Разработка состава и технологии получения специального модифицированного чугуна повышенной эксплуатационной стойкости для фрикционных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.01, кандидат наук Габец, Александр Валерьевич

• Габец, Александр Валерьевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Габец, Александр Валерьевич

Содержание

Введение

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследования

1.1 Роль фрикционного клина в работе узла гашения

колебаний тележки грузовых вагонов

1.1.1 Принцип работы, технические и силовые характеристики 1О

1.1.2 Конструкция, материал и служебные свойства фрикционных клиньев

1.1.3 Анализ факторов, влияющих на эксплуатационные характеристики фрикционного клина гасителя колебаний

1.2 Анализ эксплуатационных свойств фрикционного клина на основе экспериментальных данных

1.2.1 Количественная оценка экспериментальных данных

1.2.2 Статистический анализ экспериментальных данных

1.2.3 Комплексный анализ обработанных данных

1.3 Пути повышения технических и эксплуатационных

свойств фрикционных клиньев

1.3.1 Фрикционные клинья из серого чугуна

1.3.2 Стальные фрикционные клинья

1.3.3 Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна

1.4 Основные выводы. Цель и задачи исследования 48 Глава 2 Методики оценки свойств материала и

эксплуатационных характеристик фрикционных клиньев

2.1 Методики исследования свойств материала фрикционных клиньев

2.1.1 Лабораторные исследования химического состава, структуры и механических свойств

2.1.2 Стендовые сравнительные исследования на износостойкость

2.2 Методики исследования прочностных свойств и износостойкости фрикционных клиньев

2.2.1 Стендовые испытания на прочность

2.2.2 Стендовые испытания на износостойкость и трибологические свойства

Глава 3 Разработка, получение и исследование специального модифицированного чугуна с заданными свойствами

3.1 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании

3.1.1 Влияние легирующих элементов на свойства серого чугуна

3.1.2 Модифицирование серого чугуна

3.2 Анализ специальных чугунов, получаемых на основе серого чугуна, при легировании и модифицировании

3.2.1 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35 и легированного чугуна на его основе

3.2.2 Получение и исследования образцов из серого чугуна марки СЧ35, легированного № и Мо с использованием модификаторов <^-011АРН®Т» и «Р20»

3.3 Исследование чугуна легированного молибденом, никелем и обработанного модификатором <^-011АРН®Т»

3.3.1 Получение опытных образцов

3.3.2 Лабораторные исследования образцов из чугуна ЧМН-

35М

3.3.3 Стендовые сравнительные исследования образцов из чугуна ЧМН-35М на износостойкость

3.4 Выводы по главе

Глава 4 Исследование прочностных и трибологических свойств фрикционных клиньев

4.1 Совершенствование конструкции фрикционного клина

4.1.1 Цифровое электронное макетирование и инженерный

анализ конструкции серийного фрикционного клина

4.1.2 Цифровое электронное макетирование и инженерный

анализ облегченной конструкции фрикционного клина

4.2 Исследования конструктивной прочности фрикционных клиньев

4.2.1 Определение величины напряжений в наиболее нагруженных зонах фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов

4.2.2 Статические стендовые испытания на разрушающую нагрузку фрикционных клиньев стандартной и облегченной конструкции, изготовленных из разных материалов

4.3 Стендовые сравнительные испытания фрикционных

клиньев на износостойкость и трибологические свойства

4.3.1 Сравнительный анализ износостойкости фрикционных клиньев из модифицированного чугуна ЧМН-35М с серийными

4.3.2 Определение коэффициента относительного трения пар трибосочетания с использованием фрикционных клиньев из чугуна марки ЧМН-35М

4.4 Выводы по главе 145 Глава 5 Технико-экономическая эффективность 147 Заключение 153 Список литературы 156 Приложение А. ТУ на материал 164 Приложение Б. ТУ на облегченный клин 172 Приложение В. Чертеж облегченного клина 183 Приложение Г. Патент 184 Приложение Д. Патент 185 Приложение Е. Патент

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка состава и технологии получения специального модифицированного чугуна повышенной эксплуатационной стойкости для фрикционных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта»

Введение

В современных условиях роста промышленного производства и увеличения грузоперевозок в Российской Федерации все большее значение приобретает эффективность работы железнодорожного транспорта. Одним из основных направлений ее повышения является минимизация затрат на обслуживание и ремонт грузовых вагонов. В то же время, значительное количество отцепок вагонов, приводящее к длительным простоям и частым трудоемким ремонтам, происходит по причине неисправности ходовых частей.

Основным узлом тележки грузового вагона, предназначенным для снижения колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскости, является рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний. Работоспособность деталей, входящих в этот узел, является основным фактором, влияющим на величину межремонтного пробега тележки грузового вагона. При этом фрикционный клиновой гаситель колебаний в процессе эксплуатации характеризуется нестабильностью работы. Создаваемая им сила трения для гашения вертикальных и горизонтальных колебаний кузова вагона со временем уменьшается вследствие износа рабочих поверхностей фрикционного клина, контактирующих с опорной поверхностью надрессорной балки и поверхностью фрикционной планки, что приводит к увеличению динамических сил, действующих на вагон и путь.

Решение указанной проблемы связано с повышением износостойкости и долговечности элементов фрикционного клинового гасителя колебаний. При этом одной из важнейших и актуальных задач является обеспечение необходимых эксплуатационных свойств этого узла, с целью повышения работоспособности гасителя колебаний и значительного увеличения межремонтного пробега грузовых вагонов. Исходя из этого, исследования, направленные на совершенствование тележки грузовых вагонов и ее компонентов, являются актуальными и вытекают из первоочередных задач, которые стоят перед железнодорожным транспортом страны.

Особый интерес у исследователей вызывает конструкция и материал фрикционного клина, являющегося быстро изнашиваемой деталью. Как правило, средний пробег у фрикционных клиньев из серого чугуна до замены составляет чуть более 100 тысяч километров со средним износом (потерей массы) по вертикальной и наклонной стенкам в среднем до 15-20% от общей материалоемкости клина. Годовая потребность в этом виде расходных материалов, только при деповских ремонтах, составляет более полутора миллионов штук. При этом приблизительно 4 тысячи тонн чугуна безвозвратно теряется при истирании фрикционного клина. Исходя из этого, разработка новых материалов для фрикционных клиньев, включая совершенствование конструкции, оптимизацию химического состава, физико-механических и трибологических свойств, а также прогнозирование работы гасителя колебаний в различных условиях эксплуатации, имеют важное значение.

При повышении нормативов по эксплуатационному ресурсу и надежности фрикционных клиньев становится необходимым обеспечение рациональной литой структуры чугуна за счет использования модифицирования и микролегирования. При этом необходимо рассматривать устойчивые состояния количественных и качественных показателей структурного и фазового состава литого металла в условиях нормируемых колебаний совокупных параметров технологического процесса получения отливки, где учет экономических требований приводит к требуемым свойствам при минимальной себестоимости ее получения. Такие технологии должны позволять получение рациональной структуры литого металла без кардинального технического перевооружения литейных цехов при сохранении существующих технологий выплавки чугуна и формообразования отливок, обеспечивая весь комплекс требуемых механических и специальных свойств чугунов.

Целью настоящего исследования является разработка и внедрение специального модифицированного чугуна и способа его получения для

производства фрикционных клиньев с повышенными служебными свойствами в современных условиях эксплуатации.

В диссертации, изучены эксплуатационные свойства клиньев, полученных с применением комплексного модифицирования серого чугуна при использовании лигатуры на основе никеля, ванадия и молибдена, а так же проведены экспериментальные плавки высокофосфористого чугуна. Разработан и внедрен способ получения модифицированного чугуна с заданными свойствами. Изготовлены опытные партии фрикционных клиньев из специального модифицированного чугуна, проведены лабораторные и стендовые сравнительные испытания с серийно изготавливаемыми клиньями из серого чугуна.

Выявлены и систематизированы зависимости влияния механических свойств, химического состава и структуры различных материалов фрикционных клиньев на их трибологические и прочностные характеристики и служебные качества.

Выполнена работа по совершенствованию конструкции фрикционного клина на основе цифрового электронного макетирования, с использованием разработанного алгоритма определения прочностных свойств цифрового электронного макета облегченного варианта фрикционного клина методом конечных элементов в системе ANS YS.

Проведена физическая апробация цифрового электронного макета клина средствами стендовых прочностных статических сравнительных испытаний по разработанной методике.

Установлено, что экономическая эффективность внедрения облегченного фрикционного клина из специального модифицированного чугуна, изготовленного по разработанному способу его получения, составит за счет улучшения эксплуатационных характеристик и экономии материала при производстве продукции до 60 млн. руб. в год.

Глава 1 Состояние вопроса, цель и задачи исследований

1.1 Роль фрикционного клина в работе узла гашения колебаний тележек грузовых вагонов

Рессорное подвешивание с клиновыми фрикционными гасителями колебаний является основным узлом трехэлементной тележки грузового вагона (рисунок 1.1) и предназначено для снижения амплитуды колебаний кузова вагона и уровня динамических сил в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

При движении вагона по периодическим неровностям пути со скоростью, когда частоты вынужденных собственных колебаний близки по величине, могут возникать большие амплитуды колебаний кузова на рессорах (резонанс), в том случае, если в системе рессорного подвешивания отсутствуют или малы силы 4 сопротивления. Поэтому, для гашения резонансных колебаний в систему рессорного подвешивания вводят специальные гасители, которые позволяют снизить амплитуды и ускорения колебательного движения, а следовательно уменьшить воздействие динамических сил на элементы вагона и перевозимый груз.

Рисунок 1.1- Трехэлементная тележка грузового вагона

В современном вагоностроении Российской Федерации наиболее широко используются трехэлементные двухосные тележки различных модификаций, разработанные на базе модели 18-100 ГУП «ПО»УРАЛВАГОН» [1-4].

В двухосных тележках типа 18-100 фрикционный гаситель колебаний (рисунок 1.2) состоит из двух клиньев, размещенных между наклонными поверхностями концов надрессорной балки и фрикционными планками, закрепленными на колонках боковой рамы тележки. Клинья опираются на двурядные цилиндрические пружины.

Рисунок 1.2 - Фрикционный гаситель колебаний тележки модели 18-100

В тележке модели 18-100 и в ее аналогах применяются клиновые фрикционные гасители, колебаний с силой трения, пропорциональной прогибу рессорного комплекта (рисунок 1.2, график). Гаситель колебаний обладает нестабильностью работы в процессе эксплуатации. Создаваемая им сила трения для гашения вертикальных и горизонтальных колебаний кузова вагона со временем уменьшается вследствие износа трущихся поверхностей гасителя колебаний и опорных поверхностей надрессорной балки.

По условиям обеспечения надежного сцепления автосцепок груженого и порожнего вагонов статический прогиб рессорного комплекса в настоящее время не может быть больше 50 мм. Поэтому основное внимание должно быть уделено повышению стабильности работы гасителя колебаний.

В соответствии с регламентирующими документами [5,6], статический прогиб рессорного подвешивания от тары — 8 мм, от массы брутто — 46 -50 мм, коэффициент относительного трения гасителя колебаний составляет —

Боковая

рама тележки

Фрикционная планкз

Пружина

0,08-0,16.

1.1.1 Принцип работы, технические и силовые характеристики

Работа клиновых фрикционных гасителей колебаний [7-12] заключается в следующем. В статике он находится в равновесии, а линии действия нормальных сил N и Т (рисунок 1.3) и реакции подклиновой пружины Р, пересекаются в точке О. Поэтому, при движении вагона силы трения ^ и Т2 будут создавать моменты относительно точки О, и будут стремиться поворачивать клин либо по часовой, либо против часовой стрелки, в зависимости от направления действия сил при нагрузке и разгрузке рессорного комплекса, а следовательно и фрикционного клина. Вращение фрикционного клина относительно полюса трения О приводит к нестабильности работы гасителя колебаний и к ухудшению динамического качества и воздействия его на путь.

Гаситель колебаний тележки гасит вертикальные и горизонтальные поперечные колебания кузова вагона за счет работы вертикальной и горизонтальной составляющих сил трения на одной трущейся поверхности. При вертикальных колебаниях надрессорной балки совместно с обрессоренными массами вагона фрикционные клинья перемещаются вверх и вниз относительно фрикционных планок. В результате между клиньями и планками возникают силы трения, создающие сопротивление колебательному движению. Сила трения, создаваемая гасителем колебаний в вертикальном

направлении, в большей степени зависит от нормального давления на трущиеся поверхности клина и от коэффициента трения между трущимися поверхностями гасителя колебаний.

Так как клиновой гаситель колебаний имеет несимметричную силовую характеристику (силы трения при разгрузке рессорного комплекта больше, чем при его нагрузке), аналитические исследования зависимости сил трения от нормального давления и коэффициента трения между трущимися поверхностями по условиям равновесия рассматриваются отдельно при его нагрузке и разгрузке (рисунок 1.4), где N и N1 - воздействие нормальных давлений на поверхности клина, силы реакции подклиновой пружины Р^ и силы трения Б и Б] между трущимися поверхностями.

а) б)

Рисунок 1.4 - Расчетная схема фрикционного гасителя колебаний: а - нагрузка клина; б - разгрузка клина

При проекции всех сил на оси X и У система равновесия будет выглядеть следующим образом.

При нагрузке рессорного комплекта: Г^созв+Еэтв-^ Бтб+Е совбИ)

Н II 1Н 1 н

N втв-Р собв+М. соБб+Е ятб-Р =0

И Н 1п 1Н к

При разгрузке рессорного комплекта: ^совв-Ррвтв-^ втб-^совбИ)

^втв+ЕрСОЗв-Г^рСОзб-Р^тб-Р^О

Силы трения при нагрузке клина:

Силы трения при разгрузке клина:

ц. - коэффициент трения между вертикальными поверхностями клина и фрикционной планки;

ц.1 _ коэффициент трения между опорными наклонными поверхностями клина и надрессорной балки.

При расчетах технических характеристик клиновых гасителей колебаний используют вместо силы трения Б коэффициент относительного трения ср, который представляет собой отношение силы трения, создаваемой гасителем колебаний, к полной силе, совершающей работу за один период колебания кузова вагона. При этом для расчетов коэффициента ср учитываются только Рн и Рр> так как сила трения создается в основном на вертикальных поверхностях трения фрикционного клина и фрикционной планки.

В результате приведения силовых нагрузок и сил трения на вертикальных поверхностях при цикле нагрузки и разгрузки коэффициент относительного трения ф, определяется как м

Работа сил трения гасителя колебаний в процессе эксплуатации вагона [13-16] неизбежно вызывает износ трущихся поверхностей клинового гасителя колебаний. В результате этого происходит подъём или завышение клина гасителя колебаний и он располагается выше опорной поверхности надрессорной балки, которой она опирается на основные подклиновые пружины.

Занижение клина гасителя колебаний при постройке тележки делается с целью замедления темпа нарастания его завышения вследствие износа трущихся поверхностей клинового гасителя колебаний. При занижении клина коэффициент относительного трения гасителя увеличивается вследствие большого прогиба подклиновых пружин по сравнению с прогибом основных пружин.

При деповском ремонте тележек типа 18-100 после сборки и подкатки их под вагон, завышение хотя бы одного фрикционного клина относительно нижней опорной поверхности надрессорной балки не допускается, а занижение должно составлять не более 12 мм. При капитальном ремонте тележек фрикционные клинья одного рессорного подвешивания должны быть занижены относительно нижней опорной поверхности надрессорной балки на 4-12 мм.

В таблице 1.1 приведены основные технические характеристики клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 и ее перспективного аналога модели 18-578 с фрикционными клиньями из различных материалов — стали 20, серого чугуна марки СЧ25 и высокопрочного чугуна ВЧ120 с изотермической закалкой [3-6,9,16-19].

Таблица 1.1 - Технические характеристики клинового гасителя колебаний

Харакгеристика Сталь 20 СЧ25 ВЧ120

Жесткость рессорного комплекта, КН/м 8,77 8,77 6,25

Расчетная нагрузка, КН 230,5 230,5 230,5

Давление поверхностей трения, МПа 2-10 2-10 4-12

Поверхность трения клина, мм2 31142 31142 31142

Поверхность трения планки, мм2 31142 31142 31142

Сила трения под нагрузкой, КН :

- при сжатии; 16 16 24

- при разжатии 52 52 68

Скорость относительного скольжения

пар трения, м/с 0,1-0,2 0,1-0,3 0,2-0,4

Коэффициент относительного трения 0,0806 0,0805 0,084

Ход клина, мм 11-48 11-48 -

Масса пружины, кг 14,8/7,05 14,8/7,05 12,8/6,8

Масса клина, кг 15,9 16,2 14,2

Межремонтный пробег, км 160000 160000 210000

1.1.2 Конструкция, материал и служебные свойства фрикционных клиньев

Типовая конструкция фрикционного клина узла гашения колебаний трехэлементной тележки грузовых вагонов (рисунок 1.5) представляет собой стальную или чугунную отливку коробчатой формы [7,20]. Три стенки образуют рабочий контур поверхностей, которые обеспечивают работу клина: вертикальная, наклонная и нижняя стенки.

Рисунок 1.5 - Типовая конструкция фрикционного клина

Вертикальная стенка взаимодействует с фрикционной планкой боковой рамы вагонной тележки и выполняет основную роль при демпфировании колебаний вагона. В нижней части она имеет охватывающую юбку, ограничивающую горизонтальное смещение относительно внешней опорной пружины из пружинного комплекта. Наклонная стенка своей внешней поверхностью взаимодействует с наклонной поверхностью гнезда надрессорной балки, через которую передаются нагрузки, возникающие при движении вагона. Горизонтальный и вертикальный сегменты наклонной стенки обеспечивают ее требуемое угловое расположение относительно двух других рабочих стенок клина. Нижняя стенка опирается на одну из двурядных пружин пружинного комплекта. В нижней части на ней расположен кольцевой выступ, не допускающий смещения относительно внутренней пружины в горизонтальной плоскости.

Две боковые стенки с окнами обеспечивают жесткость рабочего контура фрикционного клина и ограничивают поперечное перемещение фрикционного

клина относительно направляющих, расположенных на колонке боковой рамы. Внутренняя стенка с окном придает дополнительную жесткость клину в вертикальной плоскости.

В настоящее время, на промышленных предприятиях Российской Федерации серийно изготавливаются:

- стальные фрикционные клинья, устанавливаемые в грузовые тележки при новом вагоностроении;

- фрикционные клинья из серого чугуна при проведении плановых видов ремонта грузовых вагонов;

- фрикционные клинья из высокопрочного чугуна с изотермической закалкой, применяемые в тележке с увеличенным межремонтным пробегом модели 18-578.

Стальные фрикционные клинья

Стальные фрикционные клинья изготавливаются из стали марки 20ЛК20 по внутризаводским нормативным документам ОАО «НПК «Уралвагонзавод» -чертежу №100.30.001 «Клин» и техническим требованиям УВЗ-50-21ДТ «Детали мелкие литые. Технические требования». Кроме Уралвагонзавода стальные клинья также изготавливает Бежицкий сталелитейный завод (ООО «ПК «БСЗ») и ОАО «Алтайвагон». Единых общероссийских технических условий с указанием химического состава стали, требований по твердости и механическим свойствам при испытаниях на растяжение, правил приемки, контроля качества, условий гарантии не существует, что отрицательно сказывается на качестве фрикционных клиньев.

Твердость клиньев требованиями чертежа и техническими требованиями не регламентируется, она является очень низкой - 140... 160 НВ. Структура металла клиньев - феррито-перлитная с незначительным содержанием перлита ввиду невысокого содержания углерода в стали.

Фрикционные клинья из стали 20ЛК20, 20ГЛ или 20ФЛ не обеспечивают регламентированного пробега в 260 тыс. км для большинства новых вагонов и

сильно усложняют работу тележек, т.к. работа «сталь по стали» (стальной фрикционный клин по наклонной поверхности надрессорной балки из той же мягкой стали 20ГЛ) приводит к сильному абразивному износу, задирам, схватыванию, зависанию кузова вагона и затем его резкому перемещению вниз, вызывая ударное воздействие кузова на пружины, боковые рамы, надрессорные балки и другие детали тележки, вызывая их преждевременные отказы.

За последние несколько десятилетий предпринималось множество попыток улучшения служебных свойств стальных клиньев за счет применения различных методов поверхностного упрочнения, разработки различных технологий термической обработки и использования новых марок сталей.

При нанесении износостойких покрытий применялись технологии электроэрозионного легирования [21], электродуговой и газо-плазменной металлизации [22-24], поверхностного оплавления [26], индукционно-металлургической наплавки [27]. Опытные образцы стальных клиньев с упрочненными поверхностями данными способами прошли эксплуатационные испытания [21,28,29], однако не нашли дальнейшего применения.

В 90-х годах прошлого столетия «Уралвагонзавод», решая задачу увеличения межремонтного пробега тележки грузового вагона, предложил несколько вариантов стальных клиньев [1,3] из сталей Г13Л, 120ГФЛ и 32Х06Л. В результате проведенных испытаний выяснилось, что отливки клина из аустинитной стали Г13Л имеют большое количество литейных дефектов, а отливки из сталей 120ГФЛ и 32Х06Л требуют дополнительной термической обработки.

Применения технологий термической обработки стальных фрикционных клиньев, таких как объемная закалка [30,31] и объемно-поверхностная закалка [32], существенно повышают их служебные характеристики.

Фрикционные клинья из серого чугуна

В конце 90-х годов прошлого столетия начались работы по применению серого перлитного чугуна в качестве основного материала для фрикционного

клина. Первые эксплуатационные испытания проводились с использованием клиньев из чугуна марки СЧ20, установленные на тележки модели 18-100, вместо типовых стальных.

Данные испытания показали, что износ наклонных поверхностей надрессорных балок и фрикционных планок тележки снижается в 2,5 раза. При этом износ самих чугунных клиньев существенно возрастает: вертикальных поверхностей в 5,5 раза и наклонных — в 3,5 раза по сравнению с типовыми стальными.

Эксплуатационные испытания, проведенные в 1996 г. показали, что у полувагонов, оборудованных клиньями из чугуна марки СЧ20, резко снижаются износы фрикционных планок и надрессорных балок. Рабочая поверхность новых фрикционных планок гладкая, притертая, а неровности на наклонных поверхностях балок сглаживаются.

Для повышения износостойкости и обеспечения срока службы полувагонов от постройки до деповского ремонта, а также между двумя деповскими ремонтами было рекомендовано [27] изготавливать фрикционные клинья из чугуна марок СЧ25 или СЧЗО, взамен чугуна марки СЧ20. В настоящее время большинство тележек грузовых вагонов оснащены фрикционными клиньями из чугуна марки СЧ25.

Клинья из серого чугуна имеют несомненные преимущества перед стальными [33]. Они изготавливаются по общероссийским техническим условиям. Нормативные документы на производство клиньев из серого чугуна (чертежи ПКБ Департамента вагонного хозяйства №№ М1698.00.002 и М1698.00.003 «Клин фрикционный» и разработанные ОАО «ВНИИЖТ» технические условия ТУ 3183-234-01124323-2007 «Клин фрикционный из серого чугуна для тележек грузовых вагонов») регламентируют основные показатели их качества - химический состав, временное сопротивление при растяжении, твердость, микроструктуру, состояние поверхности, правила приемки, методы контроля, гарантии изготовителя (таблицы 1.2 и 1.3).

Таблица 1.2 - Химический состав чугуна фрикционных клиньев

Марка чугуна Массовая доля элементов, %

Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера Хром 1 Никель Медь

не более

СЧ25 3,2-3,4 1,4-2,2 0,7-1,0 0,2 0,15 0,4 0,4 0,4

СЧЗО 3,0-3,2 1,3-1,9 0,7-1,0 0,2 0,12 0,4 0,4 0,4

СЧ 35 2,9-3,0 1,2-1,5 0,7-1,0 0,2 0,12 0,4 0,4 0,4

Таблица 1.3 - Механические свойства клиньев

Марка чугуна Временное сопротивление при растяжении, МПа_(кгс/мм ), не менее Твердость по Бринеллю

не менее не более

СЧ25 250 (25) 197 260

СЧЗО 300 (30) 197 260

СЧ 35 350 (35) 220 275

Примечание - Допускается превышение минимального значения временного сопротивления при растяжении не более, чем на 100 МПа (10 кгс/мм")

Кроме более высокой твердости фрикционных клиньев из серого чугуна (197...260 НВ) по сравнению со стальными (143...187 НВ) графит в сером чугуне играет роль твердой смазки, что значительно (в 2...3 и более раз) уменьшает износ наклонных поверхностей надрессорных балок и таким образом снижается объем ремонта наплавкой этих поверхностей. Чугунные фрикционные клинья не вызывают схватывания и зависания кузова вагона в процессе работы узла гасителя колебаний тележек грузовых вагонов и обеспечивают устойчивое движение порожних грузовых составов.

Несмотря на более успешную работу чугунных фрикционных клиньев по сравнению со стальными и постоянное повышение их качества (постепенный переход с СЧ20 до СЧ35), износостойкость клиньев из серого чугуна недостаточна для надежного обеспечения узлом гашения колебаний пробега грузовых вагонов не менее 2-50 тыс. км.

В 2005 году на ОАО «Балаковский завод запасных деталей» была изготовлена опытная партия фрикционных клиньев из хромо-никелевого чугуна

по специально разработанным техническим условиям. Испытания данного клина показали его высокие служебные свойства [34].

Термическая обработка серого чугуна [35,36] является весьма перспективным направлением для повышения износостойкости фрикционных клиньев. Так, по результатам исследований [37] закаленного клина из серого чугуна марки СЧ 25, проведенного ЗАО «Рокада», удалось получить твердость вертикальной стенки в пределах 400 НВ, на глубине 5 мм.

Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна

Производство фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна (рисунок 1.6.) в России освоено:

- на ОАО «НПК «Уралвагонзавод» по полному технологическому и производственному циклам;

- на работающих по принципу кооперации двух предприятиях - ОАО «КамАЗ-Металлургия» (отливка клиньев) и ОАО «Горьковский металлургический завод» (изотермическая закалка клиньев).

Рисунок 1.6 - Клин из высокопрочного чугуна с уретановой накладкой

Техническими условиями ТУ 3183-163-01124323-2003 «Клин фрикционный из высокопрочного чугуна для тележек грузовых вагонов» предусмотрены жесткие требования к качеству фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна. В технических условиях регламентированы требования

к химическому составу высокопрочного чугуна (таблица 1.4), механическим свойствам в литом (таблица 1.5) и закаленном (таблица 1.6) состоянии.

Таблица 1.4 - Химический состав высокопрочного чугуна

Массовая доля элементов, % (железо - остальное)

углерод кремний марганец медь магний фосфор сера хром никель

не более

3,2-3,7 1,9-2,9 0,3-0,7 0,7-1,0 0,04-0,08 0,07 0,02 0,15 0,30

Таблица 1.5 - Механические свойства высокопрочного чугуна

фрикционного клина в литом состоянии

Вид образца Временное сопротивление при растяжении, '■у МПа, (кгс/мм") Условный предел текучести, а0,2, МПа, (кгс/мм2) Относительное удлинение, 5,% Твердость по Бринеллю, НВ, ГПа

0 10 мм 1 расч.=50 мм не менее 180-302

500 (50) 320 (32) 2

Таблица 1.6 - Механические свойства металла фрикционного клина после

термической обработки

Вид образцов Твердость по Бринеллю, НВ, ГПа Временное сопротивление при растяжении, МПа, (кгс/мм2) Условный предел текучести, о01, МПа, (кгс/мм ) Относительное удлинение, 5,% Ударная вязкость, КС, КДж/м2

не менее

0 10 1 =50 мм 10x10x55 388-444 1200 850 1 300

Микроструктура, удовлетворяющая указанным требованиям, представлена на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 - Микроструктура чугуна с шаровидным графитом в литом состоянии: а - распределение графита до травления; б - перлитная структура после травления

После термической закалки металлическая основа имеет бейнитную структуру и шаровидный графит (рисунок 1.8). Допускается содержание до 2% остаточного аустенита.

Рисунок 1.8 - Микроструктура фрикционного клина из высокопрочного чугуна после изотермической закалки (бейнит и шаровидный графит)

Как показали эксплуатационные испытания, фрикционные клинья из высокопрочного чугуна обеспечивают пробег грузовых вагонов по узлу гашения колебаний не менее 500 тыс. км. Но и эти клинья не лишены недостатков. К ним относится, прежде всего, очень высокая стоимость клиньев.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Габец, Александр Валерьевич, 2014 год

Список литературы

1. Ефимов В.П., Демик К.П. Вагоны нового поколения производства ГУП «ПО»УРАЛВАГОН». «РЖД-ПАРТНЕР». - 2002. - № 2. - С. 37- 40.

2. Ефимов В.П., Пранов A.A., Еленевский И.Н., Белоусов К.А. Перспективные тележки для грузовых вагонов // Сб. докл. межд. конф. Развитие транспортного машиностроения в России. Щербинка, 2004. — С. 22-26.

3. Ефимов В.П., Пранов A.A. Модернизация тележки модели 18-100 -эффективный путь повышения безопасности движения поездов. Тяжелое машиностроение, 2003. №12. - С. 6 - 9.

4. Ефимов В.П., Пранов A.A., Павлгаков А.Э. Тележки для перспективных грузовых вагонов. Железнодорожный транспорт, 2002. №4. С. 46 - 49.

5. ГОСТ 9246-2004 Тележки двухосные грузовых вагонов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Технические условия.

6. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных) / М.: ГосНИИВ ВНИИЖТ, 1996.

7. Челноков И.И. и др. Гасители колебаний вагонов. / И.И. Челноков, Б.И. Вишняков, В.М. Гарбузов, A.A. Эстлинг. М.: Трансжелдориздат, 1963.- 176 с.

8. Челноков И.И. Основные направления совершенствования и разработки рессорного подвешивания вагонов для перспективных условий эксплуатации / И.И. Челноков, М.М. Соколов, Г.В. Левков и др. // Тр. ЛИИЖТ. 1966. - Вып. 255. - С. 28-45.

9. Шадур Л.А. Вагоны. Конструкция, теория и расчет / Под. ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1980. — 222 с.

10. Вагоны: конструкция, теория и расчет / Под ред. Л.А. Шадура. М.: Транспорт, 1973. - 440 с.

11. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагона, м.: Транспорт, 1972. - 304 с.

12. Хусидов В.Д., Анисимов П.С. Силовые характеристики фрикционных клиновых гасителей колебаний в математических моделях исследований грузовых вагонов // Вестник ВНИИЖТ, 2005. № 4. - с. 17-23.

13. Глушко М.И., Антропов A.M. Работа пружинно-фрикционного комплекта тележки грузового вагона//Вестник ВНИИЖТ. 2004. №5. - С. 41- 44.

14. РД 32 ЦВ 072-2005 Ремонт тележек грузовых вагонов модели 18-100 с установкой износостойких элементов в узлах трения. / Проектно-конструкторское бюро ОАО «РЖД», 2005. 26 с.

15. Орлова A.M., Рудакова Е.А., Артамонов Е.И. Исследование нагруженности контактных поверхностей фрикционных клиньев // Тез. докл. V межд. научно-техн. конф. Подвижной состав 21 века: идеи, требования, проекты. СПб.: ПГУПС, 2007. - С. 116-118.

16. Анисимов П.С. Испытания вагонов: Монография. М.: Маршрут, 2004. — 197 с.

17. Носов А.Н., Варгунин В.И., Михайлов Н.В. и др. Эксплуатационная безопасность клинового гасителя колебаний тележки модели 18-100 при варьировании массы железнодорожного вагона (монография) Самара: СамГАПС, 2005. -92 с.

18. Анисимов П.С. Влияние конструкции и параметров тележек на износ колес и рельсов // Ж.д. транспорт. -1999. № 6. -С. 38-42.

19. Бороненко Ю.П., Орлова A.M. Опыт проектирования трехэлементных тележек // Железнодорожный транспорт, №5, 2006. -С. 58 - 62.

20. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. трансп. /Л.А.Шадур, И.И.Челноков, Л.Н.Никольский и др.; Под ред. Л.А.Шадура. 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1980.-439 с.

21. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1993.

22. Катц Н. В., Антошин Е. В., Вадивасов Д. Г., Вольперд Г.Д., Камионский JI.M. / Металлизация распылением. М.: издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», 1966. 200 с.

23. Вайнерман А.Е. и др. Плазменная наплавка JL, "Машиностроение"

1969.

24. Усов JT.H., Борисенко А.И. / Применение плазмы для получения высокотемпературных покрытий М., "Наука", 1965.

25. Антошин Е. В./ Газотермическое напыление покрытий. М.: Машиностроение, 1974. 97 с.

26. Бартенев С.С, Федько Ю.П., Григорьев А.И. Детонационные покрытия в машиностроении. JI.: Машиностроение, 1982. 215 с.

27. Инструкция по восстановлению и упрочнению индукционно-металлургическим способом деталей узлов трения подвижного состава [Текст]: ЦТ-ЦВ-ЦП-590: утв. МПС РФ, — 27.08.98 /МПС РФ. - М.: Транспорт, 1998. - 78 е.: ил. - Библиогр.: С. 57-58 (14 назв.).

28. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Новые материалы в узлах трения тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1990. 63 с.

29. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Принципиально новые конструкции и материалы в узлах трения тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1997. 54 с.

30. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.: Металлургия, 1993. 448 с.

31. Металловедение и термическая обработка стали. Справ, изд. под редакцией Бернштейна М.Л., Рахштадта А.Г. т. 2. М.: Металлургия, 1983. 368 с.

32. Федин В.М. Объемно-поверхностная закалка подвижного состава и верхнего строения пути. Труды ВНИИЖТ. М. : Интекст, 2002. 208 с.

33. Великанов A.B., Пашарин С.И., Дудкина Т.П., Силин В.С, Угарова Г.И., Конькова Т.Е. Чугунные фрикционные клинья тележки грузового вагона. // Вестник ВНИИЖТ 1999. № 1 .-С. 25-31.

34. Костина H.A., Великанов A.B. и др. Фрикционный гаситель для тележки 18-100. Отчет по теме 8.1.34 ФГУП ВНИИЖТ, 2005.

35. Стародубов К.Ф., Узлов И.Г. Сб.: Металловедение и термическая обработка стали и чугуна / Тр. ИЧМ АН УССР. T. XVII. Изд. АН УССР. 1961. -С. 66-71.

36. Болховитников Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. М.: Машгиз, 1958. 432 с.

37. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Повышение долговечности фрикционного клинового гасителя колебаний тележек грузовых вагонов ФГУП ВНИИЖТ, 1997.

38. А.В. Великанов, Б.В. Борщ. Фрикционные клинья из высокопрочного чугуна // Вестник ВНИИЖТ. 2007. №2. С. 18.- 22.

39. А.В. Великанов, Б.В. Борщ, В.М. Федин, А.И. Борц, Е.И. Юрьева. Технология производства, качество и работоспособность закаленных фрикционных клиньев из высокопрочного чугуна // Вестник ВНИИЖТ. 2007. №5.-С. 19-24.

40. ANSYS Inc. Electronic resource. — Electronic data. Pennsylvania, USA, 2008. - Mode acess : http://www.ansys.com

41. Шевчук JT. А. Структура и свойства чугуна. Минск: Наука и техника. 1978.216 с.

42. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. М.: Металлургия. 1975. 334 с.

43. Справочник по чугунному литью. Л: Машиностроение. 1978. 758 с.

44. Чугун. Справочник. Под редакцией А.Д. Шермана и А.А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 575 с.

45. Машиностроение. Энциклопедия / Мухин Г.Г., Беляков А.И., Александров Н.Н. и др. Т. II-2 Стали. Чугуны. М., 2000. - 780 с.

46. Виноградов В. Н., Сорокин Г. М. Износостойкость сталей и сплавов. -М.: Нефть и газ, 1994.-417 с.

47. Скотникова М.А. Триботехника в вопросах и ответах С.-Петербург,

2007г.

48. Махкамов К.Х. Расчет износостойкости машин. Ташкент, 2002г.

49. Крагельский И.В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

50. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. Лабораторные испытания материалов на трение и износ. М.: Наука, 1965. 115 с.

51. Джонсон H., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных. Пер. с англ. М.: Мир, 1989. -510с.

52. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ. Пер. с англ. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1963.-500 с.

53. Дубров A.M., Мхинтарян B.C., Трошин Л.И. Многомерные статистические методы: Учебник. М.: Финансы и статистика, 2003. - 352 с.

54. Барсегян A.A. Технологии анализа данных: Data Mining, Visual Mining, Text Mining, OLAP. A.A. Барсегян, M.C. Куприянов, B.B. Степаненко, И.И. Холод. - 2-е изд. перераб. и доп. Спб.: БХВ-Петербург, 2007. -384 с.

55. Зиновьев А.Ю. Визуализция многомерных данных. -Издательство Красноярского государственного технического университета, 2000. — 180 с. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.ihes.fr/~zinovyev/papers/ZinovyevBook.pdf (дата обращения: 15.11.2013).

56. Структурные методы обработки эмпирических данных. Браверман Э.М., Мучник М.Б. -М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. - 464 с.

57. M.Dressler. Art of Surface Interpolation. Kunstat, 2009. -80 p. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://rn.dressler.sweb.cz/AOSIM.pdf. (дата обращения: 15.11.2013).

58. M. Dressler. Approximatio/interpolation of surfaces based on numerical tensioning and smoothing. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL:http://www.sweb.cz/M.Dressler/ABOS.htm (дата обращения: 15.11.2013).

59. Г.А. Околович, A.B. Габец, Е.О. Чертовских. Исследование влияния технологических параметров на выносливость в эксплуатации детали «Рама боковая» // Ползуновский альманах №4/2011, - С. 44.

60. Г.А. Околович, A.B. Габец, Е.О. Чертовских, В.Н.Шабалин. Исследование влияния внепечной обработки расплава аргоном на механические

ч *

свойства низкоуглеродистой стали 20ГФЛ //Ползуновский вестник 1/1-2012, - С. 223.

61. Г.А. Околович, A.B. Габец, Е.О. Чертовских. Влияние продувки расплава аргоном на механические свойства стали 20ГФЛ // Ползуновский альманах №1/2012, -С. 36.

62. Г.А. Околович, A.B. Габец, Е.О. Чертовских. Исследование влияния модифицирования на сталь 20ГФЛ // Ползуновский альманах №1/2012, -С. 53.

63. Околович Г.А., Габец A.B., Чертовских Е.О. Исследование влияния кальциевого модификатора при изготовлении детали «Рама боковая». Обработка металлов №4 (57) 2012, г.Новосибирск. -С. 50-53.

64. Чертовских Е.О., Околович Г.А., Габец A.B., Борщ Б.В. Изотермические превращения переохлажденного аустенита стали 20ГФЛ. Железнодорожный транспорт на современном этапа развития: сб. трудов молодых ученых ОАО «ВНИИЖТ» - М.:Интекст, 2013.-288 е., -С. 259.

65. Справочник по чугунному литью / Под ред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича. 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

66. Гиршович Н.Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках. — Д.: Машиностроение, 1996. 562 с.

67. Бунин К.П. Железоуглеродистые сплавы. М: Машгиз, 1949.285 с.

68. Шумихин В.С, Лузан П.П., Желнис М.В. Синтетический чугун. — Киев: Изд-во «Наукова думка», 1971. — 157 с.

69. Гольдштейн Я.Е., Мизин В.Г. Модифицирование и микролегирование чугуна и стали. — М.: Металлургия, 1986. — 272 с.

70. Архаров В.И. Теория микролегирования сплавов. М.: Машиностроение, 1975.—61 с.

71. Леках С.Н., Бестужев Н.И. Внепечная обработка высококачественных чугунов в машиностроении. Мн.: Навука и тэхшка, 1992. - 269с.

72. Карпенко М. И., Марукович Е. И. Износостойкие отливки. - Минск.: Наука и техника, 1984. - 216 с.

73. Бобро Ю.Г. Легированные чугуны. М.: - Металлургия, 1976-288 с.

74. Терек Jl. Байка Л. Легированный чугун — конструкционный материал. М.: 1978.-208 с.

75. Леках С.Ы., Шейнерт В.А. Методы повышения эффективности графитизирующего модифицирования чугунов // Литейное производство — 1994.-№9.- С. 4-6.

76. Семенов В.И., Чайкин A.B. Фазовые и структурные изменения в чугуне после модифицирования // Металлургия машиностроения. 2006. -№5.-С. 14-18.

77. Леушин И.О., Ермилин A.C. Пути повышения эффективности модифицирования // Труды пятого съезда литейщиков России. М.: Радуница. -2001.- С. 79-81.

78. Давыдов С.В. Новый подход к классификации методов модифицирования // Металлургия машиностроения. 2006. - №5. - С. 5-9.

79. Худокормов Д.Н. Производство отливок из чугуна. МН.: Высшэйшая школа, 1987. - 197 с.

80. Худокормов Д.Н., Худокормов Д.А. Ещё раз о модифицирующем действии кремния на чугун // Литье и металлургия. 2007. - № 1. - С. 104-105.

81. Петрунин С.А. Eikern. Модификаторы и науглероживатели для чугунов с различной формой графита. К 100-летию компании // Литье Украины. -2003.-№9.- С . 3-5.

82. Прохоренко В.П. SolidWorks. Практическое руководство. — М.: ООО «Бином-Пресс», 2004 г. — 448 с.

83. Алямовский A.A. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике / Авторы: Алямовский A.A., Собачкин A.A., Одинцов Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. СПб.:БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

84. ANSYS LS-DYNA User's Guide Electronic resource. Version 1.1. -Electronic data. USA, 2008. - Mode acess : http://ansys.com

85. Алямовский A.A. «SolidWorks/COSMOSWorks» (инженерный анализ методом конечных элементов). М.:ДМК, 2004, 431 с.

86. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -

428 с.

87. Крылов О.В. Метод конечных элементов и его применение в инженерных расчетах: Учеб. пособ. для вузов. — М.: Радио и связь, 2002. — 104 с.

88. Биргер И.А. и др. Расчёт на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. М.: Машиностроение, 1993. - 640 с.

89. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость. Н.Н. Шапошников, Н.Д. Тарабасов, В.Б. Петров, В.И. Мяченков. М.: Машиностроение, 1981. -334 с.

90. Трение, износ и смазка ( трибология и триботехника ) / А.В.Чичинадзе, Э.М.Берлинер, Э.Д.Браун и др.; Под общ. ред. А.В.Чичинадзе. М.: Машиностроение, 2003. 576.; ил.

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