К ВОПРОСУ О ПЕРСПЕКТИВАХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

БАНДАЖНЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ

 

Иванов И.А., Кушнер В.С.* Воробьев А.А., Шадрина Н.Ю., Сорокин П.Г. (ПГУПС, Санкт – Петербург, РФ; *ОмГТУ, г. Омск, РФ)

 

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

 

Среди причин [1, 2], 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.

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:

,

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 его 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.

Экспериментальные исследования рис.1 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.

Рисунок 1- 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  при существующих осевых нагрузках ухудшит ситуацию из-за недостаточного сопротивления смятию, контактной усталости и износу.

Для оценки напряженного состояния в паре колесо-рельс решалась задача Герца [3-5] для контакта колеса с рельсом с профилями ДМеТИ и ГОСТ рис. 2 и рис. 3.

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. 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;

Рисунок  2-  Конечно-элементная модель (Профиль ГОСТ, Ø1050 мм)

 

Результаты расчета моделей колесной пары:

КЭ Модель 1. Профиль колеса - ГОСТ

КЭ Модель 2. Профиль колеса - ДМеТИ

Рисунок 3- Распределение эквивалентных напряжений в зоне контакта для каждой модели колесной пары (диаметром по кругу катания Æ1050 мм) МПа

 

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 модели, 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 металл колеса в процессе эксплуатации при  будет находиться в более выгодных условиях, чем при .

Литература

1. Проблемы износа колес и рельсов. Возможные пути борьбы /В.М. Богданов, Ю.А. Евдокимов и др.// Железнодорожный транспорт. 1996. №12, с.30-31.

2.И. А. Иванов, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев, Н.Ю. Шадрина, П.Г. Сорокин Термомеханический анализ процесса восстановления железнодорожных колесных пар // Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты Сборник научных статей / СПб.: ПГУПС, 2007. – с. 121 – 125.

3. J. Kalousek, E. Magel, S. Grassie. Perspective on Metallurgy and Contact Mechanics. Proceedings of IHHA’99 STS-Conference on Wheel/Rail Interface. Moscow, 1999, p. 175 - 186.

4. Есаулов В. П., Сладковский А.В. Применение полуаналитического МКЭ к расчету тел вращения под действием несимметрической нагрузки. Деп. в Укр. ЦИНТИ 02.01.89 - №14 – 4к89, 18с.

5. S. Grassie, J. Kalousek. Rolling Contact Fatigue of Rails: Characteristics, Causes and Treatments. Proceedings of the 6^th IHHA Conference. Capetown, 1997, p. 381 - 404.