Восстановление профиля катания вагонных колес повышенной твердости с эксплуатационными дефектами термомеханического происхождения

5. Саврухин, А. В. Совершенствование конструкций массивных несущих деталей подвижного состава на основе анализа напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях [Текст]: Дис... канд. техн. наук. - М., 2005. - 349 с.

УДК 629.4.027.4

А. В. Обрывалин

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ КАТАНИЯ ВАГОННЫХ КОЛЕС

ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ С ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ ДЕФЕКТАМИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

В статье дан краткий анализ существующей технологии ремонта вагонных колес повышенной твердости и определены ее основные недостатки. Исследовано влияние качества механической обработки колес на напряженное состояние в системе «колесо - рельс». Автором разработана и предложена перспективная технология ремонта колес, позволяющая сократить расход режущего инструмента, повысить качество механической обработки и продлить срок эксплуатации железнодорожных колес.

В настоящее время актуальна проблема, связанная с восстановлением профиля катания вагонных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт с термомеханическими повреждениями (ползунами, наварами и выщербинами первого рода).

Результаты анализа позволяют утверждать, что внедрение в эксплуатацию колесных пар с колесами из стали повышенной твердости позволило сократить число отцепок грузовых вагонов по таким дефектам колесных пар, как прокат, вертикальный подрез гребня, тонкий гребень, и другим, связанным со смятием и истиранием металла от давления на площадке контакта и действия сил трения качения и трения скольжения. Однако повышение твердости колесной стали не решило кардинально проблему образования термомеханических повреждений (ТМП) на поверхности катания вагонных колес, так как процесс заклинивания вагонного колеса и его механические свойства не взаимосвязаны. Таким образом, основной объем механической обработки (более 62 % вагонных колес) при восстановлении профиля «твердых» колес нацелен на устранение ТМП.

Процесс обточки «твердых» колес с ТМП на колесотокарных станках сопровождается ударными нагрузками, которые, во-первых, приводят к отжиму режущего инструмента от обрабатываемой поверхности колеса, в результате чего на обработанной поверхности в области ТМП остаются характерно выраженные выступы, являющиеся концентраторами дополнительных напряжений в пятне контакта колеса и рельса, т. е. очагами образования выщербин второго рода, и, во-вторых, приводят к разрушению режущего инструмента, что увеличивает себестоимость и снижает производительность механической обработки. Вследствие этого расход режущего инструмента при обточке «твердых» колес по сравнению с расходом при восстановлении профиля стандартных колес возрос в три - пять раз, а производительность механической обработки снизилась в два - три раза [2].

Кроме того, из-за снятия в стружку от 3 до 5 мм основного слоя металла при каждой обточке, что эквивалентно 120 - 200 тыс. км пробега, восстановление профиля по существующей технологии приводит к сокращению срока службы колеса.

Анализ состояния поверхности колеса при выходе колесной пары из ремонта показывает, что после обточки колес с ползунами на поверхности остаются характерно выраженные выступы, которые образуются из-за недостаточной жесткости технологической системы. Размеры технологически наследованных выступов (ТНВ) зависят от многих факторов: жесткости технологической системы, режимов резания, состояния режущего инструмента, качества поверхности после черновой обработки, размеров дефекта и т. п., поэтому установить общую закономерность зависимости размеров ТНВ непросто. Так, результаты измерений

профиля катания колеса по длине окружности при помощи индикатора ИРБ ГОСТ 5584-75 в вагонных депо Омска показали, что размеры ТНВ могут составлять от 100 до 750 мкм.

Процесс качения по рельсу колеса, имеющего на поверхности катания технологически наследованный выступ, сопровождается ударными нагрузками, являющимися самым характерным проявлением динамических нагрузок (рисунок 1, для наглядности размер ТНВ утрирован).

пьд

0] [ 1

~ шд \f~~~~~ 7

А

Ш////////А;////////,

N ш

////////////////7^7^///////////////////,

N

а б

Рисунок 1 - Взаимодействие рельса и колеса с ТНВ

По Герцу, упругая сила контактного взаимодействия тел при ударе зависит от деформации .х и определяется так:

3

f (х) = сх 2 .

Хант и Кроссли ввели в модель удара Герца силу сопротивления и показали, что сила ударного взаимодействия тела и препятствия определяется соотношением:

f (х, х) = схп + Ь • с • хпх.

Обобщая модель (2), Боровин Г. К., Дягель Р. В. и Лапшин В. В. получили уравнение движения тела при ударе [1]:

тх = / (х) + Ь • / (х) • х. Если обозначить потенциальную энергию упругой деформации через П(х),

П (х) = | / (х)dх,

и исключить время / из дифференциального уравнения движения с помощью преобразова-

.. (IV (IV с(х dV

= V —, то в итоге получим уравнение движения в виде первого ин-

ния х =

теграла:

(I Сх (I Сх

Ь2

1п(1 + ЬV) - ЬV = 1п(1 + ЬV0) - ЬV0 +— П (х).

т

Разрешив выражение (5) относительно скорости V при помощи специальной функции W Ламберта, определяем максимальную деформацию тела [1]:

сЬ2

1

п+1

х

№24!22) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 31

где п - постоянная, которая определяется формой поверхности тела и препятствия в окрестности точки соприкосновения; в частности, для сферической поверхности тел п = 3;

Ь - постоянная сопротивления, для закаленной стали Ь = 0,1 с/м;

с - коэффициент упругости;

V) - начальная скорость удара, м/с.

Исследуя ударное взаимодействие колеса с ползуном и рельса, профессор Мещеряков В. Б. установил, что начальная скорость удара У0 зависит от скорости вагона V и вычисляется по формулам [3]:

3У1

V0 =-при V < К;

0 4Я

т_ VI (V + 0^) _ _ ~

V0 = —-- при V > V,

0 R

где I - длина отрезка (АВ, СD) поверхности колеса в момент его ударного взаимодействия с рельсом, м (см. рисунок 1);

V - предельное значение скорости, м/с, при котором давление колеса на рельс обращается в ноль и определяется по выражению:

V = Ш 1 + ^ V V т У

В процессе ударного взаимодействия колеса и рельса происходит резкий скачок контактной силы, что, соответственно, также приводит к резкому увеличению напряжений в пятне контакта колеса и рельса (рисунок 2).

Высота макровыступа, мм а

—♦— - положение 1 (V = 20 км/ч);

— А— - положение 3 (V = 20 км/ч);

— -I-  - положение 2 (V = 45 км/ч); --- положение 1 (V = 70 км/ч);

-

положение 2 (V = 20 км/ч); положение 1 (V = 45 км/ч); положение 3 (V = 45 км/ч); положение 3 (V = 70 км/ч);

Рисунок 2 - Изменение максимальных напряжений в пятне контакта системы «колесо - рельс»

при осевой нагрузке в 20 т

Метод расчета на прочность рекомендует определять наибольшие напряжения в центре эллипса касания колеса и рельса по формуле:

б

3Р

тах

2паЬ

где а, Ь - соответственно ширина и длина контактной площадки, мм; Рпах - максимальная нагрузка, Н, определяемая по выражению:

Ртах = ^тах + (т + РЩ)§ ~ т

V: R

здесь ^тах = с • хт;ах - максимальная упругая сила контактного взаимодействия тел при ударе, Н.

Из рисунка 2 видно, что в процессе взаимодействия ТНВ колеса с рельсом наблюдается значительное увеличение контактных напряжений, которые превышают предел текучести материала, что вызывает изменение геометрических параметров профиля поверхности контакта и наклеп, приводящий к уменьшению ресурса пластичности металла. По мере увеличения числа циклов нагружений колеса и рельса в них происходят необратимые изменения, приводящие к усталостному разрушению материала.

Расчет на усталостную долговечность позволил построить кривую усталости колесной стали повышенной твердости (рисунок 3).

Анализ кривой усталости показывает, что при превышении напряжения в пятне контакта колеса и рельса величины 1 - 1,1 ГПа в колесной стали повышенной твердости зарождаются и развиваются усталостные трещины, приводящие в дальнейшем к местному выкрашиванию металла. Число циклов до разрушения зависит от величины контактных напряжений и сокращается с их увеличением.

Анализ рисунков 2 и 3 позволил определить зависимость пробега колеса повышенной твердости до образования выщербины браковочного размера (9120 мм3) от высоты макровыступов (рисунок 4).

Рисунок 3 - Кривая усталости колесной стали повышенной твердости

Рисунок 4 - Зависимость пробега колеса до образования выщербины браковочного размера от высоты макровыступа

Из полученной зависимости, представленной на рисунке 4, следует, что с целью избежания преждевременного изъятия колесной пары с колесами повышенной твердости из эксплуатации по наличию на поверхности катания выщербины допустимая высота макронеровностей после обточки не должна превышать 0,2 мм. Существующая технология восстановления профиля колеса не обеспечивает заданного уровня качества обработки профиля колеса.

Для обеспечения заданного качества обработки поверхности катания колеса разработан способ удаления термомеханических повреждений путем местного силового врезного шлифования. Суть способа заключается в том, что термомеханические повреждения (ползуны,

3

№24!22) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 33

выщербины) с поверхности катания железнодорожного колеса предлагается вышлифовывать шлифовальным кругом. Для реализации данного способа обработки шлифовальный круг 1 (рисунок 5) совершает следующие виды движения: вращательное движение шлифовального круга, которое обеспечивает непосредственно срезание слоя металла с поверхности катания колеса 2 и является главным движением; движение по криволинейной траектории в форме эллипса в вертикальной плоскости относительно оси колесной пары, обеспечивающее непрерывность процесса обработки всего дефектного участка и являющееся движением подачи; поступательное движение в горизонтальной плоскости перпендикулярно оси колесной пары, которое обеспечивает врезание шлифовального круга в металл обрабатываемого участка колеса на заданную глубину резания.

а б

Рисунок 5 - Схема механической обработки вагонного колеса шлифовальным кругом

Применение рассмотренного способа удаления термомеханических повреждений путем местного силового врезного шлифования в качестве предварительной технологической операции позволяет создать более благоприятные условия для работы режущего инструмента на последующей токарной операции. Вырезанием с поверхности катания колеса упрочненного слоя металла придается однородность механическим свойствам колесной стали в области припуска на восстановление профиля колеса, т. е. твердость металла колеса по всему профилю будет находиться в пределах 350 - 400 НВ, что позволит существенно снизить отжатие режущего инструмента от обрабатываемой поверхности и обеспечить заданное качество обработки, а соответственно продлить срок службы колеса.

Список литературы

1. Боровин, Г. К. Нелинейная вязкоупругая модель коллинеарного удара [Текст] / Г. К. Боровин, Р. В. Дягель, В. В. Лапшин // Препринты ИПМ им. М. В.Келдыша. - М., 2008.

№ 53.- 18 с.

2. Симсиве, Д. Ц. Прогнозирование износа режущего инструмента при высокоскоростной обработке колес повышенной твердости [Текст] / Д. Ц. Симсиве, Т. Б. Брылова, Ж. В. Симсиве // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 1 (9). - С. 32 -39.

3. Смалев, А. Н. Оценка влияния малых масс системы «колесо - рельс» на статические характеристики ее динамики [Текст] / А. Н. Смалев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 1 (5). - С. 20 - 30.