Оценка кинетики тепловых процессов и структурообразования при восстановлении наплавкой колес вагонов с разной степенью их изношенности

Ведущее положение в транспортной системе России занимает рельсовый транспорт, поскольку он обеспечивает приблизительно две трети общего грузооборота по магистральным железным дорогам и около половины пассажирских перевозок в межобластном, пригородном и городском сообщении. От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.

Эффективность перевозочного процесса в значительной мере обеспечивается необходимым уровнем безотказности подвижного состава ж.д. транспорта (вагонов и локомотивов). Колесные пары подвижного состава относятся к конструктивным узлам высокой ответственности.

Колесная пара является одной из главных и ответственных частей вагона. Она направляет движение по рельсовому пути и воспринимает все нагрузки, передающиеся от вагона на рельсы и обратно [1].

Выход из строя колесной пары влечет за собой отказ в эксплуатации целого вагона или локомотива, вызывает увеличение времени их простоя в нерабочем парке.

Как показывает анализ отцепок вагонов в текущий ремонт, 35−40% приходится на неисправность колесных пар.

Исторический анализ показывает, что в прошлом резкое увеличение износа рельсов и колес подвижного состава, как правило, было связано либо с заменой локомотивной тяги, либо с повышением весовой нормы поездов.

Последнее увеличение интенсивности износа наблюдается, начиная с 1985 г., причем, если раньше барьерными местами были перевальные участки с затяжными подъемами и спусками, то в последние годы износ стал распространенным явлением по всей сети железных дорог страны. На ряде участков сети фактическая интенсивность износа в 3 — 6 раз выше предусмотренной нормами эксплуатации пути и подвижного состава. В результате сроки службы колес вагонов и локомотивов между переточками и их полный ресурс сократились в несколько раз, соответственно возросли и продолжают увеличиваться эксплуатационные затраты предприятий вагонного и локомотивного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.

В настоящее время нет четкого представления о причинах внезапного обострения бокового износа колес подвижного состава и рельсов. Называется до 50 причин, которые в сумме привели к эффекту взрывного повышения изнашивания гребней колес и боковых поверхностей рельсов. За годы, предшествующие резкому повышению бокового износа, на железных дорогах произошло много необратимых изменений, таких, как:

• уменьшение ширины колеи со стандарта 1524 мм на стандарт 1520 мм;

• протяжение термоупрочненных рельсов на сети дорог увеличилось на 50%, а протяжение рельсов первой группы качества, имеющих повышенную твердость, возросло более чем в 2 раза;

• изменение профиля головки рельса предусматривающего одноточечный контакт на утвержденный в 1979 г. профиль, предусматривающий наличие двухточечного контакта профиля катания колеса с головкой рельса.

В этот же период осуществлялся переход с чугунных на композиционные тормозные колодки, завершился перевод буксовых узлов с подшипников скольжения на подшипники качения. Повышены максимальные и средние уровни статических осевых, а, следовательно, вертикальных и поперечных горизонтальных динамических нагрузок от подвижного состава на рельсы. Началась интенсивная эксплуатация тяжеловесных и соединенных поездов. Произошло моральное и физическое старение многих вагонов и локомотивов. В 1995 г. наблюдался новый всплеск повышения скорости изнашивания гребней колес и боковых поверхностей рельсов. В последние годы, как следствие интенсивной лубрикации (смазывание рельсов), наблюдается снижение износа гребней колес с одновременным увеличением количества контактно-усталостных повреждений. Это, вероятно, связано с попаданием смазки на поверхность катания колес и рельсов и проявлением эффекта Ребиндера.

По данным из различных источников в 1992 г. по износу гребня браковалось 70.80% колес, по выщербинам 4.7% и ползунам и наварам 5.7%. В 1997 г. — по состоянию гребня 55.60%, по выщербинам 12.15%, ползунам и наварам 22.25%.

К 2000 г. — по гребню 50.55%, по выщербинам 15.18%, ползунам и наварам 25.27%. Такой дефект как прокат, т. е. равномерное изнашивание по толщине обода колеса, представлявшийся основным дефектом до 1985 г., стал редкостью.

В результате анализа установлено, что надежность колесной пары главным образом определяется материалами и технологиями, применяемыми при изготовлении и ремонтном производстве, а также условиями ее эксплуатации.

Стандартами устанавливается средний срок службы колес в пределах 12 лет, однако фактически срок службы колес существенно меньше.

Установлено, что в среднем при ремонте колес по гребню методом механической обработки в стружку уходит 12. 15 мм толщины обода с каждого колеса (см. рис. I), а при ремонте по термо-контактно-усталостным дефектам 5.7 мм и более. Учитывая, что в настоящее время колесная пара интенсивно эксплуатируемого рабочего парка вагонов в год обтачивается по одному из дефектов, не менее одного раза, то средний срок службы колес составляет порядка 3.4 лет.

После двух-трех обточек упрочненный заводской при термической обработке слой срезается в стружку. Весь остальной период службы колесные пары интенсивнее изнашиваются и поражаются дефектами термо-контактно-усталостного происхождения.

Учитывая, что в настоящее время в эксплуатации находится порядка 50% колесных пар грузоРис. 1. Ремонт ЦКК методом механической обработки вых вагонов с толщиной обода менее 40 мм, из них 50% с толщиной менее 30 мм, при существенном увеличении объемов перевозок возникнет угроза потери работоспособности железных дорог и колоссального увеличения эксплуатационных затрат предприятий вагонного хозяйства на ремонт, замену и приобретение колесных пар.

Если до недавнего времени вагонные депо выходили из положения, пополняя свой запас за счет колесных пар исключенных из инвентаря вагонов, то в настоящее время делать это, становится все сложнее.

В настоящее время увеличился объем работ, связанных с восстановлением и упрочнением колес в эксплуатации, при применении различных технологий восстановления и упрочнения колес вагонов. В связи с этим необходимо их глубокое научное обоснование применяемых технологий для обеспечения необходимого уровня безопасности перевозочного процесса.

Важнейшими факторами, обеспечивающими необходимый уровень качества при восстановлении наплавкой являются тепловые процессы и структурообразование. Следует отметить, что на эксплуатационные характеристики ЦКК после ремонта наплавкой влияют также другой ряд факторов, в частности напряженно-деформированное состояние, однако, в рамках данной работы рассматривается важная и самостоятельная часть этой проблемы, связанная с тепловыми процессами и структурообразованием.

Следует отметить, что, несмотря на достаточно широкое применение наплавки для восстановления гребней ЦКК отсутствует информация о влиянии степени изношенности колеса (изменение геометрии обода и гребня колеса) на тепловые процессы и структурообразование при наплавке.

В связи с этим проблема оценки кинетики тепловых процессов и струк-турообразования при восстановлении наплавкой колес вагонов с разной степенью изношенности в эксплуатации является актуальной. ч.

Общие выводы и заключения.

На основании анализа состояния вопроса и нормативных материалов по однодуговой наплавке ЦКК определена необходимость уточнения и обоснования ряда параметров технологического процесса с учетом различной степени изношенности обода и гребня колеса:

1.1. температуры подогрева и распределение температур в колесе перед началом наплавки;

1.2. интервала времени от окончания подогрева до начала наплавки по критерию обеспечения определенной температуры начала наплавки;

1.3. влияния изменения толщины обода на температуру подогрева колеса перед наплавкой и ее изменение при многопроходной наплавке;

1.4. кинетики изменения структурного состава в ОШЗ при многопроходной наплавке гребня ЦКК с различной степенью изношенности обода, наличие смеси структур и их зависимости от температуры в каждом КЭ.

Разработанные методика и программное обеспечение для анализа кинетики тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке при наплавке ЦКК основаны на использовании современных численных методов и средств программирования. В отличие от ранее выполненных работ в излагаемой диссертации для анализа кинетики структурных превращений разработана методика, основанная на использовании серии диаграмм ани-зотермического распада аустенита при охлаждении с различных максимальных температур, характерных для всего спектра температур в ОШЗ от подсолидусных до Acl. Обоснована необходимость анализа на основе использования диаграмм АРА в координатах T-w8/7. Предложена методика перестроения диаграмм из координат T-w6/5 в T-w8/7.

3. Для анализа кинетики структурных превращений в процессе повторных нагревов, связанных с наложением последующих валиков при многопроходной наплавке гребней ЦКК разработана методика, основанная на использовании принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения с учетом температурных интервалов структурных превращений и структурного состава на предыдущем шаге решения.

4. Разработанное программное обеспечение соответствует поставленным в диссертации целям и задачам. Эффективность разработанного методического и программного обеспечения подтверждена результатами проведенной верификации. Разработаны конечно-элементные модели ЦКК, соответствующие различной степени изношенности ЦКК в эксплуатации.

5. На основе моделирования установлено, что для обеспечения подогрева зоны наплавки колеса с полномерным ободом до нормативного значения 180 °C за время, равное 45 мин, плотность теплового потока нагревательных устройств должна быть не менее 10 Вт/см2. Установлено, что в случае непрерывного ведения процесса наплавки гребня дополнительный подогрев не требуется ввиду того, что при этом имеет место приращение температур от всех проходов для всех рассмотренных технологических вариантов наплавки.

6. Установлено, что глубина проплавления остается практически независимой при изменении толщины обода от 30 до 70 мм и является практически линейной функцией от температуры предварительного подогрева при неизменных параметрах режима наплавки. Установлено, что структурооб-разование в ОШЗ практически не зависит от толщины обода и гребня, а в основном определяется температурой предварительного подогрева и ее изменением в процессе наплавки.

7. Предложено считать одним из критериев качества процесса наплавки гребней отсутствие мартенситной составляющей в структуре ОШЗ на всех этапах процесса. Установлено, что вероятность образования мартенситной структурной составляющей уменьшается до нуля при подогреве перед наплавкой до температур выше т™п =, 65 °C. Температура подогрева должна быть не ниже чем =rmm+(20−50°c)> Установлено, что при наплавке без предварительного подогрева независимо от толщины обода ЦКК в структуре в ОШЗ под первым валиком на момент начала наплавки второго валика возможно образование до 60% мартенсита, что недопустимо с позиции возможности образования трещин в ОШЗ с последующим их развитием в эксплуатации. При подогреве ЦКК перед наплавкой в пределах 180 -250 °С, в ОШЗ формируется феррито-перлитная или феррито-сорбитная структура, что соответствует данным металлографического анализа. Такая структура благоприятна с позиции повышения эксплуатационных характеристик колеса, восстановленного наплавкой.

8. На основе обобщения результатов компьютерного моделирования тепловых процессов и структурных превращений при восстановлении наплавкой гребней ЦКК получен ряд регрессионных зависимостей, удобных для использования в инженерной практике для определения: времени подогрева до заданной температуры от оободакинетики приращения температуры в зависимости от бобода, температуры предварительного подогрева и порядкового номера проходавозможного процентного содержания мартенсита в зависимости от температуры предварительного подогрева.

9. На основе проведенных исследований даны конкретные рекомендации по возможному уточнению ряда параметров технологического процесса, указанных в п. 1 выводов, направленных на повышение эксплуатационных характеристик наплавленных колес.