ФОРМИРОВАНИЕ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ИЗНОС И РАЗРУШЕНИЕ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

УДК 656.9

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены основные виды дефектов колесных пар железнодорожного подвижного состава и систематизированы факторы, влияющие на их износ и разрушение. Приведены классификация неисправностей, характеристика предельного и локального износа, термомеханических и механических повреждений, а также нарушений сплошности металла и геометрических параметров. Дополнительно представлен анализ влияния состояния рельсового пути на интенсивность изнашивания и развитие усталостных процессов. В работе приведены иллюстративные материалы и обобщающая таблица факторов. Показано, что износ и разрушение колесных пар формируются под воздействием совокупности конструктивных, технологических, эксплуатационных и факторов состояния рельсового пути.

ABSTRACT

This article examines the main types of defects in wheelsets of railway rolling stock and systematizes the factors influencing their wear and failure. It provides a classification of faults, characteristics of extreme and localized wear, thermomechanical and mechanical damage, as well as discontinuities in metal and geometric parameters. It also analyzes the influence of track condition on wear intensity and fatigue development. The paper includes illustrative materials and a summary table of factors. It demonstrates that wheelset wear and failure are influenced by a combination of design, technological, operational and factors of the track condition.

Ключевые слова: колесная пара, износ, прокат, ползун, термомеханические повреждения, трещины, взаимодействие колесо–рельс, состояние пути, динамические нагрузки, безопасность движения.

Keywords: wheelset, wear, rolled products, slider, thermomechanical damage, cracks, wheel-rail interaction, track condition, dynamic loads, traffic safety.

Введение

Колесная пара является одним из наиболее ответственных узлов железнодорожного подвижного состава, от технического состояния которого напрямую зависит безопасность движения поездов. В процессе эксплуатации выявляется более шестидесяти видов дефектов колесных пар, возникающих под воздействием различных факторов. Колесные пары, у которых параметры дефектов превышают установленные нормы, подлежат ремонту или исключаются из инвентаря. Неисправностью считается состояние колесной пары, при котором один или несколько ее параметров не соответствуют нормативным требованиям. Переход в неисправное состояние происходит вследствие отказа, приводящего к полной или частичной утрате работоспособности. Под дефектом понимается нарушение исправного состояния, вызванное износом, повреждением или разрушением металла. На практике колесные пары часто имеют несколько дефектов одновременно, что требует комплексной оценки их влияния на безопасность движения.

Целью настоящей работы является систематизация факторов, влияющих на износ и разрушение колесных пар подвижного состава, а также анализ механизмов формирования основных дефектов в зависимости от условий эксплуатации и состояния рельсового пути.

Материалы и методы исследования

В работе применены методы анализа нормативно-технической документации, обобщения данных эксплуатационных наблюдений и дефектоскопического контроля колесных пар, а также сравнительный анализ различных типов повреждений поверхности катания и элементов оси. Методика исследования включала: классификацию дефектов по характеру разрушения металла; анализ влияния контактных напряжений в зоне взаимодействия «колесо–рельс»; оценку роли динамических нагрузок при различных параметрах пути; обобщение факторов, способствующих ускоренному износу и развитию усталостных трещин.

Результаты и обсуждения

Одним из основных процессов, определяющих снижение ресурса колесной пары, является износ — разрушение микрообъемов поверхностного слоя металла при трении [1, 2]. Износу подвергаются поверхность катания колеса, гребень, обод и шейки оси. Различают круговой и локальный износ.

Рисунок 1. Виды кругового износа поверхности катания колеса

Круговой износ формируется по периметру поверхности вращения. Равномерный круговой износ - прокат (рис.1) развивается вследствие смятия металла в зоне контакта с рельсом и истирания при действии сил трения. Установлено, что изнашивание поверхности катания колеса при его контакте с рельсом обусловлено совместным воздействием двух механизмов: пластической деформации металла в зоне контактного давления и его истирания под влиянием сил трения, возникающих при торможении вследствие проскальзывания колеса по рельсу и тормозной колодки по ободу.

Увеличение величины проката, вызванное истиранием, обусловлено не только пластической деформацией металла, но и тепловыми процессами, протекающими в поверхностном слое обода при его контакте с рельсом и тормозной колодкой. В процессе изнашивания происходит отделение частиц металла, подвергшихся пластической деформации и структурным изменениям. Исследования свидетельствуют о том, что при отсутствии проскальзывания либо при его незначительной величине износ минимален. Существенные напряжения в металле возникают при наличии составляющей скольжения, направленной поперек движения качения колеса по рельсу. При значительном проскальзывании механизм изнашивания при качении по своему характеру приближается к износу при чистом скольжении.

Рост проката до предельно допустимого значения происходит неравномерно. На стадии приработки его образование протекает примерно в три раза интенсивнее, чем в последующий период эксплуатации. В это время, помимо активного сглаживания микронеровностей поверхности катания, происходит уплотнение поверхностных слоев металла и формирование наклепа. Твердость наклепанного слоя у колес, находящихся в длительной эксплуатации, может достигать 470 НВ.

После выполнения обточек и уменьшения толщины обода средняя скорость нарастания проката увеличивается. Это связано с неоднородностью распределения твердости по толщине обода нового колеса и в направлении от гребня к фаске. Так, согласно ГОСТ 10791, твердость металла у поверхности катания нового колеса составляет 300–320 НВ, тогда как на глубине около 30 мм она снижается до 250–285 НВ и ниже. По данным ВНИИЖТа, уменьшение твердости в рабочем диапазоне на одну единицу приводит к увеличению скорости изнашивания колес примерно на 1 % [3, 4].

В начальный период эксплуатации интенсивность износа выше вследствие приработки поверхностей и формирования наклепанного слоя повышенной твердости. По мере уменьшения толщины обода скорость изнашивания возрастает из-за снижения средней твердости металла. Неравномерный круговой износ приводит к образованию ступенчатого проката, вертикального подреза гребня (рис. 2, а), седлообразного проката и кольцевых выработок (рис. 2, б). Эти дефекты вызывают увеличение динамических нагрузок и могут стать причиной схода подвижного состава.

Рисунок 2. Дефекты поверхности катания:

 а) подрез гребня; б) кольцевые выработки

Локальный износ проявляется в виде ползуна (рис.3) – плоской площадки на поверхности катания, образующейся при движении колеса юзом.

Рисунок 3. Локальный износ поверхности катания (ползун)

При образовании ползуна происходит интенсивная пластическая деформация и локальный разогрев металла, а последующее охлаждение может привести к формированию закалочных структур. Ползуны вызывают ударные нагрузки, способствуют ускоренному износу элементов пути и развитию трещин.

Помимо износа, значительное влияние оказывают термомеханические и механические повреждения (рис. 4).

Рисунок 4. Термомеханические и механические повреждения колес

а) выкрашивание; б) «белые пятна» и термические трещины

К термомеханическим повреждениям относятся «навар» и «белые пятна», возникающие при интенсивном торможении и проскальзывании колеса по рельсу. Они сопровождаются формированием участков повышенной твердости и остаточных напряжений, способствующих развитию микротрещин. Механические повреждения проявляются в виде наката гребня, наплывов металла и нарушений посадки ступицы на ось. Нарушение сплошности металла выражается в образовании усталостных и термических трещин, а также дефектов металлургического происхождения.

Рассмотренные дефекты поверхности катания колесных пар формируются под воздействием ряда эксплуатационных и конструктивных факторов, определяющих условия взаимодействия системы «колесо–рельс» и целесообразно будет проанализировать факторы, которые приводят к их возникновению и развитию в процессе эксплуатации [4].

Формирование износа и повреждений колесных пар определяется совокупностью факторов, связанных с материалом и технологией изготовления, конструктивными особенностями, эксплуатационными нагрузками, состоянием рельсового пути, воздействием окружающей среды и уровнем технического обслуживания.

Важную роль играют материал и технология изготовления колес. Химический состав стали, режимы термической обработки и наличие остаточных напряжений формируют структуру металла и определяют его сопротивляемость усталостному разрушению и износу. Недостаточная прочность или неблагоприятное распределение остаточных напряжений могут способствовать ускоренному развитию трещин в ободе и диске колеса.

Значительное влияние оказывают конструктивные параметры колесной пары. Толщина обода, геометрия и профиль поверхности катания определяют распределение контактных напряжений в зоне взаимодействия «колесо–рельс». Несоответствие профиля условиям эксплуатации может приводить к росту контактных напряжений, ускоренному износу гребня и образованию дефектов поверхности катания.

В процессе эксплуатации колесные пары подвергаются воздействию статических и динамических нагрузок. Неровности пути, торможение, ускорение и ударные воздействия в зоне стрелочных переводов вызывают рост динамических усилий, которые могут значительно превышать статические нагрузки. Это способствует развитию усталостных трещин в ободе и оси колесной пары, а также ускоряет износ поверхности катания [5].

Существенное влияние оказывает состояние рельсового пути. Неровности, отклонения ширины колеи, изношенные стыки и кривые малого радиуса вызывают увеличение динамических и боковых сил. В кривых участках пути повышается интенсивность износа гребня, особенно при отсутствии смазки и повышенной шероховатости рельсов. Стрелочные переводы также являются зонами повышенных ударных нагрузок.

Дополнительным фактором является воздействие климатических и внешних условий. Повышенная влажность, низкие температуры и загрязнение пути абразивными частицами могут вызывать коррозию металлических поверхностей и абразивный износ элементов колесной пары.

Не менее важным является уровень технического обслуживания и контроля состояния колесных пар. Своевременная дефектоскопия, обточка профиля и качественное выполнение ремонтных работ позволяют выявлять и устранять дефекты на ранних стадиях, предотвращая развитие опасных повреждений и увеличивая срок службы колесных пар [6].

Обобщенная характеристика перечисленных факторов и их влияния на состояние колесных пар представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Основные факторы, влияющие на износ и разрушение колесных пар

Заключение

В результате проведенного анализа установлено, что износ и разрушение колесных пар формируются под воздействием комплекса взаимосвязанных факторов, включающих конструктивные особенности, качество материала и термообработки, режимы эксплуатации, состояние рельсового пути и климатические условия.

Наиболее значимым фактором, определяющим интенсивность изнашивания и развитие усталостных процессов, является уровень динамических и контактных напряжений в системе «колесо–рельс», который напрямую зависит от состояния пути и режимов движения.

Комплексный учет перечисленных факторов, совершенствование технологий изготовления и ремонта колесных пар, а также повышение качества содержания пути позволяют увеличить ресурс колесных пар, снизить вероятность отказов и обеспечить требуемый уровень безопасности движения поездов.

Список литературы:

1. Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию  колесных пар с буксовыми узлами пассажирских вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм.
2. Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию  колесных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм.
3. ГОСТ 10791–2011. Колеса цельнокатаные для подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия.
4. ВНИИЖТ. Исследования износа колесных пар и взаимодействия системы «колесо–рельс». – М.: Транспорт, 2010.
5. Коган А.Я., Левин А.М. Динамика взаимодействия колеса и рельса. – М.: Транспорт, 2005.
6. Исследование влияния пластических деформаций на поверхности упрочняемого бандажа / Ш. С. Файзибаев, Р. П. Нигай,  И.Ю. Соболева, Ш. И. Мамаев, Ж.А. Абдирахманов // Universum: технические науки. – 2022. –  №1 (94). – С. 106 – 110 (DOI - 10.32743/UniTech.2022.94.1).

References:

1. Guideline Document for Repair and Maintenance of Wheelsets with Axle Box Units of Passenger Cars for Mainline Railways with a Gauge of 1520 (1524) mm [Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колесных пар с буксовыми узлами пассажирских вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм]. (In Russ.).
2. Guideline Document for Repair and Maintenance of Wheelsets with Axle Box Units of Freight Cars for Mainline Railways with a Gauge of 1520 (1524) mm [Руководящий документ по ремонту и техническому обслуживанию колесных пар с буксовыми узлами грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 (1524) мм]. (In Russ.).
3. GOST 10791–2011. Solid-Rolled Wheels for Railway Rolling Stock with a Gauge of 1520 mm. Technical Conditions [ГОСТ 10791–2011. Колеса цельнокатаные для подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия]. (In Russ.).
4. VNIIZHT. Studies of Wear on Wheelsets and Interaction of Wheel-Rail Systems [ВНИИЖТ. Исследования износа колесных пар и взаимодействия системы «колесо–рельс»]. — Moscow: Transport, 2010. (In Russ.).
5. Kogan A.Ya., Levin A.M. Dynamics of Wheel-Rail Interaction [Динамика взаимодействия колеса и рельса]. — Moscow: Transport, 2005. (In Russ.).
6. Faizibaev Sh.S., Nigai R.P., Soboleva I.Yu., Mamaev Sh.I., Abdirakhmanov Zh.A. Study of the Influence of Plastic Deformations on the Surface of Reinforced Tires [Исследование влияния пластических деформаций на поверхности упрочняемого бандажа] // Universum: Technical Sciences. — 2022. — No. 1 (94). — P. 106-110. DOI: 10.32743/UniTech.2022.94.1. (In Russ.).