Bryansk, Bryansk, Russian Federation
Bryansk, Bryansk, Russian Federation
UDK 620.178.162 Испытания на износ трением. Влияние смазочных и абразивных материалов
BBK 392 Железнодорожный транспорт
The study objective is to examine new methods of restoring the axis neck of the locomotive driving wheel. To achieve the goal, the task was set and solved to reduce hydrogen concentration in the axis during its manufacture and repair by means of appropriate technology. To fulfill this task, the following research methods are carried out, that is vacuum thermal exposure, wear determination, diffuse siliconization, definition of hydrogen concentration. The scientific novelty of the work is in the fact that the proposed technology consists in restoring the axis of a locomotive wheelset, contributing to an increase in the axis durability by means of preliminary diffusion siliconization. Conclusions: the proposed technology of restoration and repair does not change the critical static properties of the axis, while increasing the wear resistance of the shaft neck and reducing the release of diffusion-active hydrogen.
technology, neck, axis, locomotive, wear resistance, wear
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. Kopachev SV. Influence of various factors on the complexity of technological preparation of rolling stock repair in the conditions of the current repair system. Vestnik Transporta Povolzhya. 2012;1(31):69-77.
2. Antipin DYa, Racin DY, Shorokhov SG. 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. Galiev II, editor. Proceedings of the 3-d All-Russian Scientific and Technical Conference with international participation, 2015 December 10-11: Technological support of repair and improvement of dynamic qualities of railway rolling stock; Omsk: Omsk State University of Railways; 2015.
4. Antipin DYa, Ashurkova SN, Chepikova EV. Substantiation of dynamic models for the analysis of load-bearing structures of passenger car bodies. The future of machine building in Russia: collection of the IX All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists; 2016.
5. Kobishchanov VV, Antipin DYa, Shorokhov SG. Assessment of the dynamic loading of domestic passenger cars in case of accidental collisions of trains with obstacles. Proceedings of the third All-Russian scientific and technical conference with international participation: Technological support of repair and improvement of dynamic qualities of railway rolling stock; 2015.
6. Polyakov AA. Protection against hydrogen wear in friction units. Moscow: Mashinostroenie; 1980.
7. Suslov AG, Shalygin MG. The study of the properties of steel 40X13obtained by heat-treatment. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. 2018;1:19-21. DOI: https://doi.org/10.12737/article_5a5a44e88cdc22.07121039 .
8. Shalygin MG, Vashchishina AP. Anti-frictional Lubricant Additives for Locomotive Wheel Flange [Internet]. AIP Conf. Proc. 2340, 060003 (2021). Available from: https://doi.org/10.1063/5.0047297.
9. Fedonin ON, Shalygin MG. Corrosion and wear resistance of transport and chemical engineering40X13 products. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineerng. 2020;8:3-10.
10. Shalygin MG, Makarov GN. The results of the study of the properties of the structure in the surface layer of steel 45 formed complexes technological operations. Handbook. An Engineering Journal. 2018;3:3-7.
