Статистика износа колесных пар в локомотивном депо.

2. Статистика износа колесных пар в локомотивном депо
2.1 Причины интенсивности изнашивания бандажей колесных пар
      Под изнашиванием понимается процесс постепенного изменения размеров детали, происходящего при трении, которое возникает в результате разрушения поверхностных слоев под влиянием внешних механических воздействий и среды.
      Износом бандажей колесных пар железнодорожного подвижного состава принято считать изменение их профиля под воздействием сил, возникающих между колесом и рельсом во время движения. В практике величина износа колеса оценивается размером выработки по кругу его катания, который называется прокатом, а также уменьшением толщины гребня. Величина износа бандажей колесных пар подвижного состава железных дорог общего пользования измеряется с помощью специальных контрольно-измерительных приборов, утвержденных установленным порядком.
      Исследованиям износа бандажей колесных пар локомотивов и способам повышения их долговечности посвящены работы отечественных и зарубежных ученых [1], в общих чертах их позиции сводятся к следующему:
      * износ является следствием механического зацепления неровностей трущихся поверхностей и разрушения их за счет этих зацеплений при трении;
      * износ происходит за счет развития усталостных процессов разрушения трущихся поверхностей при истирании;
      * истирание поверхностей обусловлено изменением механических свойств металла при наклепе, а именно повышением хрупкости вследствие пластических деформаций при трении, а также за счет возникновения напряжений между деформированными участками поверхности и недеформированной массой металла;
      * истирание также возникает вследствие взаимодействия трущихся металлов с окружающей газовой средой, что приводит к образованию пленок, легко удаляемых при трении различными способами;
      * при истирании происходят местные схватывания и вырывы металла в отдельных точках поверхностей, которые при скольжении разрушаются и приводят к износу;
      * процесс истирания связан со «свариванием» металлов в точках контакта вследствие высоких температур, развивающихся в контактной зоне и доходящих до температур плавления; узлы сваривания разрушаются при перемещении поверхностей.
      Износ бандажей зависит от большого числа случайных факторов: химического состава материалов и прочностных свойств взаимодействующих с ними деталей, качества изготовления, климатических и метеорологических условий эксплуатации локомотивов, нагрузочных режимов и частоты их повторяемости (число пусков и остановок, режимы трогания с места и торможения, продолжительность движения с максимальной нагрузкой, вес поезда и профиль пути и т.п.), насыщенности поверхности трения абразивными частицами, состоянием пути и зависящим от него динамическим нагрузкам на оборудование локомотива, а также многих других факторов.
      Значения и комбинации этих факторов изменяются в широких пределах, вследствие чего локомотивы одной серии на разных железных дорогах после одинаковых пробегов ставятся на ремонт с различной степенью износа деталей и узлов.
      В России выполнен ряд работ по изучению влияния на износ локомотивных бандажей различных факторов, не зависящих от материала бандажей. При этом ученые разных специальностей искали пути решения этой задачи каждый в своей области, не увязывая свои достижения с другими факторами, влияющими на долговечность колес. Проблема увеличения срока службы решалась путем внедрения методов, позволяющих производить обработку высоконаклепанной стали оптимального химического состава с минимальной глубиной резания, а значит, с частичным сохранением слоя, наклепанного в процессе эксплуатации.
      Общепризнанным считается мнение, высказанное участниками международного симпозиума по износу, что с увеличением твердости износостойкость повышается. При этом допускаемая наибольшая твердость колес ограничивается главным образом их стойкостью против поломок.
      Следовательно, при достаточной поверхностной твердости бандажей их сердцевины должны обладать необходимой вязкостью, поэтому восстановленные профили колес должны упрочняться по поверхности катания. Существует мнение, что закаленные бандажи могут вызвать повышенный износ рельсов и снизить величину коэффициента сцепления. Вызывает опасение возможность появления трещин на закаленных колесах в процессе эксплуатации. Однако ряд работ, проведенных в России и за рубежом, показывает, что такие опасения необоснованны. При работе твердого бандажа или колеса по твердому рельсу их взаимное истирание уменьшается, а пара мягкое колесо – твердый рельс работает хуже.
      При этом все исследователи сходятся на том, что наибольшее влияние на износ пары трения колесо-рельс оказывают:
      * эксплуатация локомотивов в интенсивном режиме с интенсивной подачей песка;
      * увеличение скольжения (буксование), неравная упругость пути, длина неровностей, нарушение требований к укладке рельсов в кривых;
 * нарушение подуклонки рельсов и развески локомотива;
      * боковой износ рельса более 4 мм, перекосы колесных пар в раме тележки, нарушение разности диаметров колес в колесной паре;
      * сужение колеи в кривых участках пути и применение профиля поверхности катания колес со значительно уменьшенной конусностью.
      Некоторые исследователи считают основными причинами интенсивного износа гребней колесных пар и бокового износа рельсов на кривых участках [2]:
      * уменьшение поперечного разбега колесных пар локомотива (и вагона) в рельсовой колее вследствие уменьшения ее ширины на 10—20 мм в кривых, особенно малого радиуса (после перехода на размер 1520 мм), что ухудшило вписывание колесных пар в кривых с одновременным увеличением сил давления гребня на наружный рельс;
      * увеличение допустимого бокового износа головки рельса после перехода на колею 1520 мм в 2 и более раз в кривых участках в сравнении с колеей 1524 мм;
      * недостаточную величину возвышения наружного рельса в кривых участках, переведенных на ширину колеи 1520 мм;
      * нарушение норм содержания пути по ширине колеи, уровню и направлению в плане.
      Установить долю влияния каждой причины износа не представляется возможным, так как преобладающее значение той или иной в их сумме изменяется во времени их участия. Только постоянное наблюдение, анализ технического состояния локомотивов и пути могут установить причины и уменьшить их влияние на износ.
      К негативным последствиям относят мероприятия, связанные с развитием производства и массового применения железобетонных шпал и переход на рельсы тяжелого типа Р65, имеющие повышенную жесткость и несколько измененную геометрию. Результаты натурных измерений и моделирования процессов на ПЭВМ [3] позволили сделать следующий вывод: динамическое воздействие на рельсы колес с дефектами на поверхности катания при жестких бетонных шпалах больше, чем при деревянных. Установлено, что при использовании железобетонных шпал увеличивается вероятность повреждения поверхности катания колес, буксовых подшипников и рельсов.
      Фактор, изменивший износные условия работы колеса и рельса, — это объемная закалка рельсов, которая подняла их твердость в 1,5 раза по сравнению с твердостью колес, хотя отечественные и зарубежные исследователи рекомендуют иметь примерно одинаковую твердость рельсов и колес.
      Давление колеса на рельс приводит к сжимающим напряжениям в месте контакта, величина которых зависит от того, находится ли колесо на прямом участке пути, на кривом или на стыке. Удельное давление в месте стыка достигает 500 МПа. Трение качения приводит к возникновению касательных сил в месте контакта, приводящих к повышению напряжения в поверхностном слое колеса и к износу, при этом порядка 75 % затраченной на пластическую деформацию энергии превращается в тепло, которое концентрируется в микрообъемах, примыкающих к поверхности сдвига. Температура в этих объемах может превышать критические значения, что при быстром охлаждении создает условия для протекания мартенситного превращения, в процессе которого металл может растрескиваться и отслаиваться.
      На поверхности катания колес наблюдаются выкрашивания усталостного характера, что приводит к их интенсивному износу. Удельные нагрузки в зоне контакта средней части гребня колеса и головки рельса достигают величины 3500 МПа, что вызывает в местах фактического контакта напряжения, превышающие предел текучести металла. Об этом свидетельствует пластическое деформирование гребня колеса (остроконечный накат).
      Конструкция экипажной части подвижного состава также оказывает влияние на интенсивность износа гребней бандажей и рельсов, в частности, из-за нарушения установки осей колесных пар в раме тележки электровоза. Некоторые отечественные и зарубежные исследователи считают, что существующие геометрические размеры и формы профиля бандажа не являются оптимальными. Изменение названных характеристик колеса и в связи с этим формы и размеров головки рельса они рассматривают как один из путей повышения долговечности колесных пар.
     Одним из факторов, определяющих взаимодействие пути и подвижного состава, является размер ширины рельсовой колеи железнодорожного пути.
     Ширина колеи в сочетании с размерами колесных пар, определяет сумму зазоров между гребнями бандажей колесных пар и боковыми гранями головок рельса. Эти зазоры необходимы во избежание заклинивание колесных пар, влекущего   за собой увеличение сопротивления движению подвижного составы, усиленный износ рельсов и колес и расстройство пути в плане.
     В то же время большие зазоры могут привести к ударам гребней колес при вилянии подвижного состава и при входе его в кривые участки пути, поэтому размеры зазоров выбираются оптимальными. Допуски на содержание ширины по ПТЭ колеи +6 и -4 мм. Уменьшение возможной величины зазора между гребнем колеса и рельсом желательно по условиям снижения амплитуды виляния колес. В целях повышения устойчивости подвижного состава при движении поездов на прямых участках пути, особенно при повышении скоростей, и уменьшения износа рельсов и колесных  пар был изменен, в свое время, один из важнейших нормативов железнодорожного транспорта – ширина рельсовой колеи.
     Эта мера позволит уменьшить колебания в горизонтальной плоскости и боковые воздействие колес на рельсы при движении поезда, что имеет особое значение при высоких скоростях.
      При повышении скорости наиболее острой становится проблема динамики экипажа, особенно в горизонтальной плоскости. Источниками горизонтальных колебаний являются боковые удары при вписывании      подвижного состава в кривые, наличие неровностей пути в плане и извилистое движение колесных пар, вызываемое конусностью бандажей и зазорами между гребнями колес и внутренними гранями головок рельсов.

1.1 Способы борьбы c износом колес

      Установлено, что интенсивность износа гребня колеса на ряде участков дорог  примерно в 1,5–2,5 раза выше, чем прокат. Причин несколько. Основными являются возникновение перекоса оси колесной пары относительно продольной оси рельсов вследствие разности диаметров кругов катания колес колесной пары, неравномерного износа подпятников, шкворня, скользунов, сдвига и деформации рам тележки, буксовых направляющих, подрессорных и надрессорных балок, различной жесткости комплектов рессорного подвешивания, несовершенства работы возвращающих устройств, большого количества кривых малого радиуса и других причин.
      Вследствие наличия вышеуказанных дефектов резко изменяется геометрия контактирования боковых поверхностей гребня колеса с боковой гранью рельса. Поэтому снижается величина площади пятна контакта при изменении суммарного угла перекоса от 1 до 5° (примерно в 2-6 раз), что соответственно, приводит к повышению удельного давления гребня на боковую поверхность рельса, особенно при движении колесной пары в кривых малого радиуса.
      Площадь контакта колеса с рельсом как в вертикальной, так и горизонтальной плоскостях касания также существенно зависит от величины конусности профилей поверхностей катания колеса и поверхности рельса, точнее – от их соотношения (или сочетания).
      При одинаковых профилях круга катания колеса и поверхности головки рельса, когда площади контактов сопряжения максимальны, а контактные напряжения минимальные, удельная линейная интенсивность изнашивания (прокат) в 6 - 14 раз меньше, чем у сопряжений, имеющих различные величины конусности колеса и рельса. В этом случае площади контактов уменьшаются в 3 - 5 раз, а удельное давление увеличивается в 3 - 6 раз. Как следствие, наблюдается повышенный прокат и боковой износ рельса, подрез и остроконечный прокат гребня колеса. Последнее происходит по той причине, что при разных сочетаниях профилей контактирующих тел (колесо-рельс) по геометрии (конусности) и разных шероховатостях поверхностей трения изменяются форма и вид естественного износа вследствие интенсивности приработки этих поверхностей «до нормального профиля». Поэтому со сменой рельсов на новые чаще стали выходить из строя колесные пары. Известно, что с увеличением нагрузки на поверхностях контакта, а отсюда роста контактного давления изменяется «вид фрикционной связи», а с этим и механизм разрушения поверхностей трения, т.е. интенсивность износа. Упругое деформирование переходит в пластическое течение металла поверхностей и приповерхностных слоев материалов колеса и рельса. Вследствие максимального сближения поверхностей в зоне контакта наблюдается катастрофическое разрушение и износ защитных окислых пленок, покрывающих поверхности металла. В итоге происходит переход от нормального «окислительного износа» в износ схватывания, сопровождающийся глубинным вырыванием частиц металла из объемов, перенос его с одной поверхности трения на другую и воздействие возникших неровностей на сопряженную поверхность, т.е. «холодный задир и срез». Интенсивность износа возрастает в 10 - 25 раз.
      Стабилизировать и снизить интенсивный износ можно двумя способами. Это снижением коэффициента трения сопряженной пары путем применения смазочных материалов, а также уменьшением самой величины бокового удельного давления в зоне контактирования пары колесо-рельс конструктивными способами.
      Способ использования смазочных материалов широко применяется как у нас, так и за рубежом (США, Германия и других). Он относительно прост и более дешевый.
      Известно, что коэффициент трения без смазки изменяется в пределах 0,3 - 0,6, а при граничном трении со смазкой 0,05 - 0,1. Отсюда следует, что применение смазки снижает коэффициент трения в 6 - 12 раз, а износ в 10 - 15 раз.
      Для различных режимов эксплуатации разработаны экологически чистые, пожаробезопасные смазочные материалы, дающие высокий эффект в условиях эксплуатации.
      Как показали испытания, срок службы рельсов в кривых малого радиуса при использовании разработанной смазки в стационарных лубрикаторах возрос в 1,15 - 2,5 раза.
      Согласно результатам полигонных испытаний, при средней степени смазывания износостойкость колес и рельсов повышается в 17 - 22 раза, а при слабой смазке в 5 раз. Экономия энергии на тягу поездов составляла для прямых участков 30%, в кривых 35 - 50 %.
      Опытами установлено, что эффективность действия смазочных материалов и их долговечность существенно зависят от стабильности их служебных свойств при изменении условии внешней среды (низкими и высокими температурами, количеством влаги, загрязнением абразивом в виде песка, обдуванием ветром, устойчивостью к высоким контактным нагрузкам и температурам на поверхностях при скольжении колеса по рельсу), а также эффективностью приборов при смазывании самих поверхностей трения пары колесо-рельс.
      При решении конструктивного снижения уровня воздействия сил подвижного состава на путь, особенно в кривых, возможны следующие основные направления:
      * перетрассировка пути, что связано со значительными затратами сил и средств;
      * установка контррельсов в кривых малого радиуса, что снижает безопасность движения подвижного состава вследствие возможности схода с рельсов при направлении экипажа контррельсом, а также снижает технико-экономические показатели системы;
      * снижение износа рельсов и колес путем применения более прочных и износостойких материалов, что значительно повышает их стоимость;
      * применение новых оптимальных профилей колеса и рельса. В каждом локомотивном депо разрешено иметь свой профиль обточки гребней бандажей, наиболее полно соответствующий условиям эксплуатации на закрепленных за депо плечах обращения локомотивов;
      * уменьшение воздействия на путь путем выбора оптимальных параметров ходовых устройств подвижного состава.

     Общие положение по колесным парам
      В соответствии с Правилами технической эксплуатации железных дорог  Российской Федерации  каждая колесная пара должна удовлетворять требованиям инструкции. Колесные пары ТПС с подшипниками качения должны также удовлетворять требованиям инструкции по содержанию и ремонту узлов с подшипниками качения локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Полное освидетельствование должно производиться на заводах и в локомотивных депо, имеющих разрешение ОАО «РЖД» и обязательный минимум оборудования, приспособлений, средств измерений и контроля.
      Ответственность за содержание инструментов и средств измерений в исправном состоянии, а также за своевременную поверку (калибровку) средств измерений возлагается на начальника колесного цеха или мастера, руководящего ремонтом и формированием колесных пар.
       Элементы каждой колесной пары в депо и на заводах должны проверяться магнитным и ультразвуковым дефектоскопами в сроки, установленные инструкцией, с соблюдением требований действующих инструкций, инструктивных указаний и руководств по ультразвуковой дефектоскопии и магнитному контролю [12]. 
      В соответствии с ПТЭ запрещается выпускать из ТО-2, ТО-3, текущих ремонтов и допускать к следованию в поездах подвижной состав с трещиной в любой части оси колесной пары, ободе, диске, спице, ступице и бандаже, нарушающих нормальное взаимодействие пути и подвижного состава.

      Дефекты бандажей (ободьев) колес

      В процессе эксплуатации на бандажах колесных пар образуется естественный износ в виде проката и уменьшения толщины гребня, а также трещины, выщербины, местные раздавливания, ползуны на поверхности бандажа (таблица 3.1).
      
        Таблица   – Дефекты бандажей (ободьев) колес
      
        Продолжение таблицы 
      
      
      
      
      Продолжение таблицы 
      
      
       Неисправности и ремонт бандажей
      
       Неисправности бандажей  и  ободьев  цельнокатаных  колес, требующие ремонта или замены приведены в таблице 3.2.
      
Таблица 3.2 – Неисправности бандажа и способы устранения
Неисправности
Способы устранения
1 Трещины поперечные или косые:

а) независимо от размера, количества и места расположения
Бандаж бракуется


Продолжение таблицы 3.2
Неисправности
Способы устранения
2 Трещины и плены продольные:

а) на поверхности катания бандажа или обода цельнокатаного колеса, поверхности гребня и внутренней боковой поверхности
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
б) на наружных боковых гранях бандажа или обода цельнокатаного колеса
Устраняется вырубкой или шлифовальной машинкой с плавным переходом к основной поверхности бандажа или обода. Глубина вырубок допускается не более 5,0 мм. Общая длина вырубок на одном бандаже или ободе цельнокатаного колеса не должна превышать 300 мм. Количество вырубок в одном поперечном сечении не должно быть более двух у бандажей и более трех на ободах цельнокатаных колес.
в) на внутренней поверхности бандажа и в выточке для бандажного кольца
Бандаж бракуется
3 Раковины на поверхности катания бандажа или обода цельнокатаного колеса
Устранить обточкой на станке до полною исчезновения



Продолжение таблицы 3.2
Неисправности
Способы устранения
4 Выщербины на поверхности катания бандажа, обода цельнокатаного колеса
Разрешается оставлять без исправления до первой выкатки или обточки колесной пары у локомотива длиной не более 10,0 мм, глубиной не более 3,0 мм; Вышербины больших размеров устраняют обточкой.
5 Сколы, выкрашивания, вышербины, раковины, уходящие под упорный бурт или бандажное кольцо (независимо от размеров)
Колесная пара бракуется
6 Задир у подножья рабочей части гребня
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
7 Задир бандажа в районе круга катания (независимо от размеров)
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
8 Ползун (выбоина) на поверхности катания бандажей или цельнокатаных колес более допустимого значения
Устранить обточкой
9 Ослабление бандажа на ободе центра, определяемое по звуку при ударе но бандажу слесарным молотком или по взаимному смешению контрольных отметок на бандаже и ободе
Если при сдвиге контрольной отметки звук при ударе по бандажу подтверждает его ослабление, устранить сменой бандажа. Если при сдвиге контрольной отметки звук при ударе по бандажу не подтверждает его ослабление и бандажное кольцо не ослабло, разрешается дальнейшая эксплуатация.



Продолжение таблицы 3.2
Неисправности
Способы устранения

При этом на пассажирских локомотивах и локомотивах, обращающихся со скоростью до 100 км/ч, против отметки на бандаже поставить новую отметку на ободе с записью в журнал технического состояния локомотива (формы ТУ-152) и книгу ремонта (формы ТУ-28), а старую зачеканить. На пассажирских локомотивах, локомотивах, обращающихся со скоростями выше 100 км/ч, перенос отметок запрещается. Бандаж подлежит замене. Постановку новых контрольных кернов должны производить комиссионно приемщик локомотивов и мастер, имеющие право на производство освидетельствования колесных пар. За работой колесных пар в таких случаях должно быть установлено наблюдение. При повторном сдвиге бандажа, даже без признаков его ослабления, вторичное перенесение отметки не допускается. Бандаж подлежит замене. На первом виде ремонта, предусматривающего выкатку колесной пары из-под ТПС, бандаж подлежит замене
10 Прокат (высота гребня) бандажей или цельнокатаных колес более допустимого
Устранить обточкой на станке до полной ликвидации проката и доведения высоты гребня до чертежных размеров
11 Местное или по всему кругу катания увеличение ширины бандажа 
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
Продолжение таблицы 3.2
Неисправности
Способы устранения
12 Толщина гребня менее допустимого значения
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения. При ремонте в депо гребень разрешается восстанавливать электронаплавкой с последующей обточкой на станке, кроме колесных пар пассажирских локомотивов
13 Вертикальный подрез гребня
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
14 Остроконечный накат на гребне
Устранить обточкой на станке или при помощи переносного суппорта
15 Опасная форма гребня, измеряемая специальными шаблонами
Устранить механической обработкой
16 Толщина и ширина бандажа или обода цельнокатаного колеса менее допустимых значений
Бандаж или цельнокатаное колесо бракуется
17 Навар металла на поверхности катания
Устранить обточкой на станке до полного исчезновения
18 Ослабление бандажного кольца более допустимых размеров
Не допускается. Устранить путем замены бандажного кольца или обжатием прижимного бурта бандажа на вальцовочном станке, пневматическим молотком с обжимкой или кувалдой под гладилку. До обжатия прижимного бурта бандаж нагреть до 220 — 270°С.
      
      
Продолжение таблицы 3.2
Неисправности
Способы устранения
19 Толщина прижимного и упорного буртов бандажа менее допустимого значения
Бандаж бракуется
20 Зазор между боковой гранью обода и упорным буртом бандажа
Допускается не более 0,5 мм по всей окружности на глубину не более половины высоты бурта. При больших размерах бандаж бракуется
21 Разность расстояний между внутренними гранями бандажей или ободьев цельнокатаных колес у одной колесной пары более допустимого значения или несоответствие этих расстояний установленным нормам (измерять у колесной пары в четырех местах в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр оси)
Устранить обточкой или сменой бандажей, перепрессовкой центров и цельнокатаных колес, перенасадкой бандажей с наплавкой и последующей обработкой боковых граней обода, сменой оси при ее изогнутости
22 Высота гребня, меньше установленных в  нормативов
Устранить обточкой на станке, доведя высоту гребня до чертежных размеров

       При обточке бандажей колесных пар ТПС без выкатки допускаются:
      * просвет между профильным шаблоном, прижатым к внутренней грани, и бандажом до 1,0 мм по всему профилю бандажа, кроме зазора по толщине гребня, которую разрешается оставлять после обточки до 27,0 мм для пассажирских и 26,0 мм для грузовых локомотивов (при измерении серийными «абсолютными» шаблонами) и 26,0 мм — для пассажирских и 25,0 мм для грузовых (при измерении шаблонами УТ-1). При этом разница толщин гребней левой и правой сторон на одной колесной паре после обточки должна быть не более 2 мм;
      * разница диаметра бандажей по кругу катания одной колесной пары не более 1,0 мм;
* шероховатость поверхности катания Ra не более 20 мкм.
      Практика показывает, что обточку колёсных пар необходимо проводить регулярно, в среднем раз в квартал, тем самым увеличивается срок эксплуатации колёсной пары, снижается время на обточку, следовательно, уменьшается время простоя локомотива. И самое главное, проведя обточку колёсных пар вовремя, депо избавляет себя от рисков схода локомотива или разрушения железнодорожного полотна предприятия и железных дорог общего пользования ОАО «РЖД».
      После проведения замеров устанавливается необходимая глубина обточки и все колёсные пары локомотива проходят процедуру обточки до максимально допустимого диаметра (шаблона), чтобы повысить срок службы бандажа колёсной пары.
      
.......................