ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКИХ ДЕФОРМАЦИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ УПРОЧНЯЕМОГО БАНДАЖА

АННОТАЦИЯ

В статье приводится расчетное обоснование оценки деформаций на поверхности бандажа. Рассчитывались режимы нагружения, которые обеспечивают пластические деформации поверхностей деталей.

ABSTRACT

The calculated ground of the estimation of the  deformation on the surface of the strengthened bandage is presented in this article. The mode of the loading, which provide elastic deformation on the surface of the parts under control, were calculated.

Ключевые слова: колесо, рельс, износ, скорость, поверхность катания, упрочнение

Keywords: wheel, rail, wear, speed, rolling surface, hardening

Введение. Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава. Износ бандажей колесных пар и рельсов представляет собой сложный процесс, который определяется многими факторами. В количественном отношении между ними имеется взаимная связь, которую можно установить на основе имеющихся наблюдений за износом в эксплуатации. Большое влияние на условие работы колесных пар оказывают возрастающие скорости движения поездов. Допустимые скорости движения грузовых поездов установлены в пределах 90 – 100 км/ч, пассажирских: 120 – 160 км/ч (до 200 км/ч – высокоскоростные поезда). Увеличение скорости движения приводит к росту динамических нагрузок на колесные пары и появлению высокочастотных колебаний на участках с большой жесткостью пути. Возрастание нагрузок от колесной пары, максимально реализуемой силы тяги и скорости приводило к повышению напряженного состояния рельсов и колес, что еще больше увеличило износ колес и рельсов.

Сужение рельсовой колеи привело к уменьшению среднего зазора между рабочими гранями колеса и головки рельса. Это с одной стороны повысило устойчивость подвижного состава в колее и позволило увеличить допускаемые скорости движения, с другой – вызвало возрастание интенсивности износа гребней подвижного состава и вертикальных граней головок рельсов.

При ширине колеи 1524 мм, в процессе эксплуатации колесных пар сначала нарастал прокат по кругу катания без существенного уменьшения толщины гребня, и лишь при значениях проката, близких к предельно допустимому, отмечалось возрастание интенсивности изнашивания гребня. Таким образом, обточку колесных пар назначали  в связи с достижением предельного значения проката или  в связи с обнаружением непрогнозируемого дефекта (выщербины, раковины и т.п.). После изменения колеи до 1520 мм износ гребня стал опережать нарастание проката. Изменился и характер износа: после сужения колеи он стал происходить как бы по касательной плоскости к внутренней (рабочей) поверхности гребня. Это привело к существенному учащению обнаружения остроконечного наката и к возрастанию нового типа повреждений колес – опасной формы гребня. Совокупность «острого гребня» и ступенчатого бокового износа рельса, приводила к сходам с рельсов подвижного состава, особенно в кривых участках пути.

Цель. Настоящая работа посвящена изучению особенностей износа поверхности катания бандажей колесных пар локомотивов после механической обработки ввиду того, что при механической обработке снимается упрочненный слой металла с поверхности катания, что приводит к интенсивному износу в эксплуатации. Приводится расчетное обоснование  оценки  влияния поверхностного упрочнения на величину износа. В сложившейся ситуации было принято решение, не отличающееся системным подходом к проблеме, а именно была в одностороннем порядке повышена твердость рельсов, притом, что твердость рабочих поверхностей колес была оставлена прежней. С одной стороны применение рельсов тяжелых типов позволило значительно снизить эксплуатационные расходы железных дорог. Но по мере укладки новых рельсов еще более повышалась интенсивность  изнашивания рабочих граней гребней колес.  Среднегодовой удельный износ гребней бандажей колесных пар в ряде случаев вырос приблизительно в 3 раза. Интенсивность износа вызвала рост эксплуатационных расходов в локомотивном и вагонном хозяйствах, связанных с внеплановыми обточками колесных пар, дополнительным приобретением новых бандажей и колес. Обтачивания по износу гребня при ремонте связаны с удалением большого объема работоспособного металла колеса, то есть с существенным технологическим изнашиванием. Так при равномерном износе на каждый миллиметр бокового износа гребня требуется снять металл по толщине бандажа на глубину около 1,75 мм. Поэтому возрастание доли таких обточек всегда влечет за собой непропорционально сильное сокращение среднего срока службы колеса. С целью снижения интенсивности изнашивания колесных пар в последние годы проводится ряд мер технического и организационно-технологического характера (лубрикация, улучшение конструкции пути и подвижного состава, совершенствование геометрии профиля поверхности катания колесных пар и рельсов, повышение качества их металла и т.д.). К сожалению ни одно из этих мероприятий в полном объеме проблемы не решило. Разработка новых профилей поверхности катания бандажей, уменьшение разбегов колесных пар в тележке, конструирование гребнесмазывателей и другие методы, хотя и повышают ресурс бандажей, но являются борьбой с последствиями их износа.

Метод

Технология восстановления профиля катания далеко не совершенна.  Главный недостатком является отсутствие методов и средств, позволяющих осуществить оптимальный процесс резания, что приводит к заведомо излишнему снятию металла. В результате при восстановлении конфигурации профиля бандажа с поверхности катания колес удаляется упрочненный в процессе эксплуатации износостойкий слой металла. Ведь известно, что в начале приработки деталей, а именно в системе «колесо-рельс» после обточки износ быстро растет. Затем наступает момент, когда износ протекает плавно. Поэтому требовалось найти и устранить первопричины, вызывающие усиленный износ бандажей колесных пар локомотивов и рельсов. В данном случае предлагается метод, позволяющий выполнять упрочнение поверхности бандажей, способствующий увеличению срока службы колесных пар.

На рисунке 1 показана схема нагружения бойка 1 с использованием рычага 8 с шарниром поворота в точке 10 и опорой 11, закрепленной на раме 12.

Рычаг 8 нагружается усилием Р_Н, создающимся от растяжения пружины 14, концы которой закреплены в точке К к кронштейну на раме установки 6 и в точке L к винту 15. Винт 15 связан с гайкой 16, установленной на рычаге 8 с возможностью вращения вокруг винта 15 и рычага 8. Выбор величины усилия Р_Н  должен быть увязан с размерами 1_А, 1_Н и обеспечивать значения Р_А до 15 тс. При Р_А =12 тс максимальная нагрузка на один шарик 4 будет достигать N_Г1=2600 кг, а всего в опоре 5 должно быть 9 шариков диаметром d_Ш=28,58 мм (30 мм) (см.п. 3.1). При этом на шарнир в точке 10 опоры 11 будет передаваться нагрузка Р₁₀= Р_А + Р_Н, вектор которой Р₁₀ параллелен Р_А, а шарнир в точке К нагружен усилием Р_Н. Для связи подвижной опоры 5 с плитой 6 должны быть использованы два болта 7 (рис. 2 и 1).

Рисунок 1.  Расчетная схема нагружения бойка 1, бандажа 2, шариков 4 в опоре 5, плиты 6 и рамы стенда 12.

Расчетное обоснование используется для технического задания на разработку установки для импульсного упрочнения материала бандажей колесных пар тепловозов типа ТЭ10 в двух зонах:

- на поверхности перекатывания колесных пар по рельсам БАВ для бандажа 2Н (рис. 2) от бойка 1 конической формы под расчетной нагрузкой Р_А;

- в зоне гребня ДГЕ бандажа 2Н (снизу) от воздействия шарика 4 диаметром d_Ш=28,58 мм, нагружаемого усилием N_Г и являющегося результатом суммирования векторов , реакция     вектор F_Г через колесный центр и ось колесной пары передается на второй колесный центр, шарик 4¹ и опору 5¹. Нагрузка N_Г  от шарика 4 передается на подвижное основание опоры 5 и поверхность ЖЖ плиты 6. Для обеспечения регулировки относительного расположения опоры 5 и плиты 6 введены болты 7 и набор шайб 8 колиброванной толщины.

Рисунок 2. Расчетная схема силового нагружения от бойка 1 на поверхность БАВ бандажа 2 и зоны ДГЕ гребня 3 на шарик 4, опору 5 и плоскость ЖЖ плиты 6

Расчетное обоснование проведем для модели нагружения поверхностей деталей и бандажей [4] через шаровую поверхность радиуса  мм от шариков подшипников, используемых на локомотиворемонтных заводах.

Анализируется нагружение неподвижной поверхности бандажа (цилиндрической радиуса R_К) через шар радиусом r_ш. Для такого случая используем формулы модели «цилиндр - сферическое тело» [5] с материалами, имеющими равные модули упругости  кг/мм² и коэффициенты Пуассона μ₁= μ₂=0,3. Для первого варианта расчета принимаем r_ш=12 мм  R_К=525 мм и усилие нагружения Р_к=10⁴ кг; определяем отношение r_ш: R_К=12:525=0,0229, по которому из таблицы 52 [5] находим методом интерполяции коэффициенты n_a=4,31,  n_B=0,389,   n_p=0,6 и  n_Δ=0,562.

Выполняем расчеты для модели нагружения величин:

- размеров полуосей эллипса контакта шара и бандажа

 мм,

 мм,

- максимальных контактных напряжений

 кг/мм²

- сближений шара и бандажа

мм

 Используем допущение о соотношении между контактным напряжением σ_КТ и пределом текучести σ_Т =35 кг/мм², при которых появляются остаточные деформации

 кг/мм²

Выбор расчетного σ_Т =35 кг/мм² объясняется планированием опытов на бандажах из стали 60. Определяем расчетное усилие Р_КТ, при котором будут достигаться контактные напряжения, равные σ_КТ из условия , откуда получим

 кг

Для условий нагружения усилием Р_КТ определяем расчетное сближение модели шара и бандажа

 мм

Выполняем оценку остаточной упругой деформации

 мм

Вводим допущение о взаимосвязи диаметра d₀ отпечатка на поверхности бандажа с радиусами r_ш, R_К и упругой деформацией Δ₀

                          (1)

Выполняем разложения тригонометрических функций в ряды по степеням (при ограничении учета вторых членов), в этом случае получим условие

                           (2)

откуда получим формулу для диаметра

                                              (3)

Для принятых условий нагружения при Р=10⁴ кг, Δ=0,185 мм, Δ₀=0,184 мм получим    мм

Выполняем проверку формулы (3.25)

 мм.

Используем соотношения для прибора Бринелля  между нагрузкой Р_ш на шарик, его диаметром 2r_ш=D_Ш и диаметром отпечатка d_п

                 (4)

Выполняем разложение функции в ряд по степеням с ограничением до третьего члена ряда

В этом случае из (4) получим

, откуда при известных Р_Ш, НВ и D_Ш  получим уравнение для определения d_п

   или 

Решаем это уравнение

Так как d_п< D_Ш, то решение последнего уравнения получим в виде

                                   (5)

Принимаем Р_Ш=10⁴кг, материал бандажей из стали 60 с σ_В=90 кг/мм² и НВ=250 ед., D_Ш =24 мм.

При этих исходных данных получим

 мм

Сопоставление d_п: d₀=1,53:4,15=0,369 мм

При увеличении σ_ВМ до 150 кг/мм² (максимального значения) получим

НВ_М=417 ед. и

d_пм≈0,91 мм.

Отношение d_пм: d₀=0,91:4,15=0,219 мм.

Вывод

В результате исследования было установлено, что поверхностное упрочнение ведет к уменьшению износа и  доказано, что диапазон пластических деформаций находится в пределах от 0,219 до 0,369 расчетного значения d₀  упругой деформации, определяемой по формулам теории контактных напряжений.

Список литературы:

1. Глущенко А.Д., Файзибаев Ш.С. Моделирование импульсного динамического и теплового нагружения материала колесных пар локомотивов Ташкент.: Фан, 2002. – 194 с.
2. Вериго М.Ф., Коган А.Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. – 412 с.
3. Шур Е.А., Бычкова Н.Я., Марков Д.П., Кузьмин Н.Н. Износостойкость рельсовых и колесных сталей. Трение и износ. М.: Транспорт, 1995. – 240 с.
4. Яковлев В.Ф. Исследование сил взаимодействия деформаций и напряжений в зоне контакта железнодорожных колес и рельсов. Л.: Транспорт, 1964. – 324 с.
5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. Справочник по сопротивлению материалов. Киев: Наукова думка, 1988 с. – 734