Лазерное упрочнение

Проведена опытная эксплуатация прицепных вагонов серии ЭР2, колесные пары которых были упрочнены лазерным лучом. Поверхностное упрочнение с помощью этого перспективного метода имеет ряд положительных особенностей. Среди них такая, как возможность локального упрочнения (по глубине и площади) объемов материала обрабатываемых деталей в местах их износа.

Метод позволяет получить определенные физико-механические, химические и другие свойства обрабатываемых поверхностей деталей, легируя их различными элементами с помощью лазерного излучения. При упрочнении отсутствуют какие-либо деформации деталей. Процесс обработки лучом лазера по контуру полностью автоматизируется, в том числе деталей сложной формы. Это определяется простотой транспортировки лазерного луча. Особенно важно то, что при этом достигается плавная регулируемость параметров поверхностного слоя упрочняемой детали.

Данный метод основан на использовании явления высокоскоростного разогрева. Материал под действием лазерного луча разогревается до температуры, превышающей температуру фазовых превращений, а затем быстро охлаждается за счет отвода тепла с поверхности в основную массу металла. Обработку проводят в воздушной атмосфере и в инертном газе аргоне.

Воздействие лазерного излучения на материал заключается в поглощении энергии, падающей на обрабатываемую поверхность. Луч в зависимости от типа прибора может представлять собой тонкий, подобно натянутой струне, красный пучок гелий-неонового лазера либо объемный.

Рис. 2.2.2.1. Принципиальная схема лазерного упрочнения

1 — лазер непрерывного действия; 2 — луч лазера; 3 — поворотное зеркало; 4-оптическая система; 5 — обрабатываемый материал; 6 — рабочий стол установки; 7 — насадка-сопло для подачи газа в зону диаметром до 10 см мощный инфракрасный поток в углекислом газе.

У этих двух внешне различных лучей есть одно важное общее свойство — чрезвычайно малая расходимость. Такая особенность позволяет не только передавать энергию на большие расстояния, но и фокусировать ее в пятно размером с длину волны лазерного излучения, создавая тем самым огромную плотность потока энергии: от 1015 Вт/см² в импульсном режиме до 1010 Вт/см² — в непрерывном.

Для обработки колесных пар использовалась лазерная установка типа ЛН-1, 2 НО-Н1 в ИВТ РАН. Принципиальная схема процесса приведена на рис. 2.2.2.1.

Наблюдение за ними осуществлялось с момента подкатки. Для определения эффекта от лазерного упрочнения гребней бандажей в этот же период наблюдалась контрольная партия из 9 вагонов с новыми колесными парами. Замеры контролируемых параметров проката и толщины гребня проводились через каждые 10—14 тыс. км пробега вагонов и записывались в журналы формы ТУ-18 и ТУ-127.

На изнашивание бандажей колесных пар влияет большое число случайных факторов. Среди них химический состав материала и физические свойства бандажа, качество его изготовления и прочностные характеристики, нагрузочные режимы и частота их повторяемости (число пусков и остановок, режимы пуска и торможения). Большое воздействие оказывают продолжительность движения с максимальной нагрузкой, температурные условия эксплуатации, насыщенность поверхностей трения абразивными частицами, зависящая от интенсивности пескоподачи, состояния пути и находящиеся во взаимосвязи с этим динамические нагрузки на оборудование электроподвижного состава (ЭПС), а также многие другие факторы.

Теоретически и практически доказано, что обычно реализация износа деталей локомотивов имеет вид, представленный на (рис. 2.2.2.2.).

Рис. 2.2.2.2. Реализация контролируемого параметра

Участок 1 этой зависимости характеризует приработочный период, в котором деталь изнашивается с повышенной интенсивностью.

Это объясняется притиранием сопряженных поверхностей, в результате которого происходит выравнивание свойств данных поверхностей. Затем процесс изнашивания стабилизируется и наступает период нормальной эксплуатации (участок 2). Интенсивность износа при этом постоянна и имеет наименьшее из всех возможных значений. С определенного момента период нормальной эксплуатации заканчивается и наступает период усиленного износа (участок 3). Его интенсивность снова увеличивается в результате возникновения и роста паразитных перемещений деталей, например, проскальзывания колес по рельсам, ударов и перекосов в подшипниках и т.д.

На практике контролируемые параметры бандажей колесных пар вагонов электропоездов измеряют не чаще, чем на ТР-1. Приработка до первого ТР-1 успевает закончиться, поэтому статистические данные о значениях контролируемых параметров не содержат информации о протекании процесса изнашивания.

Кроме того, допуски на значения контролируемых параметров устанавливают так, чтобы предупредить наступление периода усиленного старения. Поэтому наблюдение за износом заканчивается прежде, чем наступает этот период.

Вследствие указанных причин полученные на практике значения контролируемых параметров представляют только участок нормальной эксплуатации. Здесь зависимости этих параметров от пробега близки к линейным.

На рис. 2.2.2.3., 2.2.2.4. представлены графики аппроксимирующих линейных функций для каждого из рассматриваемых контролируемых параметров.

На основании рассчитанных зависимостей можно прогнозировать изнашивание и определить ресурс бандажей колесных пар до и после лазерного упрочнения.

Рис 2.2.2.3. Зависимости от пробега средних значений проката бандажей колесных пар

1 - до лазерного упрочнения; 2 - после лазерного упрочнения;

Рис. 2.2.2.4. Зависимости от пробега средних значений толщины гребней бандажей колесных пар

1 — до лазерного упрочнения; 2 — после лазерного упрочнения;

Анализ этих зависимостей показывает, что скорость возрастания средних значений контролируемых параметров (проката и толщины гребня) упрочненных бандажей несколько меньше, чем у контрольной. Чтобы установить правомочность этих предположений, необходимо провести попарное равнение уравнений регрессии.

Опуская сложные математические выкладки, отметим лишь следующее. Для выяснения эффективности влияния упрочнения на повышение ресурса бандажей колесных пар методами проверки статистических гипотез проводилось попарное сравнение уравнений регрессии числовых характеристик исследуемых параметров (проката и толщины гребня) контрольной и упрочненной групп колесных пар.

Результаты анализа показывают, что угловые коэффициенты попарно сравниваемых уравнений регрессии существенно отличаются между собой. А точнее, коэффициенты уравнений (интенсивности изнашивания) зависимостей, полученные по данным упрочненных колесных пар, существенно меньше, чем у неупрочнённых.

Оптимальный пробег до обточки по прокату бандажей колесных пар по кругу катания прицепных вагонов электропоезда ЭР2 депо Москва-Октябрьская в среднем составляет, соответственно, для неупрочнённых колесных пар контрольной группы — 290 тыс. км, а упрочненных — 760 тыс. км.

Сравнительный анализ рациональных пробегов до обточки, показал, что он лимитирован минимальной толщиной гребня и составляет в среднем для неупрочнённых колесных пар 310 тыс. км, для упрочненных — 540 тыс. км. Таким образом, лазерное упрочнение поверхностей катания позволяет увеличить пробег колесных пар до обточки в 1, 76 раза. [8]