Технические науки/ 8

Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении.

Научный руководитель- д.т.н., проф. Канаев А.Т.

Казахский Агротехнический университет им. С.Сейфуллина, Казахстан

Изменение структуры и свойств бандажных колес локомотивов после поверхностного плазменного упрочнения

В решении комплекса проблем по повышению надежности и долговечности работы железнодорожного тягового подвижного состава и увеличению сроков его службы важное место занимает вопросы повышения износостойкости наиболее нагруженных деталей и узлов локомотивов и вагонов.

Одним из основных узлов ходовой части локомотивов и вагонов являются колеса, которые непосредственно взаимодействуют с путем. Под воздействием неровностей верхнего строения пути колесная пара совершает сложные пространственные перемещения, а в кривых участках пути колесо проскальзывает по рельсу и возникают значительные поперечные силы между гребнем колеса и рабочей гранью наружного рельса. Это приводит к повышенному боковому износу рельсов и гребней колес, нарушению геометрии, соответственно сокращению сроков службы и увеличению расходов на эксплуатацию. В этой связи проблема повышения надежности работы пары колесо-рельс является крайне актуальной на железнодорожном транспорте.

Плазменное упрочнение гребней колес позволяет решить часть этой проблемы, увеличивая долговечность работы колесной пары в целом, одновременно уменьшая износ рельсов и сокращая работы на ремонт тягового подвижного состава.

На увеличение ресурса и эксплуатационной надежности колесных пар, кроме снижения интенсивности износа гребней бандажа, естественно, влияют и другие факторы, непосредственно влияющие на безопасность движения поездов: поперечные трещины и провороты бандажей на колесе.

Практика показывает, что причиной образования поперечных трещин на гребне является термическая усталость, возникающая в результате периодического нагрева и охлаждения (термоциклирование) поверхности катания бандажа в процессе эксплуатации. Такое повреждение бандажа характерно, в основном, для маневровых тепловозов, которые в силу специфики своей работы производят маневры толчками с многократным торможением.

Ослабления при посадке, приводящие к сдвигам и проворотам бандажей происходят на тяжеловесных и длинно-составных поездах. Причиной является, как известно, недостаточность сил сцепления бандажа и колеса из-за уменьшенного прилегания внутренней поверхности бандажа к ободу колеса и натяга при посадке. Специально проведенными экспериментами установлено, что в ряде ремонтных локомотивных депо на отдельных колесных парах прилегание достигало 45 % и редко доходило до 90 %. Согласно инструкции по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм № 329 для достижения необходимой плотности посадки (натяга) внутренний диаметр бандажа должен быть меньше диаметра обода на 1,2-1,6 мм на каждые 1000 мм диаметра обода. Однако из-за недостаточности или отсутствия оснастки и измерительных приборов для замеров фактического натяга бандажа на колесо и определения площади прилегания внутренней поверхности бандажа к ободу, эти вопросы остаются пока открытыми.

В данной работе приведены результаты исследований изменения структуры и свойств бандажных колес после поверхностного плазменного упрочнения.

В ремонтном локомотивном депо г.Усть-Каменогорска проведены эксперименты по исследованию влияния плазменной закалки гребней колес на структуру закаленного поверхностного слоя, глубину и ширину упрочненной зоны, средний пробег между обточками и износ гребней упрочненных и неупрочненных колес.

Плазменной закалке подвергались бандажи локомотивных колес, изготовленные из углеродистой стали марки 2, таблица 1 (ГОСТ Р 52366-2005)

Таблица 1 Химический состав бандажной стали ( % )

№	C	Mn	Si	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Mo
1	0.610	0,820	0,370	0,014	0,020	0,042	0,053	0,012	0,024	˂ 0,005
2	0,620	0,820	0,400	0,015	0,016	0,042	0,053	0,009	0,030	˂ 0,005

Механические свойства (таблица 2) бандажей в состоянии поставки (�� , δ, Ψ по ГОСТ 1497 на образце диаметром 15 мм с расчетной длиной 60 мм, ударная вязкость - KCU на образцах типа 1 по ГОСТ 9454, твердость - НВ по ГОСТ 9012 шариком диаметром 10 мм при нагрузке 29430 Н (или 3000 кгс).

Таблица 2 Механические свойства бандажей

№

��,

Н/мм²

δ,

Ψ,

KCU.

Дж/см²

HB на глубине 20 мм

HB гребня

1017

15,5

285

288

1044

14,5

295

300

При режиме плазменного упрочнения: сила тока 275А, напряжение электрической дуги 120 В, расход аргона 5 л/мин, частота вращения колесной пары 0,143 об/мин. расстояние от среза сопла до обрабатываемой поверхности 10 мм – определена глубина закаленного слоя. Микротвердость на расстоянии 15-20 мкм от края образца составляет 8 ГПа, до глубины 1000 мкм она находится на этом уровне и далее плавно снижается до 6 ГПа на глубине 2500 мкм. Микротвердость исходной структуры колеблется в интервале 3,7- 4,1 ГПа. Таким образом, глубина закаленной зоны (упрочненного слоя) вместе с зоной термического воздействия при данном режиме упрочнения составляет ~ 2500 мкм.

За счет ориентации высокотемпературной струи под углом 30-60⁰ к обрабатываемой поверхности, изменения силы тока и скорости вращения колесной пары можно обеспечить увеличение доли тепла, передаваемой на нагрев материала и требуемый характер нарастания плотности теплового потока.

Влияние угла встречи струи с поверхностью и скорости вращения колесной пары на глубину закаленной зоны (прокаливаемость) представлены в таблице 3

Таблица 3 Зависимость глубины закалки от угла встречи струи и скорости вращения

№	Угол встречи струи с поверхностью, град.	Скорость вращения колесной пары, см/с	Глубина закалки, мм	Нагрузка перед разрушением образца, кН	Микротвер дость на поверхности, ГПа
1	20	1,6	0,35	7,7	5,8
2	30	4,6	1,75	8,2	6,9
3	45	5,1	2,0	8,6	8.0
4	60	4,65	1,8	8,1	8,2
5	75	3,2	1,25	6,9	8,7
6	90	2,00	1,00	6,0	8,8

Как видно из таблицы 3, наибольшая глубина закалки, т.е. максимальная прокаливаемость, а также трещиностойкость, характеризуемая максимальной нагрузкой перед разрушением разрывного образца, при данном режиме плазменного упрочнения, соответствует 45⁰ угла встречи высокотемпературной струи с закаливаемой поверхностью.

Графическое изображение распределения микротвердости по глубине закаленной зоны показывает типичную кривую, когда микротвердость поверхностного слоя на расстоянии ~15-20 мкм от края образца плавно снижается от 8 ГПа до 3,5-4,0 ГПа на глубине порядка 2500 мкм.

Такое распределение микротвердости и микроструктуры упрочненных гребней обеспечивает существенное увеличение среднего пробега между обточками и повышение ресурса бандажей. Так, средний пробег между обточками упрочненных колесных пар составляет 20 - 25 тыс. км против 10 -15 тыс. км неупрочненных колесных пар, что приводит к росту ресурса бандажа упрочненной колесной пары до 250 тыс. км, в то время как эксплуатационный ресурс неупрочненной колесной пары не превышает 105 тыс. км.

Литература

• Канаев А.Т., Богомолов А.В., Сарсембаева Т.Е. Повышение износостойкости гребней колесных пар упрочнением плазменной закалкой. Журнал «Сталь» 2012, № 6,с.58-62

• 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, с.71-76

• Kanayev A.T.,Kanayev A.A. Plasma Surtace Hardening of Crests of Wteels of a Rolling Stocr.Materialy 1V Mezinarodnivedecko-prakticka conference VEDA TEORIE A PRAXE-2008, Praha, 2008, c.56-60