СПОСОБ УПРОЧНЕНИЯ ИЗНАШИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЛЬСА И КОЛЕСА Российский патент 1997 года по МПК B23P6/00 B23K13/00 B23K9/04 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к индукционно-металлургическим способам восстановления и упрочнения деталей подвижного состава и верхнего строения пути.

В настоящее время остро стоит проблема повышения эксплуатационной стойкости рельсов на кривых участках пути, доля которых составляет 25% протяженности пути всех дорог. В особенности это касается кривых малого радиуса на горных участках, которые в изобилии представлены на Северном Кавказе и Восточно-Сибирской железной дороге.

Здесь традиционные способы повышения сроков эксплуатации (применение гребней и рельсосмазывателей) не дает желаемого увеличения времени эксплуатации рельсов. Следует отметить, что на кривых малого радиуса основной причиной выхода рельсов из эксплуатации и сплошной их замены является боковой износ рабочей поверхности головки рельса. На прямых участках причиной замены рельсов в основном является контактно-усталостное разрушение.

Анализируя характер износа гребня (бандажа цельнокатального колоса), можно сделать вывод, что геометрия изношенного гребня колеса (бандажа) зависит от соотношения прямых участков пути к доли кривых малого радиуса, а также от степени износа рельсов в этих кривых.

Решение поставленной задачи, а именно износа рельса за счет трения о гребень бандажа (колеса), возможно только за счет создания принципиально новой технологии упрочнения поверхностей рельса и колеса.

Известны методы повышения эксплуатационной стойкости рельсов (Чернышев М. А. Крейнис З.Л. Железнодорожный путь. М. Транспорт, 1985, с.101), где согласно ГОСТу 18267-82 рельсы подвергают объемной закалке с охлаждением в масле после печного нагрева, либо головку рельса нагревают токами высокой частоты с последующей закалкой воздушной смесью.

Внедряется технология закалки рельсов в расплавах солей, заключающаяся в том, что рельсы нагревают до температуры 840-870^oС в проходной печи (40-60 мин), а затем охлаждаются (8-40 мин) в расплаве солей калиевой селитры и нитрита натрия содержащих 0,6-0,7% воды, до температуры 290-295^oC с последующим охлаждением на воздухе.

Однако, несмотря на различные методы повышения эксплуатационной стойкости рельсов, наблюдается, что контактная прочность материала рельс и колес не обеспечивает регламентируемые сроки службы этих элементов по износостойкости. В рельсах современных типов все виды повреждений и дефектов, по которым они изымаются из эксплуатации, почти полностью находятся в головке наиболее напряженном элементе рельса.

В кривых малого радиуса замена рельсов происходит из-за бокового износа головки рельса, причем развитие контактно-усталостных повреждения происходит даже медленнее, чем на прямых участках.

Известен способ восстановления поверхности катания колес (Богданов А.Ф. Чурсин В.Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов. М. Транспорт, 1985, с. 182), заключающийся в том, что верхние слои металла поверхности катания колес подвергают многоступенчатому отжигу путем непрерывно-последовательного нагрева их токами высокой частоты перед обтачиванием.

Недостатком способа является то, что он не решает вопросы контактной прочности колес, которые возникают по мере износа колеса рельса. В зоне контакта колесо рельс возникают контактные нагрузки до 3,8 тыс. кг/см² и глубиной проникновения импульса удара (колесо-рельс) 4 мм - max.

Таким образом, в местах постоянного контакта колеса и рельса возникают контактные напряжения превышающие предел текучести рельсовой стали, что постоянно является причиной развития трещин в головке рельса и круге катания колеса. Та же проблема и у сопряжения боковой грани рельса и гребня колеса.

За прототип выбрано колесо рельсового транспортного средства (авт.св. N 895729, кл. B 60 B 9/12, 1982), имеющее диск со ступицей, на периферийной поверхности которого выполнены круговые канавки, смонтированные на диске бандажа, поверхность которого покрыта толстослойным покрытием из износостойкого демпфирующего сплава.

Недостатком данного колеса, в котором использован способ его упрочнения методом многослойного покрытия, не может быть использован в железнодорожном транспорте, т. к. нагрузки и скорости его намного превышают рельсовые транспортные средства типа трамвая.

Следовательно, вышеупомянутый способ не обеспечивает надежность и долговечность изнашиваемых поверхностей рельса и колеса.

Цель изобретения состоит в разработке способа упрочнения, позволяющего повысить надежность и долговечность изнашиваемых поверхностей рельса и колеса подвижного состава.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе упрочнения изнашиваемых поверхностей рельса и колеса, включающем упрочнение сопряженных поверхностей, на последних нарезают две овальные канавки, расположенные на определенном удалении от касательной центральной части реборды колеса и головки рельса в зависимости от их типоразмеров, при этом канавки заполняют расплавленным металлом методом ИМС, а их размерность должна быть в соотношении:
,
где c ширина канавки:
b глубина канавки.

На фиг. 1 показан общий вид пары трения колесо-рельс; на фиг. 2 вид А фиг. 1; на фиг. 3 вид В фиг. 1; на фиг. 4 разрез В-В; на фиг. 5 разрез Г-Г.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом:
Располагая опытными данными о контактных нагрузках пары трения колесо-рельс, которые составляют 3,8 тыс. кг/см² и глубиной проникновения импульса удара (колесо-рельс) 4 мм max; δ_мк 10 мкм математически предлагаем размещение разгружающих (удар) зон наплавленного материала с σ_в 3800 кг/см в пределах размерностей высоты гребня и боковой грани яблока рельса.

На участках контакта гребня колеса 1 с головкой рельса 2 предварительно формируют макрорельеф поверхности. На боковой части головки рельса (фиг. 1, 2) выполняют посредством фрезерного станка две продольные овальные канавки. Глубина верхней канавки 3 мм, ширина 10 мм, нижняя глубина 2 мм ширина 6 мм.

Расположены канавки соответственно верхняя 12 мм, а нижняя 20 мм от касательной центральной части головки рельса (фиг. 4).

При этом на сопрягающейся поверхности гребня колеса, а именно на ее реборде формируют также макрорельеф круговых канавок:
верхняя глубиной 3 мм, шириной 10 мм;
нижняя глубиной 2 мм, шириной 6 мм.

Располагают канавки на удалении 12 и 20 мм от касательной центральной части колеса (фиг. 5).

Кроме того размер канавок должен быть в зависимости:

где c ширина канавки;
b глубина канавки.

Затем методом ИМС осуществляют наплавку, а именно канавки заполняют их расплавленным материалом.

Пример. За образцы были взяты отрезки рельс P 65 длиной 790 мм и 1900 мм с боковой изношенной поверхностью и цельнокатаного колеса. При этом варьировались размещение канавки, место ее расположения, геометрия, состав шихты и технологические режимы. Канавку расположили на удалении 12 и 20 мм от касательной центральной части головки рельса и реторты колеса. Глубиной 3 мм и шириной 10 мм (верхняя наплавка) и глубиной 2 мм и шириной 6 мм нижняя.

Наплавку проводили составом ПГ-С27 62% FeMn 20% никелесодержащий сплав CP 4% флюс плавленый П 1,5 14% Расчетный расход шихты составил 0,35 кг/м (при наплавке в одну канавку 0,120 кг/м).

Износостойкость рельса и колеса при стендовых испытаниях повышена в 10 раз.

Предлагаемый способ упрочнения изнашиваемых поверхностей рельса и колеса позволяет за счет выполнения на контактных поверхностях головки рельса и гребня бандажа колеса продольных канавок в последующем заполняемых жидким металлом, методом ИМС, повышать надежность и долговечность подвижного состава.

Использование: восстановление и упрощение деталей подвижного состава и верхнего строения пути. Сущность изобретения: на сопрягающихся поверхностях колеса и рельса нарезают две овальные канавки, расположенные на удалении от касательной центральной части реборды колеса и головки рельса в зависимости от их типоразмеров, при этом канавки заполняют расплавленным металлом методом ИМС, а их размерность составляет c/b = 3,3, где c - ширина канавки; b - глубина канавки. Способ позволяет повысить надежность и долговечность подвижного состава. 5 ил.

Способ упрочнения изнашиваемых поверхностей рельса и колеса, включающий упрочнение сопряженных поверхностей, отличающийся тем, что на сопрягающихся поверхностях колеса и рельса нарезают две овальные канавки, расположенные на удалении от касательной центральной части реборды колеса и головки рельса в зависимости от их типоразмеров, при этом канавки заполняют расплавленным металлом методом ИМС, а их размерность должна быть в постоянном отношении c/b 3,3, где с ширина канавки, b глубина канавки.