Ю. А. Зайченко
Индукционно-металлургический способ повышения надежности и долговечности узлов трения
Для повышения надежности и долговечности деталей машин необходимы новые износостойкие защитные покрытия и методы их нанесения. Одной из таких ресурсосберегающих технологий является индукционно-металлургический способ (ИМС) упрочнения и восстановления рабочих поверхностей деталей, нашедший широкое распространение на предприятиях Министерства путей сообщения Российской Федерации.
Железнодорожный транспорт является энерго- и материалоемкой отраслью народного хозяйства. На его долю приходится 10 - 12 % потребления топливно-энергетических ресурсов в стране и до 20 % металла. Более трети расходуемой энергии тратится на преодоление трения, в результате износа теряется более 10 % металла, процессами трения и износа обусловливается 80 - 85 % отказов железнодорожной техники.
Известно, что техническое обслуживание и ремонт транспортных средств обходятся в 5 - 20 раз дороже их первоначальной стоимости. Этим объясняется заинтересованность эксплуатационных служб МПС РФ в повышении надежности и продлении сроков безотказной работы железнодорожной техники, что, в свою очередь, способствует безопасности движения поездов.
Для достижения желаемых надежности, долговечности и безопасности необходимо решить проблемы износа основных узлов трения в подвижном составе и пути.
Приоритет принадлежит проблемам взаимодействия подвижного состава и пути, где критическими являются гребень колеса, рабочая грань наружного рельса в кривых малого радиуса и элементы стрелочных переводов. Второе место занимают проблемы экипажной части грузовых (тележка модели 18-100) и пассажирских (тележка КВЗ-ЦНИИ) вагонов, рессорного подвешивания локомотивов, третье - ударно-сцепных устройств подвижного состава.
Научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями МПС РФ разработан ряд технологий для повышения надежности и увеличения сроков службы основных деталей подвижного состава и пути. Упрочнение гребней колес плазменной закалкой, смазывание рельсов, изменение профиля колес и рельсов, другие мероприятия дали определенные положительные результаты с точки зрения износостойкости, но не решили всех проблем. Остались нерешенными вопросы контактной прочности, большой стоимости восстановительных работ и т. д.
Так, мероприятия по улучшению условий работы узлов трения в тележках не устранили причин повышенного износа сопрягаемых поверхностей, где помимо усиления рабочих зон по износостойкости необходимо решить проблему фрикционных характеристик таких узлов трения, как детали гасителей колебаний, скользунов, шарнирно-поворотных устройств.
Существующие технологии
Из многообразия существующих технологий упрочнения и восстановления рабочих поверхностей узлов трения транспортной техники наиболее распространенной является электродуговая наплавка. К числу ее достоинств относятся простота и доступность наплавки различных по форме и площади изношенных поверхностей, достаточно высокая производительность (при автоматической наплавке достигающая 27 кг/ч), сравнительно невысокая цена наплавляемых материалов (электродов). Основные недостатки заключаются в интенсивном выделении тепла при наплавке слоями большой толщины, что приводит к росту зерен основного металла и в дальнейшем к его разупрочнению, значительном выгорании легирующих элементов, особенно легколетучих (углерода, бора), невозможности обеспечения стабильных характеристик наплавленного металла как по фрикционным свойствам, так и по однородности структуры и качества (шлаковые и газовые включения) при наплавке в один проход.
Другие используемые технологии, такие, например, как плазменно-порошковая металлизация, дороги, технологически сложны или применимы не для всех марок стали.
Наибольшее число узлов трения находится в автосцепных и буферных устройствах. И здесь применение электродуговой наплавки или приварки пластин из сырой стали Ст3 частично решает вопрос восстановления геометрии изношенных поверхностей, но не их надежности и долговечности. Следует также отметить, что детали фрикционных аппаратов типов Ш-2В, ЦНИИ-6, ПМК-110А по износу просто не ремонтируются и подлежат замене новыми, что не всегда выполняется из-за отсутствия или большой стоимости последних.
Новая технология
В целях радикального решения задачи повышения надежности, увеличения эксплуатационного ресурса наиболее интенсивно изнашивающихся деталей подвижного состава и путевых машин в Инженерном центре "Сплав" МПС РФ разработан и с 1989 г. принят к использованию индукционно-металлургический способ (ИМС) упрочнения и восстановления рабочих поверхностей. Технологические процессы, характеризующие этот способ, включают индукционный нагрев рабочих поверхностей деталей, наплавку, легирование и термическую обработку.
Сущность
На рабочую поверхность (новую, которую необходимо упрочнить, или изношенную, которую необходимо восстановить) наносят смесь порошков нужного состава с заданными технологическими и механическими (фрикционными, упругопластическими) характеристиками. Далее с помощью концентрированного высокочастотного электромагнитного поля нагревают поверхность детали до расплавления порошковой смеси. Одновременно в процессе наплавки в наплавочной ванне происходит зонная очистка наплавляемого металла с удалением газовых и шлаковых включений. Температура плавления порошков на 150 - 200 °C ниже, чем основного металла, при этом обеспечивается их хорошее сплавление.
Из-за небольшой глубины (1 - 2,5 мм) проникновения электромагнитного поля в основной металл и высокой магнитной проницаемости, равной 1, процесс наплавки идет с высокой производительностью (до 20 кг/ч) и качеством.
Учитывая, что для фрикционных устройств (гасителей колебаний, амортизаторов соударений) разного назначения необходимы различные фрикционные характеристики (коэффициенты трения), это можно легко обеспечить подбором оптимальных параметров процесса (глубина слоя, площадь охватываемой поверхности) и состава порошковой смеси.
При обработке способом ИМС больших плоскоцилиндрических поверхностей, имеющихся у таких деталей, как подпятники, пятники, буферные тарелки и т. п., для стабилизации напряжений, возникающих из-за значительной разницы коэффициентов теплового расширения, равных 12,7Ч10-6 у основного металла (стали 45) и 15,6Ч10-6 у наплавленного слоя, и улучшения связности применяют предварительное армирование
Испытания показали также, что пары трения с наплавкой поверхностей гранулированным порошком УС4-3 имеют износостойкость в 4 - 10 раз бульшую, чем типовые пары трения сталь по стали 20ГФЛ. Коэффициенты трения покоя и скольжения для пары трения поверхностей с наплавкой УС4-30 равны соответственно 0,37 и 0,35 против 0,58 и 0,49 для типовых пар трения сталь по стали 20ГФЛ, что значительно улучшает динамические характеристики фрикционных клиновых гасителей колебаний тележек грузовых вагонов.
Ситуация и перспективы
В настоящее время ИМС применяют в ремонтных предприятиях 12 железных дорог России (в 16 вагонных и 5 локомотивных депо). Ежегодно обрабатываются до 35 тыс. автосцепных устройств. В 1996 г. за счет этого был получен экономический эффект, оцененный в 150 млрд. руб. (в текущих ценах). Учитывая, что ИМС легко вписывается в технологические возможности депо и ремонтных заводов, необходимо принять меры по расширению номенклатуры восстанавливаемых и упрочняемых деталей, главным образом тележек и ударных фрикционных устройств.
Отраслевой программой ОЦ 13/54 001-97 предусмотрено ускорить работы по внедрению ИМС для обработки деталей буферных и шпинтонных узлов, тележек грузовых вагонов, балансирных и рессорных подвесок локомотивов согласно инструкции от 27 августа 1998 г. Реализация программы позволит высвободить ресурсы на сотни миллионов рублей и увеличить сроки службы отдельных деталей до 10 лет.
В стадии эксплуатационных испытаний находится отработка технологии для некоторых деталей шпинтонного узла (в течение 3 лет, пробег более 750 тыс. км) и буферных устройств (4 года, около 1 млн. км).
На Экспериментальном кольце ВНИИЖТа испытываются автосцепные устройства, планируется организовать испытания тележек в условиях реальной эксплуатации на дорогах, где в составах маршрутных поездов обращаются специальные грузовые вагоны (рудовозы, минераловозы, цистерны).
Перспективой программы являются резкое снижение износа сопряжений типа вал - втулка и деталей из сталей 38ХС и 110Г13Л, а также повышение износостойкости гребня колеса и боковой грани наружного рельса в кривых малого радиуса.
Для решения практических задач по повышению надежности и продлению срока службы узлов трения железнодорожной техники в Инженерном центре "Сплав" наработано достаточное количество порошковых материалов, выпускаемых заводами России и СНГ по ТУ-48-4206-312-87 и ТУ 322-19-007-97, технологий и способов нанесения этих материалов на детали различных форм, работающие в тяжелых режимах трения, технологической оснастки, рабочих столов, манипуляторов и других средств комплексной механизации процесса.
Технология ИМС демонстрировалась на сетевых школах, проведенных в 1998 г. департаментами МПС: вагонного и пассажирских сообщений в Саратове, пути и сооружений в Коломне.
Индукционно-металлургический способ нашел также широкое применение и в других отраслях народного хозяйства, в частности при ремонте автотракторной техники, особенно гусеничных движителей.
Особенности работы узлов трения
В технических средствах железнодорожного транспорта (вагонах, локомотивах) масса деталей узлов трения составляет 7 - 8 % общей массы конструкций, в то же время число отказов из-за повреждения этих деталей в эксплуатации достигает 80 - 90 % общего.
Частые замены деталей из-за износа, заходы на ремонтные предприятия, например, для переточки бандажей колесных пар отнимают много средств и времени. Кроме того, при плановых видах ремонта (деповского - вагонов и КР-3 - локомотивов и мотор-вагонного подвижного состава) основную часть материальных затрат составляют работы, связанные с восстановлением изношенных деталей. Так, для пассажирских вагонов эти затраты составляют от 30 до 60 % стоимости ремонта, грузовых вагонов - более 50 %, локомотивов - до 30 %. Особое место занимает ремонт деталей автосцепных устройств, буферных и упругих площадок, экипажной части - шпинтонных узлов и центрального люлечного подвешивания пассажирских вагонов. Для грузовых вагонов характерен усиленный износ деталей надрессорных балок, боковин, гасителей колебаний, скользунов и пятников. Все это увеличивает затраты на содержание подвижного состава в исправном состоянии и создает угрозу безопасности движения поездов.
Решая вопросы надежности, долговечности и безопасности, необходимо прежде всего найти причины малых сроков службы рабочих поверхностей деталей подвижных сопряжений, выяснить их эксплуатационные характеристики, особенно деталей, испытывающих высокие фрикционные нагрузки, таких, как гасители колебаний сухого трения, поглощающие аппараты, опорно-поворотные узлы вагонов и локомотивов, которые прямо или косвенно влияют на взаимодействие колеса (гребень) и рельса (рабочая грань наружного рельса) в кривых малого радиуса. В паре колесо - рельс основными причинами ухудшения динамики движения являются, помимо прочего, нарушения геометрических параметров пути и колесных пар по профилям поверхности катания колес и головок рельсов, нестабильность коэффициента трения.
ВНИИЖТ в качестве действенного способа уменьшения коэффициента трения в контакте колеса с рельсом рассматривает использование специальных смазок. Естественно, это отчасти позволяет снизить темп износа контактирующих поверхностей, но остается проблема контактного давления, величина которого фактически составляет 2500 - 3500 кг/см2 при норме по ГОСТу 800 - 1200 кг/см2.
Предлагается также ввести закалку гребней колес плазмой и их латунирование. Однако при нагреве под закалку в зоне термического влияния возможно появление нежелательных (мартенситных) структур. Кроме того, повышение твердости поверхности еще не означает увеличения износостойкости, так как твердость здесь не является единственным фактором. Есть предложения зарубежных специалистов по решению этой проблемы. В качестве примера можно привести технологию упрочнения контактирующих поверхностей колеса и рельса путем наплавки специальных сталей бейнитного класса с последующей механической обработкой, т. е. создания многослойной структуры, где каждый слой выполняет свою функцию.
Для достижения поставленных целей необходимы новые технологии, материалы, оборудование, а также четко сформулированные технические требования, учитывающие характер и величины нагрузок, воздействующих на конкретные детали в эксплуатации. Делая заключение о целесообразности внедрения той или иной технологии, особое внимание следует обратить на экономические факторы.
Экономия ресурсов
Главными результатами внедрения современных технологий повышения износостойкости деталей подвижного состава и элементов верхнего строения пути являются увеличение в несколько раз срока их службы и общее улучшение технического состояния, что оказывает положительное влияние на организацию эксплуатационной работы, безопасность движения поездов и экономические показатели деятельности железных дорог за счет сбережения материальных, финансовых и трудовых ресурсов.
Десятилетний опыт работы Инженерного центра "Сплав" по внедрению технологии ИМС в вагонном депо Новороссийск, имеющем приписной парк 800 пассажирских вагонов, показал следующие результаты по увеличению долговечности автосцепок и экономической эффективности (табл. 2).
|
Т а б л и ц а 2
Результаты внедрения ИМС в вагонном депо Новороссийск |
|
Период, годы |
Число
замененных автосцепок, шт./год |
Срок службы
автосцепок, лет |
Экономический эффект, тыс. руб.
(в текущих
ценах) |
|
до упрочнения |
после упрочнения |
|
1986 - 1988 |
1200 - 1500 |
0,5 |
2 - 3 |
30 - 50 |
|
1989 - 1990 |
30 - 50 |
3 - 4 |
50 - 80 |
|
1991 - 1992 |
10 - 20 |
400 - 450 |
|
1993 - 1996 |
0 |
5 |
10 672 000 |
Уже в 1996 г. в этом депо объем ремонтных работ по деталям автосцепного устройства был уменьшен в 30 раз, производительность труда повышена в среднем в 5 раз, экономия электроэнергии составила около 1 млн. кВт·ч, а самые важные результаты заключались в том, что была устранена необходимость замены автосцепок на новые и полностью ликвидированы саморасцепы в составах, формируемых в депо.
При подведении итогов сотрудничества с вагонными и локомотивными депо в 1997 г. годовой экономический эффект выразился в сумме 139,6 млрд. руб., причем только вагонное депо Николаевка Московской дороги, где имеется две установки ИМС, получило экономию почти в 49 млрд. руб. (все в текущих ценах). В этих депо упрочняются и восстанавливаются детали 40 наименований, в том числе 10 деталей автосцепных устройств, семь деталей тележки 18-100 грузовых вагонов и шесть тележки КВЗ-ЦНИИ пассажирских.
Следует отметить, что некоторые депо, имеющие участки ИМС, не полностью используют их возможности (например, производительность участка ИМС по автосцепкам составляет до 2000 корпусов в год), так как не обрабатывают детали для других депо. В то же время в локомотивном депо Горький-Московский упрочняют детали автосцепных устройств для всех локомотивных депо Горьковской дороги, вагонные депо Николаевка и Москва-3 упрочняют аналогичные детали для 15 локомотивных и пассажирских вагонных депо Московской дороги.
Потенциал Инженерного центра "Сплав" позволяет ежегодно организовывать до 20 участков ИМС и расширять номенклатуру обрабатываемых изделий на 10 наименований. В настоящее время центр совместно с ВНИИЖТом разрабатывает технологию ИМС применительно к деталям дизельных двигателей, таким, как втулки, шейки валов, гильзы, поршни, поршневые кольца, и элементам верхнего строения пути, таким, как накладки, контррельсы и другие детали стрелочных переводов. Начаты эксплуатационные испытания обработанных способом ИМС рабочих органов шпалоподбоек, заходных футеровок и других рабочих органов путевой и дорожной техники.
В заключение можно отметить, что Инженерному центру "Сплав" МПС РФ удалось создать защитные материалы с заданными эксплуатационными характеристиками и износостойкостью, значительно (в 10 и более раз) большей, чем у сталей 20ГФЛ и 20ФТЛ; разработать технологию нанесения упрочняющих и восстановительных покрытий на крупногабаритные детали, такие, как подрессорные балки и боковины рам тележек и т. д.; сконструировать, организовать изготовление и внедрение соответствующего технологического оборудования; подготовить руководящую документацию (инструкцию ЦТ, ЦВ, ЦЛ-590) по применению ИМС в промышленных масштабах. Особо следует подчеркнуть, что все используемые материалы и оборудование - отечественного производства.
http://www.css-rzd.ru/zdm/09-1999/9034.htm
