УДК 620.178.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
СПЕЦИАЛЬНОГО ЧУГУНА ЧМН-35М
Д. А. ГАБЕЦ1 – аспирант
В. В. КАРГИН1 - аспирант
А. М. МАРКОВ1 – доктор техн. наук, профессор
А. В. ГАБЕЦ2 – кандидат техн. наук, директор по развитию
(1АлтГТУ, г. Барнаул, 2 , г. Барнаул)
- 656038, г. Барна
Алтайский государственный технический университет им.
e-mail: *****@***ru
Аннотация: Рассмотрен вариант модернизации тележки грузового вагона с применением износостойких материалов. Установлены износостойкие свойства материалов применяемых при конструировании узлов тележки грузового вагона. Разработана новая композиция износостойкого чугуна для отливки деталей тележки грузового вагона. Представлена микроструктура чугуна ЧМН-35М. Приведены результаты сравнительных испытаний трибосочетаний с установлением весового износа, выявлен весовой износ чугуна и стали. По результатам испытаний на износостойкость проведен анализ весового износа.
Ключевые слова: Пары трения, износостойкий чугун, анализ сплавов Fe-C, чугун ЧМН-35М, исследование триботехнических свойств.
Вопрос повышения безопасности движения подвижного состава является актуальным для железнодорожного транспорта, так как это на прямую связанно с повышением эффективности работы всей системы перевозок.
Эксплуатация показывает, что существующие материалы тележки грузового вагона не в полной мере обеспечивают безопасную эксплуатацию подвижного состава. Особое значение имеет долговечность для изнашивающихся деталей тележки грузового вагона, так как они работают в условиях интенсивного динамического воздействия. Воздействие динамических сил может привести к хрупким и усталостным разрушениям, а так же к преждевременному износу и выходу из строя деталей тележки. Согласно нормативной документации замена изнашиваемых деталей тележки вагона таких как колпак скользуна выполняют через 160 тыс. км.
Колпак скользуна является тяжелонагруженной сменяемой деталью, устанавливаемой на опору в надрессорной балке тележки грузового вагона. Из опыта эксплуатации грузовых вагонов известно, что износ колпака скользуна при движении на прямых участках и в кривых большого радиуса инициирует самовозбуждение виляния тележки и боковой качки кузова вагона. При критических скоростях движения это негативно влияет на устойчивость и безопасность движения, а в некоторых случаях может приводить и к сходу подвижного состава с путей. Его расположение в тележке модели 18-100 показано на рисунке 1.[1-3]
Рис. 1. Место установки колпака скользуна на тележке
От физико-механических свойств материала колпака скользуна во многом зависит долговечность и величина межремонтного пробега грузового вагона. Материал колпака должен обеспечивать его высокие прочностные и трибологические свойства при тяжелых условиях эксплуатации.
В настоящее время широко используются два типа колпаков:
- литой, изготовленный из сталей: 20ГЛ, 20ГФЛ (ГОСТ 977-88).
- штампосварной, из сталей: 09Г2С, 09Г2Д, (ГОСТ 1928-89).
Используемые материалы для изготовления колпака скользуна не в полной мере обеспечивают требуемый уровень эксплуатационных характеристик, а это приводит к сокращению нормативного межремонтного пробега грузового вагона.
Одним из наиболее перспективных вариантов модернизации тележки является использование более износостойких сплавов Fe-C. Альтернативным материалом для замены существующих не обеспечивающих требования по износу и циклической стойкости может стать износостойкий чугун ЧМН-35М [2].
Износостойкие чугуны обладают улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, меньшей склонностью к разрушению, а также более высоким уровнем сопротивления ударного и длительного циклического воздействия.
В результате выполнения комплекса исследований по выплавке и оценке основных характеристик была разработана новая композиция чугуна для отливки деталей тележки грузового вагона. При выпуске расплав дополнительно обрабатывается комплексным модификатором, содержащим цирконий, барий, кальций и алюминий
Разработана новая марка чугуна условной марки ЧМН-35М, химический состав и механические свойства которого приведены в таблицах 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав чугуна марки ЧМН-35М
Марка чугуна | Массовая доля элементов, % | ||||||||
С | Si | Mn | Мо | Ni | Сr | Cu | P | S | |
не более | |||||||||
ЧМН-35М | 2,5ч2,8 | 1,3ч1,5 | 0,7ч1,0 | 0,6ч0,9 | 0,5ч0,8 | ≤0,3 | ≤0,3 | ≤0,2 | ≤0,1 |
Таблица 2
Механические свойства чугуна марки ЧМН-35М
Марка чугуна | Временное сопротивление при растяжении, МПа, (кгс/мм2 ), не менее | Твердость по Бринеллю | |
не менее | не более | ||
ЧМН-35М | 350 (35) | 250 | 300 |
По результатам исследования образцов чугуна, полученного при легировании синтетического серого чугуна марки CЧ35 никелем и молибденом, c последующей обработкой расплава модификатором «Z-GRAPH®T», установлено, что чугун марки ЧМН-35М обеспечивает заданные параметры по химическому составу, механическим свойствам и структуре.
При этом средний показатель временного сопротивления на разрыв составил свыше 380 Н/мм2 при средней твердости 285 НВ.
Микроструктуру чугуна для колпака скользуна исследовали на шлифах, изготовленных из рабочей поверхности. Исследование приводилось на инвертированном микроскопе при увеличениях х100 и х500. Просмотр шлифов, в нетравленом виде, позволил идентифицировать графитную фазу (рис.2а).
В структуре металлической основы образцов из легированного чугуна наряду с перлитом (рис.2б) присутствует игольчатый феррит (малоуглеродистый бейнит) и цементит (рис. 2в), при этом установлено, что:
- чугун имеет перлитно-ферритную металлическую основу;
- 85% занимают перлитные области;
- 30% перлита с межпластинчатым расстоянием 0,8-1,3 мкм;
- 70% перлита с межпластинчатым расстоянием 0,3 – 0,8 мкм;
- 15% занимает феррит, насыщенный сеткой из отдельных карбидных включений, толщиной 1-5 мкм, длиной 5-30 мкм.
а) |
б) |
в) |
Рис. 2. Микроструктура образцов: а) пластинчатая завихренная форма включений графита; б) перлит и игольчатый феррит; в) включения цементита
На основании сравнения данных по требованию технических условий и полученного сплава можно утверждать, что чугун ЧМН-35М полностью соответствует эксплуатационным требованиям, исходя из наличия необходимой твердости рабочих поверхности отливок, которая напрямую связывается с величиной межремонтного пробега грузового вагона, а также возможностью в дальнейшем проведения конструкторских доработок колпака скользуна с целью уменьшения его материалоемкости.
Таким образом целью исследования является установление износостойких свойств материалов применяемых при изготовлении узлов тележки грузового вагона.
Задачами исследования является выявление зависимости весового износа, от длины пути в результате взаимодействия трущихся поверхностей. Проведение сравнительных испытаний материалов на основе сравнительной оценки триботехнических характеристик посредством весового износа. А так же проведение металлографического анализ сплавов Fe-C, выявления взаимосвязи структуры материала и износостойкости.
Выбор оборудования осуществлялся согласно точностным и динамическим характеристикам, удовлетворяющим всем необходимым условиям проведения эксперимента. В качестве испытательного оборудования используется машина трения модели 2168 УМТ. (Общий вид машины приведен на рисунке 3). [3]
Рис. 2. Машина трения 2168 УМТ. 4 - установка испытательная с пультом оперативным, 5 - пульт управления с записывающим устройством, 1 - пульт с силовым оборудованием и 2,3,6,7,8 - устройства соединительные.
Исследования проводятся с использованием специально изготовленных образцов представляющих собой пару «вал – колодка».
Рис. 4. Схема испытания и конструктивно-геометрические параметры колодки и вала
Колодка и вал изготавливается из материала, выбранного для исследования. На нерабочей поверхности колодка имеет паз для базирования в приспособлении машины трения. (Конструктивно-геометрические параметры колодки и вала представлены на рисунке 4). Для проведения испытаний колодка устанавливалась в корпус, вал устанавливается на оправку. Перед каждым циклом испытаний выполняется промывка и просушка образца для удаления пыли и продуктов износа. Рабочие условия проведения эксперимента достигаются на машине трения, путем сообщения втулке вращательного движения вокруг собственной оси, а колодке давления на вал соответствующего удельному давлению согласно программе испытаний.
В качестве параметров при испытаниях выступают:
- окружная скорость вращения на поверхности вала (V), м/с;
- усилие прижима колодки к диску (P), Н;
- длина, пройденная валом относительно поверхности колодки (L), м.
Исследуемые пары трения на примере трибосочетания материалов в тележке грузового вагона приведены в таблице 3.
Таблица 3. Исследуемые трибосочетания пар трения опора кузова вагона – колпак скользуна
№ | Колодка | Вал |
Опора кузова вагона | Колпак скользуна | |
1 | 09Г2С | 20ГЛ |
09Г2С | ЧМН-35М | |
2 | 20ГЛ | ЧМН-35М |
3 | 20ГЛ | 20ГЛ |
Для оценки износостойких свойств материалов использовали режим близкий к эксплуатационному:
- длина пути: 1000 метров.
- скорость вращения вала: 500 об/мин
- нагрузка колодки: 20 кг/см2.
Результаты испытаний материалов на машине трения 2168 УМТ приведены в таблице 3, рисунке 3 и 4.
Таблица 3.
Весовой износ пар трения
№ | Образец | Материал | Масса весового износа, гр. | Суммарный износ пар трения, гр. |
Опора кузова вагона - Колпак скользуна | ||||
1 | Колодка | 09Г2С | 0,45 | 0,80 |
Вал | 20ГЛ | 0,35 | ||
2 | Колодка | 09Г2С | 0,13 | 0,69 |
Вал | ЧМН-35М | 0,56 | ||
3 | Колодка | 20ГЛ | 0,10 | 0,60 |
Вал | ЧМН-35М | 0,50 | ||
4 | Колодка | 20ГЛ | 0,28 | 0,71 |
Вал | 20ГЛ | 0,43 |
Рис.3. Гистограмма износа пар трения колпак скользуна – опора кузова вагона.
|
|
1
3 | 2
4 |
Рис 4. Фото образцов пар трения
Износостойкость испытанных материалов определялась как величина, обратная средней скорости изнашивания, которая рассчитывалась как разность массы образцов после приработки и после окончания испытаний, отнесенная к числу оборотов рабочего вала машины.
Анализ величин весового износа показывает, что износостойкость валов с использованием чугуна марки ЧМН-35М в паре трения с колодками 09Г2С и 20ГЛ примерно на 14 процентов выше, чем в парах терния с валами из сталей 09Г2С и 20ГЛ, что подтверждает возможность повышения износостойкости колпака скользуна изготовленного из серого чугуна путем использования технологий легирования молибденом и никелем.
Износостойкий чугун кроме более высокой твердости по сравнению с низкоуглеродистой сталью, в своей структуре содержит графит, играющий роль твердой смазки.
Выводы:
Суммарный анализ весового износа показал, что в узле: опора кузова вагона – колпак скользуна, наиболее перспективно использование сочетание материалов 09Г2С и ЧМН-35М. Износостойкость пар трения с использованием ЧМН-35М, на 14 процентов выше, чем в парах трения со стандартными материалами применяемые при изготовления колпака скользуна. Применение материалов с высокими механическими характеристиками, например перлитного чугуна легированного молибденом и никелем (ЧМН-35М), позволяет использовать его в конструктивных высоконагруженных узлах тележки грузового вагона, обеспечивая демфирующие способности и формирующий условия трения, при котором происходит минимальный износ сопряженных дорогостоящих деталей.Список литературы:
, , . Вагоны. Общий курс: Учебник для вузов ж. д. трансп. /Под ред. . М.: Маршрут, 2004. - С.103. , , Специальный модифицированный легированный чугун для фрикционного клина вагонных тележек//Литейное производство. 2014. №4. С. 2-4. Марков. А. М., , Методика испытания материалов на износостойкость //Инновации в машиностроение – основа технологического развития России: Материалы 4 международной научно-технической конференции: Часть1/под. Ред. , . – Барна4. – С. 253 - 258.Investigation of the cast-iron tribological properties ChMN-35M
Gabets D. A.1, Post-graduate student, e-mail: *****@***ru
Kargin V. V.1, Post-graduate student, e-mail: *****@***ru
Markov A. M.1, D. Sc. (Engineering), Professor, e-mail: *****@***ru
Gabets A. V.2, Candidate of Engineering Sciences, Development director
1 Barnaul, Lenina 46, Altai State Technical University, 656038, Russian Federation
2 Barnaul, Kalinina 116/52, Altai steel casting factory (ASCF), 656037, Russian Federation
Abstract: In this paper we consider the option of upgrading the freight-car bogie using wear-resistant materials. Installed wear properties of materials used in the construction of units of freight car bogie. Investigation of the cast-iron and steel tribological properties.
Keywords: friction, wear-resistant, Fe-C, special cast iron ChMN-35M, investigation tribological properties.
