КОНТАКТНО-УСТАЛОСТНЫЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОЛЕС ЛОКОМОТИВА, ЭКСПЛУАТИРУЕМОГО В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
, ,
г. Якутск, Россия.
Институт физико-технических проблем Севера СО РАН
*****@***ru
Одним из самых распространенных дефектов деталей машин является контактная усталость. Ближе всего к взаимодействию колеса и рельса по условиям работы стоят подшипники качения и зубчатые передачи, в которых также происходит качение с проскальзыванием. В условиях взаимодействия колеса с рельсом реализуется очень высокие давления (более 1000 МПа), приводящие при больших коэффициентах трения к пластическим деформациям поверхностей трения. Также, в паре колесо-рельс при торможении возможны случаи полного скольжения колеса по рельсу. Это приводит к термомеханическим повреждениям поверхности катания и достаточно быстрому выкрашиванию поверхностных поврежденных слоев под действием контактных напряжений. В зарубежной литературе для обозначения такого повреждения используют термин spalling, который подчеркивает, что выкрашивание происходит в поверхностном слое в отличие от подповерхностной контактной усталости, к которой относится термин shelling. В России применяется термин «выщербины», объединяющий оба вида повреждений.
Основное внимание в данной работе уделено контактно-усталостным дефектам поверхности катания, составляющим более трети всех дефектов колес, а с учетом повреждений при юзе-более 60 %. Дефекты гребня, связанные с износом в данной работе не рассматриваются.
Выщербины - один из самых распространенных, эксплуатационных дефектов железнодорожных колес. Различают три вида выщербин:
1. Выкрашивание твердых участков поверхности катания, образующихся в результате кратковременного скольжения заклиненных колесных пар по рельсам;
2. Усталостное разрушение поверхностных слоев металла под воздействием многократно повторяющихся контактных нагрузок (развиваются из небольших трещин, образующихся в значительно деформированном поверхностном слое колеса);
3. Выкрашивание участков поверхности катания, на которых имеются поперечные термотрещины, возникающие вследствие нагрева тормозными колодками.
На локомотивном депо «Железные дороги Якутии» г. Алдан для сбора статистических данных и исследования повреждений колесных пар были выбраны четыре тепловоза с различными техническими характеристиками: 2ТЭ10М-2235, 3ТЭ10МК -2795, GE-0884, ТЭМ2-5010.
Согласно статистическим данным по эксплуатационным повреждениям колесных пар локомотивного депо г. Алдан за период июнь 2007 – март 2008 гг. видно, что преобладают повреждения контактно-усталостного характера такие как: выщербины, выкрашивания, раковины на поверхности катания (Рис. 1). Анализ состояния колесных пар локомотивного парка показал, что в зимние и переходные месяцы при отрицательных температурах число отцепок по выщербинам возрастает по сравнению с летними месяцами (Рис. 2, Табл. 1).
Рис. 1. Дефекты колесных пар локомотивного парка «Железные дороги Якутии»: 1-повреждения контактно-усталостного характера (выкрашивания, выщербины, раковины); 2-остроконечный накат; 3-опасная форма гребня; 4-риска на гребне; 5-разность диаметров больше допустимой нормы; 6-тонкий гребень.
Рис. 2. Анализ состояния колесных пар за период с июня 2007 г. по март 2008 г.
Таблица 1. Распределение колесных пар с различными дефектами.
Сезон | Количество дефектных колесных пар % по видам дефектов | ||
выщербины | остроконечный накат | другие | |
Зимний (1,2,3,11 и 12-й месяцы) | 41 | 22,3 | 6,3 |
Летний (6,7,8 и 9-й месяцы) | 17,5 | 21,2 | 5,9 |
Переходные (10-й месяц) | 25,1 | 22,4 | 7,2 |
Для дальнейших исследований был вырезан фрагмент локомотивного бандажа, эксплуатируемого на территории Южной Якутии с крупными и мелкими дефектами контактно-усталостного характера на поверхности катания (рис. 2).
Рис. 3. Фрагмент вырезанный из локомотивного бандажа.
Методами оптической микроскопии был исследован участок бандажа с крупным контактно - усталостным дефектом (рис.3).
а) б)
Рис. 4. Участок бандажа колеса локомотива с контактно-усталостным дефектом и поверхностными трещинами а) увеличение ×80; б) увеличение ×20;
Одним из параметров оценки свойств металла является твердость по Бринеллю. Твердость была определена шариком диаметром 2,5 мм при нагрузке 187,5 кгс на поперечном темплете по среднему значению трех измерений: 1) в зоне гребня; 2) под поверхностью катания и 3) на границе зоны максимального износа. Такая схема позволяет оценить однородность металла по твердости в поперечном сечении в различных зонах поверхности катания колеса.
Анализ распределения твердости металла исследуемых образцов бандажей показывает, что все значения твердости исследуемых участков находятся в пределах технических требований [1].
Рис. 5. Образец, вырезанный из фрагмента локомотивного бандажа с номерами зон для определения твердости и химического анализа.
Рис. 6. Общий вид трещины в приповерхностном слое поверхности катания. Увеличение × 20;
С помощью метода оптической микроскопии, в сечении бандажа, перпендикулярном поверхности катания обнаружена трещина, расположенная в приповерхностном слое и имеющая достаточно сложную траекторию: сначала идущая под острым углом (~20о) к поверхности катания, затем траектория трещины становится круче (Рис. 6). Трещина по мере роста приводит к поверхностному выкрашиванию. При определенных условиях от места выкрашивания может развиться трещина вглубь тела колеса, особенно если толщина обода близка к минимальной.
На Рис. 6 четко видно, что распространяется вдоль границы основного металла и «белого слоя». Известно, что «белый слой» имеет мартенситную структуру [2]. Слой мартенсита является хрупкой структурой, которая под действием контактной нагрузки разрушается, обычно выкрашиваясь на глубину белого слоя.
Прочностные свойства и служебные характеристики бандажной стали определяются содержанием углерода, легирующих элементов и режимом термической обработки (закалка и последующий отпуск). При этом большое значение имеет структурный состав стали, дисперсность и форма структурных составляющих.
Методами структурного материаловедения на поперечном срезе бандажа был исследован приповерхностный слой основного металла. Исследование микроструктуры стали выполнено с помощью оптического микроскопа «Neophot» - 21. Составляющие структуры выявляли травлением образца в 4 % спиртовом растворе азотной кислоты после шлифования на наждачной бумаге в порядке убывания зернистости и полирования алмазной пастой.
Рис. 7. Микроструктура основного металла
Применяемая в настоящее время бандажная сталь по существу является углеродистой, низколегированной и имеет феррито-перлитную структуру, состоящую из двух фаз - феррита и цементита (Рис. 7).
На таблице 1 видно, что в зимние и переходные месяцы образование дефектов типа выщербин происходит больше чем в летние месяцы. Этот факт, во многом, связан с расклинивающим действием воды или талого снега.
Судя по проведенным исследованиям, образование недопустимого дефекта обусловлено сочетанием таких неблагоприятных факторов, как исчерпание пластических свойств материала поверхностного слоя, температурный перегрев, ударное нагружение, а также такой немаловажный фактор, как влияние климатических факторов, особенно в зимний период.
На начальной стадии образовались расслоения материала на глубине 1-3 мм от поверхности, вследствие уже упомянутых факторов и неоднородностей материала, в последующем произошел выход на поверхность волосяных трещин и последовательные отколы и замятия материала на поверхности с образованием зон контактно-усталостного разрушения.
В качестве рекомендуемых мер предлагается:
- снижение резкой температурной и ударной нагрузки на колесные пары, в частности, регуляция амортизирующих пружин, оптимизация сил трения между колесом и рельсом;
- создание информационной системы, содержащей сведения о дефектах, времени и причинах обточек колесных пар и периодический мониторинг структур перегрева на бандаже колес;
- внедрение и совершенствование системы диагностики поверхности катания дефектных бандажей с распознаванием размеров дефекта.
Литература:
1. ГОСТ 398-96. Бандажи из углеродистой стали для подвижного состава железных дорог широкой колеи и метрополитена. Технические условия
2. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов. / Под ред. . М.: Интекст, 20с.
