Нанесение износостойкого покрытия на гребень бандажа
Транспортная компания Дрездена (DVB) исследует возможности увеличения срока службы колес рельсового подвижного состава с помощью износостойких покрытий, наносимых на гребень бандажа. В частности, была поставлена задача увеличить временнуй интервал между заменами колес с 3 до 4 лет. Нанесенное покрытие должно снизить до минимума износ гребня, благодаря чему увеличится срок службы высоконагруженных колес железнодорожного подвижного состава и вагонов трамвая при одновременном уменьшении износа рельсов.
Материаловедческие аспекты разработки метода нанесения покрытий
Требования к различным зонам колеса в значительной мере противоречивы. Выполнить их невозможно, например, только путем выбора соответствующего материала или его модифицирования. С точки зрения возможности использования износостойких покрытий следует рассмотреть следующие требования специалистов по эксплуатации подвижного состава:
для лучшей передачи продольных сил трение в контакте колесо - рельс должно быть высоким;
для исключения опасности схода необходимо стремиться к тому, чтобы трение в зоне прижатия к рельсу боковой грани гребня было как можно меньше;
для обеспечения стабильной формы боковой грани гребня, т. е. величины ее угла, необходимо, чтобы изменение формы вершины гребня было минимальным;
для обеспечения постоянства формы гребня необходима высокая износостойкость его материала.
На специальном стенде для исследования износа были проведены работы с упрощенной моделью, в которой гребень почти тангенциально набегает на головку рельса. По поверхности ролика, изготовленного из рельсовой стали, в продолжительном режиме скользил стальной штифт с покрытием. Условия его касания и сила прижатия были близки к эксплуатационным. Проведены сравнительные исследования износа для разных материалов покрытия. Помимо этого с помощью измерений доказано улучшение механических свойств рельсов под действием материала покрытий.
В технике износостойких покрытий известны различные пбры материалов, которые под действием нагрузок рассмотренного типа обеспечивают значительное снижение износа. Для того чтобы эти пбры материалов можно было использовать в системе колесо - рельс, необходимо выполнение определенных граничных условий, в частности, исключающих применение использовавшихся ранее методов нанесения покрытий. Граничные условия касаются также прочности сцепления покрытия с основой, резерва износа, которым обладает слой покрытия, а также экономии, которую в перспективе обеспечит данный метод.
Гребень бандажа подвержен действию сил направления колесной пары в колее, а у колеса трамвая он дополнительно нагружается в результате прижатия обратной стороны к стенке желобка трамвайного рельса. Помимо этого степень нагружения определяется подбором материалов в паре колесо - рельс. Эксплуатационную нагрузку, зависящую от места, длительности контакта, величины возникающих сил и окружающей среды, точно определить сложно. Изменения, происходящие с металлом на поверхности и в глубине бандажа, приводят к его износу, который легко определяется визуально, но требует больших затрат для измерения. Изменение геометрии деталей в различных областях техники стало причиной появления множества приближенных методов измерения износа, на основании которых делаются выводы о пригодности детали к дальнейшей эксплуатации или о необходимости обточки бандажа (в случае железнодорожного колеса).
В исследованиях DVB использовались данные, собранные на сети трамвая Дрездена, которыми характеризовались различные проявления износа: деформация, сплющивание и уширение вершины гребня, уменьшение высоты гребня и угла его боковой грани, а также изменение поверхности последней.
Для колес с одинаковой геометрией износ зависит от следующих факторов:
осевой нагрузки;
концепции движения экипажа в колее (тележек с колесными парами или ходовой части с колесами, вращающимися на оси);
материала рельсов и колес;
геометрии ходовой части (параллельное направление колесных пар без бокового смещения);
профиля пути.
Износ колес приводит к изменению их геометрии и расстояния между гребнями бандажей (у трамвайных колесных пар). Тем самым с течением времени повышается опасность схода подвижного состава с рельсов. При этом опасность схода тем выше, чем меньше диаметр колес. При достижении критического износа или в связи с появлением ползунов (полигонизацией колес) проводится обточка бандажей колесной пары, в результате чего диаметр колес уменьшается. Обточка не может проводиться как угодно часто, так как сокращает срок службы колесной пары.
На трамвайной сети существуют следующие дополнительные факторы, в силу которых обточка колесных пар здесь производится значительно чаще, чем на железной дороге:
движение с опиранием вершины гребня на дно желобка рельса;
нежелательное касание нерабочей стороны гребня стенки рельсового желобка; меняющийся профиль рельсов;
малый радиус кривых;
резко меняющиеся продольные силы в режимах тяги и торможения;
вид движения вагона трамвая (одно- или двухстороннее);
"рост" гребня в результате резкого увеличения проката бандажа.
Индукционный метод нанесения покрытий, примененный для рассмотренных конкретных условий, обеспечивает увеличение срока службы колес за счет удлинения интервалов времени между обточками. В перспективе совершенствованием метода могут быть обеспечены такие условия, при которых потребность в обточке колес отпадет. На рис. 1 показаны кривые реального и прогнозируемого износа для колес различных типов.
Рис. 1. Реальный и прогнозируемый износ (V) гребней бандажей в зависимости от пробега (L) для колес различного типа: 1 - типа NGT6D, свободно вращающееся на оси; 2 - колесо вагона Tatra без покрытия; 3 - износ стандартного колеса железнодорожного вагона; 4 - прогноз для колеса NGT6D с износостойким покрытием; 5 - колесо платформы типа RoLa без покрытия; 6 - колесо вагона Tatra с покрытием (результат испытаний, проведенных до 1998 г.)
Приведенные кривые, полученные на базе данных из теории и практики, показывают, что предлагаемый метод может обеспечить повышение срока службы колес, т. е. снижение затрат на их текущее содержание. Обрыв кривых, относящихся к трамвайным колесам, на величине пробега 60 тыс. км объясняется тем, что эта цифра характеризует средний годовой пробег вагонов Tatra, исследовавшихся в течение этого срока.
При разработке метода были выбраны такие материалы, которые обеспечили:
высокую вязкость и деформационную способность нанесенного слоя;
специальные свойства наружной поверхности покрытия, коэффициент трения которого соответствует минимальной вероятности схода с рельсов;
низкий износ в системе колесо - рельс;
высокую прочность сцепления с материалом основания;
однородность структуры и отсутствие пор в материале покрытия;
достаточный резерв слоя покрытия по износу (слой покрытия толщиной 1 - 2 мм изнашивается более чем за год эксплуатации колеса трамвая);
низкую стоимость и возможность нанесения покрытия за один проход;
возможность повторного нанесения покрытия без предварительной механической обработки поверхности.
Для отдельных случаев применения, т. е. для колес определенных типов, метод индукционного нанесения покрытий обеспечивает снижение износа гребня бандажа в 10 раз без увеличения износа рельса.
Метод нанесения покрытий и способы контроля
На рис. 2 показан принцип нанесения покрытия, основанный на индукционном расплавлении подаваемого самотеком металлического порошка. Процесс соединения расплава с поверхностью колеса ближе к наплавке, чем к наварке.
Рис. 2. Схема процесса индукционного нанесения покрытия
Для экспериментов по нанесению покрытий взяли колесо платформы типа Rollende Landstrae (RoLa), которое вращалось под индуктором. В качестве источника питания для индукционного нагрева служил ТВЧ-генератор (40 кВт, 250 кГц), к выходу которого подключен индуктор. Температуру нагрева регулировали изменением мощности. Благодаря подогреву материала основания, происходившему одновременно с расплавлением порошка, обеспечивалась оптимальная термическая нагрузка материалов основания и покрытия. Их медленное одновременное остывание способствовало низкому уровню собственных напряжений, возникающих в основном материале и нанесенном слое. Высокая прочность сцепления обеспечивается диффузией материала покрытия в металл колеса без образования промежуточного слоя. В процессе обработки поверхность гребня, на которую наносится покрытие, располагается почти горизонтально, так как расплавившийся порошок в течение нескольких секунд находится на ней в жидком состоянии.
С помощью этого метода могут расплавляться порошки любого состава. Зона расплавления, имеющая площадь 10 - 30 см2, находится в атмосфере защитного газа, предотвращающего возможность реакции между поверхностью покрытия и воздухом. Опыт нанесения покрытий показал, что поверхность расплава в зависимости от его вязкости может взаимодействовать с магнитодинамическими силами, действующими в зоне индуктора. Характер этого взаимодействия зависит также от температуры, при которой расплавленный металл утрачивает ферромагнитные свойства (точки Кюри). Последнее обстоятельство говорит о том, что при организации рабочего места необходимо особо тщательно подходить к подбору и совмещению технологических параметров, которые зачастую могут быть противоречивыми.
Испытания колес с покрытием, нанесенным на гребень, проводились на трамвайной сети Дрездена. Исследовали слой покрытия толщиной 1 и шириной 25 мм. Материал покрытия представлял собой сплав, комплекс свойств которого должен был обеспечить оптимальные характеристики по прочности сцепления с основой, вязкости и износостойкости. Покрытие было нанесено на обе грани гребня, так как движение по желобчатым рельсам и перекатывание вершины гребня в зонах стрелочных переводов и глухих пересечений неизбежно ведет к износу обеих граней. На DVB двусторонний износ наряду с другими видами дефектов учитывается в суммарном показателе, определяющем сокращение срока службы колеса.
Поскольку колесо является элементом, непосредственно влияющим на безопасность движения, для процесса нанесения покрытий решено разработать требования, в соответствии с которыми он будет допущен к использованию на сети DBAG. Колеса с нанесенным защитным слоем DVB подвергали ультразвуковому исследованию. Результаты показали, что термообработка, которой колесо подвергается при нанесении покрытия, не вызывает его повреждений. Помимо этого исследовали механические характеристики основного материала и покрытия на образцах, вырезанных из колеса с нанесенным покрытием.