Колпак скользуна, изготовленный из износостойкого чугуна

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и предназначена для модернизации зазорных скользунов тележек грузовых вагонов.
Колпак устанавливается на опору в надрессорной балке тележки и предназначен для удерживания кузова вагона при действии боковых сил. Также скользуны предназначены для гашения боковых колебаний кузова вагона, ограничения виляния тележки, повышения устойчивости движения вагона, улучшения работы подпятникового узла и уменьшения его износа. Колпак скользуна является промежуточной деталью между надрессорной балкой и верхней опорой кузова вагона. В настоящее время в результате проводимой модернизации тележек грузовых вагонов находят применение скользуны постоянного контакта. Однако самой массовой тележкой, эксплуатируемой на железных дорогах по настоящее время, является модель 18-100 с зазорными скользунами. Скользун указанной тележки устанавливается на приливах надрессорной балки и состоит из плоского колпака, регулировочных подкладок под колпак и болта с гайкой для закрепления колпака на приливе надрессорной балки (Шадур Л.А. и др., М. Транспорт, 1980, стр.439). В результате проведенной модернизация тележки модели 18-100 по проекту М1698 с целью повышения межремонтных пробегов тележек грузовых вагонов, которая заключалась в защите основных пар трения тележки от износов в эксплуатации, скользун был оборудован износостойким колпаком (РД 32 ЦВ 072-2005 «Руководящий документ ремонт тележек грузовых вагонов модели 18-100 с установкой износостойких элементов в узлах трения» ПКБ Филиал ОАО "РЖД" 12 октября 2005 г.). Тележка 18-100, прошедшая данную модернизацию, имеет обозначение 18-100М.
Из существующих технических решений известен колпак скользуна тележки грузового вагона модели 18-100М (чертеж М1698.01.100 СБ). Данный колпак выпускается двух модификаций – литой или штампосварной. Недостатком данного колпака является интенсивный износ поверхности колпака в процессе эксплуатации, в результате чего увеличивается зазор между колпаком и кузовом вагона и это приводит к ухудшению динамических характеристик вагона и необходимости замены плоского колпака и регулировочных подкладок. Выполнение данной операции требует отцепки грузового вагона от состава с дальнейшим подъёмом кузова на домкратах. В результате значительно увеличиваются простои вагона и эксплуатационные расходы.
Известно изготовление колпаков скользуна либо из сталей, либо из чугунов. При отливке колпаков из сталей достигается не очень высокий выход годного продукта, примерно до 60%. При отливке чугунных колпаков традиционно используется чугун ВЧ-120, который имеет выход годного продукта примерно до 85%, однако является недостаточно прочным.
Известно также изготовление колпаков скользуна с закалённой накладкой, но в таком случае подобный колпак имеет поверхность с высоким коэффициентом трения и быстро приводит к износу детали, находящиеся с ним в соприкосновении, а именно – опору вагона или скользуна кузова (вагона).
Наиболее близким к заявленному техническому решению является колпак скользуна тележки грузового вагона (патент RU156056U1 опубликованный 27.10.2015), недостатками данного технического решения является низкая прочность при ударно-фрикционных нагрузках, которая может проявляться в виде трещин и изломов при действии ударных динамических нагрузок в процессе эксплуатации.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является получение чугунного колпака скользуна, имеющего одновременно высокую износостойкость и повышенную прочность при действии ударно-фрикционных нагрузках, и как следствие обеспечивать высокую надежность в эксплуатации грузового вагона.
Данная задача решается за счёт того, что колпак скользуна тележки грузового вагона, содержащий литой корпус, который имеет во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение и состоит из верхней стенки с увеличенной толщиной, поперечных и продольных бортов усиленной конструкции за счет дополнительного ребра в сопрягаемых поверхностях. Литой корпус колпака выполнен из чугуна повышенной износостойкости способного работать в условиях ударно-фрикционного износа.
Для целей настоящей заявки по чугуном марки ЧМН-35М понимается чугун со следующими характеристиками: чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, алюминий, железо, сера, фосфор, медь, молибден, цирконий и барий при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод - 2,4-2,9, кремний - 1,2-1,5, марганец - 0,7-1,1, сера - 0,05-0,1, фосфор - 0,05-0,1, хром - 0,05-0,3, никель - 0,5-0,8, медь - 0,05-0,3, молибден - 0,6-0,9, цирконий - 0,0005-0,1, барий - 0,0005-0,1, кальций - 0,0005-0,1, алюминий - 0,0005-0,1, железо - остальное.
Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)7С3.
Введение углерода в количестве менее 2,4% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 2,9% способствует выделению повышенного количества твердой карбидной фазы, что также значительно понизит прочностные характеристики чугуна.
Сера в пределах 0,05-0,1 мас. % способствует увеличению прочности и упругости чугуна.
Фосфор в пределах 0,05-0,1 мас. % увеличивает сопротивление износу вследствие образования износостойкой фосфидной эвтектики.
Хром менее 0,05% не влияет сколько-нибудь заметно на свойства чугуна, а более 0,3% вводить нецелесообразно, так как в структуре чугуна начинают выделятся карбиды хрома, растет их количество и увеличиваются размеры включений, что отрицательно сказывается на обрабатываемости и пластичности чугуна.
Никель в пределах 0,5-0,8 мас. % легирует металлическую матрицу сплава, что повышает его прочностные свойства. При этом никель повышает окалиностойкость сплава. Присадка никеля более 0,8 мас. % увеличивает графитизирующие свойства, что снижает его окалиностойкость, а при содержании менее 0,5 мас. % не оказывает существенного влияния на свойства чугуна.
Медь в пределах 0,05-0,3 мас. % способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна, выравнивает твердость чугуна и одновременно немного ее повышает.
Дополнительное введение молибдена в количестве 0,6-0,9 мас. % способствует измельчению и микролегированию металлической основы, упрочняет её, повышает плотность, твердость, термическую стойкость, удароустойчивость чугуна, что обеспечивает как повышение износостойкости в условиях сухого трения, так и стабильности поверхностной твердости и предела выносливости при консольном изгибе.
Барий, цирконий в заявленных пределах совместно с кальцием способствуют получению сплава с благоприятными мелкими глобулярными включениями, равномерно распределенными по объему сплава, что в свою очередь повышает механические свойства и ударную вязкость материала. Кроме того, данные раскислители обеспечивают, вследствие значительного снижения содержания кислорода в сплаве стали, гарантированное образование нитридов алюминия, измельчающих зерно сплава стали и повышающих механические свойства и ударную вязкость.
Большое значение в процессе структорообразования чугуна и формирования требуемого уровня механических свойств отливок имеет суммарное содержание графитизирующих элементов углерода и кремния, серы и фосфора, соотношение содержания марганца и серы.
Исследования показали, что наилучшие результаты обеспечивает соблюдение суммарного содержания углерода и кремния менее 5,0% [(С+Si) ≤ 5,0%]. Превышение данной величины приводит к существенному снижению степени эвтектичности чугуна и способствует подавлению механизма графитизирующего модифицирования.
Суммарное содержание остаточных примесей серы и фосфора менее 0,3% [(S+P) ≤ 0,3%] не ухудшает литейные свойства чугуна, уменьшает образование газовых раковин, снижает склонность металла к зональной и дендритной ликвации. При превышении данного значения снижается деформационная способность металла и механические свойства, включая предел прочности при растяжении.
Соблюдение соотношения содержания марганца к сере более 6,5 (Mn/S > 6,5%) повышает качество литого металла, его технологичность. При этом избыточная часть серы в чугуне связывается в сульфид марганца и выводится в шлак.
Колпак, выполненный (отлитый) из описанного чугуна имеет, по сравнению с изделиями из известных чугунов и сталей, более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик металла отливки, что обеспечивается комплексным легированием материала, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным соотношением вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок.
Проведенные исследования показывают, что колпак из описанного чугуна имеет твердость не менее 250 HB.
Технический результат описанного изделия (устройства) состоит в том, что чугунный колпак скользуна имеет высокую прочность при ударно-фрикционных нагрузках, то есть способен к длительному несению нагрузок и при этом снижает износ скользуна вагона или иной опоры вагона по сравнению с чугуном ВЧ-120.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, на котором (Фиг. 1) показан вид устройства сбоку.
На Фиг. 1 изображен колпак скользуна сбоку, при этом видно, что колпак содержит литой корпус 1, имеющий во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение, и верхнюю стенку увеличенной толщины (t) 2, а так же дополнительное ребро 7. Корпус имеет поперечные борта 3 и продольные борта 4.
Колпак скользуна работает следующим образом. При прохождении вагоном криволинейного участка пути кузов наклоняется, зазор между скользунами тележки и скользунами кузова с одной стороны выбирается, затем вагон опирается на скользун и между упомянутыми скользунами (тележки и кузова) возникают силы трения. Эти силы трения создают момент в горизонтальной плоскости, препятствующий отклонению кузова от равновесного положения и уменьшению амплитуд извилистого движения вагона.