Баубеков Е.Е.

КУПС, г Алматы, Республика Казахстан

ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ИЗНАШИВАНИЯ КОЛЕС И РЕЛЬСОВ ПРИ КАЧЕНИИ С ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЕМ

 

В настоящее время скорость изнашивания колес, рельсов и лабораторных образцов выражается в единицах, которые трудно сравнивать: скорость изнашивания колес - в прокате или изменении толщины гребня на единицу пробега, рельсов - в уменьшении высоты или ширины головки рельса на единицу пропущенного тоннажа, лабораторных образцов - в потере веса за один оборот ролика.

Согласно представлениям ученных И. В. Крагельского, Д. Ф. Тавернелли, Л. Ф. Коффина, А. Ф. Боувера, К. Л. Джонсона и др. повреждаемость тел при качении с проскальзыванием (в том числе и при некоторых видах износа) определяется только величиной пластического сдвига материала за цикл взаимодействия, который в свою очередь зависит лишь от максимального напряжения цикла. Из этого следует, что при равенстве давлений и тангенциальных сил скорость изнашивания, выраженная как изменение линейных размеров за оборот, не будет зависеть от размеров тел, что и было использовано в работе для расчета и сравнения скоростей изнашивания образцов, колес и рельсов. В настоящее время такой единицей пользуются для сравнения скоростей изнашивания колес и рельсов [1]. Перевод результатов измерения из традиционных единиц в универсальные, мм/оборот, осуществлялся по следующим формулам: Скорость изнашивания колес:

 

 

Скорость изнашивания рельсов:

 

Скорость изнашивания образцов:

 

 

 где   ∆m  -потеря массы образца в результате износа;

           r - радиус образца;

           b -ширина канавки износа;

           р - плотность стали;

           п - число оборотов.

Для того чтобы иметь возможность оценивать скорость изнашивания образцов в этих единицах, приведем сравнительные величины скоростей изнашивания колес и рельсов на некоторых железных дорогах.

Средняя скорость проката колес пассажирского поезда «Тальго», Алматы-Астана с чугунными колодками составляет: зимой - 1,26х10-7, летом -0,73х10-7, в среднем за год 10-7 мм/оборот колеса. Максимальная скорость изнашивания в период приработки - 2,5х10-7 мм/оборот.

Средняя скорость проката колес грузовых вагонов на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа (Россия) под нагрузкой 27 т/ось в условиях смазки рельсов - 3,6x10-8 мм/оборот.

Средняя скорость проката колес грузовых вагонов под нагрузкой 22т/ось, на участке Днепрорудная - Запорожье - 0,7x10-7 мм/оборот (Украина).

В среднем по сети железных дорог СНГ и Казахстана на 2007г. при средней осевой нагрузке 22т и 60% порожних пробегов скорость проката колес грузовых вагонов - 0,4x10-7, интенсивность износа гребней 0,6х10-7мм/оборот.

Средняя скорость износа гребней бандажей электровозов ВЛ80Р Уральского отделения железной дороги РК в 2005г.- 0,7х10-7, в 2006г. - 1,4х10-7, в 2007 и 08гг. - 1,8х10-7мм/оборот. Максимальная интенсивность износа гребней на отдельных электровозах - до 1,7x10-6 мм/оборот.

Боковой износ наружного рельса с твердостью 350...380 НВ в кривой радиусом 250м равен 0,16 мм/млн.т брутто, с твердостью менее 340 НВ - 0,20 мм/млн.т брутто. Среднесетевая нагрузка на ось грузового вагона равна 13,5т. Следовательно, средняя скорость бокового изнашивания рельсов с твердостью 350...380 НВ составляет 2,2x10-6 мм за 1 проход колеса, с твердостью менее 340 НВ - 2,7x10-6 мм/проход.

Скорость изнашивания боковой поверхности наружного рельса при входе в кривую R=300 м на ст. Чашкан, (пригородное движение, нагрузка на ось 19 тонн) составляет: изношенный рельс, весна-лето. 2004 - 4,4...5,6 х 10-6, осень - менее 10-7 мм/об; новый рельс, осень 2004 - 1,1...2,8 х 10-5; изношенный, зима 2005 - 4,9...5,4 х 10-6 мм/об.

Скорость вертикального изнашивания рельсов в установившемся режиме - 1,35x10-7 мм/оборот, в режиме приработки -10-6 мм/оборот.

Скорость бокового изнашивания наружного рельса с твердостью от 291 до 38О НВ на полигоне FAST (USA) под нагрузкой 30 т/ось на участке кривой радиусом 350 м, расположенного на расстоянии 3 км от места нанесения смазки составляет от 0,8х10-6 до 2,8x10-6, в месте нанесения смазки - от 0,9х10-6 до 2,2х10-6 мм/проход колеса [2]. Скорость вертикального изнашивания головки рельса под нагрузкой 30т/ось равна 9х10-7. На дорогах Германии наблюдались скорости вертикального изнашивания рельсов от 10-7 до 15х10-7 мм/проход [1].

Из приведенных данных видно, что обычная скорость изнашивания колес груженых вагонов и бандажей локомотивов составляет около 10-7 мм/оборот. Лишь на некоторых колесах вагонов и локомотивов она превышает 10-6 мм/оборот. В условиях смазки, эта величина снижается на порядок. Боковой износ рельсов в кривых малого радиуса составляет более 10-6 мм/оборот и на порядок превосходит их вертикальный износ. Беспокойство эксплуатационных служб вызывают скорости изнашивания, превышающие 10-6 мм/оборот, которые реализуются в кривых участках  пути   малого   радиуса   и  на   гребнях   отдельных   колес. Поэтому скорости изнашивания до 10-6 мм/оборот можно условно назвать скоростями нормального изнашивания, скорости изнашивания свыше 10-6 мм/оборот - недопустимыми (7 класс износостойкости), скорости изнашивания более 10-4 мм/оборот, которые имеют место при юзе и пробуксовке - катастрофическими (6 класс износостойкости).

Выбор единиц измерения скорости изнашивания непосредственно связан с вопросом переноса результатов лабораторных испытаний на практику. На западе предпочтение отдается удельной скорости изнашивания, т.е. линейной или весовой, отнесенной к единице площади контакта (П. Клэйтон, В. Шпехт и др.) и соответственно считается, что износ пропорционален площади контакта. В этом случае скорость изнашивания колес к рельсов, площадь контакта которых в 50 раз больше, чем на образцах, была бы в 25 раз выше, чем образцов при идентичных напряжениях и проскальзываниях, чего не наблюдается на практике. С другой стороны абсолютная независимость скорости изнашивания от размеров тел и нагрузки также кажется маловероятной. По оценке сотрудников отделения металлов ВНИИЖТа И.А.Жарова и И.А.Комаровского, сделанной буквально в последнее время, скорость изнашивания колес и рельсов в 5 раз выше скорости изнашивания образцов при идентичных по давлениям, проскальзываниям, материалам и состоянию поверхностей условиях. Однако в любом случае результаты выполненных экспериментов сравнения скоростей изнашивания, как изменение линейных размеров за оборот, дали много новых данных для оценки и сравнения материалов при различных режимах испытания и эксплуатации и могут быть использованы для качественного переноса результатов лабораторных экспериментов на эксплуатационные условия. Так например только благодаря тому, что скорость изнашивания определялась в этих единицах обнаружен эффект катастрофического смятия (пластического износа) колесного ролика с твердостью менее 300 НВ в условиях качения с проскальзыванием свыше 10% и давлениях близких к эксплуатационным при одновременном резком снижении скорости изнашивания контртела. Иными словами предел контактной текучести Джонсона [3] для колесной стали с твердостью менее 300 НВ находится в пределах эксплуатационного диапазона давлений.

 

 

Литература:

 

1.  Krause H., Lehna H. Investigation of tribological characteristics of rolling-sliding friction systems by means of systematic wear experiments under well-defined conditions. Wear, 1987, VI19. P. 153...174.

2.  Аннафиус Дж. Итоги испытания рельсов с высокими осевыми нагрузками.// Железные дороги мира 1992, №8. С.42...54.

3.  Johnson К. L. and Jeneris J. Plastic flow and residual stresses in rolling and sliding contact, Proc. Ihst. Mech. Eng. Symp. on Rollind Contact Fatigue, London, 1963, Institution of Mechanical Engineers, London, (1963) p. 45. 355