Według odpowiednich danych, w wielu taborach kolejowych na całym świecie dochodzi do zdzierania się bieżnika kół podczas eksploatacji.Zdzieranie bieżnika w wyniku nadmiernego zużycia, w branży kolejowej w wielu krajach świata stanowi poważny problem, a sytuacja staje się coraz poważniejsza.Nieprawidłowe zużycie bieżnika koła nie tylko zwiększa koszty eksploatacji i konserwacji, ale w pewnym stopniu będzie nawet bezpośrednio wpływać na bezpieczeństwo pojazdu.

Problemy ze zdzieraniem bieżnika kół kolejowych można podzielić na trzy kategorie: zdzieranie zmęczeniowe stykowe, zdzieranie podczas hamowania i zdzieranie poprzez zacieranie.Zdzieranie się bieżnika występuje tylko w warunkach hamowania bieżnikiem, powodem jest to, że złe warunki hamowania prowadzą do pęknięć termicznych na powierzchni bieżnika spowodowanych przez ścieranie podczas hamowania bieżnikiem, mogą wystąpić warunki hamowania bez bieżnika, powodem jest to, że ślizganie się lub toczenie pomiędzy prowadzenie koła i szyny do powierzchni bieżnika koła wytworzonej przez martenzyt powstały w wyniku usuwania obu rodzajów problemów można złagodzić poprzez poprawę hamowania pojazdu i wykorzystanie warunków pracy;Artykuł ten bada i analizuje zjawisko usuwania zmęczenia kontaktowego powierzchni bieżnika z materialnego punktu widzenia.

• Analiza przyczyn

Podstawowym trybem pracy zestawu kołowego jest wykonywanie ruchu tocznego po szynach (a właściwie pełzanie i ślizganie).Koło poprzez bardzo małą powierzchnię styku koła z szyną obciążenia pojazdu przenoszonego na szynę zwykle powoduje, że lokalne obciążenie przekracza granicę sprężystości materiału koła lub szyny, powierzchnia styku koło z szyną w stykowym naprężeniu ściskającym po wielokrotnym długotrwałym działanie, spowoduje to uszkodzenie powierzchni styku w wyniku uszkodzenia zmęczeniowego lokalnego obszaru małych kawałków metalu. To zjawisko uszkodzenia zmęczeniowego nazywa się zmęczeniem kontaktowym.Zmęczenie kontaktowe i zmęczenie ogólne to te same pęknięcia zmęczeniowe i ekspansja pęknięć zmęczeniowych w dwóch etapach.Za główny mechanizm uszkodzenia powierzchni styku poddanej cyklicznym obciążeniom uważa się długotrwałe zmęczenie styku.

Uszkodzenia zmęczeniowe kontaktowe w postaci wżerów, płytkich i głębokich zdzierań to trzy kategorie.Na powierzchni styku na głębokości 0,2 mm poniżej wgłębienia przypominające igły lub ospę, zwane wżerami;głębokość 0,2 mm ~ 0,4 mm złuszczania w przypadku płytkiego złuszczania, płytkie złuszczanie złuszczającego dna bloku mniej więcej równolegle do powierzchni styku.Głębokość głębokiego łuszczenia i głębokość warstwy wzmacniającej powierzchnię są porównywalne, występuje większa powierzchnia zmiażdżonej warstwy wierzchniej.

Bieżnik koła występuje jednocześnie złuszczanie się dziobków, płytkie i głębokie złuszczanie. Na zmęczenie kontaktowe bieżnika zestawu kołowego wpływa wiele czynników, takich jak samo koło, twardnienie powierzchni bieżnika, rodzaj bieżnika używanego przez koło, koło -wykończenie powierzchni styku szyn i warunki eksploatacji pojazdu.Autor uważa, że ​​w istocie o tym decyduje wydajność zmęczeniowa lub skład i mikrostruktura samego materiału koła.

• Materiał kół na wpływ zmęczenia kontaktowego

Sam materiał koła ma wiele aspektów wpływających na zmęczenie kontaktowe koła, takich jak struktura organizacyjna materiału koła, anizotropia materiału i wtrącenia w materiale.Złożoność struktury organizacyjnej materiału prowadzi do bardzo złożonego czynnika organizacyjnego efektu zmęczenia kontaktowego, co sprawia, że ​​badacze zajmujący się strukturą organizacyjną zmęczenia kontaktowego pod wpływem poglądów również są bardzo różni i nie ma jednolite zrozumienie wielu aspektów.

Materiały żelazne i stalowe zawierają nierozpuszczony ferryt, właściwości mechaniczne ferrytu w temperaturze pokojowej są prawie takie same jak czystego żelaza.Jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi b dla 180 ~ 280Mpa, granica plastyczności 0,2 dla 100 ~ 170MPa i twardość około 80HBS.widać, że wytrzymałość i twardość ferrytu nie są wysokie.Jako słaba faza organizacji, ferryt ma skłonność do stania się źródłem zmęczenia pod wpływem zmiennych naprężeń i inicjowania pęknięć, zatem ferryt ma szkodliwy wpływ na trwałość zmęczeniową styku, a im większa jest zawartość ferrytu w organizacji, tym większy wpływ na zmęczenie kontaktowe.

Stal węglowa, węgiel rozpuszczony w - Fe w śródmiąższowym roztworze stałym znanym jako austenit, o ogólnej twardości austenitu wynoszącej 170 ~ 220HBS pomiędzy.Właściwości mechaniczne austenitu oraz jego rozpuszczony węgiel i wielkość ziaren, zatem jego stabilność mechaniczna będą miały wpływ na wytrzymałość organizacji, wpływając w ten sposób na trwałość zmęczeniową materiału.Podczas odkształcenia zmęczeniowego w austenicie szczątkowym zachodzi przemiana fazowa austenitu wywołana odkształceniem, co może hamować powstawanie i rozszerzanie się pęknięć zmęczeniowych.Badania zmęczenia kontaktowego stali 18Cr2Ni4WA wykazały, że stabilność austenitu szczątkowego jest umiarkowana przy najwyższej trwałości zmęczeniowej kontaktowej.Zbyt wysoka stabilność austenitu szczątkowego będzie prowadzić do niewystarczającej wytrzymałości, a zbyt niska stabilność austenitu szczątkowego będzie prowadzić do niewystarczającej wytrzymałości.Oczywiście stabilność austenitu szczątkowego różni się w zależności od gatunku materiału.

Ilość rozpuszczonego węgla w gaźniku w materiałach stalowych jest niezwykle wysoka i wynosi około 6,69%, co skutkuje wysoką twardością (950 do 1050 HV), ale prawie zerową plastycznością i wytrzymałością.Jako główna faza wzmacniająca w materiałach stalowych, nawęglanie w stali i inne fazy współistnieją w płatkach, kulistych, siatkowych i płytach, jego morfologia i rozkład właściwości stali mają ogromny wpływ.Na przykład, gdy w materiale występuje rozkład siatkowy, wytrzymałość materiału zmniejsza się, a właściwości mechaniczne ulegają znacznemu pogorszeniu.

Węglik będzie rozkładał się w pewnych warunkach, tworząc węgiel wolny od grafitu, a wolny węgiel zostanie w pewnych warunkach przekształcony w inne węgliki.Wpływ wolnego węgla i węglika na zmęczenie kontaktowe objawia się głównie jego parametrami fizycznymi (takimi jak moduł sprężystości, współczynnik rozszerzalności itp.) odmiennymi od osnowy materiału, co niszczy ciągłość pomiędzy obiema fazami.Proces deformacji zmęczeniowej, węglik może się ponownie rozpuścić, ale duży węglik ma efekt zatykania akumulacji dyslokacji, końcówka górnego węglika bainitu łatwo wytwarza koncentrację naprężeń, sprzyjającą kiełkowaniu pęknięć.Ponadto temperatura rozpuszczania węglika pręta jest wyższa niż korpusu nawęglającego stop, łatwo go utrzymać, aby stał się nierozpuszczonym węglikiem, co prowadzi do znacznego zmniejszenia trwałości zmęczeniowej styku tocznego.

Austenitowa przemiana eutektyczna ferrytu i karburytu utworzonego przez ciało eutektyczne zwane perlitem.Właściwości perlitu pomiędzy ferrytem i węglikiem, wytrzymałość jest lepsza.Jego wytrzymałość na rozciąganie b wynosi 750 ~ 900 MPa, twardość 180 ~ 280HBS, wydłużenie 20 ~ 25%, praca udarowa AKU wynosi 24 ~ 32J.Właściwości mechaniczne pomiędzy ferrytem i nawęgleniem, wysoka wytrzymałość, umiarkowana twardość, plastyczność i wytrzymałość są dobre.Według powiązanych badań wpływ perlitu na trwałość zmęczeniową materiału nie istnieje sam, ale zależy od stosunku twardości perlitu do ferrytu.Gdy stosunek twardości pomiędzy ferrytem i perlitem jest duży, ciągłość pomiędzy dwiema fazami jest słaba (tworząc różnicę faz), a na granicy ferryt/perlit łatwo tworzą się pęknięcia zmęczeniowe, które preferencyjnie rozszerzają się wzdłuż granicy ferryt/perlit.Ponadto odporność zmęczeniowa stali walcowanej na gorąco z gruboziarnistą sieciową organizacją ferrytowo-perlitową jest słaba.

Większy wpływ na właściwości stali mają wtrącenia niemetaliczne w stali, w tym kruche z tlenkami kątowymi, natomiast wtrącenia krzemianowe na trwałość zmęczeniową kontaktową są najbardziej szkodliwe.Ponieważ te wtrącenia niemetaliczne niszczą ciągłość osnowy, materiał w otaczającym obszarze naprężeń rozciągających i ortogonalnych naprężeń ścinających w słabej strefie, pod wpływem cyklicznego obciążenia, naprężeń kontaktowych i naprężeń szczątkowych materiału nakładających się na każdy inne, tak że energia sprężystości skupiona w obszarze wtrąceń niemetalicznych zamieni się w energię odkształcenia powodującą powstanie pęknięć, a pęknięcie to zostanie rozciągnięte w kierunku maksymalnego naprężenia ścinającego i ewentualnego powstania złuszczania powierzchni.Pęknięcie rozszerzy się w kierunku maksymalnego naprężenia ścinającego i ostatecznie utworzy łuszczenie się powierzchni.

Jako surowiec do produkcji stali do zestawów kołowych, w procesie wytapiania nieuniknione jest wprowadzenie niewielkiej liczby pierwiastków stojących (krzem, mangan, siarka, fosfor) i niektórych zanieczyszczeń (zanieczyszczenia niemetaliczne i niektóre gazy, takie jak azot, wodór, tlen).Mają większy wpływ na jakość stali, niektóre są pierwiastkami korzystnymi, inne wręcz przeciwnie.Ponadto chemiczna obróbka cieplna stali odgrywa bardzo ważną rolę we wzmacnianiu i zabezpieczaniu powierzchni przedmiotu obrabianego, np. śrutowanie, nawęglanie, azotowanie itp. Może skutecznie poprawić twardość warstwy wierzchniej przedmiotu obrabianego, odporność na ścieranie i granicę zmęczenia itp., ale należy podkreślić metody jego obróbki i wymagania techniczne.

Zdecydowana większość naukowców zajmujących się badaniem zmęczenia tocznego materiałów kół generalnie zakłada, że ​​materiał jest izotropowy, ale badanie pokazuje, że ponieważ koło na torze nie wykonuje czystego toczenia, więc bez względu na kierunek i położenie , koła kolejowe są anizotropowe.Anizotropia materiału koła ma wpływ na orientację i położenie próbki doświadczalnej, a co za tym idzie na pomiar wytrzymałości i innych parametrów materiału.Uzyskane w ten sposób parametry materiałowe są szczególnie ważne w zastosowaniu do obliczeń zmęczeniowych.

• Wniosek

Kontaktowe uszkodzenia zmęczeniowe są jednym z najważniejszych rodzajów uszkodzeń powierzchni styku koło-szyna poddawanych cyklicznym obciążeniom.Proponowanie środków pozwalających uniknąć uszkodzeń zmęczeniowych wymaga dobrego zrozumienia i wiedzy na temat mechanizmów występujących w przypadku awarii.Badania nad mechanizmem uszkodzeń zmęczeniowych kontaktowych są stosunkowo dojrzałe, jednakże koła w rzeczywistym użytkowaniu warunków pracy są bardzo odmienne, trudno jest posłużyć się teorią do ich wyjaśnienia.

Czynniki wpływające na uszkodzenia zmęczeniowe kontaktowe kół skupiają się głównie na samym materiale i warunkach zewnętrznych.W odniesieniu do samego materiału należy wzmocnić promocję technologii wytapiania próżniowego w przemyśle metalurgicznym, aby w procesie produkcyjnym surowców w kołach nie przedostawały się niekorzystne zanieczyszczenia (takie jak S, P, tlenki, azotki itp.) , ale można go również ukierunkować na dodanie korzystnych pierwiastków (takich jak Si, Mn, V itp.), zmniejszenie zawartości ciał węglowych w materiale, stosunku twardości perlitu do ferrytu itp., aby przeprowadzić skuteczną kontrolę.Przy założeniu zwrócenia uwagi na te czynniki, zastosowanie śrutowania powierzchni kół, nawęglania, azotowania;a zastosowanie odpowiedniej twardości i wytrzymałości materiału może skutecznie poprawić trwałość zmęczeniową koła podczas kontaktu tocznego.