Loading

Hartowanie powierzchni tocznych obręczy zestawów kołowych

Stanisław Piotrowski
kierownik działu w oddziale CBKT we Wrocławiu
inż. Tadeusz Godula
dyrektor oddziału CBKT we Wrocławiu

"Trakcja i Wagony" Nr.1/1981

UKD:629.4.027.43:621.785.5

W większości pojazdów szynowych PKP są stosowane zestawy kołowe z nakładanymi obręczami, wykonywanymi dla lokomotyw ze stali w gatunku St70P, a dla wagonów ze stali w gatunku St7P.
Obręcze są dostarczane przez huty w stanie ulepszonym cieplnie i mają twardość w granicach od 190 do 250 HB, a w zakładach dokonujących ich montażu na koła bose, podlegają tylko obróbce wiórowej i bez dalszej obróbki cieplnej są przekazywane do eksploatacji.
W czasie eksploatacji, obręcze ulegają zużyciu na powierzchni tocznej. Podczas napraw okresowych pojazdów, profil obręczy musi być więc doprowadzony - drogą obróbki wiórowej - do profilu ustalonego przepisami. Dotychczasowy przebieg pracy obręczy do czasu jej wymiany wynosi około 200 tys. km. Grubość nowej obręczy wynosi 75 mm, a po ostatniej naprawie, w zależności od rodzaju taboru, 25 do 45 mm. Wynika stąd, że wskutek zużycia w czasie jednego przebiegu międzynaprawczego i związanego z tym przetoczenia zmniejsza się każdorazowo grubość obręczy średnio o ponad 10 mm. Jedną z metod przedłużenia żywotności obręczy jest zastosowanie utwardzenia powierzchni tocznej i obrzeża obręczy.

Prace doświadczalne w dziedzinie hartowania obręczy zestawów kołowych

W 1954 r. w ZSRR przeprowadzono badania nad utwardzaniem obręczy parowozowych i wagonowych metodą indukcyjną. W celu ustalenia możliwości uzyskania wymaganej warstwy badania ograniczyły się do doświadczeń i prób hartowania. Grubość warstwy zahartowanej wynosiła 6 mm, a twardość 50 HRC. Próby kafarowe wykazały, że obręcz zahartowana indukcyjnie jest 5 do 10 razy odporniejsza' na uderzenia niż obręcz nie hartowana.
W latach 1963-64 przeprowadzone zostały . dalsze próby ścieralności próbek obręczy i szyn [1]. Z badań tych wynika, że w miarę wzrostu twardości obręczy wzrasta zużycie szyn, natomiast przy zachowaniu pewnego stosunku twardości obręczy do twardości szyny zużycie zarówno obręczy, jak i szyny, uzyskuje prawie jednakową niezmienną wartość. Stosunek ten wynosi:

Jako najkorzystniejszą twardość ustalono dla obręczy 425 HB, a dla szyn - 350 HB.
W Austrii przeprowadzono w 1952 r. próby eksploatacyjne obręczy hartowanych płomieniowo [2]. Podczas tych doświadczeń zaobserwowano, że na terenach górskich, gdzie najwięcej zużywają się wewnętrzne powierzchnie obrzeża, trwałość obręczy hartowanych powierz-niowo jest czterokrotnie większa od trwałości obręczy nie hartowanych. Zauważono również, że rozkład warstwy zahartowanej na poprzecznym przekroju obręczy powinien zależeć od warunków pracy obręczy, tj. od miejsca jej największego zużycia. Zatem inny powinien być rozkład zahartowanej warstwy na obręczach lokomotyw górskich, jeżdżących po krętych liniach toru, a inny dla lokomotyw jeżdżących po prostych liniach.
Twardość na powierzchni zahartowanej warstwy wynosiła 50 HRC, a głębokość jej ponad 3 mm.
Na kolejach NRD hartuje się obręcze parowozowe od 1963 r. płomieniowo, przy użyciu gazu miejskiego i tlenu. Obręcze przed hartowaniem są podgrzewane na stanowisku hartowniczym do temperatury 200°C, a następnie dogrzewane do temperatury 830-r-860°C, po czym chłodzone z szybkością około 520°C/s do temperatury około 300 °C.

 

Rys. 1 Rozkład warstwy zahartowanej obręczy parowozowych hartowanych metodą płomieniową

Chłodzenie przeprowadza się za pomocą emulsji olejowej. Obręcze po zahartowaniu mają twardość 55-f-60 HRC i nie są odpuszczane.
Wprowadzenie hartowania przynosi bardzo duże oszczędności. Obręcze nie hartowane musiały być przetaczane po przebiegu około 60 tys. km, natomiast hartowane utrzymują profil po około 100 do 120 tys. km. Przed wprowadzeniem hartowania obręcze były wymieniane średnio co 4,5 roku. Obręcze hartowane są wymieniane co 9 lat.
W latach 1966-70 CBKP i ZNTK we Wrocławiu wspólnie z COBiRTK przeprowadziły badania nad powierzchniowym hartowaniem obręczy. W wyniku tych badań ZNTK we Wrocławiu wykonały według projektu miejscowego CBKP uproszczone stanowisko do przeprowadzenia prób i badań powierzchniowego hartowania obręczy parowozowych zestawów kołowych metodą płomieniową, przy użyciu tlenu i acetylenu. Na stanowisku tym zahartowano i przekazano do prób eksploatacyjnych 100 parowozowych zestawów kołowych.
Charakterystyka zahartowanej warstwy [5, 7] była następująca:
- twardość na powierzchni tocznej 480 -520 HB,
- głębokość warstwy zahartowanej 3-5-5 mm (rys. 1),
- wielkość dylatacji, tj. wielkość paska nie zahartowanego na obwodzie obręczy 25-35 mm.
Rezultat ten uzyskiwano przy doświadczalnie ustalonych następujących parametrach:
prędkość liniowa:
- wstępnego podgrzewania do około 200°C 7 mm/s
- dogrzewania do temperatury hartowania około 850°C 3,5.mm/s
zużycie energii:
- tlen przy wstępnym podgrzewaniu 3,5 dm3/s, przy hartowaniu 4,4 dm3/s
- acetylen przy wstępnym podgrzewaniu 3 dm3/s, przy hartowaniu 2,2 dm3/s
- ciecz chłodząca przy hartowaniu 0,15 dm8/s
Zahartowane zestawy kołowe były obserwowane w eksploatacji przez trzy lata. W Okresie tym nie stwierdzono pęknięcia obręczy, ani łuszczenia się lub odprysków warstwy zahartowanej.
Żywotność zahartowanych obręczy była 2-do 4-krotnie dłuższa niż obręczy nie hartowanych.
Wyniki tych prób posłużyły do dalszych prac przygotowawczych dla powszechnego wprowadzenia hartowania powierzchni tocznych obręczy zestawów kołowych na PKP.
Projekt stanowiska do hartowania obręczy opracowało CBKT we Wrocławiu, przy współpracy z COBiRTK oraz "ELCAL" - Łódź. Przystępując do projektowania stanowiska, dokonano przede wszystkim wyboru metody utwardzenia oraz rozkładu warstwy zahartowanych powierzchni tocznych obręczy. Z dwóch metod hartowania powierzchniowego: płomieniowej i indukcyjnej - wybrano indukcyjną. Przyjęty rozkład warstwy dla profilu obręczy "AOC" przedstawia rysunek 2.

 

Rys. 2. Rozkład warstwy zahartowanej obręczy wagonowych o profilu "AOC" hartowanych metodą indukcyjną

 

Hartowanie indukcyjne jest korzystniejsze od płomieniowego z uwagi na krótszy czas ogrzewania (przy hartowaniu indukcyjnym grzeje się jednocześnie warstwa o takiej grubości, w jakiej indukują się prądy wirowe) i lepsze warunki obsługi urządzeń (brak otwartego płomienia). Ponadto, przy indukcyjnym ogrzewaniu występuje w mniejszym stopniu obawa o przegrzanie warstwy powierzchniowej.

 

Rys. 3. Rozkład warstwy zahartowanej bez wstępnego podgrzewania

 

Wymagania dotyczące warstwy utwardzonej

Warstwa utwardzona powinna charakteryzować się następującymi cechami:
- głębokość warstwy - około 3 mm, łącznie ze strefą przejściową,
- strefa przejściowa nie powinna być większa od 30% całkowitej głębokości hartowania,
- twardość na powierzchni tocznej powinna wynosić 300 -400 HB,
- mikrostruktura powinna odpowiadać stali ulepszonej cieplnie (sorbitalna, bardzo rozdrobniona struktura perlityczna),
- wielkość dylatacji, tj. nie zahartowanego paska na obwodzie tocznym - 25-35 mm.
Próbę hartowania [4] przeprowadzono w Łódzkich Zakładach Termotechnicznych ,,EL-CAL" na stanowisku zestawionym z następujących zespołów:
- generator 200 kW, 10 kHz,
- rozdzielnica średniej częstotliwości RSC-250/1/2,
- stojak kondensatorowy Sk-26s,
- podajnik PX Gl,
- transformator średniej częstotliwości TK-1250. Próby hartowania przeprowadzono bez podgrzewania i z podgrzewaniem na obręczach próbnych o średnicy 500 mm i szerokości 100 mm, wykonanych ze stali St7P. Obręcze były zahartowane na całym zarysie, tak aby szerokość warstwy utwardzonej była w przybliżeniu zgodna z założeniami. Parametry prób hartowania podano w tablicy.

Rys. 4. Rozkład warstwy zahartowanej ze wstępnym podgrzewaniem do temperatury 200°C

Badania metalograficzne [6] przeprowadził COBiRTK. Wykonano obserwacje makroskopowe pozwalające określić rozkład warstwy utwardzonej oraz mikroskopowe, w celu kontroli uzyskanych struktur.
Widok warstwy utwardzonej i jej grubość przedstawione są na rysunkach 3 i 4.Badania mikroskopowe wykazały, że we wszystkich próbach występuje za mała warstwa przejściowa pomiędzy rdzeniem a warstwą utwardzoną, która powinna wynosić około 0,9 mm (uzyskano 0,1 do 0,2 mm).
Na rysunkach 5, 6, 7, 8, przedstawiono struktury występujące w warstwie utwardzonej wycinka obręczy (rys. 4) hartowanej z podgrzewaniem wstępnym do 200°C.

Parametry prób hartowania indukcyjnego

Określenie Jednostki Parametry próbek
próbka bez wstępnego
podgrzewania
próbka z wstępnym
podgrzewaniem
Częstotliwość kHz 10 10
Moc czynna generatora   kW   60  60
Napięcie wzbudnika   kV  60  60
Prędkość liniowa przy wstępnym podgrzewaniu   mm   -   42
s
Prędkość liniowa hartowana mm   10   10
s
Czynnik chłodzący   woda woda
Zużycie czynnika chłodzącego dm3   0,133   0,133
s
Grubość warstwy zahartowanej  mm  1,8 do 1,6  3,5 do 4,5
Twardość na powierzchni   HRC  58 do 61   59 do 61
Ciśnienie czynnika chłodzącego   MPa  0,15   0,15

W warstwie zahartowanej występuje martenzyt drobnoiglasty (rys. 5), który w kierunku rdzenia przechodzi w strukturę bardziej zróżnicowaną (rys. 6, 7), lecz o tej samej twardości.
Rozkład twardości warstwy utwardzonej, w zależności od odległości, badanej metodą Vic-kersa na aparacie Bririskop przedstawiono na rysunkach 9 i 10.

 

Rys. 5. Struktura metalograficzna warstwy zahartowanej. Drobnoiglasty martenzyt (x 100)

Rys. 6. Struktura warstwy zahartowanej w obszarze przy rdzeniu. Martenzyt na tle drobnych pól bainitu (x 100)

Rys. 7. Obszar bezpośredniego przejścia struktury martenzytycznej do perlitycznej (x 100)

Szczegółowe badania dla ustalenia parametrów technologicznych hartowania zostaną przeprowadzone na wykonywanym obecnie stanowisku w ZNTK we Wrocławiu (rys. 11).
W roku 1981 powinny być przeprowadzone próby eksploatacyjne hartowanych obręczy, a od 1982 roku powinno nastąpić wprowadzanie hartowania powierzchniowego obręczy do powszechnego stosowania.
Podajnik obrotowy 1 do indukcyjnego hartowania obręczy jest konstrukcją portalowo-ra-mową przystosowaną do linii technologicznych produkcji i naprawy zestawów kołowych,.usytuowaną prostopadle do osi wzdłużnej torów,po którym przemieszczane są zestawy kołowe w potoku technologicznym.
Obok podajnika jest zlokalizowana stacja średniej częstotliwości, w skład której wchodzą zespoły:
- przetwornica 7,
- szafa rozruchowa i kontroli 8,
- szafy chłodnicze 9 -H 11.

Rys. 8. Struktura rdzenia. Perlit (x 100)

 

Rys. 9. Rozkład twardości warstwy zahartowanej na przekroju obręczy uzyskanej w wyniku hartowania bez podgrzewania wstępnego

Stanowisko do hartowania obręczy zestawów . kołowych ma następujące cechy konstrukcyjne:
- jednoosobowa obsługa,
- płynna regulacja prędkości obwodowych (system tyrystorowy),
- automatyczna blokada kolejności wykonywania poszczególnych czynności (nie zosta ? nie wprowadzony następny zestaw kołowy dopóki ze stanowiska nie zostanie wyładowany zestaw, który był hartowany),
- zapewnia utrzymanie w zakresie od 25 do 35 mm wielkości dylatacji na hartowanej obręczy (dylatacja ta jest uzależniona od średnicy zestawu kołowego i zwiększa się wraz ze zwiększeniem średnicy, i tak: dla średnicy obręczy 700 wynosi 25 mm, a dla średnicy 1250 mm - 35 mm),
- kontrola prędkości .obwodowych w czasie prowadzenia procesu hartowania,
- kontrola i regulacja natężenia przepływu cieczy chłodzącej.
- kontrola temperatury wstępnego podgrzewania obręczy,
- kontrola ciśnienia cieczy chłodzącej,
- utrzymanie stałej odległości pomiędzy wzbudnikiem a hartowaną obręczą,
- sterowanie i obserwacja przyrządów kontrolnych (poza natężeniem cieczy hartowniczej) zlokalizowane są w jednej szafie sterowniczej,
- prosta, zwarta i sztywna konstrukcja dzięki zastosowaniu prostych układów kinematycznych podstawowych zespołów oraz dużej ilości gotowych, zunifikowanych zespołów produkowanych przez przemysł krajowy, takich jak: siłowniki hydrauliczne, rozdzielacze, zawory przelewowe, zwrotne itp.

 

Rys. 10. Rozkład twardości -warstwy zahartowanej na przekroju obręczy uzyskanej w wyniku hartowania ze wstępnym podgrzewaniem

Przewidywane efekty techniczno-ekonomiczne

Powszechne wprowadzenie na PKP hartowania obręczy zestawów kołowych przyniesie następujące efekty techniczno-ekonomiczne, wynikające z 2,5-krotnego przedłużenia okresu eksploatacji utwardzonych obręczy:
- oszczędność stali obręczowej w ilości około 15 500 ton/rok,
- oszczędność na robociźnie z tytułu zmniejszenia częstotliwości wymontowywania zestawów kołowych i ich obróbki wiórowej w liczbie około 1,5 miliona godzin rocznie,
- odciążenie tokarek - kołówek i zmniejszenie zużycia energii elektrycznej,
- uzyskanie możliwości wydłużenia przebiegów międzynaprawczych taboru kolejowego.

 

Rys. 11. Stanowisko do hartowania obręczy zestawów kołowych

1 - podajnik obrotowy;
2, 3 - nagrzewnice MI-160;
4, 5 - mechanizmy podająco-zatrzymujące TPz-1;
6 - główna szafa sterownicza;
7 - przetwornica MUK-1123-8;
8 - szafa rozruchu i kontroli przetwornicy;
9, 10, 11 - szafy chłodnicze

Bibliografia:

[1] Hassę W.: Modernę Arbeits - und Prilfverfahr -n der Raderbearbeitung. Maschinenbau und Warme-wirtschaft 1955 4-5
[2] Larin T. W.: Ob optiraalnoj tviordosti elementov pary trienija "Koleso-Riels". Viestnik 1965 3
[3] Wołogdin: Povierchnostnaja indukcjonnaja zakątka. Oborongiz Moskwa 1946
[4] Próby technologiczne hartowania obręczy kolejowych. "ELCAL" Łódź 25.11.1977
[5] Tymczasowe warunki techniczne przeprowadzania procesu utwardzania i odbioru powierzchni tocznych obręczy zestawów kołowych parowozowych do prób eksploatacyjnych. COBiRTK Warszawa 1970
[6] Współpraca przy opracowaniu hartowania obręczy zestawów kołowych pojazdów szynowych metodą indukcyjną. COBiRTK Warszawa temat nr 3393/ /ll 1977
[7] Zbadanie możliwości hartowania płomieniowego powierzchni tocznych obręczy parowozowych. COBiRTK Warszawa temat nr S-52