Full Text

Трибологическая пара бандаж колеса локомотива-тормозная колодка работает в жестких условиях открытой внешней среды при больших усилиях давления приводного тормозного механизма. Большие усилия в зоне трения приводят к удалению поверхностных разделительных пленок, что обеспечивает непосредственный контакт металла бандажа и тормозной колодки и нередко приводит к патологическому износу бандажа, как более пластичного материала, чем чугун колодки [1, 6]. В работах [7-18] авторами был изучен состав стандартных тормозных колодок и его флуктуации. Было установлено, что при наличии всех структурных составляющих, предусмотренных стандартом, их баланс может изменяться в широких пределах. Это подтверждается измерением твердости на поверхностях новых и изношенных колодок. Твердость варьирует от 100 до 600 НВ. При этом она зависит от баланса графита и цементита в структуре, который сложно оптимизировать, так как любые технологические изменения процесса изготовления могут сильно его изменять. В результате теоретических исследований была предложена экспериментальная структура тормозной локомотивной колодки, состоящая из феррита и графита, которую легко и без особых затрат можно получить как в условиях завода-изготовителя, так и в условиях ремонтных предприятий [19, 20]. При этом состав и технология литья остаются без изменений. Комплект экспериментальных тормозных колодок, полученных в 2013 г. отжигом в локомотивном депо Красноярска, был испытан на электровозе-толкаче сравнительным методом, т.е. на 1 машине. Были вперемешку установлены 16 колодок трех групп: мягкой со стандартной структурой, твердой со стандартной структурой и экспериментальной с феррито-графитовой структурой. В результате было установлено, что в совершенно идентичных условиях эксплуатации применение экспериментальной структуры позволило уменьшить износ бандажей в 4 раза по сравнению с твердыми и в 2 раза по сравнению с мягкими колодками. Для подтверждения полученных результатов [13-15, 17, 18] в 2017 г. были проведены расширенные исследования на 3 тепловозах грузового движения в условиях эксплуатации на перегонах ст. Ачинск. На 1 тепловозе были установлены мягкие со стандартной структурой (48 шт.), на 2-м - твердые со стандартной структурой (48 шт.), на 3-м - экспериментальные колодки (48 шт.). Исследования проводились в течение срока между ТО-3 в период с июня по декабрь. Анализ поверхностей износа тормозных колодок показал следующее: - средняя твердость на поверхности износа составила: • твердых колодок 287 НВ (изначальная 312 НВ) с коэффициентом вариации 21 %; • мягких колодок - 213 НВ (изначальная 229 НВ) с коэффициентом вариации 10,2 %; • экспериментальных - 243 НВ (изначальная 232 НВ) с коэффициентом вариации 6,2 %; - весь срок испытаний (между ТО-3) выдержали 47 колодок твердой группы, 30 колодок экспериментальной группы, 18 колодок мягкой группы; - без навара на поверхности оказалось 8,5 % в группе твердых колодок, 0 % в группе мягких колодок и 100 % в группе экспериментальных колодок. При этом было установлено, что навар на поверхности трения колодок имеет различное строение, которое зависит от структуры металла и его твердости. В зависимости от толщины его можно разделить на 3 группы: - многослойный общей толщиной 1,0-1,5 мм; - поверхностный с чешуйками толщиной 0,2-0,5 мм; - поверхностный с чешуйками толщиной 0,1-0,2 мм. На колодках повышенной твердости со структурой, имеющей большое количество цементита и почти полное отсутствие графита (баланс углерода в сторону цементита), в процессе торможения твердые блоки изнашиваются медленнее, занятые ими площади зависят от количества цементита и тройной фосфидной эвтектики. Графитовая пленка удерживается только в углублениях между твердыми блоками, и перераспределение нагрузки на твердые выступы приводит к повышению температуры на них и схватыванию металла. Количество наваренного металла и его структура зависят от твердости (баланса графита и цементита). На поверхности колодок повышенной твердости - около 300 НВ (с минимальным количеством графита в структуре) - образуется навар первого типа (рис. 1). При этом на поверхности этих колодок видны отслоившиеся от поверхности края пластин толщиной до 1,5 мм. Рис. 1. Навар металла на поверхности тормозной колодки твердой группы (твердость около 300 НВ) Поверхности колодок меньшей твердости - около 260 НВ, имеющих лучший баланс графита и цементита, менее подвержены образованию навара. Это определяется тем, что поверхности твердых блоков значительно меньше, но их больше, значит, распределенная нагрузка, определяющая термическое напряжение на них, меньше, а площадь графитовой пленки больше. Эти обстоятельства определяют навар в виде небольших пластинок или мелких чешуек толщиной до 0,5 мм (рис. 2). Рис. 2. Пластины навара толщиной 0,2-0,5 мм на поверхности износа колодок с твердостью около 260 НВ, ×100 На колодках группы малой твердости (около 230 НВ), имеющих баланс графита и цементита в сторону графита, также образуется навар, но в виде более мелких чешуек толщиной 0,1-0,2 мм (рис. 3). а б Рис. 3. Пластины навара толщиной 01-0,2 мм на поверхности колодки пониженной твердости при разном увеличении: а - ´100; б - ´50 На колодках этой же группы, но с пониженной твердостью (около 200 НВ) не имеется навара на поверхности катания, но редкие частички твердых блоков, выламываясь из поверхности колодки, вдавливаются в более пластичный металл бандажа и по мере вращения колеса образуют на поверхности колодки параллельные борозды (рис. 4). Рис. 4. Износ колодки мягкой группы (хорошо видны продольные борозды) Такие колодки имеют повышенный износ. При этом износ на поверхности катания значительно больше, чем на внутренней поверхности гребня, и развивается с большей скоростью. В результате неравномерного износа колодка «садится» на гребень колеса и за счет перераспределения удельных нагрузок на эту зону происходит ее патологический износ (рис. 5). а б Рис. 5. Результат патологического износа гребня бандажа мягкой колодкой: а - металл бандажа выдавлен на поверхность катания; б - металл бандажа выдавлен по внутренней поверхности гребня колодки в сторону вращения колеса Экспериментальные колодки, которые не имеют цементита, а их структура состоит из 2 фаз - феррита и графита крупнопластинчатого, мелкопластинчатого и дисперсного строения, образуют качественную разделительную графитовую пленку по всей площади контакта, которая, постоянно возобновляясь в процессе торможения, препятствует образованию навара. Небольшие следы блестящего металла на поверхности являются следами от пластичных ферритных блоков (рис. 6, 7). Такие колодки при нормальном остаточном износе прошли до 12 000 км без следов навара. Статистический анализ показывает, что из 47 колодок твердой группы 8,5 % не имели навара, 63,5 % колодок имели навар чешуйчатого типа, а 18 % имели навар пластинчатого типа (рис. 8). Рис. 6. Поверхность износа экспериментальной колодки Рис. 7. Поверхность износа экспериментальной колодки, где видны блестящие частички феррита, ×50 Рис. 8. Гистограмма распределения значений площади навара на поверхности износа колодок твердой группы Средняя площадь навара на поверхности износа колодок твердой группы составила 29,5 см2, среднеквадратическое отклонение σ = 30 см2, а коэффициент вариации γ = 102 %. Из колодок мягкой группы все анализируемые колодки (18 шт.) имели навар, 67 % из них имели навар чешуйчатого типа, а 33 % - многослойный навар с толщиной до 2 мм в зоне гребней колодок (рис. 9). Средняя площадь навара составила 58,5 см2, среднеквадратическое отклонение - 73,2 см2, а коэффициент вариации γ = 125 %. Таким образом, на основе анализа результатов эксплуатационных испытаний тормозных локомотивных колодок можно сделать следующие выводы: Рис. 9. Гистограмма распределения значений площади навара на поверхности износа колодок мягкой группы 1. Микроструктура тормозных колодок твердой группы с повышенным содержанием цементита приводит к усилению недостатков стандартной микроструктуры и, как следствие, к повышенному износу материала бандажей колес за счет схватывания металла бандажа и колодки. 2. Толщина навара и его характер на поверхности износа тормозной локомотивной колодки зависят от твердости (графито-цементитного баланса углерода в структуре). Навар подразделяют на следующие характерные типы: - многослойный общей толщиной 1,0-1,5 мм; - поверхностный с чешуйками толщиной 0,2-0,5 мм; - поверхностный с чешуйками толщиной 0,1-0,2 мм. 3. Слишком мягкая тормозная колодка (ниже стандарта) обеспечивает повышенный износ гребней бандажей за счет просадки колодок и повышения значений удельного давления в этой зоне. 4. Износ бандажей экспериментальными колодками не сопровождается наваром, так как их структура состоит из 2 фаз - феррита и графита крупнопластинчатого, мелкопластинчатого и дисперсного строения, что обеспечивает равномерную (без выступов) поверхность контакта и качественную разделительную графитовую пленку по всей площади этого контакта, которая, постоянно возобновляясь в процессе торможения, препятствует образованию навара.

About the authors

A. A Klimov

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport

A. V Struchkov

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

V. B Bondarik

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport

References

Statistics

Views

Abstract - 66

PDF (Russian) - 28

Refbacks

• There are currently no refbacks.