Влияние увеличения осевой нагрузки на образование выщербин на поверхности катания железнодорожных колес из стали повышенной твердости Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.031.1:625.032.32:531.01

М. И. БИСЕРИКАН А. В. ОБРЫВАЛИН А. А. РАУБА

Омский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ НА ОБРАЗОВАНИЕ ВЫЩЕРБИН НА ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС ИЗ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ

В статье рассмотрено влияние повышения нагрузки на ось колесной пары и увеличение скорости движения на процесс образования выщербин в процессе контактного взаимодействия в системе колесо—рельс при отклонении формы профиля в результате недостаточно эффективной технологии ремонта. Произведены расчеты напряженно-деформированного состояния, представлена модель обработки твердого колеса, позволяющая достичь необходимых показателей качества поверхности.

Ключевые слова: колесо повышенной твердости, термомеханические повреждения, технологическая наследственность, напряженно-деформированное состояние, усталостное разрушение.

Безопасность движения подвижного состава и экономическая эффективность грузоперевозок во многом зависят от эксплуатационной долговечности колесной пары. В связи с основными направлениями развития ОАО «РЖД» до 2015 г. по увеличению нагрузки на ось до 27 — 30 тс и возрастания скорости движения до 140 км/ч, производится замена парка колесных пар подвижного состава на новые, обладающие повышенной твердостью и износостойкостью. С 2003 года начат выпуск цельнокатаных колес с твердостью обода 320 — 360 НВ, в соответствии с договором ОАО «РЖД» с Выксунским металлургическим заводом (ВМЗ) с целью сокращения отцепок грузовых вагонов по неисправностям колесных пар.

На основании анализа статистических данных (рис. 1) за 10 месяцев 2009 г., наблюдается снижение количества отказов колес повышенной твердости по сравнению с колесами обычной твердости по таким дефектам, как: прокат, навар, тонкий гребень. Но одновременно с этим, выросло число термомеханических дефектов: в 2 раза по выщербинам и в 2,5 раза по ползунам, более чем в 4 раза. При восстановлении профиля колес повышенной твердости в настоящее время существуют две проблемы. Во-первых, это неудовлетворительное качество механической обработки колес с термомеханическими повреждениями

(ТМП), проявляющееся в наличии на поверхности катания после их обточки, в результате технологической наследственности, макронеровностей (ТНВ). Во-вторых, снятие в стружку значительного слоя полезного металла, что сокращает срок службы колеса.

Для надежности узлов подвижного состава наиболее опасными являются короткие неровности (стыки, ползуны, выщербины), действие которых носит выраженный ударный характер, однако особенности поверхности качения колесной пары, являются причиной появления возмущающих колебаний [ 1 ]. По экспериментальным данным ВНИИЖТа, полученным при испытаниях всех видов подвижного состава, ускорения оси колесной пары, в середине рельсового звена, имеют величину 1,5—2,Од. [2,3]. Исследования, выполненные в ДИИТе, выявили, что интенсивность нарастания сил существенно зависит от величины приведенной массы и жесткости пути.

Большинство предлагаемых методов и технологических процессов [4], рекомендуемых по обработке колес с ТМП, не используются на ремонтных предприятиях АО «РЖД». Они существенно снижают производительность и повышают технологическую себестоимость их механической обработки по сравнению с колесами без ТМП. Средняя протяженность участков ТМП не превышает 5— 10% от длины обрабаты-

Таблица 1

Данные к определению межремонтного пробега колеса

Высота макровыступа Н, мм Напряжение цикла о, МПа Число циклов до разрушения, N Деформация Д, мм Объем исходного повреждения V,,, мм1 Число циклов до образования выщерблины, N.

0,1 1036 1000000 0,14 0,41 310000000

0,2 1460 110000 0,33 1,12 86000000

0,5 1795 13200 0,42 1,87 25700000

0,8 1901 1850 0,46 2,79 3200000

30

% 20

10

Без ремонта Выщербина Ползун ■ Колесо повышенной твердости

Навар

Тонкий

Подрез

гребень * Колесо обычной твердости

Рис. 1. Статистические данные повреждаемости стандартных и «твердых» вагоиных колес в эксплуатации

"О 5 « е 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 *Ю»5'.ми«5 120 1 гтп'С>ина11олчуна2.5-2.()'ММ.2 глубш[лпол1\паменее0.75мм.

Рис. 2. Результаты обмера «твердых» колес после чистовой обработки индикатором ИРБ ГОСТ 5584-75

■У*»'

ш'

/

/ /

о ори оря о.озз .- о.аг

Рис. 3. Зависимость силы резания от времени взаимодействия с дефектом (1-2 мм; 8-1,5 мм/об)

Рис. 4. Схема взаимодействия колеса с резцом, при обточке колесной пары: П - угловая скорость вращения колесной пары; р , Р2- коэффициент демпфирования колесной пары и резца; с,, с2 - коэффициенты жесткости; Р - сила резания;

Р^ Рп - касательная и нормальная сила резания;

К, - радиус колеса

ваемой поверхности катания колеса. Бездефектные участки должны обрабатываться по установленным в технологии режимах для серийных колес.

Исследования влияния впадин и выпуклостей на поверхности катания колес размером 0,2 — 0,5 мм на процессы контактного взаимодействия с рельсом, проведенные В.Ф. Яковлевым [5), показали существенное изменение напряженно-деформированного состояния материала в зоне контакта.

Для определения отклонения формы вагонных колес по кругу катания, были произведены замеры

после обточки на колесотокарном станке, при помощи индикатора ИРБ ГОСТ 5584-75. Измерения производились в области термомеханических повреждений (ТМП). Полученные данные позволили построить развертки поверхностей этих областей (рис. 2).

Процесс качения колеса, содержащего на поверхности катания дефекты термо-механического происхождения, или технологически наследованные выступы, по рельсу сопровождается ударными нагрузками, являющимися самым резким проявлением динамических нагрузок. Данные нагрузки, создают дополнительное напряженное состояние как в колесе, так и в рельсе, существенно превышающее штатное, которое имеет место при качении колеса по рельсу без дефектов.

По мере увеличения длительности работы подвижного состава, т. е. увеличения числа циклов нагру-жений материала колеса и рельса, накапливаются их необратимые изменения, приводящие к усталостному разрушению материала колеса. Ситуацию еще более усугубляет сложные профиль макровыступов. Под действием высоких значений сил резания система «колесо — режущий инструмент — станок» начинает совершать колебательные движения. Колебания режущего инструмента являются причиной волнистости на поверхности колеса. Итогом этого становиться занижение результатов расчетов контактных напряжений в контакте колесо — рельс.

Согласно теории Герца-Беляева, удельные давления по ширине площадки контакта распределяются по эллиптическому закону. Однако при движении колеса по рельсу этот закон изменяется вследствие гистерезиса. При этом эллиптический закон распределения удельного давления нарушается. Площадь эпюры давлений распределяется на зону нарастающих и зону исчезающих деформаций. Метод

г >

Е

5

х О 00

т >

Положение колеса при ударе

-Идеальное колесо, скорость 34м/с -й- ОтклонеииеО,2мм, скорость34м/с -Отклонение0,5мм, скорость34 м/с Отклонение0,8мм.скорость 34м/с

Положение 1

Потише 2

о о ение ,

Рис. 5. График изменения максимальных контактных напряжений, в области ТНВ при скорости движения подвижного состава 120км/ч и осевой нагрузке 27 т

Высота неровностей, мм

-♦-Удар в 1 зоне при 120км-ч -"■-Напряжение в средней зоне макронеровностн -»-Ударво 11 дане при 120кы.'ч -^-Нормальное колесо (без макронеровностен) Рис. 6. График изменения максимальных контактных напряжений прн скорости движения подвижного состава 120км/ч и осевой нагрузке 27 т

расчета на прочность рекомендует определять наибольшие напряжения в центре эллипса касания колеса и рельса по формуле:

ЪР

_ -*1 шах

2 тЪ

(1)

где а, Ь — полуоси эллипса площадки контакта, мм;

Ртах — максимальная нагрузка, Н.

Увеличения нагрузки приводит к увеличению значений контактных напряжений. При этом влиянию нагрузки подвергается больший объем металла, кроме того, на процесс контактирования влияет качество поверхности взаимодействующих тел.

Для изучения влияния микрорельефа поверхности на напряженно-деформированное состояние (НДС) приповерхностных слоев тел, находящихся в условиях контактного взаимодействия, необходимо решать задачу множественного контакта, т.е. смешанную задачу механики деформируемого твердого тела для системы пятен контакта [6].

4-г"2

_5_ 20 60 120 120 _Р+/?+ Р + /? _

(2)

где Р--

■1п N

Я — эквивалентный радиус, мм; г— радиус вершины неровности, мм; в — шаг неровности, мм;

N — количество контактирующих неровностей;

Б — коэффициент Пуассона; Е — модули Юнга;

Ь = Ра-а,

(3)

(4)

где Ра — коэффициент, зависящий от соотношения диаметров взаимодействующих тел.

Программой развития предусматривается увеличение нагрузки, поэтому проблема повышения качества ремонта, для обеспечения надежности работы подвижного состава стоит наиболее остро. В результате отклонений формы колеса происходит появление динамических воздействий в системе «колесо — рельс». Причиной отклонения формы является изменение глубины резания при ремонте колесных пар. При изменении толщины среза происходит изменение силы резания. Изменение силы резания от времени имеет экспоненциальный вид (рис. 3). После встречи с дефектом, имеющим твердость до 1000 НУ, в 2,5 раза выше твердости основного металла поверхности катания, режущий инструмент испытывает удар как при входе в дефектную зону, так и при выходе из нее. При этом резец нагружается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, представляющего собой запаздывание системы.

При обточке колесных пар ввиду большей вращающейся массы (около 2,5 т для электровозных коле-

ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 Высота неровностей, мм

0,7

0,9

-♦—Удар в I зоне при 100км/ч

-•-Напряжение в средней зоне макронеровности

е - Удар во II зоне при 1 ООкм'ч

Рис. 7. График изменения максимальных контактных напряжений при скорости движения подвижного состава 100км/ч и осевой нагрузке 27 т

при

0,3 0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 0. Высота неровностей, мм

-♦—Удар в I зоне при 80км/ч

-•-Напряжение в средней зоне макронеровности

•™»~~Удар во II зоне при 80км/ч

Рис. 8. График изменения максимальных контактных напряжений скорости движения подвижного состава 80км/ч и осевой нагрузке 27 т

сных пар и 1,4 т для вагонных колесных пар) и большей жесткости станка, энергию удара от дефекта воспринимает твердосплавная пластина, обладающая высокой твердостью и малой пластичностью.

Дифференциальные уравнения движения подсистемы детали представлены в виде:

. . ¡1 г (к ..

(5)

еГ.Т Яя

т, -^4 + й • —+с,-х = Р(Т). 1 и ат 1 ч >

(¡Т"

со4у+&- м)

Я, [И-зт^+в-//)]

(6)

£1 <1Т2

1 + 51п(/ + 0-^)]

6©

<п <п

где М, р, и с, — масса, коэффициент сопротивления и коэффициент жесткости подсистемы детали;

Ру,Рг — переменные силы резания силы резания при поперечных колебаниях.

Схема взаимодействия системы «колесо — резец» при точении, учитывающая нелинейную зависимость силы резания от скорости, нелинейные процесс трения между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью колеса, и предположение, что колебательная система имеет две степени свободы по координате х и вращение (рис. 4).

В результате математического моделирования процесса обточки поверхности катания колесных пар повышенной твердости, были получены зависимости между силой резания и отклонением профиля катания от условного нулевого уровня. Величина отклонения профиля обработанного колеса находится из системы дифференциальных уравнений:

где 0 — угол изгиба резца под действием сил резания;

г — изменение глубины резания, вследствие отжатия инструмента; а — глубина резания.

Численным расчетом по формулам (1—4) получены графики изменения контактных напряжений при прохождении ТНВ для диапазона скоростей от 80 до 120 км/ч, при осевой нагрузке 27 т (рис. 5 — 8). Графики построены с учетом определения границ зоны контактов согласно [6] и учетом микрорельефа поверхности ка-тания колеса.

В процессе качения колеса по рельсу в пятне контакта возникают напряжения, сравнимые с пределом выносливости стали, а в области ТНВ превышающие предел прочности колесной стали, и достигающие 1,8 — 2 ГПа. Таким образом, велика вероятность того, что в этой области произойдет зарождение и развитие усталостных трещин, приводящих в последующем к образованию выщербин на поверхности катания вагонного колеса.

Увеличение размеров пятна контактов влечет за собой уменьшение контактных напряжений. Однако, в виду сложного профиля поверхности взаимодействующих тел, в определенных областях площадки контакта происходит значительное увеличение напряжений. Это происходит в результате взаимодействия систем сферических выступов (волнистость поверхности). Таким образом, на поверхности ТНВ будут располагаться области, которые в дальнейшем, образуют микротрещины. В результате многочисленных циклов нагружений происходит слияние микротрещин и образуется выщербина.

Высокие значения контактных напряжений, сравнимые, либо превышающие предел прочности стали являются причиной возникновения выщербин. Расчет колес вагонов предлагается йроизводить по вероятностному методу [7]. Оценка прочности колеса производится на основе зависимости:

(7)

где ак — средниипределусталости в расчетной зоне при установившемся режиме переменного нагруже-ния на базе испытаний = 108 циклов; ок = 85 МПа;

<т0э — расчетная величина амплитуды условного стационарного нагружения колеса, приведенная к базе циклов, действие которого эквивалентно действительному нестационарному эксплуатационному режиму за расчетный срок службы колеса;

[п] — допускаемый коэффициент запаса усталости расчетной зоны диска колеса; [п] = 2.

Эквивалентное напряжение рассчитывается по зависимости:

- ш i

М. 0.5 1

Л 12 1 "т»

^l + k.n&fjJteS,,

ехр

2SI

da, (8)

где т = 9;

1Ч0 — суммарное число циклов действия нагрузки за расчетный срок службы колеса, принимается равным 30-108 циклов;

<7т.п, ог — минимальное и максимальное значение амплитуд напряжений в расчетной зоне;

Оц — среднее значение напряжения;

5,. — среднеквадратичное отклонение.

Повреждающими являются амплитуды с минимальным значением а^> в качестве верхнего предела принимается атш = ац + 2.55^ .

Для определения средних напряжений <т0э и среднеквадратичного отклонения напряжений <т0, для цельнокатаных колес в [7] используют зависимость напряжений от единичной вертикальной силы:

ст0, = 0.21 • («0, + 1д0а„ + 1^а21 + ¡ма31 + Лса4(), (9)

а

h = Ak + Bktüi+Ckt^

(10)

усталостных трещин. При максимальных напряжениях выше этого первого предельного напряжения отдельные зерна металла в процессе циклического нагружения пластически деформируются с возможным образованием усталостных трещин. Однако распространение трещин на два и более зерен происходит только в случае, когда максимальное напряжение цикла выше второго предельного напряжения — предела выносливости.

Кроме того, ввиду несовершенства технологии ремонта, усталостное разрушение материала колеса может происходить не только в области ТНВ, но и на поверхности, которая была обработана в обычных условиях, без ударных нагрузок на режущий инструмент и значительного отжатия режущего инструмента. Причиной этого является то, что поверхность колесной пары и рельса не идеальна, у них имеются отклонения геометрических размеров. У колеса это волнистость поверхности, создающая динамические воздействия на рельс, подобно ТНВ, но ввиду ее меньших геометрических характеристик, оно отличается по силе взаимодействия. У рельса это дефекты, образовавшиеся в результате эксплуатации: при про-боксовке рельса колесами локомотивов.

Таким образом, увеличение нагрузки на ось до 27 тонн, вызывает необходимость повышения качества ремонтных работ. Увеличение высоты микронеровностей с 0,3 до 0,5 мм приводит к 40% увеличению величины контактных напряжений.

Библиографический список

1. Соколов, М. М. Динамическая нагруженность вагона / М. М. Соколов, В. Д. Хусидов, Ю. Г. Минкин. — М.: Транспорт, 1981. - 207 с.

2. Тележные экипажи локомотивов для повышенных скоростей движения: тр. / ЦНИИ МПС, 1962. - Вып. 248. - 304 с.

3. Результаты исследований динамики электровозов ВЛ80, ВЛ22М и электропоездов ЭР2 и ЭР22: тр. / ЦНИИ МПС, 1969. -Вып. 317. - 208 с.

4. Обрывалин, А. В. Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт: дис. канд. техн. наук: 05.22.07 /A.B. Обрывалин. — Омск, 2010. — 146 с.

5. Яковлев, В. Ф. Исследование контактных напряжений в элементах колеса и рельса при действии вертикальных и касательных сил / В. Ф. Яковлев // Исследование контактной прочности рельсов // Сб. научн тр. - Д.: ЛИИЖТ, 1962. - Вып. 187. - С. 3 - 89.

6. Горячева, И. Г. Контактные задачи в трибологии / И. Г. Горячева, М. Н. Добычин. — М.: Машиностроение, 1988. — 253 с.

7. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). Дата введения 01.07.1996г. [Электронныйресурс]. - URL: http://dwg.ru/diil/ 2822 (дата обращения: 11.10.10).

где А, В, С — табулированные величины.

Используя, разработанную в [4] методику определения усталостного разрушения колесных пар повышенной твердости, по полученным значениям максимальных контактных напряжений получим число циклов до образования выщербины браковочных размеров на поверхности катания колесной пары (табл. 1).

Когда максимальные напряжения цикла ниже некоторого предельного напряжения, в зернах металла не возникает пластическая деформация такой величины, которая может привести к образованию

БИСЕРИКАН Михаил Иванович, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». ОБРЫВАЛИН Алексей Викторович, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», заместитель декана механического факультета по учебной части.

РАУБА Александр Александрович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». Адрес для переписки: e-mail: RadenXG@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.02.2011 г. © М. И. Бисерикан, А. В. Обрывалин, А. А. Рауба