автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение износостойкости гребней железнодорожных колес в процессе ремонта

Введение.

1. Современное состояние проблемы. Постановка задачи исследования.

1.1. Показатели работы железнодорожного транспорта и статистические данные по износу гребней.

1.2. Анализ основных направлений работы по снижению подреза гребней.

1.2.1. Лубрикация.

1.2.2. Совершенствование конструкции подвижного состава.

1.2.2.1. Устойчивость движения вагона.

1.2.2.2. Влияние ширины колеи.

1.2.2.3. Влияние деформации колеса на величину зазора в колее.

1.2.2.4. Совершенствование профилей рабочих поверхностей пары "колесо-рельс".

1.2.2.5.Управление экипажем в рельсовой колее.

1.2.2.6.Влияние осевой нагрузки и массы поезда.

1.2.2.7.Влияние конструкции экипажа.

1.2.2.8.Влияние состояния экипажной части.

1.2.2.9.Контактные напряжения.

1.2.2. Ю.Влияние проскальзывания.

1.3. Согласование свойств материалов пары "колесо-рельс".

1.4. Выводы по главе. Постановка задачи исследования.

Актуальность проблемы. В последнее десятилетие на железных дорогах России обострилась проблема с боковым износом гребней колес и рельсов. Среди причин, вызывающих значительный рост бокового износа, отмечались: переход на подшипники качения, увеличение массы и длины поездов, переход на ширину колеи 1520, введение профиля рельсов, предусматривающего двухточечный контакт профиля обода с головкой рельса и др. Потери от износа пары колесо-рельс достигают значительных величин. По данным ВНИИЖТа в 1992-1996 г.г. МПС РФ затрачено более 3 трлн. руб. на ликвидацию потерь от этого износа. Все более острой становится проблема восполнения рельсовой и колесной сталей. Кроме того, повышение качества функционирования и надежности колесных пар как части общей проблемы повышения надежности подвижного состава обусловлено тем, что в структуре эксплуатационных отказов утрата работоспособности колес по подрезу гребня является определяющей причиной. Т.е. сложившиеся условия выдвигают проблему повышения износостойкости гребней колес в число наиболее актуальных.

Основная цель исследования. Исследование и разработка технологии и инструмента для повышения износостойкости элементов поверхности обода колеса в процессе ремонта.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- определение основных требований к элементам профиля поверхности обода и выбор температурных режимов их упрочнения при ремонте;

- разработка технологии термообработки и конструкции индуктора, обеспечивающих дифференцированное упрочнение элементов профиля поверхности обода;

- теоретическое исследование нагрева металла обода и диска колеса;

- экспериментальное исследование процесса нагрева колеса при ремонте;

- проверка технологии в производственных условиях, исследование упрочненного слоя металла обода колеса;

- эксплуатационные испытания упрочненных колесных пар.

Методы исследования. Теоретические исследования теплового состояния колеса проводились с использованием дифференциального уравнения теплопроводности. Также использованы методики:

- исследования режимов термического упрочнения колес;

- механических и металлографических исследований свойств металла обода колес;

- определения износостойкости материала на машине трения и методом шпиндельного изнашивания.

Экспериментальная проверка результатов термоупрочнения гребней колес проводилась в электродепо "Дачное" Ленметрополитена и на участке Мурманск-Апатиты Октябрьской железной дороги.

Научная новизна:

1 .Разработаны новые пути повышения износостойкости гребня и поверхности катания железнодорожного колеса в процессе ремонта с использованием нагрева ТВЧ металла обода до температуры аустенитного превращения и охлаждения со скоростью, обеспечивающей рациональную твердость материала обода колеса;

2.Установлены режимы и разработан инструмент, обеспечивающие дифференцированное упрочнение профиля обода и гребня колеса и повышение его износостойкости;

3 .Предложена математическая модель и решение задачи теплопроводности, применительно к исследованному методу улучшения физико-механических свойств металла обода колеса;

4.0пределено влияние индукционного термоциклирования на структуру и физико-механические свойства колесной стали.

Практическая ценность

1.Исследован способ повышения работоспособности гребня железнодорожного колеса за счет формирования износостойкой структуры металла верхних слоев обода методом индукционного термоциклирования;

2.Разработана конструкция индуктора для дифференцированного упрочнения элементов поверхности обода колеса;

3.Предложен технологический процесс термообработки колесных пар в процессе ремонта.

Реализация работы

Проведены эксплуатационные испытания колесных пар на участке Мурманск-Аппатиты Октябрьской ж.д. Они показали, что износостойкость гребня термообработанных железнодорожных колес выше типовых в 1,6 раза.

Разработанная технология внедрена в электродепо "Дачное" Санкт-Петербургского метрополитена.

Апробация. Основные результаты работы докладывались и получили одобрение на конференции "Износостойкость машин" г.Брянск (1991 г), 7 семинарах кафедры "Технология металлов" ПГУПСа (1990-93гг), неделях науки ПГУПСа (1997-98гг) и на научно-практической конференции "Ресурсосберегающие технологии и технические средства на Октябрьской железной дороге" (1999г).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 9 печатных работ.

Работа выполнялась на кафедре "Технология металлов" Петербургского государственного университета путей сообщения .

Экспериментальные исследования проводились в лаборатории "Материаловедения" кафедры "Технологии металлов" ПГУПСа, в электродепо "Дачное" Ленметрополитена, в ВЧД-5 ОКЖД, во ВНИИЖТе и ВНИИТВЧ.

1.4. Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования.

1. Выполнен анализ причин и рассмотрены направления снижения износа гребней железнодорожных колес;

2. Имеющиеся данные показывают, что вагон на существующих тележках ЦНИИ-ХЗ не обладает свойством устойчивости невозмущенного движения, что естественно влияет на износ пары "колесо-рельс";

3. Оценки интенсивности бокового износа рельсов после изменения ширины колеи в конце 60-х годов показали, что за период с 1968 по 1981гг. она выросла в три раза, а с 1981 по 1988гг. - более чем в 6 раз. Следовательно, имеются факторы, оказывающие на износ большее влияние, чем ширина колеи;

4. Профили поверхности обода колес, предлагаемые ГМетАУ, обеспечивают снижение интенсивности износа колес и рельсов за счет увеличения площади контакта пары "колесо-рельс", но не являются определяющим фактором снижения интенсивности износа. Имеющиеся расчеты контактных напряжений и площадей контакта показали целесообразность дифференцированного использования этих профилей.

5. Рассмотренные причины повышения интенсивности износа пары "колесо-рельс" (перекос оси колесной пары, геометрия профиля поверхности обода и рельса и др.) оказывают влияние на работоспособность этой пары через изменение параметров их контактного взаимодействия. Величины этих параметров зависят от физико-механических свойств и структурных характеристик материалов пары "колесо-рельс" и их соотношения;

6. Наиболее значимыми, среди многочисленных причин повышения интенсивности износа пары "колесо-рельс", следует считать отсутствие свойства устойчивости невозмущенного движения вагона на тележках ЦНИИ-ХЗ и сложившееся соотношение физико-механических и структурных характеристик металлов колеса и рельса;

7. При заданной твердости рельсов 341-388 НВ, наличии значительного поперечного проскальзывания и большей величине проскальзывания поверхности гребня, чем поверхности катания, следует повысить твердость поверхности гребня до 360-390 НВ, а поверхности катания до 320-360 НВ, для чего необходимо разработать технологию поверхностного упрочнения обода при ремонте. Это позволит снизить износ пары "колесо-рельс".

Анализ основных причин износа гребней колес железнодорожного подвижного состава и полученные выводы позволяют сформулировать цель настоящей работы - разработка и исследование технологии восстановления профиля поверхности обода колесных пар подвижного состава, обеспечивающей снижение износа гребней колес при ремонте с использованием индукционного

1. Железнодорожный транспорт в цифрах. //Железнодорожный транспорт . №10., М. Центральная НТБ железнодорожного транспорта России, 1997г, с.2-4;

2. Марков Д.П. Трибологические аспекты износостойкости и контактно-усталостной выносливости колес подвижного состава: Автореферат дис. д-ра техн. наук.- М.:ВНИИЖТ, 1997.-51с.

3. Проблемы износа колес и рельсов. Исследование в опытных составах /В.А.Ивашов, М.В.Орлов, А.А.Пранов, А.А.Соломенников, Ю.З.Зыков, Н.Ф.Сирина//Железнодорожный транспорт.-1996.-М12.-с.32-35.

4. Панькин H.A. Причины интенсивного износа гребней колес и рельсов и пути его устранения//Железнодорожный транспорт.-1994. -N11.-е.57-59.

5. Буйносов А.П. Износ бандажей и рельсов: причины и возможности со-кращения//Железнодорожный транспорт.-1994.-N10.-С.39-41.

6. Богданов В.М. Снижение интенсивности износа гребней колес и бокового износа рельсов // Железнодорожный транспорт .1992. №12. с.30-34.

7. Шур Е.А., Бычкова Н.Я., Марков Д.П., Кузьмин H.H. Износостойкость рельсовых и колесных сталей // Трение и износ. Том 16. 1995. №1. С.80-91.

8. Неглинский В.В. Обобщение результатов эксплуатационных наблюдений за изнашиванием реборд колесных пар локомотивов// Трение и износ. Том 16. 1995. №1. С.119-125.

9. Проблемы износа колес и рельсов. Возможные способы борьбы /В.М.Богданов, Ю.А.Евдокимов, В.Н.Кашников, И.А.Майба//Железнодорожный транспорт.-1996.-Ш2.-с.30-31.

10. Кошелев В.А., Челнокова Л.И., Устойчивость движения вагона и износ рабочих поверхностей колес и рельсов // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава : Сб. Научн. Тр. СПб.: ПГУПС, 1994г. -с.39-41.

11. Иванов П.С., Галунин А.П. Проблемы износа колес и рельсов. Системная причина//Железнодорожный транспорт,-1996.-N12.-с.40-41.

12. Певзнер В.О. Проблемы износа колес и рельсов. Влияние ширины колеи/Железнодорожный TpaHcnopT.-1996.-N12.-с.36-39.

13. Киселев С.Н., Иноземцев В.Г., Петров С.Ю., Киселев A.C. Температурные поля, деформации и напряжения в цельнокатаных вагонных колесахпри различных режимах торможения. // Вестник ВНИИЖТ.- 1994,- N 7. с.13-17.

14. СитажМ. Исследование деформаций цельнокатаных колес различных конструкций.// Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей. Сб.науч.тр. под ред. И.А.Иванова. СПб.:ПГУПС, 1997.- с.73-75.

15. Essajjlov V.P., Sladkovsky A.V. Contact Interaction and Wear of the Rail Couple//Proceeding of the International Simposium on the Trebology of Friction Materials. Yaroslavl, 1991. V.2.- P.288-293.

16. О проблеме взаимодействия колеса и рельса/А.З.Певзнер, В.А.Чашин Б.В.Захаров, Е.Н.Рогова//Локомотив 1996. - N 9. - с.19-20.

17. Снова об износе бандажей и рельсов/Б.В.Захаров, Е.Н.Рогова, А.А.Сашко, В.А.Чашин//Локомотив. 1997. N 5. - с. 29-30.

18. Беляев Н.М. К вопросу о местных напряжениях в связи с сопротивлением рельс смятию. Труды ЛИИЖТа.- Л.:Путь, 1929,-Вып.99.-с.283-296.

19. Параскевопуло Ю.Г. Пути повышения технического ресурса ходовых частей передвижных миксеров. Дисс.на соиск.уч.степ.канд. техн.наук,-Л.:ЛИИЖТ, 1989.

20. Яковлев В.Ф. Исследование динамических контактных деформаций в колесах и рельсах в эксплуатационных условиях. Труды ЛИИЖТа.-Л.:1963,-Вып.210.- с.76-123.

21. Яковлев В.Ф. О применимости теории Герца-Беляева к расчету контактных напряжений в боковых выкружках головки рельса и гребня колеса. Исследование контактной прочности рельсов и колес подвижного состава. Труды ЛИИЖТа.-Л.: 1963,-Вып.210.- с.21-75.

22. Лазарян В.А. Динамика вагонов. М.: изд.транспорт, 1964г. - 256с.

23. Carter F.W. On the action of locomotive driving wheel//Proc. Roy. Soc.-Ser.A., 1926,-V 112.-P. 151-157.

24. Carter F.W. On the Stability of Running of Locomotives.-Proc. Roy. Soc.A, 1928, 121.

25. Reynolds O. On Rolling friction / Philos. Trans, of the Royal Soc. -London, 1876,v. 166, P. 155-175.

26. Kalker J.J. On the rolling contact of two elastic bodies in the presence of dry friction: Doct. Thes./Delft University of Technology.-Dtlft, 1967.

27. Kalker J.J. A streep theory for rolling with slip and spin. Physical Sciences, 1967, v. 60, PP. 10-62.

28. Kalker J.J. On the rolling contact of two elastic bodies in the presense of dry friction. Thesis, Delft, 1973, P. 155 (N2), THD, N 52, August, 1973.

29. Kalker J.J. A fast algoritm for the simplified theory of rolling contact //Vehicle system dynamics. 11 (1982), PP. 1-13.

30. Joly R. Stabilite transversale d un ve ferroviaire. Possbilite s du syste me guide "rail-roue".- Rail international / Juillet, 1984. p. 14-36.

31. Голубенко A.JI. Сцепление колес с рельсом: Монография. К.: Фирма "Випол", 1993.

32. Винник JI.B. Колесная пара дифференциального вращения для вагонов метрополитена. Дисс. на соискание ученой степени к.т.н., СПб, ПГУПС, 1997г.

33. Frederich F. Experimente zur Spurfurung. ZEV-Glasers Annalen, 111(1987) N6, s.171-179.

34. Angel T.T. Talgo Pendular. ETR. 38(1989), N 1-2,s 17-23.

35. Radsatz fur Schienenfahrzeuge. Girod Hansjochen, Korn Gerhard; Thyssen Industrie AG. Заявка 3426376, ФРГ, Заявл. 18.07.84, NP3426376.4, 0публ.23.01.86. МКИВ 61 F 5/26.

36. Марков Д. П. Повышение твердости колес подвижного соста-ва.//ВестникВНИИЖТ.-1995.-Ш.-с. 10-17.

37. Вихрова A.M., Ларин Т.В., Парышев Ю.М., Хургин Л.С. О соотношении твердостей рельсовой и колесной стали//Вестник ВНИИЖТ.-1983.-М 6.-С. 34-38.

38. Анализ комплекса свойств, определяющих долговечность цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации/Ю.М.Парышев, А.М.Вихрова, Л.М.Школьник, Д.П.Марков (Сб. тр. ВЫПИВ (Вагоностроение: вопросы надежности и прочности"). М.: Минтяжмаш, 1986. С. 58-66.

39. Ларин Т.В. Об оптимальной твердости элементов пары трения колесо-рельс//Вестник ВНИИЖТ. 1965.-N3.- с. 5-9.

40. Ларин Т.В. Износ и пути продления службы бандажей железнодорожных колес/М.:Трансжелдориздат, 1958. 168 с.

41. Krause Н., Lehna Н. Investigation of tribological characteristics of rolling-sliding friction sustems by means of systematic wear experiments under well-defined conditions//Wear.l987, VI19. P.153-174.

42. Вихрова A.M. и др. О соотношении твердости рельсовой и колесной стали / A.M. Вихрова, Т.В.Ларин, Ю.М. Парышев, Л.С. Хургин // Вестник ВНИИЖТа, 1983г, №6. с.34-38.53

43. Пашолок И.Л., Харитонов В.Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес. // Вестник ВНИИЖТа. 1997г. - №1.- с.32-36.

44. Becker Р. Zur Frage der Verwendlung von Losraden im Schienenfahrzeugbau. ETR, 19(1970), № 11, s.457-463; Free-rewoling Wheelsets. Railway Gazette. 1964, № 11

45. Radsatz für Schienenfahrzeuge. Ortwein Herman, Nicolin Johannes, Krettek Otmar; Clouth Gummiwerke AG. Заявка 3341950, ФРГ, Заявл. 21.11.83, NP3341950.7, Опубл.21.11.83. МКИ В 60 В 37/10.

46. Технологическое обеспечение процесса индукционного нагрева поверхностного слоя обода колеса

47. Термическая обработка колесной стали при индукционном нагреве. Требования к термообработанному слою21.1. Особенности термообработки колесной стали

48. Характеристики основных структурных составляющих стали и чугуна приведены в табл.2.1.