BG110502A - Метод за локално закаляване на железопътни колооси - Google Patents

Abstract

Методът намира приложение в транспорта и металургията при закаляване на железопътните колооси. Решен е проблем с повишаване на срока на експлоатация, респективно ресурса на пробега на железопътните колооси. Методът се състои в закаляването на метала на едно от двете колела, което се извършва посредством провеждане на електрически ток през въртящи се контактни ролки, които се притискат с налягане към обработваната повърхнина. Загряването и закаляването на повърхнината се извършва във формата на една или няколко ленти. Скоростта на въртене на колелото при загряването е от 3,5 до 15 об./h.

Description

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТА

При експлоатацията на релсовите превозни средства се получава сложно и интензивно взаимодействие на колоосите с работната повърхнина на релсите.

Вследствие на многообразен комплекс от експлоатационни фактори в зоните на най-голямото натоварване от контакта на колоосите с релсите се получава повишено износване на метала, което води до преждевременно бракуване на двойките колела. Тези зони се наричат също и зони на преждевременно износване. Според експлоатационните условия се появява износване на метала преди всичко на повърхнината на реборда на бандажа както и на повърхнината на търкаляне.

Според изискванията към колоосите по отношение на експлоатационната сигурност те трябва да се ремонтират при износване на бандажа на колелото над 24 мм и 28 мм за вагоните на • · • · * · ♦ ♦ · .· . : · :::.:

₂·:.·..· ·..· ..· товарните влакове и за вагоните на пътническите влакове. Допускат се най-много общо четири ремонта, след което колоосите стават негодни за употреба и трябва да се изхвърлят. Провеждането на ремонтните дейности води основно до спиране от движение на релсовото превозно средство и изисква големи финансови разходи и загуба на време.

От изложеното по-горе следва, че повишаването на ресурса на пробега респективно срока на експлоатация на железопътните колооси представлява изключително актуална задача.

V

От RU 2153008 е известен един метод за локално закаляване на железопътни колооси, който предвижда загряване на работната повърхнина на колелото чрез провеждане на електрически ток посредством подвижни електроди, които се притискат с налягане към обработваната повърхнина и с тяхната помощ върху работната повърхнина на колелото се образуват термообработени места във формата на ленти.

С Недостатъците на този метод са следните :

1. Невъзможността да се получат двойки колела, които да притежават еднакви характеристики на закалените зони, тъй като технологиите на тяхната термообработка не са посочени. В случай на значително прегряване на метала над точката Асз, локалните зони на структурните превръщания ще бъдат много големи, последствията от което ще бъдат големите остатъчни натоварвания в детайла. (Точката Асз определя при процеса на загряване на стоманата температурата на превръщане на перлитната структура в аустенитна структура. Тази температура ·· ·· · зависи от химичния състав на стоманата и може да се колебае между 727°С и 911°С. За закаляване стоманените детайли се загряват до температури около 20° - 40°С над точката Асз). Освен това колоосите могат да притежават висока твърдост и едновременно с това ниска пластичност, което може да доведе в процеса на експлоатация до счупвания вследствие на трошливостта на закалените места. В случай на недостатъчно загряване под точката Асз не се достига желаната твърдост на метала и с това обявеният ефект.

2. Не се взема предвид съотношението на твърдостта между работната повърхнина на колоосите и на релсите. Значителното превишаване на твърдостта на колоосите може да доведе до интензивно преждевременно износване на работната повърхнина на релсите. Такава ситуация може да бъде свързана с големи материални загуби.

3. Не се споменават местата на локалното действие на топлината и техните параметри, които определят свойствата на обработваните зони и вследствие на това срока на експлоатация на колелата.

В допълнение на това от RU 2153007 е известен един метод за локално закаляване на железопътни колооси, при които всяко колело е изпълнено във формата на цилиндрична работна повърхнина и на бандаж, който е свързан с нея посредством преход със закръгление (с радиус), включващ закаляването на метала посредством провеждане на електрически ток през въртящата се контактна ролка, която се притиска към обработваната повърхнина, при което повърхнината се закалява във формата на лента.

Недостатъците на този метод са както следва :

1. При локално загряване до стандартните температури на закаляването (други температури не са посочени) се получава голямо отвеждане на топлина в масата на колооста. Затова в загряваната маса на метала, която се намира под електрода, не се осъществява в пълен размер превръщането на фазата на перлитната структура в аустенитна структура с нейния последващ преход в мартензитна закалена структура, което води до незначително увеличаване на локалната якост. Технологиите на охлаждане също не са посочени, но от това зависи видът на получената структура, която определя нивото на твърдостта.

2. При този метод не са посочени конкретните места, на които трябва да се извърши локалната термообработка за повишаване на ресурса на пробега на колооста. Може да се случи също и това, че лентата на закаления метал да е разположена върху прехода със закръглението и то от бандажа към зоната на търкаляне, където натоварванията по време на експлоатация са най-големи. Или тази зона при действието на температурите в обхвата от 650°С - 750°С е подложена на снемане на напреженията. В двата случая значително се намаляват надеждността и срокът на експлоатацияд респективно ресурсът на пробега на колоосите.

Вследствие на това приложението на споменатия по-горе метод не позволява производството на железопътни колооси с по-високо и по-стабилно качество, което да гарантира повишаването на срока на експлоатация респективно на ресурса на пробега.

• ·

• · · « · • · • · • · • · · • · · · · ·

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Техническият проблем, който трябва да реши изобретението е да повиши срока на експлоатация, респективно ресурса на пробега на железопътните колооси.

Този техническият проблем е решен с метода на изобретението според претенция 1.

Решението на проблема се постига по такъв начин, че при метода за повишаване на срока на експлоатация, респективно на ресурса на пробега на железопътните колооси, при които всяко колело е изпълнено във формата на цилиндричен работен детайл с работна повърхнина, респективно повърхнина на търкаляне и бандаж, който се свързва с нея посредством преход със закръгление, закаляването на метала на колооста, респективно на колелото се извършва посредством провеждане на електрически ток през въртящите се контактни ролки, които се притискат към обработваната повърхнина с налягане, при което загряването и закаляването на повърхнината се извърша във формата на една или няколко ленти. Изобретението се отличава с това, че загряването за закаляване може да се извърши в два пръстеновидни участъка респективно пръстеновидни зони, при което границите на първия участък започват от свързващата линия на прехода със закръглението в началото на повърхнината на търкаляне и може да се простира по цялата ширина на повърхнината на търкаляне. За предпочитане е първият пръстеновиден участък да се простира на разстояние около 30 мм по ширината на повърхнината на търкаляне. Границата на втория участък започва от свързващата линия на прехода със закръглението с прилежащата повърхнина на бандажа и се простира до 35мм по ширината на повърхнината на бандажа. Локалното загряване във всеки от споменатите участъци се извършва във формата на една или няколко пръстеновидни ленти, при което ·· ·· · температурата на загряване превишава температурата на фазовото превръщане Асз с около 60° С - 280°С. Ако загряването се извърши по протежение на няколко ленти, предпочита се разстоянията между участъците на топлинното действие на всяка лента да е най-малко около 2 - 4 мм от всяка страна на зоната на загряване. Предпочита се скоростта на въртене на колооста при загряването да е около 3,5 -15 оборота в час. Лентите на загряването могат да се изпълнят като непрекъснати или прекъснати пръстеновидни участъци с различна конфигурация.

ПОЯСНЕНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИ

На фигура 1 е показан схематичен подробен изглед на взаимодейтвието на железопътното колело на колооста с железопътната релса.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТО

Анализът на зоните на преждевременното износване ( зони на най-голямото натоварване от контакта на колоосите с релсите) показа, че в колоосите те се намират в два пръстеновидни участъка. При това границата на първия участък започва от свързващата линия на прехода със закръглението в началото на повърхнината на търкаляне и може да се разпростре по цялата ширина на повърхнината на търкаляне. Границата на втория участък започва от свързващата линия на прехода със закръглението с прилежащата повърхнина на бандажа и се простира на разстояние до 35 мм по ширината на повърхнината на бандажа. Тези зони на най-голямото натоварване са означени на фигура 1 с цифрата 4. По отношение на работната повърхнина на релсите (означена с цифра 1 на фигура 1) мястото на външната страна ·· ·· · на прехода със закръглението на главата на релсите притежава найголямото локално закаляване, както това е показано чрез обхвата 2 на фигура 1. Това се обяснява така, че вследствие на преминаването към повърхнината на търкаляне на главата на релсите се получава локално повърхностно закаляване на метала на релсите до 800 НВ на дълбочина около 0,15 - 0,20 мм, при което НВ означава твърдост по Бринел.

Под влиянието на ъгловото натоварване на двойката колела респективно на релсата се извършва пластично преместване на закаления горен пласт от повърхността на търкаляне на релсата към главата на релсата, т.е. в зоната на взаимодействието с бандажа на колооста или зоната на преждевременното износване (зона на найголямото контактно натоварване). Твърдостта на материала на колооста, която е означена с цифрата 3 на фигура 1 е 280 НВ. Вследствие на полученото състояние на напрежение и повишаването на локалната якост на метала на главата на релсата се получава повишено локално износване на метала на колелото. Местата на повишено износване са : зоните на бандажа, граничещи с прехода със закръглението и граничещите с прехода със закръгление зони на повърхнината на търкаляне. Повишаването на локалната твърдост на метала в споменатите зони на колелото до 550 - 800 НВ дава възможност за увеличаване на срока на експлоатация респективно на ресурса на пробега на колоосите, при което статичното средно износване на релсите остава непроменено.

Методът, според изобретението, може да се реализира по следния начин. Колоосите се поставят върху специално съоръжение, което е оборудвано със специален механизъм за завъртване и устройство за концентрирано локално загряване. Съоръжението е

оборудвано с датчици, които регистрират параметрите на разпределението на локалните температурни полета и скоростите на охлаждане. Съоръжението може като опция да се доокомплектова и с допълнителен източник за загряване, който при нужда осъществява термичното отвръщане на обработваната зона. Концентрираното локално загряване може да се проведе например посредством специален електрод. Той може да бъде изпълнен например във формата на плоска, въртяща се ролка, която се притиска с предварително зададено натоварване към определена точка на повърхнината на колооста.

При включване на съоръжението започва да се върти двойката колела с предпочитана скорост около 3,5 до 15 оборота в час. Конкретната скорост на въртене се избира в зависимост от диаметъра на колооста, от ширината на работната повърхнина на електродите, от параметъра на загряването и други подобни.

Предпочита се загряването за закаляване да се извършва едновременно във всички участъци на колооста, които трябва да се обработят термично. Ако това се отнася за участък на бандажа, тогава единият край на тази зона респективно на този участък ще започне от свързващата линия на прехода със закръглението в началото на бандажа. Тази зона е приблизително 35 мм широка. Когато този участък се намира върху цилиндричната част на повърхнината на търкаляне, тогава единият край на тази зона започва от свързващата линия на прехода със закръглението с прилежащата повърхнина на търкаляне. Тази зона може да се простира по цялата ширина на повърхнината на търкаляне. Предпочита се ширината на тази зона да бъде приблизително 30 мм.

• ··	•	• ·
•	•	•	• »
• · ♦	•		• ·
• · ·	• ·	•	··*
• · ·	• ·
··· ·«	·«	··

··· ·«

В споменатите зони закаляването се извършва във формата на един или два пръстеновидни участъка, за предпочитане е те да са разположени върху повърхнината на бандажа и в няколко пръстеновидни участъка, които могат да бъдат разпределени по цялата повърхнина на търкаляне на колооста.

Свързващите линии на краищата на повърхнината на търкаляне и на бандажа с прехода със закръглението се определят посредством универсален шаблон за контролиране на параметрите на повърхнината на търкаляне на колоосите. Тези шаблони намират широко приложение при определяне на износването и вертикалното отслабване на реборда на бандажа на колоосите.

Загряването, което се извършва в зоната на контактните точки на електродите и на предварително зададените повърхнини на колелото, се извършва във формата на една или няколко концентрични ленти респективно пръстеновидни ленти. Температурата надвишава началото на фазовото превръщане Асз с около 60°С - 280°С, а скоростта на въртене на колооста е приблизително 3,5-15 оборота за час. При тази температура и при предварително зададената скорост на въртене се извършва превръщането на фазите в пълния предварително зададен обхват. Това гарантира в целия предварително зададен обхват наличието на мартензитна структура, която се отличава с голяма твърдост, чиято стойност е около 550 - 800 НВ. Дълбочината на участъка с такава структура е около 3-5 мм, което позволява да се увеличи ресурса на железопътните колооси с около 2,5 пъти.

В обхвата на материалите, които не са загрети до температурата на фазовото превръщане, твърдостта на метала остава на изходящото ниво (280 НВ). Това обстоятелство играе важна роля за гарантиране на голяма надеждност и сигурна работа на железопътните колооси, които са подложени на локално закаляване. Пластичната основна маса на метала ще предотврати евентуалното появяване и разпространяване на пукнатини. При необходимост при последващо локално загряване посредством метод на отвръщане могат да бъдат отстранени остатъчните топлинни натоварвания.

При локално загряване над споменатите температури и при последващо бързо охлаждане в работната зона се образува иглена мартензитна структура. Тя се отличава с голяма твърдост и трошливост. При експлоатация в такива зони се получават пукнатини в метала в закалените зони. Освен това такава експлоатация води до прегряване на големи количества метал, където трябва да се извърши фозовото превръщане, което от своя страна ще доведе до повишаване на стойността на остатъчните напрежения, които също допринасят за бързото образуване на пукнатини.

Загряването под споменатите граници на температурата на практика няма да доведе до превръщане на структурата на метала в зоната на действие на температурата и няма да окаже влияние върху твърдостта на метала на двойката колела. Срокът на експлоатация респективно ресурсът на пробега в този случай няма да се увеличи значително.

Още една важна характеристика, която определя срока на експлоатация, респективно ресурса на пробега на железопътните колооси, които се закаляват локално, е дълбочината на закаляването, на коята се разполага мартензитната структура. Малката дълбочина до около 0,5 мм не позволява да се постигне ефектът според изобретението, защото тя сравнително бързо се износва.

Предложеното локално закаляване на колоосите в зоната на преждевременното износване може да се извърши след всяко възстановяване на геометрията на профила на колооста в процеса на ремонта.

Пример за реализиране на метода според изобретението :

Предложеният метод беше реализиран с помощта на една група от 12 нови колооси. Химическият състав и механичните свойства на метала на колелата се характеризират с посочените по-долу параметри:

С = 0,60; Si = 0,60; Мп = 0,90; Р = 0,035; S = 0,030

Механични свойства:

граница на якостта Gb= 980,66 МРа; относително удължение δ= 10% и ф = 15% ; твърдост по Бринел НВ = 280; ударна жилавост на мостри с изрязване във формата на U KCU = 34,32 Nm/cm².

Група от колооси беше закалена локално по метода според изобретението. Върху описаното по-горе съоръжение колоосите бяха нагрети в обхвата на зоната на преждевременното износване, както е описано по-горе. Металът на споменатата зона беше загрят до температура 1080°С. Върху същото съоръжение беше извършено по подобен начин термичното отвръщане при температура 600°С за отстраняване на остатъчните натоварвания и за подобряване на структурата. Вследствие на извършените операции твърдостта на метала в термообработените пръстеновидни зони (зона на преждевременното износване) беше 580 НВ. Дълбочината на локалното закаляване на термообработените участъци беше 3,8 мм (беше определена от мостри на микрошлиф). Първоначалната твърдост на релсата беше 320 НВ.

колооси бяха поставени на изпитания. Вагоните бяха така

Обработените по този начин вагоните на влак за извършване на натоварени, че натоварването на осите да бъде 27 тона, което почти два пъти превишава стандартното натоварване (15 тона). Влакът се движеше по изпитна кръгова релса 149 000 км в режим на пътуване за изпитание. В процеса на изпитателното пътуване бяха изследвани колоосите. При същия ресурс на пробег при обикновените колооси износването беше 3,5 - 4 мм, при закалените колооси 1,25 - 1,45 мм, т.е. износване, което е около 2,5 пъти по-малко.

Според изобретението методът за локално закаляване на железопътните колооси позволява 2,5 пъти да се увеличи интервала на ремонтите при експлоатацията на колоосите и то чрез намаляване на износването на метала в местата, където се осъществява контактът на бандажа на колелото с прилежащите зони на търкаляне на колоосите (зона на преждевременно износване) при оставащо непроменено износване на железопътната релса. Предложеният метод може да се прилага както за обработката на нови, така и на ремонтирани колооси, които се използват при железопътни превозни средства, трамваи и подземни железопътни влакове (метро) и с това се увеличава интервала на ремонта при тяхната експлоатация.

Списък на използваните означения :

релса зона на контактно закаляване на релсата колело зона на износване.

Claims (6)

1. ПАТЕНТНИ ПРЕТЕНЦИИ

   1. Метод за локално закаляване, по-специално на на железопътни колела, при което всяко колело е изпълнено във формата на цилиндричен работен детайл с повърхнина на търкаляне и бандаж, който е свързан с цилиндричния работен детайл посредством преход със закръгление , включващ закаляване на метала на колелото посредством провеждане на електрически ток през въртящите се контактни ролки, които се притискат към повърхнината за обработване чрез налягане, при което загряването и закаляването на повърхнината се извършва във формата на една или няколко ленти, характеризиращ се с това, че загряването с цел закаляване се извършва в първия и/или във втория пръстеновиден участък, при което границата на първия пръстеновиден участък започва от свързващата линия на прехода със закръглението в началото на повърхнината на търкаляне, а границата на втория пръстеновиден участък започва от свързващата линия на прехода със закръглението с прилежащата повърхнина на бандажа, при което локалното загряване във всеки от споменатите участъци се извършва във формата на една или няколко пръстеновидни ленти, при което температурата на загряване е приблизително с 60 - 280°С по-висока от температурата на фазовото превръщане Асз.
2. 2. Метод, според претенция 1, характеризиращ се с това, че първият пръстеновиден участък се простира в обхват от приблизително 30 мм по ширината върху повърхнината на търкаляне.
3. 3. Метод, според претенция 1, характеризиращ се с това, че вторият пръстеновиден участък се простира в обхват до около 35 мм по ширината върху повърхнината на бандажа.
4. 4. Метод, според претенция 1, характеризиращ се с това, че разстоянията между зоните на действието на топлината на всяка пръстеновидна лента е най-малко приблизително 2 - 4 мм от всяка страна на зоната на загряване.
5. 5. Метод, според претенция 1, характеризиращ се с това, че скоростта на въртене на колелото при загряването е приблизително 3,5 -15 оборота в час.
6. 6. Метод, според претенция 1, характеризиращ се с това, че лентите на загряване са непрекъснати или прекъснати пръстеновидни участъци.