автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.01, диссертация на тему:Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов

На правах рукописи

БОРЩ БОРИС ВАСИЛЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ФРИКЦИОННОГО клинового ГАСИТЕЛЯ КОЛЕБАНИЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ

Специальность 05.02.01 - Материаловедение (машиностроение)

- 8 ОКТ ?ПП9

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2009г.

003479011

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Великанов Александр Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Конюхов Александр Дмитриевич

кандидат технических наук Меланин Виктор Михайлович

Ведущее предприятие: ОАО «Научно-исследовательский и

конструкторско-технолопгческий институт подвижного состава» (ВНИКТИ)

Зашита состоится «21)1 октября 2009г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 218. 002. 02 при Открытом Акционерном Обществе «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» по адресу: 107996, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., я. 10, малый конференц-зал института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « 25 » сентября 2009г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета, д.т.н. И.С. Гершман

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Повышение грузоподъемности вагонов является основным направлением увеличения объема перевозок. С повышением массы вагонов и скорости передвижения поездов возрастают динамические силы, действующие на вагон и железнодорожный путь. Увеличение динамических сил вызывает интенсивный износ и повреждение деталей и узлов тележки, приводит к увеличению сил взаимодействия между колесом и рельсом, к понижению устойчивости колеса на рельсе, плавности хода вагона и сохранности перевозимых в нем грузов. Кроме того, увеличение воздействия вагонов на путь приводит к расстройству пути и повышенным затратам на его текущее содержание.

Основным узлом грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний. Работоспособность деталей, входящих в этот узел, является также основой при определении межремонтного пробега тележки грузового вагона. Ввиду этого повышение пробега грузовых вагонов до 500 тыс. км по критерию износостойкости деталей фрикционного узла является актуальной научно - технической задачей.

Цель работы

Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов за счет выбора новых материалов (марок стали и чугуна и технологии их термической обработки) для изготовления фрикционных клиньев и планок.

Научная новизна

1. Исследованы причины отказов и низкой работоспособности деталей серийного фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов (стальной фрикционный клин, стальная фрикционная планка, наклонные поверхности стальной надрессорной балки) и на этой основе сформулированы тре-

бования к материалу клиньев и планок с целью обеспечения пробега тележек грузовых вагонов по этому узлу не менее 500 тыс. км.

2. Изучена износостойкость и механизм износа материалов для изготовления фрикционных клиньев из разных марок стали, серого и высокопрочного чугуна в нетермообработанном (литом) и закаленном состоянии. Дано объяснение преимущества фрикционных клиньев из серого чугуна по сравнению со стальными в литом состоянии.

3. Сформулированы требования к химическому составу и микроструктуре высокопрочного чугуна в литом состоянии, выполнение которых обеспечивает высокую работоспособность фрикционных клиньев после изотермической закалки (£500-1000 тыс. км пробега грузовых вагонов).

4. Дано обоснование применения новой универсальной для грузового вагоностроения закаленной стали марки 25Х (твердость 360...420 НВ) для изготовления фрикционных и контактных планок взамен применяемой в настоящее время дорогостоящей стали марки 30ХГСА ГОСТ 4543.

Практическая ценность работы

1. Разработаны технические условия на промышленное производство фрикционных клиньев из серого чугуна с включением в них чугуна марки СЧ 35 с твердостью210...275 НВ (ТУ 3183-234-01124323-2007 «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов»),

2. Разработаны технические условия ТУ 32 ЦВ 2459-2007 «Установка износостойких элементов тележки модели 18-100 при плановых видах ремонта», в которых отраженыны требования к качеству износостойких элементов.

3. Разработаны технические требования и технологические параметры термической обработки вертикальной рабочей поверхности стальных фрикционных клиньев и клиньев из высокопрочного чугуна способом объемно-

поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды и поверхностной закалки клиньев из серого чугуна после с индукционного нагрева.

4. Показано, что предлагаемая новая пара трения узла гасителя колебаний (чугун СЧ35 и сталь 25Х) позволяет повысить нормативный пробег грузовых вагонов по узлу гасителя колебаний со 160 до 210 тыс. км после деповского и капитального ремонтов.

5. Сформулирован технико-экономический принцип выбора материалов для изготовления деталей фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов (фрикционных клиньев и планок) на основе оптимального соотношения их стоимости и долговечности (межремонтного пробега новых тележек и тележек после деповского и капитального ремонтов).

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы рассмотрены на НТС отделения «Транспортное материаловедение» ОАО «ВНИИЖТ» и на ежегодных аттестациях аспирантов.

Основные результаты работы были доложены на:

- научных семинарах «Проблемы транспортного металловедения», в 2007 и 2009гг.

- научных конференциях молодых ученых и аспирантов по современным проблемам железнодорожного транспорта (г. Щербинка) в 2006 и 2007гг.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в шести печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов. Изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 40 рисунков, 23 таблицы, список литературных источников из 53 наименований, а также 2 приложения.

Основное содержание работы. В первой главе приведены результаты исследования причин отказов в эксплуатации фрикционных клиньев и фрикционных планок, представлен анализ производственных и эксплуатационных дефектов, влияющих на срок службы клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов. Сформулированы технические требования к материалам фрикционного клина и планки. Представлены пути их реализации для увеличения межремонтного срока службы тележек грузовых вагонов.

Установлено, что основными причинами замены фрикционных клиньев являются:

- повышенный износ рабочих (вертикальной и наклонной) поверхностей фрикционного клина;

- хрупкое разрушение клиньев;

- разрушение клиньев по упорам;

- разрушения, связанные с образованием трещин на внутренней перемычке и вертикальной стенке.

Основными видами отказов фрикционных планок являются:

- повышенный износ фрикционных планок, в том числе неравномерный износ рабочей поверхности планки;

- хрупкое разрушение;

- усталостное разрушение (по всему сечению планки или от заклепки).

Анализ причин отказов деталей в фрикционных клиновых гасителей колебаний и их служебных свойств позволил сформулировать следующие основные требования к этому узлу тележки грузовых вагонов при применении новых материалов:

1. Обеспечение заданной величины пробега тележки грузового вагона (>500 тыс. км) по критерию нормированной величины износа деталей узла гасителя колебаний.

2. Обеспечение заданного коэффициента относительного трения в соответствии с требованиями ГОСТ 9246-2004 (<р ^ =0,08-0,16) для нормального гашения колебаний грузового вагона.

Во второй главе представлены методы изучения структуры, физико-механических свойств материалов фрикционных клиньев и планок, а также приведена техника и методика определения коэффициента относительного трения и методика эксплуатационных испытаний деталей узла гасителя колебаний.

Химический анализ образцов осуществлялся методом эмиссионно-спектрального анализа на установке «Брес&окЬ-З». Металлографические исследования микроструктуры стали и чугуна проводились на оптических и электронных микроскопах при увеличениях от 100 до 10000 крат. Графитовые включения в чугуне оценивались по ГОСТ 3443-87.

Механические свойства образцов на растяжение из стали определяли по ГОСТ 1497-84 и чугунов - по ГОСТ 24648-90 и ГОСТ 17208-87. Определение величины ударной вязкости проводили по ГОСТ 9454-78. Определение твердости - по ГОСТ 9012-59, ГОСТ 2999-75 и ГОСТ 9013-59 шкала С.

Представлена методика определения показателей конструкционной прочности, включающая в себя определение износостойкости и коэффициента относительного трения деталей фрикционного гасителя колебаний, а также методика их эксплуатационных испытаний на экспериментальном полигоне ОАО «ВНИИЖТ».

Оценка триботехнических характеристик образцов материалов фрикционных клиньев и фрикционных планок осуществлялась на машинах трения МИ-1 типа Амслера и МТШ. После испытаний исследовался механизм износа образцов. Условия испытаний на машинах трения позволили получить результаты, коррелирующие с данными эксплуатации.

В третьей главе проанализированы результаты исследований по повышению качества фрикционных клиньев из разных марок стали, серого и высокопрочного чугуна.

Стальные фрикционные клинья. В России стальные фрикционные клинья изготавливаются из стали 20ГЛ. Твердость стальных фрикционных клиньев требованиями чертежей не регламентируется, но фактически она составляет примерно 140...160 НВ. Микроструктура металла клиньев в литом состоянии и после нормализации - феррито-перлитная с небольшой объемной долей перлита.

Фрикционные клинья из стали 20ГЛ в литом и нормализованном состоянии не обеспечивают установленного пробега в 160 тыс. км для грузовых вагонов и значительно превышают допустимую величину износа (2 мм) вертикальных и наклонных стенок клиньев после этого пробега, т.е. они не удовлетворяют требованиям действующих «Нормативов содержания ходовых частей грузовых вагонов при плановых видах ремонта и эксплуатации».

Проанализированы пути повышения качества и износостойкости фрикционных клиньев. Наиболее перспективными направлениями по повышению качества фрикционных клиньев являются оптимизация химического состава, а также разработка и внедрение упрочняющей термической обработки для производства стальных фрикционных клиньев.

Объемная закалка клиньев.

Экспериментальные работы по объемной закалке фрикционных клиньев из серийной стали 20ГЛ показали неэффективность этого направления повышения их долговечности. Дополнительное легирование стали 20ГЛ для изготовления клиньев в литом и нормализованном состоянии также нецелесообразно. В этой связи были изготовлены фрикционные клинья из низколегированных сталей 30ГСЛ и 45 ФЛ (ГОСТ 977-88) с повышенной твердостью. Интенсивность износа вертикальной стенки клиньев из стали 45ФЛ на экспериментальном полигоне ОАО «ВНИИЖТ» при 100 тыс. км пробега составляет 2,3 мм, что

указывает на перспективность этого направления создания износостойких клиньев.

Анализ результатов исследования качества и эксплуатационные испытания объемно-закаленных фрикционных клиньев из низколегированных сталей показал, что:

1) легирование стали для производства фрикционных клиньев узла гасителя колебаний в нормализованном состоянии или после закалки и высокого отпуска нецелесообразно, так как твердость и, следовательно, износостойкость клиньев повышаются незначительно и при этом не оправдывается удорожание клиньев вследствие применения ферросплавов для легирования стали;

2) объемная закалка фрикционных клиньев из сталей ЗОГСЛ и 45ФЛ на твердость 320-450НВ без применения уретановых накладок на наклонной поверхности нецелесообразна, так как приводит к быстрому износу наклонной поверхности надрессорных балок и необходимости их ремонта наплавкой, что является дорогостоящей операцией, намного превышающей экономический эффект от снижения износа вертикальной и наклонной поверхностей закаленных фрикционных клиньев.

При объемной закалке фрикционных клиньев из легированных сталей на повышенную твердость необходимо:

обязательная установка уретановых накладок на наклонную поверхность клиньев с целью защиты от повышенного износа наклонных поверхностей надрессорных балок;

введение в технологический процесс производства клиньев дополнительной операции - отпуска на заданную техническими требованиями твердость.

Повышение долговечности фрикционных клиньев из легированных сталей возможно также путем закалки только вертикальной поверхности клиньев водо-воздушной смесью после индукционного нагрева или способом объемно -поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды. Вопрос о необходи-

мости дополнительного отпуска поверхностно-закаленных фрикционных клиньев из легированных сталей должен решаться экспериментальным путем, в зависимости от полученной после закалки твердости.

Объемно-поверхностная закалка клиньев.

С учетом накопленного опыта по объемно-поверхностной закалке (ОГО) нами под руководством специалистов ОАО «ВНИИЖТ» Федина В.М. и Борца А.И. была изготовлена опытная партия клиньев из стали 20ГЛ производства Бежицкого сталелитейного завода, подвергнутая ОПЗ на опытной установке ОАО «ВНИИЖТ».

Закалке потоком воды в специальном закалочном устройстве подвергалась только вертикальная поверхность клиньев после их печного нагрева.

Результаты испытаний по определению механических свойств клиньев, подвергнутых объемно-поверхностной закалке, приведены в табл. 1.

Таблица 1

Механические свойства фрикционных клиньев

Временное сопротивление, ав> МПа Условный предел текучести, ст0д,МПа Относительное удлинение, 5, % Относительное сужение,

Клинья с ОПЗ 835 692 9,5 24,0

Клинья после улучшения (за-калка+отпуск) 515 365 23,0 35,0

Анализ табл. 1 показывает, что применение технологии ОПЗ для упрочнения поверхности контакта клиньев с фрикционными планками позволило повысить прочностные свойства стали клиньев: временное сопротивление - на 60%, условный предел текучести — на 90 %.

Применение ОПЗ обеспечило твердость поверхности фрикционных клиньев из стали марки 20ГЛ 40...45 НЛС (380...432 НВ). Твердость поверхно-

сти вертикальной стенки клиньев после улучшения из этой же марки стали составляет 20...22 HRC (219...230 HB).

Полученные результаты испытаний позволили положительно оценить эффективность применения разработанной технологии объемно-поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды для упрочнения фрикционных клиньев из стали 20ГЛ и рекомендовать опытную партию клиньев производства ОАО «БСЗ», упрочненных по данной технологии, для полигонных испытаний на экспериментальном кольце ВНИИЖТ.

Чугунные фрикционные клинья. Учитывая тот факт, что чугун обладает хорошими фрикционными свойствами и широко применяется в машинах и конструкциях, работающих на износ при отсутствии смазки, было предложено изготавливать фрикционные клинья из серого чугуна. Кроме высокой износостойкости чугун имеет малую чувствительность к концентрации напряжений, высокую демпфирующую способность и эффективно гасит вибрации.

Первые опыты по применению чугунных фрикционных клиньев были проведены Г.В. Рубинным и Т.Ф. Черной (МИИТ) в 1989 - 90гг. Однако примененный химический состав чугуна (СЧ20) оказался не оптимален, а технология отливки клиньев недостаточно отработанной (наличие технологических трещин). Эксплуатационные испытания первой партии чугунных клиньев на экспериментальном кольце ВНИИЖТ и сети железных дорог показали неудовлетворительные результаты, поэтому работы по изготовлению фрикционных клиньев из серого чугуна были на время приостановлены и возобновились лишь в середине 90-х годах под руководством A.B. Великанова и С.И. Пашари-на.

Первые технические условия на производство клиньев из серого чугуна были разработаны ВНИИЖТом в 1996г., затем они неоднократно корректировались на основании накопленного опыта их производства и эксплуатации, в настоящее время клинья изготавливаются из чугуна марок СЧ25 и СЧ30.

С целью дальнейшего повышения прочностных характеристик (твердости, временного сопротивления) и работоспособности фрикционных клиньев

серийного производства нами изготовлена и исследована опытная партия клиньев из чугуна марки СЧ 35 ГОСТ 1412-85.

Чугун имеет следующий химический состав: 2,93% С; 1,42% Si; 0,78% Мп; 0,12% Р; 0,11% S; 0,16% Сг; 0,06% Ni; 0,17% Си. Испытания на растяжение показали, что временное сопротивление возросло с 250...260 МПа у чугуна марки СЧ 25 до 350...360 МПа у чугуна марки СЧ 35. Соответственно твердость повысилась в среднем с 200...220 HB до 240..260 HB.

Проведенные испытания дали основание включить чугун марки СЧ35 ГОСТ 1412-85 в новые технические условия ТУ 3183-234-01124323-2007 «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов» на производство фрикционных клиньев, разработанные с участием автора диссертации.

Легирование серого чугуна. Параллельно с работой по внедрению серого чугуна марки СЧ35 нами исследованы опытные партии фрикционных клиньев из легированного серого чугуна. На ОАО «Балаковский завод запасных деталей» (ОАО «БЗЗД») по специально разработанным техническим условиям ТУ 3184-029-4752115-2005 «Клин фрикционный М 1698.04-001» изготовлена опытная партия фрикционных клиньев из износостойкого хромо- никелевого чугуна. На ОАО «Горьковский автомобильный завод» (ОАО «ГАЗ») изготовлены клинья из серого чугуна, легированного оловом и медью.

Легирование серого чугуна хромом и никелем, оловом и медью позволило на 20...40 HB повысить твердость по сравнению с фрикционными клиньями из серийного серого чугуна марок СЧ 25 и СЧ 30 ГОСТ 1412-85, но не решило поставленную задачу продления безремонтного пробега фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов до 500 тыс. км.

Термическая обработка фрикционных клиньев из серого чугуна. Термическая обработка является эффективным способом повышения износостойкости изделий из серого чугуна. Поэтому ЗАО НПХ «Рокада» по разработанным нами техническим требованиям предприняло попытку повысить долго-

вечность фрикционных клиньев путем закалки вертикальной поверхности после индукционного нагрева.

Техническими требованиями оговорено, что :

- твердость закаленной вертикальной поверхности клиньев должна находиться в пределах 400...450НВ (43.. .47ЖС);

- глубина упрочненного слоя с указанной твердостью должна быть > 4,0мм, микроструктура - троостосорбит; допускается до 10-15% мартенсита;

- рекомендуемый режим термической обработки клиньев:

температура нагрева под закалку-850...900°С, охлаждающая среда - сжатый воздух, водо-воздушная смесь, спрейерное (струйное) охлаждение водой, подогретой до температуры 35-40°С.

Проведены лабораторные исследования фрикционных клиньев из серого чугуна с закаленной вертикальной поверхностью. Твердость клина, составила 45...47 НЛО. Измерение твердости по глубине упрочненного слоя представлено на рис. 1.

ЖС

600

500

400

300

200

100

0

Рис. 1. Изменения твердости по глубине закаленного слоя вертикальной стенки клина

Микроструктуру чугунного фрикционного клина исследовали на шлифах, вырезанных из вертикальной стенки клина. В процессе термической обработки произошло полное или частичное растворение включений графита в поверхностных слоях, в результате чего общая длина включений уменьшается до 30-70 мкм (ПГД45) и часть включений приобретает округлую форму.

Исследование микрошлифов показало, что в результате закалки образуется упрочненный слой толщиной 4,0...4,5 мм.

Вблизи внешней поверхности микроструктура состоит из участков крупноигольчатого мартенсита и отдельных участков троостита (рис. 2 а). Микротвердость составляет 510...460 ИИС. По мере удаления от внешней поверхности доля троостита в структуре увеличивается (рис.2 б,в), значения микротвердости уменьшаются до 412 НКС. На границе перехода к основной структуре микроструктура металлической матрицы представляет собой троостит с твердостью 340 НЯС. Затем следует основной металл со структурой перлита и твердостью порядка 260 НКС.

Рис 2. Микроструктура термоупрочненного слоя фрикционного клина

Наличие крупноигольчатого мартенсита в поверхностных слоях свидетельствует о перегреве в процессе закалки, что свидетельствует о необходимости совершенствования технологии закалки, являющейся весьма перспективной.

Высокопрочный чугун. Для организации производства фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна в России были разработаны соответствующие нормативные документы - чертежи и технические условия. Наиболее полная регламентация параметров производства и качества фрикционных клиньев

из высокопрочного чугуна приведена в разработанных ОАО «ВНИИЖТ» ТУ 3183-163-01124323-2003 «Клин фрикционный из высокопрочного чугуна для тележек грузовых вагонов. Технические условия».

Проведенный анализ качества фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна показывает, что для стабильного образования шаровидного графита и получения заданного уровня механических свойств необходимо соблюдать соотношение содержания Mg^ / S0CT > 3,0. Поэтому предпочтительным является низкое содержание серы в высокопрочном чугуне для изготовления фрикционных клиньев (<0,01%) и повышенное содержание магния - 0,04-0,08%. При содержании магния ниже 0,045 и выше 0,12% образуется вермикулярный графит вместо шаровидного.

Для получения перлитной структуры в литом состоянии и, соответственно, однородной бейнитной структуры после изотермической закалки в высокопрочный чугун необходимо вводить перлитостабилизирующие элементы - никель, медь. Хотя никель и медь являются элементами-аналогами по производимому эффекту, использование меди в пределах 0,7-1,0% позволяет в более широких пределах скоростей охлаждения получать перлитную структуру и повышать износостойкость. Кроме того, медь значительно дешевле, доступнее и технологичнее, чем Ni в процессе производства чугуна. Еще одним необходимым условием получения мелкодисперсной перлитной структуры является выбивка отливок клиньев при температуре не ниже 750°С и быстрое охлаждение их на воздухе.

На основании большого количества экспериментов по отливке фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна на разных предприятиях и исследования их качества были сформулированы следующие требования к микроструктуре клиньев в литом состоянии:

Металлическая матрица:

- металлическая основа - перлит (%) П.. .П92;

- дисперсность перлита (мкм) - ПД 0,5;

- содержание цементита (%) - Ц2;

- площадь наибольших включений цементита (мкм2) - Цп 2000. Графит (ГОСТ 3443-87):

- форма графита - ШГф5,ШГф4;

- диаметр графитных включений (мкм) - ШГд 25 ... ШГд45;

- распределение включений - ШГр1;

- количество включений графита (%) - ШГ10...ШГ12

Химический состав и механические свойства чугуна опытных партий фрикционных клиньев в литом состоянии приведены в табл. 2 и 3.

При эксплуатационных испытаниях фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна марки ВЧ 70 с уретановой накладкой на наклонной поверхности на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» получены неоднозначные результаты. Величины износа вертикальной поверхности клиньев, зафиксированные при одном и том же пробеге, значительно отличались друг от друга даже на одном и том же вагоне. В целом фрикционные клинья из высокопрочного чугуна в литом состоянии имели на 10-15% более высокую износостойкость, чем фрикционные клинья из серого чугуна марки СЧ 25, о чем также свидетельствуют проведенные сравнительные лабораторные испытания на машинах трения МИ-1 типа Амслера и МТШ.

Опытные партии фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна с изотермической закалкой были изготовлены на ряде отечественных предприятий. Наибольший объем исследовательских работ совместно со специалистами ОАО «ВНИИЖТ» выполнен ЗАО «Научно-производственный холдинг "Рокада"».

После пробега 230 тыс. км на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» грузовых вагонов, оборудованных фрикционными гасителями колебаний с клиньями ЗАО «НПХ "Рокада"», уретановыми накладками производства компании «Сомэкс» (г. Челябинск) и составными фрикционными планками, износ клиньев составил в среднем 0,5 мм, а фрикционных планок - 1,5 мм. Такой пробег на экспериментальном кольце соответствует пробегу 690 тыс. км на сети железных дорог.

Ввиду высокой стоимости фрикционных клиньев с изотермической закалкой разработана технологическая схема упрочнения клиньев быстродвижу-

Предприятие-изготовитель Химический состав высокопрочного чугуна

Массовая доля элементов, % (остальное железо)

С & Мп Р в Си м8 Сг N1 Мо

ООО «СотекКомЦентр» 3,28 2,15 0,59 0,011 0,016 0,88 0,073 0,05 0,03 0,35

3,36 2,23 0,63 0,029 0,009 0,55 0,124 0,06 0,03 —

ЗАО «НПХ «Рокада» 3,47 1,59 0,58 0,022 0,0066 0,62 0,066 0,06 0,06 —

ОАО «КамАЗ-Металлургия» 3,42 2,77 0,45 о;озз 0,024 0,60 0,093 0,08 0,04 —

3,42 2,57 0,53 0,020 0,004 0,88 0,054 0,09 0,04 —

Таблица 3

Предприятие-изготовитель Механические свойства фрикционных клиньев в литом состоянии

Свойства при растяжении Твердость по Бринеллю НВ Ударная вязкость КС, КДж/м2

от, МПа ав,МПа 5,%

не менее

ООО «СотекКомЦентр» 585-590 690-711 0,97-1,35 254 110

710 587 2,0 225 —

ЗАО «НПХ «Рокада» 467-473 636-667 2,15-2,85 235 —

ОАО «КамАЗ-Металлургия» 465-479 656-707 4,0-4,5 243 160

498-501 728-759 2,7-3,4 248 150

щимся потоком воды, циркулирующим по замкнутому контуру (объемно-поверхностная закалка), и определены оптимальные значения технологических параметров (температура, расход воды и др.), обеспечивающие получение заданной твердости вертикальной рабочей поверхности клиньев.

Сущность технологии объемно-поверхностной закалки (ОГО) заключается в печном объемном нагреве клиньев до температуры закалки 920°С и последующем индивидуальном охлаждении вертикальной поверхности клиньев водяным душем в специальном закалочном устройстве.

Результаты испытаний по определению механических свойств клиньев, подвергнутых объемно-поверхностной закалке, приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Механические свойства фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна

Предел текучести ат ,МПа Временное сопротивление а„,МПа Относительное удлинение 5,% Относительное сужение м/,% Твердость, НВ

Клинья без термической обработки (в литом состоянии)

575 760 4 3,25 230...250

Клинья после ОПЗ (в закаленном состоянии)

736 1082 4,1 2,98 415...481

Анализ данных табл. 4 показывает, что применение технологии ОПЗ для упрочнения поверхности контакта клиньев с фрикционными планками позволило повысить прочностные свойства чугуна клиньев: временное сопротивление - на 40%, условный предел текучести - на 30%.

Исследование микроструктуры показало, что в результате ускоренного охлаждения вблизи наружной охлаждаемой поверхности клина образуется микроструктура троостита, что и обусловливает повышение прочностных характеристик и твердости клиньев. В сердцевине и во внутренней поверхности вертикальной плоскости клина структура основы чугуна представлена сорбитом с выделениями феррита, имеющими видманштеттовую ориентацию, т.е. сердцевина и внутренняя поверхность вертикальной плоскости также подвер-

гаются упрочнению. Графит в структуре упрочненного клина имеет шаровидную форму.

Таким образом, полученные результаты испытаний позволяют положительно оценить эффективность применения технологии объемно-поверхностной закалки быстродвижущимся потоком воды для упрочнения фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна ВЧ 70 и рекомендовать изготовить опытную партию клиньев, упрочненных по данной технологии, для полигонных испытаний на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ».

В четвертой главе приведены исследования по разработке материалов для производства фрикционных планок узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов.

Требования по изготовлению и установке на тележки грузовых вагонов составной фрикционной планки введены в проект ПКБ Департамента вагонного хозяйства ОАО «РЖД» № М 1698.00.000 «Модернизация узлов тележки модели 18-100». В соответствии с требованиями «... фрикционная (неподвижная) и контактная (подвижная) планка должны изготавливаться из стали типа ЗОХГСА с твердостью 320...400 НВ, с прокаливаемостью не менее 5 мм и короблением не более 1 мм».

Проведенный комплекс исследований по оценке технологии изготовления фрикционных и контактных планок (литые, катаные), макроструктуры, микроструктуры (после окончательной термической обработки), механических свойств, эксплуатационные испытания и исследование причин отказов позволили сформулировать следующие требования к материалу (марке стали) и к планкам в целом как изделиям:

1. Достаточная закаливаемость, т.е. выбранная марка стали, технология термической обработки и конструктивные размеры планки должны обеспечить непосредственно после закалки (до отпуска) твердость не менее 450...500 НВ с тем, чтобы после отпуска получить заданную нормативной документацией твердость 360...420 НВ.

2. Требуемая прокаливаемость, т.е. марка стали и технология термической обработки, должны обеспечить толщину закаленного слоя не менее 3 мм, поскольку нормативными документами установленная величина износа фрикционной планки не должна превышать 2 мм.

3. Металл фрикционной и контактной планок после окончательной термической обработки должен обладать достаточной пластичностью и ударной вязкостью, чтобы исключить случаи их хрупкого разрушения (прежде всего по ушкам фрикционных планок и изломов по всему сечению контактных планок) при движении грузовых вагонов по неровностям верхнего строения пути (стыки, стрелочные переводы, просадки и др.).

Кроме того, достаточная пластичность металла планок необходима при проведении механической правки планок.

4. Коробление планок не должно превышать 1 мм.

5. Фрикционные и контактные планки не должны иметь поверхностных дефектов типа волосовин, закатов, плен, рисок и др., являющихся концентраторами напряжений и приводящих к хрупким разрушениям планок в эксплуатации.

Несмотря на то, что сталь 30ХГСА, предложенная ФГУП ПО «Уралвагон-завод» для изготовления фрикционных и контактных планок, получила широкое распространение, по нашему мнению, она не является оптимальной по следующим соображениям:

- сталь является дорогой, т.к. имеет в своем составе дорогостоящие элементы - хром (X), марганец (Г) и кремний (С);

- содержание фосфора и серы в сталях типа ХГСА не должно превышать 0,025%, что усложняет и удорожает технологический процесс выплавки этой стали и главное - в таком низком содержании серы и фосфора нет никакой необходимости при изготовлении такой массовой продукции, как фрикционные планки;

- сталь типа ХГСА неудобна при практическом применении, т.к. фактически требуется изготавливать и устанавливать на тележки грузовых вагонов износостойкие элементы из двух марок стали - 20ХГСА (привариваемые детали) и ЗОХГСА (не привариваемые детали);

- на изделиях из стали 20ХГСА при содержании углерода на нижнем пределе (0,17...0,18%) трудно получить требуемую твердость (320...400 НВ) ввиду низкой закаливаемости этой стали;

- изделия из ЗОХГСА требуют подогрева при проведении сварочных работ.

Нами предложено для изготовления износостойких элементов, устанавливаемых на тележки грузовых вагонов при проведении их модернизации, применять недорогую универсальную сталь с содержанием углерода 0,22-0,28% (типа стали марки 25Х), которая имеет хорошую закаливаемость, прокаливаемость и не требует подогрева при приварке изготовленных из нее износостойких элементов в отличие от стали ЗОХГСА. Сталь 25Х заметно дешевле сталей типа ХГСА, т.к. имеет в своем составе пониженное содержание марганца и кремния и допускает повышение содержания серы и фосфора до 0,04%, т.е. упрощает процесс выплавки стали.

Дня экспериментальной проверки данных соображений были изготовлены фрикционные и контактные планки из стали 25Х (табл. 5), закаленные на твердость 360...420 НВ.

Таблица 5

Химический состав металла фрикционных планок

Марка стали Массовая доля элементов, % Твердость, НВ

С Мп Сг Р в

ЗОХГСА по ГОСТ 4543 0,280,34 0,91,2 0,81,1 0,81,1 < 0,025 < 0,025 320-400

Опытная марка 25Х 0,23 0,29 0,58 0,86 0,022 0,028 361

Рекомендуемый хим. состав для стали 25Х 0,220,28 0,170,37 0,500,80 0,801,10 0,040 0,040 360-420

Исследование планок показало, что по всем показателям (закаливаемость, прокаливаемость, микроструктура, твердость, коробление) они полностью соответствуют техническим требованиям и ни по одному параметру не отличаются от более дорогих сталей 20ХГСА и ЗОХГСА.

В пятой главе приведены и проанализированы результаты исследований механизма износа фрикционных планок и клиньев из разных материалов с твердостью от 150 до 450 НВ. Исследование поверхностей трения проводилось как на образцах, испытанных на машине трения МИ-1, так и на фрикционных клиньях и планках, изъятых из эксплуатации. Лабораторные исследования проводились на образцах в виде «звездочек», изготовленных из стали, серого и высокопрочного чугуна в литом и термообработанном состоянии. Контртелом при испытаниях служили ролики, изготовленные из материала серийных фрикционных планок из стали ЗОХГСА с твердостью 350 НВ.

Установлено, что на поверхности образцов из мягких материалов (сталь 20ГЛ, чугун марок СЧ25, ХН и ВЧ70) при испытаниях происходил процесс микросхватывания, наволакивания металла с последующим отделением продуктов износа в виде лепестков деформированного металла. На поверхности трения образцов из стали 20ГЛ имеются следы схватывания.

Термическая обработка стальных фрикционных клиньев (20ГЛ и 45ФЛ) и клиньев из высокопрочного чугуна на твердость около 400 НВ привела к изменению механизма износа образцов. На поверхности трения «звездочек» и роликов образовались риски и канавки с различной глубиной. Это свидетельствует о процессе микрорезания частицами, которые образовались в процессе износа поверхностей трения. Шаровидный графит в высокопрочном чугуне играет роль твердой смазки, и абразивный износ «твердых» (~ 400 НВ) образцов из высокопрочного чугуна марки ВЧ120 и чугуна марки ВЧ70 с ОПЗ проявился менее резко.

Однозначно идентифицировать механизмы износа установленных на вагонах клиньев и планок за всё время их работы не представляется возможным

ввиду влияния многочисленных факторов: осевой нагрузки, скорости движения вагонов, погодных условий, технологии изготовления и свойств материалов фрикционных клиньев и планок, хотя установленные при лабораторных исследованиях тенденции сохранились.

В шестой главе сформулирован технико-экономический принцип выбора материала для деталей фрикционного клинового гасителя колебаний. Проведенное исследование показало, что выбор материалов для изготовления деталей фрикционного клинового гасителя колебаний и, следовательно, установление межремонтного пробега грузовых вагонов различного назначения по этому узлу является технико-экономической задачей. Возможно изготовление фрикционных гасителей колебаний по трем вариантам:

первый - фрикционный клин изготавливается из серого чугуна марки СЧ35 в литом состоянии (твердость 210...275 НВ) в сочетании с составной планкой (раздельными фрикционной и контактной) из стали 25Х с твердостью 360...420 НВ, пробег грузовых вагонов с таким фрикционным гасителем колебаний - не менее 210 тыс. км;

второй вариант — клиновой гаситель изготавливается из стальных (марка стали 20ГЛ) или чугунных (СЧ30...СЧ35) фрикционных клиньев с закаленной на твердость 400...450 НВ вертикальной поверхностью в сочетании с раздельными фрикционной и контактной планками с твердостью 360.. .420 НВ; пробег грузовых вагонов с таким гасителем колебаний - не менее 350 тыс. км;

третий вариант — фрикционные клинья изготавливаются из высокопрочного чугуна марки ВЧ120 или ВЧ70 подвергнутых ОПЗ с обязательной установкой уретановой накладки на наклонную поверхность клиньев. Клинья работают в сочетании с раздельными фрикционными и контактными планками из стали 25Х с твердостью 360...420 НВ. Пробег грузовых вагонов с указанным клином и планками - не менее 500 тыс. км по узлу гасителя колебаний.

Изготовление фрикционного клинового гасителя колебаний по указанным вариантам определяется установленными межремонтными сроками служ-

бы грузовых вагонов разного назначения, ценовой политикой покупателя и

техническими возможностями (имеющимся оборудованием) производителя.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы причины отказов и низкой долговечности деталей серийного клинового фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов и на этой основе сформулированы требования к материалу клиньев и планок с целью обеспечения пробега тележек грузовых вагонов по этому узлу не менее 500 тыс. км.

2. Объемная закалка фрикционных клиньев из серийной стали 20ГЛ нецелесообразна ввиду незначительного повышения твердости и износостойкости. Перспективным направлением является объемно-поверхностная закалка (ОПЗ) только вертикальной поверхности фрикционных клиньев из этой стали.

3. Легирование стали целесообразно только при создании высокопрочных фрикционных клиньев с высокой твердостью для обеспечения пробега грузового вагона по критерию износостойкости не менее 500 тыс. км. Химический состав фрикционных клиньев из низколегированных сталей должен обеспечить необходимую закаливаемость и прокаливаемость клина. Технология производства высокопрочных клиньев предполагает закалку с отпуском при температуре около 400...450 °С с получением твердости порядка 400.. .450 НВ. На таких клиньях должна быть предусмотрена установка уре-тановой накладки на наклонную поверхность клина с целью защиты от повышенного износа наклонной поверхности надрессорной балки.

4. Фрикционные клинья из серого чугуна в 2...3 раза снижают износ наклонных поверхностей надрессорных балок, обеспечивают стабильный коэффициент трения, не вызывают задиров, схватывания, зависания обресоренных масс вагона, как это случается при использовании стальных клиньев. Уста-

новлено, что производство фрикционных клиньев из чугуна марки СЧ 35 позволит обеспечить пробег грузовых вагонов до 210 тыс. км. после деповского и капитального ремонтов.

Легирование серого чугуна хромом, никелем, оловом и медью хотя и позволяет несколько повысить твердость (на 20...40 НВ) и износостойкость (~ на 10%), но не является эффективным и экономически оправданным способом повышения работоспособности клиньев в эксплуатации.

Перспективным направлением повышения долговечности фрикционных гасителей колебаний является закалка только вертикальной поверхности серийных чугунных клиньев после индукционного нагрева.

5. Сформулированы требования к химическому составу высокопрочного чугуна (оптимальному содержанию магния, серы, меди). Определены требования к микроструктуре высокопрочного чугуна для изготовления фрикционных клиньев (металлической матрице, форме, количеству, распределению включений графита, содержанию и площади включений цементита).

Изготовлены опытные партии фрикционных клиньев в литом и закаленном состоянии. Эксплуатационные испытания на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» и сети железных дорог России фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна марки ВЧ 120 показали, что износ вертикальной рабочей стенки клиньев после пробега грузовых вагонов 100 тыс. км составляет около 0,3 мм при допускаемой величине износа до смены клиньев 2,0 мм., т.е. они обеспечивают пробег грузовых вагонов по узлу гасителя колебаний более 500 тыс.км.

6. Предложен новый материал для изготовления фрикционных и контактных планок - сталь марки 25Х, обладающая хорошими технологическими свойствами и позволяющая обеспечить требуемые механические и служебные свойства планок при снижении их стоимости по сравнению с серийно применяемой в настоящее время сталью 30ХГСА.

7. Предложена для изготовления узла гасителя колебаний новая пара трения : фрикционный клин из чугуна марки СЧ35 и составные планки из стали 25Х, обеспечивающие пробег 210 тыс.км после деповского и капитального ремонтов грузовых вагонов, что дает большой экономический эффект.

8. Изучен механизм износа образцов из разных материалов для изготовления фрикционных клиньев и планок с твердостью от 150 до 450 HB и реальных деталей после эксплуатации. Преимущественным видом износа образцов из чугуна и стали с низкой твердостью является микросхватывание, наволакивание металла с последующим отделением продуктов износа в виде лепестков деформированного металла. После термической обработки на поверхности трения имеет место микрорезание абразивными частицами, которые образовались в процессе износа поверхностей трения.

9. Сформулирован технико-экономический подход к выбору материалов для изготовления деталей фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов различного назначения в зависимости от установленного межремонтного срока, ценовой политики покупателя и технических возможностей предприятий-изготовителей фрикционных клиньев и планок.

Содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. A.B. Великанов, Б.В. Борщ, В.М. Федин, А.И. Борц, H.A. Костина. Качество и служебные свойства стальных фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов // «Вопросы развития железнодорожного транспорта в условиях рыночной экономики: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под ред. Ю.М. Черкашина, Г.В. Гогричиани. М.: Интекст. 2007. С. 155...166.

2. A.B. Великанов, Б.В. Борщ. Клин из серого чугуна для фрикционного гасителя колебаний грузовых вагонов // «Вопросы развития железнодорожного транспорта в условиях рыночной экономики: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под ред. Ю.М. Черкашина, Г.В. Гогричиани. М.: Интекст. 2007. С. 166. ..175.

3. А.В. Великанов, С.И. Пашарин, Б.В. Борщ. Фрикционный узел гасителя колебаний: как обеспечить пробег в 500 тыс. км. // Ежеквартальный производственно-технический и научно-популярный журнал «Вагоны и вагонное хозяйства» №3 (11). Под ред. В.Н. Бржицкого. М.: Финтрекс. 2007. С. 30...32.

4. АЛ. Великанов, Б.В. Борщ. Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна // Вестник ВНИИЖТ. 2007. №2. С. 18...22.

5. А. В. Великанов, Б.В. Борщ, В. М. Федин, А. И. Борц, Б. И. Юрьева. Технология производства, качество и работоспособность закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна // Вестник ВНИИЖТ. 2007. №5. С. 19...24.

6. Б.В. Борщ. Износостойкость и механизм износа материалов для фрикционных клиньев тележек грузовых вагонов // «Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения»: Сб. науч. тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под ред. А.Е. Семечкина. М.: Интекст 2008. С. 196. ..201.

Подписано к печати 22.09.2009 г. Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,5 п.л. Заказ 131 Тираж 100 экз. Типография ОАО «ВНИИЖТ», 3-я Мытищинская ул., д. 10

Введение.

ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1. Конструктивные особенности тележек грузовых вагонов модели

18-100 и фрикционных клиновых гасителей колебаний.

1.2. Условия работы и причины отказов в эксплуатации деталей гасителя колебаний.

1.3. Технические требования к материалу фрикционного клина и планки и пути их реализации.

1.4. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. Методики оценки качества и служебных свойств фрикционных клиньев и планок.

2.1. Методики металлографического исследования структуры и определения механических свойств металла фрикционных клиньев и планок.

2.2. Методики определения показателей конструкционной прочности.

2.2.1. Методики определения износостойкости и коэффициента трения металла фрикционных клиньев и планок.

2.2.2. Методика определения коэффициента относительного трения металла фрикционных гасителей.

2.3. Методика эксплуатационных испытаний деталей фрикционного гасителя колебаний.

ГЛАВА 3. Исследование и разработка материалов для производства фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов.

3.1. Качество и служебные свойства стальных фрикционных клиньев узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов.

3.1.1. Опытно-промышленные работы по повышению долговечности стальных фрикционных клиньев.

3.1.1.1. Совершенствование конструкции клина.

3.1.1.2. Нанесение износостойких покрытий.

3.1.1.3. Опытно - промышленные работы по производству клиньев из легированных сталей.

3.1.2. Оптимизация химического состава стали и разработка технологии упрочняющей термической обработки клиньев.

3.1.2.1. Объемная закалка клиньев.

3.1.2.2. Объемно-поверхностная закалка клиньев.

Обсуждение результатов испытаний.

3.2. Качество и служебные свойства фрикционных клиньев из серого чугуна.

3.2.1. Повышение качества чугунных фрикционных .клиньев серийного производства.

3.2.2. Фрикционные клинья из легированного серого чугуна.

3.2.3. Закалка фрикционных клиньев из серого чугуна.

3.2.3.1. Поверхностная закалка с индукционного нагрева.:.

Обсуждение результатов испытаний.

3.3. Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна в литом и закаленном состоянии.

3.3.1. Качество и служебные свойства фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна в литом состоянии.

3.3.2. Качество и служебные свойства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна.

3.3.2.1. Зарубежный опыт производства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна.

3.3.2.2. Качество и служебные свойства закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна, изготовленных на предприятиях России.

3.3.3. Объемно - поверхностная закалка фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна.

Обсуждение результатов испытаний.

Глава 4. Исследование и разработка материалов для производства фрикционных планок узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов.

4.1. Конструкция, технология изготовления и используемые материалы для серийного производства фрикционных планок в России и за рубежом.

4.2. Конструкция и технология производства составных фрикционных планок.

Обсуждение результатов испытаний.

Глава 5. Износостойкость и механизм износа материалов для фрикционных клиньев тележек грузовых вагонов.

5.1. Сравнительные лабораторные исследования.

5.1.1. Испытания на машине трения МТШ-1.

5.1.2. Испытания на машине трения МИ-1.

5.2. Работоспособность фрикционного узла гасителя колебаний в условиях сетевой и опытной эксплуатации.

Обсуждение результатов испытаний.

Глава 6. Технико-экономическая эффективность изготовления фрикционного клинового гасителя колебаний из разных материалов.

Повышение грузоподъемности вагонов является основным направлением увеличения объема перевозок народнохозяйственных грузов. С повышением массы вагонов и скорости передвижения поездов возрастают динамические силы, действующие на вагон и железнодорожный путь.

Увеличение динамических сил вызывает интенсивный износ и повреждение деталей и узлов тележки, приводит к увеличению сил взаимодействия между колесом и рельсом, к понижению устойчивости колеса на рельсе, плавиости хода вагона и сохранности перевозимых в нем грузов. Кроме того, увеличение воздействия вагонов на путь приводит к расстройству пути и повышенным затратам на его текущее содержание.

Основным узлом грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний.

Фрикционный клиновой гаситель колебаний двухосной тележки модели 18-100 грузовых вагонов имеет два фрикционных клина, размещенных между наклонными поверхностями надрессорной балки и фрикционными планками, укрепленными на колонках боковой рамы тележки. В процессе эксплуатации происходит интенсивный износ вертикальной и наклонной поверхностей клиньев и фрикционных планок, что приводит к снижению силы трения для гашения горизонтальных и вертикальных колебаний кузова. Это вызывает увеличение динамических сил, действующих на вагон и путь. Кроме того, при уменьшении силы трения в гасителе колебаний уменьшается фрикционная связь надрессорной балки с боковыми рамами тележки, что может привести к повышенному вилянию тележки и, следовательно, к росту поперечных горизонтальных сил, действующих на вагон и путь при движении поезда по прямым участкам пути.

Работоспособность деталей, входящих в этот узел, является также основой при определении межремонтного пробега тележки грузового вагона. Ввиду этого повышение пробега грузовых вагонов до 500 тыс. км по критерию износостойкости деталей фрикционного узла является актуальной научно -технической задачей.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Исследованы причины отказов и низкой работоспособности деталей серийного клинового фрикционного гасителя колебаний тележек грузовых вагонов и на этой основе сформулированы требования к материалу клиньев и планок с целью обеспечения пробега тележек грузовых вагонов по этому узлу не менее 500 тыс. км.

2. Оценка качества и эксплуатационные испытания на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» опытных партий стальных фрикционных клиньев показали, что объемная закалка и дополнительное легирование серийной стали 20ГЛ для изготовления клиньев в литом и нормализованном состоянии нецелесообразно. Эффективным способом повышения работоспособности клиньев из стали 20ГЛ является поверхностная закалка только вертикальной стенки, либо после индукционного нагрева, либо объемно-поверхностная закалка (ОПЗ), о чем свидетельствуют положительные результаты лабораторных исследований и определения износостойкости фрикционных клиньев с ОПЗ после эксплуатационных испытаний на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ».

3. Легирование стали целесообразно только при создании высокопрочных фрикционных клиньев с высокой твердостью для обеспечения пробега грузового вагона по критерию износостойкости не менее 500 тыс. км. Химический состав фрикционных клиньев из низколегированных сталей должен обеспечить необходимую закаливаемость и прокаливаемость клина. Технология производства высокопрочных клиньев предполагает закалку с отпуском при температуре около 400-450 ОС с получением твердости порядка 400.450 НВ. На таких клиньях должна быть обязательно предусмотрена установка уретановых накладок на наклонной поверхности клина с целью защиты от повышенного износа наклонной поверхности надрессорной балки.

Проведенные нами исследования по термической обработке (закалке и отпуску при температуре 200-480°С) фрикционных клиньев из низколегированных сталей 30ГСЛ и 45ФЛ показали перспективность этого направления для повышения долговечности фрикционного узла гашения колебаний грузовых вагонов.

4. Разработана нормативная документация (технические требования чертежа и технические условия), произведена оценка качества и служебных свойств фрикционных клиньев из серого чугуна марок СЧ25, СЧ30 и СЧ35 ГОСТ 1412-85, а также опытных партий клиньев из низколегированного чугуна. Фрикционные клинья из серого чугуна в 2.3 раза снижают износ наклонных поверхностей надрессорных балок, не вызывают задиров, схватывания, зависания обресоренных масс вагона, как это случается при использовании стальных клиньев. Широкое внедрение фрикционных клиньев из серого чугуна марок СЧ25, СЧ30 позволило обеспечить нормативный пробег тележек грузовых вагонов до 160 тыс. км при среднесетевых условиях эксплуатации. Переход на производство фрикционных клиньев только из чугуна марки СЧ35 позволит обеспечить пробег грузовых вагонов до 210 тыс. км.

Легирование серого чугуна хромом, никелем, оловом и медью хотя и позволяет несколько повысить твердость (на 20.40 НВ) и износостойкость на 10%), но не является эффективным и экономически оправданным способом повышения работоспособности клиньев в эксплуатации.

5. На основе лабораторных исследований и промышленных экспериментов сформулированы требования к химическому составу высокопрочного чугуна (оптимальному содержанию магния, серы, меди). Определены требования к микроструктуре высокопрочного чугуна для изготовления фрикционных клиньев (металлической матрице, форме, количеству, распределению включений графита, содержанию и площади включений цементита).

Изготовлены опытные партии фрикционных клиньев в литом и закаленном состоянии. Оценка качества и эксплуатационные испытания фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна марок ВЧ60 и ВЧ70 показали, что при твердости 220.270 НВ они имеют лишь на 10. 15 более высокую износостойкость по сравнению с серийными фрикционными клиньями из серого чугуна марок СЧ25.СЧ30, т.е. при этом не решается поставленная задача увеличения пробега тележек грузовых вагонов по узлу гасителя колебаний до 500 тыс. км.

Эта задача решена при изотермической закалке фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна на твердость ~ 450 НВ. Эксплуатационные испытания на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» и сети железных дорог России фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна марки ВЧ120 показали, что износ вертикальной рабочей стенки клиньев после пробега грузовых вагонов 100 тыс. км составляет около 0,3 мм при допускаемой величине износа до смены клиньев 2,0 мм.

6. Исследование причин отказов фрикционных планок в эксплуатации показало, что основной причиной смены планок на тележках является повышенный износ вследствие недостаточной твердости (< 300 НВ).

Высокая твердость (> 450 НВ) и коробление (> 1,0 мм) приводят к хрупкому разрушению планок.

Проведенный комплекс исследований, включающий определение химического состава сталей, механических свойств, износостойкости, макро- и микроструктуры планок, анализ технологии их производства, служебных свойств, повреждаемости позволили сформулировать требования к материалу для фрикционных планок и планкам, которые должны обладать требуемой закаливаемостью и прокаливаемостью, достаточной пластичностью и ударной вязкостью с целыо обеспечения возможности их холодной правки и исключения хрупкого разрушения в эксплуатации.

7. Предложен новый материал для изготовления фрикционных и контактных планок — сталь марки 25Х, позволяющая обеспечить требуемые механические и служебные свойства планок при снижении их стоимости по сравнению с серийно применяемой в настоящее время сталью ЗОХГСА.

8. По результатам проведенной работы предложена для изготовления узла гашения колебаний новая пара трения - фрикционный клин из чугуна марки СЧ35 и фрикционные планки из стали 25Х, обеспечивающая пробег 210 тыс.км после капитального ремонта грузовых вагонов, что дает большой экономический эффект.

9. Изучен механизм износа фрикционных клиньев и планок из разных материалов с твердостью от 150 до 450 НВ. Установлено, что на поверхности образцов из мягких материалов (стали 20ГЛ, чугуна марок СЧ25, ХН и ВЧ70) при испытании происходил процесс микросхватывания, наволакивание металла с последующим отделением продуктов износа в виде лепестков деформированного металла. На поверхности трения образцов из стали 20ГЛ имеются следы схватывания.

Термическая обработка стальных фрикционных клиньев (20ГЛ и 45ФЛ) и клиньев из высокопрочного чугуна на твердость около 400 НВ привела к изменению механизма износа. На поверхностях трения образовались риски и канавки с различной глубиной. Это свидетельствует о процессе микрорезания абразивными частицами, которые образовались в процессе износа поверхностей трения. Шаровидный графит в высокопрочном чугуне играет роль твердой смазки и абразивный износ «твердых» 400 НВ) образцов из высокопрочного чугуна марки ВЧ120 и чугуна марки ВЧ70 с ОПЗ проявляется менее резко.

На поверхностях трения фрикционных клиньев и планок, снятых с грузовых вагонов после эксплуатации, наблюдается смешанный вид износа, т.е имеются участки с различными механизмами износа, что связано с влиянием многочисленных факторов (осевая нагрузка, техническое состояние, скорость движения вагонов, погодные условия, технология изготовления клиньев и планок и др.), хотя и преобладают установленные при лабораторных исследованиях закономерности.

10. Сформулирован технико-экономический подход к выбору материалов для изготовления деталей фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов различного назначения в зависимости от установленного межремонтного срока, ценовой политики покупателя и технических возможностей предприятий-изготовителей фрикционных клиньев и планок.

1. Ефимов В.П., Пранов A.A. Модернизация тележки модели 18-100 -эффективный путь повышения безопасности движения поездов. Тяжелое машиностроение, 2003. №12. С. 6.9.

2. Ефимов В.П., Пранов A.A., Павлгаков А.Э. Тележки для перспективныхгрузовых вагонов. Железнодорожный транспорт, 2002. №4. С. 46.49.

3. Пастухов И.Ф., Пигунов В.В., Кошкалда P.O. Конструкция вагонов. 2-еиздание / Москва 2004. С. 114. 126.

4. R. Müller: Veränderungen von Radlaufflächen im Betriebseinsatz und deren

5. Auswirkungen auf das Fahrzeugverhalten (Teil 1). ZEV + DET Glasers Annalen, 122, 1998, № 11. 688 s.

6. Общий курс железных дорог / Ю. И. Ефименко, M. М. Уздин, В.И. Ковалёв

7. М.: Издательский центр "Академия", 2005.

8. Budic I., Ruda V. LijevanJe kocnih papuca za locomotive. Ljevarstvo. 1997, №1.1. S. 9-14.

9. ГОСТ 9246-2004. Тележки двухосные грузовых вагонов магистральныхжелезных дорог. Технические условия. М. : ИПК Издательство стандартов, 2005. 8 с.

10. Глушко М.И., Антропов А.Н. Работа пружинно-фрикционного комплектатележки грузового вагона//Вестник ВНИИЖТ. 2004. №5. С. 41.44.

11. Эксплуатационная безопасность клинового гасителя колебаний тележки типа ЦНИИ-ХЗ-0 при варьировании массы железнодорожного вагона Текст.: учебное пособие / [В. И. Варгунин, П. Н. Добровольский, Н.В.

12. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Принципиально новые конструкции и материалы в узлах трения тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1997. 54 с.

13. РД 32 ЦВ 072-2005 Ремонт тележек грузовых вагонов модели 18-100 с установкой износостойких элементов в узлах трения. / Проектно-конструкторское бюро ОАО «РЖД», 2005. 26 с.

14. Инструкция осмотрщиков вагонов. / Под ред.Н.И. Горбачева. М.: Трансинфо, 2003. 153 с.

15. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Новые материалы в узлах трения тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1990. 63 с.

16. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей машин. М.: Машиностроение, 1966. 573 с.

17. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи1520 мм (несамоходных). М. ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996. 319 с.

18. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1993.

19. Тарельник В.Б., Марцинковский B.C. / Повышение качества подшипников скольжения: Монография. Сумы. М.: МакДен. 2006. 160 с.

20. Катц Н. В., Антошин Е. В., Вадивасов Д. Г., Вольперд Г.Д., Камионский JI.M. / Металлизация распылением. М.: издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1966. 200 с.

21. Вайнерман А.Е. и др. Плазменная наплавка JL, "Машиностроение" 1969.

22. Усов JT.H., Борисенко А.И. / Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий М., "Наука", 1965.

23. Антошин Е. В./ Газотермическое напыление покрытий. М.: Машиностроение, 1974. 97 с.

24. Багрянский К. В., Добротина 3. А., Хренов К. К. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1976. 424 с.

25. Бартенев С.С, Федько Ю.П., Григорьев А.И. Детонационные покрытия в машиностроении. JI.: Машиностроение, 1982. 215 с.

26. Инструкция по восстановлению и упрочнению индукционно-металлургическим способом деталей узлов трения подвижного состава Текст.: ЦТ-ЦВ-ЦП-590: утв. МПС РФ, — 27.08.98 /МПС РФ. М.: Транспорт, 1998. - 78 е.: ил. - Библиогр.: С. 57-58 (14 назв.).

27. Дефекты стали / Справочник под редакцией С.М. Новокщеновой, М.И. Виноград. М.: Металлургия, 1984. 200 с.

28. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1997.

29. Донской А. В., Клубикин B.C. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. JL: Машиностроение, 1979. 221 с.

30. Франценюк И. В. Альбом микроструктур чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов Текст.: — справочник / ИВ. Франценюк, Л.И. Франценюк. -М.: Академкнига, 2004. 190 с.

31. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1993. 448 с.

32. Металловедение и термическая обработка стали. Справ, изд. под редакцией Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. т. 2. М.: Металлургия, 1983. 368 с.

33. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка подвижного состава и верхнего строения пути. Труды ВНИИЖТ. М. : Интекст, 2002. 208 с.

34. Великанов A.B., Пашарин С.И., Дудкина Т.П., Силин В.С, Угарова Г.И., Конькова Т.Е. Чугунные фрикционные клинья тележки грузового вагона. // Вестник ВНИИЖТ. 1999. № 1 .С. 25.31

35. Высококачественные чугуны для отливок / Под ред. H.H. Александрова. М.: Машиностроение, 1982. 222 с.

36. Костина H.A., Великанов A.B. и др. Фрикционный гаситель для тележки 18-100. Отчет по теме 8.1.34 ФГУП ВНИИЖТ, 2005.

37. Стародубов К.Ф., Узлов И.Г. Сб.: Металловедение и термическая обработка стали и чугуна / Тр. ИЧМ АН УССР. T. XVII. Изд. АН УССР. 1961. С. 66.71.

38. Болховитников Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. М.: Машгиз, 1958. 432 с.

39. Чугун. Справочник. Под редакцией А.Д. Шермана и A.A. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 575 с.

40. Кульбовский И.К. Факторы, влияющие на форму включений графита в чугуне. Литейное производство. 1991. № 2. С. 8.9.

41. Мунеижко И.Г. Графитизация и свойства чугуна. Киев, Наукова думка, 1989. 208 с.

42. Кульбовский И.К. Механизм влияния элементов на графитизацию и отбел чугуна. Литейное производство. 1993. № 7. С. 3.5.

43. A.B. Великанов, Б.В. Борщ. Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна // Вестник ВНИИЖТ. 2007. №2. С. 18.22.

44. Объемно-поверхностная закалка-эффективный метод упрочнения тяжелонагруженных шестерен Текст. / А. П. Ракомсин, И. С. Гаухштейн, П. С. Гурченко, А. И. Михлюк. // Автомобильная промышленность. -2002. - N7. С. 25.26.

45. Объемно-поверхностная закалка высокопрочных болтов из углеродистых сталей для рельсовых стыков железнодорожного пути Текст. / В. М.

46. Федин, А. И. Борц, М. С. Герасимова. // Металловедение и термическая обработка металлов. 2002. N10. 17 с.

47. Попов В.М., Когаи Б.Л. Термостойкость чугунов с различной формой графита. Литейное производство. 1991, № 2. С. 15. 17.

48. Шумихин В.Д. и др. Высококачественные чугуны для отливок. М.: Машиностроение, 1982. 222 с.

49. Прокатное производство. Полухин П.И., Федосов Н.М., Королев A.A., Матвеев Ю.М. М.: Металлургия, 1968. 676 с.

50. Узлов И.Г., Савенков В.Я., Поляков С.Н. Термическая обработка проката. Киев: Техника, 1981. 159 с.

51. Гуляев А.П., Никитин В.Н. Влияние углерода, кремния и марганца на склонность к хрупкому разрушению железа и стали // Металловедение и термическая обработка металлов. 1965. № 1.

52. Фролов В.В. Теория сварочных процессов. М.: Высшая школа, 1988. 559 с.

53. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ. М.: Наука, 1965. 115 с.

54. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

55. Алексеев Н.М., Крагельский И.В., Фисун Л.Е. О природе заедания при сухом и граничном трении // Трение и износ. 1980. № 2. С. 197 — 208.

56. Семенов А. П. Заедание металлов и методы его предотвращения при трении // Трение и износ. 1980. № 2. С. 197. .208.

57. Буше H.A. Трение, износ и усталость в машинах. Транспортная техника. М.: Транспорт, 1987. 223 с.

58. Айбиндер С.Б., Клокова Э.Ф. О возникновении сцепления металлов при взаимном пластическом деформировании // ЖТФ, Вып. 13, т. 25, 1955. С. 235.236.

59. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М. Износостойкость сталей и сплавов. М.: Нефть и газ, 1994. 416 с.

60. Буше H.A. К вопросу о процессах, происходящих на поверхностях трения металлических материалов. О природе трения твердых тел. Минск: Наука и техника, 1971. С. 75.77.

61. Трибология конструкционных материалов Текст.: учеб. пособие для вузов / Ю. К. Машков. Омск : Изд-во ОмГТУ, 1996. - 299 е.: орн. - Библиогр.: С. 296.297.

62. Развитие и проблемы трибологии в XX веке Текст. / Г. В. Мотовилин. // Вестник машиностроения. - М. : Машиностроение, 2000. - N 6. С. 57-61.

63. Открытое Акционерное Общество «Российские железные дороги»

64. Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта1. ОКП31 83831. ЖДАЮ тамеь1. РЖД»1. ГА. Бочкарев 2007 г.

65. КЛИН ФРИКЦИОННЫЙ ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА ДЛЯ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ1. Технические условия

66. ТУ 3183-234-01124323-2007 Взамен ТУ 3183-061-01124328-2003

67. Держатель подлинника -ВНИИЖТ

68. Дата введения 01.10.2007 без ограничения срока действия

69. СОГЛАСОВАНО Директор ПКБ ЦВ ОАО «РЖД»п1. ОТАНО НИИЖТ1. С. Барбарич 2007 г.

70. Настоящие технические условия распространяются на деталь «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов» узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов.1 ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

71. Фрикционный клин должен изготавливаться в соответствии с требованиями настоящих технических условий и по чертежу ПКБ ЦВ — ВНИИЖТ, утвержденному ЦВ ОАО «РЖД».

72. Допуски размеров и массы отливок фрикционных клиньев — по ГОСТ 26645, не оговоренные чертежом литейные уклоны по ГОСТ 3212.

73. Клин должен отливаться из серого чугуна марок СЧ25, СЧЗО или СЧ 35с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412-85).

74. Химический состав чугуна фрикционных клиньев должен соответствовать требованиям, указанным в таблице 1 (ГОСТ 1412-85).