонтных подразделений.
Использование разработанного способа восстановления обода колеса транспортного средства позволяет получить восстановленное колесо с габаритами стандартного колеса, улучшенными показателями металла рабочих поверхностей обода колеса как для рабочей поверхности гребня, так и для поверхности катания колеса, что значительно снижает затраты на приобретение колесных пар.
Список литературы
1. Пат. 2113325 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 Р 6/00. Способ восстановления поверхности катания вагонных колес [Текст] / И. Д. Козубенко, Н. Г. Скосырский и др. (Россия). - № 97101271/02; Заявлено 24.01.1997; Опубл. 20.06.1998. Бюл. № 17.
2. Пат. 2095211 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 Р 6/00. Способ восстановления изношенных гребней колес рельсовых транспортных средств [Текст] / Г. В. Кожевин, В. А. Канищев и др. (Россия) - № 95105268/02; Заявлено 06.04.1995; Опубл. 10.11.1997. Бюл. № 32.
3. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар ЦВ-944 [Текст]. М.: Транспорт, 2006.
4. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. ЦТ-329[Текст]. М.: Техинформ, 2000.
5. Пат. 2207388 РФ, МПК С22В9/18, В23Р6/00. Способ электрошлакового переплава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, А. Д. Верхотуров - № 95105268/02; Заявлено 06.04.95; Опубл. 10.11.97. Бюл. № 18.
6. Пат. 2424091 Российская Федерация, МПК В 23 К 9/04, В 23 К 35/36, С 22 В 9/18. Флюс для электрошлаковой сварки или наплавки при восстановлении деталей или электрошлакового переплава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, Е. А. Дроздов, М. А. Колесников (Россия). - № 2009125939/02; Заявлено 06.07.2009; Опубл. 20.07.2011. Бюл. № 20.
7. Бабенко, Э. Г. К вопросу применения керамических флюсов на основе минеральных концентратов для восстановления деталей подвижного состава [Текст] / Э. Г. Бабенко, Е. Н. Кузьмичев, Я. А Новачук// Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2012. - 3 (11). - С. 2 - 7.
УДК 629.46:629.4.027.23
В. В. Лукин, А. О. Вельский
РАСЧЕТ БОКОВОЙ РАМЫ И НАДРЕССОРНОЙ БАЛКИ ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Одной из многих тем, над которыми работал В. В. Лукин в последние годы своей жизни, являлось совершенствование литых деталей тележек грузовых вагонов с помощью метода конечных элементов.
В статье показана возможность применения метода конечных элементов для анализа напряженно-деформированного состояния двух наиболее ответственных деталей трехэлементной тележки грузового вагона с целью дальнейшего совершенствования их конструкции.
№ 1(13) 2013
03ВЕСТИЯ Транссиба
I
