CC BY
108
УДК 621.891
ВИДЫ ИЗНОСА ТРИБОКОНТАКТА «КОЛЕСО - РЕЛЬС» И СПОСОБЫ ЕГО СНИЖЕНИЯ
Д.В. Глазунов
В статье проведен анализ пяти основных типов износа бандажей колесных пар подвижного состава в условиях железных дорог России. Полученные результаты позволили установить, что основными видами изнашивания гребней колес и боковой грани головки является изнашивание при заедании, усталостное и вследствие пластической деформации. Сопутствующим является ударно-усталостное изнашивание. Рассмотрены устройство и принцип работы установки плазменного упрочнения на примере колесных пар грузового электровоза серии 2ЭС4К Дончак, системы видео мониторинга трибокон-такта «колесо-рельс» и опытного гребнесмазывателя, разработанных в Ростовском государственном университете путей сообщения, предназначенные для снижения интенсивности изнашивания бандажей колесных пар.
Ключевые слова: износ, бандаж, колесная пара, подвижной состав, смазывание, прокат, профиль.
Проблема повышенного износа бандажей колесных пар подвижного состава, наблюдаемая в последние годы на железных дорогах России является следствием многофакторного изменения условий взаимодействия колес подвижного состава и пути. Это связано с ростом объема перевозок и повышением грузонапряженности железных дорог.
Износу трибоконтакта «колесо-рельс» посвящены многочисленные исследования [1-11].
Для установления основного и сопутствующего видов изнашивания пары трения «гребень колеса - головка рельса» согласно ГОСТ 27674-88 обследовались бандажи колес и головки рельсов, выбракованные по причине их предельного износа.
Выявлено пять различных основных видов износа [12-15].
[ 1 Криволшеиный профи ль с большим радиусом кривизны
(2 1 Прокат бандажа опережает износ гребня
[ 3 Вертикальный прокат
[4 Односторонний подрез гребня
(5 Воздействие переменного электрического тока в контакте колесо-рельс
Рис. 1. Основные виды износа бандажей колесных пар подвижного состава
Первый тип износа наблюдается у набегающих колесных пар электровозов и электросекций, работающих на участке со средним и тяжелым профилем пути и большим числом кривых (рис. 1). Интенсивность изнашивания высокая. Образующая конической части гребня получает криволинейный профиль с большим радиусом кривизны; угол между касательной к образующей и осью колесной пары составляет 65° для электровозных и 70° для моторвагонных бандажей с отклонением 1-2°. Переход от образующей к вершине гребня представляет собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - накатом у моторвагонных бандажей (у электровозных бандажей накат снимается тормозными колодками). Радиус выкружки имеет размер, равный 12-13 мм с плавным переходом к конической части бандажа. Характерно изношенный гребень колеса (рис. 2, а) имеет матовую металлическую поверхность со следами схватывания металла в виде глубоких углублений осповидной формы, направленных снизу вверх, т. е. от выкружки к вершине.
Фрикционная поверхность пластически деформирована - закатана. На электровозных бандажах преобладают мелкие осповидные углубления, на моторвагонных - более крупные. Ближе к вершине гребня число углублений заметно уменьшается, а у самой вершины их нет совсем; они закатываются при течении пластически деформированного металла по направлению к вершине гребня. Выявлено наличие участков «белого слоя» в тех местах, где нет оспин схватывания. У вершины и выкружки гребня наблюдается износ в результате пластического деформирования, в средней части - схватывания и глубинного выравнивания. Износ и нарушение прочностных характеристик фрикционной поверхности изменяют первоначальную форму гребня колеса, который начинает представлять собой остроконечный профиль с большой пластической деформацией - остроконечным накатом (рис. 2, б). Соотношение интенсивности естественных форм износа (прокат и износ гребня) зависит от эксплуатационных условий, однако во всех случаях износ гребня опережает нарастание вертикального проката бандажа.
«Осповидный» износ вследствие
схватывания и вырыва металла Остроконечный накат
а б
Рис. 2 Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) изношенной поверхности гребня колеса
Второй тип износа наблюдается у бандажей колесных пар локомотивов и электросекций, эксплуатирующихся на равнинных участках с легким профилем пути и малым количеством кривых (рис. 1). В этих случаях прокат бандажа опережает износ гребня, который остается не менее 27-28 мм по толщине. Вид износа остается прежним, но значительно меньше выражено схватывание и задир поверхностей. Радиус выкружки составляет 10-11 мм. Переход от выкружки к поверхности катания - плавный. Износ гребня по высоте неравномерный: у выкружки более интенсивный, поэтому угол между продолжением образующей и осью колесной пары увеличивается до 70-75° при предельном прокате.
К третьему типу износа гребней следует отнести вертикальный прокат, нарастающий с соразмерной интенсивностью, которая находится в прямой зависимости от степени перекоса. Радиус выкружки равен 6-10 мм, переход от образующей конической части к вершине гребня резкий, иногда с остроконечным накатом.
Четвертым типом износа является односторонний подрез гребня из-за неправильной установки колесной пары в раме тележки (большое продольное смещение оси), а также большой разницы в диаметрах бандажей по кругу катания одной колесной пары. Поверхность катания приобретает ступенчатый накат, на гребне после значительного пробега сохраняются следы резца.
Что касается пятого типа износа, то, как известно, для электровозов и электросекций дополнительным фактором, воздействующим на износ, является наличие электрического тока в контакте колесо-рельс. Положительное влияние постоянного электрического тока на износ изучено в работе [15]. Авторы считают, что он оказывает в общем упрочняющее воздействие, так как окисляет поверхности и создает защитные пленки. Влияние переменного электрического тока на износ не изучалось.
Представленные типы износа отличаются различными внешними признаками, а также скоростью износа и формой рабочих поверхностей. Очевидно, что самый распространенный у подвижного состава электрических железных дорог первый тип износа бандажей является в то же время самым неблагоприятным, так как при обточках происходят значительные потери металла. Рабочие грани головок рельсов в результате интенсивного износа приобретают криволинейный профиль характерной формы. Смещение металла идет вниз по боковой поверхности головки рельса в зоне закругления, которая пластически деформирована и характеризуется наплывами металла износом путем изменения первоначальной формы. Поверхности трения боковой грани головки рельса характеризуются мелкими очагами схватывания и вырывами металла (рис. 3).
Боковой износ рельса
формы боковой грани рельса Изменение первоначальной
Рис. 3. Внешний вид (а) и поперечное сечение (б) изношенной поверхности боковой грани рельса
Полученные результаты позволили установить, что основными видами изнашивания гребней колес и боковой грани головки является изнашивание при заедании, усталостное и вследствие пластической деформации [15]. Сопутствующим является ударно-усталостное изнашивание. Характерно, что ин-
тенсификация процесса изнашивания происходит в случае, когда усталостный вид изнашивания на фоне протекающих процессов заедания вызывает разрушение поверхностей трения колес и рельсов в результате многократно приложенной динамической нагрузки при напряжениях, значительно меньших, чем в случае однократного их нагружения. При большом числе повторных нагружений напряжения, при которых происходит разрушение, могут быть ниже не только предела прочности, но и предела упругости. Анализ проведенных исследований показывает, что ресурс работы контактирующих элементов фрикционной системы колесо - рельс может быть увеличен в результате снижения процесса изнашивания в режиме схватывания и заедания при реализации эффективных технологических решений, которые препятствуют образованию фрикционных связей на участках фактического контакта.
Для установления основного и сопутствующего видов изнашивания пары трения гребень колеса - головка рельса обследовались бандажи колес и головки рельсов, выбракованные по причине предельного износа и не подлежащие восстановлению. Изношенные и сильно поврежденные в процессе эксплуатации участки поверхностей трения фотографировались, анализировались и в соответствии с известными признаками видов изнашивания (ГОСТ 27674-88), устанавливались основной и сопутствующий виды износа пары трения «колесо-рельс».
Вид характерных изношенных колес и рельсов (см. рис. 4) свидетельствует о том, что наиболее интенсивно изнашиваются средние части гребня колеса и головки рельса, на которых практически повсеместно имеются следы задира, свидетельствующие о схватывании и заедании.
Рис. 4. Характер износа поверхностей трения гребня колеса (а) и головки рельса (б)
Степень износа реборд колес и боковых поверхностей рельс является определяющей для безопасной эксплуатации системы «колесо-рельс», а затраты на контроль, профилактические работы и своевременную замену составляют существенную часть общих эксплуатационных расходов.
Используемые сегодня способы снижения износа: увеличение твердости (термическое упрочнение или нанесение износостойких покрытий), нанесение различных смазок имеют ряд ограничений, не позволяющих решить проблему радикально. Связано это с тем, что пара трения «колесо - рельс» предъявляет сложные, порой взаимоисключающие требования:
- нагрузки, возникающие в точке контакта, варьируются от нуля (отсутствие контакта) до максимально возможных значений (задир), следовательно, для каждой зоны нагружения оптимально подходит свой тип смазки - жидкая, консистентная, твердая;
- жесткое требование к отсутствию смазывающих веществ на головке рельса (дорожке качения);
- широкий диапазон внешних факторов: температура окружающей среды, влажность, запыленность, ограничение зоны контакта.
Упрочнение гребней колесных пар подвижного состава производится с учетом ТУ 0943-21801124323-2006 «Бандажные колеса с термическим упрочнением гребня». Для этого разработаны и используются три основные технологии: лазерная, плазменная и электроконтактная. Наиболее распространенной является плазменная технология (на предприятиях ОАО «РЖД» внедрено около 90 установок) (рис. 5).
Установка плазменного упрочнения представлена на рис. 5. При включении установки 4 в работу в плазмотроне 2 последовательно возбуждаются дежурная и рабочая (основная) дуга.
При взаимодействии последней с переменным магнитным полем электромагнитного сканатора 5 происходит синхронное перемещение (сканирование) с заданной амплитудой электродной привязки дуги по обрабатываемой поверхности, вследствие чего наблюдается скоростной нагрев поверхностного слоя до температур фазовых превращений. Затем, по мере вращения колесной пары универсальным вращателем 3 и удаления нагретых участков от зоны сканирования происходит их интенсивное охлаждение за счет кондуктивного отвода тепла в нижележащие, более холодные слои металла, т.е. происходит процесс самозакалки. Суппорт 1 служит для придания заданного пространственного положения плазмотрону 2 относительно обрабатываемой поверхности гребня колеса. В результате на обрабатываемой поверхно-
сти колесной пары за один ее оборот образуется упрочненный слой с определенными геометрическими и физико-механическими характеристиками. Данный слой представляет собой многокомпонентную химически активную и высокотемпературную струю продуктов сгорания углеводородного газа (метана, пропан-бутана). При этом качество упрочненных слоев зависит от расходных материалов, температуры в цехе, технического состояния установок и стабильности режимов.
Рис. 5. Установка плазменного упрочнения: 1 - суппорт; 2 - плазмотрон; 3 - универсальный вращатель; 4 - источник питания; 5 - блок поджига (на примере упрочнения гребней колес грузового
электровоза серии 2ЭС4К Дончак)
Улучшение характера движения экипажа возможно либо за счет использование поверхностного упрочнения колес, либо посредством разработки нового профиля колеса.
Однако смазывание трибоконтакта «колесо-рельс» позволяет за короткий срок и при относительно недорогом внедрении технологий смазывания и смазочных материалов является наиболее эффективным по сравнению с существующими способами снижения износа бандажей колесных пар.
В Ростовском государственном университете путей сообщения для снижения износа бандажей колесных пар подвижного состава, а также апробации триботехнических материалов используют разработанные в университете систему видео мониторинга (рис. 6, а) и опытный гребнесмазыватель (рис. 6, б).
Рис. 6 Разработки РГУПС для снижения износа бандажей колесных пар подвижного состава: а - процесс видео мониторинга: 1 - система видео мониторинга; 2 - конструкция ГРС 20.07; б - опытный гребнесмазыватель: 1 - корпус опытного гребнесмазывателя; 2 - рама тележки;
3 - бандаж колесной пары подвижного состава
Система видео мониторинга позволяет исследовать поверхность бандажей колесных пар подвижного состава при наличии смазочного материала и без него в течение всего периода эксплуатации подвижного состава. На борту тяговой единицы подвижного состава устанавливают регистрирующий блок системы видеонаблюдения, включающий многоканальный блок видеозаписи, видеомонитор и систему электропитания бортовой телеаппаратуры. Программная поддержка регистрирующего блока позволяет быстро выбрать интересующий видеофрагмент (время выбора не более 20 мс) и детально его просмотреть в разных режимах. Оперативный просмотр видеозаписи может выполняться на борту подвижной единицы с использованием режимов «Стоп-кадр», «Вперед», «Назад», «Увеличение», «Ускорение просмотра». Идентификационный блок системы видео мониторинга 1 (рис. 6, а) включает корпус, камеру видеонаблюдения, световую плату и антивандальный кожух. Камера видеонаблюдения предназначена для видео мониторинга состояния бандажей крайних осей тяговой единицы, и защищена антивандаль-
ным кожухом от инородных объектов (камней, мусора). Система видео мониторинга мобильна, так как время ее монтажа укладывается во время технического осмотра. Для установки оборудования достаточно обойтись штатным оборудованием и креплениями тяговой единицы [16-19].
Конструкция (рис. 6, б) опытного гребнесмазывателя 1 закреплена на буксе колеса 3 и расположена между рамой тележки 2 и корпусом подвижного состава. Опытный гребнесмазыватель позволяет варьировать углом подачи разработанного материала под собственным весом на гребень колеса. Данная установка предназначена для проведения эксплуатационных исследований и оптимизации процесса ро-тапринтного нанесения триботехнических материалов на гребень колеса подвижного состава с учетом различных вариантов смазывания. Разработка научно-обоснованных положений на базе созданной опытной установки позволит оптимизировать технологический процесс гребнерельсосмазывания [20-25].
Выводы. Рассмотрена проблема повышенного износа бандажей колесных пар подвижного состава и рельсов, наблюдаемая в последние годы на железных дорогах России.
Проведен обзор пяти основных видов износа трибоконтакта «колесо - рельс», выявленных на подвижном составе железных дорог России, на основании которого определено, что самый распространенный и в то же время самый неблагоприятный у подвижного состава электрических железных дорог является первый тип износа бандажей (криволинейный профиль с большим радиусом кривизны), так как при обточках происходят значительные потери металла.
На базе ФГБОУ ВО РГУПС разработаны система видео мониторинга и опытный гребнесмазы-ватель, для снижения износа бандажей колесных пар подвижного состава, а также апробации триботех-нических материалов.
Список литературы
1. Боуден Ф.П., Тейлор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968. 544 с.
2. Влияние степени упрочнения материалов в процессе трения на их стойкость против задира / И. В. Крагельский [и др.] // Машиноведение, 1977. № 6. С. 88-94.
3. Костецкий Б.И. Трение, смазка и износ в машинах. Киев: Тэхшка, 1970. 396 с.
4. Марков Д.П. Механизмы сцепления пары колесо - рельс с учетом фононного трения // Вестник ВНИИЖТ, 2003. № 6. С. 34-39.
5. Марков Д.П., Келли Д. Адгезионно-инициируемые типы катастрофического изнашивания // Трение и износ, 2002. № 5. С. 483-493.
6. Относительное проскальзывание в точках контакта колеса с рельсом / В.М. Богданов [и др.] // Вестник ВНИИЖТ, 1999. № 3. С. 6-10.
7. Трение и износ в экстремальных условиях / Дроздов Ю.Н. [и др.]. М.: Машиностроение, 1986. 224 с.
8. Markov D.P. Laboratory tests for seizure of rail and wheel steels // Wear 208. 1997. Р. 91-104.
9. Markov D., Kelly D. Mechanisms of adhesion-initiated catastrophic wear: pure sliding // Wear 239, 2000. Р. 189-210.
10. Евдокимов Ю.А., Браун Э.Д., Корнев В.И. Проблема триботехники на железнодорожном транспорте. методы решения // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2000. № 3. С. 19-21.
11. Волков И.В., Булавин Ю.П., Рубан В.Г., Коновалов П.Ю. Механическая часть электрического подвижного состава: учебное пособие // Ростовский государственный университет путей сообщения. Ростов-на-Дону, 2007. 92 с.
12. Голутвина Т.К. Влияние на износ материалов рельсов и гребней колес, удельного давления в контакте // Вестник ВНИИЖТ, 1961. № 3. С. 21-23.
13. Горский А. В., Буйносов А.П. Анализ износа бандажей // Железнодорожный транспорт, 1991. №1. С. 46-47.
14. Гоский А.В., Буйносов А.П. Об износе бандажей электровозов ЧС2 и ЧС3 // Железнодорожный транспорт, 1992. № 5. С. 45-47.
15. Кислик В.А., Вдовин М.А. Износ бандажей колесных пар магистрального электроподвижного состава постоянного тока // Повышение сроков службы рельсов и колес: Труды РИИЖТ. М.: Транспорт, 1967. Вып. 63. С. 170-172.
16. Патент на изобретение. Смазочный стержень. / Шаповалов В.В., Майба И.А., Кирюшкин А.В., Щербак П.Н., Вялов С.А., Данилейко Д.А., Глазунов Д.В. // RUS 2388635 13.05.2008, 2008.
17. Майба И.А., Глазунов Д.В. Диагностика работы гребнерельсосмазывателя при помощи те-левизионно-цифрового комплекса // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения, 2010. № 3 (39). С. 24-29.
18. Глазунов Д.В. Визуализация ротапринтного метода смазывания гребней колес подвижного состава. Железнодорожный транспорт, 2018. № 7. С. 70-72.
19. Майба И. А., Глазунов Д.В., Мироненко А. А. Трибологические исследования контакта "колесо-рельс" телевизионно-цифровым методом // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2010. № 3. С. 87-90.
20. Майба И.А., Глазунов Д.В. Технологическая оптимизация системы гребнерельсосмазыва-ния // Всероссийской научно-практической конференции: в 2 частях. Ростовский государственный университет путей сообщения. Транспорт-2005, 2005. С. 262.
21. Глазунов Д. В. Методика исследования трибологических характеристик компонентов смазочного блока, работающего в трибоконтакте «колесо-рельс» // Трение и смазка в машинах и механизмах, 2013. № 3. С. 031-037.
22. Губарев П.В., Глазунов Д.В., Мищихина Е.С. Анализ системы ремонта и диагностики локомотивов по фактическому состоянию // Труды международной научно-практической конференции «Транспорт-2013». Ростовский государственный университет путей сообщения, 2013. С. 143-144.
23. Kokhanovskii V.A., Glazunov D.V. Control of lubricant performance. Russian Engineering Research, 2017. Т. 37. № 9. С. 768-773.
24. Kokhanovskii V.A., Glazunov D.V. Selection of lubricant composition for open contact systems in rolling stock // Russian Engineering Research, 2016. Т. 36. № 6. С. 449-451.
25. Глазунов Д.В. Способы снижения колесных пар подвижного состава // Известия Уральского государственного горного университета, 2019. №2. С. 107-114.
Глазунов Дмитрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент, glazunovdm@yandex. ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения
TYPES OF WEAR TRIBOCONTACT «WHEEL-RAIL» AND WAYS TO REDUCE IT
D.V. Glazunov
In the article the analysis offive main types of wear of bandages of wheel pairs of rolling stock in the conditions of Railways of Russia is carried out. The obtained results allowed us to establish that the main types of wear of the ridges of the wheels and the side face of the head are wear during jamming, fatigue and due to plastic deformation. Related is the shock of fatigue wear. The device and principle of operation of the plasma hardening unit are considered on the example of wheel pairs of a 2ES4K Donchak series electric freight locomotive, a video monitoring system of the wheel-rail tribocontact and an experienced comb-lubricator developed at the Rostov state University of Railways, designed to reduce the intensity of wear of wheel pair bandages.
Key word: wear, a pair of wheels, rolling stock, lubrication, rolling, profile.
Glazunov Dmitry Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, glazunovdm@yandex. ru, Russia, Rostov-on-don, Rostov State University of Railways
УДК 621.9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МЕХАНИЧЕСКОГО ЗУБЧАТОГО БУНКЕРНОГО ЗАГРУЗОЧНОГО УСТРОЙСТВА С КОЛЬЦЕВЫМ
ОРИЕНТАТОРОМ
А.В. Хачатурян
Рассмотрены теоретические основы параметрического синтеза на заданную производительность механического дискового зубчатого бункерного загрузочного устройства с кольцевым ориента-тором на примере стержневого осесимметричного пустотелого предмета обработки формы тела вращения с асимметрией торцов, один из которых цилиндрический, а другой - сферический.
Ключевые слова: дисковое зубчатое бункерное загрузочное устройство, производительность, параметрический синтез.
Постановка задачи. В последнее двадцатилетие в ряде массовых производств штучной продукции, например, в производствах патронов стрелкового оружия, все чаще стали появляться предметы обработки (заготовки, полуфабрикаты, элементы изделий и т.п.), относящиеся к классу осесимметрич-ных предметов обработки формы тел вращения, которые не имеют явно выраженных «ключей
