Введение к работе
Актуальность.
Повышение надежности тормозов для современного транспорта является актуальной проблемой, требующей решения ряда задач. В их число входит выбор технико-экономически оправданных фрикционных материалов.
При пробеге 12-18 тыс.км колодки изнашиваются до половины массы, таким образом, ежегодно безвозвратно теряются, превращаясь в пылеобразные продукты износа, десятки тысяч тонн чугуна. При этом в нашей стране ущерб составляет порядка 40 миллионов рублей в год. В связи с этим исследования, направленные на изыскание путей увеличения эксплуатационной стойкости чугунных тормозных колодок, имеют особую актуальность.
Чугун остается по-прежнему весьма перспективным материалом, благодаря достаточно высокой фрикционной теплостойкости, прочности, технологичности, относительно небольшому износу сопряженных с ними бандажей колесных пар, дешевизне материала, малой чувствительности к изменению погодных условий и т.д.
В настоящее время для локомотивов, главным образом, используются тормозные колодки из чугуна с содержанием фосфора 0,2-0,5%. Улучшение фрикционных свойств, повышение срока службы колодок, работающих в жестких условиях сухого трения и внешнесиловых параметров, достигается повышением содержания фосфора. Причем важной структурной составляющей является фосфидная эвтектика, от количества и формы которой во многом зависят износостойкость и фрикционные свойства чугунных тормозных колодок.
В эксплуатации возникают проблемы, связанные не только с повышенным износом колодок, но и с повреждением сопряженных с ними бандажей колесных пар. Часто это связано с некачественным изготовлением колодок. Изменение сложившейся ситуации мЬэувд.бд$щ ^^щгигнуто за счет
4 совершенствования свойств материала, технологии изготовления и
конструкции тормозных колодок.
Цель работы.
Обоснование выбора фрикционного фосфористого чугуна тормозных колодок для скоростных локомотивов, обеспечивающего перспективные условия эксплуатации.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
исследованы дефекты локомотивных тормозных колодок серийного
производства, снижающие служебные свойства фрикционного узла.
дана оценка влияния химических элементов на макро- и микроструктуру,
теплофизические, трибологические и фрикционные свойства чугунных
колодок.
произведен выбор химического состава чугуна, обеспечивающий
повышенные эксплуатационные свойства тормозных колодок.
изучено влияние содержания фосфора в чугуне колодок на износ бандажа
колесной пары.
определено конструкционное оформление тормозной колодки,
обеспечивающее благоприятное взаимодействие с бандажом колесной пары
локомотива.
проведены натурные испытания тормозных колодок на инерционном
стенде и эксплуатационные испытания на электровозе ЭП200 для определения
служебных характеристик.
разработана технология и технические условия для производства опытно-
промышленных партий локомотивных тормозных колодок из
высокофосфористого комплексномодифицированного чугуна.
Методы исследования.
В работе приведены результаты лабораторных исследований и натурных испытаний на стендах и локомотивах.
5 Химический анализ образцов и натурных колодок осуществлялся
методом эмиссионно-спектрального анализа на установке «Spectrolab-S».
Металлографические исследования металлической основы, поверхностных
слоев фрикционного чугуна проводились на оптических и электронных
микроскопах.
Сравнительная оценка трибологических характеристик фрикционных материалов колодок осуществлялась на машинах трения, имитирующих характер взаимодействия изнашивания элементов фрикционного узла.
Механические свойства опытных образцов и натурных деталей определялись по стандартным методикам (ГОСТ 27208 и ГОСТ 9012).
Дюрометрический анализ металлической основы и поверхностных слоев проводился на приборе микротвердости ПМТ-3 по ГОСТ 9450.
Натурные испытания триботехнических характеристик и тормозной эффективности осуществлялись на инерционном стенде ВНИИЖТа и при эксплуатационной проверке на локомотивах.
Научная новизна.
На основании комплекса металловедческих и трибологических исследований, натурных испытаний на стендах и в эксплуатации на локомотивах дано научное обоснование целесообразности применения высокофосфористого комплексномодифицированного чугуна для тормозных колодок, работающих на скоростных локомотивах при этом:
-
Проведены сравнительные трибологические исследования основных фрикционных материалов, применяемых для тягового подвижного состава.
-
Исследованы фрикционные свойства и износостойкость тормозных колодок из комплексномодифицированного высокофосфористого чугуна при повышенных скоростях начала торможения до 205 км/ч.
3. Впервые выработаны закономерности влияния фосфора в
фрикционном чугуне на трибологические свойства сопряжения «тормозная
колодка - стальной бандаж» колесной пары локомотива. Установлено, что с
увеличением содержания фосфора в сером перлитном чугуне тормозных
колодок повышается их износостойкость и снижается износ сопряженных образцов стальных бандажей колесных пар.
4. Показано влияние фосфидной эвтектики на образование защитных
вторичных структур, на стойкость к изнашиванию и фрикционные свойства
фосфористого чугуна секционных тормозных колодок.
5. Изучена кинетика процесса самоорганизации и структурной
приспосабливаемости, протекающие в поверхностном слое
высокофосфористых тормозных колодок, обеспечивающие создание защитных
пленок трибосопряжения.
Практическая ценность работы.
Натурные испытания конструкционной прочности и фрикционной теплостойкости позволили обосновать выбор комплексномодифицированного высокофосфористого чугуна и конструкцию тормозной колодки для скоростных локомотивов.
Разработана и получила производственную проверку на Ярославском электровозоремонтном заводе технология изготовления тормозных колодок из высокофосфористого чугуна с повышенными эксплуатационными свойствами.
Натурные стендовые и эксплуатационные испытания выявили, что применение тормозных колодок из высокофосфористого чугуна повышает их срок службы в 2,5-3,0 раза.
Экономия материальных ресурсов от увеличения износостойкости колодок, снижения затрат, связанных с преждевременной заменой тормозных колодок по первому году внедрения, составит 8162,07 тыс. рублей в год.
Апробация работы.
Основные материалы диссертационной работы рассмотрены на НТС комплексного отделения «Транспортное металловедение» ФГУП ВНИИЖТ и на ежегодных аттестациях аспирантов.
Основное содержание работы было доложено на:
- научном семинаре «Проблемы транспортного металловедения», 2005 г.
- научных конференциях молодых ученых и аспирантов по современным
проблемам железнодорожного транспорта в г. Щербинка 13.03.2003 г. и 22.04.2004 г.;
— научном российско-польском семинаре молодых ученых, который
состоялся в г. Щербинка 17.05.2003 г.
Публикации.
Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.
Структура и объем работы.