бабулер44

Плазменное упрочнение гребней бандажей колесных пар

Опыт локомотивного депо Таганай (Златоуст)

А.С. БАРАШКОВ, заведующий лабораторией неразрушающего контроля СПД Таганай Южно-Уральского управления сервиса

Главной изнашиваемой частью железнодорожного колеса является гребень, который в контакте с рельсом подвержен трению скольжения с высокими динамическими нагрузками при колебаниях тележки локомотива в железнодорожной колее. Проблема износа гребней имеет большее значение в скоростных и тяжеловесных поездах. С целью увеличения твердости гребня и уменьшения его износа применяется плазменное упрочнение, которое при правильном использовании значительно увеличивает ресурс бандажа.


В начале статьи приведем анализ оборудования и технологий плазменного упрочнения гребней бандажей колесных пар в сервисном локомотивном депо (СЛД) Таганай, которое находится в эксплуатационном локомотивном депо (ТЧЭ) Златоуст Южно-Уральской дирекции тяги ОАО «РЖД».

Основное отличие как уже выпускаемого в настоящее время оборудования нового поколения, так и планируемого к выпуску в ближайшие годы, заключается в широком использовании средств автоматики и вычислительной техники для управления основными компонентами технологического оборудования.

В СЛД Таганай накоплен большой опыт плазменного упрочнения гребней бандажей колесных пар локомотивов. С 1994 г. в депо применялась струйная установка плазменного упрочнения в азоте УПУ-8М (рис. 1). Эта установка разработки ОАО «Электромеханика», г. Ржев являлась универсальной и позволяла напылять износостойкий порошок. В СЛД Таганай в работе применялся комплекс, состоящий из двух установок УПУ-8М — по одной с каждой стороны колесной пары. Благодаря этому обеспечивался быстрый нагрев (около 1 с) поверхности гребня до температуры 1250... 1400 °C. А при высокой круговой скорости движения гребня, составлявшей 8,3... 10 мм/с — приводило к резкому охлаждению нагретого металла и получению закаленного слоя толщиной до 2 мм.

Недостатком струйных плазменных установок является низкий КПД нагрева (~ 30 %), поскольку нагрев гребня осуществляется не электрической дугой (дуга горит внутри плазмотрона), а потоком нагретого газа. Недостатком также является узкая упрочняемая дорожка 5... 10 мм, вызывающая при упрочнении гребня бандажа необходимость трех проходов. Причем, при выполнении последующих проходов в упрочненном ме талле предыдущих возможно образование трещин.

В 1997 г. под руководством специалистов ВНИИЖТа установка УПУ-8М перестроена со струйной на дуговую (рис. 2), при этом получен годовой экономический эффект 1,32 млн руб. благодаря повышению производительности, экономии электроэнергии, азота, медных сопел, вольфрамовых электродов. Для развертки дуги по гребню бандажа применена электромагнитная катушка с железным сердечником, при этом упрочнение гребня бандажа производится за один проход. Установка позволяет проводить упрочнение в аргоне и азоте. При упрочнении в аргоне падают напряжение и мощность дуги, требуется уменьшать скорость упрочнения. По этим причинам упрочнение в аргоне низкоэффективно, а из-за высокой стоимости аргона — дорого.

Все оборудование плазменных установок УПУ-8М находилось в канаве под локомотивом. Из-за неоднократных подтоплений и сырости оборудование часто ремонтировалось. В 2008 г. дуговая установка УПУ-8М после 14 лет эксплуатации была заменена на новую струйную установку УУКП, основное оборудование которой разместили в верхнем помещении, а в канаве оставили плазмотроны и аппаратуру управления. Замена производилась по договору с компанией «Современные плазменные технологии», г. Москва.

Воздушные плазменные дуговые установки упрочнения гребней бандажей были внедрены ВНИИЖТом: в 2000 г. УПУ-1 на выкаченных колесных парах (рис. 3) и в 2004 г. УМПУ-2 для упрочнения под локомотивом (рис. 4). Основу этих установок составляют источники питания для плазменной резки АПР-404 (новые УПР-4010К) в комплекте с плазмотронами ПВР-402М — изготовитель ПК «Спектр Плюс», г. Санкт-Петербург. Эти установки наиболее экономичны, поскольку используют вместо азота сжатый воздух.

Установки имеют водяное охлаждение плазмотронов и, в отличие от установок с воздушным охлаждением плазмотронов, обеспечивают на порядок большую безопасность и ресурс сменных деталей: катодов и плазмообразующих сопел. В воздушных
установках также применяют электромагнитные колебания дуги. Недостатком воздушных установок является окисление поверхности нагреваемого металла. Для уменьшения окисления перед упрочнением на поверхность гребня наносят смазку типа ЖРО, которая, сгорая, выделяет газ, оттесняющий воздух от поверхности гребня.


В плазмотроне УУКП (рис. 5) нагретая струя азота с помощью щелевой насадки распределяется по гребню бандажа, чем обеспечивается широкая упрочняемая дорожка. При этом для получения равномерности нагрева по высоте гребня требуется плотный контакт щелевой насадки с поверхностью гребня. Тепловой КПД процесса из-за наличия щелевой насадки, формирующей плазменную струю, небольшой: примерно 15 %. Практически основная доля тепла уносится при охлаждении плазмотрона и насадки. Так, при упрочнении одного восьмиосного электровоза расходуется 4 бака с водой ёмкостью 2 м3 каждый, которые нагреваются до кипения.

В 201 б г. ООО «Современные плазменные технологии» применило щелевые насадки, в которых канал нагрева и выхода газа уменьшен с 40 до 10 мм. Концентрация теплового потока позволила уменьшить мощность нагрева и увеличить скорость упрочнения.

Технические параметры плазменных установок сведены в таблицу.

Наиболее высокие технико-экономические параметры имеют дуговые установки: азотная УПУ-8М и воздушные УПУ-1, УМПУ-2. По сравнению с дуговыми установками воздушного упрочнения, дуговая азотная УПУ-8М имеет большую производительность и глубину упрочнения — до 2 мм, позволяет произвести подогрев гребня зимой.

Недостатком универсальной плазменной установки УПУ-8М является громоздкость, слишком большая мощность (рассчитана на ток 700 А, тогда как для обеспечения процесса реально требуется 200 А). По этой причине и для обеспечения автоматизации и контроля параметров упрочнения требуется доработка установки.

Преимуществом воздушных установок является отсутствие плазмообразующего газа азота из баллонов, в качестве плазмообразующего газа в них используется воздух из деповской сети сжатого воздуха.

Компьютерное управление процессом, которое применяется на установке УУКП, регулирует ток плазменной дуги при скачках её по медному аноду и броскам напряжения так, что мощность дуги остается постоянной.

У дуговых плазменных установок скачков напряжения практически нет, они возможны при аварийных режимах работы двойного дугообразования, которые имеют место при нарушении технологии по износу электродов и плазмообразующих сопел. Ток дуги стабилизирован автоматической системой управления.


К достоинствам установки УУКП относятся:

возможность электронной записи параметров всего процесса упрочнения;
применение азотного генератора, исключающее затраты на приобретение азота в баллонах;

возможность проведения процесса разупрочнения.

Однако низкое качество упрочнения является следствием низких технико-экономических показателей компьютеризированной плазменной установки УУКП. Это выражается в трещинах, одностороннем износе гребней и перечеркивает все достоинства. После установки на плазмотроны УУКП новых насадок с каналом 10 мм было обнаружено: в 2016 г. — 38 трещин; в 2017 г. — 32; в 2018 г.— 20 (из них две трещины привели к разрыву бандажей).

Приведем перечень, описание и анализ основных дефектов.

Трещины в перекрытии

За время проведения упрочнения было обнаружено большое количество трещин в месте перекрытия конца упрочнения с началом. Из-за низкой эффективности участок выхода на рабочий режим УУКП достигает 200 мм. При перекрытии этого участка в конце образуется повторное упрочнение, которое недопустимо: возникают трещины. Опытным путем был установлен неупрочненный участок 100 —150 мм, при котором не образуется трещин, что снизило их общее количество. По техническим условиям ТУ ЦРТ-0001 —2010 на упрочненные бандажи допускается перекрытие не более 20 мм, в дуговых установках это условие выполняется.

Трещины с выходом на вершину гребня

При упрочнении на УУКП имеют место трещины, которые начинаются на дорожке упрочнения и выходят к вершине гребня, что говорит о малой пластичности структуры металла на вершине вследствие перегрева (рис. 6).
Наибольшая скорость охлаждения (закалки) имеет место в области перехода гребня на поверхность катания, а наименьшая — в ближайшей точке нагрева от вершины гребня. Чтобы уравнять эти скорости охлаждения и обеспечить равномерность закалки по высоте гребня, необходимо применить схему быстродвижущегося источника нагрева [1]. При расстояниях от упрочненного металла до вершины гребня 6 — 12 мм скорость упрочнения должна быть не менее 10 мм/с. Изотермы тепловых процессов источников нагрева с различной скоростью упрочнения показаны на рис. 7.

Скорость упрочнения УУКП составляет 6,67 мм/с, что в 2 раза меньше скорости дуговых плазмотронов и не соответствует скорости быстродвижущегося источника. Перегреву вершины гребня при УУКП способствует также то обстоятельстзо, что в дуговых плазмотронах поток нагретого газа распространяется во все стороны по поверхности гребня, то при УУКП — по каналу выхода, причем преимущественно в сторону вершины.

Трещины, связанные с применением новых щелевых насадок

При использовании щелевых насадок с узким каналом 10 мм на внутреннюю поверхность канала налипают капли металла от расплавленных гребешков, оставшихся после обточки многолезвийной фрезой бандажа (см. рис. 5). Капли растут до критического размера, далее закипают и разбрызгиваются веером, нарушая стабильность упрочнения и подплавляя брызгами гребень бандажа, что недопустимо, поскольку трещины на оплавленном гребне если и не образуются сразу, то могут образоваться в процессе эксплуатации.


После выброса капель на насадке остается металлизированный слой металла, к которому снова прилипают капли, и процесс разбрызгивания многократно повторяется. Стабильность упрочнения зависит от качества обточки, но может нарушаться при идеальной обточке с использованием насадок с оставшимся металлизированным слоем.

При стабильной работе новых щелевых насадок имели место случаи, когда трещины образовывались сразу под щелевой насадкой и были видны на выходе из насадки. В этом случае происходила перекалка из-за быстрого касания нагретого металла медной водоохлаждаемой насадкой с узким каналом выхода газов 10 мм.

Трещины при разупрочнении

В сентябре — октябре 2016 г. было обнаружено, что большое количество трещин образуется при разупрочнении на УУКП. Разупрочнение требуется при одностороннем износе гребней бандажей колесной пары и достигает после упрочнения УУКП 30 %. При одностороннем износе с толщиной гребней бандажей колесной пары 25 и 28 мм для того, чтобы обеспечить возможность обточки фрезами ДМетИ, разупрочняется бандаж с толщиной гребня 28 мм, но на нем еще не выносится дорожка упрочнения, и имеются эксплуатационные микротрещины. При разупрочнении микротрещины вырастают в полноценные трещины на всю оставшуюся толщину упрочненной дорожки.

Односторонний износ гребней бандажей колесной пары

Односторонний износ упрочненных гребней бандажей достигает на УУКП 30 % и возникает при:

+ разности толщин упрочненных слоев на гребнях правого и левого бандажей колесной пары;

+ нестабильной работе какого-либо плазмотрона на правой или левой стороне колесной пары (см. ранее);

+ неплотной посадке на гребень насадки плазмотрона на правой или левой стороне колесной пары.

При неплотной посадке насадки плазмотрона газ выдувается через щели, и равномерность нагрева гребня теряется. При этом тепловой поток сосредотачивается в области выкружки (переход от гребня к поверхности катания), где происходит перегрев и охрупчивание упрочненного металла.

В большинстве случаев причины одностороннего износа взаимосвязаны.
Закрытие зоны упрочнения насадкой УУКП не позволяет визуально контролировать температуру нагрева металла и равномерность нагрева по гребню, упрочнение производится «вслепую». В дуговых плазмотронах яркобелая светящаяся полоса нагрева гребня бандажа (не менее 1250 °C) контролируется металлизатором приближением или удалением плазмотрона от гребня бандажа, (см. рис. 3). Для обеспечения объективности процесс поддержания постоянной температуры нагрева должен быть автоматизирован.

Центр полосы нагрева отстает от центра плазменной дуги на бандаже на расстояние 0,541 г0, где г0 — эффективный радиус плазменной дуги [2]. Из работы [1] известно, что уменьшение температуры нагрева поверхности с 1500 до 1000 °C приводит к уменьшению глубины упрочнения в 10 раз (рис. 8).

Таким образом, отсутствие контроля температуры гребня бандажа, неплотная посадка щелевой насадки на гребень и нестабильность упрочнения при УУКП часто приводят к разной толщине упрочненного слоя, неравномерности распределения слоя по высоте гребня и, как следствие, — к одностороннему износу гребней бандажей колесной пары. По этой причине, а также из-за обточки для удаления трещин ресурс бандажа после упрочнения на установке УУКП в Златоусте, рассчитанный учеными из УрГУПСа (г. Екатеринбург), возрастает незначительно — на 25 %, [3].

Наибольший эффект от плазменного упрочнения на дуговой азотной установке УПУ-8М достигался при упрочнении под локомотивом после обточки бандажей фрезами на толщину гребней 29 мм. В этом случае пробег локомотива между обточками увеличивается в 2 — 3 раза. При упрочнении бандажей с толщиной гребня 33 мм эффект упрочнения меньше, поскольку после износа упрочненного слоя 1,5... 2 мм далее происходит быстрый износ неупрочненного металла (с толщины гребня ~ 31 до 25 мм).

Общим недостатком способов плазменного упрочнения является возможность получения при нагреве хрупкой мартенситной структуры металла с низкой пластичностью. Охрупчивание и выкрашивание при эксплуатации металла происходят при нарушении технологии упрочнения (рис. 9).

25-летний опыт плазменного упрочнения гребней бандажей показывает его эффективность и границы безопасного применения.
В заключение статьи можно привести следующие выводы.

- Наиболее производительными, экономичными являются дуговые плазменные установки с электромагнитными колебаниями дуги: азотная УПУ-8М и воздушные УПУ-1, УМПУ-2, обеспечивающие заданную температуру нагрева и равномерное распределение температуры по гребню, а, следовательно, и заданные свойства упрочняемого металла. Компьютеризированная струйная установка УУКП имеет низкие технико-экономические показатели упрочнения и неудовлетворительное качество.

- Наибольший эффект от плазменного упрочнения достигается при упрочнении под локомотивом дуговой азотной установкой УПУ-8М после обточки бандажей на толщину гребней 29 мм. В этом случае пробег локомотива между обточками увеличивается в 2... 3 раза.

- При плазменном упрочнении существует вероятность образования хрупкой мартенситной структуры металла с выкрашиванием его во время эксплуатации.

Библиография

1. Барашков А.С. Расчет теплового процесса упрочнения стали при нагреве равномерно распределенными источниками // Физика и химия обработки материалов. 2000. № 4. С. 82 — 89.

2. Барашков А.С. Расчет теплового процесса упрочнения стали при нагреве быстродвижущимся поперечным полосовым нормально распределенным источником // Физика и химия обработки материалов. 2001. № 5. С. 64 — 70.

3. Буйносов А.П., Шепелева И.О. Увеличение ресурса колесных пар электровозов за счет плазменного упрочнения гребней бандажей. // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 6. С. 182 — 185.

Арюна-

Здраствуйте, не могу посмотреть рисунки!
хотя пару дней назад они были. можете решить эту проблему