Повышение твердости колес

ПОВЫШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ КОЛЕС.

В последние годы ресурс цельнокатаных колес грузовых вагонов значительно уменьшился, несмот­ря на применение лубрикации, введение разворота колесных пар при неравномерном износе гребней, разработку и внедрение ремонтного профиля об­точки, позволяющего при зауженной ширине колеи обеспечить более свободное вписывание тележек, упрочнение гребней колес. Браковка колесных пар по дефектам обода остается чрезвычайно высокой. Число обточек неуклонно растет, несмотря на посто­янное сокращение рабочего парка грузовых ваго­нов. Средний срок их службы упал с 10 лет в 1980 г. до 3 лет в 1997 - 98 гг.

Как показывает многолетний опыт эксплуатации, определяющее влияние на работоспособность колес оказывает технология их изготовления. Цельноката­ные колеса грузовых вагонов имеют значительные резервы работоспособности и прежде всего за счёт повышения их качества и совершенствования важней­ших показателей - химического состава металла и его механических свойств. Поэтому одно из важнейших направлений совершенствования цельнокатаных ко­лес - это повышение металлургического качества путем внедрения на заводах - изготовителях вакуумирования, внепечной обработки, непрерывной разлив­ки стали и других передовых технологий, а также применение технологии сплошного неразрушающего контроля внутренних и наружных дефектов. Сегодня отечественные производители значительно продвину­лись в данном направлении. В частности, технология печь-ковш и непрерывная разливка стали на ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат" не уступают лучшим зарубежным образцам.

Однако качество отечественной колесной стали пока низкое из-за наличия дефектов в виде газовых пузырей, раскатанных загрязнений, рванин, неметал­лических включений, отсутствия внепечной обработки металла ряда плавок колес. Наибольший процент брака приходится на время между производством и простоями. Вследствие этого практика децентрали­зованной закупки колес дорогами не способствует повышению качества колес. По нашим представлени­ям, потребность МПС России в колесах должна быть реализована у конкретного производителя в резуль­тате непрерывного изготовления колес в течение одного, максимум двух периодов непрерывной рабо­ты колесопрокатной линии с удвоенным контролем первых трех-четырех плавок. В противном случае добиться надлежащего качества не представляется возможным.

Другое важнейшее направление - повышение проч­ностных характеристик ободьев колес. В таблицах 1 и 2 представлены основные виды брака колес грузовых и пассажирских вагонов в эксплуатации в различные годы. В настоящее время основными причинами брака колес грузовых вагонов являются ползуны и выщерблины различной природы, в недавнем прошлом - боковой износ гребня.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что повышение временного сопротивления и твердо­сти ободьев колес благоприятно сказываются на стой­кости их к эксплуатационным повреждениям. В отече­ственных и зарубежных нормативных документах прослеживаются определенные закономерности и связи параметров ободьев колес грозовых вагонов и головок основного типа рельсов (химического соста­ва, твердости по Бринеллю и временного сопротивле­ния).

При этом под основным типом рельсов понимается следующее. Для нашей страны существует несколько профилей рельсов, тем не менее в главные пути железных дорог укладываются в подавляющем боль­шинстве объемно-закаленные рельсы Р65 по ГОСТ 18267. В пятидесятые - семидесятые годы до широ­кого внедрения объемно-закаленных рельсов основ­ным типом был нетермообработанный рельс Р50. Точно так же Международный союз железных дорог (МСЖД) предусматривает применение многочислен­ных профилей и марок рельсовых сталей, в то время как подавляющее число уложенных рельсов соответ­ствует марке Grade 700 (по памятке UIC - 860). Аналогично в США основной тип рельсов имеет химический состав и механические свойства по стандарту АRЕА (Железнодорожная техническая ас­социация США). Согласно стандарту UIС 812-3 для колес грузовых вагонов рекомендована сталь R7. По стандарту Американской ассоциации железных до­рог (ААR) М-107 для грузовых вагонов с повышенной нагрузкой на ось и легкими условиями торможения (примерно соответствующими условиям на сети оте­чественных железных дорог) предписано использо­вать цельнокатаные колеса марки С.

На рис. 1, а, 6 представлено соотношение меха­нических характеристик основного типа рельсов и колес грузовых вагонов главных зарубежных желез­нодорожных систем - США и МСЖД. Ободья колес как в США - стране с развитыми грузовыми перевоз­ками, так и в Европе как минимум не уступают или превышают в 1,2 -1,4 раза по главным показателям -временному сопротивлению (прочности на растяже­ние) либо практически пропорциональной ему твер­дости по Бринеллю - головкам рельсов.

Для сравнительного анализа отечественных колес и рельсов использовано временное сопротивление их ободьев и голов9к, так как для этого показателя, в отличие от твердости, в стандартах регламентируется как минимальное, так и максимальное значение. Прочностные характеристики взяты из стандартов и технических условий либо определены, исходя из химического состава стали. Из приведенной на рис.1 диаграммы следует, что в различные временные периоды соотношение прочностных характеристик головок рельсов и колес грузовых вагонов существен­но различалось.

Десятилетний период с 1948-1949 по 1958-1959 гг. показал, что одностороннее повышение прочностных свойств головок рельсов приводит к нежелательным последствиям. Так, согласно данным ВНИИЖТа, в пятидесятые годы наблюдалось возрастание интенсив­ности бокового износа в кривых радиусом вплоть до 1500 м, причем с увеличением интенсивности износа сократился срок службы рельсов в кривых радиусом 300 м и менее до 1,5-2 лет и срок службы бандажей до 2-3 лет, то есть до пробега 250-400 тыс. км (цифры с большой степенью точности совпадают с нынешними показателями ). Аналогичной была ситуация с ползу­нами и выщербинами.

К этому времени относятся работы Т. В. Ларина, впервые поднявшего вопрос о соотношении прочнос­тных характеристик колеса и рельса. Им было обо­сновано оптимальное соотношение твердости обода колеса и головки рельса от 1,2 к 1 до 1,4 к 1. Внедрение этих предложений принесло положитель­ные результаты во второй половине шестидесятых и семидесятых годов. Именно тогда было реализовано некоторое снижение прочностных характеристик рель­сов при одновременном существенном росте анало­гичных показателей у колес. Этому периоду соответ­ствует минимальная повреждаемость упомянутых вза­имодействующих конструкций.

Нетрудно заметить, что соотношение прочност­ных характеристик головок рельсов и колес грузовых вагонов в этот период в максимальной степени соот­ветствовало приведенному выше стандарту США и МСЖД.

Таким образом, наряду с общемировой тенденцией увеличения прочностных характеристик колес и рельсов при увеличении интенсивности перевозок существует и определенная связь между этими проч­ностными характеристиками. Не исключено, что сло­жившееся к настоящему времени соотношение, ког­да прочность рельса выше прочности колеса на 5 -40 % и более, далеко от оптимального. На это указывают следующие обстоятельства. Рост повреж­даемое™ колес и рельсов четко коррелирует с коли­чеством объемно-закаленных рельсов, уложенных в главные пути, причем при определенной их доле происходят качественные изменения во взаимодей­ствии колеса и рельса в этой трибологической систе­ме. В конце семидесятых годов, когда все участки пути в кривых, составляющих около 25% от общей протяженности главных путей, были заполнены объем­но-закаленными рельсами по ГОСТ 18267, их стали укладывать и в прямые участки. К 1986 - 1987 гг. они составляли уже более 50 %, т.е. стали основным типом рельсов (рис.2). Как известно, в эти годы начался повышенный износ как колес, так и рельсов. С середины восьмидесятых годов до середины девя­ностых годов движение грузовых вагонов было прак­тически парализовано из-за быстрого износа гребней колес и бокового износа головок рельсов.