Повышение износостойкости гребней железнодорожных колес в процессе ремонта

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие на железных дорогах России обострилась проблема с боковым износом гребней колес и рельсов. Среди причин, вызывающих значительный рост бокового износа, отмечались: переход на подшипники качения, увеличение массы и длины поездов, переход на ширину колеи 1520, введение профиля рельсов, предусматривающего двухточечный контакт профиля обода с головкой рельса и др. Потери от износа пары колесо-рельс достигают значительных величин. По данным ВНИИЖТа в 1992;1996 г. г. МПС РФ затрачено более 3 трлн. руб. на ликвидацию потерь от этого износа. Все более острой становится проблема восполнения рельсовой и колесной сталей. Кроме того, повышение качества функционирования и надежности колесных пар как части общей проблемы повышения надежности подвижного состава обусловлено тем, что в структуре эксплуатационных отказов утрата работоспособности колес по подрезу гребня является определяющей причиной. Т. е. сложившиеся условия выдвигают проблему повышения износостойкости гребней колес в число наиболее актуальных.

Основная цель исследования. Исследование и разработка технологии и инструмента для повышения износостойкости элементов поверхности обода колеса в процессе ремонта.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

— определение основных требований к элементам профиля поверхности обода и выбор температурных режимов их упрочнения при ремонте;

— разработка технологии термообработки и конструкции индуктора, обеспечивающих дифференцированное упрочнение элементов профиля поверхности обода;

— теоретическое исследование нагрева металла обода и диска колеса;

— экспериментальное исследование процесса нагрева колеса при ремонте;

— проверка технологии в производственных условиях, исследование упрочненного слоя металла обода колеса;

— эксплуатационные испытания упрочненных колесных пар.

Методы исследования. Теоретические исследования теплового состояния колеса проводились с использованием дифференциального уравнения теплопроводности. Также использованы методики:

— исследования режимов термического упрочнения колес;

— механических и металлографических исследований свойств металла обода колес;

— определения износостойкости материала на машине трения и методом шпиндельного изнашивания.

Экспериментальная проверка результатов термоупрочнения гребней колес проводилась в электродепо «Дачное» Ленметрополитена и на участке Мурманск-Апатиты Октябрьской железной дороги.

Научная новизна:

1 .Разработаны новые пути повышения износостойкости гребня и поверхности катания железнодорожного колеса в процессе ремонта с использованием нагрева ТВЧ металла обода до температуры аустенитного превращения и охлаждения со скоростью, обеспечивающей рациональную твердость материала обода колеса;

2.Установлены режимы и разработан инструмент, обеспечивающие дифференцированное упрочнение профиля обода и гребня колеса и повышение его износостойкости;

3 .Предложена математическая модель и решение задачи теплопроводности, применительно к исследованному методу улучшения физико-механических свойств металла обода колеса;

4.0пределено влияние индукционного термоциклирования на структуру и физико-механические свойства колесной стали.

Практическая ценность.

1.Исследован способ повышения работоспособности гребня железнодорожного колеса за счет формирования износостойкой структуры металла верхних слоев обода методом индукционного термоциклирования;

2.Разработана конструкция индуктора для дифференцированного упрочнения элементов поверхности обода колеса;

3.Предложен технологический процесс термообработки колесных пар в процессе ремонта.

Реализация работы.

Проведены эксплуатационные испытания колесных пар на участке Мурманск-Аппатиты Октябрьской ж.д. Они показали, что износостойкость гребня термообработанных железнодорожных колес выше типовых в 1,6 раза.

Разработанная технология внедрена в электродепо «Дачное» Санкт-Петербургского метрополитена.

Апробация. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на конференции «Износостойкость машин» г. Брянск (1991 г), 7 семинарах кафедры «Технология металлов» ПГУПСа (1990;93гг), неделях науки ПГУПСа (1997;98гг) и на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии и технические средства на Октябрьской железной дороге» (1999г).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Работа выполнялась на кафедре «Технология металлов» Петербургского государственного университета путей сообщения .

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории «Материаловедения» кафедры «Технологии металлов» ПГУПСа, в электродепо «Дачное» Ленметрополитена, в ВЧД-5 ОКЖД, во ВНИИЖТе и ВНИИТВЧ.

1.4. Выводы по главе 1.

Цель и задачи исследования

.

1. Выполнен анализ причин и рассмотрены направления снижения износа гребней железнодорожных колес;

2. Имеющиеся данные показывают, что вагон на существующих тележках ЦНИИ-ХЗ не обладает свойством устойчивости невозмущенного движения, что естественно влияет на износ пары «колесо-рельс» ;

3. Оценки интенсивности бокового износа рельсов после изменения ширины колеи в конце 60-х годов показали, что за период с 1968 по 1981гг. она выросла в три раза, а с 1981 по 1988гг. — более чем в 6 раз. Следовательно, имеются факторы, оказывающие на износ большее влияние, чем ширина колеи;

4. Профили поверхности обода колес, предлагаемые ГМетАУ, обеспечивают снижение интенсивности износа колес и рельсов за счет увеличения площади контакта пары «колесо-рельс», но не являются определяющим фактором снижения интенсивности износа. Имеющиеся расчеты контактных напряжений и площадей контакта показали целесообразность дифференцированного использования этих профилей.

5. Рассмотренные причины повышения интенсивности износа пары «колесо-рельс» (перекос оси колесной пары, геометрия профиля поверхности обода и рельса и др.) оказывают влияние на работоспособность этой пары через изменение параметров их контактного взаимодействия. Величины этих параметров зависят от физико-механических свойств и структурных характеристик материалов пары «колесо-рельс» и их соотношения;

6. Наиболее значимыми, среди многочисленных причин повышения интенсивности износа пары «колесо-рельс», следует считать отсутствие свойства устойчивости невозмущенного движения вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ и сложившееся соотношение физико-механических и структурных характеристик металлов колеса и рельса;

7. При заданной твердости рельсов 341−388 НВ, наличии значительного поперечного проскальзывания и большей величине проскальзывания поверхности гребня, чем поверхности катания, следует повысить твердость поверхности гребня до 360−390 НВ, а поверхности катания до 320−360 НВ, для чего необходимо разработать технологию поверхностного упрочнения обода при ремонте. Это позволит снизить износ пары «колесо-рельс» .

Анализ основных причин износа гребней колес железнодорожного подвижного состава и полученные выводы позволяют сформулировать цель настоящей работы — разработка и исследование технологии восстановления профиля поверхности обода колесных пар подвижного состава, обеспечивающей снижение износа гребней колес при ремонте с использованием индукционного.