Повышение твердости колес, страница 2

Однако главенствующую роль в этом процессе сыграло завершение перевода эксплуатационного парка вагонов на роликовые подшипники. В связи с этим гребни колес и боковые грани рельсов стали работать в режиме сухого трения из-за прекращения поступления в зону контакта жидкой смазки из под­шипников скольжения. В условиях быстрого изнашива­ния гребней (пробег колес до обточки исчислялся всего лишь несколькими тысячами километров) эксп­луатационные дефекты контактно - усталостного про­исхождения не успевали проявиться. Массовое вне­дрение различных систем смазывания рельсов и ко­лес, восстановления гребней наплавкой существенно сократили браковку колес по износу гребней, в то же время дефекты контактно - усталостного происхож­дения заметно увеличились.

Динамика роста повреждаемости колес, банда­жей и рельсов представлена на рис. 3, где использо­ваны интенсивные относительные показатели, приве­дённые к единому масштабу - нормированное отно­шение числа обточек колесных пар локомотивов к грузонапряженности, общий удельный (по тонно-ки-лометровой работе) выход рельсов и относительное число обточек колесных пар грузовых вагонов (отношение числа обточек к числу колесных пар рабочего парка).

Как следует из рис.2, укладка объемно-закален­ных рельсов в прямых участках пути продолжает прогрессировать, поэтому повреждаемость колес грузовых вагонов растет ввиду неэффективности при­нимаемых мер. Упрочнение колес в деповских усло­виях происходит на небольшую глубину (2-3 мм) и потому нуждается в постоянном возобновлении. Кро­ме того, контроль качества упрочнения и приемка готовой продукции в вагонных депо значительно уступают налаженной системе приемки колес Инс­пекцией МПС на заводах-изготовителях. Однако низ­кое качество упрочнений и анализ отказов колес по трещинам гребней привели к тому, что ссылаясь на Международный стандарт - технические условия на цельнокатаные колеса (ISO 1005/6, приложение к действующему ГОСТу 10791-89), запрещающий со­здание на колесах покрытий тепловым, гальваничес­ким и другими способами, заводы-изготовители сняли с себя гарантийную ответственность за работоспо­собность наплавленных или упрочненных колес, что способствует снижению безопасности движения.

Кроме того, при наплавках и упрочнения, ввиду специфики применяемых технологий, не исключена возможность создания нежелательной системы оста­точных напряжений в районе гребней колес, что может приводить к растрескиванию металла в эксплу­атации. Поэтому была поставлена задача упрочнения ободьев колес грузовых вагонов на предприятии-изготовителе до твердости обода по всей рабочей толщине 320-400НВ, т.е. не уступающей твердости объемно-закаленных рельсов по ГОСТ 18267. Этим было ликвидировано отставание в прочностных харак­теристиках ободьев отечественных колес (бандажей) по сравнению с США и другими странами Американ­ской ассоциации железных дорог, где такие колеса выпускаются с 1942 г.

Необходимая твердость 320-400НВ на ОАО “Выксунский металлургический завод” была достигнута за счет интенсификации закалки обо­дьев колес при снижении темпера­туры охлаждающей среды и повы­шении ее давления в спрейерах, а также низкого отпуска.

В процессе разработки техно­логии колес с повышенной до уров­ня объемно-закаленных рельсов твердостью обода превалирующи­ми были экономические сообра­жения, что придало работе опре­деленную специфику: так, для экс­периментов использовали не целые партии колес, а лишь их часть в количестве, необходимом для испытании. Были проведены минимальные изменения в технологической схеме производства; исключены не только разработка, но и модернизация действующего оборудования. Это позволило провести работу с минимальными затратами и окупить расходы уже на первой (установочной) партии колес.

Микроструктура на поверхности гребня колёс после закалки и отпуска до 350° С представляет собой игольчатую структуру с микротвердостью 450-520 НВ. Микроструктура на глубине 5мм от поверхности катания, имея смешанный характер, при увеличении х500 также обнаруживает слабо выраженную игольчатость (из-за дисперсности микроструктуры) на глубину около 20 мм от поверхности катания. Иссле­дование микроструктуры четко показало, что повы­шение твердости обода колес связано с мартенситом и продуктами его распада.

Испытания опытной партии колес на эксперимен­тальном кольце ВНИИЖТа проводились с 27 марта 1996 г. по 18 сентября 1997 г. с осевой нагрузкой 27 т. Контрольные (серийные) колеса за это время неоднократно обтачивались в основном из-за выщерблин. Колеса же с повышенной твердостью обода прошли около 200 тыс. км и были отправлены на обточку для испытаний режущего инструмента, а не вследствие необходимости восстановления про­филя катания. На основании испытаний было установ­лено, что ресурс колес с повышенной твердостью обода оценен как минимум вдвое больше, чем у серийных.

На экспериментальном кольце ВНИИЖТа были проведены также летние и зимние тормозные испыта­ния полувагонов, оборудованных колесами повышен­ной твердости (в том числе с содержанием углерода 0,72% вес.), при этом был проведен цикл полных служебных торможений при скоростях от 40 до 90 км/ч. Вагоны были оборудованы композиционными колодками из серийного материала шифра ТИИР-300. По окончании проведения интенсивных остановоч­ных торможений с периодическим нагревом колес до 300 °С и последующим их остыванием были осмотре­ны поверхности катания опытных и серийных колесных пар. Дефекты тормозного происхождения обнару­жены не были. При этом тормозные пути при всех режимах торможения не превысили нормативных.

Для обточки твердых колес ВНИИЖТом совместно с другими организациями разработан режущий инст­румент, который можно успешно применять в усло­виях существующего станочного парка. При этом стоимость нового инструмента по сравнению с серий­ным осталась неизменной.

Учитывая результаты проведенных испытаний и последующие пробные обточки колес, режимы их закалки были скорректированы в сторону уменьше­ния пика твердости на поверхности катания до 350-360 НВ с увеличением равномерности прокаливаемости по глубине обода (рис. 4). Как видно из рисунка, колеса с повышенной твердостью обода значительно превосходят серийные по твердости. На установочной партии колес при приемке их Межведомственной комиссией были проведены копровые испытания по ГОСТ 10791-81 с целью определения влияния низкого отпуска на охрупчивание колес. Все десять колес от разных партий выдержали испытания.

С мая 1998 г. по апрель 1999 г. на Восточно-Сибирской дороге проходили эксплуатационные ис­пытания установочной партии колес с повышенной твердостью обода (936 шт.). Результаты испытаний свидетельствуют о значительных преимуществах но­вых колес перед серийными. Износ гребня у этих колес в 2,5 раза ниже, чем у серийных, в них не отмечено повреждений ободьев с выщерблинами и “наварами”. Односторонний ползун, связанный с тор­можением башмаком на сортировочной горке, обна­ружен лишь на одном колесе. Это свидетельствует о правильности применённого подхода к повышению надежности этой важной детали.

Стоимость новых колес на 30% выше стоимости серийных, но при широком внедрении и увеличении их выпуска эта разница существенно уменьшится. Реаль­ная прибыль от внедрения новой технологии упрочне­ния колес грузовых вагонов складывается из сниже­ния расходов на закупку новых колес вследствие увеличения их срока службы минимум в 2 раза, снижения расходов на текущий отцепочный ремонт и обточку колесных пар. Общее снижение расходов железных дорог при внедрении колес с повышенной твердостью обода составит не менее 400 млн. руб. в год.

Таким образом, установлено, что, не меняя хими­ческий состав материала, возможно создание колес повышенной твердости, оптимально приближающей­ся к твердости рельса. Как показали совместные с ОАО “Выксунский мателлургический завод” работы, для практической реализации этой идеи необходимо внедрение в производство новых технологических процессов при безусловном обеспечении качества выпускаемой продукции.