Технические науки/4. Транспорт

К.т.н. Ражковский А. А., к.т.н. Петракова А. Г., Бунькова Т. Г.

Омский государственный университет путей сообщения, Россия

ОПТИМАЛЬНОЕ СООТНОШЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ТРУЩЕЙСЯ ПАРЫ «КОЛЕСО-РЕЛЬС»

Продолжительность службы колес и рельсов в значительной степени обусловливается твердостью стали, используемой для их изготовления.

Многие работы по изучению зависимости износостойкости от твердости проводились только на образцах из колесной или рельсовой стали без должной оценки степени влияния прочности одного элемента на износостойкость другого в паре, моделирующей работу колеса и рельса.

Для повышения ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов и железнодорожных рельсов и снижения интенсивности их изнашивания необходимо выбрать рациональный интервал их твердости. На продолжении многих лет ученые пытаются разрешить эту проблему простым способом повышения поверхностной твердости колеса и рельса. Однако такой подход является спорным, и активное его обсуждение во всем мире не привело к единому мнению.

Результаты эксплуатации на сети железных дорог цельнокатаных колес повышенной твердости подтверждают ряд их преимуществ перед серийными колесами, которые заключаются в существенном снижении тонкого гребня, а также незначительного уменьшения остроконечного наката гребня, кольцевых выработок и прочих дефектов. Существуют и отрицательные проявления: увеличение количества ползунов и выщербин, то есть дефектов термомеханического происхождения.

Из анализа соотношения дефектов цельнокатаных колес и цельнокатаных колес повышенной твердости можно сделать вывод, что решение о повышении твердости цельнокатаного колеса, как пути уменьшения активного износа пары трения колесо-рельс, не является достаточно обоснованным.

В. А. Гапанович считает, что нельзя бесконечно стремиться к высокой технически достижимой поверхностной твердости рельсовой стали, это ведет к существенному ухудшению комплекса характеристик служебных свойств, в том числе и к ее охрупчиванию. Возникают и немалые технологические проблемы.

В статье В. А. Гапановича выполнен анализ данных проекта стандарта ГОСТ Р51685 и результатов испытаний высокопрочной рельсовой стали можно сделать вывод о том, что повышение твердости (пределов прочности и текучести при растяжении) рельсовой стали не является обоснованным и тем более эффективным, если требуется увеличить сопротивление усталости и износостойкость рельсов.

Оптимальное соотношение твердости колеса и рельса в России минимальное (0.86), в странах Европы – максимальное (1.1). Из триботехники известно, что лучшую износостойкость в трущейся паре проявляют металлы с примерно одинаковой твердостью.

Для определения оптимального соотношения твердости пары трения колесо-рельс были проведены экспериментальные исследования.

Установка была реализована на базе токарно-винторезного станка модели 1К62. В данной установке происходит имитация непрерывности процесса движения и прохождения стыка рельсов за счет того, что модель рельса выполнена в виде диска с пропилом.

Модели колеса и рельса вращаются с определенной частотой, значения которой выбирались в соответствии с линейной скоростью вращения колесной пары с учетом поправочного коэффициента по π – теореме.

Данный эксперимент был проведен для случая прямых участков, с постоянной нагрузкой на ось.

Твердость модели рельса оставалась постоянной и равной 401 HB, что соответствует верхнему пределу твердости рельса по ГОСТ З51685-2000, а твердость модели колеса варьировалась в пределах 293-363 HB в соответствии с ГОСТ 10791-2004. Также в данном эксперименте использовались образцы с твердостью, выходящей за пределы, установленные стандартом, чтобы получить полную картину по износостойкости колеса и рельса. В качестве измеряемого параметра использовалась относительная потеря линейного размера образцов колеса и рельса в зависимости от соотношения их твердости и потеря веса образцов. Соотношению 0.64 соответствует твердость образца серийного колеса 255 HB; 0.73 – 293 HB; 0.78 – 311 HB; 0.83 – 331 HB; 0.85 – 341 HB; 0.91 – 363 HB и соотношению 1.11 соответствует твердость образца 444 HB.

Минимальный износ и колеса и рельса приходится на соотношения 0.91(HBк363/HBр401) и 1.11(HBк444/HBр401).

С повышением твердости колеса износ колесного и рельсового образцов возрастает до твердости HB 341, что объясняется наличием микрорельефа, изменяющего на макроуровне контактные характеристики образцов колеса и рельса, к которым относятся номинальное давление, номинальная область контакта, зависимость внедрения от приложенной нагрузки. Далее износ уменьшается, что объясняется сродством прочностных характеристик материала колеса и рельса.

По проведенному экспериментальному исследованию на износ можно сделать вывод, что оптимальным соотношением твердости колеса и рельса является значение, близкое в 1, т.е. в пределах от 0.91(HBк363/HBр401), здесь имеет место минимальный износ и колеса и рельса по потере массы, до 1,11(HBк444/HBр401), что соответствует минимальному износу по относительной потере линейного размера образцов. Однако с точки зрения снижения стоимости ремонта колеса наиболее приемлемым является соотношение 0,78 (HBк311/HBр401).

В связи с тем, что мы не получили однозначного решения проблемы повышенной интенсивности изнашивания цельнокатаных колес и железнодорожных рельсов, требуются дальнейшие исследования по выбору рационального соотношения их твердости, в котором может быть достигнуто оптимальное соотношение механических свойств колесной и рельсовой стали.