6_Artemchuk.doc Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 51 Артемчук В.В. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту ім. академіка В. Лазаряна, м. Дніпропетровськ, Україна МЕХАНІЗМ ЗНОШЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ PАВТОЗЧЕПНОГО ПРИСТРОЮ РУХОМОГО СКЛАДУ Вступ, постановка проблеми Раціональний підбір матеріалів, методів і технологій відновлення, зокрема, наплавлення зноше- них деталей можливе лише визначивши умови експлуатації та механізми зношування при взаємодії дета- лей досліджуваних вузлів. Виходячи з умов експлуатації, характеру та величини зносу, одними з найбільш зношуваних де- талей є деталі автозчепного пристрою, які й були обрані для подальшого розгляду. Актуальність пробле- ми підвищення зносостійкості деталей, зокрема, автозчепного пристрою викликана необхідністю збіль- шення терміну експлуатації (ресурсу). Відомо, що на ремонтні операції при поточному та капітальному ремонтах витрачаються значні кошти, які в сумі можуть перевищувати вартість самої рухомої одиниці. Також відомо, що значна частина розходів припадає на ремонт механічної частини рухомого складу, а основна доля відмов або несправностей її елементів виникає в наслідок зносу деталей. Тому, очевидно, що для зменшення витрат на ремонт механічного обладнання зі збереженням закладеного рівня надійно- сті, необхідно збільшувати міжремонтні пробіги рухомого складу. Останнє можливо, застосовуючи більш зносостійкі матеріали. У той же час, замінювати технологічний і відносно дешевий матеріал всієї деталі на новий, більш дорогий не має сенсу; найчастіше достатньо нанести на основу зносостійкий ма- теріал на певних ділянках деталі. Технології відновлення деталей автозчепів, що застосовують на даний час, не забезпечують високого ресурсу вказаних деталей, отже, вивчення проблеми зношування і віднов- лення ударно-тягових пристроїв є актуальним і потребує глибокого вивчення. Таким чином, зношувана деталь потребує досліджень механізмів зношування та визначення раціональних режимів та матеріалів при її відновленні. Аналіз досліджень та публікацій з розглядуваних питань показує, що даний напрям перспекти- вний і потребує уваги. В роботах [1-4] представлені результати досліджень триботехнічних властивостей наплавочного матеріалу, який автор пропонує для використання. Безумовно, роботи [1 - 4] заслуговують увагу, проте механізм зношення деталей розкритий не повністю та, на наш погляд, потребує більш до- сконалого вивчення. Метою даної роботи є дослідження механізму зношення елементів автозчепного пристрою ру- хомого складу, що дозволить в подальшому більш точно підібрати зносостійкий наплавочний матеріал. Величина зносу при терті металу по металу визначається, перш за все, такими факторами [5 - 7]: початковим станом поверхонь; родом і характером тертя; питомим тиском тертьових поверхонь і харак- тером прикладання навантаження; швидкістю переміщення тертьових поверхонь і її зміною в часу; спо- собом підвода, кількістю і якістю змащення (в'язкістю, адсорбційною здатністю і характером зміни цих властивостей при різних температурах, тисках та ін); температурними умовами; властивостями утворю- ваних поверхневих плівок; присутністю абразиву і його властивостями; можливостями видалення проду- ктів зносу; формою і розміром тертьових поверхонь, що визначають умови тертя, охолодження, підве- дення мастила і т.д. В роботі [8] проведено статистичний аналіз зносу елементів автозчепних пристроїв. На підставі отриманих результатів статистичного аналізу приходимо до висновку, що різні ділянки корпусу автозче- плення мають різний по величині знос, що очевидно, пов'язано з різними чинниками, які впливають на корпус автозчеплення, наприклад, питомими навантаженнями, наявності абразиву в контактуючих тілах, температури та ін. На рис. 1 показані виникаючі під час експлуатації дефекти та ділянки зношування. Та- кож вимірювання елементів автозчепного пристрою локомотивів і вагонів показали, що найбільше зно- шуються торцева частина хвостовика корпусу автозчеплення 1, отвір під клин 15, малий зуб 10 (рис. 1) і упорна плита. Зупинимося на ділянці 1 корпусу автозчепи (рис. 1) і ударної поверхні упорної плити, які найбі- льше зношуються (рис. 2). Для визначення причин, що приводять до значного зносу торцевої частини хвостовика та упорної плити, проаналізуємо механізм зношування вказаних ділянок. В процесі експлуатації автозчепний пристрій безперервно піддається ударним навантаженням. Основними відмовами автозчепного пристрою є [9]: - порушення висоти автозчеплення від головки рейки; - вигин хвостовика автозчеплення, деталей механізму; - тріщини в корпусі автозчеплення: у кутках ударної стінки і в з'єднанні зіву з бічною стінкою, по кутах вікон для замку і замкотримача, у хвостовику; PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 52 - знос робочих поверхонь корпусу, ударної плити і тягового хомута; - знос робочих поверхонь деталей механізму. У момент зчепу вагонів, руху та гальмування рухомого складу хвостовик автозчепу вдаряє по упорній плиті, після чого вони разом переміщуються, долаючи протидію поглинаючого апарату. Зазор між хвостовиком автозчеплення і упорної плитою в момент руху становить у середньому 5 - 7 мм, але може досягати 10 - 12 мм. Граничне відхилення корпусу автозчеплення від поздовжньої осі в горизонта- льній площині при русі – 17° в кожну зі сторін. Можливий також зсув корпусів автозчепів сусідніх ваго- нів відносно один одного у вертикальній площині. Рис. 1 – Корпус автозчеплення [9] Рис. 2 – Визначення зносу шаблоном корпусу автозчепу електровозу ЧС 2 Хімічний склад сталей, які допускаються ГОСТ 22703-91 для виготовлення деталей автозчепів, наведено в табл. 1. Упорні плити виготовляють зі сталі 20Л, сталі 45, допускається застосування сталі 38ХС. Твердість 255 - 321 НВ. Хімічний склад сталі 45 (мас. частка, %): 0,42 - 0,50 вуглецю; 0,17 - 0,37 кремнію; 0,5 - 0,8 марганцю. Хімічний склад сталі 38ХС (мас. частка, %): 0,34 - 0,42 вуглецю; 1,0 - 1,4 кремнію; 0,3 - 0,6 марганцю; 1,3 - 1,6 хрому. Обидві сталі відносяться до важкозварювальних. Торцева частина хвостовика має квадратний перетин 130 × 130 мм, радіус закруглення – R = 130 мм. Закруглення упорної плити, з яким контактує торцева частина хвостовика, має радіус 150 мм. Заміри плями контакту при ударі дозволяють визначити фактичну площу контакту, яка становить приблизно 17688/2 = 8844 мм2, тобто близько половини номінальної площі ударної частини хвостовика. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 53 Таблиця 1 Хімічний склад вказаних сталей для деталей автозчепу Вміст елементів у відсотках за масовою долею Марка сталі C Mn Si Cr Ni Cu V Ti 20ГЛ 0,17-0,25 1,10-1,40 0,30-0,50 0,30 0,30 0,30 - - 20ФЛ 0,17-0,25 0,80-1,20 0,30-0,50 0,30 0,30 0,30 0,06-0,13 - 20ГТЛ 0,17-0,25 1,00-1,30 0,30-0,50 0,30 0,30 0,30 - 0,01-0,03 20ФТЛ 0,17-0,25 0,70-1,20 0,30-0,50 0,30 0,30 0,60 0,01-0,06 0,005-0,025 20Г1ФЛ 0,17-0,25 1,00-1,30 0,30-0,50 0,30-0,50 0,30 0,30 0,04-0,07 0,01-0,02 20СФТЛ 0,17-0,25 0,90-1,40 0,30-0,50 0,30 0,30 0,30 0,06-0,13 - 20ГСФТЛ 0,17-0,25 0,90-1,40 0,30-0,60 0,30-0,60 0,60 0,60 0,01-0,06 0,006-0,025 20ХГСФАЛ 0,17-0,25 1,10-1,40 0,40-0,70 0,30-0,60 0,30 0,30 0,07-0,11 - 20ХГСФТАЛ 0,17-0,25 1,10-1,40 0,40-0,70 0,30-0,60 0,30 0,30 0,04-0,08 0,01-0,025 20ХГ2СЛ 0,17-0,22 1,50-1,70 0,30-0,60 0,30-0,60 0,30 0,30 - - Один з отриманих відбитків плями контакту при ударі хвостовика об упорну плиту показано на рис. 3, а фіксація сили удару на рис. 4. Рис. 3 – Відбиток плями контакту при ударі хвостовика об упорну плиту вантажного вагону (напіввагону) П од ов ж ня с ил а, т с Рис. 4 – Залежність сили подовжнього навантаження напіввагону при швидкості зіткнення 3,8 км/год Другий контрольний показник – товщина перемички між торцевою поверхнею хвостовика і отвором під клин. Мінімально допустима товщина перемички 40 мм. В процесі експлуатації ударні поверхні піддаються багатократній пружно-пластичній деформа- ції, на поверхні і у приповерхневому шарі виникають напруження, які можуть в десятки разів перевищу- вати межу текучості матеріалу. У теорії міцності [10] приводиться, що крихке руйнування відбувається під дією нормальних, а в'язке руйнування під дією дотичних напружень. Дія цього напруження супрово- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 54 джується відривом частинок металу або крихким викришуванням поверхні. Крім того, при зіткненні ав- тозчепних пристроїв виникає ударна хвиля, частина якої гаситься в поглинаючому апараті, частина в ма- теріалі автозчепного пристрою; в той же час виникає зворотна хвиля; дія цих хвиль також приводить до виникнення напружень в п’ятні контакту ударних поверхонь. На даний час існує наступна класифікація видів зношування при ударі: ударно-абразивне, удар- но-гідроабразивне, ударно-втомлене і ударно-теплове [11]. Під дією різних чинників на поверхні, що зношується, формується рельєф, розглядаючи який на макро- і мікрорівні можна визначити вид ударного зношування. Перед детальним розглядом даного питання зробимо деякі зауваження. Згідно з зазначеною кла- сифікацією [11] ударно-абразивне зношення відбувається внаслідок ударів часток абразиву по металу або навпаки. Наприклад, дія абразивних часток (корунду) при піскоструминної обробці деталі перед газотер- мічним напиленням; зворотний приклад – подрібнення породи молотами або білами. В нашому випадку, розглядаючи ударні взаємодії тіл, ми будемо розуміти, що в результаті ударних навантажень відбуваєть- ся зминання деталей. Тобто такий вид зношення, як зминання (зміна геометричних розмірів без втрати маси) будемо умовно називати ударним зношенням, тобто зношенням в наслідок дії ударних наванта- жень, а розгалуження на ударно-абразивне та ударно-втомлене конкретизує характер контактної взаємо- дії контактуючих поверхонь. При детальному розгляді рельєфу поверхні торцевої частини хвостовика корпусу автозчеплення і ударної плити, що контактує з нею, визначити вид зносу однозначно не можна. Вивчаючи конструктив- ні особливості автозчепного пристрою, умови експлуатації і рельєф ударних поверхонь (рис. 5, 6), можна припустити, що на вказані поверхні діє складна комбінація видів зношування: зминання з абразивним (умовно ударно-абразивне) з прослизанням та зминання з втомленим (умовно ударно-втомлене) з про- слизанням. Розглянемо їх детальніше. а б Рис. 5 – Ударна поверхня хвостовика корпусу автозчепу: а – електровоза ЧС7; б – вантажного вагону При чисто ударно-абразивному зношуванні контактні поверхні піддаються дії з боку твердих ча- стинок, твердість яких може бути більше твердості поверхонь. Частинки втискуються в метал, деформу- ють його, після багатократної дії виникає втома мікрооб'ємів металу, унаслідок чого, відбувається їх від- ділення від основи. У свою чергу, частинки зносу, що утворилися, самі стають додатковим джерелом зносу, якщо вони залишаються між контактуючими поверхнями. Про ударно-абразивне зношування мо- жна судити по рівномірно розподіленій, не направленій шорсткості, без рисок і подряпин [11]. При чисто ударно-втомленому зношуванні контактуючі поверхні мають рівномірну, слабкови- ражену шорсткість, без характерних для ударно-абразивного зношування лунок. Багатократні динамічні дії приводять до деформацій поверхневого шару, наклепу, підвищенню твердості, появі мікротріщин, крихкому викришуванню [11]. В процесі експлуатації деталі рухомого складу, зокрема, автозчепного пристрою безперервно знаходяться під впливом різних чинників, хвостовик автозчепи співударяється з упорною плитою під рі- зними кутами, удар може здійснюватися з прослизанням і без нього, також може бути тертя ковзання без удару і т.д. Крім того, в зазор між хвостовиком автозчепи та упорною плитою потрапляють різні абрази- вні частинки. Відмітимо, що при русі залізничного складу сила і швидкість удару, а також час дії ударного ім- пульсу є випадковими, а їх величина залежить від безлічі чинників (маси потягу, швидкості руху, профі- лю шляху, режиму ведення потягу і т.д.). Для класифікації видів зношування автозчепного пристрою, перш за все, вивчали рельєф повер- хні тертя, оскільки стан поверхні дозволяє в першому наближенні дати якісну оцінку виду зношування. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 55 На рис. 5, 6 показані типові рельєфи ударних поверхонь автозчепу та ударної плити. Абсолютна біль- шість досліджених ударних поверхонь хвостовиків автозчепів має більш менш виражену пляму в серед- ній частині з відносно рівномірною шорсткістю, проте з віддаленням від середньої частини до периферії можна спостерігати подряпини, риски завдовжки до 10 мм і більше. Також можна відмітити, що риски мають певний напрям – від центральної точки ударної поверхні до периферії або від центральної верти- кальної осі і мають в основному горизонтальний напрямок. Відмінність в спрямованості слідів зносу, очевидно, пов'язана з експлуатаційними і технологічними особливостями і для досліджень у даному кон- тексті цікавості не представляє. Проте важливим моментом вивчення даного питання є з'ясування меха- нізму формування спостережуваного рельєфу. Як видно, не під один з перерахованих видів зношування (умовно ударно-абразивний і ударно-втомлений) у чистому вигляді досліджуване зношування віднести не можна. Рис. 6 – Упорні плити Для з’ясування механізмів формування пластичних деформацій та рельєфу поверхонь, що спів- ударяються були проведені моделювання ударів (рис. 7 - 9), лабораторні та натурні дослідження. Моде- лювання ударів дозволило оцінити напружено-деформований стан досліджуваних поверхонь Автозчепи різних локомотивів і вагонів, які мали нові та відновлені до креслярських розмірів поверхні, піддавали періодичному огляду. Таким чином, визначали формування рельєфу поверхні залежно від пробігу. а б Рис. 7 – Розподіл напружень у хвостовику корпусу автозчепу в момент дії навантаження (1 МН): а – при прямому ударі; б – при ударі під кутом PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 56 Рис. 8 – Утворення пластичних деформацій у хвостовику корпусу автозчепу в момент дії максимального навантаження (1 МН) при ударі під кутом Рис. 9 – Розподіл напружень в упорній плиті в момент дії навантаження (1 МН) при ударі автозчепу під кутом В результаті виявлене наступне. Приблизно до 25 тис. км пробігу формується поверхня зношу- вання з рівномірною, слабковираженою шорсткістю без характерних рисок і лунок. По краях ударної по- верхні розклеп не спостерігався. Потім до 50 - 100 тис. км поверхня зношування набуває великої шорст- кості, по периферії з'являється розклеп, на поверхні можна побачити появу подряпин і рисок. Таким чи- ном, можна зауважити, що до 100 тис. км переважно діє зминання та втомлене з прослизанням зношу- вання. Знос в даний період пробігу відбувається за рахунок багатократної деформації поверхневого ша- ру, внаслідок чого частинки стають крихкими та відділяються від основного металу. При цьому унаслі- док наклепу збільшується твердість ударної поверхні, тобто відбувається її зміцнення. Глибина наклепу за цей період досягає 10 - 12 мкм. По краях знос вищий, ніж в середній частині поверхні. Можна припус- тити також, що у момент зіткнення з прослизанням виникає локальне розігрівання точок контакту удар- них поверхонь автозчепу і ударної плити, їх мікрозварювання (схоплювання) і подальший вирив. Починаючи приблизно з 100 тис. км пробігу і далі, на зношування ударних поверхонь більшою мірою діє зминання та абразивне з прослизанням зношування. Цей вид зношування також представляє складність, оскільки діє сукупність чинників, притаманних зносу від тертя ковзання і від дії удару. У пе- ріод, коли в основному діяв вид зношування зминання з втомленим з прослизанням, з контактних повер- хонь відділялися частинки; крім того, під час руху в зазор між хвостовиком автозчепу та ударною пли- тою потрапляють різні абразивні частинки, твердість яких може бути вища за твердість металу. Про наявність абразивного виду зношування свідчить наявність лунок, що створюють відносно рівномірну шорсткість, особливо в середній частині ударної поверхні хвостовика автозчепу. Проте голо- вною відмінністю від ударно-абразивного зношування в чистому вигляді є наявність подряпин і рисок, направлені від центральної частини до периферії. Дане спостереження однозначно говорить про взаємні переміщення контактних поверхонь автозчепу і ударної плити та абразивні частинки, що є між ними. Дійсно, корпус автозчепи в процесі руху може відхилятися на кут 17° в горизонтальній площині в одну сторону, що необхідно для проходження кривих. При цьому відхилення автозчепи може супроводжува- тися ударом; таким чином, відбувається накладення ударного імпульсу з прослизанням. В результаті на ударній поверхні утворюються риски, як правило, розташовані горизонтально і ближче до периферійної частини ударної поверхні. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Механізм зношення елементів автозчепного пристрою рухомого складу Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 2 57 Суттєво впливає на зношення ударних поверхонь пластична деформація основного металу. До моменту постановки локомотива на ремонт об'єму ПР3 або КР знос ударних поверхонь автозчепу і упор- ної плити досягає максимальних значень, по краях поверхні автозчепу, що зношується, спостерігається розклеп (рис. 10), що досягає 7 мм, краї нерівні, є сліди крихкого викришування. Рис. 10 – Залишки розклепу ударної поверхні хвостовика корпусу автозчепу Висновки та перспективи подальших досліджень Підводячи підсумок зазначимо, що в процесі експлуатації рухомого складу на ударні поверхні одночасно впливають різні види зношування, а саме зминання, втомлене та абразивне. Поверхневі шари деталей автозчеплення повинні володіти високим опором проти визначених вище видів зношування. З іншого боку, враховуючи високі механічні навантаження на ці деталі в експлуатації, вони повинні воло- діти високою конструктивною міцністю і пластичністю, які не завжди можуть забезпечити матеріали з високою зносостійкістю або іншими особливими властивостями. Можливим поєднанням таких власти- востей володіють багатошарові конструкції, в яких міцнісні властивості забезпечуються основним мате- ріалом деталі, а її особливі зносостійкі властивості – поверхневими наплавленими шарами. Проведені дослідження дозволяють звузити можливий набір наплавочних матеріалів, заощадив- ши час на проведення експериментів, а також обрати найбільш прийнятні та раціональні варіанти напла- вочних матеріалів. Література 1. Абраменко Д.Н., Павлов Н.В. Триботехнические свойства комплексно-легированного наплав- ленного металла со структурой игольчатого феррита // Вестник ВНИИЖТа. – № 4, 2008. – С. 31-37. 2. Абраменко Д.Н. Микроструктура металла износостойкой наплавки деталей грузовых вагонов. Железнодорожный транспорт на современном этапе. Задачи и пути их решения: Сб.науч.тр. ОАО «ВНИИЖТ» / Под ред. А.Е. Семечкина. – М.: Интекст, 2008. – С. 185-189. 3. Павлов Н.В. Высокопроизводительная износостойкая наплавка литых деталей тележек грузо- вых вагонов / Н.В. Павлов, В.К. Струнец, Д.Н. Абраменко // Развитие железнодорожного транспорта в условиях реформирования: Сб.науч.тр. / Под ред. Ю.М. Черкашина, Г.В. Гогричиани. – М.: Интекст, 2006. – С. 175-183. 4. Синельников Н.Г., Абраменко Д.Н. Специализированное сварочно-наплавочное оборудование грузовых вагоноремонтных предприятий России (Обзор) // Сварщик профессионал. – 2006. – № 1(20). – С. 14-16 5. Гаркунов Д.Н. Триботехника. – М.: Машиностроение. – 1989. – 328 с. 6. Костецкий Б.И. Надежность и долговечность машин. – К.: Техника, 1975. – 404 с. 7. Трение, изнашивание и смазка. Справочник. В 2 т. / Под ред. И.В. Крагельского, В.В. Алисина. М.: Машиностроение, 1978. – Т. 1. – 399 с. – Т.2. – 357 с. 8. Артемчук В.В., Мухіна Н.А., Грічаний М.А., Статистичний аналіз зносу елементів автозчеп- них пристроїв // Вісник Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. – Дніпропетровськ. – 2009. – Випуск 26. – С. 7-10. 9. Інструкція по ремонту і обслуговуванню автозчепного пристрою рухомого складу залізниць України ЦВ-ЦЛ-Цт-0014 / Київ, 2006. 10. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. М.: Машиностроение. – 1974, т. 1. – 472 с. 11. Виноградов В.Н. и др. Изнашивание при ударе / В.Н. Виноградов, Г.М. Сорокин, А.Ю. Алба- гачиев. – М.: Машиностроение, 1982. – 192 с. Надійшла 12.03.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com