Баубеков Е.Е.

КУПС, г Алматы, Республика Казахстан

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ И ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА НА ИЗНОС

 

Эксплуатационные наблюдения за подвижным составом на линии New Tokaido в Японии показали, что износ колес с увеличением скорости не повысился, он остается, примерно, таким же, как на обычной линии у вагонов экспресс-поездов [1]. В ФРГ при испытаниях со скоростью до 260км/ч не замечено увеличения износа колес [2].

В Японии хорошее состояние тормозной техники (дисковые тормоза) и использование противоюзных устройств позволяет даже на высокоскоростных линиях, таких как New Tokaido, применять колеса из нелегированной стали с содержанием углерода 0,60-0,75% [3,4,5].     

В лабораторных испытаниях или совсем не выявляется влияние скорости качения на износостойкость или наблюдается сложное изменение  ее при увеличении скорости скольжения. Причем в диапазоне твердостей 280...350 НВ с увеличением скорости качения наблюдается довольно значительное снюкение износа, а в диапазоне 350...450 НВ слабое увеличение [6]. Скорее всего, влияние скорости качения на износ можно объяснить изменением вибрации, которая очень сильно сказывается на скорости изнашивания [7].

При чистом скольжении скорость изнашивания быстро снижается с увеличением скорости скольжения в диапазоне 10...60 км/час, рис. 1 [8]. Скорее всего это объясняется тем, что с увеличением скорости скольжения происходит подкалка стали в зоне трения. После подкалки увеличивается твердость и снижаются интенсивность пластических деформаций, температура и как следствие - износ. Это подтверждается так же тем, что износ высокоуглеродистых сталей при высоких скоростях скольжения ниже, чем среднеуглеродистых, смотри рис. 1.

Лабораторные эксперименты показывают, что в наибольшей степени скорость износа колес зависит от величины проскальзывания. П.Клэйтон вместе с Д. Дэнксом и П. Болтоном выполнили классическую серию работ по исследованию пары колесно-рельсовых сталей при качении с проскальзыванием [7,9,10], где показали, что в пределах твердостей 240, 300 HV в зависимости от величины проскальзывания могут иметь место три типа износа, различающиеся скоростью изнашивания, видом поверхностей и продуктов изнашивания На рис. 2а и 2б представлены зависимости скорости изнашивания и типов износа от давления в контакте и проскальзывания, полученные Д.Дэнксом и П.Клэйтоном на образцах из рельсовой и колесной стали диаметром 32...45 мм твердостью 247 НV30.

Подпись: Площадь лунки, мм2           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Зависимость износа от скорости скольжения при испытании на машине Шпинделя

 

На обоих графиках ясно выделяются три области, которые в порядке возрастания скорости изнашивания авторы временно определили как области износов типа I, II и III. Граница между областями I и II зависит и от давления и от проскальзывания и не совпадает на графиках рисунков 2а и 2б, т. к. типы износа на графике рис. 2а определялись величиной скорости изнашивания, а на рис. 2б определялись по топографическим особенностям поверхностей роликов после испытания, которые могли к концу испытания измениться. Граница между областями II и III совпадает на обоих графиках и зависит только от проскальзывания. Топографические особенности типов износа по Дэнксу и Клэйтону следующие:

 

        а) 

 

   Рельс

 

Колесо
 

б)

Рисунок 2.-  Зависимость типа износа (а) и скорости изнашивания (б) от проскальзывания и давления при испытании роликов с   твердостями 247 HV30 на машине Амслера.

 

Тип I характеризуется чешуйчатым рельефом и хлопьевидными продуктами изнашивания, состоящими из тонких чешуек металла и окислов.

Тип II характеризуется более грубой топографией поверхности часто связанной с волнистостью и содержит в продуктах изнашивания только металл;                        

Тип III характеризуется очень грубой поверхностью с большими выдолблинами (ямами). Эти поверхности наиболее близки по своей топографии к боковым поверхностям рельсов и колес в кривых.

По нашему мнению, с точки зрения механизмов изнашивания эти типы износа, по-видимому, можно определить, как усталостный, пластический (режим пластического смятия) и заедание.

Испытания, проведенные в нашей работе полностью подтверждают данные Т.В.Ларина, Д.Дэнкса, П.Болтона и П.Клэйтона, дополняют и развивают их с учетом испытаний при различных твердостях роликов. Испытания проведены на машине СМЦ-2. Оба ролика в этих испытаниях имели равную твердость. Зависимость от величины продольного проскальзывания суммарной скорости изнашивания отстающего и опережающего роликов (WΣ). = (Wот) + (Won), закаленных на три уровня твердости - 250, 500, и 700 HV.b установившемся режиме сухого трения при нагрузке 700 Н (давление в контакте 600...650 МПа) представлены на рис. 3.10. На графиках зависимости WΣ = f(П)│Hот = Ноп = Нк, Р=700Н, ω=333 об/мин, То=20С, fs=0,6 различается две критические точки в которых происходит резкое изменение величины скорости изнашивания и которые разделяют весь диапазон проскальзываний на три области скоростей изнашивания: область слабого или мягкого износа (mild wear), область сильного или интенсивного износа (severe wear) и область катастрофического износа (catastrophic wear). Порядок скоростей изнашивания в этих областях для пары роликов с твердостями 250HV составляет соответственно 10-6..10-5 г/оборот (10-6..10-7 мм/об), 10-5…10-4 г/об (10-5..10-6 мм/об) и 10-2... 10-3 г/об (1-5…10-4 мм/об). Вследствие того, что даже незначительное колебание величины какого-либо из факторов вызывает большое изменение интенсивности изнашивания вблизи критических точек наблюдается чрезвычайно большой разброс результатов.

Нахождение критических точек является сложной задачей, требующей больших затрат времени и средств. Поэтому точные параметры на рис. 3 найдены только для одной точки, разделяющей области слабого и сильного износа: р0 = 600...650 МПа, |П| = 5%, Нот = Ноп =200...350 HV, ω = 333 об/мин при значении остальных факторов в обычном лабораторном интервале. Критическая точка для кривых 2 и 3 на рис. 3 показана условно: критические точки сдвигаются при изменении твердости точно так же как и при изменении других факторов. Точное положение критических точек, разделяющих области сильного и катастрофического износа еще предстоит определить.

1 - HB=HH=250HV; 2 - HB=HH=500HV; 3 - HB=HH=700HV

Рисунок 3 - Зависимость суммарной скорости изнашивания от проскальзывания при σк = 600...650 МПа и твердости роликов.

 

В многомерном пространстве внешних факторов критические точки образуют некую кривую. По-существу, эта кривая и является основной триботехнической характеристикой колесно-рельсовой пары трения. Только несколько точек этой кривой известно в настоящее время. Именно недостаток знаний в этой области сделал проблему бокового износа рельсов и гребней колес чрезвычайной.

Необходимо отметить так же еще одну интересную особенность зависимостей, представленных на рис. 3: WΣ не зависит от твердости образцов, в области слабого износа. В области интенсивного износа при изменении твердости от 250 до 500 HV, WΣ снизилась почти на порядок, но при изменении твердости от 500 до 700 HV почти не изменилась. В области катастрофического износа WΣ снижается почти пропорционально снижению твердости во всем исследованном интервале твердостей.

На рис. 4 зависимости интенсивности изнашивания роликов с равной для обоих роликов твердостью, представлены в отдельности для ведущего (опережающего) и ведомого (отстающего) роликов для продольных проскальзываний -2,9%, -10%, -100% и поперечного проскальзывания 5%. При проскальзываниях -2,9%, -10% и -100% давления в контакте были 600...650 Н. Этот диапазон давлений при проскальзывании |П| = 5% попадает в переходную область от слабого износа к интенсивному, поэтому для снижения разброса результатов испытания при П┴= 5% были проведены при повышенной нагрузке 1500 Н (950 МПа). Как видно из рис. 4, при продольных проскальзываниях в интервале твердостей 200...400 HV скорость изнашивания опережающего ролика превышает скорость изнашивания отстающего. При поперечном проскальзывании нет явного   преимущества  в  скорости  изнашивания   какого-либо  из роликов.

На рис. 5 представлена зависимость отношения   от твердости. Зависимость q - f(HV) имеет максимум, зависящий от величины проскальзывания: 2,4 при П║ = -2,9%; 3,1 при П║ = -10% и 5 при П║ = -100%. При высоких твердостях интенсивность изнашивания отстающего ролика становится равна или даже меньше интенсивности изнашивания опережающего: при твердостях больше 450 HV для П║ = -2,9%, при 500 HV для П║ = -10% и 650 HV для П║ =-100%.

W,  г/оборот

         

 

        

о- опережающий (ведущий) ролик; ● - отстающий (ведомый) ролик.

Рисунок 4 - Зависимость скорости изнашивания от твердости при П║= -100%(а), -10% (в),  -22% (г);  П┴ -5% (б).

 

Наши данные совпадают с данными X.Краузе и X.Лехиы [11], которые нашли, что при твердости стальных образцов 230...240 HV и проскальзывании 1...2% ведущий ролик изнашивается приблизительно в 2...2,5 раза быстрее ведомого.

              

                 200             400               600               800     НV10

Рисунок 5 - Зависимость отношения скоростей изнашивания опережающего и отстающего роликов от твердости при: 1 - П║ = -100%; 2 - П║ -10%; 3 - П║ -2,9%.

 

Литература:

1.  Jshii К., Oda N., Nishioka К., Wear of high-speed railway wheels, «Evaluate Wear Test», Philadelphia, 1969, p. 115-132.

2.  Enser Helmut, Die Schnellfahrversuche der Deutschen Bundesbahn mit Geschwindigkeiten bis zu 250 km/r.,  «Eisenbahningenieur», 1974, 25, N 10, s.

3.    Хороока   Тосно,   Сайто   Такаеси,   Изготовление   колес   для подвижного состава, «Дидзэру», 1974, 253, с. 39-45.

4.  Производство   цельнокатанных  колес   в   Японии,   «Бюллетень центрального  научн.-исследовательского института информации и технико-экономических исследований черной металлургии», 1974, 23 (739), с, 63-64.

5. Misao Hisanaga, Wheel of the New Takaido Line Electric Rail-roads, «Japanese Railway Engineering», 1970, v.11, № 1, p.23-27.

6.  Цельнокатаные железнодорожные колеса из низколегированной стали для  перспективных  условий   эксплуатации.  Дисс.  на соискание уч. степени к.т.н. А. М. Вихровой, ВНИИЖТ, 1979, . 270 с.

7.  Banks D., Clayton P., Comparison of the wear process for eutectoid rail steels: field and. laboratory tests, Wear, 120 (1987) 233-250.

8.Ларин Т.В. Износ и пути продления службы бандажей железнодорожных колес. / М., Трансжелдориздат. 1958. 168 с.

9.  Bolton PJ., Clayton P. Rolling-sliding wear damage in rail and tyre steels. Wear, №93, 1984, p. 145...165.

10.  Clayton P. Predictmg the wear of rails on curves from laboratory data. Wear, №181-183, 1995, p. 11...19.

11.  Krause H., Lehna H. Investigation of tribological characteristics of rolling-sliding friction systems by means of  systematic wear experiments under well-defined condition.  Wear,   119,   1987,  p. 153...174.