CC BY
29
УДК 629.4.027.4:669.14.018.294
I. О. ВАКУЛЕНКО (ДПТ)
ЗАЛЕЖН1СТЬ СТРУКТУРНИХ ПЕРЕТВОРЕНЬ ПО ПОВЕРХН1 КОЧЕННЯ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С В1Д ТИПУ ГАЛЬМ1ВНО1 СИСТЕМИ
Виникнення руйнування залiзничного колеса обумовлено формуванням високих локальних напружень вiд неоднорвдно! пластично! деформаци, циктчно! змiни температур пвд час гальмування та типом гальмiв-но! системи.
Возникновение разрушения железнодорожного колеса обусловлено формированием высоких локальных напряжений от неоднородной пластической деформации, циклической смены температур при торможении и типом тормозной системы.
The destruction occurrence in a railroad wheel is caused by formation of the high local stresses produced by the inhomogeneous plastic deformation, the cyclic temperature change during and after braking as well as the type of brake system.
В сучасних умовах збшьшення маси рухо-мого складу, з одночасним тдвищенням штен-сивност руху, супроводжусться зростанням навантаження на залiзничнi колеса та рейки. Враховуючи, що в умовах високих тягових i гальмiвних потужностей процес руху вщбува-еться на меж1 зчеплення, питання оптимального структурного стану залiзничних колiс та рейок стае достатньо актуальним. О^м цього, для шдвищених швидкостей руху значно збшьшу-еться температурний вплив, особливо в зош контакту колесо-рейка. Наведений вплив знач-ною мiрою зв'язаний не тшьки iз структурним станом металу залiзничних колiс та рейок, а ще i з особливостями процесу гальмування. Порiв-няльний аналiз впливу на метал по поверхш кочення, при використанш дискових гальмiв-них пристро!в i колодочно! схеми, показав ю-нування як багато спiльного, так i сво!х особ-ливостей. На пiдставi чисельних наукових до-слщжень, з урахуванням специфiки навантаження, умов експлуатаци, визначений рiзний оптимальний структурний стан металу залiзни-чних колю та рейок. Так, для затзничних колю використовують термiчнi змщнюючи обробки, особливо для об'емiв металу обода, яю сприя-ють формуванню дрiбнодиференцiйованих пла-стинкових структур сорбггу з переривчастою сiткою структурно вшьного фериту, який роз-ташований по колишшх великокутових аусте-нiтних границях. Рейки, навпаки, шддаються змiцнюючим термiчним обробкам, якi приво-дять до структур полшшення - структурнi пе-ретворення за зсувним механiзмом з подаль-шим вiдпуском сталi. В цьому випадку струк-
турний стан металу - дрiбнодисперснi глобулi карбщно! фази рiвномiрно розташованi у фери-тнiй матрицi.
Метою роботи е визначення якюних ознак стосовно очшуваних структурних перетворень в металi затзничних колiс при експлуатацii в залежност вiд використання принципово рiз-них схем гальмування.
Матерiалом для дослiдження е вуглецевi стат, якi використовуються для виготовлення затзничних колiс. Аналiз внутрiшньоi будови металу проводили з використанням методик кшькюно! металографii при дослiдженi струк-тури шд свiтловим мiкроскопом.
На пiдставi аналiзу внутрiшньоi будови металу обода залiзничного колеса визначено, що пюля термiчноi змiцнюючоi обробки структура представляе собою ферито-перлiтну сумiш рiз-ного ступеня дисперсностi i морфологи, в за-лежностi вiд вщсташ вiд поверхнi примусового охолодження [1]. В процес експлуатацii затз-ничне колесо шддаеться рiзноманiтним впли-вам. Так, виникаючий наклеп металу по поверхш кочення, маючи визначений градiент зна-чень углиб обода, одночасно з градiентом температур по товщиш обода вiд взаемоди з рейкою, визначають характер структурних змш в металi. Однак, сам характер структурних змш в метат затзничного колеса пiд час експлуатаци може змшюватися в залежносп вiд викорис-тано1' схеми гальмування.
Для схем гальмування з використанням га-льмiвних колодок визначено, що стискування залiзничних колiс по поверхш кочення сприяе, з достатньо високою швидкютю, збшьшенню
температури в приповерхневих прошарках ме-талу. При цьому температура розiгрiву за рiз-ними оцiнками [2] в прошарку металу до 1 мм може досягати значень, достатшх для початку фазових перетворень (до 800 °С). Так, для об'eмiв металу, яю пiддаються нагрiву до 600...650 °С з попереднiм наклепом, адекват-ним 40.50 % пластично! деформаци, в мiсцях перлiтних колонiй спостерпаеться формування частково (в залежностi вщ ступеня пластично! деформаци та температури на^ву) сферо!ди-зованих карбiдних часток (рис. 1). Прошарки структурно вшьного фериту (по стехiометрi! в колюних сталях об'емна частка може досягати до 25 %) тсля наведеного впливу можуть пере-творюватися в ланцюги, якi складаються з др> бних зерен рiзно! морфологи. Зменшення вщ-станi вiд поверхнi кочення сприяе одночасно збiльшенню ступеня наклепу металу обода та температури розiгрiву. Як визначено досл> дженнями [3], на^в вуглецево! сталi з 0,6 % С до температур 700... 720 °С тсля попередньо! пластично! деформаци 60.70 % супроводжу-еться розвитком процесiв рекристалiзацi!, при-чому розмiр зерна фериту обернено пропорцш-ний швидкостi нагрiву та величиш наклепу. Враховуючи, що п'ятно контакту залiзничне колесо-рейка мае достатньо малий розмiр, за одне обертання колеса на поверхнi кочення фо-рмуеться вузька смуга з визначним ступенем наклепу, в той час як сусщш дшянки на повер-хнi кочення залишаються незмiнними. Таким чином, тшьки за рахунок взаемоди колеса з рейкою при вшьному коченнi виникае достатньо неоднорщний наклеп металу по робочий поверхш обода.
Рис. 1. Структура перлггао! колони вуглецево! стал тсля деформаци 30 % нагр1ву, до 650 °С (зб1льшення 2000)
В процес гальмування, при взаемодi! галь-мiвних колодок з колесом, вiдносно рiвномiр-
ний розiгрiв металу по всш контактнiй поверхнi супроводжуеться розвитком процешв структу-рних перетворень з одночасним вирiвнюванням по об'ему та зниженням накопичених дефектiв кристалiчноi будови металу. О^м цього, га-льмiвнi колодки виконують функцiю шструме-нта, який зшмае поверхневий шар металу, в тому чи^ i дiлянки з невеликими поверхневи-ми ушкодженнями.
Таким чином, в процес гальмування вщбу-ваеться рiвномiрне зрiзання неоднорiдно на-клепаного, з можливими поверхневими ушко-дженнями прошарку металу, що може розгля-датися як, свого роду, процес шдвищення якос-тi поверхнi кочення. Розiгрiв поверхнi сприяе релаксацii внутрiшнiх напружень вiд залишкiв наклепаного металу.
В подальшому, при експлуатацii залiзнично-го колеса структуры змiнi по поверхш кочення будуть мати свш розвиток. Пюля закiнчення етапу гальмування, без зупинки потяга, розирь те колесо з частково знятим прошарком ушко-дженого метала, далi пiддаеться пластичнiй деформаци з пiдвищеною температурою розирь ву. Коли ступеня розiгрiву достатньо, вщбува-ються процеси релаксацii внутрiшнiх напружень на мющ. При поступовому зниженш температури, процеси, що послiдовно розвива-ються - рекомбiнацiя дефектiв кристалiчноi будови до приблизно 400 °С, динамiчне дефор-мацiйне старiння до 350.200 °С - можуть при-водити до збiльшення мiцнiсних властивостей при незмшност запасу пластичностi, а в деяких випадках i до шдвищення пластичност та опору крихкому руйнуванню [4].
Характер структурних змш при експлуатацii залiзничного колеса при використанш дисково!' гальмiвноi системи дещо вiдрiзняеться вiд характеру змш, що спостериаеться при викорис-танш колодок. По-перше, необхiдно вiдмiтити, це вщсутнють рiвномiрного розiгрiву металу по поверхш кочення. Виникаючий наклеп металу вщ взаемодii з рейкою, як згадано вище, мае дуже високу неоднорщшсть по поверхнi кочення. Передача енерги при гальмуваннi вщ галь-мiвних дискiв, через вюь колiсноi пари на мiсце контакту з рейкою обмежуеться достатньо малою площиною. На пiдставi цього можна вва-жати, що виникають достатньо велик напру-ження вiд високо! щiльностi енергii. Обумовле-но це вщносно низькими температурами роз> ^ву приповерхневих прошаркiв металу колеса. В цьому випадку вiдсутнiсть розвитку релаксацшних процесiв (недостатньо висока температура), накопичення дефектiв кристатч-
но! будови до максимально можливо! меж^ а при неодночасному початку роботи гальм1вних елемент1в до невиконання умов зчеплення, все це буде сприяти виникненню дефектов по пове-рхш кочення та вилученню колю з експлуатаци. Враховуючи експериментальш даш [5], яю св1-дчать, що протягом останнього часу почастша-ли випадки, при використанш дисково! системи гальм, передчасного вилучення колю по неви-конанню умов геометри. Поверхня кочення за-л1зничного колеса вщ форми у вигляд1 кола вщносно швидко перетворюеться в багатокут-ник. Наведет вщомост можуть розглядатися як одне ¡з шдтверджень ймов1рносп структур-них перетворень в метат обода колеса при використанш принципово р1зних систем гальму-вання.
Висновки
На шдстав1 проведеного анал1зу структур-них змш в метал1 обода зал1зничних колю при експлуатаци, з використанням принципово р1з-них гальм1вних систем визначено, що по пове-рхш кочення розвиток процешв структурних перетворень мае сво! особливосп.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Вакуленко, И. А. Технологические особенности производства упрочненных железнодорожных колес [Текст] / И. А. Вакуленко, О. Н. Перков // Вюник Дшпроп. нац. ун-ту залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 20. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 216-218.
2. Данченко, Н. И. Зависимость усталостной прочности и ударной вязкости колесной стали от её структурного состояния [Текст] / Н. И. Данченко, О. Н. Перков, Т. А. Гладкова. - В кн.: Теория и практика термической обработки проката. - М.: Металлургия, 1984. - С. 43-45.
3. Бабич, В. К. Деформационное старение стали [Текст] / В. К. Бабич, Ю. П. Гуль, И. Е. Долже-нков. - М.: Металлургия, 1972. - 320 с.
4. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: Gaudeamus, 2003. - 94 с.
5. Выбор стали для колес - альтернативы и возможности. Обзор сталей [Текст] // ЖДМ. -2007. - № 12. - С. 38-43.
Надшшла до редколегп 24.09.2008.
