Разработка способа и устройства для повышения износостойкости рабочей поверхности головки рельса

Библиографические ссылки

1. Паспорт учебно-демонстрационной установки «Гидравлические и пневматические системы и средства автоматики» ГПС-01, «ДиСис». М., 2011. 20 с.

2. Сидоров С. В., Ереско Т. Т. Гидродинамические испытания отдельных узлов гидроприводов // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014, г. Красноярск) / Сиб. гос. аэрокос-мич. ун-т. Красноярск, 2014. Т. 1. С. 153-154.

3. Сидоров С. В., Ереско Т. Т. К определению параметров газосодержания двухфазного потока // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы Всерос. науч.-практ. конф. творческой молодежи (8-12 апреля 2014, г. Красноярск) / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Т. 1. С. 154-155.

4. Сидоров С. В. О гидродинамике элементов гидроприводов и определении параметров газосодержания // Решетневские чтения : материалы XVIII Меж-дунар. науч. конф. : в 3 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова (11-14 ноября 2014, г. Красноярск) / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. С. 309-311.

References

1. [Passport training and demonstration installation "Hydraulic and pneumatic systems and automation equipment" OTS-01, CJSC «DiSis»]. Pasport uchebno-demonstratsionnoy ustanovki "Hydravlicheskie i

pnevmaticheskie systemi i sredstva avtomatiki" GPS-01, ZAO «DiSis» Moscow, 2011. 20 p.

2. Sidorov S. V., Eresko T. T. [Hydrodynamics tests of individual components of hydraulic drives.]. Tezisi Vseros. nauchn.-praktich. Konf. tvorcheskoy molodyeji «Aktualnie problemi aviatsii i kosmonavtiki 8-12 aprelya 2014». [Abstracts of all-Russian scientific-practical Conf. creative young people "Actual problems of aviation and cosmonautics" 8-12 April 2014]. Krasnoyarsk: Siberian state aerospace University, 2014. Vol. 1. p. 153-154.

3. Sidorov S. V., Eresko T. T. [To define the parameters of gas content of two-phase flow]. Tezisi Vseros. nauchn.-praktich. Konf. tvorcheskoy molodyeji «Aktualnie problemi aviatsii i kosmonavtiki 8-12 aprelya 2014». [Abstracts of all-Russian scientific-practical Conf. creative young people "Actual problems of aviation and cosmonautics" 8-12 April 2014]. Krasnoyarsk: Siberian state aerospace University, 2014. Volume 1. P. 154-155.

4. Sidorov S. V. [On the hydrodynamics of the elements of the hydraulic drive and parameters determining the gas content]. Мaterialy XVIII Mezhdunar. nauch. konf. "Reshetnevskie chteniya" [Materials XVIII Intern. Scientific. Conf "Reshetnev reading"]. Krasnoyarsk, 2014, p. 309-311.

© Сидоров С. В., Ереско С. П., 2015

УДК 625.731.813.001.5

РАЗРАБОТКА СПОСОБА И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ГОЛОВКИ РЕЛЬСА

А. В. Стручков, А. А. Климов

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

E-mail: str-alex-v@mail.ru

Приведен анализ причин износа рабочих поверхностей головки рельса, как технологических путей авиа- и ракетостроительных предприятий, так и магистральных, влияющего на безопасность движения поездов при транспортировке изделий ракетно-космической техники, грузов снабжения. Дается описание предлагаемого устройства для повышения износостойкости рабочих поверхностей головки рельса, позволяющего увеличить безопасность движения.

Ключевые слова: износ, способ термической обработки, износостойкость, твердость.

METHOD AND DEVICE FOR IMPROVING THE WEAR RESISTANCE OF THE WORKING SURFACE OF RAIL HEAD

А. V. Struchkov, A. A. Klimov

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation. E-mail: str-alex-v@mail.ru

The research analyses the causes of worn working surfaces of the rail head, as technological ways to aviation and rocket-building enterprises as well as backbone railway undertakings, affecting the security of trains to ship products

of rocket and space technology, good supplies. The work describes the proposed device to enhance the durability of working surfaces of the rail head, which allows to increase road safety.

Keywords: wear, heat treatment method, wear resistance, hardness.

Из практики эксплуатации железнодорожных путей известно, что материал рельсов представляет собой углеродистую сталь с содержанием углерода 0,6... 0,82 %. Такой состав определяет значительный уровень твердости, который сопровождается увеличенной хрупкостью. Исходная твердость сырого материала в настоящее время не устраивает эксплуатационников, и рельсы подвергаются закалке на бейнит (HRC40). При этом закаливается головка рельса, а избыточное тепло подошвы поступает в центральную часть головки рельса и, двигаясь к периферии, отпускает закаленную сталь. В результате получается поверхность повышенной твердости и отпущенная центральная часть головки, имеющая структуру отпущенного перлита, переходящего в сорбит и тростит к поверхности. Такая структура стали по сечению головки обеспечивает значительную твердость поверхности и хорошую вязкость сердцевины.

Следует отметить, что незакаленные рельсы имеют срок службы в кривых в два раза меньше, чем закаленные.

Износ боковых поверхностей рельсов идет в несколько стадий, что определяется слоистой структурой головки рельса. В первоначальный период изнашивается поверхность на глубину 7-10 мм (бейнита), а затем начинается процесс пластической деформации головки (сорбит, тростит), и металл рельса выдавливается в ее нижнюю часть, образовывая наплывы, которые периодически скалываются. Такой износ может достигать 15.17 мм, считается оптимальным, так как рельс получает профиль, наиболее соответствующий усредненному (эксплуатационному) профилю колес. Далее сложившийся профиль рельса продвигается вглубь головки, достигая предельных величин износа.

Большую твердость и меньший износ имела бы структура мартенсита на поверхности рельсов, но мартенсит имеет пониженную наработку по циклической прочности, что приводит к осповидному износу поверхности и в дальнейшем к усилению ее износа.

Бейнит имеет пониженную износостойкость по сравнению с мартенситом, но обладает повышенной вязкостью по сравнению с ним, поэтому в первоначальный период износ мартенсита имеет меньшие значения, а при появлении осповидного износа этой структуры сравнительная стойкость к износу бейнита понижается.

Таким образом:

- увеличение твердости боковых поверхностей рельсов за счет закалки на бейнит (в 1,5.2,0 раза по сравнению с сырой сталью) приводит к увеличению срока службы рельсов на проблемных участках пути не менее чем в два раза;

- увеличение твердости рельса закалкой на мартенсит (в 1,3.1,5 раза по сравнению со структурой бейнита) приводит к увеличению срока службы еще не менее чем в 1,3.1,5 раза.

Чтобы не изменять вязкостные характеристики головки рельса, мартенситная структура может располагаться только в поверхностных слоях поверхности износа.

Мартенситная структура приемлема при износах не боле 1,5.2,0 мм от поверхности, далее начинается осповидный износ.

Чтобы управлять процессом износа рельсов в паре с колесом, необходимо резко повысить твердость контактного слоя и контролировать износ его в пределах 1,5.2,0 мм, поддерживая твердость на уровне мартенсита периодическим проведением закалки, не прерывая движение поездов.

Такой подход позволяет возобновлением твердости поверхности контакта рельсов с колесами избавиться от осповидного износа и увеличить срок службы рельсов до предельных значений на проблемных участках в 10.20 раз.

Известно несколько способов поверхностного упрочнения металлических изделий, в том числе и рельсов, высококонцентрированными источниками нагрева с последующим охлаждением.

Однако эти способы имеют существенные недостатки: необходимость сложного и дорогостоящего оборудования, применение преимущественно для закалки небольших поверхностей, сложность или невозможность использования на путях, неточная регулировка толщины и температуры закаливаемого слоя, сложность точного обеспечения необходимых характеристик структуры рабочих поверхностных слоев металла из-за большой степени неоднородности распределения углерода в микрообъемах аустенита и мартенсита.

Для повышения долговечности и износостойкости рельсовых путей нами был предложен способ термообработки рабочей поверхности головки рельса и устройство для его реализации, который заключается в осуществлении поверхностной электроконтактной термообработки рабочей поверхности головки рельса, проводимой в наиболее изнашиваемых участках непосредственно на путях без демонтажа рельсов.

Термообработку рабочей поверхности головки рельса осуществляют электроконтактным нагревом с пропусканием электрического тока через контактные элементы, прижимаемые к обрабатываемой поверхности под давлением с последующим охлаждением зоны нагрева, причем обработку осуществляют на участках рабочей поверхности головки рельса при достижении критического износа поверхностного слоя рельса, составляющего 1,5.2,0 мм и имеющего мартенсит-ную структуру, при этом электроконтактный нагрев рабочей поверхности головки рельса осуществляют до температуры закаливания 850 °С и охлаждают водой с температурой 18-20 °С, а перед термообработкой проводят коррекцию рабочей поверхности головки рельса шлифованием.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, выполнено агрегатируемым путевой машиной с возможностью движения по действующему рельсовому пути, в виде тележки на колесах с двумя ребордами 1, содержит раму, состоящую из подвижной 4 и неподвижной 2 частей, на неподвижной раме выполнены направляющие (салазки) 3 перпендикулярно направлению движения для перемещения подвижной части рамы, на которой установлены с двух сторон последовательно по ходу движения устройства посредством кронштейнов 5 и телескопических штанг 6 и 7 шлифовальные головки 8 с приводом 9, скользящие нагревательные контактные элементы 10, нагревательные контактные ролики 11 и сопла охлаждающего устройства 12, при этом подвижная рама соединена с неподвижной посредством гидроцилиндра 13 двустороннего действия с двусторонним штоком, нагревательные элементы 10, 11 и шлифовальные головки 8 содержат регуляторы 14 силы прижатия к рабочей боковой поверхности головки рельса, нагревательные элементы соединены с телескопическими штангами 7 через изолирующие элементы 15, а нагревательный контактный ролик 11 имеет токосъемник 16 с поджимаемыми пружинами 17 (рис. 1-4).

Регуляторы силы прижатия к рабочей боковой поверхности головки рельса состоят из телескопических штанг 6 и 7, пружины 18, регулировочного винта 19 с контргайкой 20, фиксирующих винтов 21.

Предлагаемый способ термообработки рабочей поверхности головки рельса осуществляется следующим образом.

Поверхностную электроконтактную термообработку боковой поверхности головки рельса осуществляют непосредственно на проблемных (криволиней-

ных) участках пути. Устройство, реализующее данный способ, например, предварительно может устанавливаться с помощью гидравлической навесной системы на путевую машину (рельсосварочный поезд), которая обеспечит энергией гидравлическую, электрическую и охлаждающую системы устройства и обеспечит его перемещение с заданной технологической скоростью, с помощью регуляторов силы прижатия 14 устанавливается необходимая сила прижатия контактного нагревательного ролика 11 к обрабатываемой поверхности - 10 кН и сила прижатия шлифовальной головки 8 - 20.25 Н.

Исходя из конструкции головки рельса закалка боковой рабочей поверхности головки рельса осуществляется сплошной лентой шириной 25 мм (рис. 1).

Поскольку изношенная головка рельса изменяет свой профиль, то перед термообработкой проводят коррекцию рабочей поверхности головки рельса шлифованием с помощью шлифовальной головки 8.

Температура под поверхностную закалку, учитывая разброс в содержании углерода, составляет 850 оС. Нагрев поверхностного слоя обеспечивается электроконтактным способом. В качестве электроконтактного элемента используется медный ролик 11 диаметром 200 мм и шириной 25 мм, позволяющий получить закаленную поверхность в виде непрерывной ленты шириной 25 мм. Для нагрева пропускается ток силой 10 000 .12 000 А при напряжении 4.10 V, обеспечивающем безопасность от поражения.

Контактный ролик охлаждается водой от входного и выходного сверлений в оси ролика.

Токоподвод к контактному ролику и токоотвод осуществляются через скользящие токосъемники 10 и 16.

Рис. 1. Схема устройства для осуществления повышения износостойкости рельсовых путей

г 1 з 4 13

Рис. 2. Тележка (фронтальный вид) 350

Рис. 3. Шлифовальная головка

Рис. 4. Контактный нагревательный ролик

Нагретая поверхность рельса охлаждается водой с температурой 18-20 °С из распылительного устройства 12, следующего за контактным роликом 11. Полученная в результате закалки структура мартенсита за счет избыточного тепла, поступающего из зоны, расположенной ниже поверхности, получает низкий отпуск, увеличивающий вязкость структуры мартенсита, твердость при этом почти не снижается и составляет 50... 55 ИЯС. Глубина закаленной зоны может регулироваться изменением силы тока при постоянной скорости движения или изменением скорости движения при постоянных значениях тока. Базовая скорость движения, обеспечивающая глубину закалки 2,0 мм, составляет 10 м/мин. Усилие давления ролика на обрабатываемую поверхность составляет 10 кН из расчета минимального искрения и пластического деформирования поверхностного слоя.

Периодичность повторной закалки может регулироваться по достижении критического износа мартен-ситного слоя, составляющего 1,5.2,0 мм, метрологическим методом или статистическим - по учету пропущенного тоннажа.

Например, в соответствии с инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути № ЦП-774, в плановом порядке с использованием диагностических средств осуществляется исследование состояния участков пути (в том числе и степень износа рельсов) в соответствии с графиком, утвержденным начальником дистанции пути. В результате чего регистрируются и промеры износа рабочих боковых поверхностей головки рельсов кривых (криволинейных участков).

Результаты контроля состояния пути подлежат выгрузке в Единую технологическую базу данных (ЕТБ) Единой корпоративной автоматизированной системы

управления инфраструктурой (ЕК АСУИ) для долговременного хранения и дальнейшего использования при паспортизации пути, решения задач анализа, оценки и прогнозирования, для планирования ре-монтно-путевых работ.

При выявлении на отдельных кривых износа рабочих боковых поверхностей головки рельсов, достигшего критической величины (1,5.2,0 мм), проблемные участки подвергаются предлагаемой обработке.

Преимущество предложенного способа повышения износостойкости рельсовых путей заключается в повышении долговечности и износостойкости рельсовых путей путем управления процессом износа и осуществления поверхностной электроконтактной термообработки рабочей поверхности головки рельса, проводимой в наиболее изнашиваемых участках непосредственно на путях без демонтажа рельсов.

Библиографические ссылки

1. Вопреки логике и здравому смыслу. Проблема «колесо-рельс» // Евразия Вести. 2012. № 1. С. 11.

2. О перспективах использования рельсов повышенной износостойкости на технологических путях промышленных предприятий // Промышленный транспорт XXI век. 2011. № 5-6. С. 48-51.

References

1. Contrary to logic and common sense. The problem of "wheel-rail" Eurasia news. 2012. No 1. р. 11.

2. On the prospects of using rails with advanced durability on the technological ways of industrial enterprises. Industrial transport XXI, No. 5-6, 2011, р. 48-51.

© Стручков А. В., Климов А. А., 2015