МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СВОЙСТВ
Сильман Г. И., Сакало В. И., Винник Л. В., Фридберг А. М.,
Камынин В. В. (БГИТА, БГТУ, Брянск; АОЗТ ЗРЭПС, Москва)
Дифференциальная колесная пара представляет собой колесо с фрикционным контактом по поверхности раздела ступицы (центра) и обода (бандажа). Такая конструкция предложена Фридбергом А. М. и испытана в динамических и эксплуатационных режимах на трассе Московского метрополитена.
Материалы в зоне контакта работают в особых условиях: переменные статические и динамические нагрузки, сухое трение, сочетание качения с проскальзыванием, локальные изменения температуры. Для работы в таких условиях необходимы материалы, обладающие достаточно высокими прочностными свойствами, ударной вязкостью, износостойкостью, обеспечивающие условия самосмазки, но при этом поддерживающие определенный коэффициент сцепления деталей в зоне контакта. Величина этого коэффициента должна находиться в пределах 0,1-0,2.
Исследовались следующие пары трения: 1) сталь Ст3 – бандажная сталь (сталь 55); 2) бандажная сталь – бандажная сталь; 3) бандажная сталь – антифрикционный высокопрочный чугун АЧВ-М (по патенту); 4) сталь 45 – специальный половинчатый чугун (по заявке на изобретение).
Проведенные эксперименты показали, что пары трения “сталь Ст3 – бандажная сталь”, используемые в стандартном варианте для изготовления колесного центра и бандажа, при эксплуатации в режиме сухого трения полностью неработоспособны из-за интенсивного схватывания поверхностей, приводящего к задирам и большому износу. В парах трения “бандажная сталь – бандажная сталь”, обработанных лазером, стабилизируется момент трения, уменьшается общий износ, на поверхностях трения отсутствуют задиры и следы схватывания. Использование твердой смазки позволяет несколько снизить коэффициент трения и интенсивность изнашивания. Однако во всех случаях использования пары “бандажная сталь – бандажная сталь” общий износ остается недопустимо большим и такое сочетание материалов не может быть рекомендовано для использования в дифференциальной колесной паре.
Очень хорошие результаты с минимальным износом получены при использовании специального половинчатого чугуна. Недостаток этого варианта – затруднительная обработка чугуна обычным лезвийным инструментом, в связи с чем этот вариант при проведении дальнейших исследований не использовался.
Хорошие результаты получены в паре “бандажная сталь – АЧВ” даже при использовании образца из неупрочненной бандажной стали. Такое сочетание материалов обеспечивает небольшую величину износа пары трения, хотя заметно проявляется различие в величине износа и интенсивности изнашивания чугунной и стальной деталей. Чугунное кольцо, напрессованное на центр, изнашивается очень мало, особенно при установившемся режиме работы. В то же время стальное (бандажное) кольцо имело заметный износ. По-видимому, для сближения значений величины износа и интенсивности изнашивания обеих деталей необходимо или снижать твердость чугунной детали, или увеличивать твердость стальной детали, например, путем ее объемного или поверхностного упрочнения. При проведении дальнейших испытаний проверены оба эти варианта.
Особенность чугуна АЧВ-М состоит в том, что он способен работать в тяжело нагруженных узлах трения, сохраняя при этом стабильные эксплуатационные характеристики (коэффициент трения, износостойкость, контактную прочность). Его структура и свойства могут регулироваться в широких пределах как за счет химического состава, так и с помощью термической обработки. Структурными особенностями этого чугуна являются наличие медистой фазы и высокая стабильность перлитной структуры. При необходимости можно обеспечить бейнитную или бейнитно-перлитную структуру, гарантирующие высокие механические свойства и износостойкость чугуна. Недостатком чугуна с такой структурой является повышенный износ стального бандажа в тех случаях, когда бандаж термически не упрочнен и имеет сравнительно низкую твердость (менее НВ 200). Для таких случаев целесообразно использовать чугун пониженной твердости с перлитной или перлитно-ферритной структурой. Поэтому испытаниям подвергались не только литые чугунные детали, но и термообработанные детали с пониженной твердостью чугуна. Этот вариант обеспечивает наилучшее сочетание свойств (минимальный износ и достаточно высокое значение коэффициента сцепления). В этом варианте зафиксированы и наиболее низкие значения уровня шума, что благоприятно сказывается на работе деталей дифференциального колеса.
Таким образом, наиболее приемлемым из всех исследованных вариантов сочетания материалов в зоне фрикционного контакта является пара трения “бандажная сталь – антифрикционный чугун АЧВ-М”. Поверхность трения бандажной стали должна быть упрочнена любым способом (термической обработкой, воздействием концентрированных потоков энергии, электроискровым воздействием, поверхностным наклепом и др.). Поверхность чугунной детали, наоборот, должна быть разупрочнена (что проще всего обеспечивается отжигом чугунных заготовок) до твердости не выше НВ 187.