Статья: Исследование триботехнических своств пары трения "колесо-рельс" после плазменного упрочнения

1 – диапазон толщин бандажа 50-60 мм (выборка 35 к.п.)

2 – диапазон толщин бандажа 60-75 мм (выборка 50 к.п.)

Из рис. 4(б) видно, что износ упрочненных гребней несколько отличается и выделяются некоторые этапы в механизме изнашивания. Это отчетливо видно, если рассмотреть кривую изнашивания упрочненного слоя (рис.5), где показаны эти этапы.

Рис.5 Кривая изнашивания упрочненного слоя на гребнях колесных пар ВЛ 10 с диапазоном толщин бандажа 92-94 мм (выборка 30 к.п.)

Первый этап характеризуется отсутствием стадии приработки, т.к. некоторое время (порядка 500 км) гребень работает практически без истирания. Однако под действием переменных контактных напряжений и твердых частиц абразива, попадающих в область контакта гребня с головкой рельса, начинают протекать процессы микрорезания отдельных блоков металла. Частицы износа отделяются в виде «чешуек». С учетом смешанного типа изнашивания гребня в виде ударно–абразивного износа, фрикционной и контактной усталости происходит разрушение тонкого поверхностного слоя глубиной 0,1-0,8 мм, что характерно для этапа приработки трущихся поверхностей [10-13]. Разрушение микрообъемов поверхностного слоя происходит циклично за Х циклов. Следовательно, интенсивность изнашивания Iп на стадии приработки в аналитической форме должна включать в себя три комплекса [10] в различных степенях:

- первый комплекс Rmax/S определяет параметры шероховатости контактирующих тел;

- второй комплекс r/E – напряжение состояния ;

- третий комплекс E¢/s - механические свойства материалов.

Однако провести аналитический расчет с учетом динамики очень сложно, т.к. один из важных факторов Р (давление), определяющий силовое воздействие пары трения, величина нелинейная. В связи с этим, второй этап (приработка) износа упрочненного гребня является наиболее динамичным по сравнению с другими этапами.

Третий этап – это установившееся изнашивание, которому характерно отсутствие микровыкрашивания. Поверхность металла гребня блестящая, гладкая. Процесс установившегося изнашивания упрочненного слоя заключается в деформировании, разрушении и непрерывном воссоздании на отдельных участках гребня поверхностного слоя со стабильными свойствами. При этом скорость изнашивания tga»const. По мере изнашивания упрочненного слоя его толщина уменьшается, и он уже не так воспринимает контактные нагрузки, что вызывает развитие процессов микрорезания и микроскалывания.

Четвертый этап заключается в увеличении интенсивности изнашивания упрочненного слоя – катастрофический износ. После полного изнашивания упрочненного слоя износ гребней возрастает (рис.6), т.к. происходит резкое изменение физико–механических свойств металла (структура, шероховатость, твердость, коэффициент трения и т.д.).

Рис. 6 Кривая изнашивания упрочненного слоя на гребнях колесных пар ВЛ 10 с диапазоном толщин бандажа 80-94 мм (выборка 110 к.п.)

Однако эксперименты показали, что увеличение износа протекает до определенной величины 0,5 – 2,4 мм, после чего наблюдается небольшое снижение интенсивности изнашивания. В дальнейшем на поверхности гребня появляются выщербины, выкрашивания, что характерно для катастрофического износа.

Таким образом, упрочненные колесные пары имеют в динамике VIII этапов изнашивания, и для каждого этапа характерны свои особенности.

Как уже отмечалось выше, в 1995-1996 г.г. допустимый износ гребней колесных пар составил 8 мм. Однако проведенные исследования показали, что после износа упрочненного слоя (3мм), интенсивность износа гребня значительно ниже, чем у неупрочненных колесных пар. Это объясняется улучшением условий контактирования гребней колесных пар и головки рельса [7].

Исследования по построению поперечного профиля гребня в процессе эксплуатации методом «слепков» и профилограмм показали (рис.7), что:

- выбранная схема упрочнения гребней колесных пар на участке Иркутск–Слюдянка соответствует реальному механизму износа;

- при толщине гребней колесных пар в диапазоне 30-27 мм, интенсивность износа уменьшается, из-за изменения угла наклона на 10-15°.

Рис. 7 Профиль поперечного сечения гребней колесных пар ВЛ 10 на участке Иркутск-Слюдянка в процессе эксплуатации

Оценка трещиностойкости и распределения остаточных напряжений в упрочненном слое колесной и бандажной стали была проведена на образцах [2]. Поэтому при проведении эксплутационных испытаний большая роль отводилась дефектоскопированию как после упрочнения. так и в процессе эксплуатации. На первых электровозах применялась цветная дефектоскопия гребней колесных пар, однако в виду большой трудоемкости и низкой производительности (4 часа на электровоз) от данного способа отказались. Кроме того, этим способом нельзя дефектоскопировать колесные пары в процессе эксплуатации, т.к. риски, борозды, выкрашивания, образующиеся в результате абразивного износа гребней, будут квалифицироваться как недопустимые дефекты и трещины.

Рис. 8 Данные ультразвуковой дефектоскопии неупрочненных колесных пар в процессе эксплуатации (выборка 68 к.п.)

Наиболее оптимальным способом является ультразвуковая дефектоскопия, которая позволяет не только выявить трещину и другие дефекты, но и указать протяженность. Ультразвуковой дефектоскопии подвергались все колесные пары до и после упрочнения. Трещины и другие дефекты отсутствовали. Несколько сложная картина была при дефектоскопировании колесных пар, находящихся в эксплуатации по причине механизма изнашивания упрочненных и неупрочненных пар.

Рис. 9 Данные ультразвуковой дефектоскопии упрочненных колесных пар в процессе эксплуатации (выборка 50 к.п.)

На рисунках 8, 9 показаны результаты дефектоскопирования неупрочненных и упрочненных колесных пар, которые дополняют данные по механизму износа. Видно, что для неупрочненных колесных пар также характерны стадии приработки, установившегося и катастрофического износа. Трещин и сильных выкрашиваний в процессе эксплуатации упрочненных колесных пар не обнаружено. Таким образом, опасения о том, что в процессе эксплуатации упрочнение гребней колесных пар будет являтся инициатором трещинообразования, не подтвердилась.

В ходе работ были испытаны технологии доупрочнения колесных пар после износа упрочненного слоя без предварительной механической обработки. Износостойкость колесных пар была в 2-3 раза выше по сравнению с однократным упрочнением колесных пар. Для решения проблемы одностороннего износа колесных пар (колесная пара установлена с перекосом) было предложено проводить упрочнение быстроизнашивающего колеса, а второе оставлять неупрочненным. Проведенные испытания показали, что односторонний износ устраняется и колесные пары изнашиваются равномерно.