Актуальные вопросы повышения эксплуатационной стойкости железнодорожных колес

УДК 656.222.2

М. В. Ильичев, М. Е. Гетманова, А. С. Тюфтяев, Г. А. Филиппов, Д. И. Юсупов

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС

Дата поступления: 08.11.2017 Решение о публикации: 15.11.2017

Аннотация

Цель: Провести анализ методов повышения эксплуатационной стойкости железнодорожных колес. Выявить наиболее перспективные из них. Методы: Сравнение результатов эксплуатационных испытаний колес из разных марок сталей, с упрочнением гребня и без. Результаты: Выявлено повышение эксплуатационной стойкости колес из новых марок сталей - Т и Л в начале их эксплуатации, которая снижается по мере снятия поверхностных слоев на рабочей поверхности обода при его ремонтной обточке. Проведение плазменной поверхностной термической обработки гребней колесных пар после каждой ремонтной обточки рабочей поверхности обода повышает ресурс колесных пар, оценивавшийся по удельному износу гребня, в 1,6-2,6 раза в зависимости от типа подвижного состава. Практическая значимость: Полученные результаты позволяют рекомендовать применение плазменного упрочнения гребня колесных пар после каждой обточки для повышения ее ресурса и увеличения межремонтного интервала. Повсеместное внедрение данной технологии ресурсосбережения как при ремонте локомотивов (тепловозов и электровозов), вагонов электропоездов, так и пассажирских и грузовых вагонов позволит сэкономить существенные средства на простое подвижного состава, затратах на выкатке колесных пар из-под вагонов, обточке колес и т. п.

Ключевые слова: Цельнокатаные колеса, плазменная обработка, ресурсосбережение.

*Maksim V. Ilichev, Cand. Eng. Sci., imvpl@mail.ru (United High Temperatures Institute RAS); Marina Е. Getmanova, Engineer-metallurgist, iqs12@yandex.ru (Bardin I. P. Central Scientific-research Ferrous Metallurgy Institute); Aleksandr S. Tyuftyaev, D. Eng. Sci., astpl@mail.ru (United High Temperatures Institute RAS); Georgii A. Filippov, D. Eng. Sci., professor, iqs12@yandex.ru (Bardin I. P. Central Scientific-research Ferrous Metallurgy Institute); Damir I. Yusupov, Cand. Eng. Sci., scientific worker, yusupovDI@ihed.ras.ru (United High Temperatures Institute RAS) CURRENT ISSUES OF INCREASING OPERATING STABILITY OF RAILWAY WHEELS

Summary

Objective: Perform analysis of methods increasing operating steadiness of railway wheels. Ascertain the most perspective of them. Methods: Comparison of the results of operational testing of wheels made of different steel types with flange hardening and without it. Results: Raising operational steadiness of wheels made of new steel types - T and L at the beginning of their operation which is lowered while removing surface layers on working rim surface during its repair turning is found. Performing plasma surface thermal processing of wheel pair flanges after each repair turning of working rim surface increases the resource of wheel pairs which was assessed according specific flange wear per unit, 1,6-2,6 times more depending on rolling stock type. Practical importance: The results obtained allow to recommend applying plasma hardening of a wheel pair flange after each turning for raising its resource and increasing interrepair interval. Mainstreaming the given technology of resource saving both in repairing locomotive (diesel-locomotives and electric locomotives), electric train carriages and passenger and freight carriages

will allow to save essential resources on rolling stock standstill, cost of wheel pair lifting from under the carriages, wheel turning etc.

Keywords: Solid rolled wheels, plasma processing, resource saving.

Техническая политика ОАО «Российские железные дороги» («РЖД») в области железнодорожного транспорта в настоящее время направлена на решение двух основных задач: ввод в эксплуатацию дорог со скоростным движением и создание грузовых вагонов нового поколения с нагрузкой на ось до 30 тс. В связи с этим появилась потребность в цельнокатаных колесах с повышенным уровнем свойств, в частности, с запасом твердости в ободе и усталостной прочности в диске. Кроме того, возник существенный дисбаланс свойств рельса и колеса, который изменил трибометрические характеристики их взаимодействия.

Для повышения уровня твердости обода колеса и приближения его к твердости головки рельса недостаточно только корректировки технологии термической обработки. Необходимо также совершенствование технологии выплавки колесной стали с целью увеличения запаса вязкости. Научно-исследовательские работы, проведенные ОАО «ВМЗ» совместно с ЦНИИчерметом и ВНИИЖТ, создали предпосылки для изготовления колес с более высокой твердостью обода, которые удовлетворяют современным требованиям ОАО «РЖД».

Стали для колес грузовых вагонов. Цельнокатаные колеса для грузовых вагонов изготавливаются в соответствии с ГОСТ 10791 из стали марки 2 и имеют преимущественно структуру перлита: дисперсного на рабочих поверхностях обода и гребня и более грубую в диске и ступице [1]. Такое распределение структур по сечению колеса создается в результате «прерывистой закалки».

Проблему увеличения твердости железнодорожных колес можно решать несколькими путями:

1) при сохранении используемой марки стали 60 Г и структурной основы - перлита твердость можно повысить путем дисперги-

рования перлитной структуры, прежде всего уменьшением межпластиночного расстояния [2] посредством подбора режимов термической обработки [3];

2) ростом содержания углерода в стали;

3) переходом к иной структурной основе, например к мартенситной или бейнитной, при этом возможны варианты сохранения марки стали или замены ее на другую сталь с меньшим количеством углерода.

Другой проблемой при производстве колес является низкая ударная вязкость материала дисков, где при термической обработке формируется грубопластинчатый перлит. Для повышения ударной вязкости необходимо либо диспергировать перлит, либо измельчить размер перлитных колоний, либо понизить содержание углерода в стали. Но последнее противоречит требованиям увеличения твердости обода.

Таким образом, в результате проведенных исследований была разработана сталь для колес грузовых вагонов с значительной твердостью обода марки «Т».

Как показал опыт эксплуатации, «твердые» колеса обладают лучшими физико-механическими свойствами и стойкостью по сравнению с обычными колесами. По результатам анализа эксплуатации колес повышенного качества и твердости на сети железных дорог, проведенного ПКБ ЦВ ОАО «РЖД», установлено:

1) увеличение срока службы цельнокатаных колес не менее чем в 1,7-1,9 раза;

2) возрастание стойкости к образованию контактно-усталостных повреждений в ободе колеса более чем в 2 раза;

3) рост износостойкости гребня колеса более чем в 3 раза;

4) снижение расходов на обточку и текущий (отцепочный) ремонт подвижного состава не менее чем в 2 раза.

Сталь для колес пассажирских вагонов. Целесообразность использования стали марки 1 с пониженным содержанием углерода по ГОСТ 10791 при производстве колес для пассажирских вагонов обусловлена необходимостью обеспечения высокого запаса вязкости. При этом твердость таких колес значительно ниже твердости рельсов, что приводит к повышенному износу при эксплуатации и образованию контактно-усталостных дефектов. Возрастание твердости колес для пассажирских вагонов нужно было обеспечить при условии сохранения или роста запаса вязкости колесной стали. Основными механизмами увеличения твердости стали являются твердорастворное упрочнение, дисперсионное твердение и измельчение структуры. Последнее вызывает также большие пластичность и вязкость стали. К элементам, упрочняющим твердый раствор, относятся углерод, кремний, хром и др. [3].

Исследования показали, что разработанный для пассажирских колес состав стали марки Л, представляющий модификацию стали марки 1 по ГОСТ 10791 (дополнительно легированной кремнием и ниобием), позволяет при соответствующей термической обработке реализовать более высокие механические свойства, чем обеспечивает сталь марки 1. По результатам пробеговых испытаний ресурс новых колес в 1,5-2 раза выше, чем у колес марки 1. Износостойкость поверхности катания и гребня больше, чем в 2 раза. На поверхности катания ободьев колес отсутствуют контактно-усталостные выщербины и повреждения элементов колес в виде трещин, расслоений, отколов. Колеса повышенного качества для пассажирских вагонов обладают высокой эксплуатационной стойкостью, надежностью и обеспечивают безопасность движения.

Современные способы повышения эксплуатационной стойкости железнодорожных колес и бандажей. В процессе эксплуатации подвижного состава в результате взаимодействия рельса и колеса происходит изменение профиля колеса, в основном вследствие износа рабочей поверхности гребня. Потому для придания требуемого профиля колеса

подвергают обточке, в результате которой поверхностью обода становится слой металла с меньшей твердостью. Это связано с тем, что из-за дифференцированной закалки обода колеса твердость монотонно снижается от поверхности катания к центру обода колеса. Выход на поверхность слоев металла с меньшей твердостью негативно сказывается на эксплуатационном ресурсе.

В связи с этим в АО «ВНИИЖТ» и ОИВТ РАН при участии ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина» разрабатывались технологии поверхностного упрочнения гребней колесных пар, наиболее эффективными из которых ока-запись плазменные способы [4-7]. Плазменное воздействие при поверхностном упрочнении сталей характеризуется высокими скоростями нагрева и охлаждения, малой длительностью пребывания металла при температурах выше критических и возможностью одновременной реализации химико-термической обработки. Важной особенностью получаемых структур является их высокая степень дисперсности.

Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют, что плазменная технология позволяет создать за один проход широкую полосу с однородным, твердым и износостойким упрочненным слоем. В упрочненной зоне колеса выявлены нитридные фазы, аустенит, фермообразный и пакетный мартенсит, троо-стомартенсит и троостосорбит.

Для понимания природы возникновения таких специфических структур проводили оценку содержания азота в аустените, образовавшемся после обработки, и исследование влияния деформации в упругой области на изменение фазового состава в поверхностном слое. Полученные результаты позволили сформулировать основные положения структурного механизма повышения уровня свойств упрочненной стали:

- при плазменной обработке поверхностный слой насыщается азотом и образуется широкий спектр структур, обеспечивающий высокий уровень твердости;

- плавная переходная зона обеспечивает прочное сцепление упрочненного слоя с ос-

Интенсивность износа гребней колесных пар подвижного состава Московской железной дороги

новным металлом и является одной из причин повышенного сопротивления разрушению;

- за счет фазового у^-а-превращения в слое высокоазотистого аустенита происходит релаксация напряжений, возникающих при эксплуатации.

Для оценки эффективности плазменного упрочнения помимо пробега колесных пар использовали коэффициент удельного износа гребня на 10 000 км пробега, характеризующий интенсивность износа [8, 9]. Интенсивность износа гребней колесных пар различных типов подвижного состава Московской железной дороги представлена на рисунке.

Таким образом, результаты статистической обработки данных об эксплуатации колесных пар различных типов подвижного состава железных дорог свидетельствуют о том, что плазменная обработка уменьшает интенсивность износа гребней упрочненных колесных пар по сравнению с неупрочненными в 2-3 раза.

Библиографический список

1. Шишов А. А. Технологические аспекты повышения надежности железнодорожных колес / А. А. Шишов, А. Н. Никулин, А. В. Сухов, Г. А. Филиппов // Сталь. - 2007. - № 9. - С. 84-86.

2. Тушинский Л. И. Структура перлита и конструктивная прочность стали / Л. И. Тушинский, А. А. Батаев, Л. Б. Тихомирова. - Новосибирск : Наука, Сиб. отд., 1993. - 300 с.

3. Счастливцев В. М. Структура термически обработанной стали / В. М. Счастливцев, Д. А. Мир-заев, И. Л. Яковлева. - М. : Металлургия, 1994. -228 с.

4. Иванов П. П. Эффективный способ поверхностного упрочнения железнодорожных колес / П. П. Иванов, Э. Х. Исакаев, В. И. Изотов, Г. А. Филиппов, А. С. Тюфтяев // Сталь. - 2000. - № 1. -С. 63-66.

5. Исакаев Э. Х. Особенности структурообра-зования и формирования свойств при плазменной обработке углеродистой стали / Э. Х. Исакаев, М. В. Ильичев, А. С. Тюфтяев, Г. А. Филиппов // Материаловедение. - 2003. - № 2. - С. 52-55.

6. Ильичев М. В. Влияние технологических параметров плазменной обработки на формирование структуры и свойств стали типа 60 Г / М. В. Ильичев, О. В. Ливанова, А. С. Тюфтяев, Г. А. Филиппов // Металлург. - 2008. - № 10. - С. 59-62.

7. Гонтарук Е. И. Новая технология поверхностного плазменного упрочнения стальных изделий / Е. И. Гонтарук, М. В. Ильичев, Э. Х. Исакаев, А. С. Тюфтяев, Г. А. Филиппов // Сталь. - 2002. -№ 6. - С. 78-81.

8. Антиповский С. В. Технология плазменного упрочнения гребней колесных пар / С. В. Антиповский, А. С. Тюфтяев // Сварочное производство. -2009. - № 6. - С. 45-48.

9. Антиповский С. В. Плазменное упрочнение как способ увеличения ресурса колесных пар / С. В. Антиповский, Э. Х. Исакаев, В. Ю. Тараканов, А. С. Тюфтяев, А. Э. Яблонский // Локомотив. -2009. - № 6. - С. 26-27.

References

1. Shishov A. A., Nikulin A. N., Sukhov A. V. & Fi-lippov G. A. Tekhnologicheskie aspekty povysheniya nadezhnosti zheleznodorozhnykh koles [Technological aspects of increasing reliability of railway wheels]. Steel, 2007, no. 9, pp. 84-86.

2. Tushinsky L. I., Bataev A. A. & Tikhomiro-va L. B. Struktura perlita i konstruktivnaya prochnost stali [Perlite structure and constructive steel strength]. Novosibirsk, Science Publ., 1993, 300 p.

3. Schastlivtsev V. M. Struktura termicheski obrabo-tannoi stali [Structure of thermically processed steel]. Moscow, Metallurgy Publ., 1994, 228 p.

4. Ivanov P. P., Isakaev E. Kh., Izotov V. I., Filip-pov G. A. & Tyuftyaev A. S. Effektivnyi sposob po-verkhnostnogo uprochneniya zheleznodorozhnykh koles [Effective technique of railway wheel surface hardening]. Steel, 2000, no. 1, pp. 63-66.

5. Isakaev E. Kh., Ilichev M. V., Tyuftyaev A. S. & Filippov G. A. Osobennosti strukturoobrazovaniya i formirovaniya svoist pri plazmennoi obrabotke ugle-rodistoi stali [Peculiarities of structuring and forming carbon steel properties under plasma processing]. Material studies, 2003, no. 2, pp. 52-55.

6. Ilichev M. V., Livanova O. V., Tyuftyaev A. S. & Filippov G.A. Vliyanie tekhnologicheskikh parametrov plazmennoi obrabotki na formirovanie structury i svoist stali tipa 60 r [Impact of technological parameters of plasma processing on forming 60 G type steel structure and properties]. Metallurgist, 2008, no. 10, pp. 59-62.

7. Gontaruk E. I., Ilichev M. V., Isakaev E. Kh., Tyuftyaev A. S. & Filippov G. A. Novaya tekhnolo-giya poverkhnostnogo plazmennogo uprochneniya stal-nykh izdelii [New technology of surface plasma hardening of steel products]. Steel, 2002, no. 6, pp. 8-81.

8. Antipovsky S. V. & Tyuftyaev A. S. Tekhnolo-giya plazmennogo uprochneniya grebnei kolesnykh par [Technology of plasma hardening wheel pair flanges]. Welding production, 2009, no. 6, pp. 45-48.

9. Antipovsky S. V., Isakaev E. Kh., Tarakanov V. Yu., Tyuftyaev A. S. & Yablonsky A. E. Plazmennoe uproch-nenie kak sposob uvelicheniya resursa kolesnykh par [Plasma hardening as a technique of resource increasing of wheel pairs]. Locomotive, 2009, no. 6, pp. 26-27.

*ИЛЬИЧЕВ Максим Валерьевич - канд. техн. наук, imvpl@mail.ru (ОИВТ РАН); ГЕТМАНОВА Марина Евгеньевна - инженер-металлург, iqs12@yandex.ru (ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина»); ТЮФТЯЕВ Александр Семенович - доктор техн. наук, заведующий отделом, astpl@mail.ru (ОИВТ РАН); ФИЛИППОВ Георгий Анатольевич - доктор техн. наук, профессор, iqs12@yandex. ги (ФГУП «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина»); ЮСУПОВ Дамир Ильдусович - канд. техн. наук, научный сотрудник, yusupovDI@ihed.ras.ru (ОИВТ РАН).