Содержание

Введение……………………………………………………………………………………………………………………………………………. 5

1. Описание и назначение корпуса буксы……………………………………………………………………………………………. 6

2. Дефекты корпуса буксы………………………………………………………………………………………………………………… 7

3. Анализ существующих способов восстановления изношенных поверхностей корпуса буксы………….. 9

4. Способ уменьшения остаточных напряжений и деформаций при наплавке корпуса буксы……………. 12

5. Анализ напряженно-деформированного состояния корпуса буксы………………………………………………… 15

Заключение……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 22

Список литературных источников………………………………………………………………………………………………………. 23

Приложение 1…………………………………………………………………………………………………………………………………… 24

Приложение 2…………………………………………………………………………………………………………………………………… 25

Приложение 3…………………………………………………………………………………………………………………………………… 26

Приложение 4…………………………………………………………………………………………………………………………………… 30

Приложение 5…………………………………………………………………………………………………………………………………… 31

Приложение 6…………………………………………………………………………………………………………………………………… 32

Введение

В вагоноремонтном производстве главная задача состоит в значительном повышении качества ремонта вагонов, повышении их надежности и долговечности, увеличении послеремонтного ресурса вагонов всех типов и их отдельных частей. Для повышения качества ремонта, надежности и долговечности вагонов большое значение имеет уровень техники, организации и технологии вагоноремонтного производства. Поэтому предусмотрено широкое внедрение на вагоноремонтных предприятиях прогрессивных технологических процессов восстановления деталей и узлов вагонов, повсеместное внедрение передовых методов труда и производства, повышение уровня требований к соблюдению технологической дисциплины.

Буксы являются важнейшими элементами ходовых частей вагона, от их надёжности во многом зависит безопасность движения поездов. Буксы располагаются на шейках оси и преобразуют вращательное движение колёсных пар, обеспечивая продвижение вагона с необходи­мыми скоростями. Они воспринимают и передают колёсным парам силы тяжести гружёного кузова, а также динамические нагрузки, возникаю­щие при движении вагона по кривым участкам и стрелочным переводам, неровностям пути и стыкам рельсов, при торможении и наезде колеса на башмак во время роспуска вагонов с горки, при наличии неравно­мерного проката и ползуна на поверхности катания колёс и др. Буксы предохраняют шейки оси от загрязнения и повреждения, являясь резервуаром для смазки и местом размещения подшипников. Они огра­ничивают продольные и поперечные перемещения колёсных пар от­носительно рамы тележки.

Работая в таких сложных условиях нагружения и изменяющихся температурных и погодных условий окружающей среды, буксы должны обеспечивать минимальное сопротивление вращению колёсных пар, высокую надёжность и безопасность движения вагона. Поэтому к их конструкции и расчётам при проектировании предъявляют высокие требования с учётом повышенных скоростей движения поездов и роста осевых нагрузок.

Поскольку у ремонтных предприятий ОАО «РЖД» ограничена возможность приобретения новых корпусов букс из-за недостатка финансовых средств и  их высокой стоимости, естественно возникает острая необходимость восстановления изношенных опорных поверхностей и направляющих в челюстях корпусов букс, находящихся в эксплуатации.

1. Описание и назначение корпуса буксы

Корпус буксы предназначен для размещения элементов буксового узла и смазки. Конструкция корпуса буксы определяется схемой опирания рамы тележки на буксовый узел.

Корпус буксы изготавливается путем отливки из стали марок 15Л, 20Л, 25Л ГОСТ 977-75 с содержанием углерода в стали марки 25Л не более 0,27%, из низколегированной стали по техническим условиям на литые детали вагонов, утвержденным в установленном порядке, и из стали по ГОСТ 22703-77. (В нашем случае материал буксы – сталь 15Л).

Отливки корпусов букс подвергаются термической обработке (нормализации или отжигу), удаляются – окалина, пригоревшая формовочная смесь, заусенцы и большие выступы. После этого производится механическая обработка мест, предусмотренных чертежом.

Для соединения с боковой рамой тележки по бокам корпуса выполнены приливы 1, а для равномерного распределения нагрузки между роликами – рёбра жёсткости 4 и для опоры рамы тележки – ребра 3. Внутренняя часть корпуса растачивается под раз­мер () мм для посадки наружных колец подшипников. В пе­редней части под болты крепления крепительной крышки высверлива­ют отверстия 2 с нарезкой резьбы М20. В задней части корпуса раста­чивают кольцевые канавки 5 лабиринтного уплотнения. Масса сталь­ного корпуса составляет 45кг.

2. Дефекты корпуса буксы

Как известно, опорные поверхности корпуса буксы, постоянно находящиеся в контакте с боковой рамой тележки грузового вагона, изнашиваются. Характер износа опорной поверхности на одном из 3-х ее конструктивных вариантов показан на рис. 2. Для большего представления на рис. 3 показан вид износа смежной опорной поверхности боковой рамы тележки модели 18-100, работавшей в паре с таким корпусом буксы. Разумеется, наличие таких износов не может обеспечить свободную самоустановку колесных пар при движении в рельсовой колее, особенно в кривых участках пути.

В результате возникает защемление корпуса буксы, вызывающее появление дополнительных постоянно действующих сил на буксовый узел и гребни колес, увеличивая их износ, а также износ головок рельс, ослабление и разрушение торцового крепления подшипников, скол бортов внутренних колец задних подшипников, образование задиров на роликах. Все это, приводит к повышенному нагреву буксовых узлов и последующей отцепке вагонов.

3. Анализ существующих способов восстановления изношенных поверхностей корпуса буксы.

Попытки наплавить корпус показали, что наплавка опорных поверхностей «Б» (рис. 2) не вызывает особых сложностей: их можно наплавлять в свободном состоянии, не принимая специальных мер по предотвращению деформации механически обработанного внутреннего диаметра 250 мм в корпусе буксы.

При наплавке направляющих поверхностей «А» из-за малой жесткости в направлении челюстей по горизонтальной оси и больших усадочных сил от наплавленных валиков, действующих вдоль окружности буксы, происходит деформация корпуса: диаметр уменьшается в направлении челюстей (вдоль оси тележки) и увеличивается в направлении опорной поверхности по вертикальной оси. Диаметр, как по переднему, так и по заднему подшипникам выходит за ремонтный допуск, (+0,2 мм), а овальность, т. е. разница диаметров в направлении опорной поверхности и челюстей, также превышает предельное значение, равное 0,2 мм.

Предпринимались попытки восстанавливать изношенные поверхности корпусов букс:

1. Перед наплавкой корпуса буксы для увеличения жесткости внутрь корпуса устанавливают два наружных кольца подшипников. При этом наплавка ведется на пониженных режимах с использованием специальной раскладки швов, обеспечивающей максимально равномерный прогрев буксы и с последующей проковкой каждого шва молотком. Однако при этом способе не устраняется причина, приводящая к деформации посадочного отверстия Æ250 мм, а, следовательно, выход годной продукции должен быть низким. Данные о замерах диаметра 250 мм в корпусах букс до наплавки и после ее отсутствуют. Имеются сведения, что при деповском ремонте ранее наплавленных по такой технологии корпусов букс наружные кольца приходится выбивать и устанавливать только с помощью кувалды, если вообще они могут быть установлены, что является недопустимым.

2. Уменьшение погонной энергии наплавки . Это приводит к снижению остаточных напряжений, так как уменьшается зона пластических деформаций и вследствие этого деформация корпуса буксы по диаметру 250 мм. Направляющие челюстей корпуса буксы предварительно фрезеруют, чтобы устранить неравномерный износ. Затем, используя пластинчатый электрод из нержавеющей стали, к каждой направляющей приваривают пластины изготовленные из стали Ст3, подбирая толщину которых получают чертежный размер мм в челюстях без последующей механической обработки.

Малый объем расплавленного слоя металла (толщина пластинчатого электрода 0,8 мм) и кратковременность процесса горения электрода позволили получить незначительные остаточные напряжения, а, следовательно, и небольшие остаточные деформации корпуса буксы.

Однако металлографическим исследованием наплавленного ребра корпуса буксы установлено, что несплавление между накладкой и пластинчатым электродом достигает 60% площади накладки, а между пластинчатым электродом и металлом ребра корпуса буксы – 20%. При таком количестве несплошностей, являющихся концентраторами напряжения, необходима серьезная проверка несущей способности соединения. Кроме того, этот способ требует тщательной подготовки каждого элемента и соединения в целом под сварку, что значительно снижает производительность процесса.

3. Восстановление корпусов букс путем наплавки опорной поверхности с последующей ее механической обработкой на размер 173±1 мм и приварки пластин из Ст3 на направляющие челюстей с помощью электрозаклепок и обварки их по торцам. Перед приваркой направляющие челюстей фрезеруют с таким расчетом, чтобы после приварки пластин получить чертежный размер 328 мм. Малый объем наплавленного металла и низкое тепловложение дают возможность получить малую деформацию корпуса. Однако, несмотря на предварительную механическую обработку направляющих из-за деформации пластин во время их приварки не обеспечивается плотное их прилегание, т.е. всегда имеется зазор между пластиной и поверхностью корпуса. Такой зазор является конструктивным трещиновидным концентратором напряжений. В нем неизбежно будет происходить окисление приваренных пластинок и замерзание попадающей влаги в осенне-зимне-весенний период с положительным объемным ее эффектом, вызывающим появление сил отрывающих эти пластинки. Как будет вести себя такое соединение в условиях ударных нагрузок при условии малой площади соединения, могут показать только эксплуатационные испытания и в условиях роспуска вагонов на сортировочных горках. При использовании данного способа затруднительно обеспечить требуемую износостойкость восстанавливаемых поверхностей, т.к. применение привариваемых пластинок из высокопрочной закаленной стали приведет к их отпуску и как следствие к резкому снижению износостойкости.

4. Способ наплавки с интенсивным охлаждением наплавляемой буксы в ванне с водой. При этом наплавка осуществлялась электродом диаметром 3 мм на малом токе с интенсивным проковыванием каждого шва молотком. Несмотря на приемлемые результаты по деформации корпуса буксы по диаметру 250 мм, необходимо отметить малую производительность этого метода и его низкую технологичность. Кроме того, работа по наплавке в воде может приводить к попаданию водорода в жидкий металл наплавки , что приведет к его охрупчиванию и как следствие к образованию трещин в сварном соединении.

Анализ рассмотренных выше способов показывает, что, независимо от метода восстановления изношенных поверхностей, общим для них является стремление уменьшить уровень остаточных напряжений.

4. Способ уменьшения остаточных напряжений и деформаций при наплавке корпуса буксы

Методы уменьшения остаточных напряжений и деформаций известны.

К ним относятся:

– создание в детали или узле предварительной деформации обратного знака, наплавка с малыми погонными энергиями;

– раскладка швов в определенном порядке, а также последующая пластическая деформация наплавленного металла.

Для создания в корпусе буксы предварительной деформации обратного знака было разработано специальное приспособление, основным элементом которого является силовой механизм (гидравлический домкрат), упруго деформирующий корпус буксы перед наплавкой в направлении направляющих челюстей.

При наплавке швы накладываются в определенной последовательности, способствующей уменьшению разогрева основного металла и сохраняющей благоприятную схему нагружения корпуса буксы. В процессе наплавки производят проковку каждого слоя металла молотком массой 1,2 кг.

После полной наплавки направляющих челюстей и проковки швов букса охлаждается в нагруженном состоянии в течение 30 мин при температуре окружающего воздуха цеха с целью релаксации остаточных напряжений.

После полного охлаждения наплавленного корпуса производится контроль диаметра 250 мм и в случае положительного результата корпус подается на механическую обработку наплавленных поверхностей.

Также необходимо отметить некоторые моменты, которые в той или иной степени определяют качество при выполнении данных работ.

Работа по восстановлению изношенных поверхностей в корпусах букс начинается и заканчивается после механической обработки наплавленных поверхностей замером посадочного отверстия диаметром 250 мм. Соответствующие замеры выполняются или электронным прибором для контроля размеров и формы внутренней части корпуса буксы или нутромером с индикатором часового типа с точностью измерения 0,01 мм. При этом большое значение имеет температура окружающей среды и соответственно температура самого корпуса буксы, которая должна соответствовать температуре колесно-роликового производственного участка, где происходит монтаж буксовых узлов.

При изменении температуры корпуса на 20°С внутренний диаметр изменяется в среднем на 0,07 мм (Рис. 4). Это может оказать решающее значение на фактический диаметр 250 мм, когда он имеет предельные значения близкие к верхнему или нижнему полю допуска.

Для наплавки корпуса применяются разжимающие гидравлические домкраты с усилием 35 тонн. Это связано с тем, что с одной стороны такой запас по усилию при необходимой нагрузке 11 тонн дает возможность работать при пониженном давлении масла в гидросистеме равном 150 атм. С другой стороны такой запас по усилию позволяет применить правку корпусов букс, имеющих размер после наплавки , выходящий за пределы поля допуска. Как правило, это происходит в направлении челюстей, когда диаметр 250 мм принимает отрицательный допуск. Это значит, что в швах на трущихся поверхностях челюстей после наплавки остались растягивающие остаточные напряжения, которые деформируют корпус в этом направлении. Для их снятия необходимо пластически деформировать эти швы. Для этой цели корпус буксы после наплавки и замера внутреннего диаметра 250 мм снова надевается на нагружающее устройство и деформируется усилием в 2-3 раза превышающем рабочее, т.е. усилием от 20 т и выше (рис.5).

Величина деформирующего усилия зависит от величины коробления корпуса буксы после наплавки и времени выдержки под нагрузкой в процессе правки. Чем больше время выдержки, тем меньшая величина усилия требуется для исправления большего коробления.

Оценка напряженно-деформированного состояния корпуса буксы выполнена методом конечных элементов с помощью программного пакета ANSYS Workbench (10.0). Сделан анализ напряжений и деформаций, возникающих при наплавке опорной и направляющих поверхностей корпуса.