Модифицирование внутренней поверхности корпуса буксы грузового вагона
Институт проблем машиноведения РАН (ИПМАШ РАН)
199178, Санкт-Петербург, В.О., Большой пр., д. 61, т. (812)321-47-64
E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
2ООО «ФАКТРОИЯ ЛС» 195213, Санкт-Петербург, ул. Латышских Стрелков, д. 25, т. (812)327-24-02 E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
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 Pк, выделяющаяся на катоде (изделии) вакуумной дуги, если привязка разряда к поверхности электрода осуществляется в виде катодных пятен, определяется как
Pк = hкIU, (1)
где hк – 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; Wи – 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, Wи, μ – табличные значения.
Вторая составляющая мощности P2, расходуемая на излучение, определяется в соответствии с законом Стефана-Больцмана
P2 = σεrSк(Tк4 - T04),
где σ = 5,67·10-8Вт/м2·град4 – постоянная Стефана-Больцмана; εr – интегральный коэффициент излучения; Sк – площадь рабочей поверхности катода; Tк – среднее по площади значение температуры материала катода, T0 – температура окружающей среды.
Таким образом, выяснив значения мощностей Pк, P1, P2, можно рассчитать мощность, отводимую в результате теплопроводности P3= Pк - 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 Ra 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.