Жармаганбет Р.У.

Казахский университет путей сообщения

КОЛЕСНО-РЕЛЬСОВАЯ ТРИБОСИСТЕМА

Трибосистема, в том числе и колесно-рельсовая (КРТ), - это агрегатная система, состоящая из трибоэлементов (твердых тел, объединенных трибоконтактам) и внешних триботехнических факторов [1]. К элементам КРТ относятся рельсы и колеса. К внешним триботехническим факторам относятся смазка и факторы внешней среды. Действующие периодически тормозные колодки можно рассматривать и как трибоэлементы, и как внешней фактор в зависимости от исследуемого процесса.

По каким критериям должна оцениваться КРТ? Насколько оптимальны ее работа и параметры в настоящее время? КРТ – система, в которой реализуется преимущественно трение качения. Наиболее близкий ее аналог – подшипник качения. Фактически КРТ и является гигантским развернутым подшипником качения. Условия оптимальной работы подшипника качения известны. Это форма элементов, максимально приближенная к идеальной форме тел качения, идеальное прилегание контактных поверхностей (максимальная конформность профилей) и не превышение максимальными касательными напряжениями некоторого предела – циклического предела текучести ( т.е. t _maxе от нулевого цикла нагружения, при котором деформация 0,1 % накапливается за 10⁵ циклов). Ни одному из этих требований современная КРТ не удовлетворяет. Более того, во-первых, исходный контакт колеса и рельса далек от конформного (рис. 1), во-вторых, форма колес и рельсов далека от идеальных тел вращения, и, в-третьих, контактные напряжения превосходят не только циклический, но и статический предел текучести.

Напряжения и деформации в контакте колесо – рельс. Новое колесо и новый рельс имеют двух зонный контакт (см. рис. 1). Зона на поверхности катания воспринимает в основном вертикальные нагрузки, зона на гребне – в основном горизонтальные.

Рисунок 1. Контакт нового рельса Р65 и нового колеса в кривой

Максимальное значение горизонтальных и вертикальных сил на направляющем колесе тележки в кривых малого радиуса приблизительно одинаково (Y ≈ 0,96X) и при осевой нагрузке 20… 24 т составляет 9 … 11 т. Максимальные давления по Герцу на поверхности катания нового колеса в контакте с новым рельсом могут достигать 1 ГПа, а на гребне - до 4 ГПа. Давления на боковом контакте новых колеса и рельса превышают давления развитого пластического течения (приблизительно равные твердости) как колесной (2,2 … 3,2 ГПа), так и рельсовой (3,2 … 3,8 ГПа ) стали. Поэтому на протяжении нескольких тысяч циклов металл здесь интенсивно течет – на гребне в направлении к поверхности катания ( см. рис. 2, а), а на выкружке рельса в направлении к подошве (рис. 2, б). Контактные давления при этом быстро снижаются, но пластическое течение продолжается в течение еще многих циклов взаимодействия.

О динамике изменения интенсивности пластической деформации в процессе приработки можно судить по изменению ширины контактной канавки, оставляемой твердосплавным тороидальным роликом, катящимся по поверхности цилиндрического ролика (рис. 3). Ролики из твердого сплава ВК – 8 не изнашиваются и сохраняют исходную макрогеометрию до конца эксперимента, что позволило ограничиться измерением деформации только одного из роликов.

а) с гребня на выкружку и поверхность катания колеса; б) – с выкружки рельса на боковую поверхность

Рисунок 2. Наплывы металла, наблюдаемые в начальный период эксплуатации:

На правой вертикальной шкале графика отложены контактные давления по Герцу, соответствующие канавке данной ширины. Ширина контактной канавки t, образующейся на цилиндрическом ролике после некоторого количества оборотов, удовлетворяет уравнению t = t₀ + I_t lgn, где t₀ - ширина контактной канавки после одного оборота ролика, I - интенсивность уширения канавки. I_t и t₀ - значения, постоянные для данных материалов и режима испытания. Косвенно t характеризует деформацию смятия. Если условия контактирования постоянны, то деформация смятия при повторном контактировании на углеродистых сталях всегда пропорциональна логарифму числа циклов нагружения и продолжается ~10⁵ циклов (т.е. приработка заканчивается через ~10⁵ циклов) независимо от характера нагружения, формы тел, величины сил трения и давлений.

Причем интенсивность деформирования (а, следовательно, и деформация, накопленная к концу приработки) в первом приближении снижается линейно при увеличении твердости (рис. 4). Эти простые закономерности позволяют в некоторых случаях оценить пластические деформации и изменение формы тел без применения сложных зависимостей упруго пластичности [2].

1 и 2 – свободное качение; 3 и 4 – проскальзывание +5% и – 5%. Нагрузка P = 1400H, смазка маслом И - 40 (f _тр=0,07)

Рисунок 3. Изменение ширины контактной канавки, продавливаемой тороидальным роликом из твердого сплава ВК-8 (Ø42, R _пр20) при качении его по цилиндрическим роликам (Ø40)из колесной стали с твердостью 260HВ

Рисунок 4. Зависимость интенсивности уширения контактной канавки твердости образца. Условия испытания те же, что на рис. 3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Марков Д. П. Трибоусталость колесно-рельсовых сталей // Трение износ. Т. 22. 2001. № 4. С. 400 … 409.

2. Шульц В. В. Форма естественного износа деталей машин и инструмента. Л.: Машиностроение, 1990. 206 с.