Отчет. Определение экономической эффективности повышения ресурса колесных пар электровозов ЧС2, ЧС7, электропоездов ЭР1, ЭР2, ЭТ2, приписанных к локомотивному депо Свердловск-Пассажирский за счет обработки гребней бандажей (колес) триботехническим составом НИОД.
Определение экономической эффективности повышения ресурса колесных пар электровозов ЧС2, ЧС7, электропоездов ЭР1, ЭР2, ЭТ2, приписанных к локомотивному депо Свердловск-Пассажирский за счет обработки гребней бандажей (колес) триботехническим составом НИОД, исходя из критерия комплексной минимальной интенсивности износа колеса и рельса.
1.3.1. Постановка задачи.
В условиях перехода народного хозяйства страны на рыночные методы управления, особую остроту приобретают вопросы экономии всех видов ресурсов: материальных, энергетических, трудовых.
Износ бандажей колесных пар и рельсов представляет собой сложный процесс, который определяется многими факторами. Только постоянное, систематическое наблюдение за износом в эксплуатации поможет выявить основные причины и уменьшить их влияние на износ. Иные пути решения проблемы часто приводят к дальнейшему увеличению износа и «выбрасывании денег на ветер».
Чтобы снизить интенсивность износа гребней колесных пар локомотивов и рельсов, необходимы новые подходы к решению задачи. Одним из таких направлений должна стать разработка комплекса мероприятий, позволяющих, исходя из конкретных условий эксплуатации, найти и устранить причины износа колеса и рельса.
Проблемой бокового износа рельсов и колес прямо или косвенно занимались многие ученые и практики у нас и за рубежом. На основе натурных наблюдений делались выводы о влиянии тех или иных факторов на интенсивность износа, на основе теоретических разработок строились модели явления. Однако, наметившаяся в последнее время, коммерциализация науки снизила информационную ценность публикуемых материалов. Успеха можно добиться только при комплексном подходе к решению проблемы, так как усилия многих авторов, направленных на решение частных вопросов этого сложного явления, не всегда приводят к ожидаемому результату.
Основным источником силового давления является движение экипажа по пути. Регулирование движения экипажа внутри колеи осуществляется гребнем колеса и конусностью бандажей колес. Как правило, экипаж в колее подвержен колебаниям. Основными причинами извилистого движения экипажа являются:
1) неодинаковость свойств тележек и колесных пар (разбег колесных пар, наличие сил трения в точках контакта, неравномерность износа бандажей колес, разности радиусов колес по кругу катания, неперпендикулярности колесных пар оси пути и т.д.);
2) неодинаковость свойств экипажей (их состояние, различная нагрузка на ось, жесткость пружин подвески, конструктивные особенности и т.п.);
3) анизотропность свойств рельсовой колеи по длине (по ширине, кривизне, боковой жесткости, износу, возвышению, качеству металла рельсов и т.п.).
От колебаний экипажа зависят силы взаимодействия колеса с рельсом, на которые так же значительное влияние оказывают:
1)неодинаковость параметров проходящих поездов (скорость поезда, режим движения, распределение массы по поезду);
2)план и профиль линии.
1.3.2. Технологические методы увеличения ресурса
колесных пар рельсов.
На износ колесной пары рельса существенную роль оказывает характер физических и химических процессов, протекающих в тонком поверхностном слое деталей при эксплуатации.
Особая роль этого слоя в обеспечении работоспособности обусловлена следующими причинами. Поверхностный слой твердого тела имеет избыточную энергию, вследствие чего и обладает повышенной активностью. Внутри твердого тела каждый атом кристалла окружен другими атомами и связан с ними прочно по всем направлениям, а у атомов, расположенных на поверхности, с внешней стороны нет «соседей» в виде таких же атомов. В связи с этим у атомов поверхностного слоя остаются свободными связи, наличие которых создает вблизи поверхности атомное (молекулярное) притяжение. Чтобы при таком несимметричном силовом поле атом кристалла находился в равновесии, необходимо иное, чем внутри кристалла, расположение атомов самого верхнего слоя. Поэтому физико-механические параметры поверхностного слоя, его структура и напряженное состояние, как правило, сильно отличаются от свойств всего объема материала.
При соприкосновении двух твердых тел (колесной пары подвижного состава и рельса) поверхностная энергия может выделяться в виде теплоты или затрачиваться на подстройку в кристаллической решетке одного кристалла к другому. Под действием этой энергии в процессе эксплуатации происходит непрерывное изменение конфигурации и структуры поверхностного слоя в значительно большей степени, чем по всему объему тела. Поверхностный слой формируется в результате разнообразных технологических процессов, которые не только придают необходимую форму поверхности, но и изменяют физико-химические и прочностные свойства материала в этом слое.
Подбирая соответствующие технологические процессы, можно многократно повысить прочность поверхностного слоя, стойкость его к напряжению (износостойкость), а следовательно, увеличить долговечность колесных пар и рельсов, т.е. их технический ресурс и срок службы. Существуют многочисленные технологические средства для повышения износостойкости поверхностей колесных пар и рельсов. К основным из них можно отнести следующее: применение современных методов создания прочных материалов для различных условий эксплуатации и получение из них заготовок высокого качества, близких по форме и размерам к готовым деталям; применение современных технологических приемов, обеспечивающих изготовление деталей заданной точности и стабильности, как по размерам, так и по физико-химическим свойствам; применение современных методов контроля качества материалов, заготовок и готовых изделий по соответствующим показателям надежности; применение упрочняющей обработки для получения требуемого качества рабочих поверхностей деталей машин с высоким сопротивлением изнашиванию и поломкам в различных условиях эксплуатации.
Технологические методы упрочнения, накопленные в течении десятилетий в процессе развития машиностроения, разделены на шесть основных классов: 1-ый- образование пленки на поверхности; 2-ой-изменение химического состава поверхностного слоя; 3-ий-изменение структуры поверхностного слоя; 4-ый- изменение энергетического запаса поверхностного слоя; 5-ый- изменение шероховатости поверхностного слоя; 5-ый- изменение структуры по всему объему металла.
С целью предотвращения и замедления изнашивания трущихся поверхностей обычно стремятся повысить их твердость. При этом используют традиционные методы повышения твердости деталей и узлов: цементирование, азотирование, поверхностную закалку, наплавку твердыми материалами, цианирование, хромирование и др. К менее распространенным, но находящим все большее применение на железнодорожном транспорте методам относится напыление твердых материалов на изнашиваемые поверхности- газоплазменное, электродуговое, газоплазменное. Наиболее перспективными являются другие методы, основанные на использовании новейших достижений научно-технического прогресса- лазерная, электронно-лучевая и ионная обработка изнашиваемых поверхностей.
Одним из эффективных методов, разработанных в последнее время и реализуемых с помощью несложного оборудования, является обработка трущихся поверхностей триботехническим составом НИОД (нанесение ионного покрытия на детали или наружное ионное обменное действие).
В принципе любой из рассматриваемых методов может быть применен в условиях депо, но любой экономически обоснованный способ упрочнения требует проверки технологии в конкретных условиях для каждого вида упрочняемого изделия. Применяемость метода упрочнения детали определяют дифференцировано по основным факторам, характеризующим внешние и внутренние условия эксплуатации упрочненных изделий и технико-экономические возможности использования метода в сложившихся условиях и в перспективном периоде.
1.3.3. Разработка путей снижения износа гребней
колесных пар электровозов, электропоездов
и рельсов на Свердловской железной дороге.
Боковой износ рельсов и гребней колесных пар подвижного состава стали на Свердловской ж.д. чрезвычайной проблемой, угрожающей безопасности движения поездов и вызывающей колоссальные расходы. Острота этой проблемы растет по мере снижения срока службы рельсов, бандажей колесных пар локомотивов и электропоездов. Так, только в 1995 году на Свердловской железной дороге было допущено 1,23 случая захода на неплановый ремонт на 1 млн. км пробега электровозов из-за неисправности колесных пар ( предельный износ гребней колесных пар) для обточки бандажей (колес) или их смены (рис. 1.1.). На рис 1.2. показана динамика изменения количества обточек и перекаток колесных пар на Свердловской ж.д. за 1995 год, из которого видно, что в отдельные месяцы количество обточек бандажей колесных пар составляет 2500 и более случаев.
При тяжелых условиях работы тягового подвижного состава на поверхностях трения колеса и рельса происходят физико-химические изменения. Они являются результатом пластического деформирования, повышения температуры слоев металла, прилегающих к зоне контакта бандажей колесных пар и рельсов. Эти физико-химические изменения, заключающиеся в образовании новых структур, в свою очередь изменяют вид взаимодействия и характер разрушения поверхностей.
При трении одновременно происходят механические, электрические, тепловые, вибрационные и химические процессы. Трение может упрочнить или разупрочнить металл, повысить или уменьшить в нем содержание углерода, насытить металл водородом или обезводородить его, отполировать детали или сварить их. Материал, претерпевший многократную пластическую деформацию и неоднократный наклеп, исчерпывает способность пластически деформироваться, происходит чешуйчатое отделение, которое наблюдается не только в кривых участках пути, но и на прямых. Успех применения самосмазывающихся материалов в значительной мере зависит от условий работы, выбора оптимальной для этих условий работы марки материала и конструкций узла трения. Главными характеристиками для выбора марки материала является: состав рабочей среды, величины рабочих нагрузок, скоростей и температур. Окончательное решение о пригодности выбранного материала для оснащения узла трения должно приниматься только после проведения натурных испытаний.
Скорость изнашивания колеса и рельса зависит от многих факторов: действующей нагрузки (контактного давления колеса на рельс), температуры (контактной), вида и режима движения локомотива, агрессивного воздействия окружающей среды, физико-химической модификации поверхностей в процессе трения. Решающее значение имеют материалы трущихся сопряжений, приповерхностных слоев, реологические и физико-химические свойства смазочного материала, метод смазывания.
1.3.4. Обработка гребней бандажей колесных пар
электровозов и электропоездов составом НИОД.
Самосмазывающие материалы прочно вошли в современную технику и широко применяются в узлах трения машиностроения и приборостроения. Это новый класс материалов для узлов трения, обладающих способностью создавать на поверхности контртела ориентированные пленки, имеющие малую прочность на срез в поверхностном слое и выдерживающие большое число циклов без разрушения. В процессе трения эта пленка непрерывно создается и поддерживается, а возникающие деформации локализуются в тонком поверхностном слое.
Разработка и применение твердых смазочных и самосмазывающихся конструкционных материалов в узлах трения без смазочного материала поставили много новых задач и потребовали новых нетрадиционных конструкторских и материаловедческих решений. К недостаткам смазывающих материалов (особенно полимерных) следует отнести помимо низкой теплопроводности малую несущую способность, а также потерю эластичности и прочности вследствие утраты пластификатора. Применение этих материалов позволило в ряде случаев отказаться от жидких и пластичных смазочных материалов, что существенно расширило температурный диапазон использования материалов является их малая скорость газовыделения. Температурный режим работы этих материалов в зависимости от служебного назначения колеблется в пределах 200-1100ос.
В результате исследований закономерностей возникновения и накопления местных остаточных деформаций при контактном нагружении установлено, что уже при напряжении порядка 3 ГПа даже у закаленных на высокую твердость(HRC 60-62) бандажей или рельсов появляются нарушения исходной их формы, причем значения деформации растут пропорционально четвертой степени расчетного напряжения и при первом нагружении составляют 50-85% такого ее уровня, которого она достигает при весьма большом (порядка 106)числе нагружения.
С 1995 года в локомотивном депо Свердловск-Пассажирский Свердловской ж.д. кафедрой «Электрическая тяга» УрГАПС в сотрудничестве с фирмой «Урал-Тест» и работниками депо проводятся работы по обработке гребней бандажей колесных пар пассажирских электровозов серии ЧС2 и ЧС7, электропоездов ЭР1,ЭР2 и ЭТ2. Для этого используются угольные стержни с наполнителем из состава самосмазывающего материала типа НИОД (ТУ0254-002-23124986-96).
Под воздействием «стержня» на гребень бандажа, НИОД внедряется в структуру металла, упрочняя его и «залечивая» поверхностные дефекты после обточки. В результате обработки на начальном этапе на поверхности гребня бандажа образуется керамическое покрытие, которое резко снижает коэффициент трения гребня бандажа и рельса. В процессе эксплуатации под действием высоких давлений, возникающих между колесом и рельсом, состав НИОД внедряется в структуру металла в результате чего изменяется кристаллическая решетка и значительно увеличивает твердость гребня.
Необходимо отметить экологическую чистоту метода по сравнению с другими видами обработки. НИОД имеет экологический сертификат, а минералогический состав приведен в таблице 1.1, из которой следует, что в качестве составляющих применяются природные материалы.
При обработке составом НИОД (нанесение ионного покрытия на детали или наружное ионное обменное действие):
-обеспечивается высокая адгезия покрытия к подложке за счет хорошей очистки и высокой энергии конденсирующихся частиц (способствующей необходимой активации поверхностного слоя);
-не требуется повышения температуры подложки до высоких значений, благодаря чему сохраняется структура и свойства основного материала;
-обеспечивается возможность нанесения очень тонких равномерных по толщине покрытий на окончательно обработанные поверхности деталей без ухудшения геометрического качества поверхности;
-в процессе осаждения осуществляется «залечивание» поверхностных дефектов (микротрещин, зон предразрушения и т.п.), неизбежно образующихся при процессах механической обработки;
-имеется возможность варьирования состава и свойств покрытий в широчайших пределах;
-при ничтожном расходе материалов обеспечивается весьма существенное повышение износостойкости и надежности трущихся сопряжений колеса рельса.
Для определения интенсивности изнашивания бандажей колесных пар электровозов, обработанных и необработанных составом НИОД (ТУ 0254-002-23124986-96) в локомотивном депо Свердловск-Пассажирский Свердловской ж.д. на кафедре «Электрическая тяга» УрГАПС в 1995 и 1996 годах был проведен сравнительный анализ изнашивания бандажей колесных пар пассажирских электровозов ЧС2 и ЧС7, электропоездов ЭР1,ЭР2 и ЭТ2.
Учитывая результаты проведенных исследований в 1995 году на катковой станции кафедры «Электрическая тяга» Уральской государственной академии путей сообщения, эксплутационных наблюдений работников локомотивного депо и фирмы «Урал-Тест», в 1996 году была изменена технология обработки составом ТС НИОД гребней колесных пар подвижного состава, увеличена длина угольного стакана со 100 до 120 мм, что должно привести к существенному увеличению ресурса колес до обточки в локомотивном депо Свердловск-Пассажирский.
