poster444

К вопросу о плазменном упрочнении гребней колес

В последние годы в связи с существенным увеличением изнашивания гребней колес подвижного состава резко возрос объем работ по восстановлению их наплавкой и упрочнению различными методами.
Известно, что проблема упрочнения колес и их восстановления в процессе эксплуатации давно существует и является объектом разносторонних исследований. Известно также, что в 50-е годы ввиду резкого увеличения износа гребней колес была разработана и быстро нашла широкое внедрение технология их восстановления двухдуговой сваркой под флюсом. Однако из-за ряда крупных аварий, произошедших за короткий период времени по причине разрушения наплавленных колес, их восстановление наплавкой было запрещено по всей сети дорог.

В 80-е годы вновь очень остро встал вопрос о необходимости восстановления колес вагонов и локомотивов по причине массового интенсивного износа гребней. После проведения дополнительных исследований опять было разрешено восстанавливать гребни бандажей локомотивов и цельнокатаных колес грузовых вагонов одно- и двухдуговой наплавкой под флюсом. Затем появились новые технологические методы восстановления и упрочнения колес, обоснованность применения которых в ряде случаев вызывает сомнение.

Одним из таких методов, по нашему мнению, является плазменное упрочнение гребней бандажей локомотивных колес и цельнокатаных колес пассажирских вагонов.

Плазменное упрочнение гребней колес проводится с февраля 1998 г. на основании «Инструкции по плазменному упрочнению цельнокатаных колес и бандажей» (ЦТ-ЦВ-ЦЛ/538), разработанной ИТК «Омега» и ТОО «Агни», согласованной с департаментами МПС и ВНИИЖТом, а также ТУ 0943- 01124328-98.

Рекомендация о применении этого метода не является достаточно обоснованной, так как разработчиками не учтено начальное напряженно-деформированное состояние колес, обусловленное термической обработкой и посадкой бандажа на центр. В качестве примера приводим распределение компонентов остаточных радиальных напряжений <ТГ (рис. 1),
осевых напряжений s0 (рис. 2)
и окружных напряжений <3д (рис. 3)
после термообработки бандажа локомотива и посадки его на центр, полученные в результате проведения фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния колес вагонов и локомотивов.

В центре бандажа имеет место трехосное растяжение с компонентами напряжений, соизмеримыми с пределом текучести основного металла. Такая схема и высокий уровень остаточных растягивающих напряжений является предельной с позиции высокой вероятности возникновения хрупкого разрушения. Плазменная обработка вносит дополнительное существенное воздействие на колесо, причем информация об этом воздействии с позиции кинетики НДС отсутствует.

По этой причине в последнее время участились разрушения бандажей колес локомотивов после плазменного упрочнения (8 случаев в 1998 г. в депо Москва-Сортировочная, Люблино, Тула, Вязьма).

Анализ статистических данных по разрушению бандажей за 1996 — 1998 гг. подтверждает наши предположения о преимущественном влиянии плазменного упрочнения на эти разрушения. Попытки их объяснить перенатягами бандажей несостоятельны, так как эта операция строго контролируется и отражается в документах депо для каждого колеса.

Известно, что при воздействии концентрированных источников теплоты на конструктивные элементы возникают не только сжимающие напряжения, но и (в определенных зонах) растягивающие напряжения, так как собственные напряжения образуют систему взаимно уравновешенных сил. Наличие низкого уровня остаточных напряжений в зоне гребня после посадки бандажа на центр совершенно не определяет напряженное состояние не только в гребне, но и во всем колесе после мощного теплового воздействия плазмотрона.

Предположение о наличии в гребнях колес сжимающих напряжений после плазменной обработки никак не обосновано и противоречит сущности протекающих при этом физико-механических процессов.
Несмотря на то, что в нормативных документах отсутствуют требования по контролю за напряженным состоянием бандажированных колес, следует учитывать рекомендации международного стандарта ISO-1005/1 (для предприятий МПС РФ является не обязательным, но рекомендованным), где в п. 6.6.2 относительно колес указано: «Какая-либо сварка, обработка газовой горелкой, электроклеймение, заполнение трещин методами металлизации, электролитические или химические покрытия, а также любые методы заделки дефектов с целью сокрытия — не разрешаются и ведут к браковке всей партии».

С позиций этого пункта ISO-1005/1, технологические операции, связанные с наплавкой колес, также нежелательны и они были разрешены для восстановления гребней колес грузовых вагонов только после проведения фундаментальных исследовательских работ. Принципиальное отличие наплавки от плазменного упрочнения заключается в том, что наплавка производится с присадочным материалом Св-08, в результате чего в наплавленном слое содержится только 0,2 % углерода, что многократно снижает вероятность образования трещин в наплавленном металле по сравнению с основным металлом (0,6 % углерода). Этому же способствует тот факт, что малопластичные закалочные структуры в около- шовной зоне при многослойной наплавке претерпевают отпуск с соответствующим восстановлением пластичности. Это особенно эффективно реализуется при двухдуговой наплавке.
При плазменном же упрочнении гребней, судя по информации, содержащейся в Инструкции и ТУ 0943- 01124328—98, а также в статье, опубликованной в журнале «Локомотив» № 3, 1999 г., термическое воздействие ориентировано на получение в поверхностном слое закалочных структур. В данном случае особая опасность заключается в том, что здесь имеет место замедленное разрушение, т.е. разрушение, возникающее через определенный период после проведения всех видов контроля.

При высокотемпературном воздействии плазмы в около- шовной зоне молекулярный водород переходит в диффузионный и перемещается в зону возникающих высоких напряжений. Совместное воздействие растягивающих двух- и трехосных напряжений при повышенной концентрации водорода и наличии закалочных структур приводит к образованию замедленного разрушения. Отмечаемая на поверхности гребней, разрушившихся после плазменного упрочнения бандажей, сетка микротрещин является начальной стадией образования трещин.

До настоящего времени отсутствуют достаточно представительные данные, свидетельствующие об уровне эффективности плазменного упрочнения с позиции повышения износостойкости колес локомотивов. Данные по уменьшению износа колес в результате реализации комплекса мероприятий, включающих наряду с плазменным упрочнением лубрикацию и другие технологические меры, совершенно не доказывают определяющий вклад плазменного упрочнения. Полученный в последние годы эффект по снижению износа колес локомотивов в основном связан с лубрикаци- ей, а не с плазменным упрочнением. Отрицательный возможный эффект от плазменного упрочнения, значительно увеличивающего вероятность хрупкого замедленного разрушения, не сопоставим с достигаемыми преимуществами.

Наконец, анализ нормативных документов, по которым производится плазменное упрочнение колес (Инструкция ЦТ- ЦВ-ЦЛ/538 и ТУ 0943-01124328—98), свидетельствует о наличии в них существенных принципиальных недостатков. В некоторых позициях эти документы противоречат друг другу, что исключает гарантированное обеспечение необходимого уровня качества и надежности упрочненных бандажированных колес.

Поэтому применение плазменного упрочнения гребней бандажированных колес локомотивов и цельнокатаных колес пассажирских вагонов недостаточно обосновано с позиции оценки их напряженно-деформированного состояния и возможности возникновения хрупкого разрушения колес в эксплуатации. В то же время, отсутствует необходимое подтверждение эффективности этого метода с позиции повышения ресурса упрочненных колес.

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin