ОСОБЕННОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР С

ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТЬЮ МЕТАЛЛА ОБОДА

 

Иванов И.А. (ПГУПС, Санкт – Петербург, РФ)

Кушнер В.С. (ОмГТУ, г. Омск, РФ)

Воробьев А.А., Шадрина Н.Ю. (ПГУПС, Санкт – Петербург, РФ)

 

Some features of functioning of wheels (wear, stress, resource, machinability) with the raised hardness of metal of a rim are considered.

 

Среди причин, вызвавших в конце прошлого столетия значительное возрастание интенсивности изнашивания колесных пар, следует отметить замену буксовых подшипников скольжения подшипниками качения, рост скоростей движения и нагрузок на ось, сужение колеи до 1520 мм, повышение твердости рельсов, т.е. изменение соотношения твердостей колеса и рельса и др.

Для снижения интенсивности изнашивания колес МПС РФ в 2003 году была принята “Стратегическая программа устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»”, представленная на рис. 1. [1]

 

Рисунок 1- Стратегическая программа обеспечения устойчивого

взаимодействия в системе «колесо-рельс»

 

1. Соотношение механических свойств колес и рельсов

На поведение экипажа значительное влияние оказывает сцепление колес с рельсами. Важная роль при этом принадлежит свойствам материалов, из которых изготовлены колеса и рельсы. И их твердость – существенный фактор влияния на износостойкость.

Как показывает современный международный опыт [2], соотношение прочностных характеристик колес и рельсов составляет примерно 1-1,1. В России на протяжении последних семидесяти лет это соотношение менялось следующим образом: 1935-1955 г.г. - НВ_к/НВ_р0,93, 1956-1980 г.г. - НВ_к/НВ_р= 1,01-1,05, 1981-2002 г.г. - НВ_к/НВ_р0,85.

В качестве универсальной оценки характеристики износостойкости металлов при трении в практике широко применяется такая доступная физико-механическая характеристика, как твердость. Для конструкционных углеродистых и легированных сталей (после закалки и отпуска) износостойкость возрастает линейно НВ [3]:

,

где  - относительная износостойкость стали в отожженном состоянии;  - износостойкость;  - коэффициент, зависящий от химического состава стали;  - твердость; - твердость стали в отожженном состоянии.

Опыт показал, что требования определенного минимума твердости остается важным критерием износостойкости стали. Однако при повышенной нагрузке на узел трения для увеличения ресурса колеса этого недостаточно. Возникает необходимость в дополнительном критерии, характеризующем деформируемость металла: одновременно с высокой твердостью нужен еще некоторый запас пластичности. Так как пластическая деформация при трении приводит к наклепу, то сплав может работать в тяжелых условиях на трение, пока не будет исчерпана способность материала претерпевать деформационное упрочнение без разрушения. Таким образом, для оценки износостойкости материала следует принимать во внимание обе характеристики – твердость и запас пластичности.

Учитывая это (при неизменном химическом составе) величина твердости поверхностного слоя металла обода желательна до 360-400 НВ. При повышении НВ выше 400 в структуре появляется тетрогональная  - фаза, содержащая 0,1-0,3% углерода и обладающая меньшей демпфирующей способностью, т.е. более склонной к развитию трещин и отколов.

В соответствии с договорами ОАО РЖД и Выксунским металлургическим заводом начат выпуск цельнокатаных колес с твердостью поверхности катания 340-360 НВ. Т.е. твердость колес близка или равна твердости рельсов. По данным ОАО “РЖД” около 400 тыс. таких колес уже эксплуатируется на магистральном транспорте и показывают хорошую износостойкость [4].

2. Износостойкость колес при различном соотношении твердости колеса и рельса

Экспериментальные исследования по оценке интенсивности изнашивания металлов колеса и рельса показали, что увеличение твердости колесной стали с 280 НВ до 360 НВ приводит к снижению износа. Увеличение твердости на единицу НВ снижает износ на один процент. На рис. 2. приведены данные о влиянии твердости металла колеса и рельса на их износ [5].

Рисунок 2- Влияние твердости металла колеса и рельса на их износ

 

Рациональной твердостью для колес и рельсов в современных условиях эксплуатации (с учетом процессов контактной усталости и износа) является величина . Т.е. соотношение значений их твердости должно быть близко к единице.

Снижение этой величины до 250 НВ при том же соотношении НВ_к/НВ_р1 при существующих осевых нагрузках ухудшит ситуацию из-за недостаточного сопротивления смятию, контактной усталости и износу. В табл. 1 приведены [6] результаты оценки влияния повышения твердости рельсов на износ колес.

 

Таблица 1 - Влияние повышения твердости рельсов на износ колес

 

Повышение ресурса бандажных колес в соответствии со “Стратегической программой устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»” до 0,6 млн. км на первом этапе и до 1,2 млн. км на втором этапе – предстоит решать.

 

3. Напряженное состояние колес повышенной твердости

Для оценки напряженного состояния в паре колесо-рельс решалась задача Герца для контакта колеса с рельсом с профилями ДМеТИ и ГОСТ.

Построение математической модели процессов возникновения деформаций и напряжений в колесе при действии на него вертикальных и боковых нагрузок производилось на основе метода конечных элементов.

Для разработки конечно-элементных моделей колеса и рельса в программных комплексах ANSYS и CosmosWorks использовались объемные 20-ти узловые параболические конечные элементы, которые подходят для моделирования нерегулярной сетки конечных элементов. На рис. 3. представлена конечноэлементная модель (профиль ГОСТ, Ø1050 мм).

 

Рисунок 3- Конечноэлементная модель (Профиль ГОСТ, Ø1050 мм)

Исходные данные: - модуль упругости Е = 2,1 · 105 МПа; - коэффициент Пуассона μ = 0,28; - плотность ρ = 7,854 г/см3; - коэффициент трения между колесом и рельсом: 0,28; - нагрузки прикладывались согласно ОСТ 32.168 – 2000 “Колесные пары локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Расчеты и испытания на прочность” - статическая нагрузка на ось принималась 23,5 т; - закрепление производилось по нижней части подошвы рельса;

 

Из анализа результатов расчетов моделей колеса и рельса следует:

- наибольшие эквивалентные напряжения возникают в модели 1 (профиль ГОСТ, диаметр по кругу катания 950 мм) и составляют 720 МПа. Наименьшие эквивалентные напряжения возникают в модели 6 (профиль ДМеТИ, диаметр по кругу катания 1250 мм) и составляют 595 МПа. Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в моделях, представлены на рис. 4.

Рисунок 4- Максимальные эквивалентные напряжения, возникающие в конечно-элементных моделях колесной пары, МПа

При увеличении диаметра круга катания колеса, величины эквивалентных напряжений возникающих в контакте снижаются на 5-12 процентов. Известно, что прочность материала зависит от твердости в соотношении: Для бандажной стали марки 3 твердость на глубине 30 мм составляет 275 НВ, следовательно , тогда как для твердости металла обода, ограниченной  .

Таким образом в металле колеса допускаемые напряжения в процессе эксплуатации при  будут выше и он будет находиться в более выгодных условиях, чем при .

 

4. Влияние механических свойств колеса на его ресурс

Рисунок 5- Схема представления назначенного ресурса колеса

Повышение твердости колесной стали обеспечивает рост износостойкости и допускаемых напряжений в более прочном ободе. Назначенный ресурс колеса можно представить в виде следующей схемы (рис. 5.). CB – функция износостойкости металла обода стандартного колеса; На рис. 6. представлена схема использования ресурса колеса.  - назначенный ресурс. используемая часть назначенного ресурса; неиспользуемая часть назначенного ресурса. При упрочнении обода износостойкость металла растет примерно на один процент на единицу повышения твердости. На рис. 7. приведена схема представления назначенного ресурса колеса с повышенной твердостью обода.

Рисунок 6- Схема использования ресурса колеса

Рисунок 7- Схема представления назначенного ресурса с повышенной твердостью обода

 

ВС – функция износостойкости стандартного колеса;

ЕД - функция износостойкости колеса повышенной с твердостью обода.

Повышение твердости металла обода с 280НВ до 360НВ повысит его износостойкость примерно на 75-80%. Ресурс возрастает примерно на 75% и более, т.к. помимо повышения износостойкости снижается повреждаемость колес выщербинами, ползунами и наварами [4].

 

5. Оценка обрабатываемости колес повышенной твердости

Рисунок 8- Влияние скорости резания на число деталей, обработанных резцом до затупления при обработке профиля колеса чашечным резцом

 

Обрабатываемость материалов – комплексное понятие, характеризующееся скоростью резания, периодом стойкости инструмента, силами резания и качеством обработанной поверхности. Теоретические и экспериментальные исследования обрабатываемости колес повышенной твердости [8] показали снижение обрабатываемости и производительности обработки. На рисунках 8-9 представлены результаты расчетов по влиянию параметров процесса восстановления профиля колеса на производительность обработки.

 

Рисунок 9- Влияние скорости резания на число деталей, обработанных резцом до затупления при обработке профиля колеса призматическим резцом с углом в плане

 

 

 

 

Заключение

Анализ полученных данных показывает возможность обработки такого же или несколько меньшего количества колесных пар повышенной твердости одним инструментом, но на более низких режимах. Снижение производительности по машинному времени при этом составит примерно 40%. Снижение производительности по штучному времени составит 20-40%. В то же время повышение ресурса колес на 80-100% обеспечит значительный экономический эффект.

 

Литература

1. Богданов В. М. Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе колесо-рельс //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. – М., 2003. с. 14 – 20.

2. Пашолок И.Л., Цюренко В.Н., Самохин Е.Н. Повышение твердости колес // Железнодорожный транспорт. 1999. №7. с. 40-43.

3. Любарский И.М., Палатник Л.С. Металлофизика трения. – М.: Металлургия, 1976. – 176 с.

4. Фурцев А.И., Чижов В.А., Бороненко Ю.П. О ходе создания вагонов нового поколения // Тезисы докладов к VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» - СПб.: ПГУПС, 2005, - с.200-205.

5. Анализ комплекса свойств, определяющих долговечность цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации/ Ю. М. Парышев, А. М. Вихрова, Л. М. Школьник, Д. П. Марков (Сб. тр. ВНИИВ (Вагоностроение: вопросы надежности и прочности)). М.: Минтяжмаш, 1986, с. 5 – 9.

6. Шур Е. А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. – М., 2003. с. 87 – 93.

7. Пашолок И.Л., Филиппов Г.А., Шишов А.А. Колеса с повышенной твердостью обода производства ОАО «ВМЗ» //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. – М., 2003. с. 56 - 57.

8. Иванов И. А., Воробьев А. А., Кушнер В. С., Безнин А. С. О восстановлении профиля поверхности обода колеса повышенной твердости. // Международная конференция: Развитие транспортного машиностроения в России (ЖЕЛДОРМАШИНОСТРОЕНИЕ – 2004) – Щербинка, Россия, 2004. – с. 150 – 152.