CC BY
51
УДК 629.4.027
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ И МЕТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НА ИЗНОС И РЕМОНТОПРИГОДНОСТЬ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
А.А. Воробьев1
Петербургский государственный университет путей сообщения, 190031, г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9.
Показано, что одним из эффективных направлений повышения ресурса и ремонтопригодности колесных пар подвижного состава являются комплексные меры по улучшению механических и метрических свойств колеса. Ил. 5. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: колесная пара; ресурс; подвижной состав; профиль катания; изнашивание.
INFLUENCE OF MECHANICAL AND METRIC PROPERTIES ON THE WEAR AND TEAR AND MAINTAINABILITY OF ROLLING STOCK WHEELSET A.A. Vorobjev
Petersburg State University of Railway Engineering, 9 Moskovsky Av., Saint-Petersburg, 190031.
The author demonstrates that one of the most effective ways to increase the resource and the maintainability of rolling stock wheelsets are comprehensive measures to improve mechanical and metric properties of a wheel. 5 figures. 7 sources.
Key words: wheelset; resource; rolling stock; wheel tread; wear and tear.
Сложившиеся условия эксплуатации железнодорожного транспорта требуют повышения надежности и увеличения срока службы колесных пар подвижного состава. Средняя скорость изнашивания поверхностей катания колес и рельсов находится в пределах соответственно 0,01 - 0,03 мм на 10 тыс. км пробега или на 1 млн т пропущенного тоннажа. Боковой износ гребня приводит к огромным потерям на железнодорожном транспорте. Убытки от бокового износа в несколько раз больше, чем от вертикального, и не толь-
ко из-за большей скорости изнашивания, но и из-за необходимости большего съема металла при обточке (рис. 1).
Причиной интенсивного изнашивания гребня с семидесятых годов прошлого века явился целый комплекс аспектов: изменение конструкции подвижного состава, верхнего строения пути и нагрузки от колесной пары на рельсы; замена буксовых подшипников скольжения на качения; изменение радиуса кривых и ширины колеи и др. Убытки только одного локомотив-
IS24- мм 1520 ттлт
Рис. 1. Положение колесной пары и рельса. Характер износа и количество удаляемого металла при ширине рельсовой колеи 1524 и 1520 мм
1 Воробьев Александр Алфеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов, тел.: (812) 4578392, e-mail: vorobev_alex@mail.ru
Vorobjev Alexander Alfeevich, Candidate of technical sciences, associate professor of the chair of Metal Technology of St. Petersburg State University of Railway Engineering, tel.: (812) 4578392, e-mail: vorobev_alex@mail.ru
••
и
Рис. 2. Распределение эквивалентных напряжений в зоне контакта колеса и рельса (профиль ГОСТ с 0950 мм)
ного хозяйства оцениваются в 6 млрд руб./год [1]. Таким образом, если колеса будут обтачиваться не по тонкому гребню, а по предельному прокату, то пробег между обточками увеличится в 3 раза, а ресурс колес в 6 раз.
Предпринятая (начиная с 2004 года) попытка по увеличению твердости колес хотя и снизила проблему, но не решила ее окончательно. Анализ результатов расчетов моделей различных профилей колеса и рельса в программном комплексе ANSYS [2] (рис. 2) свидетельствует о том, что наибольшие эквивалентные напряжения возникают в модели с профилем ГОСТ (диаметр по кругу катания 950 мм) и составляют 720 Мпа, а наименьшие - в модели с профилем Дме-
800
ТИ (диаметр по кругу катания 1250 мм) и составляют 595 Мпа (рис. 3).
Для бандажной стали марки 3 твердость на глубине 30 мм составляет 270 НВ, следовательно, св = 0,36 • 270 = 972Мпа, тогда для твердости,
1400Мпа. Таким
св
ограниченной « 390 НВ, образом, металл колеса при св = 1400Мпа будет
находиться в более выгодных условиях, чем при твердости 270 НВ.
Кроме вышеперечисленных аспектов на ресурс колеса влияет целый комплекс факторов: метрические и механические свойства колесной пары [2, 3].
т
У 700
600
500
400
300
200
100
0
950 мм
Профиль ГОСТ Профиль ДМеТИ
1050 мм 1250 мм
Диаметр профиля катания колеса
Рис. 3. Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в конечно-элементных моделях колесной пары
Рис. 4. Величина углов: а - угол соскальзывания ас, равный углу наклона гребня колеса аГ ; б - угол соскальзывания ас, равный углу наклона боковой поверхности рельса аР
Рассматривая профиль поверхности катания колеса, следует отметить, что угол соскальзывания ас
сильно влияет на интенсивность изнашивания гребня, а следовательно, и поверхности катания колеса.
Угол соскальзывания ас - это угол наклона плоскости, по которой направляющее колесо накатывается на рельс или соскальзывает с него (рис. 4). От его величины зависит возможность вкатывания колеса гребнем на рельс. Чем меньше ас, тем легче колесо
вкатывается на рельс и тем больше частота и амплитуда процесса вкатывания - соскальзывания и больше вероятность возникновения задира.
Для снижения вероятности задира боковых поверхностей угол соскальзывания нужно увеличивать [3], что равносильно увеличению профильного радиуса в контакте конус - конус, поэтому этот процесс сопровождается снижением контактного давления на боковую поверхность рельса. Это благотворно влияет на состояние колеса и рельса (контактно-усталостные
Толщина гребня
повреждения колес и рельсов), резко снижается вероятность вкатывания направляющего колеса гребнем на головку рельса с последующим сходом колесной пары.
Величина эксплуатационного угла соскальзывания зависит от ряда факторов [3]:
- исходных углов наклона гребней и боковой поверхности рельса;
- соотношения их скоростей изнашивания и, следовательно, от абсолютного значения и соотношения их твердостей;
- частоты замены и перепрофилирования колес и рельсов;
- интенсивности грузоперевозок;
- соотношения грузовых и пассажирских перевозок и др.
В настоящее время разница между углами наклона боковой поверхности нового рельса и гребня нового колеса составляет 35-37°. После внедрения закалки рельсов более мягкие колеса стали быстрее прирабатываться к новым рельсам, приобретая угол наклона
Рис. 5. Профиль катания колеса
70-90°. Казалось бы, это положительный момент: с увеличением угла наклона гребня резко сокращается вероятность возникновения задиров боковых поверхностей и сходов состава с рельсов. Если бы их оставили прирабатываться дальше, то и колеса, и рельсы постепенно приобрели бы профиль, близкий к равновесному. Но это посчитали недопустимым и по соображениям безопасности прохождения стрелочных переводов в инструкцию по освидетельствованию колесных пар [4] был внесен дефект - вертикальный подрез гребней. На основании статистических данных угол наклона гребней было предложено ограничить величиной 71°. Получается, что колеса стремятся приработаться к рельсам, а их принудительно перетачивают, заставляя рельсы прирабатываться к профилю нового колеса. В итоге устанавливается эксплуатационный угол соскальзывания, близкий к исходному углу наклона гребней колес, но очень далекий от равновесного, вследствие чего износ оказывается в несколько раз большим, чем при естественном равновесии.
Кроме угла соскальзывания на интенсивное изнашивание профиля оказывает влияние и угол наклона гребня дк (рис. 5).
В 1992 г. требование к углу наклона гребней ужесточили, введя, так называемый, параметр крутизны гребня дн и ограничив его величину значением
6,5 мм. Параметр дк - это расстояние между двумя
точками наружной поверхности гребня, одна из которых находится в 2 мм от вершины, а другая - в 13 мм от круга катания колеса (см. рис. 5).
При дк > 6 - 6,5 возрастает вероятность сходов, увеличивается вероятность возникновения задиров, повышается скорость бокового износа, растягивается приработка колесно-рельсовой пары на весь срок службы и в конечном итоге снижается ресурс колес и рельсов. Установившийся угол наклона гребня должен получаться естественным путем в результате изнашивания. Недопустимо принудительно (путем обточек) добиваться искусственно установленной ве-
личины угла наклона, существенно отличающейся от естественно изношенного профиля.
Когда твердость рельсов в среднем была 260 НВ, а колес 240 НВ, разница между исходными углами наклона в 35 - 37° была оптимальной, и приработка занимала ничтожно малое время. Вертикальные подрезы гребней, конечно, были, но существовали короткое время и редко замечались. После увеличения твердости рельсов до 340 - 360 НВ и гребней до 300 -700 НУ (с учетом плазменного упрочнения) период приработки и, соответственно, период катастрофического износа растянулись почти на весь период эксплуатации. При увеличении твердости рельсов и колес нужно изменять соотношение углов наклона.
За рубежом одновременно с увеличением твердости колес и рельсов увеличили углы наклона гребней с 70° [5] до 75° [6], что способствовало увеличению безопасности движения и прекращению катастрофического бокового износа. Осознание того, что большая твердость, большие углы наклона гребней колес и высокие скорости движения не только не увеличивают боковой износ, но, напротив, приводят к его снижению и в дополнение к этому к снижению контактно-усталостных повреждений колес и рельсов и увеличению безопасности движения в России продвигается очень медленно [3]. Уже многие страны увеличили углы наклона гребней до 70° и выше, особенно на скоростных дорогах [7]. В России же исходные углы наклона гребней практически остались без изменения (60 - 67°).
Из практики передовых стран для твердостей 350400 НУ оптимальный угол наклона гребней и боковых поверхностей рельсов в кривых, по-видимому, равен 75-80°. Такой угол почти полностью предотвращает катастрофический боковой износ и вкатывание направляющих колес на наружный рельс в кривых, в то же время, лишь незначительно повышая усталостный износ боковых поверхностей.
Таким образом, для повышения ресурса колеса необходимо проведение комплекса мероприятий, направленных на повышения эффективности использования метрических и механических характеристик колесной пары.
1. Богданов В.М. Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе колесо - рельс // Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: сб. докл. Научн. конф. М.: Интекст, 2003. С. 14-20.
2. Воробьев А.А. Совершенствование технологии восстановления колесных пар повышенной твердости: дис... канд. Техн. наук. СПб.: ПГУПС, 2005.180 с.
3. Марков Д.П. Трибология и ее применение на железнодорожном транспорте. М.: Интекст, 2007. 408 с.
4. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию вагонных колесных пар. ЦВ/3429. М.: Транспорт, 1977. 87 с.
ский список
5. falousek J. Contact geometry between wheel flange and rail/Division of mechanical engineering report. Canadian Railway Institute. Vancouver, 1984. № 3.18 p.
6. Wheel/rail materials and interaction: North American heavy haul practices /D. H: Stone, K. Sawley. D. Kelly, W. Shust / Ргос. Оf 1ННА'99 STS-conf. Moscow. 1999. R. 155- 168.
7. Minami Y. (Central Japan Railway Company). A Study of Curving Performance by Improving Arc Wheel Profile for Shin-kansen / 4-lh Int. Wheelset congress, Orlando, USA. 2004. (in CD).
