автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Повышение долговечности подшипников для железнодорожного подвижного состава путем применения полых роликов, упрочненных объемно-поверхностной закалкой

РГ Б ОД 1 О ФЕВ 1998

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ УДК 669.018.24:669.156.33

Бескровный Геннадий Георгиевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛЫХ РОЛИКОВ, УПРОЧНЕННЫХ ОБЪЕМНО-ПОВЕРХНОСТНОЙ ЗАКАЛКОЙ

Специальность 05.16.01 — Металловедение и термическая обработка

металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических каук

Москва 195§

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта и Московском государственном вечернем металлургическом институте.

Научные руководители: доктор технических наук, профессор Ушаков Борис Константинович; кандидат технических наук Девяткин Василий Петрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шепеляковский Константин Захарович; кандидат технических наук Цюренко Владимир Николаевич

Ведущее предприятие -— АО ТПЗ-2"

Защита диссертации состоится 1998 года в часов на

заседании Диссертационного совета Д114.01.04 при Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта по адресу: 129851, г. Москва, 3-я Мытищинская ул., д. 10 в конференц-зале института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан "22" /к рЯ, 1998г.

Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять в адрес Совета.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д114.01.04 £

кандидат технических наук У}— Г.И.Пенькова

Бескровный Геннадий Георгиевич

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ПОДШИПНИКОВ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛЫХ РОЛИКОВ, УПРОЧНЕННЫХ ОБЪЕМНО-ПОВЕРХНОСТНОЙ 'ЗАКАЛКОЙ

Специальность 05.16.01 — Металловедение в термическая обработка

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

металлов

АВТОРЕФЕРАТ

Москва |9®3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время буксы грузовых и пассажирских вагонов оснащены роликовыми подшипниками с короткими цилиндрическими сплошными роликами типов 42726Л и '232726Л1 с габаритами 130*250*80 мм. Подшипники подобного типа, но с иными габаритами, используются в локомотивах и электровозах.

На протяжении более чем 30-летнего срока эксплуатации этих подшипников шел процесс их усовершенствования в направлении оптимизации конструкции деталей и подшипннка в целом, применения более качественных материалов, в частности, подшипниковой стали электрошлакового переплава. Важным фактором повышения надежности и долговечности вагонных подшипников явилось изготовление внутренних колец из стали 111X4 с упрочнением по методу объемно-поверхностной закалки при индукционном нагреве.

Непрерыпное развитие техники железнодорожного транспорта вызывает необходимость дальнейшего совершенствования конструкции, материалов и технологии изготовления подшипников с учетом современного состояния и, в особенности, перспектив развития железнодорожного транспорта в соответствии с разработанной МПС "Стратегией научно-технической политики в новых условиях работы железнодорожного транспорта". Это связано с повышением скорости движения грузовых и пассажирских поездов, увеличением осевых нагрузок, повышением жесткости рельсового пути на бетонных шпалах.

Оптимальным направлением в решении актуальной задачи повышения надежности и долговечности подшипников для подвижного состава железнодорожного транспорта в современных условиях является сочетание конструктивных и технологических мероприятий, не связанных с принципиальными изменениями конструкции буксового узла и тележек, а также использованием дефицитных и дорогостоящих легированных сталей и сложных технологий, отсутствующих на подшипниковых заводах России.

Возможность такого решения создает применение подшипников с полыми роликами. За счет упругой деформации полых роликов увеличиваются площадки контаюа роликов с кольцами, выравниваются нагрузки на передний и задний подшипник в буксе, снижаются напряжения при взаимодействии колец и роликов, что позволяет значительно повысить долговечность подшипников. Положительный эффект применения полых роликов проявляется также и в улучшении условий смазки, уменьшении проскальзывания, более благоприятном температурном состоянии подшипника.

Необходимым условием длительной безопаской работы подшипников является гарантированное предотвращение разрушения полых роликов от знакопеременных напряжении изгиба на их внутренней поверхности. Это достигается

выбором оптимального диаметра отверстия (параметра пустотелости), а также выбором стали и метода упрочнения, обеспечивающих требуемую высокую циклическую долговечность ролика. Наиболее эффективным и экономичным решением является упрочнение роликов по методу объемно-поверхностной закалки. Технологические процессы объемко-поверхностной закалки строго индивидуальны по типам, конфигурации и размерам упрочняемых деталей и создание нового процесса всегда вызывает необходимость решения ряда принципиальных вопросов по выбору прокаливаемости и химического состава стали, режимов индукционного нагрева и охлаждения, созданию конструкций нагревательных и охлаждающих устройств, проведению комплекса исследований и испытаний качества деталей в лаборатории, на стендах и в опытной эксплуатации.

Цель работы. Повышение долговечности и надежности подшипников для букс железнодорожного подвижного состава путем применения полых роликов, упрочненных объемно-поверхностной закалкой.

В работе были поставлены следующие задачи:

(.Проведение расчетно-экспериментальных исследований с целью выбора оптимального размера отверстия в полых роликах по критериям конструктивной прочности и разработка конструкции подшипникас полыми роликами для бухс железнодорожных вагонов.

2. Теоретический анализ требуемой прокаливаемости стали для изготовления полых роликов с толщиной стенки 7-10 мм. Исследование возможности применения стали ШХ4 и разработка технических требований к составу стали.

3. Разработка нового способа объемно-поверхностной закалки полых роликов из стали ШХ4 с применением градиентного индукционного нагрева.

4. Разработка технологии объемно-поверхностной закалки и закалка опытных и промышленных партий полых роликов для испытаний.

5. Исследования и испытания подшипников с полыми роликами, упрочненными по новой технологии.

6. Разработка технологических требований на проектирование промышленной индукционной установки для объемно-поверхностной закалки полых роликов.

Научная новизна.

1. Впервые определены возможности и условия создания и использования подшипников с полыми упруго-податливыми роликами при их упрочнении по методу объемно-поверхностной закалки.

2. Разработана расчетно-экспериментальная методика оценки требуемой прокаливаемости и химического состава стали для изготовления полых роликов с различной толщиной стенки.

3. Разработан новый способ объемно-поверхностной закалки при градиентном индукционном нагреве, позволивший осуществить закалку полых роликов вагонных подшипников при их изготовлении из стандартной стали ШХ4.

Практическая ценность. Разработана новая, основанная на способе объемно-поверхностной закалки при градиентном индукционном нагреве, технология упрочнения полых роликов вагонных подшипников, обеспечивающая значительное повышение долговечности работы буксовых вагонных подшипников при сохранении их типа и основных геометрических параметров, что создает условия для экономичного переоснащения парка действующих пассажирских и грузовых вагонов.

Разработаны технические требования на проектирование промышленной закалочной установки. Предложены и опробованы конструкции индуктора и охлаждающего устройства. В АО "Московский подшипник" (I ГПЗ) выполнено рабочее проектирование промышленной установки.

Разработана новая методика контроля прокаливаемости стали для полых роликов с различной толщиной стенки при использовании цилиндрических образцов со смещенным внутренним отверстием.

Выполненные стендовые и эксплуатационные испытания показали соответствие вагонных подшипников с полыми ролнхамн требованиям их длительной безопасной работы на железнодорожном транспорте.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на 2 Собрании металловедов России (г.Пенза, 20-22 сентября 1994г.), на семинаре Отделения испытания материалов и конструкций ВНИИЖТ, на Научно-технической конференции МВМИ по итогам научно-исследовательских работ за 1990-1992 гг. и на международной научно-технической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов" (Санкт-Петербург, 17-19 мая 1995г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи и получены 2 патента РФ.

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и приложений.

Изложена на 156 страницах машинописного текста, содержит 18 таблиц, 48 рисунков, список использованной литературы включает 108 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

По введении изложено современное состояние проблемы, обоснована актуальность темы, определена цель и основные задачи работы.

«

В первой главе проанализированы предпосылки и перспективы создания и использования подшипников с полыми роликами для буксовых узлов подвижного состава железнодорожного транспорта.

Анализ условий и опыта эксплуатации, а также повреждаемости колец к тел качения буксовых подшипников вагонов и локомотивов показал, что их долговечность оказывается существенно меньше расчетной. Показано, что преждевременный выход цилиндрических роликовых подшипников связан как с неблагоприятными условиями эксплуатации в отношении перегрузки подшипников за счет перекосов и маятниковых колебаний тележек, повышенных динамических нагрузок из-за чрезмерной жесткости пути; так и с дефектами металла и недостатками технологии изготовления деталей.

Соотношение различных видов повреждений подшипников со временем изменяется вследствии совершенствования конструктивных параметров и технологии изготовления деталей. Так внедрение стали ШХ4 и объемно-поверхностной закалки внутренних колец полностью ликвидировало разрушения бортов и разрывы колец в эксплуатации.

В настоящее время долговечность вагонных подшипников в основном определяется повреждаемостью наружных колец и сепараторов. Повышение качества сепараторов представляет собой отдельную проблему, не являющуюся предметом настоящей работы. Что касается наружных колец, работающих в буксовом узле без вращения и вследствие этого воспринимающих контактные нагрузки одной и той же зоной, то эффективным направлением повышения их долговечности является снижение уровня контактных напряжений за счет применения полых упруго-податливых роликов. Несмотря на известность такого подхода, подшипники с полыми роликами в каталогах ведущих подшипниковых фирм мира, таких как SKF, FAG, Timken не представлены, их использование на железнодорожном транспорте также не известно. По-видимому, основной причиной этого является опасность усталостного разрушения роликов со стороны отверстия при упругом прогибе стенки в условиях длительного циклического нагружения. Однако эта опасность может быть исключена за счет выбора рационального параметра пустотелости, обеспечивающего работу роликов при напряжениях, заведомо ниже их предела выносливости, и оптимального выбора стали и технологии термической обработки роликов, гарантирующих их высокую конструктивную прочность при циклических и динамических нагрузках.

Во ВНИИЖТ исследованы и экспериментально опробованы различные методы получения заготовок для полых роликов, включая горячее прессование и прокатку труб. Трудность состояла в невозможности производства горячекатаных особотолстостенных бесшовных труб с отношением наружного диаметра к толщине стенки менее 6 на серийном оборудовании трубных заводов. Однако эта задача была решена при использовании новой, разработанной в МИСиС, технологии и

оборудования. По данной технологии в заводских условиях была прокатана из стали ШХ4 партия труб удовлетворительного качества, как по геометрическим параметрам, так и по состоянию наружной и внутренней поверхностей.

В работе выполнен анализ возможности изготовления полых роликов из существующих подшипниковых сталей с упрочнением различным» методами. При оценке возможности использования цементации сделано заключение о трудности реализации этой технологии из-за отсутствия в кашей стране массовых цементуемых сталей, удовлетворяющих требованиям подшипниковых стандартов по макроструктуре и содержанию неметаллических включений, и отсутствия на отечественных подшипниковых заводах специализированного высокопроизводительного оборудования для цементации полых ролихов в требуемых больших количествах.

Наиболее перспективным для полых роликов в современных условиях является применение метода обьемио-поверх.чостнон закалки с использованием стали типа ШХ4. Предпосылками этого язляютсг.

1. Высокая хонструктипная прочность деталей в условиях статических, динамически» " циклических нагрузок, подтвержденная многолетней практикой использование метода в различных отраслях машиностроения, и в частности, на железнодорожном транспорте для внутренних колец вагонных буксовых подшипников.

2. Возможность упрочнения наружной, внутренней н торцевых поверхностей полых роликов путем однократного сквозного нагрева и интенсивного охлаждения всех поверхностей ролика быстродэижущсйся водой.

3. Использование низколегированной и относительно недорогой подшипниковой стали ШХ4, освоенной отечественной металлургической и подшипниковой промышленностью.

4. Возможность изготовления оборудования дня объемно-поверхностной закалки полых роликов непосредственно на подшипниковых заводах в относительно короткий срок.

5. Экологическая чистота процесса закалки в связи с отсутствием защитных атмосфер и закалочного масла.

Вторая глава посвящена определению оптимального размера отверстия и толщины стенки полых роликов для вагонных подшипников. Для этого при помощи проволочных датчиков сопротивления измеряли напряжения в опасном сечении на внутренней и наружной поверхности полых роликов при статической нагрузке, прикладываемой вдоль образующей ролика. Ролики были изготовлены с различным диаметром отверстия "г", отношение которого к наружному диаметру "К" характеризует параметр пустотелости а=г/И.

Было установлено, что при а < 0,25 уровень напряжений на наружной поверхности сохраняется неизменным И составляет 40 Н/ммг при внешней нагрузке

30 кН, что свидетельствует о недостаточной упругой податливости ролика. Увеличение "а" до 0,5 привело к возрастанию напряжений на внутренней поверхности с 80 до 260 Н/мм2. В качестве оптимального варианта был принят ролик с а=0,37. При этом напряжения на внутренней поверхности не превысили 150 Н/мм2, что при максимально возможной рабочей нагрузке 20 кН на ролик обеспечивает двухкратный запас прочности по изгибающим напряжениям.

Правильность выбора параметра пустотелости была подтверждена испытаниями долговечности полых роликов на машине ЦДМ-100 под циклической нагрузкой с асимметричным циклом (Ршш-0,!Рыакс). При а=0,37 предел выносливости роликов оказался в 2 раза выше, чем при а=0,5-0,7.

Экспериментально было показано, что при применении полых роликов с а=0,37 ширина площадок контакта роликов и колец увеличивается в 1,25 раза по сравнению со сплошными роликами, что по расчетам соответствует возрастанию долговечности подшипника более чем в 4 раза.

Основной эффект применения полых роликов связан со снижением в 1,25 раза нагрузки на центральный ролик за счет более рационального использования для этого соседних роликов, выравниванием нагрузки вдоль образующей ролика, а также с обеспечением более равномерного распределения радиальной нагрузки между передним и задним подшипниками буксового узла. Это было экспериментально установлено при исследовании вагонных подшипников с полыми и сплошными роликами на стенде в буксе грузового вагона при радиальной нагрузке 100 кН по методике, разработанной во ВНИИЖТ, с использованием тензодат-чиков, наклеиваемых на посадочную поверхность внутреннего кольца с целью выявления распределения радиальных'нагрузок между телами качения.

Расчетная оценка по формулам Лундберга и Пальмгрена показала, что долговечность подшипника с полыми роликами возрастает почти в 3 раза и составляет 1600 тыс.хм по сравнению с 560 тыс.км для подшипников со сплошными роликами.

Исходя из требуемой высокой контактной выносливости роликов, связанной с необходимостью перекрытия закаленным слоем зоны действия максимальных касательных напряжений под контактной площадкой, и высокой долговечности от изгибающих нагрузок была выполнена оценка требуемого распределения твердости по сечению стенки полых роликов вагонных подшипников. Показано, что при твердости поверхности HRC, 62-65 толщина закаленного слоя по наружной поверхности до зоны с HRC-, 58 должка составлять не менее 1.35 мм, твердость сердцевины стенки — HRC, 30...45, толщина закаленного слоя по внутренней поверхности — не менее 1 мм. При этом качество стали и микроструктура роликов должна соответствовать нормам подшипниковой промышленности, принятым для внутренних колец из стали ШХ4.

В третьей главе приведены результаты исследований по выбору стали для полых роликов, упрочняемых объемно-поверхностной закалкой (ОПЗ).

Принципиальной особенностью, метода объемно-поверхностной закалки является необходимость согласования прокалнваемости стали с размерами упрочняемого сечения деталей таким образом, чтобы получить поверхностный закаленный слой требуемой толщины при одновременном упрочнении сердцевины на твердость НЛС, 30-45. Для оценки требуемой критической скорости охлаждения стали для полых роликов с различной толщиной стенки были выполнены расчеты температурного поля и скоростей охлаждения в интервале 720-550°С по сечению стальных пластин различной толщины, охлаждаемых быстродвижущимся потоком воды после сквозного нагрева до температуры закалки. В расчетах использовали решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье для неограниченной пластины при одномерном тепловом потоке и граничных условиях третьего рода, характеризующихся постоянством температуры охлаждающей среды и "эффективного" коэффициента теплоотдачи. Исходные данные для расчета:

- толщина пластины— 6... 18 мм;

-температура нагрева — 320...850°С;

- "эффективный." коэффициент теплоотдачи — 46400 Вт/( м К);

- коэффициент температуропроводности ауегенита — 4,4 • 10"4 м*/с;

- коэффициент теплопроводности — 23,2 Вт/(м • К);

- температура охлаждающей среды — 20еС.

Результаты расчетов представлены на рис.1.

Приняв толщину закаленного слоя в границах 0,17-0,25 от толщины стенки были получены оценки требуемой критической скорости охлаждения стали для полых роликов с различной толщиной стенки, преясгавленные на рис.2.

На данном рисунке приведены также значения критической скорости охлаждения стапи ШХ4, полученные на основании статистической обработки данных о прокаливагмости 90 промышленных плавок, использованных при изготовлении внутренних колец вагонных буксовых подшипников на ГПЗ-8 и ГПЗ-16. Кроме того, приведены данные по прокаливагмости опытной стали содержащей 1,25%С; 0,!7%Мп; 0,09ГоСг: 0.14У<№ 0,09%Си.

Рис.1 и 2 показывают возможность использования стали ШХ4 по ГОСТ 80178 только для полых роликов с толщиной стенки 16 мм и более; сталь ШХ4 по ТУ 14-19-33-87 (с пониженным содержанием хрома при больших значениях примесного никеля) пригодна для ОПЗ роликов с толщиной стенки не менее 14,5 мм, опытная сталь с !,25%С — для роликов со стенкой не тоньше 9,5 мм.

Известные методы определении прокалнваемости стали не дают надежной оценки применительно к условиям ОПЗ роликов ввиду неидентичности формы и размера применяемых образцов, условий и режимов их нагрева и охлаждения с

2 3 4 5 6 7

Расстояние от поверхгости, мм

Рис.1. Распределение скорости ихлажоения по сечению пыстин различной толщины при схлажОении с температуры &20-850°С быс>про<)вижущи.мся потоком воды. Цифрами на кривых указана толщина пластины, мм.

Рис.2. Оценка пригодностирагшшой подшипниковой стали для изготовления полых роликов, упрочняемых объемно-поверхноспшай закалкой:

а). Диапазон требуемой критической скорости охлаждения стали ( Укр) для роликоз с различной толщиной стенки. Усерд — скорость охлаждения сердцевины стенки.

б). Критическая скорость охлаждения подшипниковой стали с рахчичным содержанием хрома и никеля:

1 — столь ШХ4 по ГОСТ801-78 (0.35-0.50%Сг, не более 0,3%№);

2 — сталь ШХ4 по ТУ N-¡9-33-87 (0.35-0.50%Сг при н.б. 0.¡ОУо Л7; 0,27-0.42%Сг при 0.08-0.20УоШ: 0.20-0.35%Сг при 0.18-0.30%№):

3 —углеродистая сталь с 1%С и чистотой по хрому и никелю, возможной при выплавке на ОЭМК (н.б. О,10УоМ; н.б. 0,]0%Сг);

4 — опытная сталь (1.25%С, О.ОУУоСг, 0,14%Ш).

9 10 II 12 13 14 15

Толщина стенки ролика, мм

0,20 0,30 Содержание хрома, %

0,40

режимами ОПЗ полых роликов при индукционном нагреве. В связи с этим предложена новая методика определения прокалнваемости "стали, основанная на использовании эксцентриковых цилиндрических образцов диаметром 22 мм с отверстием диаметром 12,5 мм, ось которого смешена относительно оси образца на 2,25 мм. Это создает возможность воспроизведения на одном образце с формой, близкой к форме полого ролика, широкого набора толщин стенки (от 7,5 до 12 мм) и оценки применимости стали для роликов с различной толщиной стенки. Условия нагрева и охлаждения образца полностью соответствуют типичным режимам ОПЗ полых роликов. Закаленные образцы разрезаются поперек, прокаливаемость стали при различной толщине стенки оценивается непосредственно по толщине закаленного слоя, выявляемого "тройным" реактивом, либо по результатам замера твердости в соответствующих сечениях.

Предложенная методика была проверена на ряде плавок стали ШХ4 и опытной стали с 1,25%С.

Четвертая глава содержит разработку нового способа объемно-поверхностной закалки при градиентном индукционном нагрезе полых роликов (ОПЗ-ГИН).

Было выполнено экспериментальное исследование возможности ОПЗ полых роликов вагонных подшипников по традиционной технологии. Ролики были изготовлены на ГПЗ-8 и во ВНИИЖТ из стали ШХ4 двух промышленных плавок завода "Днепроспецсталь" и Кузнецкою металлургического комбината с химическим составом, соответствующим требованиям ГОСТ 801-78. Было установлено, что при индукционном нагреве до 800-850°С с изотермической выдержкой 1 мин и охлаждением быстро движущейся водой ролики закалились насквозь на твердость НЯСз 65-68 по всему сечению стенки. При тех же параметрах ОПЗ на роликах из опытной стали с 1,25% углерода был получен устойчивый эффект объемно-поверхностной закалки при толщине закаленного слоя по наружной поверхности 2,7...2,8 мм, по внутренней поверхности — 2,2 мм при твердости сердцевины стенки НК.С,45. Полученные данные подтвердили результаты расчетов, выполненных в третьей главе (рис.1,2).

В связи с трудностью и длительностью создания новых подшипниковых сталей с требуемой для полых роликов вагонных подшипников весьма низкой прокаливаемостью был предложен новый способ ОПЗ, названный объемно-поверхностной закалкой при градиентном индукционном нагреве (ОПЗ-ГИН;. Сущность нового способа представлена на рнс.З. и состоит в использовании скоростного индукционного нагрева с большой удельной мощностью и частотой тока, при которой толщина стенки роликов больше горячей глубины проникновения тока. При этом наружная поверхность ролика нагревается за весьма короткое время (5-10 с) до высоких температур (930-96С°С), а внутренняя поверхность за пределами активно нагреваемого слоя имеет к моменту окончания нагрева значительно меньшую температуру (650-750°С). В процессе последующей паузы темпе

Время

Рис.3. Схема процесса объемно-поверхностной закалки полых роликов при градиентном индукционном нагреве:

I — скоростной индукционный нагрев с большой удельной мощностью, характерной для нагрева при индукционной поверхностной закалке; 1! — пауза;

111 — охлаждение быстродвижущейся водой. Обозначения ча кривых:

; — температура наружной поверхности ролика: - — температура на поверхности отверстия.

ратура по сечению стенки выравнивается, происходит аустеннтное превращение на внутренней поверхности ролика. Затем следует интенсивное охлаждение всех поверхностей ролика быстродвижущейся водой.

Возможность использования предложенного способа связана с различиями п характере нагружения наружной и внутренней поверхности ролика в эксплуатации. Наружные слои роликов должны обладать высокой контактной выносливостью, что достигается оптимальным структурным состоянием стали в данных зонах, нагреваемых при ОПЗ-ГИН до весьма высоких температур. Для внутренней поверхности роликов, не испытывающей контактных нагрузок, необходима высокая циклическая долговечность при изгибе, что достигается созданием закаленного слоя по внутренней поверхности с высоким уровнем остаточных сжимающих напряжений. Более того, пониженная температура нагрева данной зоны способствует получению более высокой статической прочности и циклической долговечности стали ШХ4. Низкая температура нагрева и соответственно меньшак прокаливаемость стали со стороны внутренней поверхности полого ролика служат факторами, способствующими получению зоны с пониженной твердостью б центральной части сечения стенки и обеспечивающими возможность стабильного эффекта ОПЗ даже при использовании стали с завышенным, по сравнению с требуемым, уровнем прокаливаемости дня данного сечения изделий.

В целом предлагаемый подход существенно расширяет диапазон возможностей ОПЗ с учетом характера работы отдельных зон деталей в эксплуатации.

Практическая проверка нового способа показала возможность его применения для вагонных роликов из стандартной стали ШХ4 ГОСТ 801-78.

Были выполнены эксперименты по применению ОПЗ-ГИН для полых роликов с толщиной стенки Ъ мм, изготовленных из стали ШХ4. Эффект ОПЗ при твердости сердцевины стенки НЯС, 41-45 получен на роликах с исходной структурой пластинчатого перлита после предварительной нормализации з&готовок. При исходной структуре зернистого перлита ролики закалились насквозь.

В питон главе приведена разработка технологии и оборудования для ОПЗ-ГИН полых роликов вагонных подшипников и результаты лабораторных, стендовых и эксплуатационных испытаний полых роликов, упрочненных по новой технологии.

На основании исследований был отработан следующий оптимальный режны закалки роликов:

1. Индукционный нагрев в течение 10,3 с при мощности генератора 100 кВт и частоте тока 8 кГц. Время нагрева выдерживали автоматически посредством электронного реле времени с погрешностью 0,01 с. К моменту окончания нагрева температура наружной поверхности ролика составляла 940-950°С, внутренней поверхности — 680-700°С.

2. Пауза между окончанием нагрева и началом закалочного охлаждения продолжительностью 8-10 с, в течение которой температура но сечению стенки роликов выравнивалась на уровне 810-815°С.

3. Перенос нагретого ролика в охлаждающее устройство и его всестороннее интенсивное охлаждение быстродзижущимся потоком воды в течение 4-6 с.

Данная технология закалки обеспечила достаточно глубокий закзленный слой по наружной поверхности (2,3-2,5 мм) и торцам, толщина слоя по внутренней поверхности 1,3-1,5 мм, твердость сердцевины HRC, 34-38.

Выполнены исследования параметров структуры роликов в закаленных слоях по наружной и внутренней поверхности, приведенные в табл.1, в сравнении со структурой колец вагонных подшипников из стали ШХ4 после ОПЗ на ГПЗ-8 и рекомендуемой структурой колец подшипников из стали ШХ15 после захалки при печном нагреве с охлаждением в масле. Видно, что предложенный метод и технология закалки обеспечили благоприятное сочетание структуры и свойств в различных зонах роликов с учетом характера их работы в подшипниках.

По описанной технологии была выполнена закалка партии полых роликов в количестве 1700 щт. Отпуск осуществляли при !60°С в течение 3,5 часов. С данными роликами на ГПЗ-16 была изготовлена партия подшипников 232726JI5M и 42726Л5М для стендовых и эксплуатационных испытаний.

В табл.2 даны результаты испытаний циклической долговечности роликов при нагружении между плоскими закаленными пуансонами на машине ЦДМ-100 (с пульсатором) с ассиметричным циклом нагружения (РМин=0,1-Рмакс). Испытания полых роликов, закаленных по различным вариантам, показали существенное преимущество роликов, закаленных по новой технологии ОПЗ-ГИН, и их высокую долговечность при нагрузках, заведомо превышающих возможную рабочую нагрузку на ролик в эксплуатации (20 кН).

При стендовых испытаниях подшипников, имитирующих пробег оснащенного ими подвижного состава в 250 тыс.км, на полых роликах не возникло каких-либо повреждений.

Эксплуатационные испытания вагонных подшипников со сплошными и полыми роликами проводились на экспериментальном кольце ВНИИЖТ в течение четырех лет. Подшипнихами с полыми роликами было оборудовано два вагона (восемь колесных пар). Под наблюдение были взяты также вагоны с обычными подшипниками. Пробег колесных пар с полыми роликами составил 400 тыс.км лод полностью гружеными загонами, в том числе 200 тыс.км под нагрузкой 21,5 тс/ось и около 200 тыс.км с нагрузкой 25 тс/ось, что эквивалентно пробегу в обычной эксглуатации примерно 1 млн.км.

За учтенный пробег по контактно-усталостному выкрашиванию не было забраковано ни одной детали подшипников, работающих с полыми роликами.

Таблица 1

Параметры структуры стали марок ШХ4пШХ15 после закалки

Деталь, марка стали Вид закалки, время нагрева и гыл"ржхи Зона детали Объемная доля карбидной фазы,0/! Содержание углерода в мартенсите, % Средний условный диаметр зерна, мкм. №п о . ГОСТ 5639-82 Содержание остаточного аустенита, % Средний диаметр карбидов, мкм

Полый ролик, ШХ4 Объ гмко -поверхностная закалка при градиентном индукционном нагреве в течение 10,3 с до температуры наружной поверхности 950°С Закаленный слой по наружной поверхносги 5.5 0,6 7,5 №11-12 8 0,66

Закаленный слой в зоне отверстия 8 0,44 5 №12 — ■ 0,88

Внутренние кольца вагонных подшипников, ШХ4 Объемно-поверхностная закалка при индукционном нагреве до 850°С в течение 180 с Закаленный слой по наружной поверхности 5.2 0,61 6,5 №11 10 1 0,61

Кольца подшипников, ШХ15(по Я.Р.Раузнну) Закалка при печном нагреве с охлаждением в масле — ■ 6-7 0,55-0,65 №10-11 8-12 0,4-0,5

Выход обычных подшипников по выкрашиванию наружных н внутренних колец за пробег 200 тыс.км при нагрузке 25 тс/ось составил 10%.

Таблица 2

Циклическая долговечность полых роликов мгоявых буксовых подшипников, закаленных по различной технология и отпущенных при 160°С в течение 3,5 часов

Максимальная нагрузка. кН Число циклов нагружения до разрушения роликов(тыс.циклов) при следующих вариантах закалки:

Объемно-поверхностная закалка при градиентном индукционном нагреве (ОПЗ-ГИН) Сквозная закалка при индукционном нагреве до 850°С с выдержкой 40 с Сквозная закалка при печном нагреве

80 _. _ 484

100 • ■— ■ _ 402

200 > 10000 (ролики не разрушились и были сняты с испытаний) . 29 ' 15

Таким образом проведенные испытания подшипников с полыми роликами Показали, что буксовый узет приобретает качественно новые свойства, позволяющие значительно повысить работоспособность подшипнихов.

Разработаны технические предложения на создание автоматической установки для ОПЗ-ГИН полых роликов вагонных подшипников, включающие:

1. Экспериментально отработанные оригинальные конструкции охлаждающего устройства и индуктора.

2. Принципиальную, схему автомата закалочной установки.

3. Компоновочную схему установки.

4. Диаграмму цикла работы автоматики, управляющей термическими режимами нагрева и охлаждения роликов.

5. Основные технические характеристики установки и комплектующего оборудования.

Рабочий проект установки выполнен в АО "Московский подшипник" (1ГПЗ).

Разработан проект РТМ "Подшипники 30-42726Л5М и 30-232726Л5М с полыми роликами из стали ШХ4".

Оценка экономической эффективности применения вагонных подшипников с полыми роликами показала возможность реализации эффекта в размере 89,9 млн.руб (й ценах 1996г.) в расчете на выпуск 1 тыс. подшипников.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа условий эксплуатации н повреждаемости буксовых подшипников железнодорожных вагонов показана перспективность повышения их долговечности н надежности за счет применения голых упрую-податливых роликов с достаточной конструктивной прочностью. Показано, что для упрочнения полых роликов наиболее перспективно использование метода объемно-поверхностной закалки.

2. На основании расчетно-экспериментальных исследований выбраны оптимальные геометрические характеристики полых роликов с параметром пустотелости 0,37 дм вагонных подшипников. При этом обеспечивается достаточная упругая податливость ролика, выравнивающая рабочие напряжения как по длине образующей ролика, так и между роликами переднего и заднего подшипников в буксе, с двукратным запасом прочности по отношению к возможным в эксплуатации изгибающими напряжениям.

3. Разработана методика оценки прокаливаемости подшипниковой стали, требуемой для изготовления полых роликов с различной толщиной стенки, упрочняемых объемно-поверхностной закалкой. Показано, что для роликов вагонных подшипников с толщиной стенки 10 мм необходима сталь с критической скоростью охлаждения 260-360°С/с, что исключает возможность использования стандартной стали ШХ4 при объемно-поверхностной закалке по традиционной технологии (с достаточно равномерным индукционным нагревом всего сечения ролика).

4. Разработана новая методика контроля прокаливаемости стали для полых роликов с использованием цилиндрических образцов со смещенным отверстием.

5. Разработан новый способ объемно-поверхностной закалки полых роликов при градиентном индукционном нагреве, позволяющий использовать для изготовления роликов вагонных подшипников сталь 111X4 промышленного производства по ГОСТ 801-78. Способ учитывает различное нагружение наружной и внутренней поверхности полого ролика в эксплуатации и осуществляется путем весьма быстрого индукционного нагрева с большим градиентом температуры по сечению стенки ролика с последующей выдержкой для выравнивания температуры за счет теплопроводности и охлаждением быстродвижущимся потоком воды в специальном охлаждающем устройстве.

6. Разработана технологи« объемно-поверхностной закалки при градиентном индукционном нагреве полых роликов вагонных буксовых подшипников. Выполнена закалка партий роликов для испытаний.

7. Разработаны и экспериментально проверены основные технические требования и предложения (индуктор, охлаждающее устройство, схема автоматики) по конструкции автоматической закалочной установки для промышленного производства полых роликов на подшипниковых заводах.

8. Выполнены лабораторные исследования, стендовые и эксплуатационные испытания, которые показали соответствие вагонных подшипников с полыми роликами из стали ШХ4 требованиям безопасной длительной эксплуатации на железнодорожном транспорте при повышении долговечности в 2,85 раза.

Основное содержание диссерта цин опубликовано в следующих работах:

1. Бескровный Г.Г., Ушаков Б.К., Девяткин В.П. Повышение долговечности буксовых вагонных подшипников путем применения полых роликов, упрочненных объемно-поверхностной закалкой // Вестник ВНИИЖТ. 1998. Ш. С. 40...44.

2. Ушаков Б.К., Девяткин В.П., Бескровный Г.Г. Объемно-поверхностная закалка при градиентном индукционном нагргае полых роликов для подшипников качения железнодорожного транспорта. В сб. материалов 2-го Собрания металловедов России, г.Пенза, 1994, с.26-27.

3. Возможности и перспективы объемно-поверхностной закалки в современных условиях. /Б.К.Ушаков, В.М.Федин, В.П.Девяткин, Г.Г.Бескровный, В.Н.Ефремов // Тезисы докладов международной научно-технической российско-германской конференции "Пластическая и термическая обработка современных металлических материалов". Санкт-Петербург, 17-19 мая 1995г. с.149-150.

4. Патент №1234255 "Буксовый узел". В.П.Девяткин, А.И.Поляков, Г.Г.Ъескровный и др. Бюл. №20, 1986. ,

5. Патент №2087549 "Способ термичесхой обработки". Б.К.Ушаков, Г.Г.Бескровный, В.П.Девяткин. Бюл. №23, 1997.

б.Обобщение экспериментальных данных и разработка технологии изготовления трубной толстостенной заготовки для полых роликов из стали ШХ4. Отчет по НИР РИ-15-82, ВНИИЖТ. Руководители работы: В.П.Девяткин, Г.Г.Бескровный, Н.И.Пищулин.