Наиболее важными показателями, определяющими нормальный износ трибологической пары «колесо-колодка» является твердость тормозной колодки [1], стабильность этого показателя по сечению колодки и небольшой разброс твердости по отдельным колодкам. Это определяется тем, что твердость колодки определяет величину износа, изменения твердости по сечению приводит к качественному изменению процессов трения, а большой разброс твердости по колодкам приводит к недоиспользованию материала части колодок.
Твердость тормозных чугунных колодок зависит от внутренней структуры. Основные составляющие этой структуры феррит, перлит, графит, цементит, кроме того присутствующие в чугуне примеси, образуют карбиды, а фосфор образует фосфидные эвтектики.
В соответствии с ГОСТ 30249-97 [2] в локомотивных колодках типа «М» допускаются отклонения в содержании углерода от 2,7 до 3,4%, при этом перлит имеет стабильную твердость, а изменения твердости материала определяются в основном свободным цементитом и фосфидными эвтектиками. При этом увеличение содержания углерода сказывается на количестве свободного цементита. Твердость тормозной локомотивной колодки для чугуна марки «М», согласно тому же стандарту, должна соответствовать 229 – 302 НВ.
На основании массовых проверок твердости новых и изношенных колодок на Красноярской железной дороге установлено, что их брак по твердости достигает 25%, при этом около 4 % имеют твердость на глубине 2 мм до 600НВ [3]. В процессе эксплуатации таких колодок происходит повышенный износ поверхности катания бандажа сопровождаемый сильным искрением при торможении. При их эксплуатации выявляется высокая степень трещинообразования, выкрашивание металла. Их структура представляет собой белый или отбеленный чугун, что свидетельствует о нарушениях технологического процесса литья.
Наряду с колодками повышенной твердости до 12-13% колодок имеют твердость заниженную иногда до 100НВ, что приводит к повышенному расходу материала колодок в условиях трения. Досрочная замена колодок сильно искрящих при торможении (особенно твердых) и сильно изношенных (очень низкой твердости) приводит к потере рабочего времени (экономическим потерям), потере чугуна из-за различной степени износа колодок.
Для снижения износа бандажей внедряются новые материалы из дорогостоящей хромистой стали [4]. Повышенные износы бандажей с искажением поверхности катания приводят к необходимости проточки [5], а это еще более уменьшает срок службы бандажей.
На основании предварительных теоретических разработок было установлено, что, не изменяя химический состав исходного чугуна и технологию производства, добиться стабильной твердости можно только переводом структуры колодки в феррито — графитовую. При этом твердость феррита будет стабильной, а изменения содержания углерода приведет к количественному изменению графитовой составляющей за счет перевода свободного цементита и цементита, связанного в перлите в свободный графит.
Ферритная металлическая матрица будет составлять до НВ230, за счет легирования этой матрицы присутствующими в составе кремнием, марганцем фосфором может достигать НВ230, что соответствует нижнему пределу стандартной твердости.
Для исследования влияния структуры и твердости тормозных локомотивных колодок на износ бандажей в условиях эксплуатации нами были проведены сравнительные исследования на одном электровозе-толкаче на станции Бискамжа Красноярской железной дороги. Для исследования были отобраны 48 тормозных колодок и разделены на три группы (по 16 шт) по твердости:
1 группа — среднестатистическая твердость, 248НВ;
2 группа – повышенная твердость, 295НВ;
3 группа – средняя твердость (для изготовления экспериментальной структуры) 263НВ.
Третья группа колодок была обработана высокотемпературным графитизирующим отжигом при температуре 950оС с выдержкой 2 часа и охлаждением вместе с печью. В результате такой обработки была получена экспериментальная структура чугуна феррито-графитная.
Максимальная сравнимость износа бандажей каждой группой колодок достигалась их расстановкой на электровозе (рис. 1).
Рисунок 1. Схема установки колодок на электровозе.
Перед установкой тормозных колодок:
Измерялась величина фактического износа геометрических параметров (толщина бандажа, толщина гребня, величина проката) бандажей всех колесных пар. Места измерений отмечались рисками на боковой поверхности бандажа краской желтого цвета. Входные измерения проведены 03.07.2013. Электровоз, оборудованный экспериментальными колодками, работал на ст. Бискамжа в течение срока испытаний с 3 июля по 20 августа. На каждом ТО-2 производились замеры износа тормозных колодок. Износ бандажей измерялся на ТО-2 30 августа 2013 года. Все измерения вносились в журнал учета.
В результате эксплуатационных исследований на электровозе-толкаче до полного износа было установлено, что в первой группе колодок средний износ составил 1,525 мм, во второй группе – 2,7 мм, в третьей группе — 0,788 мм (рис.2).
Рисунок 2. Износ бандажей в среднем по группам колодок.
Таким образом, износ толщины бандажей колодками второй группы в 3,5 раза, а колодками первой группы почти в 2 раза больше, чем колодками с экспериментальной структурой. Кроме того, износ бандажей колодками с экспериментальной структурой более стабильный, с меньшим разбросом по отдельным колодкам: максимальный износ бандажа в первой группе достигал 3,7 мм (в 2,4 раза больше среднего), во второй группе – 5,6 мм (в 2,1 раза больше среднего), в группе экспериментальных колодок 1,1 мм (в 1,4 раза больше среднего).
В результате измерений толщины гребней колес до и после эксперимента было установлено, что в первой группе колодок средний износ составил 1,575 мм, во второй группе – 1,75 мм, в третьей (экспериментальной) группе -1,025 мм (рис.3). Следовательно, средний износ толщины гребней в первой группе тормозных колодок в 1,54 раза, а во второй группе в 1,71 раза выше, чем в группе экспериментальных колодок.
Рисунок 3. Износ гребней колес в среднем по группам колодок.
Для анализа влияния твердости колодок и структуры на качество износа нами были проведены исследования поверхности износа колодок. Были измерены площади притиров (синие пятна) и выявлены следы задиров (наличие металла бандажа на поверхности износа колодок).
В результате было установлено, что в первой труппе колодок (стандартная структура пониженной твердости) на каждой из них количество притиров изменялось от 3 до 11 и составило в среднем по группе 8 штук. Площадь притиров изменялась от 23,25 см2 до 101,02 см2 , средняя площадь составила 44,14 см2. Площадь притиров изменялась от 6,73% до 29,45% от рабочей площади колодки, в среднем составила 13%. 25% колодок имели наслоение металла от бандажа колеса (задиры) (рис. 4).
Рисунок 4. Зависимость количества следов износа на поверхностях
исследованных колодок от твердости (в среднем по группам).
Исследование трещинообразования на поверхности износа отработанных в процессе эксплуатационных испытаний тормозных колодок до предельного износа на электровозе-толкаче показало, что трещинообразование материала колодок напрямую зависит от количества связанного углерода и микроструктуры.
На рис. 5 приведен график изменения средней суммарной длины трещин для трех групп колодок. Как видно из представленного графика с повышением твердости колодок со стандартной структурой резко повышается трещинообразование, повышение твердости на 20% приводит к увеличению трещинообразования на 283%. Структура Ф+Г тормозных колодок имеет высокую степень равномерности, это доказывает изучение характера трещин. Если на поверхности колодок №1 и №2 образуются множество мелких трещин, образующих сеточную структуру, то на поверхности экспериментальных колодок это трещины поперечные, возникшие от неравномерных радиальных усилий, являющихся следствием плохого прилегания спинки колодки.
Рисунок 5. Средняя длина трещин на поверхности колодок.
Анализ остаточного ресурса тормозных колодок по толщине показывает, что он зависит от твердости независимо от структуры. Также можно сделать вывод о том, что в процессе эксплуатации в совершенно одинаковых условиях ресурс тормозных колодок со структурой Ф+Г недоиспользован на 17%, а ресурс тормозных колодок повышенной твердости со стандартной структурой (вторая группа) недоиспользован на 33%.
Результаты измерения остаточного ресурса тормозных колодок по толщине приведены на рис. 6.
Рисунок 6. Остаточный ресурс колодок по толщине в среднем
по группам колодок в мм.
В результате проведенных сравнительных эксплуатационных исследований локомотивных тормозных чугунных колодок со стандартной структурой (П+Г+Ц+Ф.э) и экспериментальной структурой (Ф+Г) было установлено:
- Применение стабильной структуры Ф+Г тормозной колодки положительно сказывается на улучшении всех трибологических показателей:
— износ толщины бандажей колодками второй группы в 3,5 раза, а колодками первой группы почти в 2 раза больше, чем колодками с экспериментальной структурой;
— средний износ толщины гребней в первой группе тормозных колодок в 1,54 раза, а во второй группе в 1,71 раза выше, чем в группе экспериментальных колодок.
- Остаточный ресурс материала по толщине колодки зависят от твердости и не зависят от структуры, при этом одновременное использование (на одном локомотиве) тормозных колодок разной твердости приводят к недоиспользованию их материала до 33%.
- Увеличение твердости тормозных локомотивных колодок за счет увеличения связанного углерода не приводят к увеличению их прочности, наоборот, при этом увеличивается трещинообразование и разрушение материала колодок. Изменение структуры чугуна на более устойчивую, феррито-графитовую, обеспечивает стабильность твердости по сечению колодки и существенное увеличение прочности чугуна, а значит более эффективное использование материала колодок.
Список литературы
- Коротаев Б.В. Основы трибологии. Ч.2. Виды изнашивания деталей машин: учебное пособие. – Иркутск: ИрГУПС, 2009. – 104 с.
- Колодки тормозные чугунные для локомотивов. Технические условия: ГОСТ 30249-97. Межгосударственный стандарт. – Введ. 1999-07-01. — Минск: Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации; М.: ФГУП «Стандартинформ», 2005. – 11 с.
- Климов А.А., Домнин С.В. Отчет по НИР. рег. №И130625053745. КрИЖТ ИрГУПС Красноярск. 2013. 57с.
- Сухов А.В. и др. «Локомотивные бандажи марки 4» ж. «Железнодорожный транспорт» №2, 2012, с. 58-61.
- Бисерикан М.И. и др. «Совершенствование обточки колес подвижного состава с усталостными дефектами». Омский научный вестник. №2, 2012, с. 120-124.[schema type=»book» name=»СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК ИЗ СЕРОГО ЧУГУНА» author=»Климов Анатолий Александрович, Домнин Сергей Владимирович, Хацкевич Денис Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-06-15″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 30.12.2014_12(09)» ebook=»yes» ]