СИЛОВОЕ СОЕДИНЕНИЕ ОСЕЙ ДЛЯ РЕЛЬСОВЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ СО СТУПИЦАМИ ЭЛЕМЕНТОВ ТРАНСМИССИИ

Область техники, к которой относится настоящая полезная модель
Настоящая полезная модель относится к силовому соединению осей для рельсовых транспортных средств с посаженными на них колесами или другими элементами трансмиссии.
Предшествующий уровень техники настоящей полезной модели
На оси устанавливают или напрессовывают колеса, подшипники и другие функциональные элементы, такие как муфты, приводные механизмы, зубчатые колеса, тормозные диски и аналогичные устройства. В настоящее время, в процессе сборки и последующего демонтажа функциональным поверхностям контакта этих элементов причиняются повреждения, вызываемые износом, и необходимо либо ремонтировать ось для достижения калиброванного размера, т.е., уменьшать диаметр, либо даже выводить ось из эксплуатации. Это снижение качества поверхности происходит из-за нескольких факторов, важнейшими из которых являются условия адгезивного износа, коррозии и шероховатости поверхности - напряжения растяжения-сжатия, оказывающие негативное влияние на усталостную прочность. Важную роль также играет геометрия отдельных поверхностей, которые находятся в контакте, т.е. размеры и качество поверхностей и их форма, такая как цилиндрическая форма.
В случае низких скоростей и высокого контактного давления происходит адгезивный износ. Имеются так называемые локальные швы холодной сварки, прочность которых может быть выше, чем прочность основного материала. Результатом является вырывание частиц материала с меньшей прочностью.
При нормальных условиях, большинство поверхностей металла покрыты слоем адсорбированных газов и продуктов химических реакций, обычно - оксидов. Оксидный слой является очень тонким, и при контакте с шероховатостями поверхности, присущим поверхности контакта, он легко разрушается и обнажает основной материал. В случае контакта двух обнаженных частей поверхности, образуется локальный сварной шов. В противном случае, почти сразу же происходит повторное окисление обнаженной поверхности.
Если скорость абразивного истирания окислительного слоя ниже, чем скорость повторного окисления, происходит лишь незначительный адгезивный износ. Адгезивный износ также является умеренным в случае материалов с низкими характеристиками адгезии, таких как упрочненная сталь, неметаллические материалы или химически термообработанные поверхности. В отличие от этого, сильный адгезивный износ возникает в случае интенсифицированного взаимодействия поверхностей при повышенных скоростях и нагрузках или при отсутствии стабильного оксидного слоя на поверхности.
На современном уровне развития, когда надежное функционирование оси достигается только за счет преждевременного вывода из эксплуатации деталей с упомянутыми дефектами поверхности, присущими функциональным поверхностями, эту ситуацию следует считать неудовлетворительной, в частности, по экономическим причинам.
Единственным допустимым изменением является механическая обработка поврежденных поверхностей при так называемых калиброванных размерах, т.е. уменьшение размера функциональной поверхности оси с одновременной адаптацией размера зазора в ответной части. После механической обработки до второго калиброванного размера и последующего износа, ось нужно изъять и утилизировать.
Целью настоящей полезной модели является предоставление такого соединения осей для рельсовых транспортных средств с посаженными на них другими элементами трансмиссии, где вышеупомянутые недостатки отсутствуют, а в дополнение к этому будут сохранены все остальные признаки, которые гарантируют долговечность и надежность. Цель также заключается в том, чтобы гарантировать воспроизводимые результаты всех существующих способов измерения, используемых при контрольных мероприятиях, особенно при звуковых и ультразвуковых измерениях. Таким образом, конечной целью является максимальное продление срока службы соединений между осями и элементами трансмиссии.
Краткое раскрытие настоящей полезной модели
Вышеупомянутые недостатки устраняются посредством предлагаемого силового соединения осей для рельсовых транспортных средств с посаженными на них элементами трансмиссии, в котором на функциональных поверхностях оси, которые предназначены для расположения ступицы элемента трансмиссии, имеется покрытие на основе сплава никеля толщиной 0,15-1 мм, а на поверхность контакта ступицы элемента трансмиссии нанесено покрытие на основе сплава железа толщиной 0,15-1 мм.
Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления элемент трансмиссии представляет собой колесо, шестерню или подшипник.
Таким образом, благодаря полученным свойствам материала полностью исключаются вышеупомянутые проблемы, а также гарантируется повышенная надежность при эксплуатации рельсовых транспортных средств. Преимущество заключается в том, что покрытия можно наносить и на функциональные поверхности новых осей или элементов трансмиссии, и на все функциональные поверхности изношенных осей - так что их можно обновлять и тем самым продлять их срок службы. В случае повреждения покрытия, например, во время манипуляций, можно нанести покрытие снова после удаления старого покрытия.
Краткое описание фигур
Настоящая полезная модель будет дополнительно описана со ссылками на прилагаемые фигуры, где
на фиг. 1 представлен схематический вид оси рельсового транспортного средства со ступицей элемента трансмиссии;
на фиг. 2 представлен местный вид силового соединения, показанного на фиг. 1, с покрытием в соответствии с настоящей полезной моделью, предусмотренным только на оси транспортного средства; и
на фиг. 3 представлен местный вид силового соединения, показанного на фиг. 1, с покрытием в соответствии с настоящей полезной моделью, предусмотренным как на оси, так и на ступице.
Предпочтительные варианты осуществления настоящей полезной модели
На фиг. 1 представлен схематический общий вид силового соединения между осью 1 и ступицей 2 обычного элемента трансмиссии с местным видом D соединения, который будет дополнительно рассмотрен ниже.
На фиг. 2 представлен местный вид D силового соединения, показанного на фиг. 1. Согласно этому первому варианту осуществления силовое соединение обеспечивается посредством покрытия 4 в соответствии с настоящей полезной моделью, нанесенного на ось 1. Соответствующая предварительно подготовленная осевая функциональная поверхность 3 снабжена покрытием 4 на основе никеля, которое выполнено по технологии высокоскоростного теплового напыления (HVOF). Толщина покрытия составляет 0,15-1 мм. На эту поверхность 3 в качестве элемента трансмиссии напрессована ступица 2 приводного механизма рельсового транспортного средства (не показано), но это может быть и колесо, подшипник, шестерня и аналогичный элемент.
На фиг. 3 представлен местный вид D силового соединения, показанного на фиг. 1. Согласно этому второму варианту осуществления силовое соединение создано посредством покрытия, нанесенного также на ступицу 2 элемента трансмиссии. Соответствующая функциональная поверхность 5 ступицы снабжена покрытием 4' на основе сплава железа, которое нанесено способом плазменного напыления в воздухе. Толщина покрытия составляет 0,15-1 мм. После чего на ось 1 рельсового транспортного средства (не показано) напрессована ступица 2 приводного механизма с покрытием 4'.
Необходимо, чтобы компоненты с обновленными поверхностями можно было повторно напрессовывать друг на друга. Если покрытие присутствует лишь на оси, а на ступице обновления нет, то функционирование оказывается приемлемым, а усилия напрессовывания находятся в пределах нормы. Все же, если необходимо обновлять как поверхность оси, так и поверхность ступицы, то нужно решить проблему покрытия на ступице.
Тест показал, что если покрытие на основе сплава никеля наносят также на ступицу, то свойства скольжения одинаковых покрытий не позволяют напрессовывать компоненты друг на друга посредством обычных усилий напрессовывания (только посредством увеличенных - за допустимые пределы). Поэтому на ступице необходимо наносить покрытия на основе железа (высоколегированных сталей). Тогда поведение в процессе напрессовывания оказывается стандартным.
Выполнение покрытий по технологии теплового напыления представляет собой постепенный процесс создания покрытий толщиной обычно более 50 мкм. Снабженный покрытием материал в виде порошка или проволоки вводят в плавильное устройство. Здесь материал плавится и выпускается на покрываемую деталь. Ударившись о подложку, частица будет распределяться по поверхности и быстро станет неподвижной. Это приводит к созданию покрытия с характеристической слоистой структурой и специфическими свойствами. Источником тепловой энергии, требуемой для расплавления добавляемого материала, может быть либо процесс сгорания, либо электрическая энергия. В зависимости от конструкции оборудования и используемого источника энергии, среди базовых способов технологии теплового напыления можно выделить следующие: пламенное напыление - включая высокоскоростное пламенное напыление, плазменное напыление и электродуговое напыление.
По своему качеству и свойствам, покрытия, выполненные по технологии высокоскоростного газопламенного напыления (HVOF), значительно превышают сравнимые покрытия, созданные другими способами, воплощающими технологию теплового напыления. При анализе получаемых по технологии HVOF струй частиц карбида вольфрама и кобальта, обнаружено, что благодаря температурам процесса, пониженным по сравнению с плазменным напылением, разложение фаз карбида вольфрама не происходит, и поэтому свойства (особенно твердость) исходного материала сохраняются.
Порошки, используемые для теплового напыления, можно разделить на следующие группы:
чистые металлы (например, молибден, никель, медь);
сплавы (например, на основе железа, никеля, кобальта, меди);
2
3
2
3
2
2
2
оксидная керамика (например, CrO, AlO, ZrO, TiO, SiO);
3
2
3
2
неоксидная керамика - металлокерамические сплавы (например, WC, CrC или WC-Co, CrC-NiCr);
другие специальные порошки (например, сплав AlSi, агломерированный с 47% полиамида);
смеси порошков отдельных типов.
Важное преимущество при использовании технологии напыления заключается в том, что покрытие не нагревает основной материал до температур выше 80°C. Это означает, что во время обработки/нанесения не происходит ни деформация, ни термическая деградация основного материала.
Заявитель разработал и протестировал специальные покрытия, которые при использовании на посадочных местах под колеса, посадочных местах под подшипники или других поверхностях обеспечат совершенно новые свойства поверхности и обеспечат улучшенное функционирование силовых соединений осей на основе следующих усовершенствований.
Для новых осей:
- во время сборки и демонтажа не происходит износ;
- во время сборки и демонтажа не происходит образование задиров;
- защита от коррозии;
- повышение усталостной прочности благодаря напряжению сжатия, возникающему в напыляемом покрытии;
- электрическое сопротивление не превышается;
- гарантия качества силового соединения даже после повторяющихся замен колес;
- обеспечение того, чтобы предписанные значения давления наблюдались в пределах заданного интервала.
Для обновленных осей:
- продление срока службы оси за счет гарантии ремонта изношенных поверхностей;
- достижение всех преимуществ новых осей (см. выше).
Еще одним преимуществом является ремонтопригодность любых деталей осей, выбракованных производством. Вплоть до настоящего времени, в случае новых осей, где дефект может возникать во время изготовления, а диаметр области поверхности может оказаться ниже нижнего предела, приходится изымать из эксплуатации всю дорогостоящую деталь. Теперь же - с помощью технологии теплового напыления - такую деталь можно ремонтировать.
Следовательно, результатом предлагаемого решения является не только увеличение срока службы и повышение надежности оси с покрытием, улучшение функционирования оси и исключение существующих эксплуатационных дефектов, но и - в конечном счете - достижение значительной экономии.
Предлагаемая технология предусматривает следующее:
1. Поверхностную обработку функциональных поверхностей под покрытие;
2. Маскирование;
3. Обезжиривание;
4. Осуществление нанесения покрытия:
Обдувку;
Нанесение покрытия требуемой толщины (функциональная толщина + операционный припуск);
Удаление масок;
Очистку;
5. Обеспечение обработки покрытия в соответствии с прилагаемой технической документацией
6. Проведение заключительного контроля;
7. Упаковку;
8. Отправку готовой продукции.
Свойства покрытия на основе никеля являются следующими:
- адгезия покрытия к основному материалу осей 65-70 МПа;
- твердость покрытия 58-60 единиц твердости по Роквеллу в результате испытаний алмазным конусом при нагрузке 1,5 кН по шкале С (HRC);
- пористость до 1,5%;
- превосходная стойкость к задирам;
- превосходные свойства скольжения;
- высокая стойкость к коррозии и окислению;
- конструктивно-компоновочные параметры покрытий;
- толщина покрытия 0,15-1,0 мм;
- чистота поверхности покрытия после механической обработки Ra 0,20-0,40 мкм.
Свойства покрытия на основе железа:
- твердость 25-30 HRC;
- стойкость к окислению и коррозии при высоких температурах;
- рабочие температуры вплоть до 500°C.