CC BY
58
УДК 669.14.018.294
М. А. ГРИЩЕНКО (ДПТ)
ПРИЧИНИ ВИНИКНЕННЯ ДЕФЕКТ1В НА ПОВЕРХН1 КОЧЕННЯ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С
У статп наведено результати дослвджень стосовно виникнення дефектiв металу по noBepxHi кочення за-лiзничних колiс.
В статье приведены результаты исследований относительно возникновения дефектов металла по поверхности качения железнодорожных колес.
In the article the research results of arising defects of metal on the tread contact surface of railway wheels are presented.
Ходовi частини вагона служать опорою екь пажу на коли та забезпечують !х взаемодда в русь Вщ конструкцп ходових частин значною мiрою залежить безпека руху екiпажа i плав-нiсть ходу. Ходовi частини сучасних вагонiв виконанi у вигщщ двох-, трьох- i чотирьохось-ових вiзкiв. Основними елементами вiзкiв яв-ляються колiснi пари з буксовими вузлами, ву-зли пружного шдвшування з гасителями коли-вань, вузол опори кузова на вiзок, гальмiвнi пристро! i рами вiзка, яка зв'язуе вс цi елемен-ти в одну едину конструкщю ходово! частини.
Колiснi пари е основними елементами ходово! частини i найбшьш вiдповiдальними вузлами рухомого складу. Залiзничнi колеса вико-нують наступнi функци:
- забезпечення перемщення екiпажа щодо рейок, яке пов'язане iз сприйняттям конструк-цiею колеса значних статичних i динамiчних навантажень;
- забезпечення кочення колеса з подовж-шм i поперечним прослизанням щодо поверхш рейки в умовах контактного тиску, що може перевищувати межу плинностi колюно! сталi;
- виконання поверхнею кочення ролi «га-льмiвного елемента», який тддаеться на^ван-ню i охолодженню з високою швидкiстю, разом iз виникненням складного напруженого стану металу при експлуатаци. В мiсцях контакту з рейкою колесо тддаеться значним статичним i динамiчним навантаженням.
При неухильному зростаннi iнтенсивностi експлуатаци затзничного транспорту одночас-не пiдвищення навантаження на вiсь колюно! пари, разом iз зростанням швидкостi руху, су-проводжуеться закономiрним збiльшенням ю-лькост випадкiв передчасного вилучення колiс i бандажiв iз експлуатаци. На тдстав цього, тiльки для компенсаци вилучених колiс необ-
хiдно нарощувати !х виробництво приблизно на рiвнi 5... 10 % на рш. З урахуванням наведено-го, стае актуальною проблема шдвищення комплексу властивостей ^ як наслiдок цього, екс-плуатацшно! безпеки залiзничного транспорту. Проблема е достатньо складною i залежить вщ вирiшення низки питань, яю обумовлюють ви-значенi впливи на рiвень експлуатацшно! безпеки затзничних колiс.
Рiзноманiтнi навантаження на елементи рухомого складу за характером дп в основному шдроздшяють на статичш i динамiчнi. Якщо дда статичного навантаження у бiльшостi випадюв можна передбачити, то вплив динам> чних навантажень мае значно складшший характер. Ще бiльш непередбачуваний вплив спо-стерiгають при циктчних, знакозмiнних наван-таженнях [1]. Отже, з метою розумшня системного тдходу до класифшаци дефектiв, що виникають в елементах залiзничних колю шд час експлуатаци, необхiдно окремо розглянути основнi процеси структурних перетворень, роз-виток яких сприяе виникненню умов зароджен-ня осередкiв руйнування металу.
Формування на поверхш кочення залiзничного колеса «Повзуна»
Ковзання (юз) колеса по рейках викликае мюцеве стирання з подальшим викришуванням металу по поверхш кочення (рис. 1).
Основними причинами заклинювання колю-них пар i утворення повзунiв на колесах е:
• несправносп гальмових приладiв;
• порушення правил регулювання важшь-но! передачi;
• неправильне керування гальмами локомотива;
• гальмування вагона зшмним башмаком на сортувальнiй прщ.
Рис. 1. Вигляд дефекту «Повзун» на поверхш кочення залiзничного колеса
Анатз характеру структурних змш у метал1 затзничних колю шд час гальмування шюструе залежнють вщ одночасного або послщовного розвитку декшькох складових процесу, при чо-му !х сумарний вплив у бшьшост випадюв не-передбачуваний.
В процес гальмування, при взаемоди галь-м1вних колодок з колесом, вщносно р1вном1р-ний роз1гр1в металу по всш контактнш поверхш супроводжуеться розвитком процес1в структурних перетворень з одночасним вир1внюванням по об'ему та зниженням накопичених дефекпв кристатчно! будови металу. Окр1м цього, га-льм1вш колодки можуть виконувати функци шструменту, який зшмае поверхневий шар металу, в тому числ1 й дшянки з невеликими по-верхневими ушкодженнями.
Таким чином, в процес гальмування в1роп-дне р1вном1рне зр1зання неоднорщно наклепа-ного, з можливими поверхневими ушкоджен-нями, прошарку металу може розглядатися як, свого роду, процес тдвищення якосп поверхш кочення. Роз1гр1в поверхш сприяе релаксацп внутршшх напружень вщ залишюв наклепано-го металу.
В подальшому, при експлуатаци затзнично-го колеса структурш змши по поверхш кочення будуть мати свш розвиток. Пюля закшчення етапу гальмування, без зупинки потяга, розшрь те колесо з частково знятим прошарком ушко-дженого метала в подальшому шддаеться плас-тичнш деформацп з тдвищеною температурою розкр1ву. Коли ступеня роз1гр1ву достатньо, вщбуваються процеси релаксаци внутршшх напружень на мющ. При поступовому зниженш температури послщовно розвиваються процеси рекомбшаци дефекпв кристал1чно! будови до приблизно 400 °С, динам1чного деформацшно-го старшня до 350... 200 °С. Вони можуть при-водити до збшьшення мщнюних властивостей при незмшност запасу пластичносп, а в деяких
випадках { до тдвищення пластичносп та опору крихкому руйнуванню [2].
Характер структурних змш при експлуатаци затзничного колеса при використанш дисково! гальм1вно! системи декшька вщр1зняеться вщ змш, що спостершаються при використанш колодок. Перше, що необхщно вщм1тити, - це вщсутнють р1вном1рного роз1гр1ву металу по поверхш кочення. Наклеп металу, що виникае вщ взаемоди з рейкою, як згадано вище, мае дуже високу неоднорщнють по поверхш кочення. Передача енерги при гальмуванш вщ галь-м1вних дисюв, через вюь колюно! пари на мюце контакту з рейкою обмежуеться достатньо малою площиною. На пщстав1 цього можна вважати, що виникають достатньо велик на-пруження вщ високо! щшьносн енерги. Обумо-влене це вщносно низькими температурами роз1гр1ву приповерхневих прошарюв металу колеса. В цьому випадку вщсутнють розвитку релаксацшних процес1в (недостатньо висока температура), накопичення дефекпв кристатч-но! будови до максимально можливо! межi, а при неодночасному початку роботи гальм1вних елеменнв до невиконання умов зчеплення, -все це буде сприяти виникненню дефекпв по поверхш кочення та вилученню колю з експлуатаци.
Формування на поверхнi кочення залiзничного колеса «Навару»
Формування навару (рис. 2) (локального зсуву прошарюв металу поблизу поверхш кочення) значною м1рою впливае на в1рогщнють виникнення локальних руйнувань металу колеса.
Обумовлено це тим фактом, що локальний зсув металу може мати мюце ильки у випадку значного тдвищення температури на поверхш кочення при гальмуванш [3]. В такш ситуаци зростання температури супроводжуеться зни-женням мщнюних властивостей металу. Так, при зростанш температури до 650 °С для вуг-лецевих сталей спостер1гаеться зниження твер-досп приблизно у 8.10 раз1в, те ж саме можна вщнести на р1вень напруження виникнення перших ознак пластично! деформацп [4].
При подальшш експлуатаци колеса з наве-деним ушкодженням вщбуваеться неоднорщне деформацшне змщнення прошарку металу углиб вщ поверхш кочення, та вщповщш структурш змши. Пюля закшчення етапу гальмування, без зупинки потяга, розшрпе колесо з частково знятим прошарком ушкодженого метала в подальшому шддаеться пластичнш де-
формаци з тдвищеною температурою роз^рь ву. Коли ступеня po3irpiBy достатньо, вщбува-ються процеси релаксацiï внyтрiшнiх напру-жень на мiсцi. При поступовому зниженнi тем-ператури процеси, що послiдовно розвивають-ся, - рекомбшаци дефектiв кристалiчноï будови до приблизно 400 °С, динамiчного деформацш-ного старiння до 350... 200 °С - можуть приводите до збшьшення мiцнiсних властивостей при незмiнностi запасу пластичносп, а в деяких випадках i до пiдвищення пластичностi та опору крихкому руйнуванню [5], хоча, як показано вище, це вщноситься до рiвномiрного, контро-льованого деформування.
Рис. 2. Вигляд дефекту «Навар» на поверхш кочення залiзничного колеса
Висновок
Враховуючи експериментальнi данi [6], маемо, що протягом останнього часу почастшали випадки, при використаннi дисковоï системи гальм, передчасного вилучення колю по неви-конанню умов геометри. Поверхня кочення за-лiзничного колеса вщ форми у виглядi кола вщносно швидко перетворюеться в «багатокут-ник». Наведенi вiдомостi можуть розглядатися як одне iз пiдтверджень iмовiрностi структур-них перетворень в метат обода колеса при ви-користанш принципово рiзних систем гальму-вання.
Пюля виявлення дефекту углиб розмiром до 2 мм вагон транспортують до найближчого пункту техшчного обслуговування. При цьому ударне навантаження супроводжуеться незмш-ним процесом накопичення дефектiв кристалi-
чно! будови в об' емах металу поблизу границь, як обмежують зону повзуна.
Для спостертання за якiстю металу колеса в процес експлуатаци перед обточуванням необ-хiдно на боковiй поверхнi колеса робити пом№ ку, яка буде свщчити про мiсце розташування дефекту. Наведене мюце, за рахунок проробки металу углиб колеса при формуванш повзуна та неоднорщним змiцненням (транспортування до пункту техшчного обслуговування) може бути мюцем примусового зародження локального руйнування металу на поверхнi кочення колеса (рис. 1).
Також, формування наведених дефекпв пiд назвою «навар» може бути суттево усуненим за рахунок ретельного налагодження гальмiвно! системи рухомого складу: наближення до умов одночасного початку процесу гальмування та досягнення приблизно одного рiвня напружень тертя вiд взаемодп з гальмiвною колодкою для вшх колiс визначеного потягу.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Медведев, С. Ф. Циклическая прочность металлов [Текст] / С. Ф. Медведев. - М.: ГНТИМаш-гиз, 1961. - 303 с.
2. Вакуленко, И. А. Структура и свойства углеродистой стали при знакопеременном деформировании [Текст] / И. А. Вакуленко. - Д.: виааеатш, 2003. -94 с.
3. Ларин, Т. В. Цельнокатаные колеса [Текст] / Т. В. Ларин, В. П. Девяткин. - М.: Трансжел-дориздат., 1956. - 286с.
4. Стародубов, К. Ф. Влияние термической обработки на прочность железнодорожных колес [Текст] / К. Ф. Стародубов, В. Я. Савенков // Вопросы производства цельнокатаных колес. -М.: Металлургия, 1969. - С. 71-77.
5. Данченко, Н. И. Зависимость усталостной прочности и ударной вязкости колесной стали от её структурного состояния [Текст] / Н. И. Данченко, О. Н. Перков, Т. А. Гладкова. - В кн.: Теория и практика термической обработки проката. - М.: Металлургия, 1984. - С. 43-45.
6. Выбор стали для колес - альтернативы и возможности. Обзор сталей [Текст] // ЖДМ. -2007. - № 12. - С. 38-43.
Надшшла до редколегп 24.03.2009.
