Труды Ростовского института

Выкрашивание металла на поверхности катания колес встречается достаточно длительное время. В работах 1934—1937 гг. по исследованию дефектных бандажей [2], [45] установлено, что эти повреждения, называвшиеся в то время раковинами, составляли 20% общего количества бандажей, изъятых из службы под пассажирскими вагонами до истечения гарантийного срока. Материалы исследований показывают, что эти выщербины были усталостного типа.

В ряде случаев подобные повреждения развивались весьма интенсивно. Так, например, в 1936—1938 гг. на тендерных бандажах паровозов серии СОк при диаметре колес 900 мм поверхностные повреждения получили столь большое распространение, что изучением этого явления занимались специальные комиссии. Аналогичное интенсивное развитие выщербин наблюдалось в 1948—1949 гг. на колесах цельнометаллических пассажирских вагонов с большой нагрузкой на ось.

Таким образом, данный порок встречается вообще достаточно часто в службе, а в отдельных случаях, под влиянием особых условий, развивается крайне интенсивно. По поводу этих особых условий службы, способствующих развитию поверхностных дефектов, установлены два фактора, которые являются наиболее важными с точки зрения их влияния на образование выщербин, а именно большая нагрузка на ось и малый диаметр колес [7], [8], [19], [22], [61]—[64]. Первое обстоятельство подтверждается тем фактом, что случаи массового выхода колес по выщербинам имели место на подвижном составе с большой нагрузкой на ось: например, тендеры паровозов серии СОк и цельнометаллические вагоны.

При обследовании углов топок и связей установлено, что коррозионные повреждения их по своей природе между собой очень сходны. В обоих случаях большая часть коррозионных повреждений связана с развитием трещины, что свидетельствует о влиянии высоких напряжений на развитие данного вида коррозии.

Как у углов топок, так и у связей коррозионные повреждения являются локальными, при этом они располагаются с достаточно строгой ориентацией. Коррозия огневой коробки особенно интенсивно развивается в углах, однако часто она распространяется как бы из середины каждого угла и на боковые стенки, нередко повреждая весь периметр топки.

Коррозионные повреждения связей обычно появляются у места заделки их в огневую коробку или кожух топки, при этом очень часто охватывают связь по кольцу.

Необходимо подчеркнуть, что в обоих случаях коррозия развивается на границе контакта двух деталей (связь—лист, рама—лист). Специальными измерениями было установлено, что дно изъязвления, как правило, располагается несколько выше заделки или на одном уровне с кромкой рамы у углов топки и с кромкой отверстия у связей. Ширина местных коррозионных повреждений листов топки почти во всех случаях больше глубины иногда в несколько раз. Исключение составляют только те повреждения, дном которых необходимо считать конец трещины. Исследовались темплеты, вырезанные из углов топки, на которых ширина повреждения (до 20 мм) примерно в четыре раза больше глубины; трещина на дне повреждения отсутствует.

Отмеченный факт является очень важным, поскольку он впадает л противоречие с существующим представлением о влиянии концентрации напряжений на развитие подобных повреждений. Действительно, если концентрация напряжений является фактором, определяющим развитие коррозии, тогда повреждение должно иметь тенденцию к развитию в глубину, поскольку крайние волокна листа вблизи коррозионного углубления не испытывают напряжения. Данное обстоятельство имеет место, как у листов топки, так и у связей и является типичным для рассматриваемого вида коррозионных повреждений.

Тормозные повреждения нельзя считать однотипным дефектом, а следовательно, нельзя объединять, например, ползуны с такими повреждениями, как наволакивания, выщерблины по участкам сдвига металла при скольжении колеса  рельсу и пр., которое возникают вследствие воздействия тормозных колодок на колесо, проскальзывания колес по рельсам в процессе торможения, при прохождении колесных пар в кривых и т. д. Кроме того, образование ползунов и других дефектов, связанных с ползунами, нельзя считать явлением типичным для нормальной эксплуатации колесных нар, а если такое явление имеет место, то необходимо, естественно, улучшать тормозные устройства.

Общее количество колесных пар с тормозными повреждениями, развитие которых в какой-то мере можно связать с качеством колесной стали, не превышает 5—5,5%.

Возвращаясь к табл. 8, необходимо отметить значительное количество отколов у цельнокатаных колес и особенно у бандажей. Исследование отколов является не менее актуальным вопросом, чем исследование выкрашивания поверхности катания вагонных колес, тем более, что этот тип порока имеет значительное распространение. Наблюдения показали, что наличие около, как правило, приводит к окончательному забракованию колеса или бандажа и ремонт их часто оказывается невозможным. В этом отношении усталостные выщерблины, а тем более тормозные выщерблины приносят меньший ущерб, поскольку они устранимы обточкой при ремонте колесной пары.

Отколы образуются, как далее будет показано, под действием переменных контактных напряжений в результате роста трещин усталости. Эти трещины развиваются от концентраторов напряжений, которыми являются главным образом остатки ликвационных скоплений, не полностью удаляемые при изготовлении цельнокатаных колес и бандажей. Отколы являются наиболее опасным видом поверхностных повреждений. Количество отколов на бандажах примерно в два раза больше, чем на цельнокатаных колесах.

При рассмотрении результатов статистической обработки материалов наблюдений за колесами в службе отмечено, что на цельнокатаных колесах количество тормозных повреждений примерно в два раза меньше, чем количество усталостных выщерблин; на бандажах тормозные повреждения и выщербины усталостного типа встречаются примерно в равной мере Тормозные повреждения нельзя считать однотипным дефектом; их необходимо разделить на ползуны и другие дефекты тормозного типа, образующиеся в результате проскальзывания колес по рельсам и воздействия тормозных колодок.

Образование ползунов не является характерным для нормальных условий работы колесных пар; поэтому в настоящем изложении необходимо более подробно остановиться на причинах, приводящих к проскальзыванию и заклиниванию колес при движении их по рельсам.

Проскальзывание колес при установившемся движении наблюдается как на вагонных колесах во время торможения, так и на сцепных колесах локомотива, когда он воспроизводит тяговое усилие на крюке вагонных и боксование сцепных колес локомотива в этом случае не наблюдается. Опубликованные представления о качении колеса по рельсу при торможении часто не соответствовали действительности.

В работах по исследованию износа паровозных бандажей  установлено, что основной причиной износа бандажей является проскальзывание колес при движении паровоза. В более поздней работе , проведенной в этой же области, проскальзывание колес разделяется на полезно используемое, неизбежно возникающее при реализации колесами силы тяги или торможения, и паразитное, происходящее вследствие наличия различных зазоров или перекосов в экипаже и движущем механизме паровоза, от неровности пути в плане, виляния и т. п.

Характер кривой в правой части графика, по нашему мнению, не соответствует действительности. Таким образом, кривая в правой части графика при юзе или боксовании должна идти параллельно оси ординат.

Отколы наружной грани обода вагонных колес представляют собой наиболее значительное повреждение поверхности катания. Во всех случаях отколы образуются в результате роста прогрессирующей трещины усталости, которая начинается от одного или нескольких концентраторов напряжений, расположенных на значительной глубине от поверхности катания. Наличие концентрагоров напряжений в ободе цельнокатаных колес и бандажей связано с дефектами производства, главным образом с остатками околоуса- дочной ликвидационной зоны слитка или ликвации по «корочке» в зоне перехода головной части слитка в прибыльную надставку.

Значительное распространение на бандажах и цельнокатаных колесах имеют отколы, не связанные с дефектами макроструктуры, которые образуются вследствие наплыва металла на наружную грань обода колеса с его последующим разрушением на сортировочных горках.

Выщерблины усталостного типа — наиболее распространенный вид поверхностных повреждений бандажей и особенно цельнокатаных колес.

Для изучения явления выкрашивания вагонных колес произведены лабораторные исследования колес с выщерблинами усталостного типа, а также проведены испытания образцов из колесной стали на контактную усталость.

По вопросу о механизме образования выщерблин усталостного типа установлено следующее.

1)         Трещина усталости при наличии жидкой среды в зоне контакта (влага, смазка) начинается с поверхности катания вагонных колес и развивается под действием переменных контактных напряжений вглубь обода колеса под острым углом к поверхности катания.

2)         В развитии усталостных трещин оказывают влияние местные контактные напряжения, являющиеся следствием концентрации напряжений. Концентраторы напряжений в виде микроскопических трещин могут образовываться вследствие неметаллических включений, наклепа поверхности катания колеса, а также при грубой ее обточке.

3)         Отмечено развитие усталостных трещин в зонах отколов и выщерблин усталостного типа по зернам, а не по их границам.

4)         В отдельных участках выщерблин усталостного типа обнаружено влияние коррозионных процессов, которые способствовали развитию усталостных трещин (особенно по ширине).

5)         Границы зерен являются препятствиями для роста усталостных трещин; поэтому колесная сталь с мелким действительным зерном более стойка против выщерблин усталостного типа, чем сталь крупнозернистая.

Испытание образцов на контактную усталость производилось также при одновременном воздействии на испытуемый образец катящихся роликов и тормозных колодок; усилие нажатия тормозных колодок принималось равным 15 и 100 кг. В результате получены различные по своему характеру повреждения поверхности катания образцов.

При усилии нажатия тормозных колодок на образец по 15 кг с каждой стороны  наблюдалось сокращение числа циклов до появления выщерблин на поверхности катания в пределах 25 — 30% по сравнению с испытанием образцов на контактную усталость без торможения (усилие нажатия роликов на образец по-прежнему принималось равным 200 и 400кг). Образование повреждений на поверхности катания образцов сопровождалось, как правило, появлением сетки мелких трещин, от которых начинается выщерблина усталостного типа. При испытании образцов без торможения такой сетки трещин не наблюдается. В большинстве случаев выщерблины в условиях торможения образуются больших размеров, чем без торможения. Образование трещин на поверхности катания, определяющих развитие усталостных выщерблин, лишний раз подтверждает указанное выше предположение о развитии выщерблин усталостного типа с поверхности катания, а не из точек, имеющих наибольшие максимальные касательные напряжения.

Испытания на контактную усталость при усилии нажатия тормозных колодок на образец по 100 кг с каждой стороны показали, что в этом случае на поверхности катания образцов образуются не усталостные разрушения, а повреждения в виде наволакивания металлаимеющие такой же характер, как и на вагонных колесах.

Здесь необходимо отметить влияние твердости чугунных тормозных колодок на результаты испытаний образцов на контактную усталость. Применение тормозных колодок, изготовленных из серого чугуна пониженной твердости приводило к интенсивному износу как испытуемого образца, так и тормозных колодок. Это явление может быть объяснено интенсивным схватыванием металла при трении тормозной колодки по образцу и, кроме того, образованием во время испытания значительных по своим размерам продуктов износа, которые еще более способствовали истиранию контактируемых поверхностей.

1.         Цельнокатаные колеса изготовлять из марки II колесной стали с повышенным содержанием углерода 0,55—0,70% (ГОСТ 6352—52), а также рассмотреть возможность дальнейшего повышения содержания углерода в этой стали.

2.         Производить термическую обработку цельнокатаных колес и бандажей с отдельного нагрева для получения мелкого действительного зерна.

3.         Повысить минимальное значение предела прочности стали цельнокатаных колес и бандажей. Это минимальное значение должно быть установлено по результатам заводских испытаний.

4.         Принять меры на заводах по устранению ликвационных включений из обода цельнокатаных колес и бандажей:

а)         ввести контроль макроструктуры цельнокатаных колес и бандажей, изготовляемых из головных заготовок;

б)         все колеса и бандажи, изготовляемые из головных заготовок

должны иметь букву Г в клейме и их изъятие из эксплуатации вследствие откола должно сопровождаться возмещением всех расходов за счет за водоизготовителя.

5.         Цельнокатаные колеса и бандажи с тормозными повреждениями на поверхности катания необходимо оставлять в эксплуатации, если их размеры не превосходят размеров ползуна, допустимого ПТЭ. Установить минимальные размеры тормозных повреждений, при которых разрешается обточка.

Помимо этих предложений, необходимо после соответствующих исследований выполнить следующее.

. 6. Провести мероприятия по уменьшению дендритной ликвации; и столбчатой дендритной зоны на поверхности катания цельнокатаных колес и бандажей.

7.         Ввести в ремонтных пунктах контроль над механической обработкой поверхности катания вагонных колес, а также установить нормы оптимальной чистоты поверхности катания колес после обточки.

8.         Принять меры на заводах по увеличению глубины закаленного слоя на колесах при их изготовлении и получению плавного перехода закаленного слоя в основной металл колеса.

9.         Организовать работы по исследованию колес и бандажей, подвергнутых нормализации взамен закалки с отпуском.

Рассмотрим влияние основных, отмеченных ранее факторов на развитие выщерблин усталостного типа под действием переменных контактных напряжений, а именно влияние содержания углерода, величины зерна и структуры перлитной составляющей (пластинчатой и зернистой). Изучение этого вопроса связано с наблюдениями в службе за выходом вагонных колес по повреждениям поверхности катания. Ранее было установлено преимущественное распространение выщерблин усталостного типа на цельнокатаных колесах по сравнению с бандажными. Выход цельнокатаных колес по выщерблинам усталостного типа примерно в два раза превышает выход бандажей по тем же повреждениям. Это явление объяснено нами наряду с другими обстоятельствами также и тем, что цельнокатаные колеса рядового производства подвергаются термической обработке с прокатного нагрева без повторной перекристаллизации, в результате чего структура цельнокатаных колес более крупнозернистая, чем структура бандажей, термически обрабатываемых с отдельного нагрева.

Исследование влияния содержания углерода, величины зерна и структуры перлитной составляющей на появление выщерблин усталостного Типа производилось в лабораторных условиях на описанной машине для испытания на контактную усталость. Образцы для испытаний вырезались из обода цельнокатаных колес с содержанием углерода 0,53, 0,60, 0,70% и подвергались термообработке по режимам. Данные режимы термической обработки обеспечили получение структуры мелко- и крупнозернистой, с пластинчатой (сорбит закалки, пластинчатый перлит) и зернистой (сорбит отпуска) структурой перлитной составляющей.

Чтобы исключить влияние твердости на появление выщерблин усталостного типа, образцы подвергались термообработке на одинаковую твердость. Для этого температура отпуска образцов, имеющих структуру сорбита отпуска (двойная термообработка), подбиралась такой, чтобы твердость их равнялась твердости образцов, имеющих структуру сорбита закалки или пластинчатого перлита (одинарная термообработка). Для каждого из указанных режимов термической обработки проведены испытания на контактную усталость 3—4 образцов.

В результате проведенных исследований тормозных повреждений поверхности катания вагонных колес, установлены следующие основные положения.

1.         Образование тормозных повреждений колес связано главным образом с пластической деформацией тонкого слоя металла у поверхности катания колеса.

Если при скольжении колеса по рельсу удаляется пластически деформированный слой (например, в случае движения колеса юзом), то не наблюдается «подкалки» поверхности катания, несмотря на значительный нагрев металла в зоне ползуна.

Тормозные выщерблины получаются на участках, иногда вовсе не связанных с ползуном, а образовавшийся ползун в большинстве случаев не сопровождается выщерблиной.

2.         В начальной стадии развития тормозного повреждения в результате пластической деформации, например при скольжении колеса по рельсу, образуется наволакивание металла; образование и дальнейшее развитие этого вида повреждения зависят от твердости колесной стали. На колесах с пониженной твердостью наволакивание прогрессирует, а на более твердых колесах происходит закатывание образовавшихся повреждений.

3.         Толщина слоя не может зависеть только от содержания углерода, определяющего способность стали воспринимать закалку; как показано в данной работе, изменение содержания углерода от 0,53 до 0,69% почти не изменяет критическую скорость закалки и мало изменяет прокаливаемость колесной стали; с другой стороны, повышенное содержание углерода снижает пластичность и повышает твердость, т. е. уменьшает глубину распространения пластической деформации, в результате которой образуются «твердые» слои.

4.         Тормозные повреждения образуются на колесах, как с повышенным, так и с пониженным содержанием углерода. На колесах с повышенным содержанием углерода, имеющих более высокую твердость, тормозные повреждения образуются значительно меньших размеров по сравнению с колесами, имеющими пониженное содержание углерода.

5.         Температура окружающей среды не оказывает решающего влияния на образование тормозных повреждений. Тормозные повреждения, по нашим наблюдениям, иногда чаще образовывались не зимой, а в более теплое время года.

6.         Трещины, развивающиеся в «твердом» слое, имеют усталостный характер. Во всех случаях трещина усталости в слое вначале идет перпендикулярно поверхности катания, а затем на границе «твердого» слоя с основным металлом происходит ее разветвление и дальнейшее развитие вдоль этого слоя.

В настоящей работе предложен метод исследования влияния переменного контакта, сущность которого заключается в следующем.

Переменный контакт двух деталей осуществлен при помощи специального приспособления, укрепляемого непосредственно на образце. Контактная призма закреплена на пластинчатой пружине толщиной 0,8 мм и прижимается к образцу с определенным усилием. Расстояние между точкой контакта призмы и хомутиком, прикрепляющим пластины к образцу, можно изменять перемещением хомутика и таким образом регулировать необходимую рабочую длину пружины. Действие переменного (подвижного) контакта сопряженной пары образец — призма воспроизводится собственно изгибом образца. В проведенных опытах рабочая длина пружин для всех образцов оставалась постоянной, при этом величина перемещения контактного ребра призмы, имеющего радиальное притупление (г = 1 мм), составляла примерно 0,1 мм.

Величина давления призмы на образец измерялась грузами и была равна для всех образцов 200 + 1 г. Образцы с описанными приспособлениями подвергались, одинаковой деформации и это обусловливало равенство перемещений в контакте. Однако его можно было достигнуть и при различной деформации образцов за счет изменения рабочей длины пружины.

Предложенный метод позволяет исследовать влияние контакта пары, состоящей из разнородных материалов. При воздействии на образец контактной призмы, изготовленной из материала образца (Ст. ЗТ), возможно возникновение гальванической пары, анодом которой является напряженный образец, а катодом — призма, не имеющая напряжений. В данном случае механический фактор контакта может действовать одновременно с электрохимическим.