Повышение ресурса пары “колесо-рельс” за счет рационального подбора свойств материалов

Во введении на основе результатов ранее выполненных исследований,
отечественного и зарубежного опыта раскрыта актуальность темы и целевая установка диссертационной работы, направленная на увеличение ресурса колес и рельсов, а также выбора рационального соотношения твердости ко- лесной и рельсовой сталей, при существующей тенденции повышения осе- вой нагрузки и скорости движения.
В первой главе рассмотрены основные причины повреждения колес и рельсов в эксплуатации, произведен анализ данных эксплуатации колес нормальной и повышенной твердости, а также изучены результаты исследо- ваний процесса изнашивания при взаимодействии элементов «колесо – рельс» и существующие возможности повышения их эксплуатационного ресурса.
Проведенный анализ данных эксплуатации колесных пар показал, что использование колес с повышенной твердостью снижает вероятность возник- новения таких дефектов как остроконечный накат гребня и тонкомерный гре-
бень, но при этом увеличивается процент неисправностей, связанных термо- механическими повреждениями (выщербины, ползуны и др.).
Выявлены основные причины повреждения рельсов, установлено, что наибольшее их количество приходится на изломы, выкрашивания, отслаива- ния и трещины в головке.
Во второй главе оценивалось влияние твердости стали при взаимодей- ствии колеса и рельса на их износостойкость; выполнен анализ моделей трения в системе «колесо – рельс», существующих методов моделирования триболо- гических систем; выбрана методика экспериментальных исследований этого взаимодействия.
Разработанная методика экспериментальных исследований является уточненной по сравнению с существующей, так как она дает возможность оце- нивать износостойкость колеса и рельса с учетом изменения скорости движе- ния вагона и нагрузки на ось. В разработанных математических моделях рас- сматривались значения твердости головки рельса для каждой серии проведен- ных экспериментов в соответствии со значениями нижнего, среднего и верх- него показателя по ГОСТ Р 51685–2013.
Экспериментальные исследования приводились к условиям, близким к реальным, с использованием теории подобия в соответствии с π-теоремой: скорость движения модели колеса принята равной скорости реального в про- цессе эксплуатации. Рассчитаны значения нагрузок, действующих на колесо в эксплуатации при прохождении прямых и кривых участков пути, и количество циклов, соответствующих периоду интенсивного дефектообразования на по- верхности катания. Методом анализа размерностей произведен переход от натуральных к имитируемым параметрам. В качестве показателей интенсив- ности изнашивания приняты относительная потеря массы образцов колеса и рельса.
Для прямых участков пути были проведены экспериментальные испы- тания на изнашивание образцов с использованием некомпозиционного рота- табельного плана второго порядка (для серии опытов с твердостью рельса 363 НВ). Получены следующие уравнения регрессии в кодовых значениях варьи- руемых параметров, описывающих влияние твердости колеса х1 и вертикаль- ной нагрузки х2 на интенсивность изнашивания:
(1) для рельса – y  0,0975  0,0133x  0,0231x  0,0525x 2  0,0058x 2  0,0115x x , (2)
для колеса – y  0,245  0,0017x  0,0491x  0,12x 2  0,0767x 2  0,0404x x ; a121212
b 121212
где ya , yb – интенсивность изнашивания соответственно материала
колеса и рельса; х1, х2 – кодированные значения твердости и вертикальной нагрузки.
Оценка статистической значимости коэффициентов регрессии прово- дилась по критерию Стьюдента. По уравнениям регрессии (1) и (2) постро- ены линии равного отклика (рис. 1). Для перехода от кодированных значе- ний к натуральным НВ и Р применяют выражения:
НВ = 328 + 35 х1 (3) Р = 1200 + 780 х2 (4) Используя зависимости (3) и (4), можно определить влияние твердо-
сти и вертикальной нагрузки на интенсивность изнашивания колеса и рельса в любой точке исследованной области эксперимента.
Для кривых участков пути были проведены эксперименты с исполь- зованием симплекс-решетчатого плана, в котором учитывается три фактора: твердость материала колеса х1, вертикальная х2 и горизонтальная нагрузка х3 на колесо. Получены следующие уравнения регрессии в кодовых значениях варьируемых параметров:
потеря массы колеса –
ya 0,04×1 0,24×2 0,3×3 0,135x1x2 0,3825x1x3 0,54x2x3  (5)
0,225x1x2(x1 x2)1,1925x1x3(x1 x3)1,08x2x3(x2 x3)0,4275x1x2x3; потеря массы рельса –
(6) 1,215x1x2(x1 x2)0,405x1x3(x1 x3)0,2025x2x3(x2 x3)2,0925x1x2x3,
yb 0,02×1 0,14×2 0,17×3 0,045x1x2 0,045x1x3 0,4275x2x3 
где уа, уb, – параметры, характеризующие интенсивность изнашива- ния; х1, х2, х3 – кодированные значения твердости, вертикальной и боковой нагрузок.
Для перехода от кодированных значений по линиям равного отклика к натуральным НВ, Р1 и Р2 используются выражения:
НВ = 293 + 70 х1 (7) Р1 = 420 + 1560 х2 (8) Р2 = 195 + 1384 х3 (9)
По уравнениям (5), (6) построены линии равного отклика (рис. 1, б). 8

Анализ данных, приведенных на рис. 1, показал, что снижение интен- сивности изнашивания колесной и рельсовой стали достигается при соотно- шении твердости пары «колесо – рельс» равном 1 (≈HBк360/HBр360).
а) б)
Рисунок 1 – Линии равного отклика по некомпозиционному ротатабельному (а) и симплекс-решетчатому (б) планам
В целях конкретизации полученных результатов были поставлены уточняющие эмпирические исследования, состоящие из нескольких экспе- риментов, с эксплуатационной нагрузкой, равной константе (в прямых участках железнодорожного пути).
Зависимости износостойкости рельса и колеса от различных значений твердости сталей представлены на рисунке 2.
а)
9

б)
Рисунок 2 – Зависимость износостойкости рельса и колеса от значений твердости их сталей:
а) граничное значение твердости стали рельса 4010 МПа; б) среднее значение твердости стали рельса 3630 МПа
В третей главе оценивалось влияние твердости сталей колес марок Л, Т, 2 и твердости рельса на значения контактного напряжения.
Выполнен сравнительный анализ методик расчета размера пятна кон- такта колеса и рeльcа. Проведено исследование влияния соотношения твер- дости сталей колеса и рeльcа при действии oсeвой нагрузки на размеры пятна контакта и контактные напряжения, которые вызывают в эксплуата- ции появление дефектов контактно-усталостного происхождения выкраши- вание и выщербины на поверхности катания колес.
Наличие на поверхности катания выщербин изменяет геометрию па- раметров пятна контакта системы взаимодействия «колесо – рельс» из-за появления «П-образной» выработки. В соответствии с этим актуальным ста- новится вопрос оценки влияния контактно-усталостных дефектов – выщер- бин на напряженное состояние в зоне взаимодействия колеса и рельса при разной толщине обода колеса.
Так как колесо симметрично, рассматривалась только 1⁄4 его части, что позволило за счет использования меньшего числа конечных элементов упростить решение задачи.
Смоделированы четыре проекции колеса: с номинальной толщиной обода без дефекта; с номинальной толщиной обода с дефектом – выщер-
бина; с толщиной обода 22 мм без дефекта; с толщиной обода 22 мм с де- фектом – выщербина.
Данная модель представляет собой колесо с геометрическим плоским диском и рельс Р65 (радиус головки рельса 500 мм), размеры колеса и рельса принимались в соответствии с нормативными документами, глубина вы- щербины принята равной 6 мм. Анализ результатов расчетов показал, что:
– у колес без дефекта (без выщербины на поверхности контакта) мак- симальные эквивалентные напряжения расположены на глубине 4–5 мм от поверхности, максимальное напряжение – 0,71 от наибольшего контактного давления;
– у колес, имеющих выщербину на глубине 4–5 мм от поверхности катания в зоне «П-образной» выемки, максимальное эквивалентное напря- жение – 1,71 от наибольшего контактного давления.
С уменьшением значения толщины обода колеса с дефектом – выщер- бина контактное давление возрастает с 1346 до 1617 МПа, но максимальные эквивалентные напряжения при этом практически не увеличиваются (при номинальной толщине обода – 1754 МПа, при толщине обода 22 мм – 1762 МПа)
В соответствии с полученными результатами можно предположить о необоснованной выбраковке колесных пар с тонким ободом и имеющими дефект на поверхности катания колеса – выщербина глубиной до 6 мм.
Например, при наличии на поверхности катания колеса выщербины глубиной 5 мм колесная пара должна браковаться при толщине обода 26 мм и гребня 29 мм. При этом толщина обода в месте образования дефекта составит 21 мм. Исходя из минимально допустимой толщины гребня в экс- плуатации 24 мм остаточный ресурс такого колеса по износу гребня (1 мм толщины гребня, соответствует 10–12 тыс. км пробега) достигнет через 50– 60 тыс. км пробега. И так общий ресурс колеса сокращается на 10 – 12,5 % от общего ресурса 400–500 тыс. км пробега.
Для увеличения ресурса колеса целесообразно рекомендовать допуск дефекта – выщербина глубиной до 6 мм у колес с наименьшей толщиной обода, даже при снижении толщины обода в месте выщербины менее 22 мм.
Эквивалентные напряжения в месте дефекта у такого колеса будут практи- чески такие же, как у нового колеса с аналогичным дефектом.
В соответствии с полученными результатами исследования можно сделать вывод, что образец из стали марки Т (твердость 320 НВ) незначи- тельно уступает образцу из стали марки 2 (твердость 255 НВ) по контактной усталости и отличается меньшим значением коэффициента массового из- носа. Сталь марки Л (твердость 280 – 320 НВ) показала наилучший резуль- тат сопротивления контактной усталости, и так же превосходит сталь марки 2 по параметрам износа гребня. На стадии слабого износа наименьшие зна- чение коэффициента массового износа у стали Л.
Результаты испытания на контактную усталость представлены на ри- сунке 3.
Рисунок 3  Максимальное контактное давление, соответствующее среднему значению предела выносливости
В четвертой главе выполнена оценка влияния твердости стали колеса и рельса на их износ в зависимости от осевой нагрузки и скорости движения подвижного состава (ПС).
Проведены экспериментальные исследования взаимодействия колеса и рельса при переменной скорости движения ПС на стенде с использова- нием модернизированного поперечно-строгального станка модели 735, ко- торый был дооснащен необходимыми элементами для моделирования про- цесса движения колеса по рельсу с имитацией воспринимаемых нагрузок.
В процессе эксплуатации поверхностный слой металла колеса и рельса упрочняется в результате наклепа, а минимальный износ пары «ко- лесо–рельс» наблюдается при соотношении твёрдости близком к единице,
твёрдость образцов колеса и рельса принималась 440 НВ для первой серии опытов, 400, 360 и 320 НВ – для второй, третьей и четвертой серий опытов. Экспериментальные испытания на изнашивание образцов выполня- лись с использованием некомпозиционного ротатабельного плана второго
порядка.
При рассмотрении взаимодействия в системе «колесо – рельс» выде-
лены два независимых входных фактора: х1 – вертикальная нагрузка Р, дей- ствующая на колесо; х2 – скорость движения вагона V. Значения скоростей и нагрузок выбирались в соответствии с линейной скоростью вращения ко- лёсной пары и нагрузки на ось, действующей в эксплуатации, с учётом по- правочных коэффициентов согласно π-теореме. В качестве характеристики интенсивности изнашивания для колеса была принята ya – относительная потеря массы образца, для рельса yb – относительное изменение линейного размера.
Уравнения регрессии, описывающие влияние нагрузки и скорости движения вагона на износостойкость колеса ya, рельса yb, имеют вид:
ya  0,0175  0,0133×1  0,0115×2  0,0125×12  0,0008×2 , (10)
yb  0,015  0,01×1  0,0058×2  0,01×12  0,0033×2 , (11)
По уравнениям регрессии (10) – (11) построены шестигранные мо- дели, для определения минимального износа колеса (а) и рельса (б) в зави- симости от значений соотношения твердости (рис. 4).
Если их рассматривать по отдельности, то можно выявить зависи- мость износостойкости колеса и рельса от нагрузки (Х1) и скорости (Х2). При совмещении этих шестигранников в правильные шестигранные призмы, ещё добавляется ось Х3, по которой указываются значения соотношения твердости колеса и рельса. Нижний шестигранник построен для соотноше- ния твердости колеса и рельса 320/320 (НВк/НВр). Эти математические мо- дели позволяют оценить интенсивность изнашивания колеса и рельса в за- висимости от осевой нагрузки, скорости движения и соотношения их твер- дости. По ним можно определить рациональное значение этого соотноше- ния в зависимости от скорости движения и осевой нагрузки, при котором интенсивность износа колеса и рельса минимальна с целью увеличения их ресурса.
а) б
Рисунок 4  Модели для определения минимального износа колеса (а) и рельса (б) в зависимости от соотношения твердости
Из рис. 4 видно, что рациональное значение твердости стали системы «колесо – рельс», при котором интенсивность изнашивания минимальна, равно 360 HBк/360 HBр.
На рисунке 5 приведены экспериментальные зависимости отражаю- щие влияние соотношения твердости на изнашивание пары «колесо – рельс». Аналогичные выводы сделаны по результатам экспериментов для каждого конкретного значения осевой нагрузки и скорости следования подвижного состава. Интенсивность изнашивания образцов с диапазоном соотношений твердости стали 360/360 НВ – 360/400 НВ в два раза ниже, чем образцов с соотношением твердости стали трибосистемы «колесо – рельс» 320/360 НВ, которое используется в настоящее время.
Рисунок 5 – Влияние соотношения твердости стали на износ колеса (а) и рельса (б)
Проведен сравнительный анализ ресурса колеса с соотношением твер- дости стали системы «колесо – рельс» 320 НВк/360 НВр и 360 НВк/360 НВр, в результате которого установлено, что твердость колеса и рельса 360 НВ позволяет увеличить пробег до первой обточки, а также и срок службы колеса. На рисунке 6 представлены результаты испытания об- разцов из колесной стали (зависимости проката от пробега колеса до первой обточки) соответственно при соотношении твердости стали 320/360 НВ и 360/360 НВ.
Рисунок 6 – Зависимость проката от пробега колеса до первой обточки
В пятой главе произведена оценка эффективности предлагаемого ре- шения по применению оптимального соотношения твердости сталей колеса и рельса, что в свою очередь позволит снизить износ трибосистемы «колесо – рельс».
Экономический эффект достигается за счет: уменьшения потребности в цельнокатаных колесах в связи с увеличением их срока службы; сокраще- ния количества обточек колес в расчете на год; сокращения времени простоя вагонов в ремонте; увеличения межремонтного пробега и эксплуатацион- ного ресурса колеса; дополнительного объема перевозок.
Годовой экономический эффект, рассчитанный на основании данных, представленных вагоноремонтными депо Центральной дирекции по ре- монту грузовых вагонов Западно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД», составит 1,37 тыс. руб. на единицу продукции (вагонное ко- лесо).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе «Повышение ресурса пары «колесо – рельс» за счет рационального подбора свойств материалов» изложены но- вые научно обоснованные технические и технологические решения и разра- ботки, направленные на увеличение ресурса колеса и рельса.
Основные научные и практические результаты диссертационной ра- боты состоят в следующем:
1. Произведен анализ дефектов, исключенных из эксплуатации колес- ных пар «стандартных» и «твердых» колес, который позволил выявить неоднозначную зависимость износоустойчивости и ресурса трибосистемы «колесо – рельс» от твердости сталей. С увеличением твердости стали ко- леса снижается процент дефектов – тонкий гребень и остроконечный накат гребня, но увеличивается процент отцепок по ползунам и выщербинам.
2. Предложена экспериментальная мeтoдикa определения рациональ- ного соотношения твердости сталей рельса и колеса, учитывающая, пере- менные осевые нагрузки и скорости движения подвижного состава, которая позволяет спрогнозировать межремонтный период (пробег) колеса грузо- вого вагона, и может использоваться при проектировании нового подвиж- ного состава и в качестве рекомендаций при производстве железнодорож- ного пути.
3. Выполнены экспериментальные исследования оценки зависимости износоустойчивости и ресурса пары «колесо – рельс» от соотношения твер- дости их сталей с использованием спроектированной установки.
4. Разработаны математические мoдeли, позволяющие определить наименьший износ элементов в системе «колесо – рельс» и соотношение твердости их сталей, учитывающие скорости движения подвижного состава и действующие осевые нагрузки. Выявлено оптимальное соотношение твер- дости сталей колеса и рельса (360/360 НВ) при любых условиях эксплуата- ции, которое позволит снизить интенсивность изнашивания данных элемен- тов и повысить ресурс и межремонтный пробег колеса грузового вагона до 1,5 раз.
5. Ожидаемый годовой экономический эффект при использовании предложенного соотношения твердости сталей колеса и рельса составит 1,37 тыс. руб. на единицу продукции (вагонное колесо).