автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение сроков службы восстановленных деталей ходовой части подвижного состава

МПС - РФ

РОСТОВСКИЙ-НА-ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи ЗИНОВЬЕВ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

УДК 629.4.027.004.6: 621.791.92

ПОВЫШЕНИЕ СРОКОВ СЛУЖБЫ ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальности: 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и

тяга поездов 05.03.06 - Технология и машины сварочного производства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

д.т.н., профессор Н.И.Бойко

Ростов-на-Дону 1999 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................5

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ............................8

1.1. Краткие сведения о деталях ходовой части подвижного состава, анализ условий работы, определение вида и характера их износа........8

1.2. Экспериментальные исследования величин износа деталей

ходовой части электровозов и их статистическая обработка...............11

1.3. Факторы, определяющие срок службы восстановленных деталей

ходовой части подвижного состава и возможности его

повышения.................................................................................................19

1.4. Анализ существующих способов нанесения износостойких слоев

на поверхность детали..............................................................................24

1.5. Современное представление о физической природе и механизме упрочнения металла при поверхностном пластическом деформировании........................................................................................30

1.6. Анализ существующих способов упрочнения поверхностного

слоя детали.................................................................................................33

Цель и задачи исследования.........................................................................38

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ НА ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ ИХ НАПЛАВКЕ.................................................................40

2.1. Теоретический расчет температурных полей, возникающих

в зоне пластической деформации детали, при ее наплавке..................42

2.2. Экспериментальные исследования температурных полей, возникающих при наплавке цилиндрических деталей, в зоне пластической деформации........................................................................52

2.3. Анализ теоретических и экспериментальных исследований температурных полей наплавленного металла......................................58

Выводы....................................................................................................63

3. РАЗРАБОТКА ОБОРУДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ РЕМОНТА ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ

ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА...............................................................66

3.1. Наплавочное оборудование, теоретический расчет режимов наплавки.....................................................................................................66

3.2. Упрочняющее оборудование. Теоретический расчет

режимов обработки наплавленного металла накатными

роликами....................................................................................................74

3.3. Разработка группы легирующих флюсов для восстановления деталей ходовой части подвижного состава...........................................83

3.4. Рекомендации к последующей механической обработке наплавленных и упрочненных деталей...................................................90

3.5. Разработка технологического процесса восстановления деталей

ходовой части подвижного состава.........................................................95

Выводы..................................................................................................99

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНЕСЕННОГО СЛОЯ МЕТАЛЛА ВОССТАНОВЛЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА...................101

4.1. Физико-механические свойства нанесенного слоя металла

деталей, отремонтированных существующим способом....................101

4.2. Шероховатость и геометрия поверхности восстановленных

деталей......................................................................................................106

4.3. Исследование поверхностной твердости, микротвердости и прочности сцепления наплавленного металла с основным у восстановленных деталей.......................................................................113

4.4. Исследование остаточных напряжений в наплавленном металле цилиндрических деталей........................................................................119

4.5. Металлографическое исследование наплавленного металла..............131

4.6. Методика и результаты исследования износостойкости

наплавленного и упрочненного слоя металла......................................140

Выводы................................................................................................148

5. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ УПРОЧНЯЮЩЕЙ ОБРАБОТКИ ПРИ РЕМОНТЕ ДЕТАЛЕЙ ХОДОВОЙ ЧАСТИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.......................................150

5.1. Разработка оптимальных режимов наплавки и упрочняющей обработки горячего металлопокрытия цилиндрических деталей......150

5.2. Управление качеством поверхности восстанавливаемых деталей ходовой части подвижного состава.......................................................157

5.3. Технико-экономическое обоснование целесообразности применения упрочняющей обработки горячего металлопокрытия при ремонте деталей ходовой части

подвижного состава.................................................................................161

Выводы................................................................................................170

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...............................................172

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................177

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшей задачей современного железнодорожного транспорта является повышение экономической эффективности и безопасности движения поездов. Решение этих вопросов прямо зависит от создания и освоения высокоэффективных процессов производства, повышения качества изделий, снижения себестоимости, увеличения производительности и улучшения условий труда. Первостепенное значение приобретает продление срока службы деталей, так как ежегодные расходы на ремонт достигают огромных размеров. Особое внимание при этом уделяется вопросам ресурсосбережения. На коллегии МПС РФ (23 декабря 1998 г., №26) была утверждена программа ресурсосбережения на 1999 г., где отдельным разделом рассматривается вопрос по восстановлению изношенных деталей наплавкой. В указании МПС РФ №373у от 03.12.98 г. предлагается наиболее эффективные разработки включить в инвестиционную и научную части Программы «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте».

Опыт работы ремонтных предприятий показывает, что наибольшее число отказов (до 80%) обусловлено процессами изнашивания или комплексными причинами, где изнашивание играет доминирующую роль [1]. Большинство поступивших в ремонт деталей выбраковываются вследствие износа рабочих поверхностей, составляющего не более 1% исходной массы детали [2]. Установлено, что свыше 60% деталей при ремонте может быть с успехом восстановлено, поскольку большинство деталей имеют значительно более высокий ресурс долговечности по прочности, чем по износостойкости

[3].

Наблюдения, проведенные на ряде ремонтных предприятий, показали, что одной из главных задач железнодорожного транспорта является повышение сроков службы и эксплутационной надежности деталей ходовой части подвижного состава. Поставленную задачу можно решить только за

счет применения оптимальных технологий ремонта, внедрения средств автоматизации и механизации в производственный процесс. В настоящий момент, на ремонтных предприятиях для восстановления изношенных деталей ходовой части подвижного состава широкое распространение получили способы механизированной наплавки механизированной наплавки легированными проволоками и флюсами (более 50 %). Но значительным препятствием для их массового использования является: наличие пор, шлаковых включений, газовых пузырьков в нанесенном металлопокрытии; неоднородность структуры и химического состава нанесенного слоя металла; неравномерность поверхностной твердости по длине детали и микротвердости наплавленного слоя металла по его глубине. Вследствие выше перечисленных причин восстановленные детали имеют низкую износостойкость и эксплутационную надежность. Так, например, срок службы деталей рессорного подвешивания составляет 1/2 пробега электровозов [4]. Гасители колебаний служат 1 год вместо 6 по норме [5]. Вопрос совершенствования технологии ремонта и изыскание способов повышения надежности и долговечности восстановленных деталей стоит особенно остро в связи с падением производства запасных частей и предельного износа самих технических средств.

Сочетание электродуговой наплавки под слоем легирующего флюса с последующим пластическим деформированием наплавленного слоя металла при минимальных затратах позволяет: использовать остаточный ресурс долговечности детали по прочности; улучшить структуру металлопокрытия; повысить усталостную прочность и износостойкость восстановленных деталей [6, 7]. Это в свою очередь положительно отразится на сроках службы восстановленных деталей. Кроме того, применение поверхностного пластического деформирования наплавленного металла позволит уменьшить припуск на черновую обработку детали, а легирование нанесенного слоя металла исключит необходимость в закалке восстановленных деталей токами высокой частоты. Простота этого способа восстановления делает его

доступным практически для всех ремонтных заводов железнодорожного транспорта. Недостаточное внедрение его в ремонтную практику, в значительной степени, объясняется малой изученностью процесса и отсутствием оптимальных способов и технологических режимов восстановления, применительно к деталям подвижного состава.

В связи с выше изложенным, в работе поставлена задача найти эффективный и экономичный способ повышения сроков службы восстановленных деталей ходовой части подвижного состава.

Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, списка литературы, включающего 135 наименований и приложений. Работа содержит 188 листов машинописного текста, 14 таблиц, 83 рисунка, 9 приложений.

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация и ремонт путевых и строительных машин» Ростовского-на-Дону ордена Трудового Красного Знамени государственного университета путей сообщения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Износостойкость восстановленных деталей, прежде всего, зависит от физико-механических свойств наплавленного слоя, а также от условий их работы. В исследование физико-механических свойств металлопокрытий, образуемых при ремонте изношенных деталей, и выборе способа восстановления большой вклад внесли следующие ученные Д.Г.Вадивасов, И.С.Вороницин, П.Н.Волков, Е.Л.Воловик, Н.Ф.Грохольский, Н.Г.Дюргеров Н.И.Бойко, В.А.Деев, Н.И.Доценко, В.В.Ефремов, Н.И.Иващенко, В.И.Казарцев, К.Т.Кошкин, В.М.Кряжков, И.В.Кудрявцев, В.А.Какуевицкий, М.П.Мелков, М.А.Масино, В.А.Наливкин, И.Р.Пацкевич, Ю.Н.Петров, А.В.Поляченко, И.Е.Ульман, И.И.Фрумин, В.И.Черноиванов, В.А.Шадричев, Д.Д.Папшев, Д.Л.Юдин, Л.Г.Одинцов, Л.М.Школьник, М.А.Балтер и многие другие.

1.1. Краткие сведения о деталях ходовой части подвижного состава, анализ условий работы, определение вида и характера их износа

На современном этапе развития железнодорожного транспорта, когда скорости движения, межремонтные и суточные пробеги электровозов постоянно возрастают, особое внимание приходится уделять надежности единиц подвижного состава, которое зависит от работоспособности узлов, агрегатов и отдельных деталей. На работоспособность деталей подвижного состава большое влияние оказывает величина их износа в процессе работы. Учитывая важность этой темы, на базе Ростовского электровозоремонтного завода, были проведены исследования условий работы, видов и величин износа деталей ходовой части электровозов типа: ВЛ-60; ВЛ-80; ВЛ-82; ЧС-4Т.

Наблюдения, проведенные в локомотивном депо Батайск и на Ростовском электровозоремонтном заводе и анализ литературных источников показали, что, как никогда остро стоит проблема повышения сроков службы деталей ходовой части подвижного состава [127, 130]. В частности, износ гребней колесных пар растет быстрее проката колеса примерно в 1,5...3 раза, а общий износ превышает установленные нормы в 10... 15 раз [4, 5]. В связи с предельным износом подвижного состава и пути срок службы автосцепных приборов сократился, а число отказов возросло на 42% [4]. Детали гасителей колебаний служат 1 год вместо 6...7 по норме [8]. Срок службы рессорного подвешивания локомотивов составляет 1/3... 1/2 между капитальными ремонтами (приложение 1, рис. 1.) [4, 130]. Приведенные данные и выполненный анализ показывают, что основным видом отказа подвижного состава является преждевременный износ трущихся узлов и деталей. Именно этим следует объяснить рост объема внеплановых ремонтов технических средств.

Большинство исследованных деталей ходовой части локомотивов изготавливаются из стали. Наиболее широко применяется марка 45, ГОСТ 105074. Например: валик рессорного подвешивания; валики рычагов тормоза; валик центральной опоры локомотива и другие детали. Химический состав и механические свойства стали марки 45 представлены в приложении 1, табл. 1, 2. После изготовления новые детали подвергаются закалке токами высокой частоты. Поверхностная твердость деталей должна быть в пределах 45...62 HRC,, глубина закалки 2...4 мм. Микроструктура закаленного слоя троостомартенсит [9, 10]. В процессе изготовления детали проходят контроль на наличие внутренних дефектов - дефектоскопом. Не допускается наличие раковин, пор и трещин в металле.

Долговечность деталей ходовой части подвижного состава определяется их усталостной прочностью и износостойкостью - параметрами, которые в значительной степени зависят от состояния поверхности деталей. Основными причинами выбраковки деталей является запредельный износ рабочих

поверхностей, признаки усталостного разрушения, потеря правильной геометрической формы [11, 127].

В результате проведенного исследования был выявлен целый ряд деталей подверженных повышенному износу. Это, прежде всего: валики и втулки рессорного подвешивания; валики центральной опоры электровозов, цапфа поперечины; бандажи колёс; рамы тележек и их буксовые направляющие; шары и шпинтоны; втулки и валики рычагов тормоза; валик противоразгру-зочного механизма; кронштейны тормозных подвесок.

Опираясь на отечественную и зарубежную литературу, в ходе работы, был сделан анализ условий работы каждой из выше перечисленных деталей. Износ бандажей колёс происходит при трении качения с проскальзыванием [5, 11], так же при трении скольжения происходит изнашивание рам тележек и их буксовых направляющих [11, 12, 13]. Шары и шпинтоны, сочленения тележек, автосцепные приборы работают при перегрузке поверхностей вследствие неудовлетворительной конструкции [4, 7, 8]. Валики и втулки рычагов тормоза, кронштейны тормозных подвесок, валик противоразгру-зочного механизма изнашиваются вследствие трения скольжения при высоких удельных нагрузках [5, 11, 14]. Валики и втулки рессорного подвешивания работают в условиях трения скольжения при возвратно-качательном движении, плюс коррозия, абразив и плохие условия смазки [5, 8, 11, 14]. При поверхностном осмотре изношенных деталей было установлено: у большинства цилиндрических деталей внешний вид рабочих поверхностей имеет вид шлифованных, следов оплавления металла не наблюдается; имеются отдельные участки схватывания и коррозии металла.

Опираясь на проведенные исследования и литературу [15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22], рассматривающую вопросы износа, для каждой детали были определены основные виды повреждения детали и преимущественный вид износа: рамы тележек - износ каблучков подбуксовых струнок [15]; бандажи колес - износ по профилю бандажа, остроконечный накат и подрез гребней

[11, 19]; опоры тележек - абразивно-окислительный износ, возможно схватывание [13, 22]; шары и шпинтоны - абразивно-окислительный износ, трещины [19, 21]; втулки и валики рычагов тормоза, кронштейны тормозных подвесок, валик противоразгрузочного механизма - абразивно-окислительный износ, возможно схватывание [11, 18, 22]; втулки и валики рессорного подвешивания - абразивно-окислительный износ [4, 8, 11,21].

Таким образом, учитывая все вышеперечисленные факторы, можно сделать вывод о преимуществе абразивно-окислительного вида изнашивания у целого ряда исследованных деталей ходовой части локомотивов.

1.2. Экспериментальные исследования величин износа деталей ходовой части электровозов и их статистическая

обработка

Проведённые исследования позволяют объединить ряд деталей в одну группу по виду износа. Таким образом, мы имеем дело с набором деталей, которые требуют единой методики оценки величин износа, а в последствии и его устранения. На рассеивание сроков службы деталей электровозов при их эксплуатации оказывают влияние многие факторы. Точный учёт этих факторов представляет большую сложность и может быть осуществлён только при массовом микрометраже деталей электровозов, поступающих в капитальный ремонт, а при эксплуатации - измерением �