Способ обработки колеса железнодорожного транспорта
METHOD FOR TREATING THE RAILWAY TRANSPORT WHEEL

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности, к повышению долговечности пары «колесо-рельс» за счет многократного упрочнения и может быть использовано на железнодорожных магистралях, в карьерах горнообогатительных, угледобывающих комбинатов.
Известен способ, включающий сканирование поверхности металлических изделий с оплавлением поверхности электрической короткой дугой до 1 мм обратной полярности дисковым вращающимся электродом, насыщением расплавленной поверхности ионизированной плазмой электрода и охлаждением расплавленного металла, что повышает износостойкость обрабатываемых деталей [1].
Недостатком приведенного способа является недостаточная глубина упрочненного слоя, равная 1-2,5 мм при толщине реборды 10-15 мм, что не обеспечивает возможной экономии металла и требуемого безремонтного ресурса работы колесных пар железнодорожного транспорта (далее ЖДГ).
Известен способ плазменного упрочнения гребней колес ЖДТ, включающий оплавление поверхности с использованием плазмотрона. При плазменном упрочнении формируется весь набор структур мартенситного типа, не обладающих достаточным уровнем пластичности и прочности, что в условиях высокочастотной, пульсирующей пластической деформации в зоне сопряжения колеса с рельсом способствует образованию микротрещин в поверхностном слое, выщербин, сколов, выкрашиванию частиц металла и износу продуктами разрушения всего сопряжения [2]. По этим причинам указанный способ применяется только для упрочнения гребня и не применяется для упрочнения поверхности катания колес подверженных ударным нагрузкам на стыках, выщербинах, стрелочных переводах и т.д.
Другим недостатком указанного способа является ограниченный ресурс работы упрочненного слоя в связи с ограниченной глубиной упрочнения 1-2,5 мм, что от толщины гребня составляет всего 3-4%. При указанных недостатках, изнашивающих рельс и колесо, применение разового плазменного упрочнения гребня при его допуске на износ 10-15 мм и толщине 30-35 мм неэффективно, поскольку кроме указанного, общий коэффициент использования металла колес и бандажей не достигает 10% и делает его еще меньше.
Общим недостатком известных способов поверхностного упрочнения (лазерного, плазменного, магнитоплазменного, химико-термического, электродугового) и причиной их ограниченной применяемости является недостаточная глубина упрочненного слоя, не обеспечивающая эффективного использования металла колес и рельсов при однократном упрочнении гребня в пределах его допуска на износ. Другим недостатком является невозможность получения структурных изменении поверхностного слоя, отвечающих одновременно триботехническим требованиям износа поверхности гребня и катания.
4
5
2
3
Известен «Способ химико-термической обработки поверхности металлических деталей» (далее ХТО), включающий сканирование поверхности с оплавлением электрической короткой дугой с плотностью мощности в дуге 10-10 вт/см с локальным объемом V=1,0-150 мм с обеспечением единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4 с временем высокотемпературного воздействия на локальный объем τ=0,02-0,4 сек при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2 [3].
3
Преимуществом способа, принятого за прототип, является стабилизация за счет легирования и высоких скоростей охлаждения (15-20)×10 град/сек первичного аустенита (до 70-80% в оплавленной зоне) с высокой прочностью, пластичностью, вязкостью при отсутствии в структуре карбидов; весь углерод сохраняется в твердом растворе. Электронная микроскопия при увеличении в ×4000 показала наличие большого количества зародышевой фазы глобулярного графита, при увеличениях в ×200000 методом фольг подтверждено наноразмерное строение упрочненной зоны. Известно, что структура дисперсного аустенита играет при износе роль сухой смазки, а включения графита выполняют роль молекулярной смазки. Коэффициент трения и температура в зоне контакта при трении в лабораторных условиях по схеме диск-палец снижались в 3-5 раз. При повторном упрочнении исследования структуры показали проникновение углерода, находящегося в твердом растворе, на большую глубину за счет межграничной диффузии, в отличие от плазменного упрочнения обезуглероживания нижележащего слоя не происходит (см. заключение КБЖд, прилагается).
Недостатком прототипа является также недостаточная глубина упрочненного слоя (1-2,5 мм), что при допуске на износ гребня 10-15 мм и одноразовом упрочнении не обеспечивает использование возможностей упрочненного металла.
Задача изобретения – повышение долговечности пары колесо-рельс за счет более полного использования исходного и упрочненного металла при многократном упрочнении поверхности катания и гребня колеса в пределах его допуска на износ, за счет увеличения длительности и пробега безремонтной эксплуатации колесных пар в 2-3 раза, после каждого упрочнения, устранения переточек между упрочнениями, уменьшение приработочного износа с сохранением конформности сопряжения колеса и рельса, полученной в процессе эксплуатации в соответствующем регионе.
4
5
2
3
Указанная задача достигается тем, что способ обработки колеса железнодорожного транспорта включает упрочнение поверхности упомянутого колеса путем сканирования с оплавлением при плотности мощности дуги 10-10 вт/см, электродом с непрерывно-последовательным проплавлением по ходу сканирования канала тороидальной формы с локальным объемом V=1,0-150 мм с обеспечением отношения единичной площади теплоотвода к объему расплавленного металла, ограниченного этой площадью, в пределах 0,4-4, при этом время упомянутого высокотемпературного воздействия на локальный объем составляет в τ=0,02-0,4 сек при отношении шага сканирования к толщине электрода в пределах 0,7-1,2, отличающийся тем, что упрочнение поверхности колеса осуществляют по всей поверхности катания и гребня колеса, при этом копируют геометрию профиля колеса, причем в процессе сканирования с оплавлением получают волновой профиль поверхности колеса в виде гребешков высотой 0,1-0,5 мм, содержащих до 70-80% первичного аустенита, и осуществляют пластическое деформационное упрочнение поверхности колеса в процессе эксплуатации с увеличением удельного давления по гребешкам в 2-10 раз с обеспечением в сопряжении колесо-рельс прямого и обратного γ↔α превращения аустенита в мартенсит.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют повторное упрочнение поверхности колеса при выработке упрочненного слоя глубиной 2-3 мм в процессе эксплуатации до появления признаков искажения геометрии профиля колеса, с сохранением конформности к профилю рельса.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что осуществляют 2-4 кратное упрочнение поверхности колеса
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что после 2-4 кратного упрочнения поверхности колеса проводят восстановление поверхности гребня колеса обточкой.
Предлагаемая технология осуществления способа позволяет увеличить коэффициент использования металла до 40-50%. От общей массы заготовки 36-40% металла идет в стружку при обточках, на износ расходуется 5-10%, остальные 40-50% выбрасывается в металлолом в виде остаточной толщины, около 20-30% компонентов сплава выгорает при выплавке стали и при переплаве металлолома. Кроме того большие затраты средств и ресурсов связаны с простоями и ремонтами. Каждая колесная пара на тепловозе, в среднем, обтачивается 2,1 раза в год, на электровозе -2,7 раза. Ежегодные потери только на восстановление колесных пар ЖДТ достигли 30 миллиардов рублей.
Необходимость одновременного упрочнения поверхности катания и реборды продиктована врезанием рельс в радиус перехода к гребню, что является следствием износа поверхности катания. При износе ее на 3-5 мм зазор в колее уменьшается на 2-4 мм с принудительным врезанием рельс в основание конусов гребней, что способствует искажению геометрии профиля. Уменьшение износа упрочненной поверхности катания уменьшает искажение профиля.
В процессе промышленных испытании маневровых тепловозов было подтверждено уменьшение интенсивности износа упрочненной поверхности в 1,7-2,5 раза, отсутствие искажения геометрии профиля в течении 12-15 месяцев (вместо 5 на контрольных тепловозах) до выработки толщины упрочненного слоя (2-2,5 мм). В связи с этим было проведено повторное упрочнение без обточки профиля. За два года эксплуатации было проведено трехкратное упрочнение, до предельного износа гребня, устранено четыре обточки через каждые 5 месяцев по серийной технологии с сохранением на каждой до 14 мм толщины бандажа, необходимой для восстановления реборды, сэкономлено с учетом износа и технологических потерь до 60 мм толщины. Во всех актах, отчетах УРО ВНИИЖТ, публикациях отмечена хорошая стойкость, прирабатываемость упрочненного слоя, отсутствие сколов, выщербин, повышенного износа колодок Испытания и замеры проводились по методикам и при участии представителей УРО ВНИИЖТ. Результаты ежемесячно актировались, отражены в отчетах (отзывы, акты КБЖд прилагаются).
Прямой зависимости между твердостью и износостойкостью не установлено. На примере электромеханической обработки (ЭМО) показано, что твердость поверхности увеличивается в 3 раза, износостойкость - в 9 раз, контактная прочность в - 10 раз Основное влияние при этом оказывает структура, дисперсность, состав, соотношение составляющих, прямое и обратное γ↔α-превращение аустенита в мартенсит. Основное влияние на износ оказывает не твердость, а структура металла и его дисперсность [4]. Данное обстоятельство указывает на наличие в металле больших трудно реализуемых резервов.
В нашем случае упрочнение достигается целенаправленным изменением химического состава при легировании, наноструктурными изменениями строения вещества, метастабильными превращениями аустенита в мартенсит в процессе эксплуатации, способствующими значительному дополнительному упрочнению. Микротвердость аустенита при сохранении им пластичности увеличилась до 9000-13000 МПа. При указанной твердости поверхностный слой сохраняет парадоксально высокую пластичность, прочность, вязкость и износостойкость, что не достижимо другими способами.
В процессе пластической деформации при эксплуатации образуется фрагментированный аустенит, отличающийся по своим свойствам от первичного. Мгновенный нагрев и охлаждение сопровождается многократными γ↔α↔κ-превращениями, отпуском, закалкой, образованием неравновесных структур, релаксацией напряженного состояния с изменением природы трения. Вторичные структуры обладают более высокими параметрами решетки, увеличенной микротвердостью 9000-13000 МПа и более [5].
Дополнительное увеличение долговечности сверх изложенного делает целесообразным многократное упрочнение, обеспечивает сохранение конформности профиля сформировавшегося в процессе эксплуатации, за счет устранения механической обработки перед- и после упрочнения. Конформные профили из всех применяемых в зарубежной практике компаниями Австралии, Бразилии, Канады, США на дорогах тяжеловесного движения большой протяженности с большим процентом кривых и малыми радиусами кривизны пути признаны наиболее долговечными и эффективными [8].
Сравнение целесообразности применения отличительных признаков аналогов с целью повышения долговечности пары «колесо-рельс» показал нецелесообразность их использования, так как эффект едва окупает затраты, отвлекает научную общественность от кардинального решения проблемы, устраняет не причины, а последствия износа и не позволяет реализовать резервы долговечности, заложенные в металле. Коэффициент использования металла с учетом потерь его использования на ЖДТ и утилизации в металлургической промышленности едва достигает 2-3%. Двадцать лет понадобилось, чтобы установить отрицательное влияние плазменной обработки гребней колес на долговечность рельсов. На наше обращение в правительство Российской Федерации о помощи внедрению предлагаемой технологии получен ответ. Работы по упрочнению прекращены, поскольку в районах, где применялось плазменное упрочнение, имеет место повышенный износ рельсов. Другой причиной приостановки работ является отсутствие режущего инструмента для обработки профиля после плазменного упрочнения, что снижает долговечность колесных пар в 2-3 раза.
Сравнительный анализ результатов предлагаемого способа с аналогами показывает возможность уменьшения объема механической обработки в 3-4 раза. Уменьшение интенсивности износа рельсов и колес до 40-50%. Одновременное упрочнение реборды и поверхности катания колес ЖДТ обеспечивает уменьшение износа гребня в 1,7-2,5 раза, увеличивает величину и время пробега лимитирующих колес между переточками в 2-3 раза, устраняет искажение геометрии профиля до износа упрочненного слоя в пределах толщины 2-3 мм. При допуске на износ гребня 10-15 мм, становится возможным и целесообразным проведение многократного упрочнения 2-4 кратного до его предельного износа. При толщине гребня 32 мм по регламенту первоначальное упрочнение было проведено при толщине 32 мм, вторичное при 29 мм, третий раз при 26 мм. За два года эксплуатации без переточек реборды на каждом колесе сохранено около 60 мм толщины бандажа.
Многократное упрочнение делает возможным без затратный переход на применение конформных профилей колес к рельсам полученных в процессе эксплуатации за счет устранения механической обработки до и после упрочнения. Восстановление гребня обточкой осуществляется после его многократного упрочнения и полного разового износа. В результате количество обточек за счет сохранения металла может быть увеличено до 6-8 вместо 3-4 по регламенту, что позволяет увеличить долговечность колесных пар до 15-20 лет.
Другим фактом способствующим снижению износостойкости колес, является микрорельеф контактирующих поверхностей с их склонностью к адгезии, схватыванию, размеры опорной поверхности, силы молекулярного сцепления, прирабатываемость. Наименьшей износостойкостью обладают поверхности, полученные механической обработкой; особенно на этапе приработки интенсивность износа увеличивается в 2-5 раз по причине упрочнения и исчерпания резервов пластической деформации при точении. Устранение рельефа от механической обработки и сохранение поверхности от оплавления повышает усталостную прочность и износостойкость [7].
Сохранение профиля поверхности колес в виде гребешков 0,1-0,5 мм полученных при сканировании с оплавлением, совместно с нижележащей упрочненной зоной глубиной 0.5-1 мм, содержащих до 70-80% аустенита, позволило совместить ХТО прототипа с пластическим деформационным упрочнением (далее ПДУ) поверхности колеса в процессе эксплуатации. ПДУ происходит за счет прямого и обратного γ↔α- превращения аустенита в мартенсит. Кроме того происходит формирование конформного профиля колеса к профилю рельса, уменьшается приработочный износ колес и рельсов, увеличивается инкубационный период начальной стадии разрушения, повышается долговечность сопряжения..
Смена концепции износа гребня до предела на износ до выработки упрочненного слоя с повторным двух-, четырехкратным упрочнением в пределах его допуска с увеличением износостойкости и пробега позволит избежать разорительных потерь.
Предложенные решения материаловедческого, технологического, конструктивного характера с реализацией структурных превращений, наноразмерных эффектов, совмещение многократного ХТУ и ПДУ с без затратным производством высокотехнологичных конформных профилей позволили создать единый технологический процесс сопровождающийся значительной экономией ресурсов и увеличением долговечности, что ставит предлагаемое решение в ряд перспективных для массового внедрения.
Литература
1. Патент №1835127 В.К. Загоский, Я.В. Загорский, С23С 8/52, заявитель УГНТУ.
2. Патент №2430166 А.Е. Балановский, В.Е. Цой, заявитель НЦРИТ опубл. Бюл. №27 от 27.09.2011.
3. Патент №2416674 Я.В. Загорский, А.В. Загорский, В.К. Загорский, С23С 8/20
4. Аскинази Б.М. Упрочнение и восстановление деталей машин электро-механической обработкой. Москва «Машиностроение» 195 с, 1989.
5. Трение, изнашивание и смазка. Под ред. И.В. Крагельского. Москва «Машиностроение», 399 с.,1978.
6. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. Л. «Машиностроение», 464 с, 1984.
7. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. «Машиностроение»-Ленинград, 237 с, 1972.
8. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса. Первое издание. Международная ассоциация тяжеловесного движения 2808 Форест-Хилл-карт, Виргиния-Бич, штат Виргиния 23454 США. Москва, 2002.