Широкослойная наплавка гребня цельнокатаного колеса многоэлектродным способом

4. Lytkina E. M., Dul'skii E. Iu., Khudonogov A. M. Fundamentals of local method of extending the life of isolation of electric cars traction rolling stock thermal radiation [Osnovy lokal'nogo metoda prodlenija resursa izoljacii jelektricheskih mashin tjagovogo podvizhnogo sostava teplovym izlucheniem]. Izvestiia Transsiba - The Trans-Siberian Bulletin, 2014, no. 1 (17), pp. 26 - 30.

УДК 621.791

В. В. Меликов, Ш. С. Файзибаев, Э. С. Набиев

ШИРОКОСЛОЙНАЯ НАПЛАВКА ГРЕБНЯ ЦЕЛЬНОКАТАНОГО КОЛЕСА МНОГОЭЛЕКТРОДНЫМ СПОСОБОМ

В работе представлены результаты экспериментального исследования термического цикла многоэлектродной наплавки гребня цельнокатаного колеса и его влияния на структурообразование в зоне термического воздействия.

К началу обвального износа колес и рельсов перед ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» встала проблема приобретения вагонных колес и рельсов для замены износившихся до предела.

За счет проведения на дорогах бывшего СССР сужения рельсовой колеи дорожки катания колес и рельсов сместились внутрь колеи. Это привело к увеличению колебания фрикционных возможностей между колесами одной колесной пары на прямых участках пути и в еще большей степени - при прохождении ею по кривым малого радиуса, способствуя дополнительному скольжению и износу колес.

За последние два - три десятилетия по мере увеличения мощности локомотивов и массы поездов изменилось отношение и к допустимому избыточному скольжению колес относительно рельсов. За это время скольжение повысилось с 2 - 3 до 5 - 10 % от скорости движения поезда [1]. Избыточное скольжение колес относительно рельсов является источником значительной энергии, выделяющейся в относительно малом объеме зоны трения колеса и рельса. Достаточно сказать, что в ряде случаев при трогании и движении по лимитирующему подъему локомотив расходует на тепло, выделяющееся в зоне трения его колес с рельсами, до 20 - 25 % своей мощности. Эта энергия идет на разогрев поверхностного слоя материала колес и рельсов, достигающий нескольких сотен, а иногда и тысячи градусов Цельсия, в результате чего ухудшаются механические свойства этого материала. Тем самым только за счет знания исходного состояния дорожек трения колес и рельсов и дозированного регулирования тепла, выделяющегося в зоне трения, представляется возможность как увеличить, так и уменьшить силу трения между колесом и рельсом, а также уменьшить или увеличить интенсивность их изнашивания.

Немаловажное значение в данном вопросе имеют материал поверхности колес, его физико-химические свойства при трении о рельс. Наиболее простым и перспективным направлением является создание биметаллических колес и рельсов, у которых будет правильно подобран максимальный коэффициент трения как при малых, так и при больших скоростях движения. Для решения этой глобальной проблемы необходимо качественно и с высокой производительностью наплавлять колеса.

Наплавка колесной стали, имеющей повышенное содержание углерода, затруднена вследствие возможности образования в металле шва и зоны термического влиянии (ЗТВ) закалочных структур и холодных трещин. И поскольку колесо является одним из наиболее нагруженных и ответственных за безопасность движения элементов ходовой части, то получение благоприятных структур, гарантирующих надежность и прочность наплавленного металла, является одной из актуальных задач восстановительной наплавки.

30 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2?il8>

Получение требуемых структур в существующих технологиях по одно- и двухдуговой наплавках обеспечивается регулированием температуры предварительного подогрева колеса с последующим медленным охлаждением в термостате. Предварительный подогрев колеса весом более 300 кг требует времени и затраты энергии, что повышает стоимость восстановительной операции и является недостатком указанных технологий.

В наплавочной лаборатории Ташкентского института инженеров железнодорожного транспорта выполнен комплекс исследований по разработке и применению высокопроизводительной технологии многоэлектродной наплавки гребней цельнокатаных вагонных колес без предварительного подогрева. Данный способ позволяет восстановить изношенную поверхность гребня за один оборот колеса. Наплавка одним слоем значительно уменьшает вероятность появления сварочных дефектов, обеспечивает высокую химическую однородность и плотность наплавленного металла [2].

Другим немаловажным преимуществом однослойной наплавки, помимо экономической целесообразности ее использования, является отсутствие зон высокотемпературного отжига (ЗТВО). Известно [3], что ЗТВО образуется при многослойной наплавке в местах перекрытия одного слоя другим и металл, подвергнутый высокотемпературному отжигу, имеет значительную пористость, являющуюся причиной образования усталостных трещин раньше, чем в остальной части наплавленного слоя.

В существующем каскадном способе наплавка гребня выполняется при горизонтальном положении оси колесной пары. При многоэлектродной наплавке это невозможно из-за больших размеров ванны жидкого металла, поэтому была предложена новая технология.

Отличие предлагаемой технологии от существующей состоит в том, что наплавляемая поверхность гребня располагается горизонтально, а ось колесной пары - под углом 60 ° к горизонту. Это позволяет вести наплавку в нижнем положении одновременно четырьмя электродами диаметром 2 мм, обеспечивая при этом хорошее формирование наплавленного металла.

При разработке технологии многоэлектродной наплавки гребня колеса была поставлена цель: получить металл, который был бы менее склонен к закалке от тепла трения и обладающий высокой сопротивляемостью появлению трещин и отслаиванию поверхностных слоев наплавки. Достижение цели осуществлялось решением двух задач: выбора параметров термического воздействия, определяющих образование той или иной структуры в материале колеса, и параметров режима наплавки, влияющих на качество формирования наплавляемого слоя.

Решение первой задачи предусматривало поиск благоприятного термического цикла многоэлектродного процесса выбором такого режима нагрева-охлаждения, который обеспечивал бы необходимые прочностные свойства наплавляемого металла в пределах рабочих параметров наплавки.

Основными параметрами режима наплавки, влияющими на степень термического воздействия, являлись напряжение, сила тока и скорость наплавки. Первоначально по математической модели [4] для произвольного диапазона параметров теплового воздействия рассчитывали термические циклы и определяли скорость охлаждения колеса. Согласно диаграмме анизотермического распада аустенита и структурной диаграмме для колесной стали марки 2 [5] в зависимости от полученных скоростей охлаждения определяли возникающие структуры и свойства металла. Таким образом, установили, что наиболее благоприятные термические циклы для получения доэвтектоидных структур создаются в диапазоне значений силы тока 650 - 700 А и напряжения 28 - 32 В с использованием четырех электродов при скорости наплавки 16 - 18 м/ч.

Для установления достоверности прогнозируемых структур в наплавленном металле, на расчетных режимах были проведены эксперименты по определению термического цикла в точке, расположенной на глубине 5 мм от поверхности гребня. Чтобы оценить динамику нарастания и убывания теплоты в точке по длине обода при ее приближении, непосредственном нахождении и постепенном удалении от места наплавки, колесо условно раз-

№ 2(18) ОЛИ л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31

2014 1

били на три плоскости под углом 120 °. Для ожидаемого диапазона наблюдаемых температур выбрали хромельалюмелевые термопары, изготовленные из проволоки диаметром 0,5 мм. Для регистрации показаний термопар использовали универсальный самопишущий прибор К10-51. Запись этой регистрации велась на фотобумагу при скорости протяжки 5 мм/с. Тарировку прибора выполняли согласно градуировочной таблице термопар по температуре путем задания определенного напряжения от специального источника. Запись начинали в момент прохождения источника через плоскость с термопарой и заканчивали после окончания всего процесса наплавки по истечении 5 мин. Кривые изменения температуры приводились к общей нулевой линии и общему началу. Так как при наплавке температурное поле начинает распространяться по обе стороны от дуги, процесс наплавки начинали посередине - между первой и третьей плоскостями. По мере приближения к источнику фиксировали прирост температуры как в точке первой, так и в точке третьей плоскости.

Результаты исследований показали, что в среднем по сечениям трех плоскостей наблюдается интенсивный подъем температуры до максимального значения 680 °С (рисунок 1). При нагреве градиент температуры у поверхности достигает 136 °С/мм, а скорость нагрева составляет 34 °С/с. Распределение тепла в массу колеса в первые 20 с приводит к быстрому снижению максимальной температуры в среднем до 412 °С. Максимальная скорость изменения температуры составила 13,4 °С/с. При такой скорости охлаждения превращение аусте-нита должно происходить с образованием промежуточных структур.

В интервале температур мартенситного превращения скорость охлаждения составила около 3 °С/с. При такой скорости охлаждения изменений в структуре материала колеса не должно быть.

При многоэлектродной наплавке гребня вагонного колеса существенное значение для качественного формирования наносимого слоя имеют его геометрические размеры. Связано это с тем, что при широкослойной наплавке возрастают объем жидкой ванны и вероятность ее стекания. Одновременно с этим наплавка колесной стали с повышенным содержанием углерода ставит задачу уменьшения глубины про-плавления основного металла для избежания появления трещин. При этом воздействующими факторами, влияющими на формирование и размеры наплавляемого слоя, являются вылет и смещение электродов относительно зенита, скорость их подачи, расстановка и расположение электродов по направлению к наплавке [6].

Указанные параметры режима наплавки могут варьироваться в широком диапазоне и связаны с большим объемом предварительных экспериментальных исследований. Поэтому для определения степени влияния этих факторов на формирование слоя использовали один из методов статистического планирования экстремальных экспериментов - метод крутого восхождения [7].

Опытные наплавки выполняли электродной проволокой марки Св-10НМА под флюсом АН-348А. Считали, что применение указанной проволоки, близкой по содержанию марганца и кремния к химическому составу колесной стали, позволит получить наплавленный металл с повышенной прочностью и вязкостью (М = 1 - 1,5 %, Мо = 0,4 - 0,55 %), что обеспечит его надежность при взаимодействии с рельсом. Пониженное содержание углерода в металле

Рисунок 1 - Термические циклы в точке, расположенной на глубине 5 мм от поверхности наплавки: 1 - первая плоскость; 2 - вторая; 3 - третья

32 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(18) 2014

- _ = _Ш

наплавки будет способствовать повышению температуры структурных превращений при нагреве в процессе скольжения гребня по рельсу и тем самым затруднит образование мар-тенситных структур при охлаждении.

В результате выполненных опытов были скорректированы параметры режима наплавки, принятые при определении термических циклов. Так, в частности, величина напряжения была повышена до 35 В, так как меньшие значения (28 - 32 В) не обеспечивали необходимой ширины слоя и приводили к ухудшению качества наплавки. При силе тока 700 А увеличиваются геометрические размеры шлаковой ванны, и в результате медленной кристаллизации, не удерживаясь, шлак начинает течь с поверхности гребня. При небольших скоростях подачи электродов (менее 180 м/ч для принятого термического режима наплавки) разворот их под углом 45° относительно направления наплавки увеличивает глубину проплавления до 2,5 мм, уменьшает толщину наплавляемого слоя до 3 мм и не влияет на его ширину. Разворот электродов фронтом снижает глубину проплавления до 2 мм и увеличивает толщину слоя до 4 мм. С увеличением скорости подачи (более 200 м/ч) независимо от расположения электродов глубина проплавления становится больше (3 мм), а формирование слоя улучшается. Вылет

электродов менее 40 мм повышает глубину про-плавления до 4 мм и уменьшает ширину слоя до 32 мм. При вылете более 50 мм наблюдается снижение глубины проплавления (2 мм) и увеличение ширины слоя (37 мм). Наплавленный слой приобретает наиболее благоприятную форму при смещении электродов в сторону, противоположную вращению колеса, на 50 мм от зенита.

На основании этих данных был выбран наиболее благоприятный режим, обеспечивающий высокое качество наплавляемого металла, без трещин и шлаковых включений. На рисунке 2 показан макрошлиф валика, наплавленный со скоростью 18 м/ч на токе 600 А и напряжении 35 В при вылете электродов 40 мм. При скорости подачи электродных проволок 230 м/ч и расстоянии между их осями 10 мм толщина и ширина валика в среднем составляют соответственно 3,5 и 36 мм.

Структуры для металлографических исследований были изучены на поперечных образцах в наплавленном слое, зоне термического влияния и в основном металле.

Микроскопический анализ показал, что структура наплавленного металла представляет собой нижний бейнит с твердостью НУ 4850 - 5010 МПа и тонкие прослойки феррита (рисунок 3, а). Это можно объяснить тем, что скорректированный режим наплавки способствовал уменьшению величины погонной энергии, в результате чего увеличилась скорость охлаждения колеса. Согласно диаграмме термокинетического распада [8] превращение переохлажденного аустенита в интервале низких температур происходит при скорости охлаждения свыше 16,6 °С/с. Хрупкая структура мартенсита, судя по данным источников [5, 8], возникает при скорости охлаждения свыше 30 °С/с. На этой основе можно утверждать, что наплавленный на поверхность гребня металл со структурой бейнита и без трещин имеет высокие прочностные свойства, а предлагаемые технологические решения оптимальны.

Структура на границе перехода наплавленного металла в ЗТВ состоит из мелкозернистого феррита и бейнита. На участках перегрева и перекристаллизации структура представляет собой мелкозернистую феррито-перлитную смесь с твердостью до НУ 3400 МПА (рисунок 3, б). Наличие в ЗТВ феррито-перлитной смеси показывает, что структурных изменений в материале колеса не происходит.

Таким образом, предлагаемая технология автоматической многоэлектродной наплавки изношенных гребней цельнокатаных вагонных колес положительно влияет на структуру как

№ 2(18) ^Л л л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 33

2014

наплавленного металла, так и ЗТВ. Установленная тепловая мощность многоэлектродной наплавки обеспечивает необходимый подогрев колеса и тем самым исключает возможность получения хрупких закалочных структур и интенсивный рост зерна в околошовной зоне.

Рисунок 3 - Структуры в околошовной зоне, х500: а - металл наплавки; б - металл в зоне термического влияния

Однако для внедрения в производство предлагаемой технологии многоэлектродной наплавки необходимо исследовать напряженно-деформационное состояние колеса. Нагрев тонкого обода мощным источником тепла может способствовать появлению температурных напряжений, как достигающих, так и превышающих предел прочности материала колеса. Численные исследования температурных напряжений [9, 10] выявили наличие изменения пределов прочности, когда создаются условия для образования трещин. Результаты расчета напряжений, возникающих по длине От и ширине От обода колеса, представлены в таблице.

Расчетные значения напряжения в зависимости от толщины наплавляемого обода Zk

Zk, м Напряжение, МПа Температура Тн, °С

300 400 500 600 700

0,04 °ьм 949 1335 1777 2078 2017

ОУМ 380 538 712 833 809

0,06 °ьм 890 1252 1667 1947 1890

ОУМ 376 528 704 822 798

0,08 °ьм 835 1174 1562 1825 1772

ОУМ 371 521 694 810 766

0,1 °ьм 778 1094 1456 1701 1651

ОУМ 359 505 652 785 762

Данные таблицы показывают, что изменение диаметра обода модели колеса 2Rk значительно сказывается на максимальном напряжении Ош по длине дуги радиуса Rk. Снижение толщины Zk по поверхности катания способствует увеличению растягивающих напряжений, причем их значения смещаются в область средних температур. Максимальные значения напряжений при этих температурах существенно превышают прочность материала колеса. Для колес с предельным износом толщины обода колеса ниже 0,04 м следует смещать зону высоких значений напряжения в область более высоких температур варьированием тепловой мощностью наплавочной установки или предварительным подогревом. С целью снижения вероятности появления трещин от температурного напряжения многоэлектродную наплавку гребней без предварительного подогрева целесообразно производить для колес с Zk > 0,04 м.

Список литературы

1. Лужнов, Ю. М. Причины интенсивного износа колес и рельсов на железных дорогах России и пути решения этой проблемы [Текст] / Ю. М. Лужнов // Тезисы докл. междунар. конф. «Передовые технологии на пороге XXI века» / НИЦ «Инженер». - М., 1998. - С. 7 - 12.

34 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 2(18) 2014

~ =

2. Меликов, В. В. Многоэлектродная наплавка [Текст] / В. В. Меликов. - М.: Машиностроение, 1988. - 140 с.

3. Клименко, Ю. О ремонте деталей наплавкой [Текст] / Ю. Клименко // Техника в сельском хозяйстве. - 1996. - № 9. - С. 12 - 1 4.

4. Методика расчетной оценки скоростей движения тепловых волн в материале колесных дисков грузовых вагонов при их наплавке и торможении поездов [Текст] / А. Д. Глущенко, Э. С. Набиев и др. // Сб. тр. республиканской науч.-техн.конф. с участием зарубежных ученых «Ресурсосберегающие технологии по эксплуатации и ремонту подвижного состава, динамика и прочность систем» / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент, 2006. - С. 187- 191.

5. Effect of preheating When hardfacing all rolled Wagon Wheels on residual Stresses and Straius [Text] // S. N. Kiselev, A. V. Savrukhin and others // Welding International. - 1996. -№ 10 (6). - P. 480 - 483.

6. Меликов, В. В. Оптимизация режимов многоэлектродного процесса при восстановительной наплавке вагонных колес [Текст] / В. В. Меликов, Э. С. Набиев // Тезисы докл. меж-дунар. науч.-техн. конф. «Проблемы механики и сейсмодинамики сооружений» / Ин-т механики и сейсмостойкости сооружений АН РУз. - Ташкент, 2004. - С. 536, 537.

7. Новик, Ф. С. Математические методы планирования экспериментов в металловедении [Текст] / Ф. С. Новик / МИСИС. - М., 1972. - Ч. 1. - 106 с.

8. Влияние технологических факторов на структуру и свойства металл ЗТВ при ремонт-но-восстановительной наплавке цельнокатаных вагонных колес [Текст] / В. А. Саржевский,

A. А. Гайворонский и др. // Автоматическая сварка. - 1996. - № 3. - С. 22 - 27.

9. Набиев, Э. С. Оценка температурных напряжений в материале цельнокатаного вагонного колеса при его многоэлектродной наплавке [Текст] / Э. С. Набиев, Д. Н. Заирова,

B. Г. Бабина // Вестник ТашИИТа / Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент, 2006. -№ 3/4. - С. 91 - 96.

10. Набиев, Э. С. Исследование температурных напряжений в модели материала колеса грузового вагона при его восстановительной наплавке [Текст] / Э. С. Набиев, Д. Н. Заирова / Вестник ТашИИТа // Ташкентский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Ташкент, 2007. - № 3/4. - С. 59 - 62.

References

1. Luzhnov Iu. M. Causes severe wear of wheels and rails the Railways of Russia and ways of solving this problem [Prichiny intensivnogo iznosa koles i rel'sov na zheleznykh dorogakh Rossi i puti resheniia etoi problemy]. Tezisy dokladov Mezhdunarodnoi konferentsii «Peredovye tekhnologii na poroge XXI veka» (Abstracts of the Int. conference «Advanced technologies on the threshold of the XXI century»). - Moscow, 1998, pp. 7 - 12.

2. Melikov V. V. Mnogoelektrodnaia naplavka (Multielectrode surfacing). - Moscow: Mashi-nostroenie Publ., 1988, 140 p.

3. Klimenko, Iu. About the repair of welding parts [O remonte detalei naplavkoi]. Tekhnika v sel'skom khoziaistve - Technology in agriculture, 1996, no. 9, pp. 12 - 14.

4. Glushchenko A. D., Nabiev E. S., Zairova D. N., Kosimov O. T. Methodology for calculation of speed of heat waves in the material wheels of freight cars in their surfacing and braking trains [Metodika raschetnoi otsenki skorostei dvizheniia teplovykh voln v materiale kolesnykh dis-kov gruzovykh vagonov pri ikh naplavke i tormozhenii poezdov]. Sbornik trudov Respublikanskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii s uchastiem zarubezhnykh uchenykh «Resursosberegaiushchie tekhnologii po ekspluatatsii i remontu podvizhnogo sostava, dinamika i prochnost' sistem» (Proc. of the Republican scientific-technical conference with participation of foreign scientists «Resource-Saving technologies for maintenance and repair of rolling stock, dynamics and stability of systems»). Tashkent, 2006, pp. 187 - 191.

5. Kiselev S. N., Savrukhin A.V., Kuzmina G. D., Kiselev A. S. Effect of preheating When hardfacing all rolled Wagon Wheels on residual Stresses and Straius, Welding International, 1996, no. 10 (6), pp. 480 - 483.

№ 2(18) OA«i Л ИЗВЕСТИЯ Транссиба 35

^2014

6. Melikov V. V., Nabiev E. S. Optimization of modes multielectrode process after welding of car wheels [Optimizatsiia rezhimov mnogoelektrodnogo protsessa pri vosstanovitel'noi naplavke vagonnykh koles]. Tezisy dokladov Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Prob-lemy mekhaniki i seismodinamiki so-oruzhenii» (Abstracts of international scientific-technical conference «Problems of mechanics and seismodynamic structures»). Tashkent, 2004, pp. 536 - 537.

7. Novik, F. S. Matematicheskie metody planirovaniia eksperimentov v metallovedenii (Mathematical methods of planning of experiments in metallography). Moscow, Ch. 1, 1972, 106 p.

8. Sarzhevskii V. A., Gaivoronskii A. A., Gordonnyi V. G., Gorb V. F. The influence of technological factors on the structure and properties of HAZ metal in repair welding of solid-rolled railroad wheels [Vliianie tekhnologicheskikh faktorov na strukturu i svoistva metall ZTV pri remontno-vosstanovitel'noi naplavke tsel'nokatanykh vagonnykh koles]. Avtomaticheskaia svarka - Automatic welding, 1996, no. 3, pp. 22 - 27.

9. Nabiev E. S., Zairova D. N., Babina V. G. Evaluation of thermal stresses in the material of solid-rolled railroad wheels when it multielectrode surfacing [Otsenka temperaturnykh napriazhenii v mate-riale tsel'nokatanogo vagonnogo kolesa pri ego mnogoelektrodnoi naplavke]. Vestnik Ta-shlIT- Bulletin Of ToshTYMI, 2006, no. 3/4, pp. 91 - 96.

10. Nabiev E.S., Zairova D.N. Investigation of thermal stresses in the material model of the wheel of a freight car at his recovery surfacing [Issledovanie temperaturnykh napriazhenii v modeli materiala kolesa gruzovogo vagona pri ego vosstanovitel'noi naplavke]. Vestnik TashlIT- Bulletin Of ToshTYMI, 2007, no. 3/4, pp. 59 - 62.

УДК 621.336.2

О. А. Сидоров, В. М. Филиппов, С. А. Ступаков

ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗНАШИВАНИЯ КОНТАКТНЫХ ПАР УСТРОЙСТВ ТОКОСЪЕМА

В статье приведено описание построения математической модели электромеханического изнашивания контактных пар устройств токосъема электрического транспорта в условиях, максимально приближенных к реальным условиям эксплуатации. Созданная математическая модель позволяет учесть тепловые процессы, возникающие в скользящем контакте при пропускании электрического тока через скользящий контакт. Приведено сравнение результатов расчетов и экспериментальных исследований износа контактных пар.

Контактная пара системы токосъема электрического транспорта (контактная вставка -контактный провод) представляет собой электрический скользящий контакт, элементы которого функционируют в условиях износа, обусловленного механической и электрической составляющими процесса токосъема, а также многими другими факторами условий эксплуатации: родом и силой тока, температурой элементов контактной пары, параметрами внешней среды и т. п. Одним из путей повышения срока службы элементов контактных пар устройств токосъема является подбор наиболее отвечающих требованиям качества токосъема материалов. В Омском государственном университете путей сообщения разработана методика [1] экспериментальных исследований изнашивания контактных пар устройств токосъема.

Реализация методики требует наличия специализированных экспериментальных комплексов, а также значительных затрат времени и ресурсов. Для сокращения объема экспериментальных исследований может быть использован комбинированный способ - совокупность необходимого минимума экспериментальных исследований реальных объектов (или их аналогов) и методов расчета, основанных на математическом моделировании процессов, происходящих в контактных парах устройств токосъема.

36 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №2?il8>