Брянск, Брянская область, Россия
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 620.178.162 Испытания на износ трением. Влияние смазочных и абразивных материалов
ББК 392 Железнодорожный транспорт
Целью статьи является исследования новых методов восстановления шейки оси активного колеса локомотива. Для достижения цели была поставлена и решена задача технологического уменьшения концентрации водорода в оси при ее изготовлении и ремонте. В рамках поставленной задачи были проведены следующие методы исследования – вакуумное термическое воздействие, определение износа, диффузное силицирование, определение концентрации водорода. Научная новизна работы заключается в том, что предложена технология, заключающаяся в восстановлении оси колесной пары локомотива, способствующая повышению долговечности оси, заключающаяся в предварительном диффузионном силицировании. Выводы: предложенная технология восстановления и ремонта не изменяет критически статические свойства оси, при этом увеличивается износостойкость шейки вала и снижается выделение диффузионно-активного водорода.
технология, шейка, ось, локомотив, износостойкость, изнашивание
Введение
Проблемы водородного износа и водородного охрупчивания остаются одними из препятствий на пути увеличения долговечности деталей машин. Особенно остро эти проблемы встали в свете последних тенденций перехода на «зеленую» водородную энергетику, где потребуется разработка способов и средств хранения, транспортировки и доставки потребителю сжиженного водорода. Однако, обозначенные выше проблемы не являются узкоспециализированными в водородной энергетике. Так, водородное охрупчивание и изнашивание создает немало проблем тяговому подвижному составу железных дорого [1].
В работах [2,3] проведен анализ современных подходов к изучению прочности и долговечности несущих конструкций вагонов. Колесные пары локомотивов состоят из оси, колесных пар и бандажей. При отливке осей колесных пар большое влияние на их качество оказывает водород, который определяют испытаниями на разрыв и судят по наличию белых пятен на изломе. В осях колесных пар водород является биографическим, попадающим в структуру металла в процессе выплавки.
Постановка задачи
В процессе работы оси водород скапливается в местах неметаллических включений – это уменьшает усталостную прочность и пластичность материала оси.
Интенсивному водородному изнашиванию и водородному охрупчиванию подвергается шейка оси. Шейка оси предназначена под посадку моторно-осевого подшипника тягового электродвигателя. Моторно-осевой подшипник с колесной парой трения скольжения является одним из проблемных узлов подвижного состава, наиболее часто подверженных контролю и ремонту по причине износа, близкого к критическому. Остро стоит проблема повышения его надежности, износостойкости и долговечности. Наличие зоны трения, а, следовательно, градиентов температур и образования активных центров приводят к интенсивному водородному изнашиванию шейки оси [4, 5].
Для уменьшения количества биографического водорода в оси могут применяться способы из различных областей знаний: технологии металлов, машиностроения, обеспечения износостойкости, усталостной прочности и др. Одним из таких способов может быть удаление биографического водорода из металла вакуумным термическим воздействием (обезводораживание), предложенный в работе [6, 7].
Однако, тяговый подвижной состав эксплуатируется в различных климатических зонах и в течении суток может работать в условиях с изменением температуры окружающей среды более 10оС. В результате в зоне трения шейки оси оказывается водород, попадающий туда с окружающим состав воздухом. Такой водород, эксплуатационный, попадая в зону трения во многом нивелирует уменьшение биографического водорода в оси в процессе ее изготовления [8]. Исправить такую ситуацию возможно предложив технологию ремонта и восстановления оси колесной пары, позволяющую уменьшить водородное изнашивание и водородное охрупчивание.
Одна из существующих технологий восстановления оси колесной пары включает в себя накатку шейки и подступичной части. Накатывание проводят с использованием специальных накатных роликов, имеющие индикаторы усилий давления. Важным, при этом, является контроль формы и размеров утвержденным стандартам. В результате восстановительных работ шейка должна иметь цилиндрическую форму, которая будет концентричной поверхности катания колеса. Следовательно, технология, обеспечивающая «барьер» к проникновению эксплуатационного водорода, должна соответствовать жестким требованиям утвержденных стандартов. Так, для осей всех колесных пар первого и второго классов точности круглость шейки не должна превышать 0, 015 мм, радиальное биение – 0,03 мм.
Методы и средства, результаты и обсуждение
В процессе исследований по уменьшению негативного влияния водорода были определены статические характеристики. Испытания проводились на образцах из стали ОсВ (ГОСТ 4728-79) при нагрузке 80 Н. Для снижения концентрации биографического водорода в образце применялся метод вакуумного термического воздействия, предложенный в работе [9], режимы которого описаны в работе [10]. Для определения износостойкости были проведены испытания на износ с определением количества выделившегося водорода, так называемого диффузионно-активного водорода (рис.1).
Рис. 1. Исследования образцов на износ и выделение диффузионно-активного водорода
при влажности 30%: 1 – исходный образец; 2 – термическое вакуумное воздействие
Fig. 1. - . Examination of samples for wear and release of diffusion-active hydrogen
at a humidity of 30%: 1 - original sample; 2 - thermal vacuum effect
В процессе повторения испытаний была увеличена влажность в помещении, где хранились образцы, с 30% до 60% с целью имитации прохождения состава в соответствующих климатических зонах. Образцы пролежали в помещении с повышенной влажностью в течение 8 часов. В результате испытаний установлено, что с увеличением влажности выделение диффузионно-активного водорода из зоны трения уменьшилось (рис. 2).
Рис. 2. Исследования образцов на износ и выделение диффузионно-активного водорода
при влажности 60%: 1 – исходный образец; 2 – термическое вакуумное воздействие
Fig. 2. - Examination of samples for wear and release of diffusion-active hydrogen
at a humidity of 60%:1 - original sample; 2 - thermal vacuum effect
Любопытным является тот факт, что выделение диффузионно-активного водорода из образца, подверженного термическому вакуумному воздействию при увеличении влажности возросло, однако это требует дальнейших исследований.
Для создания «барьера» к проникновению водорода в зону трения из окружающей среды было проведено диффузионное силицирование образцов. Диффузионное силицирование проводилось следующим образом [8]. Камера разогревалась и в ней поддерживалась температура 2300С, с целью недопущения фазовых превращений в стали. В камеру помещался образец, полностью покрытый порошкообразным карбидом кремния. Облучение образца и нахождение его в камере составляло 30 мин., после чего камера открывалась и образец остывал на воздухе. Диффузионное силицирование, кроме очевидных положительных свойств при диффузии водорода было выбрано по причине малого влияния на геометрию шейки вала.
Износостойкость образца изменилась с 0,56 при использовании диффузионного силицировани до 0,54 при вакуумной термической обработке и до 0,52 у исходного образца. Результаты испытаний приведены на рис. 3.
Рис. 2. Исследования образцов на износ и выделение диффузионно-активного водорода
при влажности 30%: 1 – исходный образец; 2 – силицирование
Fig. 3. - Examination of samples for wear and release of diffusion-active hydrogen
at a humidity of 30%: 1 - original sample; 2 – siliconization
Как видно из диаграммы износ и выделение водорода при диффузионном силицировании уменьшаются. Интерес представляет отношение интенсивности изнашивания образцов к интенсивности выделения диффузионно-активного водорода
.
Так, отношение интенсивностей для исходного образца 5,625х10-3, силицированного образца 5,72х10-3.
Так как к осям колесных пар применяются строгие требования по прочностным свойствам были проведены испытания на сжатие. Предел текучести исходного образца составил σсж = 760…790 МПа, образца после термического воздействия σсж = 770…800 МПа, при диффузионном силицировании – σсж = 730…760 МПа. Из этого следует, что предложенные дополнения к технологиям изготовления оси и ремонта шейки оси колесной пары не приводят к критическому изменению прочностных свойств.
После фрикционных испытаний при охлаждении образца наблюдается диффузионный процесс в сторону выравнивания концентрации водорода в поверхностном слое. Очевидно, что выравнивание концентрации водорода в поверхностном слое происходит за счет биографического водорода.
Таким образом, в процессе ремонта и восстановление шейки оси колесной пары до осуществления накатывания следует провести диффузионное силицирование. Однако, до практического применения предложенной технологии восстановления следует провести натурные испытания.
Выводы
Проведенные исследования позволили получить следующие результаты:
- Водородное охрупчивание биографическим водородом оси активного колеса локомотива можно уменьшить вакуумным термическим воздействием на этапе ее изготовления.
- Технологический процесс восстановления шейки оси следует осуществлять с применением диффузионного силицирования, с последующей накаткой.
- В процессе технологического восстановления контурной круглости осуществляется как после диффузионного силицирования, так и после накатки. После диффузионного силицирования круглость шейки не должна превышать 0, 015 мм, радиальное биение – 0,03 мм.
Однако, до практического применения предложенной технологии восстановления необходимо провести натурные испытания.
1. Копачев С. В. Влияние различных факторов на трудоемкость технологической подготовки ремонта подвижного состава в условиях действующей системы ремонта. Вестник транспорта Поволжья. 2012. № 1(31). С. 69-77.
2. Antipin D.Y., Racin D.Y., Shorokhov S.G. Justification of a rational design of the pivot center of the open-top wagon frame by means of computer simulation. Procedia Engineering. 2016. pp. 150-154.
3. Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: материалы III Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в 3-х частях, Омск, 10-11 декабря 2015 года / И.И. Галиев (отв. редактор). - Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2015. 377 с. ISBN 978-5-94941-126-1. - EDN UZRQHJ.
4. Антипин Д.Я., Ашуркова С.Н., Чепикова Е.В. Обоснование динамических моделей для анализа нагруженности несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов. Будущее машиностроения России: сборник IX Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. 2016. С. 695-697.
5. Кобищанов В.В., Антипин Д.Я., Шорохов С.Г. Оценка динамической нагруженности отечественных пассажирских вагонов при аварийных соударениях поездов с препятствиями. Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: сборник материалов третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием в трех частях. 2015. С. 50-56.
6. Поляков А.А. Защита от водородного износа в узлах трения. М.: Машиностроение, 1980. 196 с.
7. Суслов А.Г., Шалыгин М.Г. Комплексное технологическое повышение износостойкости и статической прочности деталей из стали 40Х13. Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2018. №. 1. С. 19-21. DOI: https://doi.org/10.12737/article_5a5a44e88cdc22.07121039.
8. Shalygin M.G., Vashchishina A.P. Anti-frictional Lubricant Additives for Locomotive Wheel Flange. AIP Conf. Proc. 2340, 060003 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0047297.
9. Федонин О.Н., Шалыгин М.Г. Повышение коррозионной стойкости и износостойкости изделий транспортного и химического машиностроения. Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 8. С. 3-10.
10. Шалыгин М.Г., Макаров Г.Н. Результаты исследования свойств структуры в поверхностном слое стали 45, полученной комплексным методом. Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2018. № 3. С. 3-7.
