Разработка оборудования для получения линейного профиля излучения волоконного лазера, обеспечивающего высокоэффективную обработку гребней железнодорожных колес тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат наук Шмелев Сергей Андреевич

• Шмелев Сергей Андреевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Шмелев Сергей Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДЕФЕКТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР И

СПОСОБЫ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

1.1. Проблема бокового износа гребней железнодорожных колесных пар

1.2. Современное состояние вопроса повреждаемости гребней колесных пар 12 1.2.1. Анализ повреждаемости и типы дефектов колесных пар

1.3. Способы повышения износостойкости колесных пар

1.3.1. Закалка ТВЧ

1.3.2. Плазменное упрочнение

1.3.3 Технологический процесс лазерного упрочнения

1.4. Волоконные лазеры. Сравнение волоконных лазеров с другими типами лазеров

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Используемые материалы

2.2. Состав и технические характеристики основных элементов экспериментальной технологической установки

2.3. Методики и результаты тестирования иттербиевых непрерывных волоконных лазеров

2.4. Моделирование оптических схем, расчет и экспериментальная оценка характеристик лазерного пятна

2.5. Методики оценки показателей качества лазерной обработки

2.6. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В ЗОНЕ ЛАЗЕРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ КОЛЕСНОЙ

СТАЛИ ВОЛОКОННЫМ ЛАЗЕРОМ

3.1. Физические процессы взаимодействия излучения волоконного лазера с колесной сталью

3.2. Построение функции распределения плотности мощности лазерного излучения

3.3. Расчет температурных полей при обработке колесной стали непрерывным иттербиевым волоконным лазером ЛС-10, сфокусированным

в круглое пятно

3.4. Расчетная оценка температурных полей и скоростей охлаждения при обработке колесной стали линейным профилем излучения иттербиевого волоконного лазера

3.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ НА ПОКАЗАЛЕЛИ КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

4.1. Выбор рациональных режимов обработки

4.2. Методика и результаты исследования упрочнения колесной стали излучением иттербиевого волоконного лазера ЛС-10, сфокусированным с использованием оптической головы FLW Э50, формирующей в фокальной

плоскости круглое пятно

4.3 Методика и результаты исследования упрочнения колесной стали излучением иттербиевого волоконного лазера ЛС-10, сфокусированным с использованием оптического линейного формирователя

4.3.1. Построение регрессионных моделей зависимости характеристик упрочненного слоя при лазерной обработке от параметров технологических режимов

4.3.2. Характеристики упрочненных зон

4.3.3. Оценка влияния анизотропии свойств проката на характеристики

упрочненного слоя

4.4. Дефекты в упрочненном слое

4.5. Выводы по Главе

ГЛАВА 5. ИСПЫТАНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ И ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОЛЕСНОЙ СТАЛИ ПОСЛЕ ЛАЗЕРНОЙ

ОБРАБОТКИ

5.1 Методика проведения испытаний на износостойкость

5.2. Исследование зависимости интенсивности линейного изнашивания образцов из колесной стали от микротвердости упрочненного слоя

5.3. Методика оценки механических свойств колесной стали методом

измерения коэрцитивной силы

5.4 Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в условиях современной России наблюдается стабильное увеличение темпов роста промышленности. В связи с этим повышение эффективности перевозочного процесса и работы железнодорожного транспорта в целом - одна из важнейших задач отрасли. К приоритетным направлениям стратегии развития железнодорожного транспорта России относится снижение затрат на ремонт вагонов и локомотивов и, как следствие, снижение себестоимости эксплуатации подвижного состава. Стоит отметить, что на отечественных железных дорогах во второй половине XX века приобрела особую остроту проблема, связанная со снижением износостойкости цельнокатаных вагонных и бандажных локомотивных колес [1, 3]. Интенсивный износ контактных поверхностей колесных пар, наряду с дефектами контактно-усталостного происхождения, приводит к значительному увеличению расходов на эксплуатацию подвижного состава и способствует снижению безопасности при перевозке грузов и пассажиров на железнодорожном транспорте [2]. Множество факторов в той или иной степени влияют на возникновение дефектов железнодорожных колесных пар. Называется до 50 различных причин, суммарно приведших к повышению бокового износа гребней железнодорожных колес [4]. В период, предшествующий резкому обострению данной проблемы, происходили существенные изменения условий эксплуатации железнодорожной техники. Одними из самых значительных считаются следующие причины возникновения эффекта катастрофического износа железнодорожных колес: уменьшение ширины колеи с 1524 мм до 1520 мм, замена подшипников качения на подшипники скольжения в буксовых узлах, вследствие чего на наружный рельс в кривых участках пути перестала попадать смазка, замена сырых рельсов объемнозакаленными с повышенной твердостью, при этом твердость колес осталась неизменной, замена деревянных шпал железобетонными, что придавало дополнительную жесткость пути, повышение нагрузки на ось, увеличение объемов перевозок, а также проведение другие мероприятий,

следствием которых стало резкое увеличение интенсивного износа контактных поверхностей железнодорожных колес. Дефекты колесных пар, возникающие вследствие износа, напрямую влияют на безопасность движения поездов, поскольку изношенный гребень может привести к выкатыванию колеса на головку рельса. Известно, что износ гребня является самым распространенным дефектом колесной пары. Исходя из этого, задача снижения износа и повреждаемости контактных поверхностей железнодорожных колес в настоящее время является одной из первостепенных на железнодорожном транспорте.

Цель работы: Создание оборудования, позволяющего формировать линейный профиль излучения волоконного лазера для увеличения производительности обработки гребней железнодорожных колес.

Основные задачи работы:

1. Выполнение анализа повреждаемости колесных пар за период не менее 5 лет и выделение доминирующих типов дефектов, определение геометрии контактной поверхности колеса, требующей упрочнения;

2. Разработка математических моделей и определение конфигураций оптических схем для задачи лазерной обработки железнодорожных колес с учетом требуемой геометрии лазерного пятна;

3. Создание экспериментальной установки для проведения исследований взаимодействия излучения иттербиевого волоконного лазера с колесной сталью. Разработка методики оценки качества процесса лазерной обработки колесной стали;

4. Разработка математических моделей, описывающих процессы лазерной обработки колесной стали для оптимизации проведения экспериментов;

5. Проведение экспериментальных исследований, разработка регрессионных моделей зависимости характеристик зоны лазерного воздействия от параметров технологических режимов;

6. Определение величины интенсивности линейного изнашивания для образцов из колесных и рельсовых сталей.

Научная новизна и защищаемые положения:

1. Расчетным путем на основе разработанной математической модели установлено, что зона лазерного воздействия, при обработке линейным профилем излучения волоконного лазера колёсной стали марки 2, составляет 19 мм на поверхности заготовки и 16 мм на глубине 1,6 мм, а максимальная температура в ЗЛВ не превышает температуры её плавления и составляет 1420 °С, что обеспечивает высокую производительность и требуемое качество обработки.

2. Экспериментально установлено, что при обработке колесной стали линейным профилем излучения волоконного лазера с пиками интенсивности на краевых участках оптимальный диапазон варьирования параметров дефокусировки ограничен интервалом 315^375 мм, плотности мощности излучения - интервалом 7,7^5,3 103 Вт/см2. В этих диапазонах зона лазерного воздействия представляет собой область с твердыми слоями, чередующуюся по глубине с мягкими и пластичными прослойками толщиной от 30 до 50 мкм в переходной зоне. Это увеличивает прочность сцепления ЗЛВ и основного металла и повышает стойкость к хрупким разрушениям.

3. Теоретически и экспериментально показано, что при воздействии линейным профилем излучения волоконного лазера на колесную сталь скорости охлаждения материала лежат в интервале от 250 до 758 °С/с. Такой характер лазерной обработки приводит к получению износостойкого слоя на поверхности колеса и снижению интенсивности линейного изнашивания в 2,8 раза.

Практическая значимость:

1. Разработаны режимы лазерной обработки колесной стали с использованием волоконного лазера и оптического линейного формирователя, позволяющие достигать увеличенной глубины зоны лазерного воздействия (ЗЛВ) до 1,65 мм без оплавления поверхности при обеспечении средней микротвердости на поверхности обрабатываемого материала 840 НУ.

2. Для оптимизации технологического процесса обработки колесной стали линейным профилем излучения волоконного лазера разработаны регрессионные модели зависимости характеристик зоны лазерного воздействия от параметров технологических режимов.

3. Показано, что при обработке колесной стали линейным профилем излучения волоконного лазера скорость изнашивания образцов из колесной и рельсовой стали уменьшается даже при увеличении твердости одного из элементов данной трибосистемы.

4. Разработана технологическая установка, позволяющая формировать линейный профиль излучения волоконного лазера для достижения высокой производительности и качества лазерной обработки гребней железнодорожных колес.

Методы исследования состояли из стандартных и специально разработанных микрометрических, оптико-физических, и расчетных методов, базирующихся на применении разработанной технологической установки, измерительных приборов и устройств. Эксперименты по лазерной обработке выполнялись с применением иттербиевого волоконного лазера и различных оптических систем, производимых российским предприятием ООО «НТО ИРЭ-Полюс». Расчет температурных полей и скоростей охлаждения заготовки при лазерной термообработке проводился в интегрированном программном продукте «ANSYS», являющимся готовым решением для моделирования сложных физических процессов, протекающих в различных средах. Разработка регрессионных моделей проводилась на базе стандартных модулей программы ТЛсо Statistica. Трибологические испытания образцов на износостойкость проводились на машине трения МТУ-01 по методу искусственных баз в соответствии с Межгосударственным стандартом ГОСТ 23.301-78 «Обеспечение износостойкости изделий. Приборы для измерения износа методом вырезанных лунок. Оценка механических свойств колесной стали с использованием метода коэрцитивной силы проводились с использованием магнитного структуроскопа КРМ-Ц-К2М.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением общих положений естественных наук при выполнении теоретических и расчетных исследований, использованием современных программных продуктов и алгоритмов, проверена по известным критериям и подтверждается данными экспериментов, обработанными с помощью методов статистического анализа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка оборудования для получения линейного профиля излучения волоконного лазера, обеспечивающего высокоэффективную обработку гребней железнодорожных колес»

Апробация работы

1. Доклад автора на семинаре кафедры лазерных технологий в машиностроении МГТУ им. Н. Э. Баумана (Москва, 2020). 12-я всероссийская конференция молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России - 2019» (Москва, 2019). 5-я международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы в машиностроении» (Новосибирск, 2018).

Публикации:

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 научных работах рецензируемых научных изданий, входящих в перечень ВАК РФ, общим объемом 2,1 п.л., из них 1 работа опубликована в издании, индексируемом в базе данных SCOPUS.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 138 наименований и одного приложения. Диссертация содержит 166 страниц машинописного текста, в том числе 22 таблицы и 88 рисунков.

ГЛАВА 1. ДЕФЕКТЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР И СПОСОБЫ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ

1.1. Проблема бокового износа гребней железнодорожных колесных пар

Проблема износа контактных поверхностей железнодорожных колес возникла сразу после создания первых железных дорог и существует до сих пор. Данная проблема напрямую связана с особенностями существующей классической конструкции ходовых частей подвижного состава и железнодорожного полотна. При движении колесных пар по рельсам гребни железнодорожных колес проскальзывают по боковым граням головок рельсов. Вследствие данного контактного взаимодействия возникает взаимный износ трущихся поверхностей. Благодаря жесткой посадке на вагонную или локомотивную ось колес в кривых малых радиусов, они проходят разные расстояния, что является причиной проскальзывания одного из колес по боковой грани головки рельса.

Проблема бокового износа колес и рельсов является одной из первостепенных и самых значимых для железнодорожной отрасли [5]. Более 30 лет данная проблема активно решается и не решена до сих пор [6]. Внедрение новых, казавшихся перспективными, технических решений, таких как лубрикация, замена подшипников качения на подшипники скольжения в буксовых узлах, уменьшение ширины железнодорожной колеи и других оказалось малоэффективным. Теоретические оценки многих ученых давали противоположные результаты. Например, в [7] для решения данной проблемы предлагалось уменьшить ширину железнодорожной колеи и скорости движения подвижного состава, а в [8] были даны обратные рекомендации. Стоит отметить, что износ и дефекты контактно-усталостного происхождения являются поверхностными дефектами. Однако между данными видами дефектов существует антагонистическая взаимосвязь [9]. При добавлении смазки в зону контакта колеса и рельса износ сильно замедляется, однако контактно-усталостные дефекты возникают только при условии

присутствия смазки. Оба вида дефектов связаны между собой изменением коэффициента трения, с увеличением которого возрастает коэффициент тяги, что приводит к увеличению износа в рассматриваемой паре трения. Для дополнительного увеличения коэффициента тяги в зону контакта колеса и рельса подается песок, а для уменьшения износа, одновременно с песком, подается смазка. Стоит отметить, что песок, являясь абразивным материалом, существенно ускоряет износ колес и рельсов. Вследствие контактного взаимодействия колес и рельсов песок размалывается и превращается в адсорбционно-активную среду, интенсивно поглощающую смазку и, как следствие, эффективность лубрикации снижается [10]. Боковой износ приводил и продолжает приводить к колоссальным потерям в железнодорожной сфере, а материальные потери от износа гребней в разы выше, по сравнению с износом поверхностей катания по причине необходимости большего съема металла при обточке. При нормальном износе поверхности катания необходима незначительная корректировка профиля, а при боковом износе, напротив, требуется обточка профиля, сопряженная со значительным съемом металла [11]. Кроме того, равномерный прокат поверхностей катания колесных пар способствует удалению зарождающихся дефектов контактно-усталостного происхождения, таких как трещины и выщербины. Вследствие данных факторов прокат является необходимой составляющей устойчивой работы системы колесо-рельс. Известно, что повышение твердости колес на 1 НВ приводит к увеличению износостойкости упрочненных поверхностей на 1 -2%, а контактно-усталостная прочность возрастает пропорционально квадрату твердости [4, 12, 13, 14]. Совокупность применения дифференцированного упрочнения гребней колесных пар, служащего ингибитором бокового износа, и нормальный прокат профилей колесных пар приводят к увеличению пробега между обточками в 3 раза, а ресурса колесных пар в 6 раз соответственно [15]. Таким образом, существенное снижение бокового износа гребней колесных пар достижимо при локальном распределении твердости по закаленной поверхности гребня [3, 13, 16 - 19].

1.2. Современное состояние вопроса повреждаемости гребней колесных

пар

Сегодня износ гребней колесных пар является лидирующим типом дефектов среди всех типов повреждений железнодорожных колес, возникающих вследствие контактного взаимодействия колеса и рельса [20]. По данным Центральной дирекции инфраструктуры Управления вагонного хозяйства и Проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства [21] за период с 2012 по 2018 г. парк грузовых вагонов РФ сократился на 54 000 шт. с 1 167 000 до 1 113 000 шт., а число отцепок вагонов в текущий отцепочный ремонт (ТОР) за аналогичный период времени увеличилось на 176 560 шт. с 1 144 107 шт. до 1 320 667 шт. в год.

2012 год 2013 год 2014 год 2015 год 2016 год 2017 год 2018 г.

Рисунок 1.1.

Динамика парка грузовых вагонов РФ, тыс. шт.

Поступление вагонов в ТОР связано с эксплуатационными и технологическими причинами, а также с повреждениями в процессе эксплуатации. Технологические причины поступления вагонов в ТОР состоят в нарушении технологических операций и напрямую связаны со скрытым браком на производстве. Поступление в ТОР вагонов из-за повреждений в процессе

эксплуатации, как правило, является следствием аварий и катастроф на железнодорожном транспорте. Критерием оценки современного состояния вопроса повреждаемости гребней колесных пар выбраны эксплуатационные причины поступления вагонов в ТОР, поскольку данная категория дефектов возникает именно в процессе эксплуатации вагонов и не зависит от периферийных факторов, описанных выше. В Таблице 1 и на Рисунке 1.2. приведены данные по динамике поступления вагонов приписки РФ по эксплуатационным неисправностям.

Таблица 1.

Динамика поступления в ТОР грузовых вагонов РФ по эксплуатационным

неисправностям, шт.

Год 2014 2015 2016 2017 2018

Число отцепов 574 339 663 791 696 397 725 031 744 979

1 400 000 1 200 000 1 000 000 800 000 600 000 400 000 200 000 0

2014

2015 2016 2017

Число отцепов Парк вагонов

2018

Рисунок 1.2.

Число отцепок в ТОР и парк грузовых вагонов приписки РФ с 2014 по 2018 г.

Несмотря на уменьшение на 5% парка грузовых вагонов РФ с 2014 по 2018 г. число отцепок грузовых вагонов в ТОР по эксплуатационным неисправностям за 5 лет выросло на 29,5%.

В Таблице 2 содержатся данные по числу отцепок в ТОР за 2018 г. с разбивкой по типам дефектов, возникших в процессе эксплуатации.

Таблица 2.

Данные по числу эксплуатационных отцепок в ТОР за 2018 г. с разбивкой

по типам дефектов

Основные узлы вагонов Число отцепок в ТОР % от общего числа вагонов, поступивших в ТОР

Колёсные пары 534 237 71,71%

Буксовые узлы 196 0,03%

Тележки 168 642 22,64%

Автосцепное устройство 16 055 2,16%

Автотормозное оборудование 17 979 2,41%

Кузова 9 178 1,23%

Рамы 0 0,00%

Прочие 1 841 0,25%

На Рисунке 1.3. представлены данные по числу эксплуатационных отцепок в ТОР за 2018 г. с разбивкой по типам дефектов.

- Колёсные пары

- Буксовые узлы

- Тележки

■ Автосцепное устройство

- Автотормозное оборудование

- Кузова

- Рамы

- Прочие

Рисунок 1.3.

Данные по числу эксплуатационных отцепок в ТОР за 2018 г. с разбивкой

по типам дефектов.

Как видно из Таблицы 2, и Рисунка 1.3., более 71,7% отцепок в ТОР по эксплуатационным неисправностям за 2018 г. связано с дефектами колесных пар.

В Таблице 3 и на Рисунке 1.4. показана динамика поступления в текущий отцепочный ремонт грузовых вагонов по неисправностям колесных пар.

Таблица 3.

Динамика поступления в ТОР грузовых вагонов по неисправностям

колесных пар

Год 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Число отцепов по неисправности колесных пар, шт. 293 177 327 321 364 421 451 181 516 024 529 998 534 237

Рост числа отцепок, % 11,6 11,3 23,8 14,3 2,7 0,7

2012 год 2013 год 2014 год 201Б год 2016 год 2017 год 2018 год

Рисунок 1.4.

Динамика поступления в ТОР грузовых вагонов по неисправностям колесных пар.

Как видно из Таблицы 3 и Рисунка 1.4. за период с 2012 по 2018 г. число

отцепов в ТОР по неисправности колесных пар возросло более, чем на 82%.

В Таблице 4 показано сравнение отцепок в ТОР грузовых вагонов приписки РФ за 2014 г. и 2018 г. по всем неисправностям колесных пар, возникшим в процессе эксплуатации.

Таблица 4.

Сравнение отцепок в ТОР грузовых вагонов приписки РФ за 2014 г. и 2018 г. по

неисправностям колесных пар, возникшим в процессе эксплуатации.

Неисправность 2014 г. 2018 г.

Неисправность вагона в результате схода с рельс 212 1691

Тонкий гребень 192 101 357 940

Прокат по кругу катания выше нормы 345 611

Кольцевые выработки на поверхности катания 401 606

Навар на поверхности катания 259 117

Ползун на поверхности катания 17 765 5 889

Выщербины обода колеса, раковины 90 294 129 021

Уширение обода колеса 1 523 653

Остроконечный накат гребня 22 149 3 970

Вертикальный подрез гребня 30 15

Тонкий обод 236 419

Трещина обода, откол обода 687 875

Ослабление ступицы на оси 14 2

Трещина гребня, откол гребня колеса 104 59

Откол обода колеса 127 55

Ползун на поверхности катания на одном колесе 38 153

Неравномерный прокат по кругу катания 30 126 31 824

Трещина диска колесной пары 271 209

Таблица 4 (продолжение).

Трещина оси колесной пары 85 55

Протертости оси колесной пары 67 30

Повреждения оси колесной пары 6 44

ИТОГО: 356 840 534 237

ИТОГО: ^^^^^^^^^^^^^ Повреждения оси колесной пары Протертости оси колесной пары Трещина оси колесной пары Трещина диска колесной пары Неравномерный прокат по кругу катания н Ползун на поверхности катания Откол обода колеса Трещина гребня, откол гребня колеса Ослабление ступицы на оси Трещина обода, откол обода Тонкий обод Вертикальный подрез гребня Остроконечный накат гребня ш Уширение обода колеса Выщербины обода колеса, раковины ^^^^ Ползун на поверхности катания я Навар на поверхности катания Кольцевые выработки на поверхности катания Прокат по кругу катания выше нормы Тонкий гребень Неисправность вагона в результате схода с...

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 2018 г. 2014 г.

Рисунок 1.5.

Сравнение отцепок в ТОР грузовых вагонов приписки РФ за 2014 г. и 2018 г. по неисправностям колесных пар, возникшим в процессе эксплуатации.

Из Таблицы 4 и Рисунка 1.5. видно, что за период 2014 г. чуть более 60% неисправностей колесных пар являются дефектами гребня колеса, в то время, как в

2018 г. это уже 67,8%. В соответствии с отчетами Центральной дирекции инфраструктуры Управления вагонного хозяйства и Проектно-конструкторского бюро вагонного хозяйства, главным катализатором и драйвером роста числа отцепок грузовых вагонов в ТОР по эксплуатационным неисправностям за прошедшие 5 лет и их увеличением на 29,5% служат именно дефекты гребня колеса, связанные с износом.

1.2.1. Анализ повреждаемости и типы дефектов колесных пар

В эксплуатации на сети железных дорог РФ и СНГ встречается более 60 типов неисправностей железнодорожных колесных пар, возникающих из-за влияния различных факторов и напрямую влияющих на безопасность движения поездов [22-28].

Впервые классификацию неисправностей колесных пар в 1966 г. предложил ввести А. Е. Цикунов [29], а уже в 1968 г. М. М. Машневым была разработана методика систематизации неисправностей ободов колесных пар [30]. В 1977 г. разработанный ВНИИЖТ классификатор неисправностей колесных пар был утвержден МПС. Данный классификатор применяется в РЖД и в настоящее время [31, 32, 33].

В действительности колесные пары часто сочетают несколько видов дефектов одновременно. Поэтому следует учитывать особенности влияния совокупности дефектов на безопасность движения поездов [34].

Согласно [31] дефекты колесных пар делятся на следующие группы:

- дефекты поверхности катания;

- трещины и изломы;

- износы.

Ниже приводится классификация дефектов колесных пар по причинам их возникновения, введенная Д.П. Марковым.

Дефекты, связанные с износом:

- Предельный равномерный прокат - износ колеса на круге катания (от 3 до 9

мм в зависимости от типа вагона);

- Круговой наплыв металла на фаску, выходящий за наружную грань обода);

- Кольцевые выработки (углубления от воздействия тормозных колодок).

- Тонкий гребень (толщина гребня менее допустимой, от 23 до 31 мм в зависимости от типа вагона);

- Вертикальный подрез гребня;

- Остроконечный накат гребня;

- Тонкий обод;

- Ползун (плоское место) глубиной более допустимой (0,5... 2 мм в зависимости от типа вагона);

- Навар (смещение металла на поверхности обода колеса высотой более допускаемой, от 0,5 до 2 мм в зависимости от типа вагона);

Дефекты контактно-усталостного происхождения:

- Выщербины типа 1 - выкрашивание твердых участков поверхности катания, образующихся в результате кратковременного скольжения заклиненных колесных пар по рельсам;

- Выщербины типа 2 - усталостное разрушение поверхностных слоев металла под действием многократно повторяющихся контактных нагрузок. Такие выщербины развиваются из небольших трещин в сильно деформированном поверхностном слое колеса;

- Выщербины типа 3 - выкрашивание участков поверхности катания, на которых имеются поперечные термотрещины, возникшие вследствие нагрева тормозными колодками;

- Поверхностный откол у наружной грани обода более допускаемых размеров (глубиной более 10 мм);

- Откол кругового наплыва более допускаемых размеров.

Д. П. Марков (Д.Т.Н., АО «ВНИИЖТ») выделяет первичные и вторичные факторы, влияющие на повреждаемость колес и безопасность движения поездов. Около 10 первичных факторов напрямую влияют на состояние колесных пар при их взаимодействии с рельсовым полотном. Перечислим некоторые из них:

значения твердости и структура поверхностного слоя колесной и рельсовой стали, вес вагона и давление в пятне контакта колеса и рельса, температура окружающей среды, величина проскальзывания колеса по рельсу, радиусы кривизны пути, скорости качения и другие. Учитывая взаимодействие колес с тормозными колодками различных типов, количество данных факторов увеличивается до 1 5.

Количество вторичных факторов существенно больше. К примеру, площадь пятна контакта определяется главным образом геометрией профиля колес и рельсов, соотношением диаметров колес и общим состоянием ходовых частей подвижного состава.

Стоит отметить, что бороться различными способами с дефектами, связанными с равномерным износом колес на круге катания нецелесообразно, поскольку переточка колес является простым и дешевым способом устранения дефекта и, вместе с тем, равномерный прокат поверхности катания колеса удаляет зародыши контактно-усталостных повреждений, способных привести к возникновению серьезных дефектов колесных пар [35]. Особое внимание следует обратить на дефекты гребня колеса, как наиболее распространенные и опасные повреждения, способные привести к выкатыванию колеса на головку рельса и крушению подвижного состава.

1.3. Способы повышения износостойкости колесных пар

Сегодня на сети железных дорог России и СНГ применяется множество различных способов снижения износа и повреждаемости контактных поверхностей железнодорожных колес [36].

Одним из самых распространенных способов снижения износа контактных поверхностей колеса и рельса является лубрикация: уменьшение коэффициента трения при контакте колеса с рельсовым полотном путем добавления смазки в зону их взаимодействия. Данный метод влечет за собой уменьшение коэффициента тяги и лишь частично решает проблему износа контактных поверхностей. Кроме того, лубрикация создает проблему выхода из строя колесных пар по тормозным и

контактно-усталостным повреждениям из-за большего проскальзывания колеса по головке рельса, а контактно-усталостная прочность, наравне с износостойкостью, является одной из важнейших характеристик колес подвижного состава, определяющих их эксплуатационную надежность. При смачивании трущихся поверхностей износ уменьшается, в то время, как контактная усталость, напротив, может развиваться только в присутствии жидкости [37, 38].

В России и СНГ была проделана значительная работа по определению степени влияния различных легирующих элементов на прочностные характеристики колесной стали [39, 40, 41, 42]. Основной вклад в данном направлении внесли АО «ВНИИЖТ» и ФГУП «ЦНИИчермет имени И.П. Бардина», а также Украинский институт черных металлов. При этом, колесную сталь легировали различными элементами: хромом, марганцем, кремнием, наиболее часто используемыми для придания стойкости стали, никелем, титаном и молибденом - элементами, придающими вязкость.

Исследовались стали с содержанием углерода от 0,29 до 0,72%, марганца от 0,6 до 2%, кремния от 0,26 до 1.6%, хрома от 0,14 до 1,87%, ванадия от 0,06 до 0,26%, титана от 0,04 до 0,21%, молибдена от 0,05 до 0,22%. Свойства колесных сталей изучались при их нормализованном и упрочненном состоянии. Исследовались такие свойства стали, как ударная вязкость, контактно-усталостная долговечность, износостойкость, пластичность и другие [43].

По итогу проведенного комплекса работ было сформировано понимание нецелесообразности легирования колесной стали с содержанием углерода более 0,5%, поскольку положительные свойства колесной стали при легировании существенно ослабевают с увеличением содержания углерода.

Было отмечено, что одним из самых эффективных способов повышения износостойкости и контактно-усталостной выносливости колесных пар является локальное поверхностное термоупрочнение контактных поверхностей колесных пар [44, 45, 46].

1.3.1. Закалка ТВЧ

Традиционная технология закалки сталей токами высокой частоты широко применяется во множестве отраслей промышленности, в том числе в железнодорожной сфере для повышения износостойкости колес подвижного состава [47 - 50]. При выборе температуры закалки руководствуются диаграммой Бе - Бе3С [75-85].

Сущность классических способов закалки поверхностного слоя, таких как закалка ТВЧ, состоит в локальном нагреве поверхности металла. При этом приповерхностный слой обрабатываемого материала быстро нагревается выше критической температуры и создается резкий температурный градиент. Далее поверхностный слой обрабатываемого материала охлаждается за счет отвода тепла вглубь детали.

В процессе закалки токами высокой частоты в поверхностном слое обрабатываемой детали происходит преобразование энергии электромагнитного поля в тепло, при этом обработка изделия происходит в индукторе [51]. Согласно закону электромагнитной индукции, на поверхности металла возникает ЭДС с частотой, идентичной частоте индуктора. По закону Джоуля - Ленца при протекании тока через проводник в последнем выделяется тепловая энергия. Вследствие выделения тепла деталь нагревается. Распределение тока по поверхности обрабатываемого изделия является неравномерным и происходит в поверхностных слоях детали, приводя к появлению скин-эффекта. Таким образом, сущность закалки ТВЧ сводится к нагреву с помощью вихревых токов Фуко обрабатываемого материала и последующему теплоотводу в основную массу изделия.

К преимуществам термообработки колесных пар способом ТВЧ следует отнести минимальное время нахождения обрабатываемой детали в аустенитной фазе, что дает возможность получить мелкодисперсную структуру. Также из преимуществ данного технологического процесса следует выделить возможность автоматизации закалки и отсутствие необходимости нагрева всей детали.

Недостатки закалки колесных пар ТВЧ состоят во внесении в обрабатываемые детали остаточных напряжений и деформаций, которые, в свою очередь, могут суммироваться с внешними знакопеременными напряжениями и с напряжениями, вносимыми в изделие в процессе изготовления [86-94]. Существенным недостатком является сложность получения контролируемой твердости и структуры закаленной поверхности, а также большая вероятность образования микротрещин.

1.3.2. Плазменное упрочнение

Сегодня многие вагонные и локомотивные депо России и СНГ имеют в своем составе оборудование для плазменной закалки колесных пар. К преимуществам такого способа упрочнения можно отнести возможность производить упрочнение непосредственно под вагоном или локомотивом без выкатки колесной пары. Особенностью процесса является необходимость использования защитного и плазмообразующего газа [52]. Для решения описанной задачи эта технология является самой распространенной и активно внедряется АО «ВНИИЖТ». С использованием плазменного оборудования возможно производить закалку колесных пар со скоростью до 8 мм/с [15]. В промышленные циклы предприятий ОАО «РЖД» внедрено около 90 установок плазменного упрочнения. В работоспособном состоянии из них поддерживается около 70 [3]. Принцип технологии плазменного упрочнения состоит в использовании многокомпонентного высокотемпературного потока продуктов сгорания метана. При использовании технологии плазменного упрочнения вероятно образование высоких остаточных напряжений. Согласно [53] в зоне плазменного упрочнения гребней бандажей колес возникают высокие растягивающие остаточные напряжения. Опыт эксплуатации железнодорожных деталей и узлов показывает, что остаточные напряжения оказывают существенное влияние на надежность техники. В случае возникновения в приповерхностных слоях деталей остаточных напряжений, в процессе эксплуатации вероятно их суммирование с внешними

знакопеременными, либо растягивающими напряжениями, что, в свою очередь, может приводить к возникновению трещин, выщербин и прочих дефектов контактно-усталостного происхождения и вызывать эффекты, способные прямо и косвенно влиять на безопасность движения поездов [54, 55].

1.3.3 Технологический процесс лазерного термоупрочнения

Первые исследования, нацеленные на анализ взаимодействия лазерного излучения с различными материалами, были проведены еще в начале 60-х годов XX века. В результате данных исследований делался вывод о том, что нагрев лазерным лучом не имеет больших отличий от альтернативных видов нагрева [56]. При нагревании лазером повышается температура заготовки, а физический смысл нагрева является хорошо изученным и состоит в увеличении амплитуды колебаний кристаллической решетки материала.

Однако, к особенностям, присущим нагреву материала с использованием лазерного луча, можно отнести крайне высокие скорости нагрева и охлаждения за счет теплоотвода в тело металла, отсутствие выдержки в аустенитной зоне, значительные температурные градиенты. Таким образом, тепловые процессы, инициированные лазерным воздействием, имеют некоторые отличия от традиционных способов нагрева материала. Особое значение при лазерной термообработке имеет изменение оптических и механических свойств обрабатываемого изделия, поскольку от способности поглощать излучение и коэффициента поглощения зависит объем распределенного внутри материала тепла, его пространственное расположение и термические циклы процесса [57, 58, 59].

Процесс лазерного термоупрочнения состоит в быстром нагреве и охлаждении поверхностного слоя обрабатываемого материала благодаря преобразованию энергии лазерного излучения в тепловую энергию при определенном времени воздействия [60]. При лазерной термообработке в зоне лазерного воздействия возникают фазы и структуры, аналогичные фазам и

структурам, образовывающимся при традиционных способах закалки, таких как закалка в печах. Однако, стоит отметить, что вследствие отсутствия выдержки в аустенитной зоне при лазерной термообработке структура закаленного слоя имеет более мелкую фракцию и дисперсность, чем при объемной закалке, что положительно влияет на повышение твердости и износостойкости обработанной детали. Кроме того, образуются дополнительные сжимающие напряжения, положительно влияющие на общее напряженное состояние изделия [61]. При мелкодисперсной структуре закаленного слоя обрабатываемая деталь обладает повышенными триботехническими характеристиками, достигается оптимальное сочетание твердости, прочности и пластичности. Также лазерное термоупрочнения позволяет достичь сильнейшего положительного эффекта при сопротивлении ползучести металла, так как мелкодисперсная структура предотвращает пластическое течение стали, возникающее вследствие резких градиентов температур [62, 63].

Работы по подбору оптимального технологического режима упрочнения колесных пар с использованием углекислотного лазера проводились в 1994 г. компанией «Лазерные комплексы», г. Шатура под руководством Грезева А.Н. Использовался СО2-лазер со средней выходной мощностью 5 кВт. Одновременно с данным экспериментом компанией «Агни» проводились исследования технологических особенностей плазменной термообработки колесных пар. Финансирование работ обеспечивалось Выксунским металлургическим заводом. После отработки оптимальных режимов и закалки партии колесных пар двумя способами под вагонами пассажирского поезда "Россия" Москва-Владивосток в 1994 и 1995г. проводились испытания колес с закаленными гребнями. Наблюдались 4 вагона данного состава, при этом в каждом из вагонов имелись колесные пары, закаленные обоими способами, а также незакаленные колесные пары.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шмелев Сергей Андреевич, 2020 год

Список использованной литературы

1) Балдин В.Л. [и др.]. Повышение долговечности колесных пар за счет упрочнения гребней бандажей локомотивов // Вестник транспорта Поволжья. 2011. № 5. С. 57-60.

2) Буйносов А.П. Оценка применяемых материалов бандажей колесных пар и рельсов // Тяжелое машиностроение. 2000. № 11. С. 16-20.

3) Петров С.Ю. [и др.]. Упрочнение гребней и снижение износа колесных пар // Мир транспорта. 2013. № 2. С. 62-69.

4) Марков Д. П. Закалка гребней колес подвижного состава на высокую твердость для снижения бокового износа // Вестник ВНИИЖТ. 1997. №2 1. С. 36-42.

5) Марков Д. П. Механика и трибология бокового износа колес и рельсов // Вестник РГУПС. 2003. №. 3. С. 16-23.

6) Балановский А.Е., Глазков В.С., Мороз Б.А. Плазменное упрочнение гребней колесных пар подвижного состава // Новые технологии на ВСЖД.: Тез. докл. Всерос. конф. Новосибирск. 1999. С. 57-65.

7) Вериго М.Ф. Взаимодействие пути и подвижного состава в кривых малого радиуса и борьба с боковым износом рельсов и гребней колес. ПТКБ ЦП МПС РФ. 1997. 207 с.

8) Коган А.Я. Динамика пути и его взаимодействие с подвижным составом. М.: Транспорт, 1997. 327 с.

9) Балановский А.Е. Особенности структурообразования в среднеуглеродистых сталях при плазменном поверхностном упрочнении и их влияние на сопротивляемость контактно-усталостным нагрузкам: дис. ... д-ра техн. наук. Иркутск. 2012. 227 с.

10) Балановский А.Е., Хаяси С.М. Проблема износа пары трения колесо-рельс. Иркутск, Плазмопротек, 1997. 56 с.

11) Богданов В.М. Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе колесо-рельс //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути.: Тез. докл. Всерос. конф. М.: Интекст, 2003. С. 14-20.

12) Марков Д.П. Повышение твердости колес подвижного состава (предпосылки и перспективы) // Вестник ВНИИЖТ. 1995. № 3. С. 10-17.

13) Марков Д.П. Трибологические аспекты повышения износостойкости и контактно-усталостной выносливости колес подвижного состава: дисс. д-ра техн. Наук. Москва. 1996. 386 с.

14) Марков Д.П. Трибоусталость колесно-рельсовых сталей // Трение и износ. 2001. Т. 22. №4. С. 400-409.

15) Марков Д.П. Трибология и ее применение на железнодорожном транспорте. Труды ВНИИЖТ. М.: Интекст, 2007. 408 с.

16) Киселев С.Н., Саврухин А.В., Киселев И.А. Модернизация процесса термического упрочнения железнодорожных колес // Ремонт, восстановление, модернизация. 2008. № 9. С. 2-7.

17) Буйносов А.П. Козаков Д.Ю. Анализ процессов эксплуатационного износа гребней бандажей колесных пар электровозов // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 3. С. 79-84.

18) Балановский А.Е., Марютин К.А., Коротаев Е.Н. Плазменное упрочнение гребней колесных пар подвижного состава (результат работы за пять лет на ВСЖД) // Сб. тр. НПФ Плазмопротек, Иркутск, 1998. С. 34-39.

19) Богомолов А.В., Канаев А.Т. Плазменная технология упрочнения гребней локомотивных колесных пар //Инновации в материаловедении и металлургии: Тез. докл. Междунар. конф. Екатеринбург. 2012. С. 38-43.

20) Евдокимов Ю. А. Проблемы триботехники на железнодорожном транспорте // Железнодорожный транспорт. 1989. № 6. С. 43-45.

21) Центральная дирекция инфраструктуры Управления вагонного хозяйства. Справочные материалы по причинам поступления грузовых вагонов в текущий отцепочный ремонт за 2018 г. Проектно-конструкторское бюро вагонного хозяйства, 2018. 196 с.

22) Максимов И. Н. Прогнозирование изменения профиля колеса в зависимостиот пробега расчетными методами // Вестник ВНИИЖТ. 2014. № 5. С. 30-37.

23) G. Y. Zhou, J. H. Liu, W. J. Wang, G. Wen, Q. Y. Liu. Study on the fatigue and wear characteristics of four wheel materials // Journal of Modern Transportation. 2013. Volume 21, Issue 3. P. 182-193.

24) Kalker J. J. Wheel-rail rolling theory // Wear. 1991. Volume 345, Issue 144. P. 243-261.

25) Шпехт В. Новые данные об износе колес грузовых вагонов // Железные дороги мира. 1988. № 10. С. 11-19.

26) Горячева И. Г. [и др.]. Трибодинамическое моделирование эволюции профилей колёс и рельсов при контактно-усталостной повреждаемости при некоторых параметрах пути и экипажа // Вестник ВНИИЖТ. 2010. № 2. С. 19-26.

27) ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. Стандартинформ. М., 2011. 32 с.

28) Богданов А.Ф., Чурсин В.Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов // Транспорт. 1985. 270 с.

29) Цикунов А.Е. Классификация дефектов колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1966. № 1. С. 64 - 66.

30) Машнев М.М., Хрусталев Р.С. О классификации дефектов колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1968. № 2. С. 58 - 60.

31) Классификация неисправностей вагонных колесных пар и их элементов. ИТМ1-В. М.: Транспорт, 1978. 31 с.

32) Захаров С.М. Контактно-усталостные повреждения колес грузовых вагонов. М.: Интекст, 2004. 160 с.

33) Машнев М.М. Единая система классификации и кодирования дефектов железнодорожных колес // Конструктивно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава: Сб. науч. тр. ЛИИЖТ. Л., 1980. С. 5 - 18.

34) Кушнер В.С. Влияние структуры и механических характеристик колесных сталей на изнашивание и режимы восстановления профиля колесных пар. Минобрнауки России, Омск, ОмГТУ, 2015. 224 с.

35) Марков Д. П. Трибологические характеристики колесно-рельсовой пары трения // Трение и износ. 1995. № 1. C. 138 - 156.

36) Богданов А.В., Грезев Н.В., Шмелев С.А. Применение волоконных лазеров для повышения износостойкости и контактно-усталостной прочности железнодорожных колес // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2015. № 6. С. 30-34.

37) Отчет по теме «Теоретические исследования влияния различных эксплуатационных факторов на износ рельсов, гребней и бандажей колесных пар» / ВНИИЖТ. Руководитель темы Коган А. Я. Москва, 1995. 119 с.

38) Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986. 560 с.

39) Стародубов К. Ф., Савенков В. Я. Исследование влияния легирующих элементов на свойства металла термически обработанных железнодорожных колес // Труды ИЧМ АН УССР, 1962. № 18. С. 51-57.

40) Векслер А. А., Казарновский Д. С. Влияние легирующих элементов на свойства колесной стали // Сб. Тр. Укр. НИИ Металлов, 1964. № 10. С. 316-327.

41) Узлов И. Г., Макаев Т. С. Влияние углерода на свойства цельнокатаных железнодорожных колес // Сб. Тр. ИЧМ МЧМ СССР, 1970. № 36. C. 46-53.

42) Ларин Т. В., Девяткин В. П., Кривошеев В. Н. Об использовании легированной стали для цельнокатаных колес // Вестник ВНИИЖТ. 1959. № 5. С. 32-35.

43) Ларин Т. В., Парышев Ю. М., Вихрова А. М., Низколегированная сталь для колес грузовых вагонов // Производство железнодорожных колес и рельсов. Харьков. 1975. № 3. С. 103-107.

44) Eric E. Magel, YanLiu. On some aspects of the wheel/rail interaction // Wear. 2014. Volume 314. Issues 1-2, June. P. 132-139.

45) Коган А. Я. Оценка износа рельсов и бандажей колесных пар при движении подвижного состава в кривых участках пути // Вестник ВНИИЖТ №2. 1990. С. 36 - 40.

46) Braghin F., Bruni S., Lewis R. Railway wheel wear. In Wheel-Rail Interface Handbook. Edited by R. Lewis, U. Olofsson. Woodhead Publishing Limited, 2009. P 172210.

47) Степанова Т.Ю. Технологии поверхностного упрочнения деталей машин. Учебное пособие. Иван. гос. хим.- технол. ун-т. Иваново, 2009. 64 с.

48) Тарасенко Л.В., Пахомова С.А., Унчикова М.В. Материаловедение. Учебное пособие для вузов. М.: НИЦ Инфра-М, 2012. 475 с.

49) Гаркунов Д.Н. Триботехника (конструирование, изготовление и эксплуатация машин). М.: Изд-во МСХА, 2002. 632 с.

50) Сидоренко В. Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1980. 231 с.

51) Гуляев А. П. Металловедение. М.: Оборонгиз, 1963. 464 с.

52) Балановский А.Е. [и др.] Плазменное упрочнение гребней колесных пар подвижного состава //Новые технологии на ВСЖД.: Тез. докл. Всерос. Конф. Новосибирск. 1999. C. 57-65.

53) Киселев С. Н., Саврухин А. В., Кузьмина Г. Д. Влияние плазменной обработки на напряженно-деформированное и структурное состояние гребней бандажей колес локомотивов // Сварочное производство. 2001. № 6. С. 9-17.

54) Wang Wenjian, Guo Jun, Liu Qiyue. Experimental Study on Wear and Spalling Behaviors of Railway Wheel // Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2013. Volume 26, Issue 6. P. 1243-1249.

55) Deters L., Proksch M. Friction and wear testing of rail and wheel material // Wear. 2005. Volume 258, Issues 7-8. P. 981-991.

56) Либенсон М.Н., Яковлев Е.Б., Шандыбина Г.Д. Взаимодействие лазерного излучения с веществом (силовая оптика). Часть II. Лазерный нагрев и разрушение материалов. Учебное пособие. Под общей редакцией В.П. Вейко. СПб: НИУ ИТМО, 2014. 181 с.

57) Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика. Под ред. В.И. Конова. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 312 с.

58) Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989. 342 с.

59) Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка металлов. М., Машиностроение, 1985. 443 с.

60) Григорьянц А.Г. [и др.]. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. пособие для вузов / под ред. А. Г. Григорьянца. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. 663 с.

61) Богданов А.В. [и др.]. Упрочнение колесной стали волоконными лазерами // Наукоемкие технологии в машиностроении. 2016. № 9. С 30-37.

62) Богданов А. В., голубенко Ю.В. Волоконные технологические лазеры и их применение. СПб.: Лань, 2016. 208 с.

63) Менушенков А.П., Неволин В.Н., Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 212 с.

64) Богданов В.М., Марков Д.П., Пенькова Т.И. Оптимизация триботехнических характеристик гребней колес подвижного состава // Вестник ВНИИЖТ. 1998. № 4. С. 3-9.

65) Попов В.В. Лазерное упрочнение сталей: сравнение волоконных и СО2- лазеров // Фотоника. 2009. №4. С. 18-21.

66) Смирнова Н.А., Мисюров А.И. Особенности образования структуры при лазерной обработке // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. № 5. С. 115-129.

67) Курков А.С., Дианов Е.М. Непрерывные волоконные лазеры средней мощности // Квантовая электроника. 2004. № 10. С. 881-900.

68) Gapontsev V.P., Samartsev I.E. High-Power Fiber Laser //Conference edition. Advanced Solid-State Lasers, Formerly Turnable Solid-State Lasers. 1991. p. 127.

69) Gapontsev V.P., Samartsev I.E. High-Power Fiber Laser // OSA Proceedings on Advanced Solid-State Lasers. 1991. Volume 26, Issue 6. P. 258.

70) Gapontsev V.P. 100 kW CW fiber laser for industrial applications // Laser Optics, International Conference Saint Petersburg, Russia. 2014. p. 62.

71) Бирюков В.П. [и др.]. Лазерное упрочнение сталей прямоугольным пятном для повышения ресурса их работы // Фотоника. 2016. № 6. С. 532-537.

72) Дианов Е.М. Волоконная оптика: сорок лет спустя // Квантовая электроника. 2010. Т. 40. № 1. С. 1—6.

73) Dr. Arnold Mayer. OPTECH CONSULTING. High Power Lasers for Materials Processing. Market Analysis and Forecast. October 2017. p. 127.

74) Sen Yang, Wenjin Liu, Minlin Zhong, Zhanjie Wang, Hiroyuki Kokawa. Fabrication of in-situ synthesized TiC particles reinforced composite coating by powder feeding laser cladding // Journal of Material Science. 2005. Volume 40, Issues 9-10. P. 2751-2754.

75) Тарасов В.В., Малышко С.Б. Лабораторный практикум по материаловедению. Учеб. пособие. Владивосток.: МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003. 117 с.

76) Бирюков В.П. Применение мощных твердотельных лазеров для упрочнения поверхностей трения. Сборник научных трудов и инженерных разработок. М.: ИМАШ РАН, 2007. С. 14-16.

77) Югов В.И. Лазерное упрочнение в практическом применении // Ритм. 2009. № 6. С. 31-40.

78) Югов В.И. Лазерное термоупрочнение - высокоэффективная технология ресурсосбережения // Лазер-информ. 2008. № 23. С. 1-8.

79) Бирюков В.П. Лазерные системы для наплавки, упрочнения деталей и точного раскроя листового материала // Промышленный вестник. 2008. № 3. С. 8889.

80) Молодык Н. В. Восстановление деталей машин. М.: Машиностроение, 1989. 480 с.

81) Поляк, М. С. Технология упрочнения. Технологические методы упрочнения. М.: Машиностроение, 1995. 832 с.

82) Абильсиитова, Г.А. Технологические лазеры. М.: Машиностроение, 1991. 432 с.

83) Попель С. И., Сотников А. И., Бороненков В. Н. Теория металлургический процессов: Учеб. пособие для вузов. М.: Металлургия. 1986. С. 463.

84) Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Мухин Г. Г. и др. Материаловедение: Учебник для вузов / под ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2008. 648 с.

85) Банных О. А., Буддерг П. Б., Алисова С. П. и др. Диаграммы состояния двойных и многокомпонентных систем на основе железа. Справочник / под ред. О. А. Банных и М. Е. Дрина. М. Металлургия. 1986. 440 с.

86) Клебанов Ю.Д. Физические основы применения концентрированных потоков энергии в технологиях обработки материалов: Учеб. -метод. пособие по образованию в обл. автоматизир. машиностроения. М.: МГТУ «Станкин»; Янус-К, 2005. 220 с.

87) Попелюх, А.И. Перспективные способы обработки материалов: Учебное пособие. Челябнск, ЮУГИ, 2014. 49 с.

88) ТУ РЖД 0943-218-01124323-2006 «Бандажные колеса с термическим упрочнением гребня». 2006. 17 е.

89) Скрипченко А.И. Технологические головки для волоконных лазеров // Ритм. 2010. № 2. С. 22-27.

90) Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. 133 с.

91) Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», 1970. 855 с.

92) Дж. Гудмен. Введение в Фурье-оптику. Издательство «Мир», 1970. 364

с.

93) Звелто О. Принципы лазеров / Пер. под науч. ред. Т. А . Шмаонова. 4-еизд.— СПб.: Издательство «Лань», 2008. 720 с.

94) Богданов А.В. [и др.]. Выбор оптимальных конфигураций оптических схем для задачи лазерной термообработки стальных изделий на примере железнодорожных колес». // Наукоемкие технологии в машиностроении. №10. 2017. С. 32-38.

95) В.П. Минаев. Волоконные лазеры НТО «ИРЭ-Полюс» и их применения // Фрязинская электронная школа. Под ред. А.А. Борисова. М.: Янус-К, 2012. 624 с.

96) Ю. В. Голубенко, А. В. Богданов. Волоконные лазеры в технологиях машиностроения. Москва. Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 64 с.

97) Ю.Н. Кульчин, С.Б. Змеу, Е.П. Субботин. Волоконные лазеры // Вестник ДВО РАН. 2015. №3. С. 67-78.

98) С. Вайлер. Дисковые лазеры для промышленности // Фотоника. 2009. №3. С. 10-13.

99) Д.А. Николаев, М.Н. Пивкина, В.Б. Цветков. Дисковый ND:GGG лазер с многопучковой оптической накачкой // Прикладная фотоника. 2015. Т. 2. № 1. С. 44-55.

100) Giesen A., Hugel H., Voss A., Wittig K., Brauch U., Opower H. Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state laser. // App. Phys. 1994. Volume 58, Issues 8. P. 365-372.

101) Буфетова Г.А. [и др.]. Распределение температуры в дисковых активных элементах лазеров с продольной диодной накачкой // Краткие сообщения по физике. 2008. № 4. С. 25-28.

102) Брокманн Р. Диодные лазеры - экономическое чудо // Фотоника. 2009. №4. С. 8-11.

103) Вейко В.П., Петров А.А. Введение в лазерные технологии. Санкт-Петербург, 2009. 143 с.

104) Вейко В.П. Технологические лазеры и лазерное излучение. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 52 с.

105) Вакс Е.Д., Миленький М.Н., Сапрыкин Л.Г. Практика прецизионнойлазерной обработки. М.: Техносфера, 2013. 696 с.

106) Кархин В.А. Тепловые процессы при сварке. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 572 с.

107) Рыкалин Н.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

108) Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. учеб. пособие для вузов. М.: Машгиз, 1951. 296 с.

109) Зубченко А.С. [и др.]. Марочник сталей и сплавов. 3-е изд. стереотип. М.: Машиностроение, 2013. 784 с.

110) Бирюков В.П. Повышение износостойкости и конструкционной прочности сталей при лазерном упрочнении //Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта.: Тез. докл. Всерос. конф. Санкт-Петербург. 2012. С. 28 - 32.

111) Бирюков В.П. Сканер для пространственного управления лазерным лучом при упрочнении и наплавке поверхностей трения деталей сложной пространственной формы // Вестник машиностроения. 2005. № 6. С. 47-49.

112) Бирюков В.П. Лазерное упрочнение поверхностей трения мощными газовыми, твердотельными и волоконными лазерами // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2009. № 11. С.3-5.

113) Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа. М.: Наука, 1980. 226 с.

114) ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия. Стандартинформ. М., 2011. 32 с.

115) Аверкиев А.Ю. Методы оценки штампуемости листового металла. М.; Машиностроение, 1985. 176 с.

116) Аверкиев А.Ю. Оценка штампуемости листового и трубного проката // Кузнено-штамповочное производство. 1990. № 2. С. 19-24.

117) Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и ее влияние на вытяжку. М.: Машиностроение, 1972. 133 с.

118) Вихрова А. М., Ларин Т. В., Парышев Ю. М. О соотношении твердостей рельсовой и колесной стали // Вестник ВНИИЖТ. 1983. № 6, С. 34-38.

119) Марков Д. П. Трибологические аспекты повышения износостойкости и контактно-усталостной выносливости колес подвижного состава: дис. ... д-ра техн. наук. АО «ВНИИЖТ», Москва. 1996. 386 с.

120) ГОСТ 30415-96. Сталь. Неразрушающий контроль механических свойств и микроструктуры металлопродукции магнитным методом. М.: ИПК Издательство стандартов, 1996. 22 с.

121) РД ИКЦ "КРАН"- 007-97/02. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса подъемных сооружений при проведении их обследования и техническом диагностировании (экспертизе промышленной безопасности). 1997. 18 с.

122) РД ИКЦ "КРАН" 009-99. Магнитный контроль напряженно-деформированного состояния и остаточного ресурса сосудов, работающих под давлением, при проведении экспертизы промышленной безопасности. 1999. 15 с.

123) РД - 12-411-01. Инструкция по диагностированию технического состояния подземных стальных газопроводов. СПб.: Издательство ДЕЛАН, 2002. 96 с.

124) СТО 36554501-040-2014. Диагностика стальных строительных конструкций. Метод магнитный, коэрцитиметрический. 2014. 16 с.

125) Волохов Г.М. Остаточный ресурс несущих металлоконструкций тягового подвижного состава: автореф. дисс. ... докт. техн. наук. Орёл. 2006. 40 с.

126) Якушев А.В. Прогнозирование усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона: автореф. дисс. . канд. техн. наук. Екатеринбург. 2007. 15 с.

127) Емельянова Г.А., Липатов А.С. Оценка надёжности и риска грузоподъёмных кранов на рельсовом ходу. М.: ООО «Аналитик». 2014. 203 с.

128) Емельянова Г.А. Методология повышения надёжности грузоподъёмного оборудования при обеспечении требуемых критериев риска: автореф. дисс. ... докт. техн. наук. Москва. 2016. 34 с.

129) Арефьев Ю.И., Шалыго А.А., Безлюдько Г.Я. Влияние толщины стенки стальных тонкостенных труб на величину коэрцитивной силы // В мире неразрушающего контроля. 2016. Т.19. № 2. С. 46-49.

130) Бида Г. В. Размер зерна и корреляция прочностных, пластических и вязких свойств с коэрцитивной силой ферритно-перлитных сталей // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. 2010. № 4 С. 40-45.

131) Крутикова Л.А., Криворотов В.И., Горбунов В.В. Возможность контроля арматурного проката методом магнитной структуроскопии // Новые технологии в промышленной диагностике и безопасности. 2011. № 2. С 28 - 33.

132) Богачёва Н.Д. Расширение возможности применения метода коэрцитивной силы // В мире неразрушающего контроля. 2005. № 2. С. 8-10.

133) O.V. Grigorov, S.A. Gubskiy, V.V. Strijak. Forecasting the remaining available resource of the metallic bearing structure of the bridge-cranes used over the standard operating time // Mechanical Engineering. 2008. № 10. p. 59-72.

134) Богачева Н.Д. Применение размагничивания в технике. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2010. 264 с.

135) Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Третьяков Р.С., Брюнчуков Г.И., Асютин Р.Д., Пересторонин А.В. Упрочнение поверхности колёс железнодорожных локомотивов путём создания композитного слоя методом лазерно-порошковой обработки // Бюллетень Объединенного ученого совета ОАО «РЖД». 2018. № 4. С. 40-50.

136) Пересторонин А.В. Технология лазерной поверхностной модификации бандажных сталей карбидом вольфрама: дисс. ... канд. техн. наук. Москва. 2019. 173 с.

137) Yugov V.I., Afanasieva L.E., Barabonova I.A. Hardening of structural steel by a multichannel CO2 laser // Letters on materials. 2017. P. 8-11.

138) Способ лазерной закалки стали при широкой дорожке упрочнения / Елгаев Н.А., Рыжикова Д.А., Умнов В.П. // Патент РФ № 2703768, 13.06.2018 г.

Приложение

П.1. Протоколы механических испытаний, испытаний на микротвердость и химических исследований образцов из колесной стали

УТВЕРЖДАЮ

ораИМАШ РАН

019г

ПРОТОКОЛ

трибологических испытаний образцов на износостойкость, закаленных лазерным лучом, представленных организацией:

Общество с ограниченной ответственностью Научно-техническое объединение «ИРЭ - Полюс», ООО НТО «ИРЭ-ПОЛЮС».

Организация (предприятие), проводящая испытание: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. A.A. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН). Дата проведения испытаний: 11.09.19

Цель испытаний: Оптимизация режимов лазерной закалки образцов для повышения износостойкости.

Основание для проведения испытаний: Договор № 104/09/18 от 24 сентября 2018г. Краткая характеристика образцов: материал, с лазерной закалкой: колесная сталь марки 2; См. табл. I

Дата изготовления: 05.09.19.

Таблица 1 - Результаты сравнительных испытаний на износостойкость на машине трения МТУ-01

№ п/п № образца Материал образца Материал контробразца Смазка Усилие прижатия образцов, Р, МПа Интенсивность изнашивания образца Интенсивность изнашивания контр-образца

1ГЮ "9 I1среднее ■10 9 1210 '9 ^среднее 10 '9

1 27.1 Колесная сталь марки 2 Рельсовая сталь ПУМА ТУ 32 ЦТ 2232-97 1 0,125 0,121 0,315 0,326

2 27.2 0,121 0,342

3 27.3 0,118 0,322

4 33.1 0,329 0,337 0,372 0.363

5 33.2 0,345 0,351

6 33.3 0,337 0,366

7 19.1 0,151 0,157 0,359 0,342

8 19.2 0,163 0,342

9 19.3 0,157 0,327

10 28.1 0,143 0,141 0,327 0,331

11 28.2 0,136 0,351

12 28.3 0,145 0,315

Ответственный исполнитель работ В.н.е., к.т.н.

В.П. Бирюков

G ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ НА МИКРОТВЕРДОСТЬ Form: Ревизия: Дата выпуска: Страница: M73-63_ 34 00 28 08.2019 3/3

! IRE-Polus

Номер точки Значение твердости HV Размер диагонали (мкм)

13 821 15,026

14 875 14,557

15 850 14,771

16 826 14,986

17 771 15,505

18 830 14,949

19 835 14,902

20 811 15,119

1 711 16,149

2 807 15,162

3 661 16,753

4 798 15,246

5 634 17,102

6 734 15,894

7 789 15,328

8 627 17,191

9 653 16,847

10 622 17,271

11 685 16,458

12 594 17,669

13 763 15,590

14 580 17,883

15 627 17,192

16 580 17,876

17 802 15,204

18 511 19,041

19 507 19,132

20 627 17,193

Испытания выполнил

Testing carried out by Дата / Date

M о/ u/3

Руководитель ИЛ

Test laboratory Chief

Дата / Date

Имя/Name

4 Муратов Р.Ч.

КОНФИДЕНЦИАЛЬНО:

')пи документ и любые данные, находящиеся в нем, являются собственностью IPG Photonics Corporation и содержат шпагенюнанную информацию. Ни получению, ни обладание тш документом не ласт никакого права на дублирование, нсполыоваине или раскрытие любой информации, |аключенной в нем. кроме случаев письменно! о разрешения [Р<i Photonics (Corporation Данньш протокол йеныганнн касается только обрашоп, подвергнутых чтим испытаниям

Оригинал

Когтя

Form: М73-63 11

s CS ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ НА Ревизия: 00

IRE-Polus МИКРОТВЕРДОСТЬ Дата выпуска: Страница: 09.08.2019 2/3

Испытания выполнил

Testing carried nut by

Дата / Date

Номер точки Значение твердости HV Размер диагонали (мкм)

J 855 14,728

2 840 14,861

-> J 870 14,602

4 830 14,947

5 830 14,946

6 816 15,075

7 855 14,731

8 S 30 14,945

9 860 14.685

10 825 14,990

11 830 14,944

12 860 14,686

13 826 14,983

14 835 14,904

15 845 14,815

16 860 14,684

17 854 14,735

18 825 14,995

19 816 15,076

20 793 15,289

1 802 15,208

2 840 14,860

3 816 15,072

4 820 15,034

5 820 15,034

6 802 15,205

7 811 15,119

8 820 15,034

9 835 14,904

10 860 14,680

11 797 15,249

12 825 14,988

Руководитель ИЛ

Test laboratory Chief

Дата / Date

Имя/Name Муратов P.M.

КОНФИДЕНЦИАЛЬНО.

Inn документ и любые данные, находящиеся н не», являются собственностью I!'(i I'holonies Corporation II содержат тапятентонанную информацию. Пп получении*, ни обладание ним документом не дает никакого права на дублирование, нсполыовапие или раскрытие любой информации, таключенноп в нс.м. кроме случаев письменного р.нрсшсшш [14; Photonics Corporation Данный протокол испытании касается только обра шоп, подвергнуты, лим испытаниям

Оригинал

Копия

Form: М73-63 11

В т= CS ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ НА Ревизия: 00

IRE-Polus МИКРОТВЕРДОСТЬ Дата выпуска: 09.08.2019

Страница: 3/3

Номер точки Значение твердости HV Размер диагонали (мкм)

13 840 14,854

14 830 14,945

15 876 14,551

16 840 14,856

17 798 15,247

18 834 14,908

19 802 15,202

20 835 14,901

1 798 15,242

2 794 15,285

3 841 14,853

4 747 15,760

5 794 15,285

6 789 15,328

7 675 16,580

8 836 14,896

9 654 16.839

10 668 16,667

11 759 15,630

12 628 17,185

13 696 16,321

14 671 16,623

15 637 17,055

16 845 14,810

17 600 17,573

18 836 14,896

19 747 15,760

20 595 17,660

Испытания выполнил

Testing carried out by

Дата / Date

Имя/Name

Of. JÜ/3

Руководитель ИЛ Test laboratory Chief 4 И V Имя/Name Муратов Р.Ч.

Дата / Date

КОНФИДЕНЦИАЛЬНО:

)гш документ ы любые данные, находящиеся в нем, являются собственностью Н'С РЬоЮпкз СогрогаПои н содержат занатенюнанную информацию. Нп полученнне, нн обладание этим документом не лае г никакого права на дублирование, использование или раскрытие любой информации, заключенной в нем, кроме случаев письменною рл«решения 1Р(> Р1ю1опил (огршапоп. Данный протокол испытаний касается только образцов, подверт нуты\ >тнм испытаниям

Ор

ill инаи

Копия

Form: М72-63 086

В л-^. ПРОТОКОЛ ХИМИЧЕСКИХ Ревизия: 00

IRE-Polus ИССЛЕДОВАНИИ 1 Дата выпуска 28.08.2019

1 Страница 2 из 2

ПРОТОКОЛ ХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

№ 00Х от 28 августа 2019 г.

Заказчик:

Шмелев С. А.

ДАННЫЕ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

Наименование: Ш1, LU2

Материал:

Размеры, мм:

УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

Применяемый стандарт: ГОСТ 18895 Количество образцов:

Цель исследования: Определение химического состава Метод измерения: Оптико-эмиссионный спектральный анализ

Испытательное оборудование: Спектрометр Q8 Magellan, зав. № М0090 Поверен ФБУ POCTECT свидетельство № СП2259413, действительно до 20.11.2019

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Значение (массовая доля) по элементам, %

Заключение:

По результатам проведенного исследования образец имеет химический состав, соответствующий колесной стали марки 2.

Испытания выполнил:

Дата .

Руководитель ИЛ:

Дата:

КОНФИДЕНЦИАЛЬНО: Этот документ и любые данные, находящиеся в нем, являются собственностью IPG Photonics Corporation и содержат запатентованную информацию. Ни получение, ни обладание этим документом не дает никакого права на дублирование, использование или раскрытие любой информации, заключенной и нем, кроме случаев письменного разрешения IPG Photonics Corporation. Данный протокол испытаний касается только образцов, подвергнутых этим испытаниям.

Огмдплиап WVrniao