На конференцию «Научный потенциал мира», секция «Технические науки» 17 - 25 сентября (Болгария)

 

Сарсембаева Т.Е,  Аязбаева А. Б., д.т.н., проф. Канаев А.Т.

 

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина,  Казахстан

 

Опытно-промышленная реализация  плазменной  закалки  гребней бандажных колес локомотивов

   

     Проблема  продления эксплуатационного ресурса тяжело нагруженных деталей является актуальной в экономическом, экологическом и ресурсосберегающем аспектах, поскольку их первичное производство и утилизация сопровождаются потреблением сырьевых и энергетических ресурсов, а также техногенным загрязнением окружающей среды. Перспективным направлением решения этой проблемы представляется упрочняющая  термическая обработка рабочей поверхности концентрированным потоком энергии [1]. Образующиеся при скоростном нагреве и охлаждении структуры закалочного типа обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением разрушением.

     Широкое промышленное применение большинства известных способов упрочняющей обработки концентрированным потоком энергии (лазерной, электронно-лучевой, катодно-ионной и др.) сдерживается высокой стоимостью и сложностью оборудования, недостаточными его надежностью и производительностью, необходимостью использования вакуума, специальных помещений с особыми требованиями, потребностью в квалифицированном обслуживании,  высокими эксплуатационными затратами и др. В этих условиях для продления эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности является способ поверхностной термической обработки плазменной дугой. Не изменяя параметров в шероховатости  поверхности, такая термообработка легко встраивается технологический процесс восстановления деталей, являясь финишной операцией, малозатратна, достаточно производительна и позволяет эффективно увеличить их эксплуатационную стойкость.

    На ремонтном локомотивном депо «Защита» (г. Усть-Каменогорск) проводилась практическая реализация результатов экспериментальных исследований по плазменной закалке гребней колесных пар [2].

 

Режим плазменной закалки:

Сила тока, А                                                                                               275

Напряжение электрической дуги, В                                             120

Номинальное значение мощности дуги, кВт                               35

Расход защитного газа, л /мин                                                     5

Частота вращения колесной пары, об/мин                                 0,143

 

     Зона упрочнения начинается на расстоянии 2-3 мм от вершины гребня и имеет ширину 25-26 мм. Контроль качества упрочненного слоя на поверхности гребня на наличие трещин, пор, отслоений и др. дефектов производился внешним осмотром до и после упрочнения. Трещины и другие недопустимые дефекты при этом не обнаружены. В то же время следует отметить, что согласно технических требований (инструкция № ЦТ-ЦВ-ЦВ/538) перед и после плазменной обработки должна проводиться дефектоскопия гребня бандажа. Параметры шероховатости поверхности гребня до плазменного упрочнения не определяются, поскольку считается, что требования к качеству поверхности бандажей соответствует требованиям ГОСТ 3225-80, ГОСТ 11018-87.

     Твердость упрочненного слоя, измеренная переносным твердомером ТЭМП–3, составляет 777 единиц, что в переводе на твердость по Роквеллу соответствует 65,2 НRс, а по Виккерсу – 852 HV. Твердость не упрочненного гребня соответственно 576 единиц или 32 HRc, 324 HV. Плазменную закалку осуществляли  на специализированном участке, соответствующем двукратной длине отдельной секции локомотива.  Средняя часть смотровой канавы  оборудованы  роликовым электромеханическим приводом вращения колесной пары, которым обеспечивалась частота ее вращения, составляющая 7,0-7,2 минуты за полный оборот колеса (рис.1).

 

C:\Users\Амангельды\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок (1).png

Рисунок 1- Схема  устройства для вращения колесной пары

 

1-   электродвигатель;  2 – двухступенчатый цилиндрический редуктор; 3 – коническо-цилиндрический редуктор;4–букса; 5 – ось; 6 – клинноременная передача; 7 - муфта втулочно-пальцевая; 8 – рельс.

 

     При вращении колесных пар  рывки не допускались. Кроме вращателя колесной пары специализированный участок упрочнения скомплектован  плазмотроном с электромагнитами  и суппортом для перемещения плазмотрона (рис.2).

C:\Users\Амангельды\AppData\Local\Microsoft\Windows\Temporary Internet Files\Content.Word\Новый рисунок.png

     Рисунок 2- Схема устройства суппорта

1- планеторный мотор-редуктор BOSH, номинальной частотой вращения

 выходного вала 180 об / мин; 2- гайка суппорта; 3- корпус суппорта;

4- торцевая крышка; 5 – постоянный магнит датчиков положения

 

     Расчет  интенсивности износа  гребней  бандажа проводили на 10 000 км пробега упрочненных и неупрочненных колесных пар [3].     Суммарная  величина  износа  гребней составила 45,5 мм, пробег тепловоза 2ТЭ10М «А» -52 759 км. Интенсивность износа гребней бандажа колесных пар рассчитывали по известной  формуле:

 

Х = А 10 000 / Б 2n

 

где,  А – суммарная величина износа гребней бандажа, мм

Б – пробег локомотива, км

n – количество осей локомотива, n = 6

 

Таблица 1- Интенсивность износа гребней бандажа колесных пар тепловоза 2ТЭ10М «А»

 

Толщина гребня перед упрочнением, мм

Толщина гребня после

52 759  км пробега, мм

Износ гребня, мм

№

лев.

прав.

лев.

прав.

 

1

33

33

29

29,5

7,5

2

33

33

28

29

9,0

3

33

33

30

30

6,0

4

33

33

30

29,5

6.5

5

33

33

29

28

9,0

6

33

33

29

29,5

7,5

 

     Износ на данном тепловозе, прошедший плазменное упрочнение  составляет:

Х = А *10 000 / Б *2*n = 45,5 *10 000 / 52759 *2*6 = 0,7 мм

 

Таблица 2- Интенсивность износа неупрочненных гребней бандажа колесных пар тепловоза 2ТЭ10М «Б»

 

Начальная толщина гребня  мм

Толщина гребня после

29 075  км пробега, мм

Износ гребня, мм

№

лев.

прав.

лев.

прав.

 

1

28

29

25,5

24

7,5

2

29

29

26,5

26,5

5,0

3

30

30

25,5

25,5

9,0

4

30

31

26,5

25,5

9.0

5

30

30

27

25,5

7,5,

6

30

31

26

25,5

9,0

 

 Суммарный износ составляет 47,5 мм, пробег локомотива 29 075 км, n= 6

На данном тепловозе износ гребней бандажа, не прошедших плазменное    упрочнение  составляет :

Х = А *10 000 /Б *2*n = 47,5 *10 000 / 29 076 *2*6 = 1,4 мм

 

Суммарный износ составляет 34,0 мм, пробег локомотива 36 782 км, n= 6

 На данном тепловозе износ гребней бандажа,  прошедших плазменное упрочнение  составляет:

Х = А *10 000 /Б *2*n = 34,0 *10 000 / 36 782 *2*6 = 0,77 мм

 

Таблица 3- Интенсивность износа упрочненных гребней бандажа колесных пар тепловоза 2ТЭ10М «Б»

 

Толщина гребня перед упрочнением, мм

Толщина гребня после

36 782  км пробега, мм

Износ гребня, мм

№

лев.

прав.

лев.

прав.

 

1

33

33

30

30

6

2

33

33

30

30

6

3

33

33

30

30

6

4

33

33

30

30

6

5

33

33

29,5

30,5

6

6

33

33

31

31

4

 

     Экономический эффект определяется путем сравнения затрат на обслуживание упрочненных и неупрочненных колесных пар, а также сравнением эксплуатационных ресурсов их работы. Для сравнительного анализа проведены эксперименты на 12 колесных парах, прошедших и непрошедших плазменное упрочнение [4,5].

     Результаты экспериментов показывают, что пробег между обточками неупрочненных колесных пар составляет 10 000 – 15 000 км, в то время  для упрочненных колесных пар пробег 1,7 - 2.0  раза больше и составляет от 20 000км до 25 000 км. Полный износ неупрочненных гребней бандажа колесных пар составляет 1,9 мм за 1,1 года, а для упрочненных гребней износ составляет 0,7мм за 2,6 года, Фактический эксплуатационный ресурс неупрочненной колесной пары - 105 тыс. км, а для плазменно упрочненной - 259 тыс. км.

     Затраты на замену одной неупрочненной колесной пары с полным освидетельствованием  составляет 656 550 тенге, затраты на плазменное упрочнение одной колесной пары – 20 065 тенге.

     При применении плазменного упрочнения сокращается количество обточек бандажа колесных пар, а, следовательно, сокращается и время простоя локомотива на ТО-4. Согласно нормативных данных,  время простоя локомотива в ремонте   на ТО-4 составляет 2 часа без выкатки колесной пары из-под локомотива.

 

Таблица 4.- Экономическая эффективность плазменного упрочнения гребней бандажа колесных пар

 

Пробег между обточками неупрочненных колесных пар, тыс. км

Износ неупрочненных гребней бандажа колесной пары на 10 000 км пробега, мм

Максимальное  количество обточек неупрочненной колесной пары, раз

Ресурс бандажа неупрочненной колесной пары,

тыс. км

от 10 до 15

1,9 мм (полный износ) за 1,1 года

10

105

Пробег между обточками упрочненных колесных пар, тыс. км

Износ упрочненных гребней бандажа колесной пары на 10 000 км пробега, мм

Максимальное  количество обточек упрочненной колесной пары, раз

 

Ресурс бандажа упрочненной колесной пары,

тыс. км

от 20 до 25

0,7мм (полный износ) за 2,6 года

7

250

   

     Следует также отметить, что значительный экономический эффект от проведения плазменного упрочнения гребней бандажа  произойдет в результате сокращения расходов при перетяжке бандажей колесных пар.

     Как отмечалось выше,  затраты на замену одной неупрочненной колесной пары с полным освидетельствованием  составляет 656 550 тенге, затраты на плазменное упрочнение одной колесной пары – 20 065 тенге.

     С учетом затрат по предельному износу на парк ТЧР упрочненных колесных пар 656 550* 240 = 157 572 тыс. тенге и  затрат по предельному износу на парк ТЧР неупрочненных колесных пар  (656 550*240)* 2,3 = 362 415 6 тыс. тенге, годовой экономический эффект составляет (362 415, 6 – 157 572) : 2,6 = 78 786 000 тенге.

 

Литература

 

1. Нечаев В.П., Рязанцев А. А. Исследование, разработка, обоснование возможностей повышения надежности работы крупномодульных шестерен путем плазменного упрочнения их поверхностей. Прогрессивные технологий и системы  машинобудувания. Вып. 1,2 (43), 2012, стр.227-232

2. Токтанаева А.А., Канаев А.Т. Поверхностное плазменное упрочнение гребней колес тягового подвижного состава. Материалы 14-й Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика, часть 2, Санкт- Петербург, 2012, стр.338-343

3.Тополянский П.А., Соснин Н.А., Ермаков С.А. Финишное плазменное упрочнение - Российская  нанотехнология (к 25-летию создания). Материалы 14-й Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика, часть 2, стр.344 – 366

4.Канаев А.Т., Бакижанова Д.С., Канаев А.А., Кусаинова К.Т. Изменение структуры и свойств бандажных колес локомотивов после поверхностного плазменного упрочнения. Материалы 15-й Международной научно-практической конференции «Технология упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика, часть 2, Санкт- Петербург, 2013, стр.158-162

5. Канаев А.Т., Богомолов А.В. Плазменная технология упрочнения гребней локомотивных колесных пар. Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы 1-й Международной интерактивной научно-практической конференции, Екатеринбург, 2011, стр.71-76

 

Работа выполнена по бюджетной программе «Научная и/или научно-техническая деятельность». Приоритет «Глубокая переработка сырья и продукции» по теме «Раз работка инновационной технологии плазменного упрочнения гребней бандажных колес локомотивов»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимы:

 

1.Образцы тяжелонагруженных  (быстроизнашивающихся) сменных деталей почворежущих машин для металлографических исследований (лемехи, плоскорезы, долота и т.д.)

2. Марка стали этих деталей (ГОСТ), химический состав и механические свойства по сертификату соответствия

3. Их нормативный и фактический эксплуатационный ресурс (фактическая и нормативная наработка)

4.Рабочие чертежи  деталей с указанием плазменнозакаливаемых зон

 

     Высота образцов (сегментов) без учета зоны термического влияния должна составлять не более ~ 40-50 мм, это нужно для  изучения микроструктуры и  микротвердости (твердости), образцы высотой более 50 мм на предметный столик металлографических микроскопов и микротвердомеров не устанавливается.

 

Аннотация

      Показаны преимущества упрочняющей  термической обработки  рабочей поверхности деталей высококонцентрированным потоком энергии. Отмечается, что для продления эксплуатационного ресурса быстроизнашивающихся деталей рациональным по параметрам универсальности, доступности, экологичности и экономической эффективности является способ поверхностной термической обработки плазменной дугой. Приведена методика   расчета  интенсивности износа  гребней  бандажа  упрочненных и неупрочненных колесных пар.

 

Ключевые слова: гребень бандажа, плазменная закалка, интенсивность износа, пробег локомотива, ресурс, экономическая эффективность