Перспективы использования колес повышенной твердости

Цикл статей:
Глава 1 — Совершенствование технологии восстановления колесных пар повышенной твердости
Глава 2 — Перспективы использования колес повышенной твердости
Глава 3 — Теоретическое исследование процесса восстановления профиля катания колесных пар повышенной твердости
Глава 4 — Экспериментальное исследование обрабатываемости бандажной стали повышенной твердости
Глава 5 — Оптимизация процесса восстановления колесных пар повышенной твердости
Глава 6 — Технико-экономическая оценка результатов исследования

В первой главе установлено, что одной из ряда причин повышения износа поверхности катания колесных пар локомотивов и снижение их срока службы яв­ляется одностороннее увеличение твердости рельсов. В соответствии документом «Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»» поставлена задача повышения ресурса колесных пар локомоти­вов на первом этапе до 0,6 млн. км. Одним из направлений в комплексе намечен­ных «Стратегической программой обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»» мероприятий является повышение твердости бандажей колесных пар локомотивов.

Выполнение этой задачи потребовало оценки соотношения механических свойств колес и рельсов и анализа напряженно-деформированного состояния ло­комотивных колесных пар при действующих нагрузках на колесо в процессе ра­боты.

О соотношении механических свойств колес и рельсов

Работы последних лет, посвященные проблеме износа гребней колес и бо­ковых поверхностей рельсов в России, касались ряда факторов, предположитель­но оказывающих влияние на их износ [1] и др. Внедрение лубрикации снизило остроту проблемы, но не устранило причины повышения интенсивности изнаши­вания колес в последнее десятилетие.

Как известно [2, 3], на поведение экипажа значительное влияние оказыва­ют характеристики сцепления колес с рельсами и упругого скольжения или крипа в зоне контакта колеса и рельса. Важная роль при этом принадлежит свойствам материалов, из которых изготовлены колеса и рельсы. И твердость металла явля­ется одним из существенных факторов влияния на износостойкость колес желез­нодорожного подвижного состава. В исследованиях ВНИИЖТа 1960-80х годов [4, 5] отмечалось, что для рав­ной износостойкости отношение твердости колесного образца к твердости рель­сового должно быть не менее 1,2 при проскальзывании до 1 %. Использование этих рекомендаций позволило снизить повреждаемость пары колесо-рельс, имев­шую место в конце сороковых — пятидесятых годах (рис. 2.1.).

Как показывает современный международный опыт, соотношение механи­ческих характеристик колес грузовых вагонов 365-325 НВК и основного типа рельсов 300-330 НВр в США составляет [6, 7] в среднем 1,1. Соотношение преде­ла прочности колес грузовых вагонов Международного союза железных дорог (UIC R7) — сгв =820 -940 МПа и основного типа рельсов (Grade 700) — <тв =680-820М7я составляет в среднем 1,15 (рис. 2.2.).

В настоящее время твердость рельсовой стали по ГОСТ 18267 в среднем составляет 365 единиц НВ, а обода эксплуатирующихся бандажных колес по ГОСТ 398-96 составляет 280 единиц НВ. Внедрение за последнее десятилетие термической обработки рельсов и придание им твердости 341-388 НВ сыграло важную роль для улучшения работы железных дорог. Однако аналогичных мер по колесам предпринято не было. В результате соотношение твердостей колеса и рельса на многих направлениях оказалось меньше единицы. К сожалению, как отмечал Машнев М.М. [8], такой технически революционный «переворот» не по­лучил как должного анализа, так и глубокой технико-экономической оценки. Од­носторонний же шаг по увеличению твердости рельсов без учета «интереса» ко­лес, действительные возможности материала которых до сих пор раскрыты не полностью, вряд ли можно признать нормальным.

В последних работах ВНИИЖТа в данном направлении [9] исследовалась износостойкость колесных сталей в более широком диапазоне твердостей с раз­личными по величине и направлению проскальзываниями в паре с рельсовыми сталями различной твердости. Отмечается, что с увеличением проскальзывания увеличивается разница в скоростях изнашивания твердых и мягких пар. Был сде­лан вывод о том, что упрочнение колес и рельсов должно быть дифференциро­ванным: чем выше величина проскальзывания, а это характерно для поверхности гребня, тем большую твердость должна иметь эта поверхность. Повышение твер­дости поверхности гребня повысит его износостойкость.

Учитывая отсутствие свойства устойчивости невозмущенного движения вагона [10], рост величины поперечного проскальзывания [9, И, 12] пары «коле­со-рельс», о чем свидетельствует изменение в последние годы формы износа по­верхности обода (значительное снижение доли проката), и повышение интенсив­ности изнашивания боковых поверхностей рельса и гребня колеса, можно гово­рить и о несоответствии соотношения НВК / НВр — условиям эксплуатации. К тако­му же выводу приводят и исследования ВНИИЖТа [4, 9].

Требования определенного минимума твердости — важный критерий изно­состойкости стали. Однако при повышенной нагрузке на узел трения и необходи­мости увеличения ресурса пары трения этого недостаточно [13].

Возникает необходимость в дополнительном критерии, характеризующем деформируемость металла: одновременно с высокой твердостью нужен еще неко­торый запас пластичности. Так как пластическая деформация при трении приво­дит к наклепу, то материал может работать в тяжелых условиях на трение, пока не исчерпывается его способность к пластической деформации, иначе говоря, пока сохраняется способность материала претерпевать деформационное упрочнение без разрушения. Таким образом, для оценки износостойкости материала следует принимать во внимание обе характеристики — твердость и запас пластичности. Чем дольше материал способен претерпевать пластическую деформацию без раз­рушения, тем выше долговечность узла трения. В этой связи следует рассматри­вать значение таких элементов структуры, как размеры и форма зерен, располо­жение по границам зерен избыточных фаз, общая однородность и измельченность микроструктуры, распределение фаз, особенно карбидов. Величина повышения твердости поверхностного слоя обода желательна только до НВК =360-^-390. Это связано с тем, что фазовый состав колесной стали представляет собой смесь почти кубической а-фазы с низким содержанием угле­рода (примерно до 0,1%) и тонкопластинчатых карбидов. Твердость до НВК =360-^390 у этой стали можно получить за счет увеличения дисперсности кар­бидной фазы, а а- фазу можно поддерживать кубическую. В таком виде а — фаза обладает большой способностью к демпфированию, что уменьшает вероятность образования трещин, отколов и т.д. Дальнейшее повышение твердости колесной стали НВК > 400 может быть осуществлено только за счет получения тетрагональ­ной а-фазы, содержащей повышенное количество углерода (0,1-^0,3%). В таком состоянии а — фаза обладает значительно меньшей демпфирующей способностью. Следовательно, сталь в целом становится более склонной к развитию трещин, к развитию трещин, отколов и т.д. Рассмотрим износостойкость колес при раз­личном соотношении твердости колеса и рельса.

Износостойкость колес при различном соотношении твердости колеса и рельса

Влияние твердости колеса на интенсивность изнашивания исследовалось ВНИИЖТом. Испытанию подвергались образцы диаметром 40 мм с проскальзы­ванием 10% [5]. В ходе эксперимента установлено, что увеличение твердости ко­лесной стали с 310 до 360 НВ приводит к снижению износа с 0,8 до 0,3 г., т.е. уве­личение твердости колесной стали на 1НВ снижает износ на 1%.

Практически аналогичные данные по материалам «Сумитомо металс» бы­ли получены при испытании образцов диаметром 30 мм из стали твердостью 310 -360 НВ (колеса НТ — для повышенных нагрузок) при испытаниях в условиях качения с проскальзыванием 10%; износ этих образцов меньше на 33% по сравне­нию с образцами из стали 8ТУ-80 твердостью 300 — 330 НВ (серийные колеса).

Таким образом, все исследователи отмечают одну и ту же закономерность: увеличение твердости колес на 1НВ в эксплуатационном интервале твердостей увеличивает износостойкость на 1% [14].

При этом, как отмечают выше указанные исследователи, увеличение твер­дости колес с 250 до 400 НВ практически не влияет на интенсивность изнашива­ния и контактную долговечность рельсов, а контактно-усталостная долговечность колес возрастает пропорционально квадрату приращения их твердости.

В связи со всем выше изложенным резонно поставить вопрос: Каково же должно быть соотношение между твердостями колеса и рельса (НВК и НВ,,), обеспечивающее минимизацию интенсивностей изнашивания колес и рельсов?

Т.В. Лариным были выполнены исследования [4] на машинах трения МИ — 1 и МИ — 3 с использованием образцов из рельсовой и колесной сталей (рис. 2.3).

По результатам этих исследований сделаны следующие выводы: 1. В условиях трения качения с проскальзыванием по принятой схеме интен­сивность нарастания износа элементов пары трения неодинакова и обуслав­ливается соотношением их твердости. С повышением твердости одного эле­мента износостойкость его повышается при условии понижения твердости другого элемента пары. Для равной износостойкости элементов отношение твердости колесного образца к твердости рельсового должно быть не менее 1,2­2. Величина проскальзывания зависит от твердости элементов пары: с повыше­нием ее проскальзывание сначала повышается, а затем уменьшается. В парах с постоянной твердостью колесных образцов проскальзывание уменьшается с понижением твердости рельсовых образцов.

  • Интенсивность нарастания износа элементов пары трения находится в пря­мой зависимости от величины проскальзывания до твердости колесных об­разцов 425 НВ.
  • Наибольшая сопротивляемость истиранию наблюдается при повышении твердости образцов до 330-340 НВ. Далее спад кривой зависимости износа от твердости протекает менее активно и остается почти на одном уровне.

Дальнейшие исследования ВНИИЖТа в этом направлении [14] и др. при­вели к выделению одиннадцати основных (первичных) факторов, влияющих на скорость изнашивания колес

В работе [14] рассматривается влияние твердости колесной стали на изно­состойкость, но в более широком диапазоне твердостей. При этом отмечается, что данные, получаемые в эксплуатации, достоверны только при очень небольшом отклонении твердостей от среднесетевых. Между тем основные параметры этой системы — нагрузки, проскальзывания, свойства колесной и рельсовой стали, ин­тенсивность движения, параметры окружающей среды колеблются в очень широ­ких пределах. Локальное изменение любого из этих параметров выводит всю сис­тему из равновесия и делает ее реакцию непредсказуемой. Закалка небольшой партии колес или рельсов равносильна закалке одного зуба у шестерни и может привести к результатам, обратным ожидаемым. Достоверные результаты можно получить только после полной замены колес на всей сети. Например, ранее пред­принимались попытки поверхностной закалки небольших партий колес с приме­нением плазменного нагрева и нагрева ТВЧ. Результаты эксплуатационных испы­таний этих колес были отрицательными [15]. Как было показано далее, этого и следовало ожидать, поскольку необходимо изменять твердость не только колес, но и рельсов, причем дифференцированно по их ширине с учетом величин про­скальзывания, давления и других условий эксплуатации. При этом значение ком­плексного лабораторного эксперимента, позволяющего учесть все эти условия, очень велико — он становится практически единственным инструментом исследо­вания в этой области.

Эксперименты, кафедры «Технология металлов» ПГУПС (рис. 2.3), по оценке износостойкости этой пары материалов при проскальзывании 10% показа ли, что снижение суммарной скорости изнашивания достигалось при увеличении твердости образца из колесной стали до твердости рельсового (НВр = Збо) и выше

(НВК =380-390).

По данным [13] в табл. 2.1. и 2.2. приведены результаты влияния на износ разной степени проскальзывания и соотношение твердостей колес и рельсов.

Отечественный и мировой опыт говорит о том, что никакого волшебного соотношения между твердостью рельсов и колес не существует, а есть оптималь­ная твердость для рельсов и колес, определяемая рядом факторов. Оптимальной твердостью и для рельсов, и для колес, страдающих от процессов контактной ус­талости и износа, является 370-400 НВ. Формально соотношение значений их твердости близко к единице, но, если попытаться эксплуатировать колеса и рель­сы с одинаковой твердостью порядка 200-250 НВ при существующих осевых на­грузках, ничего хорошего на получиться из-за явно недостаточного сопротивле­ния смятию, контактной усталости и износу.

Таким образом в работе [13] также высказывается необходимость повыше­ния твердости обода колеса до НВ 400. Вместе с другими мероприятиями по «Стратегической программе обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»» повышение твердости бандажных колес позволит увеличить их ресурс до 0,6 млн. км на первом этапе. Подобные работы уже ведутся для вагон­ных колес из сталей ГОСТ 10791.

На рис. 2.3. представлены данные по соотношению твердости колес и рельсов при проскальзывании 10 % по данным ПГУПС и ВНИИЖТ. Из анализа рис. 2.3. видно, что твердость колесной стали должна составлять примерно 360-370 НВ.

Для определения общей картины взаимодействия колеса и рельса необхо­димо провести анализ напряженного состояния колес повышенной твердости.

Расчет и анализ напряженного состояния колес повышенной твердости

Для оценки общего напряженного состояния в паре колесо-рельс доста­точно решить задачу Герца для одноточечного контакта профилей ДМеТИ и ГОСТ.

Построение математической модели процессов возникновения деформа­ций и напряжений в колесе при действии на него вертикальных и боковых нагру­зок производилось на основе метода конечных элементов [16 — 23].

Основные положения для расчета напряжений в колесе методом конечных элементов [24]:

  • сечение колеса разбивается на определенное количество элементов;
  • элементы соединяются между собой в узлах. Перемещения узлов неизвест­ны;
  • устанавливаются функции, однозначно определяющие перемещения точек внутри элементов в зависимости от перемещения узлов;
  • функции перемещения точек элементов определяют однозначно деформа­ции внутри элементов в зависимости от перемещения узлов. Деформации внутри элементов, с учетом соответствующих физических соотношений, определяют напряженное состояние в каждом элементе и на его границах. Ниже приведена краткая методика расчета.

Для разработки конечно-элементных моделей колеса и рельса в программ­ных комплексах ANSYS и Cosmos Works использовались объемные 20-ти узловые параболические конечные элементы, которые подходят для моделирования нере­гулярной сетки конечных элементов. Используемые для расчета конечные эле­менты имеют квадратичную функцию формы, что позволило с высокой точно­стью определить напряжения, возникающие в элементах колеса (особенно в зонах концентрации напряжений). Используемый конечный элемент имеет три степени свободы в каждом узле (перемещения вдоль осей х, у, т). Элемент поддерживает пластичность, гиперэластичность, ползучесть, большие деформации и др. Геомет­рия элемента показана на рис. 2.4.

Для построения математической модели напряженно-деформированного состояния колеса воспользовались прямым методом жесткости. В глобальной де­картовой системе координат производилось разбиение колесной пары на гексоэд- ральные конечные элементы. При этом колесная пара опирается на рельсы. В свя­зи с чем решали контактную задачу теории упругости.

Решение данной задачи теории упругости производится с помощью мини­мизации интегральной величины, связанной с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки. Так как данная задача решается в напряжениях с задан­ными на границе усилиями, то нужно минимизировать дополнительную работу системы. Формулировка метода конечных элементов предполагает отыскание по­ля перемещений и тем самым связана с минимизацией потенциальной энергии системы при отыскании узловых значений вектора перемещений. После того как перемещения будут определены, можно вычислить компоненты тензоров дефор­маций и напряжений.

Полная потенциальная энергия упругой системы может быть разделена на две части, одна из которых соответствует энергии деформаций в теле, а другая определяется потенциальной энергией массовых сил и приложенных поверхност­ных сил. В соответствии с этим запишем полную потенциальную энергию в виде:

В основе курса теории упругости [24] лежат два соотношения: закон Гука, который связывает компоненты тензоров напряжений и деформаций, и соотноше­ния связи между деформациями и перемещениями. Закон Гука в общей форме имеет вид:

Последнее слагаемое в (2.17) не зависит от узловых значений {и}, поэтому оно не влияет на процесс минимизации и в дальнейшем не будет приниматься во внимание.

Работа, совершаемая внешними силами, может быть разделена на три раз­личные части: работа \Ус, совершаемая сосредоточенными силами, работа \Ур,
которая получается в результате действия компонент напряжений на внешней стороне поверхности, работа совершаемая массовыми силами. Работу сосредоточенных сил легко определить, если в каждой точке при­ложения сосредоточенной силы поместить узел. Работа сосредоточенной силы равна произведению величины этой силы на длину пути, на котором эта сила дей­ствует. Таким образом, работа отдельной силы равна Р-и. Обозначая узловые силы через {Р}, а узловые перемещения через {и}, совершенную работу можно записать в виде произведения матриц:

Результаты расчета моделей колесной пары представлены на рис. 3-5 при­ложения 1.

Из анализа результатов расчетов моделей колеса и рельса следует, что: 1. Наибольшие эквивалентные напряжения возникают в модели 1 (ГОСТ диаметр по кругу катания 950 мм) и составляют 720 МПа. Наименьшие эквива­лентные напряжения возникают в модели 6 (ДМеТИ диаметр по кругу катания 1250 мм) и составляют 595 МПа. Максимальные эквивалентные напряжения, воз­никающие в модели, представлены на рис. 2.6.

Разница, в процентах, между величинами эквивалентных напряжений колес с профилем ГОСТ и с профилем ДМеТИ представлены на рис. 2.7. и со-ставляет в среднем 7 процентов.

При увеличении диаметра круга катания колеса, величины эквивалент­ных напряжений возникающих в контакте снижаются на 5-12 процентов.

Влияние механических свойств колеса на его ресурс

Как показали экспериментальные исследования (рис.2.3.) и литературные данные [4, 5, 13] и др. при повышении твердости колесной (бандажной) стали по ГОСТ 398 — 96 (табл. 2.3.) возрастает ее износостойкость (п.2.2.), а также допус­каемые напряжения (п.2.3.) в более прочном ободе.

Рассмотрим качественную схему использования ресурса бандажа изображенную на рис. 1.11., которую с учетом полученных данных (рис.2.3.) и [25] мож­но представить в следующем виде (рис. 2.8.).

По первым результатам эксплуатации вагонных колес с ободом повышен­ной прочности [26], отмечается увеличение их износостойкости и меньшая по­вреждаемость дефектами. Сейчас находится в эксплуатации около 400 тыс. колес. Предположив повышение износостойкости упрочненных колес на 75% получим соответствующее повышение ресурса колеса. Кафедрой «Технология металлов» ПГУПС проводились эксперименты [25] по оценке износостойкости колесной стали повышенной твердости на магист­ральном, повышенном транспорте и в метрополитене. После термообработки ТВЧ поверхности катания колес до твердости 320-360 НВ износостойкость возросла на 30-г 50% по сравнению с твердостью 270-280 НВ. Учитывая предполагаемое по­вышение твердости до 360 НВ, можно предположить рост износостойкости более 75 %.

Выводы по главе 2

Список литературы

  1. Проблемы износа колес и рельсов. Возможные пути борьбы /В.М. Богданов, Ю.А. Евдокимов и др.// Железнодорожный транспорт. 1996. №12, с.30-31.
  2. Лазарян В.А. Динамика вагонов. М.: изд. Транспорт, 1964. 256 с.
  3. Гарг В.К., Дуккипати. Динамика подвижного состава: Пер. с англ./Под ред H.A. Панькина. — М.: Транспорт, 1988. — 391 с.
  4. Ларин Т.В. Об оптимальной твердости элементов пары трения «колесо — рельс» // Вестник ВНИИЖТ, 1965. №3. с.5-9.
  5. Вихрова A.M. и др. О соотношении твердости рельсовой и колесной стали/А.М. Вихрова, Т.В. Ларин, и др. // Вестник ВНИИЖТ, 1983, №6. — с. 34-38.
  6. Пашолок И.А., Цюренко В.Н., Самохин E.H. Повышение твердости колес // Железнодорожный транспорт. 1999. №7. с. 40-43.
  7. Воробьев А. А., Сорокин П. Г. О методике оценки соотношения твердости пары колесо-рельс // Совершенствование конструкции локомотивов и системы их об-служивания. Межвузовский сборник научных трудов., 2004 г. СПб. с. 171-176.
  8. Машнев М.М. Работоспособность и ресурс подвижного состава // Железнодо-рожный транспорт. — 1993. №1. с.43-46.
  9. Марков Д.П. Трибологические аспекты износостойкости и контактно- усталостной выносливости колес подвижного состава: Автореферат дис. на соиск. д.т.н.-М.: ВНИИЖТ. 1997. 51 с.
  10. Кошелев В. А., Челнокова Л.И. Устойчивость движения вагона и износ рабо¬чих поверхностей колес и рельсов // Конструкционно-технологическое обеспече¬ние надежности подвижного состава: Сб. науч. тр. — СПб.: ПТУ ПС, 1994 — с. 39-41.
    И. Неглинский В.В. Обобщение результатов эксплуатационных наблюдений за изнашиванием реборд колесных пар локомотивов // Трение и износ. Том 16. 1995. № 1, с. 119-125.
  11. Пашолок И.А., Харитонов В.Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес // Вестник ВНИЖТ. 1997. №1. — с. 32-36.
  12. Шур Е. А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. — М., 2003. с. 87-93.
  13. Марков Д.П. Повышение твердости колес подвижного состава. // Вестник ВНИИЖТ. 1995. №3. с. 10 — 17.
  14. Ларин Т.В. Износ и пути продления службы бандажей железнодорожных ко-лес/М.: Трансжелдориздат. 1958. 168 с.
  15. К. L. Johnson. Contact Mechanics. Cambridge University Press, 1985. P. 427.
  16. J. Kalousek, E. Magel, S. Grassie. Perspective on Metallurgy and Contact Mechan¬ics. Proceedings of IHHA’99 STS-Conference on Wheel/Rail Interface. Moscow, 1999, p. 175 — 186.
  17. S. Grassie, J. Kalousek. Rolling Contact Fatigue of Rails: Characteristics, Causes and Treatments. Proceedings of the 6th IHHA Conference. Capetown, 1997, p. 381 — 404.
  18. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979, 388 с.
  19. Ефимов Ю.Н., Сапожников Л.Б., Троицкий А.П. Реализация метода конечных элементов на ЭВМ для решения плоской задачи теории упругости // Известия ВНИИГ, 1970, т.93, с.17 — 46.
  20. Розин Л.А. Метод конечных элементов. Л.: Энергия, 1971, 214 с.
  21. Есаулов В. П., Сладковский A.B. Применение полуаналитического МКЭ к расчету тел вращения под действием несимметрической нагрузки. Деп. в Укр. ЦИНТИ 02.01.89-№14-4к89, 18с.
  22. Галлагер Р. Метод конечных элементов М.: Мир, 1984, 428 с.
  23. Тимошенко С. П., Гульдер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975.
  24. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар / И.А. Иванов, М. Ситаж, А.Ф. Богданов; Под ред. д-ра техн. наук И.А. Иванова. — СПб: Петербург¬ский Государственный Университет Путей Сообщения, 2000. — 127.
  25. Воробьев А. А., Сорокин П. Г Исследование напряженного состояния пятна контакта колеса и рельса // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов / Выпуск 3. — Брянск: БГИТА, 2004-с.8-18.
  26. Пашалок И.Л., Филиппов Г.А., Шишов A.A. Колеса с повышенной твердостью обода производства ОАО «ВМЗ» //Современные проблемы взаимодействия под-вижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИ- ИЖТ.-М., 2003. с. 87-93.