Основными технологическими мероприятиями, обеспечивающими увеличение надежности и срока службы колесных пар, являются:
- исключение нерационального съема полезного металла,
- поверхностное упрочнение осей накатыванием роликами,
- динамическая балансировка колесных пар,
- наращивание изношенных шеек роликовых осей до номинальных размеров,
- повышение точности обработки элементов колесных пар.
Износ поверхности катания цельнокатаного колеса на 1 мм происходит через 30—40 тыс. км пробега и в среднем за год составляет около 3 мм.
В процессе обточек 36—43% рабочей части обода колеса превращается в стружку. Поэтому для увеличения срока службы колес стремятся к уменьшению числа обточек и толщины срезаемого слоя металла.
При восстановлении нормально изношенного профиля колеса обточку ведут так, чтобы обязательно оставались небольшие черновины.
Нельзя обтачивать колеса с прокатом ниже установленных норм. Отдельные дефекты на поверхности катания рекомендуется устранять без сплошной обточки.
Например, круговые наплывы и их отколы следует ликвидировать восстановлением фаски, а «навары» зачищать шлифовальным кругом.
Предварительный отжиг поверхности катания, предложенный учеными ЛИИЖТа в содружестве с ВНИИЖТом и ОЭВРЗ, преследует эту же цель.
За счет термического размягчения твердых участков поверхности, являющихся следствием торможения, облегчается обработка резанием.
Применение такой технологии обточки позволяет обтачивать колесные пары со снятием стружки минимальной толщины, исключает необходимость подрезания под твердый слой, сохраняет на каждом колесе 40—45 кг полезного металла, чем удлиняет срок службы цельнокатаного колеса в 1,3—1,8 раза.
Примерно на 40% поднимает производительность колесотокарных станков, дает экономию на инструменте, трудовых ресурсах, сокращает потребность в поставках новых колес и оборудования.
Используется индукционный нагрев токами высокой частоты, обладающими способностью прогревать верхние слои металла и при определенных частотах давать достаточно высокую температуру.
Рабочими органами установки, непосредственно нагревающими поверхность, являются двухвитковые индукционные нагреватели (индукторы) 9 , охлаждаемые водой, подключенные к зажимам вторичной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора нагревательного блока 7, в корпусе которого, кроме трансформатора, находится конденсаторная батарея.
Колесная пара накатывается на ролики механизма вращения и сбрасывания 1. Перед нагревом блоки опускаются вниз гидравлическими цилиндрами 6 посредством цепной передачи.
При этом происходит центрирование индукторов ориентирующими роликами блоков по внутренним граням колес. Опорные ролики упираются в поверхность катания колес и обеспечивают необходимый воздушный промежуток между индуктором и отжигаемой поверхностью.
Механизм вертикального перемещения связан реечной передачей 5 с механизмом управления автоматическим нагревом, в частности с его гидравлическим цилиндром 4 и рычагом 3, воздействующим на выключатель 2, связанный с соответствующей электрической цепью.
Питание нагревательных блоков идет по токопроводящим шинам 8 от механического преобразования 15, который преобразует промышленный ток напряжением 380 В и частотой 50 Гц в ток нужной частоты 8000 Гц напряжением 400 В и дает мощность на выходе 100 кВт.
Такие выходные данные преобразователя позволяют получить на индукторах необходимые характеристики тока (рабочий ток 1000 А; напряжение 40 В; частота 8000 Гц).
Система электроснабжения и управление ею имеют электрические цепи и соответствующую аппаратуру для обеспечения работы установки.
В шкафу 13 управления предварительным пуском размешены аппаратура для пуска (http://instart-info.ru) двигателя 14 преобразователя и пускатели для подачи питания на привод механизма вращения и сбрасывания и к электродвигателю насосной станции 10. В аппаратном шкафу 12 находится аппаратура для питания электродвигателя преобразователя и для автоматического управления нагревом.
В шкафу 11 находятся высокочастотный контактор с защитной аппаратурой, которым осуществляется подача высокочастотного напряжения к нагревательному блоку, и разрядник, снимающий высокое напряжение с шин и проводов при выключении установки.
Режимы и некоторые параметры отжига:
- воздушный промежуток 4 мм;
- температура нагрева 750—850 3С;
- скорость нагрева 170 °С;
- скорость перемещения нагреваемой поверхности 10 мм/с, что при колесе диаметром 950 мм составляет 0,2 об/мин;
- время остывания на воздухе до температуры 40—50 °С около 1,5 ч;
- твердость отожженной поверхности HV300.
Перекрыша поверхности катания по образующей колеса во избежание непрогрева в начале процесса составляет 100 мм.
Разработана установка, которая несколько отличается от рассмотренной выше.
Нагревательные блоки размещены на поднимающихся площадках стоек., установленных с двух сторон установки.
Предусмотрен трансформаторный пуск высокочастотного преобразователя. Отожженные поверхности через допустимое время будут охлаждаться водой.
Известны другие способы экономичной обточки колес.
Так, проводились работы с использованием силового и скоростного абразивного шлифования, фрезерования фасонными фрезами, но по ряду причин (низкая производительность, отсутствие специального оборудования) они не вышли пока за рамки экспериментов.
Дальнейшие поиски могут идти по пути проведения обточек с плазменным нагревом снимаемого слоя, применения фасонного фрезерования с пластинами из сверхтвердых сплавов.
Накатывание роликами — это процесс, в результате которого происходит деформация и наклеп поверхностных слоев металла.
Совмещение в одном проходе упрочнения и сглаживания позволяет одновременно увеличить прочность поверхностного слоя и уменьшить шероховатость поверхности, что и используют при механической обработке осей.
В качестве рабочего инструмента применяют упрочняющие и сглаживающие ролики.
Основной показатель упрочнения оси после накатывания — повышение твердости накатанной поверхности не менее чем на 22% при глубине наклепанного слоя металла от 0,02 до 0,05 диаметра упрочняемой части. Накатывание производится с подачей 0,6— 0,7 мм/об при частоте вращения оси не более 220 об/мин.
Усилие накатывания подступичных частей при диаметре упрочняющего ролика 130 мм устанавливается 21,6—26,5 кН, а для предподступичных частей и их галтелей 19,6—24,5 кН и поддерживается автоматически регуляторами накатных устройств.
Качество накатывания осей контролируют постоянно и периодически.
Постоянно проверяют режим и усилие накатывания и шероховатость поверхности оси.
Периодическим контролем определяют степень повышения поверхностной твердости металла и глубину наклепанного слоя. Контроль осуществляется по образцам, вырезанным из подступичной части и шейки одной оси из партии обработанных.
Динамическая балансировка колесных пар должна проводиться для вагонов, эксплуатируемых в поездах со скоростями движения свыше 140 км/ч. Нарушение баланса для скоростей от 140 км/ч до 160 км/ч допускается 6 Н-м.
Неуравновешенность проявляется при вращении тел в случае, если главная центральная ось инерции тела и ось его вращения не совпадают.
Возможны следующие взаимные отклонения этих осей: параллельное смещение главной оси инерции относительно оси вращения: ось инерции пересекает ось вращения; ось инерции наклонена и не пересекает ось вращения.
Отечественной промышленностью используется способ выборки металла на внутренней кромке обода колеса.
Динамическая балансировка колесных пар производится на специальном станке МС-991.
Колесную пару 5 помещают шейками оси в упругие опоры 4, включают привод вращения и измеряют биение ободьев колес относительно оси инерции колесной пары с помощью бесконтактных датчиков.
Сигналы от датчиков через детекторы попадают на входы измерительного устройства, где они преобразуются в цифровые результаты измерения.
Механизмы определения и устранения нарушения баланса установлены на общей станине 1.
На одном ее конце размещен блок 2 привода с механизмом медленного вращения и приводной муфтой 3, на другом — измерительный генератор с пультом 6.
По направляющим станины перемещается каретка с устройством для устранения неуравновешенности.
На каретке смонтирован ползун с головкой, на которой имеются два шпинделя, расположенные под углом 120°.
На шпинделях закрепляются профильные фрезы. Производительность станка составляет 1,5 колесной пары в час со снятием металла или 3 колесные пары без снятия.
В целях продления срока службы роликовых осей ВНИИЖТом рекомендован способ наращивания шеек металлизацией с последующей механической обработкой. Для процесса металлизации можно использовать электродуговые металлизаторы станочного типа марки ЭМ-12.
Технологическая схема восстановления шеек:
- обточка шеек для устранения поверхностных дефектов;
- упрочнение их накатыванием; проверка магнитопорошковой дефектоскопией;
- обезжиривание;
- нанесение подслоя молибдена для увеличения прочности сцепления стального покрытия с металлом шейки;
- обезжиривание;
- нанесение стального покрытия;
- обработка резанием металлизированных шеек до установленного параметра шероховатости.
Уральским отделением ВНИИЖТа разработана технология восстановления шеек осей и внутренних посадочных поверхностей корпусов роликовых букс методом композиционного электролитического железнения.
Композиционные гальванические покрытия — это двухфазные системы, состоящие из металлической основы (электролитическое железо) и внедренных в нее мелкодисперсных частиц различных материалов (например, корунда) в количестве 2-4% массы железной основы.
Покрытия «железо-корунд» обладают повышенной микротвердостью, эластичностью, в 3—5 раз более высокой износостойкостью и высокой степенью сцепления с восстанавливаемой поверхностью.
Нанесенный восстановительный слой шлифуют.