СПОСОБ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОПОРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НЕСУЩИХ ДЕТАЛЕЙ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
METHOD OF RECLAIMING SUPPORT OF FREIGHT CAR BOGIE PARTS

Изобретение относится к технологии ремонта железнодорожного подвижного состава и может быть использовано на ремонтных предприятиях для восстановительного ремонта опорных поверхностей несущих деталей тележек грузовых вагонов.
Тележка грузового вагона состоит из двух боковых рам, каждая из которых в продольном направлении опирается на подшипниковые буксы колесных пар. Боковые рамы поддерживают третий, поперечный элемент - надрессорный брус, на котором расположена центральная шкворневая опора, соединяющая тележку с кузовом. Каждый из этих трех элементов представляет собой просто нагруженную балку. Благодаря этому тележка является статически определимой структурой, что позволяет ей работать в условиях неровностей пути без разгрузки колес от вертикальной нагрузки.
Недостатком конструкции является то, что масса боковых рам прибавляется к массе обрессоренных колесных пар. Это приводит к тому, что импульс динамического воздействия от набегания колесных пар на стыки рельсов, а также удары от неровностей пути и дефектов колесных пар напрямую передаются в зону контакта опорных поверхностей буксы и боковой рамы. Исследование поверхности взаимодействия этих двух сопрягаемых деталей позволяет с достоверной точностью определить, что высокие удельные давления, возникающие во время движения тележки, превышают прочностные свойства стали, из которой изготовлены буксы и боковые рамы. Металл в зоне износа сильно уплотнен, на поверхности опорных мест наблюдаются наплывы деформируемого металла.
Букса в челюстном проеме боковины имеет определенную, заложенную конструктивно, продольную и поперечную подвижность. Это позволяет уменьшить жесткость базы тележки по межосевому расстоянию при вписывании подвижного состава в кривых участках пути. Поэтому опорные поверхности букс и боковин изнашиваются также в результате трения металла по металлу.
В результате этих двух факторов на опорной поверхности боковой рамы образуется износ, углубления, соответствующие форме опорных поверхностей буксы. Это снижает подвижность буксы в челюстном проеме и, как следствие, ухудшает вписывание экипажей в кривые участки пути и, кроме того, отражается на взаимодействии колеса-рельса, увеличивая боковой износ рельса опорной нитки и гребня колеса.
Опорные и направляющие поверхности букс также подвержены в процессе работы тележки тем же видам износа. При этом, как показывают обмеры прилива одной и той же буксы, изнашиваются не в равной степени. Это может привести к перекосу осей колесных пар и неустановленному движению тележки в прямых участках пути.
Известен способ восстановления наклонных плоскостей надрессорных балок тележек грузовых вагонов, при котором накладки в виде пластин из стали с износостойкими свойствами с напусками для загиба, нагретые до температуры горячей пластической деформации, размещают на наклонных поверхностях, осаживают нормально распределенной статической нагрузкой с последующей загибкой кверху за края наклонных плоскостей с их обжатием, а внизу - в профрезованные канавки (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2287415, кл. В23Р 6/00, B61F 5/52, опубл. 20.11.2006).
Однако такой способ требует для реализации специальное технологическое оборудование и весьма трудоемок.
Известен способ закрепления сменных защитных накладок на опорных поверхностях боковой рамы тележки грузового вагона, включающий размещение на опорной поверхности сменной защитной накладки и закрепление ее в холодном состоянии с размещением прокладки из эластичного материала толщиной 4-7 мм, имеющей форму опорной поверхности и размеры в плане, превышающие ее на 10-25% с последующим сжатием в направлении действия рабочих нагрузок и закреплением защитной накладки после сжатия прокладки (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2281195, кл. В23Р 6/00, опубл. 10.08.2006).
Известен также способ восстановления буксовых направляющих боковых рам тележки, включающий закрепление на них горячим прессованием сменных износостойких накладок, при котором взаимодействующие контактные поверхности обрабатывают на глубину не более предельно допускаемого износа, к обеим упорным поверхностям прижимают нагретые до температуры горячей пластической деформации стальные пластины с боковыми напусками для загиба и закрепления за тыльными сторонами буксовых направляющих, которые одновременно осаживают на упорных поверхностях нормально приложенной статической нагрузкой с механическим обжатием верхних и нижних кромок напусков (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2294275, кл. В23Р 6/00, B61F 5/52, опубл. 27.02.2007).
Однако такие способы ограничены установленными пределами износа рабочей поверхности и не применимы при максимальных величинах изношенной поверхности, что часто имеет место на практике.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа способ восстановления опорных поверхностей несущих деталей тележек грузовых вагонов, включающий размещение на опорной поверхности детали защитной накладки, выполненной из листовой стали с износостойкими свойствами, ее осаживание на опорной поверхности нормально распределенной статической нагрузкой в пределах допуска на отклонение положения опорной поверхности от измерительной базы в направлении приложения нагрузки и закрепление накладки на сопряженных стенках детали (см., например, описание изобретения к патенту РФ №2226460, кл. В23Р 6/00, опубл. 10.04.2004).
Существенным недостатком способа является необходимость выполнения сварных работ в процессе ремонта боковой рамы, что запрещено требованиями нормативно-технической документации.
Сущность заявляемого изобретения выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемым изобретением технического результата.
Технический результат от использования изобретения выражается в повышении технологичности способа и эффективности восстановительного ремонта и межремонтного ресурса работы за счет повышения износостойкости и усталостной прочности контактной рабочей поверхности при циклических знакопеременных нагрузках, возникающих в процессе эксплуатации тележек грузового вагона.
Указанный технический результат достигается тем, что способ восстановления опорных поверхностей несущих деталей тележек грузовых вагонов,
включающий подготовку изношенных участков деталей с выравниванием опорной поверхности и устранением пустот, размещение на них защитной накладки из листовой стали с износостойкими свойствами, ее осаживание на опорной поверхности нормально распределенной статической нагрузкой в пределах допуска на отклонение положения опорной поверхности от измерительной базы в направлении приложения нагрузки и закрепление накладки на стенках детали, отличается тем, что подготовку изношенных участков опорной поверхности детали осуществляют путем заполнения загрунтованной и смазанной клеем опорной поверхности слоем металлополимерного композиционного материала в количестве, обеспечивающем устранение пустот до выравнивания изношенных участков заподлицо с опорной поверхностью детали, защитную накладку упрочняют и размещают в центре подготовленной поверхности детали с ее контактом по всей площади, после осаживания через прижатую защитную накладку вибратором уплотняют слой металлополимерного композиционного материала, подготовленную деталь нагревают до температуры 120-150°С с выдержкой при данной температуре в течение 30 минут, необходимой для обеспечения полимеризации металлополимерного композиционного материала, и осуществляют естественное остывание на воздухе в условиях окружающей среды.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию «новизна», так как оно неизвестно из уровня техники.
Предложенный способ является промышленно применимым существующими техническими средствами и соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. он явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, на достижение указанного технического результата.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
Сущность предложенного способа состоит в том, что изношенную часть опорной поверхности заполняют металлополимерным композиционным материалом, устанавливают износостойкую защитную накладку, прижимают нормально распределенной нагрузкой к поверхности детали, нагревают до температуры полимеризации композиционного материала, равной 120-150°С и осаживают с последующим естественным охлаждением, в результате чего обеспечивается прочное и надежное соединение износостойкой накладки с опорной поверхностью, что существенно повышает работоспособность узла при относительно малых затратах и полном сохранении требований условий безопасности.
На фиг.1 представлена боковая рама тележки грузового вагона, на фиг.2 - концевая часть рамы с восстановленным буксовым проемом, на фиг.3 - износостойкая защитная накладка, устанавливаемая на опорную поверхность боковой рамы.
Предложенный способ на примере восстановления опорных подбуксовых поверхностей боковых рам осуществляют следующим образом.
К восстановительному ремонту допускаются боковые рамы всех модификаций, прошедшие дефектоскопирование, не имеющие трещин, с местным износом опорной поверхности буксового проема в тело боковой рамы 1 не более 6 мм. Места скопления загрязнений и оставшиеся выработки зачищают шлифовальной машинкой. На зачищенные места шпателем наносят грунтовочный слой клея УП-5-207 и композит МПК-5. На загрунтованную поверхность наносят слой 2 компаундного материала (композита), равномерно распределяя его шпателем до выравнивания изношенных участков заподлицо с опорной поверхностью в рабочей зоне взаимного контакта боковой рамы. Перед установкой защитной накладки 3 ее рабочую поверхность, контактирующую с опорной поверхностью буксового проема, также смазывают тонким слоем упомянутого клея. На выровненную горизонтальную поверхность устанавливают защитную износостойкую накладку в соответствии с действующими правилами ремонта боковых рам, размещая в центре опорной поверхности проема с тем, чтобы опорные поверхности корпуса буксы контактировали по всей площади с упрочненными участками защитной накладки. Смазанную поверхность защитной накладки плотно прижимают нормально распределенной статической нагрузкой к опорной поверхности рамы при помощи стяжных хомутов или струбцинами. Излишки композита удаляют. Через прижатую защитную накладку 3 вибратором уплотняют слой 2 компаундного материала (композита). Подготовленную боковую раму помещают в термокамеру или накрывают металлическим теплозащитным кожухом и нагревают до температуры 120-150°C, выдерживая при данной температуре в течение 30 минут, при этом происходит полимеризация композита, обеспечивая прочное соединение износостойкой накладки с опорной поверхностью буксового проема боковой рамы, исключая перемещение защитной накладки при эксплуатации. Естественное остывание восстановленной боковой рамы происходит на воздухе в условиях окружающей среды после прекращения ее технологического нагрева. Остывшая боковая рама с укрепленной на ней износостойкой накладкой после контроля, предусмотренного требованиями нормативно-технической документации, готова к сборке тележки. Качество приклеивания защитной накладки контролируют простукиванием молотком, при этом звук должен быть дребезжащим и глухим.
Предложенная технология обеспечивает ремонт боковых рам с износом опорной поверхности в тело рамы до 8 мм. Выработки в теле рамы устраняются композитным материалом высокого наполнения марки МПК-5 с последующей установкой упрочненной индукционно-металлургическим способом (ИМС) накладкой на опорной поверхности боковой рамы через прослойку клея УП-5-207. Композит изготавливают на основе железного порошка или гранулированного сплава УСЧ-35 с использованием в качестве связующего компонента эпоксидного клея УП-5-207 в соотношении 0,13 мас.ч. клея и 0,87 мас.ч. гранулированного порошка на 1 кг композитного материала.
Таким образом, износостойкую защитную накладку устанавливают на ровную подготовленную поверхность неподвижно относительно боковой рамы. Температура, при которой осуществляется полимеризация композитного материала и клеевой прослойки, равна 120°C, что не оказывает никакого влияния на структуру основного металла боковой рамы. Рабочая поверхность участков 4 защитной накладки, на которую опирается букса опорными приливами, упрочнялась наплавкой сплава УСЧ-35 с твердостью поверхности HRC 52. Взаимодействие двух поверхностей: сталь 20Г1ФЛ (сталь, из которой изготавливаются боковые рамы) и наплавка УСЧ-35, - предварительно испытывалось в лабораторных условиях на опытных образцах.
Испытания проводились на специальной лабораторной установке на трение и изнашивание плоскопараллельных образцов при возвратно-поступательном движении. Оценка износостойкости для сравнения проводилась на нескольких парах образцов: сталь 20Г1ФЛ - сталь 20Г1ФЛ, наплавка УСЧ-35 - сталь 20Г1ФЛ, наплавка УСЧ-35 - наплавка УСЧ-35. Износ оценивался по взвешиванию образцов и по внешнему виду поверхности трения.
Таблица
Результаты испытаний пар трения при нормальном давлении в зоне номинальной площади контакта 17,9 кгс/см<sup>2</sup>
вариант испытания
Объект испытаний
Среднее значение весового износа за 2 часа испытаний, г
образца 36×70 мм
образца 12×36 мм
суммарный весовой износ
Сталь 20Г1ФЛ - сталь 20Г1ФЛ
5,954
7,756
13,70
Наплавка УСЧ-35 - сталь 20Г1ФЛ
0,031
0,074
0,105
Наплавка УСЧ-35 - наплавка УСЧ-35
0,040
0,047
0,087
Проведенные испытания показали, что при упрочнении одного из трущихся элементов, наряду с уменьшением суммарного износа пары трения, заметно возрастает износостойкость неупрочненного элемента, работающего в паре с упрочненным, по сравнению со случаем, когда обе поверхности не упрочнены.
го
В процессе сухого трения пары сталь 20Г1ФЛ - сталь 20Г1ФЛ происходят активные процессы схватывания 1 рода, которые приводят к интенсивному износу. Поверхности трения имеют грубые риски, вырывы металла и задиры.
Упрочнение одного из элементов наплавкой УСЧ-35 повышает износостойкость пары. Изменяется механизм износа. Процесс схватывания отсутствует, имеет место частичный абразивный износ продуктами трения износа.
Увеличение износостойкости можно объяснить следующими факторами:
0,98
- структурными превращениями в поверхностных слоях наплавленного металла. Под воздействием динамической нагрузки происходит распад перенасыщенного твердого раствора с выделением мелкодисперсной упрочняющей фазы - карбидов железа и хрома размером <10 мкм. Количество карбидов в поверхностном слое значительно увеличивается, то есть происходит имитация отпуска. Получение на поверхности упрочняющих карбидных фаз с высокой микротвердостью Н=12000-17000 МПа, распределенных в пластичной матрице, обеспечивает хорошую устойчивость в условиях трения;
- образованием оксидной пленки на наплавленной поверхности и переносом ее на контактируемую поверхность стали 20Г1ФЛ. Пластичные пленки, перемещаясь по поверхности трения, заполняют впадины и неровности. Поверхность становится гладкой, и процесс схватывания не наблюдается;
0,98
0,98
- измельчением зерна с 7 до 12 баллов и наклепом поверхностного слоя стали 20Г1ФЛ - микротвердость возрастает с Н=1600-1700 МПа до Н=3860-4200 МПа.
На Восточно-Сибирской железной дороге для эксплуатационных испытаний два экспериментальных вагона были оснащены боковыми рамами с износом 9 мм в тело рамы, отремонтированными по предложенной технологии. Вагоны эксплуатировались по замкнутому маршруту под постоянным наблюдением. После пробега 400 тыс.км. пути боковые рамы были сняты с тележек для осмотра и определения надежности принятой технологии. Все накладки (100%) находились на своих местах. Упрочненные зоны накладок, находящиеся в контакте с опорными поверхностями корпусов букс имели гладкую поверхность, без задиров и сколов. Клеевая прослойка надежно удерживала накладку в рабочем положении, композитный материал, заполняющий изношенные места опоры боковой рамы, выстоял в процессе работы, создавая опору поверхности накладки. После положительных результатов эксплуатационных испытаний разработанная технология была утверждена и принята для массового ремонта боковых рам с износом, распространяющимся в тело боковой рамы до 9 мм.
По предложенной технологии было отремонтировано и поставлено под вагоны более 3000 боковых рам. Разработанная технология восстановительного ремонта позволяет эксплуатировать боковые рамы с износом опорной подбуксовой поверхности до 6 мм в тело рамы.
Упрочненная ИМС накладка, неподвижно закрепленная на клеевой прослойке, обеспечивает в процессе всего цикла работы полную подвижность буксы в челюстном проеме и предотвращает дальнейшее развитие износа боковой рамы.
Таким образом, применение заявленного способа исключает выбраковку боковых рам со сверхнормативным износом и обеспечивает повышение эффективности восстановления за счет упрощения технологии ремонта при повышении износостойких свойств упрочняемых контактных поверхностей восстановленных тележек грузовых вагонов.