CC BY
135
УДК 621.7-4
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ И ЕГО ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ В СИСТЕМЕ «ТОРМОЗНАЯ КОЛОДКА - КОЛЕСО - РЕЛЬС»
© 2012 А.В. Шакина1, С.В. Биле нко2, В.С. Фадеев3, О.В. Штанов1
1 Комсомольский-на-Амуре филиал ООО «НТЦ Информационные Технологии» 2 Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет 3 ООО «НТЦ Информационные Технологии», г. Москва
Поступила в редакцию 03.12.2012
Рассмотрены механизмы изнашивания элементов системы «тормозная колодка - колесо - рельс». Приведены результаты исследований изнашивания рельсов, вагонных и локомотивных колес, чугунной и композиционной тормозных колодок. Предложен способ снижения износа в системе «тормозная колодка - колесо - рельс» посредством применения металлокерамической тормозной колодки.
Ключевые слова: система «тормозная колодка - колесо - рельс», контактно-усталостный механизм, изнашивание, поверхностный слой, металлокерамическая тормозная колодка
С ростом интенсивности грузоперевозок в 1990-2000 гг., выразившемся в увеличении их числа и повышении нагрузок на ось вагона до 25-35 тс, железные дороги России столкнулись с повышенным износом в системе «колесо - рельс». Это износ колес по поверхности катания (прокат), подрез и утонение гребней колес; вертикальный и боковой износ головок рельсов. Предложены различные способы борьбы с износом: от лубрикации до новой конструкции тележек. По мнению авторов статьи эффективные меры для снижения износа могут быть предложены после изучения изнашивания расширенной системы «тормозная колодка - колесо - рельс».
Цель работы: разработка способа предотвращения изнашивания элементов системы «тормозная колодка - колесо - рельс» посредством применения металлокерамической тормозной колодки.
Изнашивание рельсов. Прежде, чем говорить о борьбе с износом в системе «тормозная колодка -колесо - рельс», необходимо изучить, каким образом происходит изнашивание каждого элемента данной системы. Осуществленные авторами исследования разрушения поверхностного слоя рельсов (посредством металлографии, электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа (РСА)), подробно описаны в статье [1]. Ниже кратко изложены основные выводы.
1. Поверхностный слой рельсов имеет ярко выраженную зону пластической деформации, глубина которой в среднем не превышает 200 мкм. Зона пластической деформации состоит, как правило, из двух частей: зоны полосчатости и
Шакина Антонина Владимировна, инженер-исследователь. E-mail: [email protected] Биленко Сергей Владимирович, доктор технических наук, преподаватель кафедры «Технология машиностроения». E-mail: [email protected]
Фадеев Валерий Сергеевич, доктор технических наук, исполнительный директор. E-mail:
infotech. mos@gmail. com
Штанов Олег Викторович, кандидат технических наук, директор. E-mail: [email protected]
переходной, которая составляет 10-50% от общей глубины зоны пластической деформации и состоит из зерен, деформированных в 6-15 раз относительно равноосного состояния.
2. Трещины в поверхностном слое рельсов, вызывающие отслаивание участков материала, развиваются в зоне полосчатости практически параллельно поверхности рельса, вдоль деформированных слоев, и имеют усталостную природу. Их росту способствуют дефекты в виде волосовин, активно образующиеся в этой зоне в результате многократного деформирования микрообъемов материала поверхностного слоя. Толщина отслаивающихся участков материала невелика (10-30 мкм), т.к. энергия, затрачиваемая на развитие трещин вдоль границ слоев с накопленными дефектами, меньше, чем энергия, необходимая для развития трещины в глубину от поверхности, где концентрация дефектов меньше. Росту трещин способствуют растягивающие напряжения, обнаруженные с помощью РСА.
3. Превалирующим видом изнашивания поверхности рельсов (на примере Дальневосточной железной дороги) является усталостное изнашивание. Однако в зоне выкружки рельса при взаимодействии с поверхностью колеса преобладают процессы схватывания, т.е большую роль играет молекулярная составляющая изнашивания.
Изнашивание колес. Основное внимание в процессе изучения изнашивания локомотивных и вагонных колес было уделено состоянию их поверхностного слоя. По результатам исследований сделаны следующие выводы.
1. Структуры поверхностного слоя бандажей локомотивных и цельнокатаных вагонных колес, в целом, идентичны. Разница состоит в глубине зоны деформации: для локомотивного бандажа - до 0,3 мм, для вагонного колеса - до 1 мм.
2. Структура поверхностного слоя поверхности катания колес аналогична структуре поверхности рельса: поверхностный слой состоит из двух зон -зоны полосчатости и области деформированных зерен (переходной зоны). Зона полосчатости состоит из слоев толщиной около 1 мкм и насыщена
Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 14, №4(5), 2012
дефектами (рис. 1). В этой зоне, а также на границе ее раздела с переходной зоной часто присутствуют трещины, которые являются причиной отслаивания небольших участков материала.
Рис. 1. Дефекты в поверхностном слое колеса
3. Характер разрушения поверхностного слоя гребней колес различен: в верхней и средней части гребня его поверхность имеет следы адгезионных вырывов, свидетельствующих о схватывании с материалом боковой поверхности рельса (рис. 2). В нижней части гребня присутствует текстурирован-ный слой, аналогичный по структуре поверхности катания колеса, но меньшей глубины (10-50 мкм).
Рис. 2. Поверхность средней части гребня колеса: адгезионные вырывы
4. Разрушение поверхности катания бандажей локомотивных и цельнокатаных вагонных колес происходит по усталостному механизму, а разрушение большей части поверхности гребня - в результате процессов схватывания.
Изнашивание тормозных колодок. В настоящее время в России используется два основных типа тормозных колодок: чугунные (вагонные и локомотивные) и композиционные (на полимерном связующем). Ниже приведены результаты исследования изнашивания чугунной вагонной колодки по ОСТ 32.194-2002 и композиционной колодки из материала ТИИР-300. Структура чугунной колодки состоит из перлита (96%), фосфидной эвтектики в виде разорванной сетки и незначительного количества феррита (4%). Включения графита имеют пластинчатую форму. Пластинки графита, находясь близко к поверхности колодки, работают как трещины в металлической основе чугуна, образуя концентраторы напряжений, по которым и происходит выкрашивание материала тормозной колодки (рис. 3).
Рис. 3. Выкрашивание материала чугунной колодки по пластинкам графита
Вторая причина разрушения чугунной тормозной колодки, отмеченная, в частности, в статье [2] - процессы схватывания с поверхностью катания колеса. На рис. 4 показаны вырывы на рабочей поверхности чугунной колодки, возникающие, вероятно, в результате такого явления.
Рис. 4. Повреждения рабочей поверхности чугунной тормозной колодки в результате схватывания с поверхностью катания колеса
Рис. 5. Трещина в полимерном связующем материала ТИИР-300
Разрушение рабочей поверхности композиционной тормозной колодки из материала ТИИР-300 происходит, во-первых, вследствие растрескивания полимерного связующего (рис. 5) в результате предположительно термических напряжений, причем в качестве дополнительных концентраторов напряжения могут выступать кристаллы барита.
Вторая причина изнашивания - абразивно-окислительные процессы при торможении [2].
Обобщение результатов исследований.
Анализ механизмов изнашивания в системе «тормозная колодка - колесо - рельс» показал наличие нескольких взаимовлияющих процессов разрушения ее элементов. Из-за концентраторов напряжения в виде графитовых пластинок и активного схватывания с поверхностью катания колеса разрушается чугунная тормозная колодка. Одновременно повреждается поверхность катания колеса. Колодка, изготовленная из полимерного композита, подвержена изнашиванию вследствие растрескивания связующего и абразивно-окислительных процессов, происходящих в зоне трения. При этом из-за ее низкой теплопроводности происходит перегрев поверхности катания колеса, способствуя образованию выщербин.
Исходная некруглость колес, усугубляемая повышенными осевыми нагрузками, приводит к тому, что в зоне взаимодействия «колесо - рельс» трение качения заменяется качением с проскальзыванием. Это интенсифицирует процесс усталости в поверхностном слое, как колес, так и головок рельсов. Усталостные трещины, развиваясь в поверхностном слое, вызывают отслаивание материала.
При движении состава в кривых участках пути происходит скольжение гребня колеса по боковой поверхности головки рельса. Под нагрузкой порядка 2,5 ГПа [3] и при малых скоростях скольжения (0,4-0,7 м/с) [4] происходит усиление молекулярного взаимодействия, и, как следствие, появление адгезионных вырывов на поверхности гребней колес.
Свою лепту в процесс изнашивания вносят попадающие из внешней среды абразивные частицы, например, песок, а также продукты износа колодки. Заметим, что подача песка под колеса для повышения коэффициента сцепления увеличивается не только при появлении на рельсах наледи, но и при загрязнении их смазкой и т.п. Такие загрязнения, как правило, содержащие ПАВ, намазываются на колесо, попадают в микротрещины, и, реализуя эффект Ребиндера [5], интенсифицируют износ.
Предотвращение изнашивания. Из описанных процессов ясно, что для снижения износа в системе «тормозная колодка - колесо - рельс» необходимо:
1. Устранить концентраторы напряжения в металлической тормозной колодке.
2. Повысить термостойкость и теплопроводность композиционной (полимерной) тормозной колодки.
3. Добиться периодического очищения поверхностного слоя колес от участков материала, отслаивающихся вследствие усталостных трещин, чтобы не пропустить такие трещины вглубь, а также своевременно очищать поверхность колес от загрязнений.
Реализация этих шагов возможна посредством тормозной колодки, выполненной из металлокерамики, обладающей следующими преимуществами.
1. В ней отсутствуют концентраторы напряжения, подобные узким полостям, сформированным в чугунной колодке пластинками графита.
2. Изготовленная на железо- и / или медьсодержащей основе, такая колодка обладает хорошей теплопроводностью.
3. Сочетая в конструкции одной колодки элементы из металлокерамики с разной степенью аб-разивности можно добиться своевременного очищения поверхности катания колеса от загрязнений и отслаивающихся участков материала, при сохранении износостойкости самой колодки.
Выводы: в настоящее время ООО «НТЦ Информационные Технологии» осуществляет разработку композиционной металлокерамической тормозной колодки для снижения износа в системе «тормозная колодка - колесо - рельс».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Shakina, A. V. The research of the wear mechanisms in the "wheel - rail" system / A.V. Shakina, V.S. Fadeev, O.V. Shtanov // Modern materials and technologies 2011: Internat. Russian-Chinese Symp. Proceedings. - Khabarovsk: Pacific National University, 2011. P. 211-216.
2. Асташкевич, БМ. Исследование эксплуатационных дефектов фрикционного сопряжения тормозной колодки с колесом вагона / БМ. Асташкевич, С.Г. Иванов, И.Н. Воронин и др. // Вестник ВНИИЖТ. 2004. № 4. С. 37-41.
3. Абдурашитов, А.Ю. Рельс с улучшенным профилем // Путь и путевое хозяйство. 2011. № 2. С. 5-10.
4. Марков, Д. П. Задир боковых поверхностей рельсов и гребней колес // Вестник ВНИИЖТ. 2004. № 4. С. 53-57.
5. Лужнов, ЮМ. Нанотрибология сцепления колес с рельсами. Реальность и возможности. - М.: Интекст, 2009. 176 с.
RESEARCH OF WEAR AND ITS PREVENTION IN "BRAKE SHOE - WHEEL - RAIL" SYSTEM
© 2012 A.V. Shakina1, S.V. Bilenko2, V.S. Fadeev3, O.V. Shtanov1 1 Komsomolsk-on-Amur branch of JSC "Scientific and Technological Centre Information Technologies" 2 Komsomolsk-on-Amur State Technical University 3 JSC "Scientific and Technological Centre Information Technologies", Moscow
The wear mechanisms of elements "brake shoe - wheel - rail" system are considered. Results of researches the wear of rails, carriage and locomotive wheels, pig-iron and composite brake shoes are given. The way of wear reduce in "brake shoe - wheel - rail" system by means of application the ceramic-metal brake shoe is offered.
Key words: "brake shoe - wheel - rail" system, contact and fatigue mechanism, wear, surface layer, ceramic-metal brake shoe
Antonina Shakina, Engineer-reseacher. E-mail: [email protected]; Sergey Bilenko, Doctor of Technical Sciences, Lecturer at the Department "Machine Building Technology". E-mail: [email protected]; Valetiy Fadeev, Doctor of Technical Sciences, Chief Executive. E-mail: [email protected]; Oleg Shtanov, Candidate of Technical Sciences, Director. E-mail: [email protected]
