Модифицирование внутренней поверхности корпуса буксы грузового вагона

Основным признаком возможной неисправности буксового узла вагонов является, как правило, повышенный нагрев корпуса буксы. Причинами повышенного нагрева букс являются ненормальная работа роликовых подшипников; заедание в лабиринте вследствие отсутствия зазора между лабиринтной частью корпуса буксы и лабиринтным кольцом; излишнее количество смазки. При полной ревизии букс производят демонтаж букс с роликовыми подшипниками, промывку и дефектоскопию деталей буксового узла, ремонт или замену деталей, измерение радиальных и осевых зазоров, посадочных отверстий и поверхностей корпуса букс.

Разработка новых методов очистки внутренней поверхности корпуса буксы, обеспечивающих полную очистку от ржавчины, остатков технологической смазки, осуществляющих прецизионную размерную обработку поверхности и способствующих эффективной визуальной и технической дефектоскопии поверхности, способствует повышению безопасности движения поездов на железной дороге. Активные исследования в данной области, проводимые ИПМАШ РАН и ООО «ФАКТОРИЯ ЛС» (Санкт-Петербург), стали приоритетным направлением их инновационной деятельности применительно к техническому и технологическому переоснащению на железнодорожном транспорте. Наиболее существенных результатов удалось добиться в области разработки принципиально новой для железной дороги технологии – технологии вакуумно-дуговой очистки внутренней поверхности корпуса вагонной буксы.

Технология вакуумно-дуговой очистки поверхности материалов, являясь новым направлением в металлообработке, относится к высокоэффективным, ресурсосберегающим, экологически чистым процессам. На настоящее время данная технология не нашла еще широкого промышленного распространения. Она используется в основном на экспериментальных установках для очистки стального листа от окалины, ржавчины и загрязнений [1], очистки металлической ленты от технологической смазки [2, 3], очистки катанки от окалины [4], очистки сварочной проволоки, очистки внутренней и внешней поверхностей труб от загрязнений и т.д. Очистка осуществляется с помощью вакуумного дугового разряда, горящего между поверхностью обрабатываемого изделия, являющегося катодом, и анодом в вакуумной камере, при котором образуется множество быстродвижущихся катодных пятен (рис. 1), локализующихся в местах скопления загрязнений, окисных пленок и удаляющих их до полного обнажения основного материала обрабатываемого изделия.

Катодные пятна характеризуются высокой плотностью тока (до 10¹²А/м²), весьма высокой поверхностной плотностью мощности, превышающей 10⁹Вт/м². Температура материала катода в зоне пятна, как правило, превышает температуру кипения. Свойства пятен зависят от многих факторов, таких как вид материала, сила тока разряда и даже время его горения дуги. Благодаря высокой плотности энергии и температуре в каждом катодном пятне происходит испарение поверхностных пленок и в ряде случаев их взрывообразное отделение (например, окалины). Несмотря на высокую температуру металла в катодном пятне, при его размерах на уровне единиц микрометров в диаметре и скорости перемещения по поверхности на уровне десятков - нескольких сотен метров в секунду, интегральная температура поверхности остается холодной.

а)	б)
Рис. 1. Разряд с поверхности катода (а) и следы, оставляемые катодными пятнами на поверхности, покрытой ржавчиной (б).

 

Мощность P_к, выделяющаяся на катоде (изделии) вакуумной дуги, если привязка разряда к поверхности электрода осуществляется в виде катодных пятен, определяется как

                                                          P_к = h_кIU,                                                 (1)

где h_к – коэффициент катодной мощности, определяемый как отношение мощности, выделяющейся на катоде, к полной мощности разряда; I - ток дугового разряда;U – напряжение на дуге.

Выделяющаяся на рабочей поверхности катода мощность расходуется на испарение материала P₁, излучение P₂ и мощность, отводимая в результате теплопроводности P₃.

Мощность, расходуемая на испарение материала можно выразить через скорость эрозии следующим образом

                                                ,                                             (2)

где M – масса атома; W_и – удельная теплота испарения; ; μ – коэффициент электропереноса, зависящий от материала катода.

В этом выражении не учтена удельная теплота плавления, так как она существенно меньше удельной теплоты испарения. M, W_и, μ – табличные значения.

Вторая составляющая мощности P₂, расходуемая на излучение, определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана

                                           P₂ = σε_rS_к(T_к⁴   - T₀⁴),

где σ = 5,67·10^-8Вт/м²·град⁴ – постоянная Стефана-Больцмана; ε_r – интегральный коэффициент излучения; S_к – площадь рабочей поверхности катода; T_к – среднее по площади значение температуры материала катода, T₀ – температура окружающей среды.

Таким образом, выяснив значения мощностей P_к, P₁, P₂, можно рассчитать мощность, отводимую в результате теплопроводности P₃= P_к - P₁-P₂ и оценить температуру изделия, до которой оно нагревается в процессе очистки.

Особенность установки для очистки буксы (Рис. 2) состоит в том, что роль вакуумной камеры выполняет сама букса. Букса с двух сторон герметично закрыта заглушками. Через одну из заглушек осуществляется откачка воздуха форвакуумным насосом. Внутри буксы вдоль ее поверхности вращается электрод, являющийся анодом, который подключен к положительному полюсу источника питания.

а)	б)	в)
Рис. 2. Установка вакуумно-дуговой очистки буксы (а); поверхность буксы до очистки (б); поверхность буксы после очистки (в).

Скорость очистки зависит от характера загрязнений и их толщины. После традиционной мойки буксы горячими моющими растворами оставшиеся загрязнения на установке вакуумно-дуговой очистки удаляются за один-два полных оборота вращения анода. При этом общее время очистки с учетом откачки составляет в среднем 5-7 минут при производительности насоса 3 л/с. Использование насоса с большей производительностью позволит сократить время очистки.

Исследования показали, что при технологических режимах обработки, характерных для очистки поверхности, не происходит структурно-фазовых изменений свойств материала корпуса буксы (Рис. 3).

Рис. 3. Микроструктура материала корпуса буксы.

При этом обнаружено изменение характера рельефа шероховатости поверхности (рис. 4). На рис. 4а представлен исходный профиль поверхности, а на рис. 4б – профиль поверхности после вакуумно-дуговой очистки. Среднее арифметическое отклонение профиля R_a для исходной поверхности составляло 2,944 мкм, для поверхности после очистки - 2,561 мкм.

а)	б)
Рис. 4. Профиль шероховатости поверхности буксы: а – до очистки; б – после вакуумно-дуговой очистки.

Сформированный после очистки рельеф на внутренней поверхности буксы способствует лучшему удержанию масла и более равномерному его распределению по поверхности.

Исследование микротвердости материала буксы от поверхности вглубь металла осуществлялось на микротвердомере ПМТ-3 с шагом 10 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что вакуумно-дуговая очистка не оказывает влияние на изменение микротвердости материала буксы (в пределах погрешности измерений). 

Литература

1. Кузнецов В.Г. Вакуумная электродуговая очистка поверхности металлопроката – новое направление в металлообработке. // Труды 7-й Международной конференции “Пленки и покрытия-2005”, Санкт-Петербург, 2005, с. 57 - 62.

2. Стешенкова Н.А., Шумилов В.П., Кузнецов В.Г., Шалимов А.Г.,  Соколов О.Г. Оптимизация геометрии и конструкции устройства электродуговой вакуумной очистки рулонного проката. // Вестник технологии судостроения. 2005, № 13, с. 43-50.

3. В.Г. Кузнецов, В.М. Левшаков, О.Г. Соколов, Н.А. Стешенкова. Вакуумно-дуговая очистка поверхности металлической ленты от загрязнений. // Сб. докладов ежегодного научно-технического семинара “Вакуумная техника и технология”, Санкт-Петербург, 2004.

4.  Кузнецов В.Г., Левшаков В.М., Стешенкова Н.А., Суздалев И.В. Вакуумная электродуговая очистка катанки от окалины. // Тез. докл. Всероссийского семинара Вакуумная техника и технология-2002, Санкт-Петербург, 2002, с. 42-43.