СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БУКСОВЫХ НАЛИЧНИКОВ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
RECONDITIONING OF RUNNING GEAR BOGIE PEDESTAL JAW-LINERS

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, а именно к ремонтному производству, и может быть использовано при ремонте тележек грузовых вагонов и локомотивов железнодорожного подвижного состава.
Общеизвестно, что у новых тележек железнодорожного подвижного состава букса и буксовые наличники рамы тележки выполнены с зазором, обеспечивающим лучшее прохождение тележкой кривых участков пути. При движении локомотива или вагона за счет этого зазора букса колеблется относительно буксовых наличников. Силы трения, возникающие при взаимном перемещении буксы и буксовых наличников, приводят к износу взаимодействующих поверхностей.
Известны способы восстановления буксовых наличников рамы тележки различными методами: наплавкой изношенных буксовых наличников до нормативных размеров или заменой изношенных буксовых наличников на новые.
Однако закрепление новых буксовых наличников на буксовом проеме рамы тележки в известных способах восстановления буксовых наличников не обеспечивают необходимой прочности их соединения, которая является одним из факторов, обеспечивающих безопасность движения поездов.
Известен способ восстановления буксовых наличников рамы тележки железнодорожного подвижного состава, позволяющий восстанавливать буксовые наличники тележки грузового вагона до нормативного размера и предусматривающий закрепление на восстанавливаемых поверхностях буксового проема рамы тележки замещающей накладки (наличника) [Пат. 2294275 РФ, МПК B23P 6/00, B61FK 5/32. Способ восстановления буксовых направляющих боковых рам тележки / Круглов В.М., Попов С.И., Самарин Н.Я.; патентообладатель. Государственное унитарное предприятие «Уральское отделение Всероссийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорта Министерства путей сообщения Российской Федерации» - №2005121080/11; заявл. 05.07.2005; опубл. 27.02.2007, Бюл. №14].
В грузовых вагонах буксовые наличники тележки выполнены за одно целое с рабочими поверхностями буксового проема рамы тележки, изготовленной из низкоуглеродистой стали.
Для таких буксовых наличников рамы тележки способ их восстановления заключается в удалении изношенных наличников путем механической обработки каждой рабочей поверхности буксового проема тележки на глубину, предельно допускаемого износа (5-8 мм), в изготовлении замещающей накладки и закреплении ее в буксовом проеме рамы тележки. При этом стенка буксового проема рамы тележки становится составной.
Замещающую накладку предварительно изготавливают из высокоуглеродистой прокатной листовой стали марки 45 шириной, превышающей ширину рабочей поверхности буксового проема для ее закрепления напусками на буксовом проеме, и толщиной, равной глубине механической обработки.
Закрепление замещающей накладки на рабочей поверхности буксового проема рамы тележки осуществляют следующим образом.
Замещающую накладку предварительно нагревают до температуры 900-950°C, затем накладывают ее на восстанавливаемую рабочую поверхность буксового проема рамы тележки с одновременным прижатием ее статической силой, не вызывающей появления остаточной деформации рамы тележки. Далее напуски замещающей накладки загибают на тыльную сторону стенки буксового проема. В завершении горячего прессования и полного охлаждения получают восстановленные буксовые наличники нормативных размеров. В начальный период эксплуатации восстановленные буксовые наличники работают как новые.
С течением времени эксплуатации тележки действие знакопеременной силы трения приводит к износу замещающей накладки и постепенному разгибанию ее загнутых напусков.
В результате разгибания загнутых напусков происходит ослабление прессового соединения замещающей накладки с рабочими поверхностями буксового проема рамы тележки.
Замещающая накладка начинает двигаться относительно рабочей поверхности буксового проема рамы тележки, что приводит к интенсивному износу последней и требует повторного ее восстановления.
Однако повторное восстановление буксовых наличников не представляется возможным, что обусловлено ограничением толщины стенки буксового проема после механической обработки. После повторной механической обработки толщина стенок буксового проема становится меньше допустимой, и буксовый проем не подлежит восстановлению, что приводит к выходу из эксплуатации всей рамы тележки.
Таким образом, недостаток известного способа заключается в низкой прочности соединения замещающей накладки и рабочих поверхностей буксового проема рамы тележки. Другой недостаток известного способа состоит в невозможности многократного восстановления буксового проема рамы тележки.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ восстановления буксовых наличников рамы тележки тепловоза, позволяющий восстанавливать буксовые наличники до нормативного размера и предусматривающий замену изношенных буксовых наличников на новые [Инструкция по сварочным и наплавочным работам при ремонте тепловозов, электровозов, электропоездов и дизель-поездов. - М.: Транспорт, 1996. с.177].
В тепловозах буксовые наличники рамы тележки выполнены из высокоуглеродистой стали и закреплены на рабочих поверхностях буксового проема рамы тележки из низкоуглеродистой стали.
Для таких буксовых наличников рамы тележки способ их восстановления заключается в снятии изношенного буксового наличника механическим путем и в замене его на новый буксовый наличник.
После снятия изношенного буксового наличника из высокоуглеродистой стали марки 60Г или 65Г рабочую поверхность буксового проема рамы тележки подготавливают (зачищают) для установки на нее замещающего буксового наличника нормативной толщины из высокоуглеродистой стали марки 60Г или 65Г.
Закрепление замещающего буксового наличника на рабочей поверхности буксового проема рамы тележки осуществляют следующим образом.
Вначале замещающий буксовый наличник нагревают по кромкам до температуры, при которой происходит небольшое их оплавление. Затем каждый замещающий буксовый наличник точечно закрепляют струбцинами по всей рабочей поверхности буксового проема рамы тележки для предотвращения его перекоса при дальнейших этапах закрепления. Далее нагретый замещающий буксовый наличник приваривают дуговой сваркой по всем кромкам к рабочей поверхности буксового проема рамы тележки. Таким образом, буксовый проем рамы тележки восстанавливают до нормативных размеров.
При сварке высокоуглеродистой и низкоуглеродистой стали в процессе охлаждения в сварном шве и околошовной зоне происходит образование цементита и появление значительных собственных напряжений, вызывающих появление микротрещин. Образование цементита и появление микротрещин в сварном шве делает его хрупким за счет большого содержания углерода в высокоуглеродистой стали [Справочник сварщика: Под общ. ред. В.В. Степанова. - М.: Машиностроение, 1983. С.560].
В процессе эксплуатации тележки действие на замещающий буксовый наличник знакопеременных сил трения и вибраций приводит к развитию микротрещин и макротрещин в хрупких сварных швах. По мере развития трещин в сварном шве появляются разрывы в соединении, которые уменьшают прочность соединения замещающего буксового наличника с рамой тележки. Ослабление сварного соединения приводит к смещению замещающего буксового наличника относительно рабочей поверхности буксового проема рамы тележки, что вызывает повышение интенсивности износа замещающего буксового наличника и, в крайнем случае, к выпадению его из буксового проема. Это приводит к увеличению зазоров между буксой и буксовой направляющей рамы тележки до недопустимой величины, что снижает уровень безопасности движения поездов.
Буксовый проем рамы тележки может быть вновь восстановлен известным способом. Процесс восстановления может повторяться в течение всего срока службы рамы тележки.
Достоинством известного способа является возможность многократного восстановления буксового проема рамы тележки.
Недостаток известного способа заключается в низкой прочности соединения замещающего буксового наличника с рабочей поверхностью буксового проема рамы тележки, что обусловлено недостаточным для работы качеством сварного шва за счет плохой свариваемости образующих его высокоуглеродистой и низкоуглеродистой сталей.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке способа восстановления буксовых направляющих рамы тележки железнодорожного подвижного состава, который обеспечивает повышение прочности соединения замещающего буксового наличника с рабочей поверхностью буксового проема рамы тележки за счет улучшения качества сварного шва благодаря хорошей свариваемости образующих его низкоуглеродистых сталей.
Для решения поставленной задачи в способе восстановления буксовых наличников рамы тележки железнодорожного подвижного состава, заключающемся в снятии с буксового проема рамы тележки из низкоуглеродистой стали изношенного буксового наличника и в закреплении приваркой в буксовом проеме рамы тележки нового замещающего буксового наличника с рабочей поверхностью из высокоуглеродистой стали, перед закреплением замещающего буксового наличника на поверхности буксового проема рамы тележки его изготавливают двухслойным путем нанесения высокоуглеродистого слоя стали на пластину из низкоуглеродистой стали электродуговой наплавкой под слоем флюса, при этом замещающий буксовый наличник своей низкоуглеродистой пластиной приваривают к буксовому проему.
Кроме того, при нанесении электродуговой наплавкой высокоуглеродистого слоя стали на пластину из низкоуглеродистой стали используют низкоуглеродистую проволоку и флюс с содержанием углерода не менее 5,0-7,0%.
Заявляемый способ отличается от способа-прототипа тем, что новый замещающий буксовый наличник предварительно изготавливают двухслойным путем нанесения высокоуглеродистого слоя стали на пластину из низкоуглеродистой стали электродуговой наплавкой под слоем флюса и приваривают его к буксовому проему своей низкоуглеродистой поверхностью.
Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Предварительное изготовление нового замещающего буксового наличника двухслойным путем нанесения высокоуглеродистого слоя стали на пластину из низкоуглеродистой стали электродуговой наплавкой под слоем флюса, и приварка его к буксовому проему своей низкоуглеродистой поверхностью приводит к повышению прочности соединения замещающего буксового наличника с рабочей поверхностью буксового проема рамы тележки. Это обусловлено тем, что улучшается качество сварного шва благодаря хорошей свариваемости образующих его низкоуглеродистых сталей.
Причинно-следственная связь «Предварительное изготовление нового замещающего буксового наличника двухслойным путем нанесения высокоуглеродистого слоя стали на пластину из низкоуглеродистой стали электродуговой наплавкой под слоем флюса, и приварка его к буксовому проему своей низкоуглеродистой поверхностью приводит к повышению прочности соединения замещающего буксового наличника с рабочей поверхностью буксового проема рамы тележки» не обнаружена в уровне техники, следовательно, она является новой. Наличие новой в уровне техники причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Способ восстановления буксовых наличников рамы тележки железнодорожного подвижного состава заключается в снятии изношенного буксового наличника с рабочей поверхности буксового проема рамы тележки механическим путем, в изготовлении нового замещающего буксового наличника и в закреплении его на рабочей поверхности буксового проема рамы тележки.
В новых тепловозах буксовые наличники рамы тележки выполнены из высокоуглеродистой стали и закреплены на рабочих поверхностях буксового проема рамы тележки из низкоуглеродистой стали.
При износе буксового наличника, выполненного из высокоуглеродистой стали марки 60Г или 65Г, до предельно допустимой величины его удаляют, срезав, например, газовой горелкой с буксового проема рамы тележки. После удаления изношенного буксового наличника рабочую поверхность буксового проема рамы тележки подготавливают, зачищая ее от брызг и заусенцев, для установки на нее нового замещающего буксового наличника нормативной толщины.
Новый замещающий буксовый наличник представляет собой двухслойную пластину нормативной толщины, один слой которой выполнен из низкоуглеродистой стали, а другой - из высокоуглеродистой стали.
Новый замещающий буксовый наличник изготавливают следующим образом. На пластину из низкоуглеродистой стали, содержащей 0,14-0,22% углерода, например, марки Ст3сп наносят электродуговой наплавкой слой из высокоуглеродистой стали, содержащей 0,57-0,65% углерода, например, как в стали марки 60Г.
Для этого пластину из низкоуглеродистой стали выбирают с предельно минимально допустимой толщиной и с габаритами стандартного буксового наличника. Например, для тележки тепловоза ТЭМ2 минимальная толщина пластины принимается 3 мм.
Наплавку слоя из высокоуглеродистой стали на пластину из низкоуглеродистой стали осуществляют под слоем флюса, например, на сварочном автомате низкоуглеродистой сварочной проволокой, содержащей 0,10-0,12% углерода и 1,8-2,1% марганца, например Св-10Г2. Для наплавки используют флюс с высоким содержанием углерода, например, флюс, состоящий из 93,0-95,0% типового флюса АН-348-В с добавлением в него 5,0-7,0% графитовой крупки [Сварочные материалы для дуговой сварки: Сварочное пособие: В 2-х т.Т. 1. Защитные газы и сварочные флюсы / Б.П. Конищев, С.А. Курланов, Н.Н. Потапов и др.; Под общ. Ред. Н.Н. Потапова. - М.: Машиностроение, 1989. С.268-269].
При наплавке расплавленный флюс взаимодействует с расплавленным металлом проволоки и пластины, при этом ионы углерода из флюса насыщают расплавленный металл, который после охлаждения содержит 0,57-0,65% углерода и 0,7-1,0% - марганца. Наплавленный на низкоуглеродистую пластину слой является высокоуглеродистым и по химическому составу, а также физическим свойствам, идентичным стали 60Г.
После наплавки пластину очищают от шлака и механически обрабатывают наплавленный слой до получения пластины толщиной, равной нормативной толщине стандартного буксового наличника. Например, для тележки тепловоза ТЭМ2 толщина готового замещающего буксового наличника составляет 6,0-7,0 мм.
Таким образом, получают новый двухслойный замещающий буксовый наличник, один слой которого выполнен из низкоуглеродистой стали, а другой - из высокоуглеродистой стали.
Для закрепления каждого замещающего буксового наличника его вначале располагают слоем из низкоуглеродистой стали на рабочей поверхности буксового проема рамы тележки. Таким образом, поверхность буксового проема рамы тележки из низкоуглеродистой стали контактирует с поверхностью замещающего буксового наличника также из низкоуглеродистой стали.
Затем замещающий буксовый наличник точечно соединяют струбцинами с рабочей поверхностью буксового проема рамы тележки для предотвращения его перекоса при дальнейших этапах закрепления.
Далее замещающий буксовый наличник приваривают дуговой сваркой по всем кромкам к рабочей поверхности буксового проема рамы тележки. В результате буксовый проем рамы тележки восстанавливают до нормативных размеров.
При сварке низкоуглеродистых сталей в процессе охлаждения происходит образование плотного и однородного сварного шва без внутренних напряжений и микротрещин, что обусловлено малым содержанием углерода в свариваемых металлах [Справочник сварщика: Под общ. ред. В.В. Степанова. - М.: Машиностроение, 1983. С.560].
Таким образом, достигается повышение прочности соединения замещающего буксового наличника с поверхностью буксового проема рамы тележки за счет улучшения качества сварного шва благодаря хорошей свариваемости образующих его низкоуглеродистых сталей.
В результате получают замещающий буксовый наличник, хорошо соединенный с рамой тележки и имеющий рабочую поверхность, взаимодействующую с буксой, из высокоуглеродистой износостойкой стали, что соответствует нормативным требованиям.
Получение сварного шва без микротрещин позволяет эксплуатировать замещающий буксовый наличник до его предельно допустимого износа. После достижения предельно допустимой величины износа замещающего буксового наличника его вновь восстанавливают вышеописанным способом. Процесс восстановления может повторяться в течение всего срока службы рамы тележки.
Проверка работоспособности заявляемого способа восстановления буксовых наличников рамы тележки железнодорожного подвижного состава осуществлялась в лаборатории сварки кафедры «Технологии металлов» ДВГУПС. Наплавку осуществляли аппаратом для автоматической наплавки ТС-17М-1 с источником питания ТДФ-1001, силой тока 200 А проволокой Св-10Г2 диаметром 1.6 мм.
Для выполнения химического, металлографического анализов и механических испытаний использовались образцы, согласно требованиям соответствующих ГОСТов.
Анализ химического состава полученных сплавов проводили на рентгеновском спектрометре "СПЕКТРОСКАН".
Исследование полученных сплавов на износостойкость осуществлялось в соответствии с ГОСТ 17367-71 «Металлы. Метод испытания на абразивное изнашивание при трении о закрепленные абразивные частицы» на машине трения ИИ-5018 в условиях трения без смазки при нагрузке 200 Н. Материалом эталонного образца служила сталь 40ХН, закаленная в масле (HRC 50-52).
Исследование твердости проводилось в соответствии с ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Бринеллю». Испытания на ударную вязкость проводились в соответствии с ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенных температурах». Испытания на прочность при разрыве проводились в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение».
Внутренние дефекты сварных швов определялись ультразвуковым дефектоскопом УД-12П с призматическими и раздельно-совмещенными преобразователями по ГОСТ 14782-86 «Контроль неразрушающий. Соединения сварные. Методы ультразвуковые».
Результаты исследования химического состава и механических свойств наплавленного высокоуглеродистого слоя металла по заявляемому способу и стали марки 60Г приведены в таблице 1.
Результаты испытания сварных швов, полученных при сварке двух пластин, приведены в таблице 2. В первом примере сварные швы получали при сварке пластин выполненных из однородного металла - стали марки Ст3 (по заявляемому способу), одна из которых имитирует раму тележки, другая - привариваемую сторону буксового наличника. Во втором примере сварные швы получали при сварке пластин, выполненных из разных сталей, одна из которых, выполненная из стали марки Ст3, имитирует раму тележки, другая, выполненная из стали марки 60Г, - буксовый наличник.
Механические испытания сварных швов показали, что прочность швов, полученных с использованием заявляемого способа, по сравнению со сварными швами, полученными с использованием способа прототипа, увеличилась на 13,0-17,0%.
Увеличение прочности сварного шва, закрепляющего буксовый наличник на раме тележки, повышает уровень безопасности движения поездов.
Таблица 1
Химический состав и механические свойства металлов
Состав и свойства высокоуглеродистой стали рабочей поверхности наличника рамы тележки
Химический состав в %
Механические свойства
Углерод С
Кремний Si
Марганец Mn
Твердость НВ
износостойкость относительно стали 40ХН
Замещающий буксовый наличник в заявляемом способе, наплавленный металл
0,57-0,64
0,23-0,35
0,76-0,94
244-261
1,08
Замещающий буксовый наличник в прототипе, сталь марки 60Г
0,57-0,65
0,17-0,37
0,7-1,0
235-275
1,08
Таблица 2
Результаты механических испытаний сварных швов
Механические свойства
Предел прочности на растяжение, σ<sub>в</sub>, МПа
Угол загиба, α, град.
Ударная вязкость, α<sub>н</sub>, кДж/см<sup>2</sup>
Пример 1. Заявляемый способ
430-443
180°, трещин нет
17-18
Пример 2. Способ прототип
360-375
175°, трещины 15% от длины шва
14,6-15,5