Совершенствование металлокерамического фрикционного сплава для амортизаторов удара железнодорожного подвижного состава

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 629.4.028.86

Совершенствование металлокерамического фрикционного сплава для амортизаторов удара железнодорожного подвижного состава

Изложены результаты исследований нового металлокерамического фрикционного сплава К-30 для фрикционного амортизатора (поглощающего аппарата автосцепки) ПМКП-110. Показано, что применение нового сплава позволяет увеличить энергетический ресурс амортизатора более чем в 2 раза.

Ключевые слова: металлокерамический фрикционный сплав, поглощающий аппарат, износ, ПМКП-110, К-30.

Фрикционные (комбинированные полимерно-фрикционные) амортизаторы удара получили широкое распространение на железнодорожном транспорте благодаря простоте конструкции, низкой стоимости изготовления, а также неприхотливости в эксплуатации. Однако такие амортизаторы имеют относительно низкие значения коэффициента полноты силовой характеристики и соответственно энергоемкости.

Низкая энергоемкость и стабильность работы амортизаторов со стальными поверхностями трения обусловлены значительной вариацией фрикционных свойств пары трения «сталь-сталь» и склонностью к схватыванию. Случайный характер образования связей при схватывании усугубляет неустойчивость работы амортизатора. Свойственное работе пары трения «сталь-сталь» значительное пластическое деформирование поверхностей, сопровождающееся глубинным вырыванием частиц материала в микро- и макрообъемах и образованием наростов, ограничивает срок службы корпусов амортизаторов.

Таким образом, основным направлением совершенствования фрикционных амортизаторов является повышение эксплуатационных характеристик пар трения, в том числе и путем применения новых фрикционных материалов.

Пути создания фрикционных материалов с заданными свойствами определяются рядом основных положений современной теории трения и, в первую очередь, внешними условиями эксплуатации пары трения. В амортизаторах удара они весьма специфичны: процесс трения нестационарен, скорость скольжения в течение 0,1…0,2 с изменяется от 3 м/с до нуля, давление в процессе удара возрастает до 50 МПа. Температура поверхностей трения при этом составляет 550…600 °С [1]. Ввиду кратковременности процесса теплота не успевает распространиться вглубь материала и поглощается тончайшим поверхностным слоем. Градиент температуры по глубине составляет 1500° С/мм.

Обеспечить устойчивое значение коэффициента трения в таких условиях можно лишь при использовании материалов, обладающих высокой сопротивляемостью тепловому удару и теплостойкостью. Достаточная износостойкость таких материалов достигается путем образования в процессе трения пластичного и стойкого к передеформированию рабочего слоя. В условиях больших температурных градиентов особенно важно, чтобы все фрикционные процессы локализовались в этом рабочем слое, т. е. необходимо, чтобы прочность слоя была меньше прочности нижележащих слоев. металлокерамический фрикционный сплав амортизатор

Решение такой задачи было получено при применении порошковых металлокерамических материалов, специально разработанных для условий работы амортизатора удара.

Были разработаны различные сплавы из порошковых материалов. Модификации выбирали таким образом, чтобы оценить влияние отдельных компонентов на фрикционные свойства пары. Испытания показали [1], что небольшие изменения в химическом составе могут значительно влиять на износостойкость пары и в меньшей степени на ее фрикционные свойства. Лучшими из исследованных были признаны материалы К-11, К-23, К-17, имеющие относительно простые составы и при хороших фрикционных свойствах обладающие достаточной износостойкостью. Новым парам трения не свойственно схватывание, рабочие поверхности не имеют вырывов или наростов, на стальных поверхностях, работающих в паре с порошковым материалом, наблюдается полировальный эффект.

Фрикционный амортизатор удара ПМКП-110, разработанный ООО «НПП Дипром» и серийно выпускаемый рядом предприятий с 2007 г., оснащен металлокерамическими фрикционными элементами, изготовляемыми из порошкового материала К-23, защищенного патентом РФ № 2034086 [2]. Материал был разработан для поглощающего аппарата ПМК-110А; применительно к этому амортизатору металлокерамика К-23 удовлетворяла условиям эксплуатации как по энергоемкости, так и по износостойкости. С появлением амортизатора ПМКП-110, энергоемкость и силовые нагрузки которого существенно - на 30…40 % - повысились, появилась необходимость совершенствования фрикционного материала. Работы в этом направлении велись ООО «НПП «Дипром» с 2005 г. Результатом этих работ явилось создание порошкового материала К-30, защищенного патентом РФ № 2356983 [3] и зарегистрированного в Роспатенте в 2007 г.

Изобретение относится к порошковым фрикционным сплавам на основе железа для работы в условиях ударного трения и может быть использовано во фрикционных узлах поглощающих аппаратов автосцепки железнодорожных транспортных средств.

Поставленная задача решается за счет того, что порошковый фрикционный сплав на основе железа содержит компоненты в следующем соотношении (масс. %): олово - 4,5…6,5; графит - 3,5…4,5; дисульфид молибдена - 1,5…3; свинец - 4…6; диоксид кремния - 1,5…2,5; железо - остальное.

Для изготовления металлокерамического фрикционного сплава используются порошковые материалы. В режиме ударного трения, характеризуемого малой длительностью процесса (0,03…0,15 с) и высоким давлением (до 100 МПа) при температурах вспышки на поверхности трения до 870° К, компоненты выполняют следующие функции:

- железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность фрикционного сплава;

- олово, благодаря низкой температуре плавления, образует в процессе ударного трения фрикционный рабочий слой, обеспечивающий положительный градиент механических свойств по глубине и предохраняющий поверхности трения от интенсивного изнашивания (содержание олова менее 4,5 масс. % приводит к снижению износостойкости, введение в состав сплава более 6,5 масс. % олова снижает показатель стабильности коэффициента трения);

- дисульфид молибдена служит в процессе трения твердой смазкой, препятствующей молекулярному схватыванию поверхностей, и способствует повышению общей прочности сплава (содержание в сплаве дисульфида молибдена менее 1 масс. % резко уменьшает износостойкость, повышение содержания более 3 масс. % не приводит к существенным изменениям характеристик порошкового сплава в процессе ударного трения);

- диоксид кремния (используется в виде формовочного кварцевого песка) увеличивает коэффициент трения (при введении в сплав менее 1,5 масс. % диоксида кремния коэффициент трения значительно снижается, введение в сплав более 2,5 масс. % приводит к значительному снижению износостойкости);

- графит имеет сложную структуру и в процессе ударного трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей (содержание в составе металлокерамического материала графита менее 3,5 масс. % приводит при некотором увеличении износостойкости к значительному снижению стабильности коэффициента трения, при увеличении количества графита более 4,5 масс. % с ростом стабильности значительно снижается износостойкость);

- свинец в составе порошкового фрикционного сплава увеличивает общую прочность сплава и повышает его износостойкость (введение в состав сплава менее 4 масс. % свинца приводит к снижению износостойкости; повышение содержания свинца более 6 масс. % снижает стабильность коэффициента трения).

Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого металлокерамического фрикционного сплава подготовили восемь смесей ингредиентов. Исследование фрикционных характеристик сплава в условиях ударного трения проводилось на специальной лабораторной установке [4] при начальной скорости трения 3 м/с и давлении 30 МПа. По результатам испытаний определялись: интенсивность износа - отношение весового износа к вызвавшей его энергии ударов; средний коэффициент трения в паре со сталью; стабильность коэффициента трения - отношение среднего коэффициента трения к максимальному за удар.

В табл. 1 представлены полученные результаты для предлагаемого сплава (строка 2) и сплавов, массовая доля ингредиентов которых выходит за предлагаемые пределы.

Таблица 1. Характеристики порошковых фрикционных сплавов

Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при введении в сплав свинца, диоксида кремния и дисульфида молибдена в количествах, выходящих за рамки предлагаемых пределов, существенно снижается износостойкость сплава, коэффициент трения и его стабильность меняются в меньшей степени.

Предлагаемый порошковый фрикционный сплав по сравнению с известным (строка 8) позволяет в 1,7 раза снизить износ материала при практически том же значении коэффициента трения и его стабильности, что обеспечивает более высокую надежность и долговечность амортизаторов удара железнодорожного подвижного состава, увеличить их срок службы, снизить затраты на ремонт, связанный с заменой металлокерамических элементов.

Была подготовлена технологическая инструкция по изготовлению фрикционных элементов из материала К-30, проведены работы по подготовке производства этих элементов в ЗАО «Термотрон-завод» (г. Брянск) и на Казенном заводе порошковой металлургии (г. Бровары, Украина) и изготовлены установочные партии, предназначенные для испытаний.

Дальнейшие исследования нового фрикционного порошкового сплава проводились на образцах амортизаторов удара ПМКП-110 [2] с металлокерамическими элементами К-30.

Были проведены испытания по определению износостойкости, ударные и эксплуатационные испытания амортизаторов.

До испытаний на износостойкость по амортизатору в разное время было нанесено около 800 ударов, рабочие поверхности корпуса и других деталей были полностью приработаны. Опытными металлокерамическими элементами К-30 оснащались неподвижные пластины. После приварки металлокерамика была осмотрена, неровности на поверхности не обнаружены. Перед сборкой измерялась толщина пластин, точность замера составляла 0,05 мм. Каждая из неподвижных пластин с металлокерамическими элементами взвешивалась на весах с точностью до 1 г.

В соответствии с методикой ударных испытаний амортизатор устанавливался в автосцепное устройство неподвижного упора стенда-горки БГТУ-БСЗ. Набегающей тележкой массой 44 000 кг с различной скоростью наносились удары, обеспечивающие максимальную приработку металлокерамических элементов по всей поверхности (табл. 2).

Таблица 2. Схема соударений

В ходе испытаний по амортизатору было нанесено 328 ударов при использовании металлокерамических элементов К-30 производства КЗПМ и 328 ударов при использовании металлокерамических элементов К-30 производства ЗАО «Термотрон-завод» (общая введенная энергия составила 23,68 МДж). В конце испытаний регистрировались процессы изменения силы и хода амортизатора при ударном сжатии, оценивалась также поглощенная энергия. В табл. 3 приведены основные параметры силовых характеристик амортизатора с элементами К-30 производства КЗПМ после 328 ударов.

Для сравнения в табл. 4 приведены аналогичные характеристики амортизатора ПМКП-110 производства ООО «ПК «БСЗ» № 8045, оснащенного металлокерамическими элементами К-23 производства ЗАО «Термотрон-завод» (испытания проводились в 2010 г.).

После испытаний измерялся линейный износ по двум пластинам.

В табл. 5 приведены значения толщины пластин в точках замера до и после испытаний. Средний линейный износ металлокерамических элементов производства КЗПМ и ЗАО «Термотрон-завод» составил 0,578 и 0,643 мм соответственно.

Таблица 3. Основные параметры силовых характеристик амортизатора ПМКП-110 с элементами К-30 производства КЗПМ после 328 ударов

Таблица 4. Основные параметры силовых характеристик амортизатора ПМКП-110 с элементами К-23 производства ЗАО «Термотрон-завод» после 190 ударов

Весовой износ двух неподвижных пластин с металлокерамическими пластинами К-30 производства КЗПМ и ЗАО «Термотрон-завод» составил 153 и 155 г соответственно.

Осмотр поверхностей металлокерамических элементов К-30 производства КЗПМ (г. Бровары) после испытаний обнаружил небольшой скол в нижней части одной из пластин на поверхности, находившейся в контакте с клином, отслоения металлокерамики от металлического основания не наблюдались.

Таблица 5. Толщина неподвижных пластин с металлокерамикой К-30 в точках замера, мм

Поверхности элементов К-30 производства ЗАО «Термотрон-завод» после испытаний не имели заметных повреждений. Также не имели каких-либо повреждений поверхности деталей, находившихся в контакте с металлокерамическими элементами К-30 производства КЗПМ и ЗАО «Термотрон-завод»: и на клине, и на подвижной пластине отсутствовали задиры и вырывы, наблюдался полировальный эффект; наличие линейного износа на этих деталях в зоне контакта с металлокерамикой также не обнаружено.

Для сравнения ниже приводятся данные по состоянию металлокерамических элементов К-23 производства ЗАО «Термотрон-завод» после описанных испытаний 2010 г.

Средний линейный износ металлокерамических элементов К-23 составил 0,631 мм, общая введенная энергия в течение испытаний составила 15,87 МДж. Весовой износ двух неподвижных пластин с металлокерамическими элементами К-23 составил 241 г.

В период 2008 - 2010 гг. в ходе внедрения на железнодорожном транспорте нового амортизатора удара класса Т2 ПМКЭ-110, разработанного ООО «НПП «Дипром», в ООО «ПК «БСЗ» была изготовлена опытная партия амортизаторов, предназначенная для эксплуатационных испытаний на Экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» (г. Щербинка). Неподвижные пластины нового амортизатора идентичны неподвижным пластинам амортизатора ПМКП-110, но для повышения долговечности металлокерамики в этом амортизаторе более высокого качества специально были изготовлены металлокерамические элементы из материала К-17, близкого по составу к материалу К-30. После окончания испытаний амортизаторы были подвергнуты осмотру. Визуальное обследование не обнаружило никаких следов скалывания или выкрашивания металлокерамических элементов, отсутствовали какие-либо трещины или повреждения. Отсутствовали также какие-либо повреждения и на поверхностях сопряженных металлических деталей.

В табл. 6 приведены сравнительные показатели испытаний металлокерамических элементов, изготовленных из нового материала К-30 и серийного К-23.

Таблица 6. Сравнительные показатели испытаний

Интенсивность износа - как линейного, так и весового - элементов из металлокерамики К-30 значительно ниже, чем интенсивность износа серийных элементов. Для нового металлокерамического сплава характерна равномерность износа, существенно меньшее скалывание и выкрашивание, что значительно снижает весовой износ.

По исходной массе металлокерамики в амортизаторе (1900 г) можно оценить энергетический ресурс Э амортизатора без замены металлокерамических элементов:

- для металлокерамики К-30 Э = 292 МДж;

- для металлокерамики К-23 Э = 125 МДж.

Таким образом, внедрение нового металлокерамического сплава позволит увеличить энергетический ресурс амортизатора более чем в 2 раза, что даст возможность эксплуатировать поглощающие аппараты ПМКП-110 весь срок службы без замены металлокерамических элементов.

Список литературы

1. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение -1, 2004. - 199 с.

2. Пат. 2034086 РФ, МПК 6 C22 C33/02. Порошковый фрикционный сплав на основе железа / Кеглин Б.Г., Мигунов В.П., Добрострой Н.И., Прилепо Т.Н., Ионов В.В., Болдырев А.П. - Опубл. 30.04.95, Бюл. № 12.

3. Пат. 2356983 РФ, МПК 6 C22C 33/02. Порошковый фрикционный сплав на основе железа /Кеглин Б.Г., Болдырев А.П., Прилепо Т.Н., Мигунов В.П., Гуров А.М. - Опубл. 27.05.09, Бюл. № 15.

4. Никольский, Л.Н. Амортизаторы удара подвижного состава / Л.Н. Никольский, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение, 1986. - 144 с.

Размещено на Allbest.ru