Разработка метода оценки ресурса пятникового узла вагона по критерию износа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Воронин, Николай Николаевич

• Воронин, Николай Николаевич
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Воронин, Николай Николаевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА И

ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН ЕГО ОТКАЗА

1.1. Назначение пятникового узла и анализ существующих конструктивных вариантов

1.2. Анализ методов оценки износостойкости пар трения

1.3. Анализ отказов пятникового узла и сопоставление их с другими видами отказов

1.4. Анализ эксплуатационной нагруженности пятниковых

узлов

1.5. Основные результаты главы 1

2. РАЗРАБОТКА ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ РАСЧЕТНОГО

МЕТОДА ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА

2.1. Соотношения для расчета износа и ресурса трибосопряжения но критерию предельного износа

2.2. Разработка методики расчета изнашивания опорных поверхностей пятникового узла

2.3. Разработка методики расчета изнашивания цилиндрических поверхностей пятникового узла

2.4. Основные результаты и выводы по главе 2

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ И РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ

ОЦЕНКИ РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА

3.1. Решение интегральных уравнений применительно к

расчету изнашивания опорных поверхностей пятникового узла

3.2. Решение интегральных уравнений применительно к расчету изнашивания цилиндрических поверхностей пятникового узла

3.3. Разработка алгоритма вычисления контактного давления и износа плоских поверхностей пятникового узла

3.4. Основные результаты и выводы по главе 3

4. ЧИСЛЕННЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ

ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗНОСОВ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА

4.1. Проверка достоверности результатов, получаемых по разработанному методу

4.2. Результаты натурного обследования износов пятникового

узла

4.3. Исследование влияния эксплуатационных параметров на износ в пятниковом узле

4.4. Исследование влияния материала и типа вагона на износ в пятниковом узле

4.5. Основные результаты и выводы по главе 4

5. РАЗРАБОТКА ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ПОВЫШЕНИЮ

РЕСУРСА ПЯТНИКОВОГО УЗЛА

5.1. Классы износостойкости

5.2. Оценка триботехнических качеств материалов пятниковото узла по "Классам износостойкости"

5.3. Влияние твердости приповерхностных слоев и специальных вставок на износостойкость материалов

5.4. Основные результаты и выводы по главе 5

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода оценки ресурса пятникового узла вагона по критерию износа»

ВВЕДЕНИЕ

Работоспособность машины, как механической системы, определяется прочностью и износостойкостью ее составных частей.

Проблемы прочности конструкции, включая поиск оптимальной конструкции, технологию выбора материалов и расчетно-теоретическую идеологию оценки ее ресурса, в настоящее время, хорошо развиты.

Создание сложных машиностроительных конструкций, к которым относятся и конструкции железнодорожной техники, связаны с необходимостью использования в них узлов трения. К большинству этих конструкций предъявляются высокие требования по прочности, надежности и работоспособности. В связи с этим, для разносторонней и наиболее полной оценки прочности, надежности и работоспособности этих конструкций обычно необходимы исчерпывающие сведения об износостойкости материалов, входящих в пару трения, нагрузках, действующих на рассматриваемый узел, наличии смазки и т.п.

Проведенный анализ показал, что машины примерно на 80 % выходят из строя в результате износа их деталей [ 1 ]. Расчетные методы оценки ресурса трибосопряжений, начиная с обоснования общетеоретических подходов к становлению этого научного направления, получили развитие лишь со второй половины XX века и в настоящее время находятся в стадии развития.

Определяя основные направления развития трибологии на XXI век, ведущие ученые выделяют, как одну из главных задач, завершение становления и развитие общих концептуальных положений расчета ресурса машин по критерию износа [2].

Особое внимание должно уделяться элементам подвижного состава железнодорожного транспорта, тле это связано не только с сохранностью перевозимых грузов, но и с безопасностью большого количества людей. Узлы трения вагонных конструкций, по сравнению с другими машиностроительными конструкциями, имеют характерные особенности как по спектру воспринимаемых нагрузок, так и по условиям эксплуатации - наличие абразива, отсутствие смазки и т.п.

Проведенные в последние десятилетия всесторонние исследования узлов трения подвижного состава железнодорожного транспорта показали, что в зонах контакта большинства из них имеет место значительный неравномерный износ, а на некоторых контактных поверхностях проходят заметные пластические деформации, приводящие к изменению заданных геометрических размеров. При значительных износах в пятниковом узле происходит ослабление надрессорной балки, увеличение радиального зазора между пятником и подпятником, вызывающее увеличение ударных воздействий при трогании и торможении, ухудшение динамики вагона, передачу продольных усилий через шкворень, его изгиб, срез и т.п. Кроме этого, в результате износа пятникового узла, в скользунах уменьшается зазор, предусмотренный конструкцией вагона. При повышенных износах в направлении продольной оси вагона пятника и подпятника появляется возможность относительного перемещения и соударения их, что может привести к повреждениям надрессорной балки, отколу внутреннего бурта подпятника и трещинам в пятнике [3]. Все это, в конечном итоге, может привести к разрушению пятникового узла вагона и возникновению аварийной ситуации.

До настоящего времени вопросы, связанные с влиянием вышеуказанных факторов на работоспособность вагонных конструкций, рассматривались недостаточно подробно.

Большое практическое значение приобретают расчетные методы прогнозирования несущей способности и усталостной долговечности конструкции, а также реализующие их алгоритмы и программы, которые должны использоваться на стадиях технического проектирования и создания опытных образцов новых и модернизируемых конструкций, а также при проведении различных ремонтных операций, направленных на восстановление и усиление наиболее повреждаемых мест.

Подобные подходы к решению проблемы повышения прочности и работоспособности конструкций подвижного состава являются наиболее эффективными, соответствуют современному уровню развития науки и техники, а получаемые результаты имеют значительный теоретический и практический интерес.

Большой вклад в решение вопросов но разработке расчетных и экспериментальных методов оценки работоспособности, прочности и надежности элементов конструкций подвижного состава внесли ведущие институты отрасли ВНИИЖТ, МИИТ, ПГУПС, ДИИТ, БИТМ, ГосНИИВ и др.

Для решения задач, связанных с изучением и повышением долговечности трибосопряжений различного технического назначения используются модели и методы механики деформируемого твердого тела. Разработке этих методов способствовали работы отечественных и зарубежных ученых. Ими были рассмотрены различные формы контактирующих тел с постоянными и переменными площадками контакта, с различными условиями нагружения, разработан ряд моделей деформируемого тела, учитывающих виды относительного скольжения тел [4-6 и др.].

Тенденция к повышению износостойкости конструкций различного назначения при одновременном сохранении или повышении их экс-

плуатационной надежности определяет необходимость совершенствования, на основе новейших достижений науки, численных методов расчета высоконагруженных конструкций.

Вагонные конструкции различного назначения работают в сложных условиях. Известно, что до настоящего времени подавляющее количество грузов перевозится из одного региона страны в другой по железной дороге, причем большинство перевозок приходятся на четырехосные полувагоны, которые составляют около 40 % вагонного парка. Проведенные натурные обследования технического состояния полувагонов показали, что уже в первые годы эксплуатации в наиболее нагруженных узлах трения появляются значительные износы. К наиболее ответственным и нагруженным узлам трения вагонов относятся: пятниковый узел, ударно-тятовые приборы, буксы, фрикционные таси-тели колебаний и т.п. Для ряда элементов ходовых частей четырехосных грузовых вагонов в работе [7] показана возможность снижения их нагруженности, что должно привести к увеличению долговечности.

В настоящее время актуальной научно-практической проблемой является развитие теоретических основ оценки ресурса узлов трения по критерию износа. Эта проблема включает совершенствование расчетных моделей с целью более точного учета условий работы трибо-сопряжения, установление элементных законов изнашивания материалов, величин предельно допустимых износов, характера изменения геометрии поверхностей трения в процессе эксплуатации с последующим учетом в расчетной модели и т.д.

Интенсивная эксплуатация грузовых вагонов приводит к образованию износов опорных поверхностей узла пятник - подпятник, что в последующем может вызвать закрытие регламентированных зазоров в скользунах, в значительной мере влияющих на динамические качества

вагона и безопасность движения. Износ упорных цилиндрических поверхностей пятника - подпятника приводит к уменьшению толщины бурта подпятника па надрессорной балке, ухудшению его прочностных свойств, а также к чрезмерному увеличению смещению тележки относительно рамы в продольном направлении, что приводит к передаче продольных усилий через шкворень, его изгибу и срезу.

Узлы трения вагонных конструкций, по сравнению с другими машиностроительными конструкциями, имеют характерные особенности как по спектру воспринимаемых нагрузок, так и по условиям эксплуатации - наличие абразива во внешней воздушной среде, отсутствие смазки и т.д. До настоящего времени вопросы, связанные с расчетной оценкой износа деталей трения вагонных конструкций, проработаны недостаточно подробно. В тоже время, наличие таких методов позволило бы не только определить ресурс трибосопряжения, но и оценить степень совершенства его конструкции.

В этой связи, в представленной работе поставлена и решена научная задача, имеющая большое народно-хозяйственное значение, связанная с разработкой инженерного метода расчета работоспособности пятникового узла грузовых вагонов при использовании теории изнашивания.

Целью настоящей работы является: определение закономерностей изменения геометрии поверхностей трения пятникового узла грузовых вагонов и разработка расчетного метода оценки их ресурса по допускаемым износам рабочих поверхностей трибосопряжения и обеспечению гарантированных зазоров в скользунах.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

1. установить типовые закономерности изменения геометрии поверхностей трения и предельно допустимые значения величин износа пятниковых узлов грузовых вагонов;

2. разработать расчетный метод определения износа в трибосопря-жениях применительно к пятниковому узлу грузового вагона;

3. создать алгоритм и программу по определению износа в пятниковом узле;

4. разработать методику расчета ресурса пятникового узла, позволяющую оценить влияние главных параметров на его ресурс;

5. дать рекомендации по повышению триболотических характеристик пятникового узла.

Практическую ценность работы представляют разработанные алгоритмы и программы: по оценке ресурса пятникового узла; установление закономерностей изнашивания; выявления уровня влияния основных параметров на ресурс пятникового узла; трибологическая карта трибосопряжения пятникового узла.

Представляемая работа выполнена на кафедре «Технология сварки, материаловедение, износостойкость деталей машин» МИИТ, где в течение ряда лет проводятся всесторонние исследования по эксплуатационной нагруженности, износостойкости, надежности и повреждаемости узлов грузовых вагонов.

Работа выполнена автором в соответствии с основными научными направлениями кафедры.

Автор выражает искреннюю благодарность своим научным руководителям д.т.н., профессору Павлову Вячеславу Георгиевичу и д.т.н., профессору Филиппову Виктору Николаевичу за помощь в постановке и решении научных задач, консультации и обсуждение полученных результатов, а также Эфросу Дмитрию Гавриловичу и сотрудникам

кафедры, помогавшим в реализации ряда научных разработок и проведении экспериментальных исследований.

1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ПЯТНИКОВОГО УЗЛА И ВЫЯВЛЕНИЕ ПРИЧИН ЕГО ОТКАЗА

1.1. Назначение пятникового узла и анализ существующих

конструктивных вариантов

В современных конструкциях вагонов одним из наиболее ответственных узлов является шкворневой узел, который выполняет функции связи между рамой вагона и тележкой и осуществляет передачу вертикальных и горизонтальных усилий между кузовом и ходовыми частями [8]. Узел состоит из пятника, подпятника и шкворня. Современные вагоны оборудуются различными конструкциями пятников, анализ которых проведен в работе [9] и отличающихся, в основном, геометрическими размерами и способом изготовления. В общем виде пятник представляет собой массивную плиту (фланец), на которой расположен цилиндр (яблоко) (рис. 1.1). Фланец имеет ряд отверстий, через которые, посредством заклепок пятник кренится к шкворневой балке. Яблоко пятника осуществляет передачу усилий между кузовом вагона и надрессорной балкой тележки через подпятник. Пятник изготавливается из сталей марок 15Л и 20Л, некоторые характеристики которых приведены в табл. 1.1.

Подпятник располагается на надрессорной балке тележки и имеет внутренний и наружный бурты, через которые передаются продольные усилия, а также рабочую плоскость, по которой осуществляется перемещение соответствующей опорной поверхности яблока пятника (рис. 1.2). Подпятник, являющийся частью надрессорной балки, изготавливается из сталей марок 15Л, 20Л, 20ГЛ, 20Г1ФЛ.

Таблица 1.1

Характеристики сталей пятникового узла

Параметр Ед. изм. Значение

15Л 20Л

1. Предел прочности МПа 390 500

2. Твердость по Бринеллю (ИВ) МПа 1090-1360 1310-1430

3. Модуль упругости Ша 206 201

4. Коэффициент линейного расширения 1/К 11,9 12,2

5. Коэффициент теплопроводности Вт/(м-К) 51 51

6. Удельная теплоемкость Дж/(кг-К) 470 470

7. Коэффициент Пуассона 0,3 0,31

о

конструкция, при которой взаи- Рис. 1.1. Конструкция пятника модействие происходит непосредственно по опорной поверхности и бурту подпятника.

Преимуществом такой конструкции является простота ее изготовления, низкая себестоимость и хорошая ремонтопригодность. Одним из основных недостатков является то, что при проведении повторных восстановительных работ методом наплавки возможно образование трещин, вследствие искусственного старения стали, вызванного воздействием повышенных температур сварки.

Необходимо отметить, что пятниковый узел находится в очень тяжелых условиях работы, приводящих к интенсивному износу трущихся поверхностей. К таким условиям следует отнести возможность на-

личия абразива на поверхностях контакта, высокие нагрузки, различающиеся по величине, направлению и характеру воздействия, отсутствие смазки и т.п.

За период эксплуатации вагонов были разработаны различные конструктивные варианты пятникового узла [10-16 И др.], однако НИ одному из Рис' 1/2■ Конструкция подпятника

них, по разным причинам, не удалось полностью решить проблему, связанную с обеспечением надежности, прочности и работоспособности этого узла.

Так, например, Днепропетровский вагоностроительный завод предложил конструктивное решение соединения пятник - подпятник, заключающееся в том, что подпятник надрессорной балки состоит из фланца с отверстием в центре и опорной пластины, которая выполнена в виде задвижки, перекрывающей отверстие, и размещена в пазу соответствующей формы, образованном на привал очной поверхности фланца (рис. 1.4 Подпятник отличается тем, что он прикреплен к надрессорной балке съемными болтами, позволяющими раздельную смену фланца и опорной пластины. Такая конструкция предполагала удлинение срока службы надрессорной балки.

При ремонте такой конструкции в случае износа можно легко произвести как замену фланца, так и опорной пластины.

Недостатком данного конструктивного варианта является необходимость изменения конструкции подпятника, связанного с большими

материальными затратами, а также наличие дополнительных концен-

траторов напряжении от отверстий под болты, что может привести к снижению прочности.

Изменением конструкции пятникового узла были предприняты попытки одновременного повышения износо-

Рис. 4.4. Конструктивное решение ДВЗ со-

стойкости и улучшения дина-

^ 17 единения пятник - подпятник;

МИКИ вагона путем регулиро- \ . щщщк, 2 - фланец, 3 - отверстие, 4 - опорная вания величины момента, пластина, 5 - привалочная поверхность, 6 -противодействующего пово- КРШ1СЖ-

роту тележки в зависимости от радиуса кривизны пути. Такой эффект достигается тем, что смежные рабочие поверхности пяты и подпятника выполнены винтообразными с осью, совпадающей с осью пяты, а между ними с зазором размещены конические ролики, вершины которых направлены к центру пяты. Предложенное конструктивное решение представлено на рис. 1.3.

Основным недостатком этой конструкции является неудовлетворительная стойкость к продольному удару, что при-

в и

'^^УУУУУУУ//УУУ'У У///УЛ

7

у/у/у//. ууУ///.У

- V - , ^ V V У У /.'-.• 'У / / /у /У У У у

>у.*у//УУ////У-'--

у.// -/V/

ведет К быстрому Рис. 1.3. Конструктивное решение сопряжения пятник

выходу узла ИЗ подпятник предложенное А.И. Кокаревым и В.В. Бере-

строя По сравне- зиньм; 1 " Рама кУзова> 2 - подпятник, 3 - конические

ролики, 4 - пятник, 5 - кузов вагона.

4

нию с базовым вариантом пятникового узла требуется изменение конструкции.

Ростовским институтом инженеров железнодорожного транспорта предложено улучшить динамические характеристики вагона путем регулирования величи- Рис. 1.5. Конструктивное решение сопряжения

ны момента противодейст- пятник " подпятник Ростовского института инженеров железнодорожного транспорта

вия повороту тележки в зависимости от горизонтального профиля пути. Разработанный пятниковый узел (рис. 1.5) состоит из пятника 1, подпятника 2 и жесткой кольцевой кассеты между ними, содержащей три диска, средний 3 из которых может фиксироваться от поворота относительно подпятника. Крайние диски 4 и 5 выполнены из стали с покрытием поверхностей антифрикционной композицией разного состава, обеспечивающей им различные характеристики при работе в паре с диском 3. Работает пара трения следующим образом: при движении транспортного средства в прямых участках пути средний диск 3 зафиксирован от поворота в гнезде подпятника - диски 4 и 3 имеют высокий коэффициент трения, который позволяет уменьшить виляние тележки; при вхождении в кривые участки диск 3 расфиксируется и в работу вступает пара трения 5 и 3. Управление фиксирующими штоками осуществляется с помощью электромагнита 6.

Применение такой конструкции экономически нецелесообразно в связи с большими материальными затратами, которые необходимы для постановки электромагнитов. Данное конструктивное решение, как и

! 9 м _

все выше приведенные, требует изменение конструкции, по сравнению с базовым вариантом, и обладает плохой ремонтопригодностью.

Днепропетровский завод металлургического оборудования разработал конструкцию, содержащую пятник кузова и подпятник надрес-сорной балки тележки, сопряженные с промежуточным элементом. Данная конструкция обеспечивает беззазорный контакт при взаимном перемещении кузова и тележки. На рис. 1.6 изображено устройство в плоскости поперечного сечения кузова.

За счет беззазорного контакта обеспечиваются минимальные удельные давления и отсутствие ударных нагрузок, связанных с замыканием зазоров в узле соединения кузова с тележкой вагона, в условиях эксплуатации. К основным недостаткам этой конструкции можно отнести быстрое разрушение шкворня из-за больших зазоров и сложность самой конструкции. По сравнению с базовым вариантом требуется существенное изменение конструкции пятника и подпятника.

МИИТ совместно с ПО ЖДАНОВТЯЖМАШ предложил, с целью повышения эксплуатационной надежности и долговечности, пятник выполнить в виде круглой пластины переменного от плоского осно-

Рис. 1.6. Устройство сопряжения пятник -подпятник, предложенное ДЗМО; 1 - пятник, 2 - кузов, 3 - промежуточный элемент, 4 - подпятник, 5 - надрессорная балка, 6 - шкворень.

вания поперечного сечения с цилиндрическим заглублением в центре ее наружной поверхности. Вкладыш, своей верхней кромкой кольцевых ребер, устанавливается в цилиндрическое заглубление пятника, который крепится к раме вагона болтами. Такая

Рис. 1.7. Схема пятникового узла конструкции МИ ИТ; 1 - пятник, 2 - вкладыш, 3 -подпятник, 4 - крепежные болты.

конструкция позволяет пятник и подпятник изготавливать из износостойких материалов, а вкладыш делать из материала с достаточно низкой износостойкостью и по мере необходимости производить его замену. Схема пятникового узла приведена на рис. 1.7.

Недостатками такой конструкции являются: сложность изготовления вкладыша; сложность самой конструкции.

Были предложены и другие конструктивные варианты пятникового узла. Так, например, в ряде стран Западной Европы используются пятниковые узлы, имеющие сферическую контактную поверхность (рис. 1.8).

Резюмируя вышеизложенное можно сделать вывод, что ни одно из описанных конструктивных решений широкого распространения не получило, т.к. не удовлетворяет ряду требований, основными из которых являются: простота конструкции; ремонтопригодность при минимальных изменениях базовой конструкции. Рис. 1.8. Сферический подпятник

1.2. Анализ методов оценки износостойкости пар трения

Одним из важнейших факторов, определяющих износ пары трения, является контактное давление, которое по мере износа перераспределяется, изменяя в свою очередь, скорость изнашивания трущихся поверхностей. При этом само контактное давление может изменяться в несколько раз. Определить это изменение и учесть его влияние на износ пары трения, а также получить достаточно надежную методику расчета долговечности по износу, представляет актуальную и важную задачу, имеющую как теоретическое, так и практическое значение [1725].

На поверхностях пар трения протекают сложные триботехниче-ские процессы, связанные с механическими, физическими и химическими взаимодействиями материалов на участках контактирования. Поверхности твердого тела обладают избыточной энергией, называемой поверхностной. Эта энергия равна энергии образования новой поверхности, и определяется отсутствием уравновешенности поверхностных атомов, ввиду отсутствия межатомных связей со стороны свободной поверхности. Особое состояние поверхностного слоя определяет его повышенную деформационную и химическую активность. Фиксируя изменение внутренней энергии при износе с помощью методов акустической эмиссии, предложено оценить долговечность материалов в паре трения при ударно-абразивном изнашивании [26].

В настоящее время одной из наиболее развитых теорий трения является молекулярно-механическая теория [27, 28]. Ее основы были созданы в XX веке трудами ученых: Дерягина Б.В., Крагельско-го И.В., Ахматова A.C., Боудена Ф., Тейбора Д. и др. Согласно этой теории внешнее трение твердых тел имеет двойственную молекулярно-механическую природу (рис. 1.9) [29].

гл

Рис. 1,9. Контакт двух шероховатых тел

На площадках фактического контакта поверхностей действуют силы молекулярного притяжения, образующие адгезионные мостики (участки сварки между твердыми телами). Это является адгезионной составляющей силы трения Ра$г. При приложении сдвигающей (тангенциальной) силы, вызывающей относительное скольжение двух тел, происходит разрушение - срез адгезионных мостиков - сопровождаемое разрывом молекулярных или атомных связей, что требует затраты энергии в необратимой форме. Образовавшиеся при этом микронеровности на поверхностях тел препятствуют их свободному относительному смещению и под воздействием внешней нагрузки N внедряются и деформируют сопрягаемые поверхности. Это является механической или деформационной составляющей силы трения

Суммарная величина силы трения может быть записана в виде:

где АРа$г и АР$еф - адгезионная и деформационная составляющие силы трения, действующие на отдельную микронеровность, внедрившуюся на глубину к и движущуюся по деформируемому телу; щ - число неровностей, внедрившихся в тело.

п.

п.

(1.1)

Получить выражение для коэффициента трения от адгезионной и деформационной сил можно путем деления левой и правой частей уравнения (1.1) на нагрузку N [29].

В процессе трения наблюдается несколько видов изнашивания, но один из видов, как правило, является определяющим.

В процессе изнашивания образуются единичные разрушения в малом объеме материала, который удаляется из зоны трения в виде частиц износа. Различают износ при трении без смазки, при граничной смазке и абразивное изнашивание. Для пятникового узла характерным является износ при трении без смазки, при наличии абразива.

По характеру деформирования износ протекает: при упругом или пластическом контакте поверхностей, а также в условиях микрорезания.

Физические представления о механизмах износа основываются на сложных процессах абразивного изнашивания, схватывания, усталостных, коррозионно-механических явлениях и ряда других [30].

Под абразивным изнашиванием, согласно ГОСТ 23.002-78 [31], понимают механическое разрушение трущихся поверхностей, возникающее в результате режущего или царапающего действия твердых тел или частиц, находящихся в свободном или закрепленном состоянии. При этом виде износа под действием внешней силы твердые частицы внедряются в более мягкий материал и, при относительном движении, разрушают его путем микрорезания, многократной упругопластической деформации или хрупкого разрушения. По степени закрепления или подвижности частиц различают абразивный износ свободными (рис. 1.10,а), закрепленными (рис. 1.10,6) и движущимися в потоке газа (газоабразивный) или жидкости (гидроабразивный) частицами (рис. 1.10,в).

Абразивным материалом могут быть мелкие частицы пыли минерального происхож-

* \ г 0 \ г '>

дения, окислы, микро

неровности более твер- х

дой поверхности, на- Рис. 1.10. Виды абразивного изнашивания

клепанные металлические частицы износа, твердые структурные включения и т.п.

Под усталостным изнашиванием понимают механическое изнашивание в результате усталостного разрушения при повторном деформировании микрообъемов материала поверхностного слоя. Это один из наиболее распространенных видов поверхностного разрушения материалов, находящихся в условиях циклического контактного нагруже-ния.

Контакт шероховатых тел, находящихся в режиме сухого трения

о

или граничнои смазки, при их относительном смещении происходит дискретно по отдельным пятнам касания, совокупность которых составляет фактическую площадь касания [27]. Под действием нормальной нагрузки отдельные неровности поверхностей взаимно внедряются друг в друта, или расплющиваются, образуя поля напряжений и деформаций в микрообъемах зон контакта. При перемещении одного тела относительно другого перед выступами образуются зоны сжатия материала на контртеле и зоны растяжения за ними (рис. 1.11). Это приводит к возникновению знакопеременного цикла нагружения материала в микрообъемах, в результате чего образуются повреждения - микротрещины, которые, подрастая, достигают критических размеров и

приводят к местному разрушению материала с последующим образованием частиц износа.

Усталостное выкрашивание поверхностных слоев материала возникает, обычно, в тяжелонагруженных деталях узлов трения, каким является пятниковый узел. Аналогичные процессы проходят в случае граничной смазки.

Изнашивание при заедании - изнашивание в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности трения на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженную поверхность. Схватывание - соединение двух твердых тел, происходящее вследствие действия атомно-молекулярных сил. Результатом процесса заедания является образование задира - повреждения поверхностей трения в виде различных по ширине и глубине борозд в направлении скольжения.

На практике различают два вида заедания (рис. 1.12): «горячее» -при высоких скоростях скольжения и температурах свыше 100-150 °С и «холодное» - при высоких контактных давлениях на фактических пятнах касания, достигающих предела текучести материала, и относительно малых скоростях скольжения. Первый вид заедания характерен для высокоскоростных узлов трения, когда происходит разрушение гидродинамической смазочной пленки, второй - для тяжелонагруженных малоподвижных трибосопряжений.

Рис. 1.11. Схема взаимодействия жесткой сферической микронеровности с пластически деформируемой средой

Рис. 1.12. Виды заедания: а - «горячее»; б - «холодное»; 1 - очаг схватывания; 2 - граница разрушения металла с образованием частицы износа

Пластическая макродеформация деталей трения - постепенное изменение размеров ж формы тел практически без потери веса вследствие развитых пластических макродеформаций поверхностей трения. При пластической макродеформации трущиеся поверхности деталей могут работать длительное время. При неблагоприятных условиях на поверхности трения могут возникать пластические деформации высокого уровня, в результате которых размеры и форма тел претерпевают масштабные изменения. Эти явления, с определенной условностью, можно рассматривать как вид износа с изменением геометрии сопряженных тел и зазоров в трибосопряжении. Пластическая макродеформация характерна для упорных цилиндрических поверхностей пятника.

Для планирования ремонта, определения затрат на восстановление изношенных поверхностей за заданный промежуток времени, оценки ресурса узла необходимо установление связи между сроком эксплуатации и величиной износа с помощью теоретической модели.

Количественной относительной характеристикой износа является интенсивность изнашивания (/^ - интенсивность линейного износа;

1т - интенсивность износа по массе; 1г> - интенсивность износа по объему), определяемая, как отношение значения износа к пути, на котором происходило изнашивание, или к объему выполненной работы [27, 32, 33, 34]:

/ _ - йУ = = х ^ <4 2)

41 Аа<11 рАаШ а ё® '

где к, V, О - величины линейного, объемного и весового износа материала соответственно; I - путь трения; Аа - номинальная площадь касания; %а=Р/Аа - удельная сила трения в контакте между сопряженными телами; Р - сила трения; ш=Р1 - работа силы трения; р - плотность изнашиваемого материала.

По современным представлениям трущаяся пара является трибо-системой, подчиняющейся определенным законам.

Совместимость такой трибосистемы определяется, как ее способность реализовывать оптимальное состояние по выбранным критериям в заданном диапазоне условий работы. Совместимость проявляется, прежде всего, в способности, в процессе работы, приспосабливаться друг к другу, обеспечивая устойчивую без повреждений эксплуатацию трибосистемы в течение заданного ресурса времени.

При этом материалы трущихся пар должны удовлетворять одновременно двум противоречивым свойствам: быть достаточно прочными и обладать хорошей антифрикционностью. В этом случае необходимо знать особенности совместной работы трущихся поверхностей и закономерности их приспосаб л и ваемости при трении.

Совместимость трибосистемы определяется с учетом соответствующих критериев: температурных, нагрузочных, энергетических, термомеханических. Число критериев в последние годы быстро возрастает в связи с необходимостью более глубокого рассмотрения аспектов

совместимости. С помощью выбранных критериев определяются оптимальные состояния трибосистем, обеспечивающие заданный уровень надежности работы узлов трения.

Правильная оценка совместимости трущихся поверхностей с учетом всех условий их взаимодействия при эксплуатации является важной задачей трибологии.

В настоящее время для более строгой научной оценки совместимости и правильного проектирования трущихся пар разрабатываются основы системы автоматизированного проектирования трущихся пар.

Так, например, в работе [35] разработана модель по определению износа цилиндрических поверхностей системы вал-отверстие применительно к цилиндрам двигателей внутреннего сгорания. Однако эта модель не может быть использована для оценки износостойкости пятникового узла из-за различий в условиях их эксплуатации.

В работе [17] предпринята попытка решения задачи применительно к цилиндрическим твердосмазочным сопряжениям. Разработаны методические рекомендации по определению функции интенсивности износа полимерных твердосмазочных материалов, по результатам испытаний цилиндрических образцов.

Для расчетного определения величины износа в узлах трения необходимо определять, с достаточной точностью, величины контактных давлений. В настоящее время разработаны методы определения напряжений и деформаций при контактных взаимодействиях твердых тел, с использованием различных теорий и расчетных методов, в том числе теорий упругости и пластичности, метода конечных элементов и т.п. [36-38 и др.].

Определить изменение контактного давления и учесть его влияние на износостойкость пары трения, а также получить надежную методи-

ку расчета на износ и, соответственно, на долговечность узла трения позволяет решение контактной задачи с учетом износа [18-25 и др.].

В ряде работ [39-42 и др.] рассмотрено состояние вопроса о влиянии различных видов смазки на износ и работоспособность различных узлов трения. Так, например, в работе [39] рассмотрено влияние микропористого полимерного материала, находящегося на рабочей поверхности опор скольжения.

В работе [40] рассмотрен механизм контактного взаимодействия шероховатых поверхностей в узлах трения с твердосмазочным покрытием.

В работе [41] разработан узел трения с радиально-упорным подшипником скольжения с автокомпенсацией износа при использовании плотной посадки и смазочного материала.

В работе [42] разработана математическая модель смешанной смазки, где зона трения скольжения шероховатых поверхностей тяже-лонагруженных опор скольжения (радиальных подшипников) определена как пористая среда, состоящая из площадок контакта и промежутков между ними.

Применительно к паре трения пятник-подпятник в ряде работ [43, 44, 45 и др.] рассмотрены и решены контактные задачи. Так, например, в работе [44] разработан метод расчета напряженно-

1 и и

деформированного состояния деталей экипажных частей и силовых установок подвижного состава железных дорог, ориентированный на решение контактных задач, позволяющий учесть физическую и геометрическую нелинейности. В основу данного метода положен метод конечных элементов.

В работе [45] проведен анализ износостойкости пятников и подпятников, изготовленных из марганцовистой стали. Расчетным путем

определены удельные контактные давления при центральном и краевом опирании пятника на подпятник. В первом случае удельные давления ниже допускаемых, во втором достигают значительной величины (более 1050 МПа), что вызывает пластические деформации пятника и подпятника и образование третцжн. Указаны пути совершенствования конструкции пятникового узла, которые заключаются в применении износостойких вкладышей из марганцовистой стали Г13, наплавок, в механическом упрочнении контактирующих поверхностей, изменении радиуса закругления ребра пятника, высоты бурта и применении качественной смазки.

1.3. Анализ отказов пятникового узла и сопоставление их с другими видами отказов

Конструкция вагона насчитывает целый ряд пар трения, входящих в такие узлы, как автосцепное оборудование, ходовые части вагона, шкворневой узел, поглощающий аппарат и буксовый узел, которые являются наиболее повреждаемыми в эксплуатации. Наибольшее влияние на работоспособность этих узлов оказывает изнашивание соответствующих контактных поверхностей пар трения. Исследование влияния величины износов на величину коэффициента относительного трения в трибосопряжении гасителя колебаний тележки ЦНИИ-ХЗ-О, рассмотрены в работах [46, 47 и др.].

В течение 1993-94 гг. нами проведено обследование вагонов с целью выявления причин попадания их в деповской и текущий ремонты [48]. Проведенный статистический анализ результатов осмотров вагонов свидетельствует о высокой повреждаемости ряда узлов в эксплуатации. Результаты осмотров вагонов, поступивших в ремонт в депо Лосиноостровская Московской ж.д. за 1993-94 гг. приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Количество зарегистрированных отказов

Причины попадания вагонов в деповской и текущий ремонт 1993 шт. 1994 шт.

1. Отказы элементов буксового узла 220 205

2. Отказы автосцепного оборудования 178 100

3. Отказы поглощающих аппаратов 80 55

4. Отказы рычажных передач тормозного оборудования 106 55

5. Отказы ходовых частей и пятникового узла 396 426

6. Отказы кузова полувагона 1741 1936

Общее количество отремонтированных вагонов 2727 2777

Наибольшее количество отказов, в соответствии с табл. 1.2, зарегистрировано по элементам конструкции кузова полувагона. Здесь отмечаются деформации стоек, разрушение сварных соединений, частичное или полное разрушение крышек люков и торцевых дверей и т.д. Значительную долю в общем числе отказов занимают повреждения ходовых частей: рамы тележки, колесных пар и шкворневого узла. Статистический анализ отказов полувагонов показал, что отказы ходовых частей и пятникового узла составили около 15 % и занимают второе место после отказов кузова, на который приходится более 60 % [49].

Дефекты пятников делятся на две категории: трещины по фланцу, проходящие в районе заклепок и по зоне перехода от фланца к яблоку и значительные изменения геометрии сопрягаемых подвижных деталей вследствие изнашивания и пластического деформирования поверхностей трения.

Пятниковые узлы железнодорожных вагонов работают в тяжелых эксплуатационных условиях. Они подвергаются значительным ударным, вибрационным и статическим воздействиям, часто превышающим

проектные нагрузки, работают, практи-

чески, без смазывания, в сильно запыленной, а иногда и абразивной среде, при переменной влажности и температуре.

В работах [9, 48, 50-53] отмечаются значительные остаточные пластические деформации яблока пятника в зонах Рис. 1.13. Износ и деформация близких к продольной оси шкворневой пятника

балки (рис. 1.13). На цилиндрической

поверхности образуются «наплывы» толщиной до 5 мм, высотой до 12 мм. Образование наплывов на опорных поверхностях пятника приводит к формированию наплывов и вмятин внутренней поверхности наружного бурта подпятника. В областях наружного бурта, соответствующих наплывам на яблоке пятника, в результате перемещения части металла в верхнюю зону бурта формируются кольцевые полосы шири-

и г- А и

нои до 5 мм с толщинои до 1 мм различной протяженности, которые периодически отслаиваются (рис. 1.14).

В процессе эксплуатации имеет место неравномерный износ цилиндрических рабочих поверхностей, что приводит к изменению геометрии яблока (рис. 1.15). Такой вид износа обусловлен тянущим усилием, совпадающим с продольной осью вагона и прижимающим цилиндрическую поверхность пятника к бурту подпятника, из-за сил сопротивления движению. Максимальные значения тяну- рис. 1.14. Деформация подпятника

У

щего усилия возникают при трогании, а также при торможении, когда тормозная система стягивает тележки между собой. При движении вагона происходит проскальзывание одной поверхности относительно другой, в результате чего изнашиваются цилиндрические поверхности и поперечные сечения пятника и подпятника приобретает форму эллипса.

Рис. 1.15. Изменение геометрии цилиндрической части пятника и подпятника

Следует отметить, что износы опорной поверхности яблока пятника также носят неоднородный характер. Наибольшие значения износов отмечаются на крайних поверхностях и составляют 1-2 мм и более на 100 тыс. км пробега вагона. Изменение геометрии опорной поверхности пятника и подпятника в эксплуатации по направлениям вдоль и поперек продольной оси вагона приведено на профилограмме (рис.

Изношенный подпятник

Исходный размер пятника и подпятника

Изношенный пятник

1.16) [9].

вдет ёвгемв ПЯТНИК

ПОДПЯТНИК

—> V -- — -— — — 4„ 3 — — — - — .... — — — и

—"Ч —

— --

..... - /Л

- 0

мм 1«> т т т т яо та х тв к т но па т №т

Рис. 1.16. Изменение геометрии контактных поверхностей в эксплуатации

Заварка трещин и восстановление изношенных поверхностей пятника и подпятника выполняются на вагоноремонтных заводах и в депо при соблюдении требований, изложенных в [54, 55].

Анализ результатов осмотров подпятников свидетельствует о достаточно большом количестве разного рода дефектах, формирующихся в эксплуатации. Некоторые из них представлены на рис. 1.17.

Изнашивание рабочих поверхностей в эксплуатации характеризуется значительной неоднородностью. Наибольшие значения износов наружного бурта подпятника формируются в районе продольной оси вагона, что приводит к изменению его геометрии. На рис. 1.15 приведено изменение геометрии внутреннего контура наружного бурта. Наряду с износами рабочих поверхностей зарегистрировано отслаивание металла на опорной поверхности в виде кольцевых полос различной протяженности шириной до 15 мм и глубиной 2 мм (рис. 1.17 поз. 1, 6).

В процессе эксплуатации наблюдается неравномерное изнашивание цилиндрических поверхностей пятникового узла в направлении продольной оси вагона и в направлении продольной оси шкворневой балки. Максимальные значения износов зарегистрированы на цилинд-

рическои поверхности, совпадающей с продольной осью вагона. Эти результаты были получены рядом авторов, проводивших ходовые испытания полувагонов и осмотры шкворневых узлов [9, 43, 50-53, 56, 57].

Так, например, в работе [51] представлены наблюдения за изно-сами вертикальных цилиндрических поверхностей пятника и подпятника. В 1984-86 гг. на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ в два этапа проведены испытания состава из 95 четырехосных полувагонов постройки УВЗ и КрВЗ. На втором этапе (1985-86) проведена догрузка вагонов. Результаты замеров износов были аппроксимированы прямыми линиями вида:

Рис. 1.47. Повреждаемость в эксплуатации подпятника 1 - отслоение металла; 2 - износы внутренней поверхности наружного бурта и внутреннего бурта; 3 - отколы буртов; 4 - трещины опорной поверхности подпятникового места; 5 - трещины по периметру внутреннего бурта; 6 - пластическая деформация и отслоения наружного бурта

А гкчЩ

(4.1)

где - пробег, Л^ - износ, к^ и коэффициенты.

Рассмотрены также напряжения смятия пятника и подпятника в зависимости от их материалов.

В работе [52] описаны условия эксплуатационных пробеговых поездных испытаний 4-осных полувагонов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТ. Наряду с испытаниями стандартных пятниковых узлов, испытывались узлы, содержащие различные прокладки. Так, напри-

мер, рассматривалась возможность использования прокладки в виде диска из стали 09Г2 0300 мм и толщиной 6=4,5...5 мм. Исследования показали, что такие прокладки могут оказывать даже отрицательное действие, вплоть до заклинивания пятникового узла. Все прокладки разрушились после 80... 145 тыс. км. Одновременно испытывались прокладки из «оксалона» (5=6 мм), которые разрушились через 20 тыс. км. Поэтому их постановка также оказалась нецелесообразной. Однако американскими исследователями получены положительные результаты при применении прокладок. Так, например, в работе [58] содержатся результаты испытаний прокладок из высокомолекулярного полимера с металлической армировкой. Дается положительная оценка, как по материалу, так и конструкции прокладки по результатам экспериментальных исследований на износостойкость, морозоустойчивость, абразивную и ударную стойкость.

С целью уменьшения износа опорной поверхности пятников вось-миосных полувагонов было принято решение увеличить диаметр цилиндрической части пятника с 400 до 450 мм. Предполагалось, что такое конструктивное изменение позволит не менее чем на 30 % снизить удельное давление в зонах контакта пятник - подпятник. Однако проведенные исследования [59] показали, что в пятнике с диаметром 450 мм увеличивается плечо перемещения равнодействующей вертикальной нагрузки от кузова на тележку, что ухудшает распределение вертикальной нагрузки между двухосными тележками, увеличивает коэффициент вертикальной динамики и может привести к росту повреждений в элементах опорных узлов.

В работе [59] экспериментальными исследованиями установлено, что в зоне соединения фланца с цилиндрической частью пятника диаметром 450 мм имеет место высокий уровень напряжений. При крае-

вом нагружении пятника напряжения могут достигать предела текучести материала. Для снижения высокого уровня напряжений предложено изменить плоскую опорную поверхность на плоскосферическую или плоскоконическую.

Для подтверждения результатов износов, полученных в вышеуказанных работах, были проведены натурные обследования пятниковых узлов полувагонов (проводимых при участии автора) [48]. По данным этих осмотров, величины износов составляют 4-5 мм при пробеге вагона 100 тыс. км на цилиндрических поверхностях вдоль продольной оси вагона (5,5-7 мм за период между деповскими ремонтами - 1 год, 175200 тыс. км) и 2-3 мм в направлении, перпендикулярном продольной оси (3,5-5 мм при пробеге 175-200 тыс. км за 1 год), что соответствует результатам, полученным другими исследователями [9, 43, 50-53, 56, 57]. Ряд узлов был подвергнут более тщательному обследованию но специально разработанной методике для построения профилограмм после различных сроков эксплуатации вагона. Результаты данных обследований необходимы для сопоставления с результатами численных исследований и приведены в главе 1.

1.4. Анализ эксплуатационной погруженности

пятниковых узлов

Оценка эксплуатационной нагруженности шкворневого узла проводилась на основе анализа результатов теоретических исследований, а также статических и динамических испытаний, проведенных ВНИ-ИЖТом и другими научными лабораториями в предыдущие годы. Являясь элементом связи между кузовом вагона и тележкой, шкворневой узел, в процессе движения вагона, находится под воздействием одновременно вертикальных и горизонтальных сил. Причем, нагружен-

ность узла характеризуется непостоянством во времени, определяемым, главным образом, колебаниями вагона:

-дополнительные поступательные вдоль оси пути - подергивание;

- поступательные поперек пути - боковой относ;

- поступательные в вертикальной плоскости - подпрыгивание;

- повороты относительно продольной главной центральной оси вагона — боковая качка;

-повороты относительно поперечной главной центральной оси, перпендикулярной плоскости симметрии рельсовой колеи - продольная качка или галопирование;

-повороты относительно главной центральной оси, перпендикулярной плоскости пути - виляние.

С увеличением скоростей движения, повышением грузоподъемности конструкции и увеличением интенсивности их использования возрастают нагрузки на опорные узлы вагонов. Установлено, что при движении вагонов, как по кривым, так и по прямым участкам пути систематически происходит перевалка кузова на подпятниках тележек, в результате действия которой в пятниковом узле возникают напряжения, превышающие напряжения от симметричной нагрузки (брутто) в несколько раз. Колебания перевалки кузова сопровождаются периодическими отрывами крайних зон опорной поверхности пятников от подпятников. Перевалка кузова вызывает постоянное перемещение по опорной поверхности равнодействующей вертикальной нагрузки на тележку и приводит к перераспределению напряжений в опорных элементах.

Следствием этого является также повышенный износ опорной и цилиндрической поверхностей, особенно значительный у пятниковых узлов 8-осных полувагонов и цистерн. По данным экспериментального

обследования у 8-осных цистерн после пробега 400 тыс. км (что соответствует примерно 2-2,5 годам эксплуатации цистерн) износ цилиндрической поверхности подпятников достигает 11,5 мм. При осмотрах пятниковых узлов были выявлены изгибы шкворней, наплывы, смятие упорных цилиндрических поверхностей пятников и подпятников, трещины и смятие приливов для шкворней. Это свидетельствует о наличии высоких местных напряжении и о включении в работу шкворня и прилива для шкворня при увеличении, вследствие износа, зазора между пятником и подпятником.

Некоторые мероприятия, направленные на повышение долговечности ряда ответственных элементов в ходовых частях грузовых вагонов, а также снижение их нагруженности рассмотрены в работе [7].

Влияние динамической составляющей на нагруженность шкворневого узла достаточно подробно рассмотрено в ряде работ [60, 61 и ДрЛ-

В работе [52] подсчитана вертикальная нагрузка на пятник при различных вариантах нагружения.

Эксплуатационные испытания показали, что при движении вагона имеют место боковые колебания вагона относительно надрессорной балки тележки, которые приводят к периодическому отрыву крайних зон пятника от подпятника, как на прямых, так и на криволинейных участках пути. Установлено, что процесс боковых колебаний кузова, сопровождающийся периодическим отрывом крайних зон пятника является нелинейным, с переменными значениями частоты и периода колебаний. Уже при скорости движения 40 км/ч по прямолинейному участку пути инерционные силы достигают значений, достаточных для начала процесса отрыва крайних зон пятника от плоскости подпятника [59]. При движении вагона происходит перевалка кузова с частотой от

0,7 до 1,8 Гц относительно надрессорной балки. При амплитудах боковых колебаний кузова до (4-6)-10~3 рад колебания осуществляются за счет упругих деформаций элементов узла. Колебания с амплитудами выше (6-8)-10"3 рад сопровождаются периодическими отрывами противоположных крайних зон пятника, и имеет место, так называемое, краевое опирание.

Результаты поездных испытаний [59] показали, что при зазорах в скользунах 9-11 мм на кривых и прямых участках пути происходит периодическое опирание на скользуны продолжительностью 0,19-0,24 с с вертикальной реакцией 62,6-40,5 кН, а кузов в плане отклоняется на угол 1° 28'. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что в действительности реальной схемой нагружения пятника является краевое нагружение при одновременном действии вертикальной и горизонтальной нагрузок.

Экспериментально установлено [55], что длины зон «наминов», на подпятнике от пятников у полувагонов составляют 15-18 мм.

Таким образом, боковая перевалка кузова вагона приводит к сокращению области передачи усилий между пятником и подпятником до 15-18 мм в длину и, как следствие, значительному перераспределению контактных давлений в зоне сопряжения рассматриваемой пары.

Повороты кузова вагона относительно главной центральной оси, перпендикулярной плоскости пути (виляние кузова) и повороты надрессорной балки относительно той же оси определяют взаимные перемещения пятника и подпятника в горизонтальной плоскости. Для определения частоты и амплитуды взаимных смещений элементов рассматриваемой контактной пары было проведено компьютерное моделирование движения грузового вагона на прямолинейном и криволиней-

Рис. 1.18. Смещение надрессорной балки тележки при движении на прямом участке пути, скорость 75 км/ч

- грузовой вагон; ------------ цистерна 4-осн.

ном участках пути на одном из перегонов Юго-Восточной ж.д. (рис. 1.18-1.19)162].

Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что максимальные значения отклонений надрессорной балки тележки не превышают 0,028 рад, а кузова - 0,037 рад. Средние значения смещения надрессорной балки тележки составили 0,012-0,017 рад. Полученные результаты достаточно хорошо коррелируются с данными поездных испытаний, проведенных ВНИИЖТом в 1990 г. на участке Белореченская - Майкоп [63], где средние значения виляния тележки составили 0,012 рад. Характерно некоторое запаздывание в смещениях кузова относительно надрессорной балки, что и определяет взаимное смеще-

Рис. 1.19. Смещение надрессорной балки тележки при движении в кривой радиусом 300 м, возвышение 100 мм, скорость 75 км/ч

- грузовой вагон; ------------ цистерна 4-осн.

ние пятника относительно подпятника. В среднем пятник смещается относительно подпятника на угол 0,07-0,09 рад.

По данным поездных испытаний, наиболее интенсивно износ в пятниковом узле происходит при вписывании вагона в кривые, причем, чем меньше радиус кривой, тем на больший угол поворачивается пятник относительно подпятника. Угол поворота пятника относительно подпятника при вписывании вагона в кривую одного и того же радиуса зависит от типа вагона и, в первую очередь, от его базы. У вагонов с большей базой этот угол больше. Распределение кривых на различных участках железных дорог неравномерно как по количеству, так и по протяженности. Протяженность кривых различных радиусов и протяженность железных дорог России приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3.

Протяженность кривых в зависимости от радиуса кривизны

Дорога Протяженность дороги, км Радиус кривизны, м

<300 301-350 351-500 501-650

Октябрьская 13100 76,9 144,7 246 975

Московская 13700 43 104 188 755

Горьковская 8350 18 30 108 935

Северная 8600 9,5 23 134 560

Северо- Кавказская 8600 33 126 116 560

Юго-Восточная 5700 2,6 11 102 475

Приволжская 5700 2,8 38 122 333

Куйбышевская 7300 46 55 175 845

Свердловская 9500 37 153 328 900

Южно-Уральская 8200 42 158 279 685

Западно-Сибирская 7200 11,1 15 109 220

Кемеровская 2700 60 42 146 300

Красноярская 4500 29 117 293 517

Восточно- Сибирская 4900 109 213 395 563

Забайкальская 5800 50 288 354 656

Дальне-Восточная 5900 274 220 337 575

Большинство грузовых вагонов России не имеет постоянной приписки и курсирует по всей сети железных дорог. В связи с этим, в расчетах пятниковых уз лоб на износ, целесообразно использовать среднесетевой радиус кривых, который может быть определен по данным, приведенным в табл. 1.3. Конкретные результаты таких исследований приведены в главе 4.

•ОССИЙСКАЯ гп^ЯДРСТВЕНН^

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Воронин, Николай Николаевич

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. На основе анализа эксплуатационных данных установлено, что одним из наиболее повреждаемых узлов грузового вагона является пятниковый узел, основными видами отказов которого являются: износ опорной и цилиндрической поверхностей пятника и подпятника, а также трещины по опорной поверхности и по периметру внутреннего бурта. Имеет место отслоение части металла у наружного бурта и заметная пластическая деформация.

Проведенный анализ экспериментально определенных износов поверхностей трения пятниковых узлов показал, что прн пробете вагона 100 тыс. км, величины износов цилиндрических поверхностей на продольной оси вагона составляют 4-5 мм, а в направлении, перпендикулярном продольной оси - 2-3 мм. На опорных поверхностях наибольшие износы составляют 1-2 мм и более. Большие износы приводят к ухудшению динамических характеристик вагона, увеличению ударных нагрузок, преждевременному выходу из строя ряда деталей, способствуют созданию аварийной ситуации.

2. Проведенный анализ существующих расчетных методов по оценке износостойкости и долговечности пар трения показал, что ни один из них в полном объеме не может быть применен к пятниковому узлу грузового вагона, имеющему ряд особенностей по условиям эксплуатации, величине и распределению действующих нагрузок.

Разработан расчетный метод, позволяющий проводить оценку ресурса пятникового узла грузового вагона по критерию износостойкости с учетом перераспределения контактных давлений на сопрягаемых поверхностях, в зависимости от их износа. Математическая модель износа представляет собой систему дифференциальных уравнений, которые при дискретном представлении области контакта заменяются адекватной системой из линейных уравнений с учетом степенной зависимости интенсивности изнашивания от параметров износостойкости материалов.

3. Разработанные в диссертации алгоритм и программное обеспечение позволяют проводить расчеты контактного давления и износа на поверхностях трения пятникового узла грузового вагона с учетом предыстории процесса изнашивания, что делает возможным проследить процесс изнашивания во времени и определить ресурс пятникового узла по величине заданного допускаемого износа. Установлено, что максимальные давления в контакте пятник-подпятник превышают средние нормативные в 3-4 раза.

Установлен характер зависимостей контактного давления и величины износа в сопряжении пятникового узла от геометрических размеров вагонов, параметров горизонтального профиля пути, величины пробега, загруженности вагона и ряда других факторов. Установлена связь между углом поворота пятника относительно подпятника, при движении вагона по криволинейному участку пути, и отношением базы вагона к радиусу кривой, которая имеет вид ф€ = 2 • агсэт^21/2Якр^, что позволило учесть в математической модели изнашивания тип вагона и характер пути.

4. Достоверность разработанного метода проверена путем сопоставления расчетных данных с результатами экспериментов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа и натурных обследований полувагонов, поступивших в деповской отцепочный ремонт. Расхождение расчетных данных и экспериментальных данных находятся в пределах 15 %. Численные исследования, проведенные с использованием разработанного метода, позволили выявить законы распределения величин контактных давлений и износов от величины пробега вагонов. Установлено, что в начальный период эксплуатации контактные давления у наружного края пятника в четыре раза выше, чем у внутреннего и в средней части, что, соответственно, отражается и на величинах износа опорной поверхности. В течение первых пяти - десяти тысяч километров пробега вагонов происходит приработка трущихся опорных поверхностей, в результате чего перераспределяются контактные давления.

5. Установлено, что для полувагона предельный износ пятникового узла по критерию допустимых зазоров в скользунах составляет 8 мм, и соответствует минимальному пробегу около 300 тыс. км или, приблизительно, трем годам эксплуатации. В случае износа рабочих поверхностей скользунов предельно допустимые износы пятникового узла увеличиваются.

Установлено, что в паре трения сталь 30ХГСА - металл, наплавленный порошковой проволокой ПП-ТН250, износ в два с лишним раза меньше, чем у серийной пары, состоящей из стали 15Л и стали 20 Л.

6. Проведена оценка материалов пары трения пятникового узла по «Классам износостойкости», которая показала, что материалы, используемые в рассматриваемом узле трения, имеют низкое триботехниче-ское качество. При подборе материала деталей трибосопряжения соотношение твердостей пятника и подпятника должно быть в пределах 0,75.0,9.

На основании проведенных исследований разработана трибологи-ческая карта трения пятникового узла, которая позволяет проанализировать основные характеристики материалов, влияющие на износ, технологические условия подготовки поверхностей, оценить условия работы и характер изнашивания поверхностей пары трения пятникового узла. Эти данные рекомендуются для включения в нормативные материалы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Воронин, Николай Николаевич, 1999 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павлов В.Г. Развитие трибологии в институте машиноведения РАН // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1998. № 5. - С. 104-112.

2. Фролов К.В. Машиноведение накануне XXI века // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1998. № 5. - С. 3-12.

3. Технология вагоностроения и ремонта вагонов: Учебник для вузов / B.C. Герасимов, И.Ф. Скиба, Б.М. Кернич и др.; Под ред. B.C. Герасимова - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1988. -381 с.

4. Фролов К.В. Методы совершенствования машин и современные проблемы машиноведения. М.: Машиноведение, - 1984. - 223 с.

5. Трибология. Исследования и приложения. Опыт США и стран СНГ. М.: Машиностроение, - 1993. - 450 с.

6. Машиностроение. Энциклопедия. Т. IV-1. Трение, износ, смазка. М.: Машиностроение, - 1995. - С. 148-260.

7. Жаковский А.Д. Снижение нагруженности и повышение долговечности основных элементов ходовых частей четырехосных грузовых вагонов. Дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. Днепропетровск, 1991, - 247 с.

8. Вагоны: Конструкция, теория и расчет. /Под ред. Л.А. Шадура. - М.: Транспорт, 1980. - 439 с.

9. Юдин В.А. Исследование напряженного состояния опорных узлов восьмиосного полувагона. Дис. ... канд. техн. наук. М., 1976. -386 с.

10. A.c. 1595724 СССР, В 61 F 5/16. Пятниковый узел рельсового транспортного средства / В.А. Юдин, М.М. Болотин, П.А. Устич и

др.; МИИТ (СССР). - № 4615849/27-11; Заявл. 05.12.88. - Открытие. Изобрет. - 1990. -JMb 5.

И. A.c. 1562198 СССР, В 61 F 5/16. Пятниковый узел железнодорожного транспортного средства / Э.С. Кацаев; Крюковский вагоностроительный завод (СССР). - № 4371656/25-11; Заявл. 02.02.88. -Открытие. Изобрет. - 1990. - № 17.

12. A.c. 1425118 СССР, В 61 F 5/16. Пятниковый узел вагона / М.М. Болотин, Б.А. Алексюткин, Л.Г. Волков и др.; МИИТ и ПО «ЖДАНОВТЯЖМАШ» (СССР). - № 4074060/27-11; Заявл. 02.06.86. - Открытие. Изобрет. - 1988. - № 35.

13. A.c. 306998 СССР, В 61f 5/16. Пятниковое устройство экипажа / Л.Н. Разуваев, В.Н. Сазонов; (СССР). - № 1428355/27-11; Заявл. 20.04.70. - Открытие. Изобрет. - 1971. - № 20.

14. A.c. 358205 СССР, В 61f 5/16. Пятниковый узел рамы железнодорожного вагона / А.Г. Милашич, В.Д. Ефимчук; ХИИТ (СССР). - № 1680636/27-11; Заявл. 12.07.71. - Открытие. Изобрет. - 1972. - № 34.

15. A.c. 2065823 Cl. RU, 6 В 61 F 5/16. Узел соединения кузова железнодорожного транспортного средства с тележкой / В.И. Егоров, Л.Д. Новиков, Ю.П. Сусанин и др.; Р.Ф. - № 3144382/11; Заявл. 09.06.86. - Открытие. Изобрет. - 1996. - № 24.

16. A.c. 2090405 C1.RU, 6 В 61 F 5/16. Узел соединения рамы тележки рельсового экипажа с кузовом / Ю.Л. Шевченко, А.Т. Зу-бань, Г.И. Алексеев и др.; Р.Ф. - № 95114189/11; Заявл. 08.08.95. -Открытие. Изобрет. - 1997. - № 26.

17. Сокольникова Л.Г. Исследование контактного взаимодействия и разработка методов расчета цилиндрических сопряжений при раз-

личных уровнях износа. Дис. ... канд. техн. наук: 05.02.04. Якутск, -1992. - 124 с.

18. Александров В.М., Галин Л.А., Пириев Н.П. Плоская контактная задача при наличии износа для упругого слоя большой толщины. - Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1978, №4, с. 60-67.

19. Александров В.М., Коваленко Е.В. Осесимметричная контактная задача для линейного деформируемого основания общего типа при наличии износа. - Изв. АН СССР. Механика твердого тела, 1978, №5, с. 58-66.

20. Галин Л.А. Контактные задачи теории упругости при наличии износа. - Прикладная математика и механика, 1976, т. 40, вып. 6, с. 981-989

21. Галин Л.А., Горячева И.Г. Контактные задачи теории упругости при наличии износа / Теория трения, износа и проблемы стандартизации. Брянск: с. 251-265

22. Галин Л.А., Горячева И.Г. Контактные задачи и их приложения к теории трения и износа. - Трение и износ, 1980, т. 1, №1, с. 105119.

23. Коровчинский М.В. Локальный контакт упругих тел при изнашивании их поверхностей / Контактное взаимодействие твердых тел и расчет сил трения и износа. М.: Наука, 1971, с. 130-140.

24. Теплый М.И. О расчете напряжений в цилиндрических сопряжениях. - Проблемы прочности. 1979, №9, - с. 97-100.

25. Фесенко Е.Д., Проценко В.С., Колибабчук В.А. О контактной задаче теории упругости. - Прикладная механика. 1979, т. 15, №3, - с. 102-103.

26. Кондратов А. В. Оценка долговечности материалов при ударно-абразивном изнашивании по показателю акустической эмиссии: Ав- \ тореферат дис... канд. техн. наук. - М., 1993. - 25 с.

27. Крагельский И.В., Добътчин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

28. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. - М.: Гос. изд. физ.-мат. лит., 1963. - 472 с.

29. Павлов В.Г. Основы теории трения и изнашивания. Раздел 1: Основы теории трения. Учебное пособие. - М.: МИИТ, 1993. - 87 с.

30. Когаев В.П., Дроздов Ю.Н. Прочность и износостойкость деталей машин. - М.: Высшая школа, 1991. - 319 с.

31. ГОСТ 23.002-78 "Обеспечение износостойкости изделий. Трение, изнашивание и смазка, Термины и определения".

32. Павлов В.Г. Основы теории трения и изнашивания. Раздел 2: Основы теории изнашивания. Учебное пособие. - М.: МИИТ, 1995. -100 с.

33. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. М.: Издательство стандартов, 1979, - 100 с.

34. Справочник по триботехнике/ Под общ. ред. М. Хебды, A.B. Чичинадзе. В 3-х т. Т. 1. Теоретические основы. М.: Машиностроение, 1989, - 400 с.

35. Стадников Д.Я. Исследование и оценка износостойкости деталей машин на основе интеллектуальной модели трения и износа. Дис. ... канд. техн. наук. Нижний Новгород, 1991, - 250 с.

36. Подлеснов Ю.П. Применение метода конечных элементов к решению плоских прикладных контактных задач. Дис. ... канд. техн. наук. Брянск - Коломна, 1981, - 189 с.

37. Кузьмин H.H. Исследование контактных взаимодействий твердых тел при упруго-пластических деформациях в зонах фактического касания. Дис. ... канд. техн. наук. М., 1986, - 234 с.

38. Аксютенков В.Т. Теория и метод проектирования эффективных опор возвратно-вращательного движения. Дис. ... д-ра техн. наук. Брянск, 1992, - 314 с.

39. Луговской Б.К. Разработка расчетной модели работы опор скольжения, содержащих на рабочей поверхности включение микропористого полимерного материала. Дис. ... канд. техн. наук. Ростов-на-Дону, 1996, - 122 с.

40. Туманова О.О. Теоретическое и экспериментальное обоснование расчета узлов трения с твердосмазочными покрытиями. Дис. ... канд. техн. наук. Тверь, 1996, - 192 с.

41. Макушкин С.А. Разработка и исследование радиально-упорных подшипников скольжения с автокомпенсацией износа. Дис. ... канд. техн. наук. М., 1996, - 122 с.

42. Харламов В.В. Трибологические характеристики тяжелонагру-женных опор скольжения, работающих в смешанных режимах смазки: Автореферат дис... канд. техн. наук. - Екатеринбург, 1996. - 39 с.

43. Сурвило А.Б. Разработка технических требований и конструкции пятника и эксплуатационные испытания новых образцов пятников грузовых вагонов. Тр. ВНИИЖТа, вып. 419, М., 1970.

44. Сакало В.И. Решение прикладных контактных задач подвижного состава железных дорог методом конечных элементов. Дис. ... д-ра техн. наук. Брянск, 1986, - 302 с.

45. Сурвило A.B. Анализ износостойкости и разработка предложений по повышению долговечности пятниковых узлов грузовых вагонов. Тр. ВНИИЖТа, вып. 548, М., 1976, - с. 153-163.

46. Филиппов В.Н., Смольянинов A.B., Петров Г.И. Исследование влияния размерных допусков, жзносов детален тасителя колебаний тележки ЦНИИ-ХЗ-О на величину коэффициента относительного трения (в вероятностном аспекте). Труды МИИТ. - 1981. - Вып. 647. - С. 4857.

47. Исследование пути трения фрикционных поверхностей деталей гасителя колебаний / Филиппов В.Н., Сенаторов С.А., Смольянинов A.B., Петров Г.И. // Вестник ВНИИЖТ. - 1983. - № 4. - С. 15-21.

48. Отчет по теме № 33/95 (37.02.93 МПС) "Методика анализа трибологических характеристик материалов, работающих в парах трения несущих конструкций подвижного состава МПС РФ, и концепция повышения их работоспособности". М.: МИИТ, 1995. 100 с.

49. Расчетная оценка трибологических характеристик конструкционных материалов тяжелонагруженных узлов трения грузовых вагонов / H.H. Воронин, С.Н. Киселев, В.Г. Павлов, A.B. Саврухин, Д.Г. Эфрос // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 1998. -№ 2. - С. 66-71.

50. Испытания грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками на экспериментальном кольце ВНИИЖТ с разработкой предложений для предъявления промышленности. Отчет ВНИИЖТ. Рук. Г.В. Костин, С.И. Пашарин. 1990,1991.

51. Пашарин С.И. Износы в пятниковом узле четырехосного полувагона при различных осевых нагрузках и пробегах. Вестник ВНИИЖТ, 1988, 116 с. 27-29

52. Поездные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ надрессорных балок, фрикционных клиньев и планок тележек модели 18-100, упрочненных индукционно-металлургическим способом (ИМС). С.И. Пашарин, 1992, 52 с.

53. Костин Г.В., Пашарин С.И. Эксплуатационные пробеговые испытания вагонов на экспериментальном кольце. Вестник ВНИИЖТ, 1993, №5, с. 41-44

54. Комплект документов на Типовой технологический процесс ремонта узла пятник - подпятник. ТК-231, М.: ПКБ ЦБ, - 1996. - 70 с.

55. Инструкция по сварке и наплавке при ремонте вагонов и контейнеров. РТМ 32-ЦВ-201-88. - М.: Транспорт, 1988 - 214 с.

56. Тененбаум Б.Я. Исследования повреждаемости и нагруженно-сти пятников четырехосных полувагонов и разработка предложений по повышению их надежности. Дис. ... канд. техн. наук, Брянск, 1971, -221 с.

57. Интенсивность износа в парах трения тележек грузовых вагонов / Т.П. Северинова, C.B. Вершинский, В.В. Пономарев, Е.И. Прохоренко. Вестник ВНИИЖТ, 1987, 8 с. 41-43.

58. Long life for key car components. Progressive Railroad, 1980, №4, p. 103.

59. О механизме износа пятникового узла/ Б.С. Евстафьев, В.М. Чебаненко, В.А. Юдин, А.Н. Францев // Труды МИИТ. - 1974. -Вып. 453. - С. 96-102.

60. Павлов C.B. Оценка динамической нагруженности шкворневых узлов вагонов - цистерн и совершенствование их конструкций. Дис. ... канд. техн. наук, Санкт-Петербург, 1993, - 173 с.

61. Гасанов О.Ш. Нагруженность опорных узлов вагонов на тележках без надрессорных балок. Дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. М., 1990, - 255 с.

62. Вериго М.Ф., Петров Г.И., Хусидов В.В. Имитационное моделирование сил взаимодействия экипажа и пути. Бюллетень ОСЖД, №6, 1993.

63. Эксплуатационные испытания тележек модели 18-100, 18-131 с опытными узлами, повышающими износостойкость пар трения, в том числе металлические прокладки (отчет ВНИИЖТ), Руководители Г.В. Костин, С.И. Пашарин, - 1992, - 99 с.

64. Дроздов Ю.Н., Павлов В.Г., Пучков В.Н. Трение и износ в экстремальных условиях / Справочник. - М.: Машиностроение, 1986. - 319 с.

65. Болотин И.И. Ресурс машин и конструкций. М.: Машиностроение, 1990, - 448 с.

66. Горячева И.Г., Добычин М.Н. Контактные задачи в трибологии. М.: Машиностроение, 1988, - 256 с.

67. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ГосНИИВ-ВНИИЖТ, 1996, - 319 с.

68. Теплый М.И. Контактные задачи для областей с круговыми границами. Львов: Вища школа, 1983, - 176 с.

69. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М.: Наука, 1964, - 847 с.

70. Панасюк В.В., Теплый М.И. Об одной контактной задаче с учетом сил трения // Прикладная механика. - 1972. Т. 8, Вып. 7. -С. 8-14.

71. Морарь Г.А., Попов Г.Я. К теории контактных задач для цилиндрических тел с учетом сил трения. - Изв. АН СССР. Механика твердого тела. - 1976. № 2, С. 87-96.

72. Теплый М.И. Влияние трения на распределение напряжений во вращательной паре. - Изв. вузов. Машиностроение. - 1981. № 6, С. 12-16.

73. Каландия А.И. Математические методы двумерной упругости. М.: Наука, 1973, - 303 с.

74. Методика расчетной оценки износостойкости поверхностей трения деталей машин. М., Издательство стандартов, 1979, 100 с.

75. Характеристики микрогеометрии, определяющие контактное взаимодействие шероховатых поверхностей (методика определения) / Руководящие материалы. М.: НИИМАШ, 1973, 32 с.

76. Отчет по теме № 33/95 (37.02.93 МПС) "Методика анализа трибологияеских характеристик материалов, работающих в парах трения несущих конструкций подвижного состава МПС РФ, и концепция повышения их работоспособности". М.: МИИТ, 1996. 89 с.

77. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, A.B. Волоснико-ва, С.А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

78. Эксплуатационные пробеговые испытания на ЭК ВНИИЖТ грузовых вагонов с опытными узлами и деталями (отчет ВНИИЖТ), Руководитель С.И. Пашарин, - 1997, - 231 с.

79. Интенсивность износа в парах трения тележек грузовых вагонов / Т.П. Северинова, C.B. Вершинский, В.В. Пономарев, Е.И. Прохоренко // Вестник ВНИИЖТ. 1987. № 8. С. 41-43.

80. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М.: Транспорт, 1969, - 536 с.

81. Комплект документов. Типовой технологический процесс на ремонт соединительной балки четырехосной тележки ТК-232. М., ПКБ ЦВ МПС, 1996. -Ч. 1. - 120 с.

82. Молодык Н.В., Зенкин A.C. Восстановление деталей машин / Справочник. - М.: Машиностроение, 1989. - 480 с.

83. Толстов И.А., Короткое В.А. Справочник по наплавке. - Челябинск: Металлургия, 1990. - 381 с.

84. Грузовые вагоны колеи 1520 мм железных дорог СССР (альбом). - М.: Транспорт, 1982. - 112 с.

85. Инструкция осмотрщику вагонов. - М.: Транспорт, 1997. - 135 с.

86. Хрущов М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. Наука, М., 1970, 252 с.

87. Ратнер С.Б. Механизм истирания полимеров и критерий подобия. - ДАН СССР, 1960, 135, № 2, с.294-297.

88. Чебан В.В. Трибология тяжело нагруженных цилиндрических пар возвратно-поступательного движения. Канд. диссертация. Кишинев. Технический университет Молдовы, 1996, 190 с.

89. Старосельский А.А., Гаркунов Д.Н. Долговечность трущихся деталей машин. Машиностроение, М., 1967, 396 с.

90. Триботехнические свойства антифрикционных самосмазывающихся пластмасс: Обзор, информ. /Госстандарт; ВНИЦ ГСССД; Центр данных ГСССД по триботехн. свойствам материалов и др.; Под ред. Г.В. Сагалаева, Н.Л. Шембелъ - М.: Изд-во стандартов, 1982, 64 с.