автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности колес грузовых вагонов, эксплуатируемых в условиях повышенных динамических нагрузок

На правахрукописи

БИСЕРИКАН Михаил Иванович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОЛЕС ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 Г,ПК 2013

ОМСК 2013

005543159

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент РАУБА Александр Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НИКОЛАЕВ Виктор Александрович -

профессор кафедры «Теоретическая механика» ОмГУПСа;

кандидат технических наук, доцент ВАСИЛЬЕВ Евгений Владимирович -

доцент кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет (ОмГТУ)».

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)».

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета

Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44, e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

О. А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. По данным ОАО «РЖД» за период с 2008 по 2012 г. количество случаев отцепки вагонов на техническое обслуживание и ремонт из-за неисправностей колесных пар возросло на 13,3 % (с 241966 в 2008 г., до 274110 вагонов в 2012 г.). При этом 25 % вагонов (68527) было отцеплено по причине обнаружения на поверхности катания колес выщербин недопустимых размеров. При установленном нормативном межремонтном пробеге колесных пар 160 тыс. км., а в перспективе 210 средний пробег до отцепки колесных пар составил 120 - 140 тыс. км.

Как показали результаты исследований, опубликованных в ряде работ, одной из основных причин интенсивного контактно-усталостного разрушения является неудовлетворительное качество механической обработки при восстановлении поверхности катания колес обточкой. Из-за ударных нагрузок при взаимодействии режущего инструмента с ползунами, выщербинами и другими дефектами при обточке образуется макрогеометрическое отклонение высотой до 0,8 мм. Участки поверхности катания, имеющие высоту неровности более 0,2 мм, уже являются существенными концентраторами контактного механического напряжения. Это способствует повышению интенсивности контактно-усталостного изнашивания колес при эксплуатации подвижного состава, особенно при температуре ниже минус 30 °С. Однако в технических условиях на колесные пары и правилах их ремонта не регламентируется качество поверхности катания по данному параметру. Кроме того, недостаточно исследовано влияние макрогеометрических отклонений профиля на контактно-усталостное разрушение поверхности катания при повышенной нагрузке на ось до 30 тс и скорости движения до 160 км/ч, что свидетельствует о недостаточной степени проработанности темы влияния макрогеометрии восстановленной поверхности катания на значение межремонтного пробега колес в эксплуатации.

Диссертация выполнена в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава» (номер государственной регистрации - 01201151856).

Цель диссертационной работы - обеспечение работоспособности колесных пар грузовых вагонов, эксплуатируемых в условиях повышенных динамических

нагрузок, путем формирования оптимальной макрогеометрии поверхности катания при ремонте.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) методами математического моделирования исследовать влияние макрогеометрии поверхности катания на процесс контактно-усталостного разрушения колесных пар при их взаимодействии с рельсами;

2) разработать математическую модель прогнозирования наработки на отказ колесных пар по износу поверхности катания различной макрогеометрии с учетом нагрузки на ось и скорости движения;

3) произвести моделирование процесса формирования макронеровностей профиля катания колесных пар при восстановлении их обточкой;

4) усовершенствовать технологию восстановления обточкой профиля поверхности катания колесных пар с эксплуатационными дефектами;

5) оценить экономическую эффективность предложенных рекомендаций по обеспечению нормативного ресурса колесных пар подвижного состава.

Методы исследования. Теоретическая часть работы по исследованию динамического взаимодействия колеса с рельсом основана на принципах аналитической механики. Прочностные расчеты выполнены с применением основных положений теории упругости и моделирования напряженно-деформированного состояния при решении смешанной задачи механики деформируемого твердого тела для системы пятен контакта. Методика расчета ресурса колеса разработана на основе теории трения и изнашивания. Экспериментальные исследования процессов, протекающих при прерывистом резании колесной стали, проводились с использованием натурных и имитационных методов. Оценка точности экспериментальных данных и адекватности полученных математических моделей выполнена с использованием основных положений теории вероятностей и математической статистики. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 14.0 и электронные таблицы Microsoft Excel 2010.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработана уточненная методика моделирования напряженно-деформированного состояния поверхности катания колесных пар грузовых вагонов при динамическом взаимодействии с рельсами, учитывающая макрогеометрию профиля колеса;

2) предложена методика прогнозирования межремонтного пробега колеса для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения, основанная на корректированной гипотезе суммирования повреждений с учетом вы-

4

соты макронеровностей, образующихся при восстановлении профиля колеса обточкой.

Положения выносимые на защиту:

1) расчет напряженно-деформированного состояния поверхности катания с различной высотой макронеровностей при взаимодействии колесных пар с рельсами;

2) методика прогнозирования вида изнашивания поверхности катания и значения предельного пробега колесной пары в эксплуатации;

3) методика определения допустимых значений макрогеометрических параметров поверхности катания колеса, при которых обеспечивается заданный пробег для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения;

4) технология восстановления поверхности катания колес обточкой с использованием лазерно-механической обработки.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается данными расчета значений статистических критериев значимости коэффициентов полученных математических моделей и их адекватности, а также данными экспериментальных исследований. Результаты исследований имеют качественную и количественную сходимость с экспериментальными данными, полученными другими авторами (Н. Н. Кудрявцев, В. Н. Данилов, П. С. Анисимов).

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Предложенная методика определения допустимой высоты макронеровностей, которая позволяет прогнозировать вид изнашивания поверхности катания и значение предельного пробега колесной пары в эксплуатации.

2. Усовершенствованная технология восстановления колес обточкой, позволяющая получить допустимую макрогеометрию поверхности катания при повышении производительности и сокращении затрат на инструментальные материалы.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследований используются в учебном процессе на лекционных и лабораторных занятиях по дисциплинам «Производство и ремонт подвижного состава» и «Процессы и операции формообразования», приняты к внедрению в вагоноремонтных депо г. Омска и включены в отчет по научно-исследовательским и поисковым работам кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПСа (тема - «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава», номер государственной регистрации - 01201151856).

Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем теоретиче-

ских и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Самостоятельно сформулированы положения диссертации, составляющие ее новизну и практическую значимость.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований обсуждались на третьей научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009); 63-й научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2009); международной научно-практической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010); международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Теоретические аспекты развития современной науки» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три - в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России [1 -3].

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 144 наименований и содержит 138 с. основного текста, 68 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведены основные задачи исследования. Дана краткая характеристика проблемы, поставлена цель, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

В первом разделе представлены результаты статистического анализа данных эксплуатации и ремонта колесных пар подвижного состава за период с 2008 по 2012 г. Исследованию взаимодействия вагона и рельсового пути, а также динамических процессов в системе «колесо - рельс», способам повышения долговечности колес посвящены работы С. В. Алехина, П. С. Анисимова, В. М. Богданова, А. П. Буйносова, Н. Г. Васильева, М. Ф. Вериго, И. И. Галиева, А. Т. Головатого,

A. В. Горского, К. И. Домбровского, В. Н. Иванова, И. А. Иванова, И. П. Исаева,

B. А. Кислика, Н. Н. Кудрявцева, С. М. Куценко, Т. В. Ларина, М. М. Машнева,

Н. Ф. Медведева, В. Б. Мещерякова, И. В. Наумова, В. А. Николаева, В. А. Нехаева, А. В. Обрывалина, А. Г. Петраковой, В. Г. Чурсина, В. Ф. Яковлева и др.

Процесс обточки колес с выщербинами и термомеханическими повреждениями на колесотокарных станках сопровождается ударными нагрузками, вызывающими упругую деформацию и вибрацию технологической системы, которая способствует образованию макрогеометрических отклонений на обработанной поверхности колеса высотой до 0,8 мм (как правило, в местах расположения выщербин и ползунов). Эти выступы на поверхности катания являются концентраторами контактного напряжения - основная причина повышенной интенсивности контактно-усталостного разрушения. Доказана необходимость определения допустимых значений параметров макронеровностей поверхности катания после обточки колес, при которых обеспечивается ресурс колесных пар не ниже нормативного.

Во втором разделе приведены результаты исследования влияния качества восстановленной поверхности катания колесных пар подвижного состава на процесс взаимодействия их с рельсом.

Для определения параметров напряжено-деформированного состояния поверхности катания с макрогеометрическими отклонениями сформирована модель, учитывающая ударные нагрузки, возникающие в процессе качения колеса по рельсу (рис. 1).

Рис. 1. Схема ударного взаимодействия рельса и колеса с макронеровностью на поверхности катания: а - начало удара; б - конец удара

На схеме (см. рис. 1) приняты обозначения: Ук - скорость колеса, приобретаемая вследствие макрогеометрические отклонения; V] - скорость движения вагона; У2 — результирующая скорость движения колеса; У0 - начальная скорость удара; а - ускорение колеса, приобретаемое вследствие отклонения профиля; Ь - плечо удара; а - угол поворота колеса при ударе; А, В, С, Б - границы зоны удара; N - нормальная составляющая силы взаимодействия.

Начальная скорость удара У0 зависит от скорости точки О (скорости поезда) и скорости У„г при которой давление колеса на рельс обращается в нуль: ЗУ ь

4-К

у <У

1 п

V

V -1 -I ! V +0.5У)

п 1 ^ \ '

Р-| V +у)

1 п '

1 п

(1)

т т

(2)

/

где Я - радиус колеса, м\Ь — плечо удара, м.

В процессе взаимодействия колеса и рельса макронеровности являются причиной увеличения контактной силы, что соответственно приводит к увеличению напряжения в пятне контакта. Наибольшие напряжения в центре площадки контакта колеса и рельса определялись по методу Беляева - Герца.

ЗР...... I-7-~ г -,1/4

та* 2яаЬ ' (3)

32ИР

(4) Ь = Ра-а, (5) /? =

лЕ

4т1/2 х,/2 ■ тах Е-Ы 720

3- м У

- - 6ехр(- р)

1 5 20 60 120 120

Р+Р2 +Р3 V + Р5 +Р6.

■ 1п>1, (6)

(7)

где /?„ - коэффициент, зависящий от отношения диаметров контактирующих тел; N - количество контактирующих неровностей; г - радиус вершины; э - шаг неровности, мм; Е - модуль Юнга, МПа; Л - эквивалентный радиус, мм; а, Ъ - полуоси эллипса площадки контакта, мм; V - коэффициент Пуассона; Ртт - максимальная нагрузка, Н.

Максимальная деформация тела определялась по зависимости, полученной Г. К. Боровиным, Р. В. Дягелем и В. В. Лапшиным:

"01±1к(ьуо-1п(1-ьуо)) со

п + 1

(8)

где п - постоянная, которая определяется формой поверхности контактирующих тел в окрестности точки соприкосновения, п = ~\т- масса необрессоренных частей, кг, с - коэффициент упругости; Ь - постоянная сопротивления, для закаленной стали Ь=0,1 с/м.

На рис. 2 приведены графики, показывающие влияние скорости движения поезда и высоты макрогеометрических отклонений профиля катания колеса на значение максимального контактного напряжения при действующей осевой нагрузке 27 т. полученного численным расчетом по формулам (1-8).

70 90 110 130 170 70 90 110 130 Щ/ч 170

Скорость движения, V ->■ Скорость движения, V —->-

Положение при ударе: -первое; -*- -среднее; -второе

а б

Рис. 2. График изменения максимального контактного напряжения при отклонении профиля катания: а - до 0,2; б - до 0,5мм

Зависимость между высотой отклонения и величиной возникающего напряжения, учитывающая скорость движения состава, была аппроксимирована с помощью логарифмической функции:

у = 370.1 ■ 1пх + 2242, V = 80 км/ч; • у = 376.5-1пх+ 2304, У= 120 км/ч; (9)

у = 408.4-1пх + 2393, У=160км/ч.

Установлено, что с увеличением высоты макронеровностей с 0,20 (рис. 2, а) до 0,50 мм (рис. 2, б) максимальное напряжение в пятне контакта возрастает на 30 % и значительно превосходит предел текучести колесной стали (0,93 ГПа). Это приводит к накоплению необратимых изменений, вызывающих усталостное разрушение материала колеса и рельса.

Для прогнозирования числа циклов нагружения поверхности катания колеса до наступления предельного состояния рассматривались процессы изнашивания и контактно-усталостного выкрашивания контактирующих поверхностей. Скорость линейного изнашивания поверхности катания колеса определялась методом расчета значения износа цилиндрических поверхностей, основанным на усталостной теории. Линейная интенсивность изнашивания приработанных поверхностей пропорциональна давлению на поверхностях трения:

к-Я-ш-р -(1-р I .

Т =-5-Ча'~8Ш а} (Ю)

V 2

где р] - отношение радиусов контактирующих тел; со - угловая частота вращения колесной пары, рад/с; 52 - отношение толщины взаимодействующего слоя к радиусу кривизны основания; р - давление, распределенное по поверхности трения, Н/м2.

а - угол контакта, зависящий от размеров площадки контакта, рад; - коэффициент линейного износа, мкм-м2/105-Н-км, показывающий значение износа при действии давления 105 Н/м2 (1 кгс/см2) на протяжении пути трения в 1 км для данной пары материалов и данных условий смазывания.

Число циклов до наступления усталостного разрушения в зависимости от эквивалентного и максимального напряжений в цикле с учетом асимметрии нагружения определялось по методике, предложенной Е. К. Почтенным:

где О - эквивалентное напряжение цикла, МПа; аг - предел выносливости материала при асимметричном цикле, МПа; V, - характеристика угла наклона зависимости 1пИ = Г (о); - число циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости.

Построена диаграмма накопления повреждений на поверхности катания колеса (рис. 3), по которой определяются число циклов нагружения, зависящее от контактного напряжения, и вид браковочного дефекта, при котором колесная

пара поступит в ремонт.

Рассматривались скорости движения подвижного состава от 80 до 160 км/ч и макрорельеф высотой от 0,1 до 0,8 мм - группы точек 1 - 4 диаграммы на рис. 3. В зависимости от высоты неровностей и возникающего вследствие этого механического напряжения состояние колеса в контрольный период времени может характеризоваться одним из следующих показателей: I - колесо не пригодно к эксплуатации из-за выщербин браковочного размера; II - колесо не пригодно к эксплуатации по причине предельного проката; III - ремонт не требуется; IV - колесо не пригодно к эксплуатации. Линии А, В и С - границы областей. Нормативному значению пробега колесных пар 160 тыс. км соответствует напряжение 1,6 - 1,65 ГПа (1п N =10,88 - пунктирная линия на рис. 3). Если напряжение меньше данных значений, то основным дефектом при эксплуатации колес является прокат (в результате абразивного изнашивания) - область II. При повышении скорости движения увеличивается интенсивность изнашивания колеса, при этом граница С сдвигается влево и вверх, так как при этом для одной и той же высоты макронеровности значения контактного напряжения будут различными.

Высокие значения контактного напряжения, соответствующие высоте макронеровности от 0,5 мм (группы точек 3 и 4 диаграммы (на рис. 3)) значительно снижают сопротивляемость колесной стали усталостному разрушению. Это приво-

(П)

дат к образованию выщербин и сокращению технического ресурса колеса, так как колесная пара поступает в ремонт до установленного значения пробега в результате контактно-усталостного разрушения поверхности катания — область I на диаграмме.

ГЛа

7 9 11

Число циклов нагружения колеса, об —

* — л/'о.мектобразоваиняусгалостныхповрезкдений

• — моментобразованнямнкротрешнн

нзноспрн 160 км/ч Чг- — взнос при 120 км/ч --— взкоспрнбО км/ч

I - область усталостного разрушения П - область абразивного изнашивания Ш — область отсутствия разрушения IV- область невозможной эксплуатации колес

Рис.3. Диаграмма накопления повреждений в материале поверхностного слоя обода колес подвижного состава

Для эксплуатации и ремонтного производства оптимальным является выход колес в ремонт по достижении предельного проката - точка перехода из области I в область II накопленного напряжения.

При работе с диаграммой входными параметрами являются значения контактного напряжения в пятне контакта колеса и рельса и скорость движения состава. Пример определения числа циклов нагружения представлен на диаграмме (рис. 3) штрихпунктирной линией. Для определения вида повреждения колеса в эксплуатации необходимо провести горизонталь до пересечения с ближайшей граничной линией областей диаграммы (В или С), определяющей характер дефекта. Опустив из полученной точки перпендикуляр к оси, получим логарифм числа циклов нагружения до образования дефекта. Значение механического напряжения в пятне контакта колеса и рельса определяется по формулам (1) - (8) либо по зависимости (9). В результате решения поставленной задачи был определен параметр высоты макрогеометрических отклонений, при которой контактно-усталостное изнашивание профиля катания колесной пары не является превалирующим.

С целью экспериментальной проверки результатов математического моделирования были проведены имитационные испытания образцов, изготовлен-

ных из колесной стали марки 2, на контактную усталость. Схема испытания на базе токарного станка представлена на рис. 4, а.

Рис. 4. Схема испытания пары «колесо-рельс» на контактную усталость: а - установка для испытания на контактную усталость; б - усталостное разрушение поверхности, увеличение хЮ; 1, 2-ролики, имитирующие рельс и колесо;

3 - нагружающее устройство

Для нагружения ролика использовалось приспособление с тарированной пружиной. Определяли число циклов до момента появления явных признаков контактно-усталостного разрушения (рис. 4, б). Диаметр, частота вращения и высота макрогеометрических отклонений рабочей поверхности ролика, имитирующего колесо, были выбраны с использованием я-теоремы подобия таким образом, чтобы напряжение в пятне контакта соответствовало напряжению, возникающему при качении колеса по рельсу, а именно 0,02 - 0,05 мм, что с учетом коэффициента подобия соответствует высоте неровностей 0,15 - 0,6 мм на поверхности вагонного колеса.

Получена зависимость, отражающая влияние высоты макронеровностей на число циклов, при котором начиналось контактно-усталостное разрушение рабочей поверхности образца. Указанная зависимость аппроксимирована полиномом 3-й степени с точностью аппроксимации Я2 = 0,99:

у = -1,37-109 -х3 +2-108 -х2 -9,7-106 -х + 1,6105. (12)

Сравнение результатов математического моделирования с результатами, полученными экспериментально, и данными эксплуатации колесных пар показало их удовлетворительную сходимость: по диаграмме накоплений повреждений при скорости движения состава 80 км/ч и высоте макронеровностей 0,2 мм до наступления предельного состояния требуется 52 - 58 тыс. циклов, тогда как по экспериментальной зависимости предельное состояние достигается за 54 -56 тыс. циклов нагружения.

Таким образом, построенная диаграмма (см. рис. 3) может быть использована для определения предельного значения высоты макронеровностей поверхности катания обода колеса, при которой может быть обеспечен нормативный межремонтный пробег колесных пар с учетом условий их эксплуатации. Например, для обеспечения нормативного межремонтного пробега колесных пар при скорости движения подвижного состава 140-160 км/ч и нагрузке на ось 30 тс необходимо, чтобы после обточки колес высота макронеровностей профиля катания не превышала 0,16 мм. При этом контактное напряжение не превышает значения 1,6 ГПа и обеспечивается выход колеса в ремонт по прокату.

В третьем разделе приведены методика математического моделирования процесса формообразования поверхности катания колеса при обточке изношенного профиля и данные экспериментальной проверки его результатов.

Решением вопросов, связанных с обрабатываемостью материала резанием посвящены работы П М. Беспрозванного А. А. Брикса, П. П. Грудова, К А. Зворыкина, Н. Н. Зорева, А И Исаева, В. А. Кривоухова, Т. Н. Лоладзе, А Д Макарова, В. Н, Подураева, , Н И. Резникова Н И Ташлицкого, Я. Г. Усачева, С. В Урушева, И. А. Иванова, С. В Алехина, А А Раубы и др. Однако, обработка деталей с эксплуатационными дефектами имеет ряд особенностей, так как твердость металла колеса изменяется в весьма широких пределах: имеются участки, упрочненные наклепом, твердостью до 800 - 450 НУ, глубиной 0,4 - 1,2 мм, что приводит к резкому изменению сил резания при обработке колес с выщербинами. Для моделирования процесса формообразования профиля колеса разработана схема (рис. 5), в которой учтены следующие параметры, влияющие на динамику процесса: скорость резания, зависящая от угловой скорости, (Д рад/с), глубина резания (а), твердость колесной стали, жесткость станка (сь Н/м) и жесткость инструмента (сг, Н/м).

Рис. 5. Схема взаимодействия колеса с резцом при обточке колесной пары: а - схема обработки колеса; б - расчетная схема определения сил резания

Динамическое взаимодействие режущего инструмента и обрабатываемого колеса описывается системой дифференциальных уравнений:

1 ей *

М„„ -СеФ„П

•фп — - —рЮ'кк

я

я

<Ю &

а

я"

к;

соз(7 + 0 - ц)

Я,

[1+зт(у + ©-ц)]

О л2'

йг й® Л «Й

(13)

сГх Л2

ах

+ р,—+ С,Х = Р(1).

На рис. 5 и выражении (13) приняты следующие обозначения: рь Рг - коэффициенты демпфирования станка и инструмента, Н-с/м; 0 - угол упругого прогиба режущего инструмента под нагрузкой, рад; Мвр - крутящий момент на шпинделе станка, Н-м; у - прогиб вершины резца, м; е1 - эксцентриситет приложенной нормальной силы Р„ относительно оси инструмента, м; у - передний угол лезвия режущего инструмента, рад; Як—радиус обрабатываемого колеса, м; г - изменение глубины резания, вследствие упругого отжатая режущего инструмента, м; т/ - масса колесной пары, кг; - момент инерции колесной пары, кгм2; Мар - крутящий момент на электродвигателе, Н-м; Я и - сопротивление якоря электродвигателя, Ом; а - глубина резания, м; О — угловая скорость вращения колесной пары, рад/с; ц — коэффициент трения стружки по передней поверхности режущей пластины.

В результате решения системы дифференциальных уравнений (13) было получено дифференциальное уравнение изменения глубины резания (14):

г + -

2яЬко

Ет,

2я-ЬкЯа'

■(1-у2)со^1

(14)

Выражение (14) описывает изменение глубины резания при восстановлении поверхности катания колеса, т. е. определяет высоту макронеровностей после обточки. Режимы обработки, используемые на ремонтных предприятиях ОАО «РЖД», по существующему технологическому процессу обточки колес с дефектами термомеханического и контактно-усталостного происхождения не обеспечивают необходимого качества обработки, так как высота макрогеометрических отклонений поверхности катания после нее достигает 0,8 мм.

Четвертый раздел посвящен исследованиям по обеспечению заданного качества обработки за счет совершенствования технологии восстановления про-

14

филя колес обточкой. Для снижения степени ударного взаимодействия резца с дефектами на поверхности катания (без изменения режима резания) предлагается применять лазерно-механическую обработку. Особенностью данного способа обработки является, отжиг труднообрабатываемой области на толщину срезаемого слоя с частичным расплавлением его поверхности, непосредственно перед режущей кромкой (рис. 6).

На схеме (рис. 6) приняты обозначения: Ь - расстояние между центром области лазерного нагрева и передней поверхностью инструмента; а - толщина среза; 1 - режущий инструмент; 2 - обрабатываемая поверхность; 3,4- дефекты; 5 - пятно нагрева лучом лазера.

В центре пятна лазерного нагрева металл расплавляется на глубину 1,5 мм и происходит отжиг прилежащих областей. Жидкий металл частично заплавляет выщербину (за счет материала ее стенок) и снижает динамическое воздействие дефекта на режущий инструмент. Распределение температуры срезаемого слоя в области лазерного воздействия рассчитывалось по формуле:

Рис. 6. Схема лазерно-механической обработки колеса

Т(у,2,г) =

2АР

^резсс Рс

(12)

где рс - плотность, кг/м ; А - коэффициент поверхностного поглощения лазерного излучения; Урез - скорость резания, м/с; сс - теплоемкость обрабатываемого материала, Дж/кгК; г — время, с; ас - температуропроводность обрабатываемого материала, м2/с; г, у - координаты теплового воздействия по глубине и ширине слоя; Р - мощность лазерного воздействия, Вт; т0 - постоянная времени.

Исходными данными для расчета являются скорость источника Ура = 0,58 м/с; мощность излучения Р = 7 кВт; радиус пятна лазерного воздействия гп = 1-Ю"4 м. В результате действия лазерного луча осуществляется разогрев по толщине срезаемого слоя и происходит отжиг упрочненного слоя. Расстояние Ь между центром отжигаемой зоны и передней поверхностью режущего инструмен-

15

та составляет 9 мм - это расстояние, которое режущий инструмент проходит за 0,015 с. За данный интервал времени в срезаемом слое не происходит закалочных явлений, так как температура выше критической и тепло не успевает распространиться в основной металл (рис. 7).

2,23 и-Ю"

Глубина прогрева, м

Рис. 8. Структура ЗТВ материала образца после лазерного нагрева

Рис. 7. Температурное поле срезаемого слоя при отжиге поверхности лазерным лучом через 0,015 с после начала охлаждения

Для проверки данных (рис. 7), подтверждающих отсутствие структурных изменений в основном металле, образец, изготовленный из колесной стали марки «Т», подвергался лазерному нагреву. Параметры нагрева были выставлены таким образом, чтобы мощность, приходящаяся на 1 мм2 образца соответствовала расчетным значениям поглощаемой мощности. Данным условиям соответствует мощность лазерного воздействия на образец Р„с= 400 Вт, пятно лазерного излучения сфокусировано в области радиусом гп.ис = 3 ■ 10"4 м при назначенной скорости перемещения луча V„c= 0,1 м/мин.

Металллографический анализ зоны термического влияния (ЗТВ) подтвердил наличие трех участков с различной структурой металла. Участок расплавления 1 глубиной 430 мкм (рис. 8) характеризуется четко выраженной структурой литого металла. Данный участок отличается направленной кристаллизацией, состоит из мелких дендритов, оси первого порядка которых вытянуты в сторону теплоотвода. Далее идет участок сплавления 2 глубиной около 100 мкм, представляющий собой область перехода в твердый металл, нагретый до температуры свыше 1400 °С. Участок 3 с температурой нагрева стали, соответствующей полной и неполной пе-

16

рекристаллизации (1100 - 800 °С) протяженностью до 1200 мкм, переходящий в область 4, которая не подвергалась нагреву до температуры выше критической и имеет твердость исходного металла.

Таким образом, применение технологии лазерно-механической обработки участков поверхности катания с термомеханическими и усталостными повреждениями обеспечивает снижение сопротивления резанию. Стружка уносит значительную часть тепла, и инструмент не перегревается. Определены параметры чистовой операции при восстановлении профиля поверхности катания, обеспечивающие высоту макронеровностей не более 0,19 мм.

Для обеспечения заданного качества определен режим лазерно-механической обточки колесных пар: скорость резания - 40 м/мин; глубина резания - 2 мм; подача -1,1 мм/об.

В пятом разделе выполнено технико-экономическое обоснование внедрения результатов исследований на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта. Экономический эффект достигается за счет обеспечения установленного пробега между обточками до уровня пробега новых колес и составляет 821,2 р. на единицу продукции (вагонное колесо). Кроме того, экономический эффект связан с сокращением затрат на инструментальные материалы при восстановлении профиля колеса и дополнительно составляет 500 р. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений - 0,78 года.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Установлено, что при увеличении высоты макронеровностей с 0,2 до 0,5 мм за счет повышения силы контактного взаимодействия напряжение в пятне контакта возрастает на 30 %, что при планируемом увеличении нагрузки на ось до 27 тс и скорости движения до 140 км/ч уменьшит межремонтный пробег более чем в два раза.

2. Разработана математическая модель прогнозирования наработки на отказ по износу поверхности катания колес с учетом ее макрогеометрии. Построена диаграмма, позволяющая определить предельное значение высоты макронеровностей поверхности катания, при котором обеспечивается нормативный межремонтный пробег. Установлено, что после обточки колес высота неровностей профиля катания для диапазона скорости 80 — 120 км/ч не должна превышать 0,19 мм, для диапазона 140 - 160 км/ч - 0,16 мм при

планируемом значении нагрузки на ось 30 тс, обеспечивающая выход в ремонт колес по прокату.

3. Моделирование процесса формирования макронеровностей профиля катания при обточке колесных пар по существующей технологии показало, что она не обеспечивает требуемого качества, так как высота макрогеометрических отклонений обработанной поверхности достигает 0,8 мм.

4. Предложена технология лазерно-механической обработки поверхности катания колесных пар, обеспечивающая отжиг дефектов термомеханического происхождения и заплавление выщербин, что существенно снижает динамическое воздействие на режущий инструмент, при этом высота макрогеометрических неровностей поверхности катания уменьшается до 0,15 мм.

5. Выполнено технико-экономическое обоснование использования разработанной технологии восстановления изношенного профиля обточкой. Ожидаемый годовой экономический эффект на единицу продукции (одна колесная пара) должен составить 1,29 тыс. р., срок окупаемости дополнительных капиталовложений 0,78 года.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.Бисерикан М. И. Влияние технологической наследственности на контактное напряжение в системе «колесо-рельс»/ М. И. Бисерикан, А. В. Обры вал ин, А. А. Рауба // Омский научный вестник. Омск, 2011. №1 (97). С.68-72.

2. Бисерикан М. И. Влияние увеличения осевой нагрузки на образование выщербин на поверхности катания железнодорожных колес из стали повышенной твердости / М. И. Бисерикан, А. В. Обрывалин, А. А. Рауба // Омский научный вестник. Омск. 2011. №2 (100). С. 110-114.

3. Бисерикан М. И. Совершенствование технологии обточки колес подвижного состава с усталостными дефектами / М. И. Бисерикан, Ю. А. Иванова, В. В. Иванов // Омский научный вестник. Омск, 2012. №2(110). С. 120- 124.

4. Бисерикан М. И. Адаптивная система управления ремонтом колесных пар/М. И. Бисерикан //Совершенствование технологических процессов ремонта и эксплуатации подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2008. С. 45 - 50.

5. Рауба А. А. Совершенствование технологического процесса ремонта колесных пар подвижного состава с колесами из стали повышенной твердости / А. А. Рауба, А. В. Обрывалин, М. И. Бисерикан // Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте: Материалы науч,-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. С. 35 - 40.

6. Бисерикан М. И. Моделирование процесса резания колес повышенной твердости /М. И. Бисерикан // Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук: Межвуз. сб. тр. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2009. Вып. 6. Кн. 2. С. 260 - 263.

7. Бисерикан М. И. Влияние волнистости колеса на контактное напряжение колеса и рельса /М. И. Бисерикан // Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности: Межвуз. сб. тр. 64-й науч,-техн. конф. молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная акад. Омск, 2010. Кн. 1. С. 345 - 349.

8. Бисерикан М. И. Влияние качества обточки профиля катания колес на контактное напряжение в системе колесо-рельс / М. И. Бисерикан, А. А. Рауба, А. В. Обры вал ин // Инновации для транспорта: Сб. науч. ст. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. Ч. 2. С. 261 -267.

9. Бисерикан М. И. Влияние качества обработки на процесс изнашивания вагонных колес повышенной" твердости / М. И. Бисерикан, А. А. Рауба // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы науч.-техн. конф. с междунар. участием/ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 323-328.

10. Бисерикан М. И. Влияние качества восстановленного профиля поверхности катания на процесс изнашивания вагонных колес /М. И. Бисерикан, А. А. Рауба // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 173 - 179.

И. Бисерикан М. И. Механическая обработка вагонных колес повышенной твердости при деповском ремонте / М. И. Бисерикан, А. В. Обрывали н, А. А. Рауба // Совершенствование технологии ремонта подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2012. С. 17-25.

12. Бисерикан М. И. Влияние макрогеометрии восстановленной поверхности катания на величину пробега /М. И. Бисерикан // Теоретические аспекты развития современной науки: Материалы VIII междунар. науч. - практ. конф. / Институт стратегических исследований. М., 2013. С. 32 - 38.

Типография ОмГУПСа, 2013. Тираж 100 экз. Заказ 681. 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35.

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения»

(ОмГУПС (ОмИИТ))

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ КОЛЕС ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ, ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ

ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

БИСЕРИКАН МИХАИЛ ИВАНОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, доцент Рауба А. А.

Омск 2013

Содержание

Введение...........................................................................................................................4

1 Анализ технологии восстановления профиля изношенных колес.....................8

1.1 Повреждаемость поверхности катания колес в эксплуатации...........................8

1.2 Методы контроля и управления процессом резания при обточке колес.......12

1.3 Анализ состояния восстановленной поверхности катания колеса......................16

1.4 Исследование влияния дефектов контактно-усталостного происхождения на эксплуатационный ресурс колеса................................................................................22

1.5 Выводы...................................................................................................................26

2 Исследование влияния качества обработанной поверхности на эксплуатационный ресурс колеса................................................................................27

2.1 Исследование влияния макрогеометрии поверхности катания на напряжено-деформированное состояние системы «колесо-рельс».............................................27

2.2 Влияние динамических нагрузок на скорость изнашивания обода колеса ... 38

2.3 Исследование влияния контактных напряжений на интенсивность усталостного разрушения поверхности катания колес.............................................43

2.4 Экспериментальные исследования взаимодействия колеса повышенной твердости и рельса.........................................................................................................49

2.5 Выводы...................................................................................................................56

3 Математическое моделирование процесса формообразования поверхности катания колеса...............................................................................................................57

3.1 Влияние состояния профиля поверхности катания колеса на механическую обработку........................................................................................................................57

3.2 Формирование макрогеометрии поверхности катания при обработке колес подвижного состава.......................................................................................................60

3.3 Экспериментальное исследование процесса прерывистого резания..............79

3.4 Выводы...................................................................................................................85

4 Разработка технологических мер, направленных на снижение интенсивности образования выщербин.................................................................................................87

4.1 Применение технологии лазерного разупрочнения участков с контактно-усталостными и термомеханическими повреждениями профиля поверхности катания колеса...............................................................................................................87

4.2 Рационализация режимов восстановления профиля колеса...........................112

4.3 Выводы.................................................................................................................120

5 Оценка технико-экономического эффекта внедрения результатов

исследования................................................................................................................121

5.1 Определение затрат на ремонт по базовому варианту технологии...............122

5.2 Определение дополнительных капиталовложений.........................................124

5.3 Определение затрат на ремонт по проектному варианту технологии..........124

5.4 Определение годового экономического эффекта............................................126

Основные результаты и выводы................................................................................128

Библиографический список........................................................................................129

Приложение А..............................................................................................................139

Приложение Б..............................................................................................................147

Приложение В..............................................................................................................150

Приложение Г..............................................................................................................157

Введение

По данным ОАО «РЖД» [1]за период с 2008 по 2012 г. количество случаев отцепки вагонов на техническое обслуживание и ремонт из-за неисправностей колесных пар возросло на 13,3 % (с 241966 в 2008 г., до 274110 вагонов в 2012 г.). При этом 25 % вагонов (68527) было отцеплено по причине обнаружения на поверхности катания колес выщербин недопустимых размеров. При установленном нормативном межремонтном пробеге колесных пар 160 тыс. км., а в перспективе 210 средний пробег до отцепки колесных пар составил 120-140 тыс. км.

Как показали результаты исследований, опубликованных в ряде работ, одной из основных причин интенсивного контактно-усталостного разрушения является неудовлетворительное качество механической обработки при восстановлении поверхности катания колес обточкой. Из-за ударных нагрузок при взаимодействии режущего инструмента с ползунами, выщербинами и другими дефектами при обточке образуется макрогеометрическое отклонение высотой до 0,8 мм. Участки поверхности катания, имеющие высоту неровности более 0,2 мм, уже являются существенными концентраторами контактного механического напряжения. Это способствует повышению интенсивности контактно-усталостного изнашивания колес при эксплуатации подвижного состава, особенно при температуре ниже минус 30 °С. Однако в технических условиях на колесные пары и правилах их ремонта не регламентируется качество поверхности катания по данному параметру. Кроме того, недостаточно исследовано влияние макрогеометрических отклонений профиля на контактно-усталостное разрушение поверхности катания при повышенной нагрузке на ось до 30 тс и скорости движения до 160 км/ч, что свидетельствует о недостаточной степени проработанности темы влияния макрогеометрии восстановленной поверхности катания на значение межремонтного пробега колес в эксплуатации.

Диссертация выполнена в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р [2], госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава» (номер государственной регистрации - 01201151856).

Цель диссертационной работы - обеспечение работоспособности колес-

ных пар грузовых вагонов, эксплуатируемых в условиях повышенных динамических нагрузок, путем формирования оптимальной макрогеометрии поверхности катания при ремонте.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) методами математического моделирования исследовать влияние макрогеометрии поверхности катания на процесс контактно-усталостного разрушения колесных пар при их взаимодействии с рельсами;

2) разработать математическую модель прогнозирования наработки на отказ колесных пар по износу поверхности катания различной макрогеометрии с учетом нагрузки на ось и скорости движения;

3) произвести моделирование процесса формирования макронеровностей профиля катания колесных пар при восстановлении их обточкой;

4) усовершенствовать технологию восстановления обточкой профиля поверхности катания колесных пар с эксплуатационными дефектами;

5) оценить экономическую эффективность предложенных рекомендаций по обеспечению нормативного ресурса колесных пар подвижного состава.

Методы исследования. Теоретическая часть работы по исследованию динамического взаимодействия колеса с рельсом основана на принципах аналитической механики. Прочностные расчеты выполнены с применением основных положений теории упругости и моделирования напряженно-деформированного состояния при решении смешанной задачи механики деформируемого твердого тела для системы пятен контакта. Методика расчета ресурса колеса разработана на основе теории трения и изнашивания. Экспериментальные исследования процессов, протекающих при прерывистом резании колесной стали, проводились с использованием натурных и имитационных методов. Оценка точности экспериментальных данных и адекватности полученных математических моделей выполнена с использованием основных положений теории вероятностей и математической статистики. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 14.0 и электронные таблицы Microsoft Excel 2010.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработана уточненная методика моделирования напряженно-деформированного состояния поверхности катания колесных пар грузовых вагонов при динамическом взаимодействии с рельсами, учитывающая макрогеометрию профиля колеса;

2) предложена методика прогнозирования межремонтного пробега колеса для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения, основанная на корректированной гипотезе суммирования повреждений с учетом высоты макронеровностей, образующихся при восстановлении профиля колеса обточкой.

Положения выносимые на защиту:

1) расчет напряженно-деформированного состояния поверхности катания с различной высотой макронеровностей при взаимодействии колесных пар с рельсами;

2) методика прогнозирования вида изнашивания поверхности катания и значения предельного пробега колесной пары в эксплуатации;

3) методика определения допустимых значений макрогеометрических параметров поверхности катания колеса, при которых обеспечивается заданный пробег для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения;

4) технология восстановления поверхности катания колес обточкой с использованием лазерно-механической обработки.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается данными расчета значений статистических критериев значимости коэффициентов полученных математических моделей и их адекватности, а также данными экспериментальных исследований. Результаты исследований имеют качественную и количественную сходимость с экспериментальными данными, полученными другими авторами (Н. Н. Кудрявцев, В. Н. Данилов, П. С. Анисимов).

Практическая ценность. Практическую ценность представляют:

1. Предложенная методика определения допустимой высоты макронеровностей, которая позволяет прогнозировать вид изнашивания поверхности катания и значение предельного пробега колесной пары в эксплуатации.

2. Усовершенствованная технология восстановления колес обточкой, позволяющая получить допустимую макрогеометрию поверхности катания при повышении производительности и сокращении затрат на инструментальные материалы.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследований используются в учебном процессе на лекционных и лабораторных занятиях по дисциплинам «Производство и ремонт подвижного состава» и «Процессы и операции формообразования», приняты к внедрению в вагоноремонтных депо г. Омска и включены в отчет по научно-исследовательским и поисковым ра-

ботам кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПСа (тема - «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава», номер государственной регистрации - 01201151856).

Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем теоретических и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Самостоятельно сформулированы положения диссертации, составляющие ее новизну и практическую значимость.

Апробация результатов работы. Основные результаты исследований обсуждались на третьей научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009); 63-й научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2009); международной научно-практической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010); международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Техно-логическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Теоретические аспекты развития современной науки» (Москва, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три - в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 144 наименований и содержит 138 с. основного текста, 68 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.

1 Анализ технологии восстановления профиля изношенных колес

1.1 Повреждаемость поверхности катания колес в эксплуатации

Образование дефектов и скорость нарастания износов колесных пар зависят от многих факторов эксплуатации, химического состава и механических свойств колесной стали, характеристик рельсов и тормозных колодок, размеров колесных пар, соблюдений правил формирования их в тележках, применения современных технологических процессов ремонта, содержания ходовых частей вагона, времени года и климатических условий.

Испытывая значительные статические и динамические нагрузки, колесная пара постоянно изнашивается в результате своего взаимодействия с рельсами. Вследствие нарушения технологии ремонта, неправильной сборки тележки, неисправностей тормозной системы и некоторых других причин, возникают ползуны, выщербины, отколы металла, подрез гребня, ослабление колес на осях и другие дефекты.

Исследованиям износа колесных пар и способам повышения их долговечности посвящены работы С. В. Алехина, П. С. Анисимова, В. М. Богданова, А. П. Буйносова, Н. Г. Васильева, М. Ф. Вериго, И. И. Галиева, А. Т. Головатого,

A. В. Горского, К. И. Домбровского, В. И. Иванова, И. А. Иванова, И. П. Исаева,

B. А. Кислика, Н. Н. Кудрявцева, С. М. Куценко, Т. В. Ларина, М. М. Машнева, И. Ф. Медведева, В. Б. Мещерякова, И. В. Наумова, В. А. Николаева, В. А. Нехаева, А. В. Обрывалина, А. Г. Петраковой, В. Г. Чурсина, В. Ф. Яковлева и др. [3 - 28].

В эксплуатации на круге катания и гребне возникает более 20 типов дефектов колесной пары [29 - 32]. Износ поверхности катания колесных пар является следствием процесса трения при взаимодействии поверхностей катания колеса и рельса. При равномерном движении по прямой, кроме трения качения имеется составляющая трения скольжения, так как контакт колеса и рельса осуществляется не в одной точке. Движение колёсных пар, объединённых в тележки, сопровождается псевдоскольжением, при котором фактические перемещения колеса не совпадают с кинематическими перемещениями, и возникающими при этом силами крипа. Кроме того, прохождение криволинейных участков, торможение приводит к взаимному перемещению участков трущихся поверхностей, что при наличии абразива на трущихся поверхностях усиливает процессы разрушения, как колеса, так и рельса. Высокие значения удельных нагрузок в зоне контакта вызывают из-

менение геометрических параметров профиля поверхности контакта, происходит наклеп и уменьшение ресурса пластичности металла.

Помимо трения качения и скольжения на участке контакта наблюдается явление скручивания, активизирующее процессы схватывания контактирующих поверхностей [33]. Нагретый до высокой температуры при торможении тормозными колодками тонкий слой металла колеса мгновенно остывает при контакте с холодным рельсом, что вызывает циклические температурные деформации и способствует образованию трещин.

Износ принято считать нормальным, если он по кругу катания опережает износ гребня, а интенсивность изнашивания не превышает установленных значений. Не нормальный - если износ гребня существенно опережает прокат и восстановление сопровождается значительным технологическим износом бандажа [29]. До 36% рабочей толщины обода колеса расходуется в стружку при восстановлении профиля катания колесной пары.

В ряде работ высказывается мнение об ограничении разности диаметров. Колеса таких пар стремятся проходить различные пути, но из-за наличия механической связи они вынуждены проходить одинаковые пути. Такое вынужденное движение колесных пар обязательно сопровождается их проскальзыванием относительно рельса [6, 34]. Дефекты поверхности ка