КОЛПАК СКОЛЬЗУНА ТЕЛЕЖКИ ГРУЗОВОГО ВАГОНА

Полезная модель относится к области железнодорожного транспорта и может быть использована в конструкции боковых опор надрессорной балки тележки грузового вагона.
Известен колпак скользуна тележки грузового вагона, который содержит основание с поперечными бортами по его периметру, при этом колпак скользуна выполнен в виде цельной детали из конструкционной стали 30Х толщиной 8±0,5 мм с термообработкой, обеспечивающей твердость в диапазоне 340…400 НВ (патент RU164931, B61F 5/00, опубл. 27.09.2016).
Недостатком данного колпака является сложность его изготовления, связанная с тем, что колпак выполняется из листа с последующей его гибкой и сваркой.
Известен колпак скользуна тележки грузового вагона в виде литого корпуса, имеющего во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение и состоящего из верхней стенки, поперечных и продольных бортов. Описанный колпак выполнен из чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, алюминий и железо. Кроме того, он дополнительно содержит серу, 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 и примеси
остальное
(по патенту RU156056, B61F 5/14, опубл. 27.10.2015).
Недостатком данного колпака является то, что его прочность обеспечивается только за счет применения чугуна описанного состава. Однако его физико-механических свойств недостаточно для обеспечения прочности при ударно-фрикционных нагрузках, что может привести появлению трещин и изломов.
В качестве прототипа к предложенной полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату выбран колпак скользуна тележки грузового вагона, который выполнен в виде литого чугунного корпуса, имеющего во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение, и состоит из верхней стенки увеличенной толщины и дополнительного ребра, поперечных и продольных бортов. Колпак содержит дополнительное ребро жесткости в сопрягаемых поверхностях. По варианту исполнения колпак изготавливается из чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель и дополнительно содержит серу, 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
(по патенту RU186803, B61F 5/14, опубл. 04.02.2019).
Прототип дополнительно к аналогу содержит ребра жесткости, которые несколько повышают прочность колпака. Однако в ходе длительной эксплуатации этого оказывается недостаточно и при ударно-фрикционных нагрузках на колпаке появляются трещины и изломы.
Технический результат, на достижение которого направлена предлагаемая полезная модель, заключается в повышении прочности  и износостойкости, а также ремонтопригодности колпака скользуна тележки грузового вагона и, как следствие, увеличении его надежности работы и ресурса.
Указанный технический результат достигается тем, что колпак скользуна тележки грузового вагона выполнен в виде литого чугунного корпуса, имеющего во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение и состоящего из верхней стенки, поперечных и продольных бортов, отличающийся тем, что верхняя стенка с наружной стороны разделена канавкой на две рабочие площадки, а внутренняя сторона содержит три поперечных дополнительных площадки.
Предпочтительным материалом для изготовления колпака является комплексно-модифицированный чугун повышенной износостойкости, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо, сера, фосфор, медь, молибден, ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
2,3-2,8
кремний
1,3-1,5
марганец
0,6-1,0
сера
0,05-0,1
фосфор
0,05-0,2
хром
0,05-0,3
никель
0,4-0,7
медь
0,05-0,3
молибден
0,4-0,6
ванадий
0,2-0,4
железо
остальное
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами
фиг. 1 – колпак скользуна, аксонометрия;
фиг. 2 – колпак скользуна, вид спереди;
фиг. 3 – колпак скользуна, вид сверху;
фиг. 4 – колпак скользуна, вид снизу.
Колпак скользуна тележки грузового вагона (фиг. 1) содержит литой чугунный корпус 1, имеющий во взаимно перпендикулярных плоскостях П-образное сечение и состоящий из верхней стенки 2 увеличенной толщины, поперечных бортов 3 и продольных бортов 4. Верхняя стенка 2 с наружной стороны разделена канавкой 5, имеющей глубину 2+1 мм и ширину 14 мм, на две рабочие площадки 6, а внутренняя сторона содержит три поперечных дополнительных площадки 7.
Применение полезной модели
Колпак скользуна является частью скользуна зазорного типа и устанавливается на опору в надрессорной балке тележки. Он 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.
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.
Наличие на внутренней поверхности верхней стенки трех дополнительных площадок (ребер) обеспечивает более равномерный износ со стороны регулировочных прокладок, в отличие от конструкции прототипа, где наблюдалась сосредоточенная местная выработка, препятствующая равномерному распределению сил трения между скользуном и колпаком скользуна. 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. Также наличие визуального индикатора предельного износа в виде канавки на наружной стороне верхней стенки позволяет оценить состояние колпака без проведения дополнительных замеров, что экономит время при проведении ремонтов вагонов.
Также важным отличием от прототипа и аналога является то, что литой корпус колпака выполнен из комплексного-модифицированного чугуна повышенной износостойкости способного работать в условиях ударно-фрикционного износа.
Для целей настоящей заявки под чугуном марки СЧКМ-45 понимается чугун со следующими характеристиками: чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо, сера, фосфор, медь, молибден, ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 2,3-2,8, кремний - 1,3-1,5, марганец - 0,6-1,0, сера - 0,05-0,1, фосфор - 0,05-0,2, хром - 0,05-0,3, никель - 0,4-0,7, медь - 0,05-0,3, молибден - 0,4-0,6, ванадий - 0,2-0,4, железо - остальное.
Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)7С3.
Введение углерода в количестве менее 2,3% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 2,8% 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 0,4-0,7 мас.% легирует металлическую матрицу сплава, что повышает его прочностные свойства. При этом никель повышает окалиностойкость сплава. Присадка никеля более 0,7 мас.% увеличивает графитизирующие свойства, что снижает его окалиностойкость, а при содержании менее 0,4 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 0,4-0,7 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.
Ванадий в составе чугуна приводит к инверсии микроструктуры, Благоприятное влияние ванадия на микроструктуру и свойства износостойкого чугуна начинает проявляться при содержании ванадия больше 0,34. При увеличении содержания ванадия в чугуне в количествах больше 4,853 дальнейшего улучшения микроструктуры и повышения свойств чугуна не наблюдается.
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 в пределах 265-330 HB. При этом твердость рабочих площадок должна быть не мене 320НВ.
Таким образом, представленные в полезной модели решения повышают прочность и износостойкость, а также ремонтопригодность колпака скользуна тележки грузового вагона и, как следствие, увеличивают его надежность работы и ресурс и тем самым обеспечивают достижение технического результата.