Виды и закономерности физического износа подвижного состава

Основными видами естественного (физического) износа деталей и узлов подвижного состава ГЭТ являются механический, усталостный, химический, электрохимический, электроэрозионный, тепловой, биологический износ и старение.

Механический износ проявляется в двух формах: в виде износа трением и износа давлением. Износ трением заключается в уносе при трении с сопрягающихся поверхностей мельчайших частичек материала. Этот вид износа приводит к уменьшению размеров, изменению геометрической формы сопрягающихся деталей и увеличению зазоров в сопряжениях. Резкое влияние на режим износа трением оказывает подбор материалов сопрягающихся пар, характер поверхностной обработки и разделяющая среда. В зависимости от вида разделяющей среды (смазки) различают сухое, полусухое и жидкостное (гидродинамическое) трение. Сухое трение характерно для работы сопряжений без смазки (пары колесо-рельс, тормозной барабан или диск - тормозная колодка и др.), полусухое – для работы сопряжений со смазкой в тех случаях, когда слой её настолько тонок, что не исключает непосредственного контакта сопрягающихся поверхностей. В режиме полусухого трения работают все подшипниковые узлы при низких скоростях взаимного перемещения соприкасающихся поверхностей, валики и втулки тормозной передачи и др. Гидродинамическим называют трение, при котором масляная пленка полностью разделяет сопрягающиеся поверхности. в таком режиме трения работают зубчатые передачи редукторов и подшипниковые узлы при высокой скорости взаимного перемещения сопрягающихся поверхностей, способствующей образованию между ними «масляного клина». Большое влияние на интенсивность износа трением оказывают различные загрязнения абразивными частицами, которые, образуя разделяющую среду, способствуют быстрому износу сопрягающихся поверхностей: появление задиров, царапин, рисок и т.д. Роль абразивных частиц выполняют, в частности, и продукты износа сопрягающихся поверхностей, попадающих в смазку. Их поэтому приходится периодически удалять, меняя смазку.

Интенсивность Ф механического износа трением определяется в мм износа на одну тысячу км пробега вагона или троллейбуса. В эксплуатации она определяется экспериментально или подсчитывается по данным норм допусков и сроков службы узлов и деталей. Зная, например, что срок службы L_б бандажей вагона МТВ-82 до полного износа составляет 80-100 тыс.км, а предельный износ Δx_б по нормам 35 мм, легко подсчитать среднюю интенсивность их износа:

Ф_б = Δx_б / L_б = 35 / (80÷100) = 0,44 ÷ 0,35 мм/тыс.км.

Второй формой механического износа является износ давлением, который заключается в изменении формы сопрягающихся поверхностей или других элементов деталей в результате пластической деформации материала при больших нагрузках, вызывающих перераспределение материала или искривления деталей без изменения общего объема материала.

Оба вида механического износа можно наблюдать на примере износа поверхности катания бандажа, показанном на рис.1.

Рис. 1. Характер механического износа бандажей
колесных пар

Здесь штриховой линией показан профиль нового бандажа, а сплошными линиями – профиль, образующийся в результате износа. наплывы Б образуются за счет износа давлением – перераспределение материала бандажа на поверхности катания, связанного с высокими удельными давлениями бандажа на рельс. Области А за вычетом областей Б представляют собой объем металла, потерянного бандажом в результате износа трением.

Характер нарастания механического износа во времени определяется качеством изготовления, качеством технического обслуживания подвижного состава и условиями работы его деталей в эксплуатации. Он зависит от конструкции сопряжений, величины и характера передаваемых ими нагрузок, свойств материалов сопрягающихся деталей, качества и количества смазки и других факторов. В нарастании механического износа можно отметить три периода: приработки, так называемого нормального эксплуатационного износа и аварийного износа.

В первые часы работы изготовленного или отремонтированного агрегата износ деталей сопряжения нарастает очень быстро. Это так называемый период приработки – сглаживания неровностей, оставшихся после обработки деталей на станках. Чем более грубо обработаны детали, тем интенсивнее и их износ в этот период. Нормальная работа сопряжений типа вал – втулка зависит от величины зазора между деталями. Для всякого сопряжения характерна определенная оптимальная величина зазора которому соответствует минимальный износ.

Во втором периоде износ деталей резко замедляется и нарастает более или менее равномерно в течение длительного времени. Это период нормального эксплуатационного износа. Его продолжительность зависит от условий работы агрегата и в значительной степени от ухода за ним. В результате нормального эксплуатационного износа зазор между сопрягающимися деталями постепенно нарастает. Это приводит к ухудшению условий смазки, нарастанию динамических ударных усилий, передаваемых через сопряжение, и появлению стуков при работе агрегата. В конце периода нормального эксплуатационного износа зазор в сопряжении достигает предельно допустимой величины. При работе сопряжения за точкой нормального эксплуатационного износа, износ начинает быстро нарастать, что приводит в конечном счете к поломке деталей. Работу сопряжения за точкой В называют запредельной и практически не допускают. Износ этого периода называют аварийным.

Усталостный износ наблюдается у деталей подвижного состава, работающих при знакопеременных нагрузках и в условиях тряски. Он выражается в появлении и постепенном развитии трещин усталости, приводящих к разрушению деталей при сравнительно небольших нагрузках, которые они несут при статическом нагружении вполне надежно. Типичные примеры усталостного износа: появление трещин усталости в осях колесных пар и полуосях троллейбусов, осповидный износ поверхностей роликов и колец буксовых подшипников, изломы и выкрашивание зубьев шестерен в результате образования лучевых трещин усталости и питтингообразования и т.д. Усталостный износ очень опасен тем, что развивающуюся трещину усталости можно обнаружить, как правило, только специальными методами дефектоскопии. Разрушение деталей при этом виде износа наступает внезапно, приводя иногда к тяжелым авариям подвижного состава.

Химический износ представляет собой разрушение материала детали в результате химического взаимодействия с реагентами внешней среды, в частности кислородом воздуха, при котором образуются химические соединения, легко отделяющиеся от основного материала. Типичным примером химического износа является ржавление (коррозия) стальных деталей в результате химического соединения железа с кислородом воздуха в присутствии паров воды с образованием гидрата окиси железа (ржавчины) по формуле:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃ ↔ 2Fe₂O₃ * 6H₂O.

Другим примером химического износа является разъедание металлов кислотами и щелочами, присутствующими в воздухе и смазке с образованием соответствующих солей. Интенсивность химического износа зависит от температуры окружающей среды (для стали она максимальна при температуре около -10°С), концентрации в ней химически активных веществ и состояния поверхности (открытая, защищенная покрытиями, гладкая или шероховатая).

Электрохимический износ представляет собой разрушение деталей вследствие уноса с поверхности атомарных частичек материала под действием электрического тока в электролитической ванне, когда деталь выполняет в ней роль катода. Типичным примером электрохимического износа является разъедание рабочих поверхностей буксовых подшипников колесных пар тяговым током при рамной подвеске тягового двигателя в случае неудовлетворительной работы шунтирующих цепей токоотвода. Роль электролитической ванны в этом случае выполняет смазка при наличии в ней жирных кислот. Разрушению подвергаются обоймы и ролики подшипников в катодных зонах, т.е. в местах выхода тока.

Появление на поверхности детали зон с разными потенциалами может быть также следствием физико-химической или структурной неоднородности материала, в результате которой электродные потенциалы отдельных точек поверхности, как правило, различны. Атмосферная влага и примеси газов, солей, кислот и щелочей, всегда имеющиеся в воздухе, создают в этом случае условия для образования на поверхности детали электролитических ванн и многочисленных очагов электрохимической коррозии. Интенсивность электрохимической коррозии возрастает с увеличением разности потенциалов сопрягающихся деталей или различных точек детали и проводимости электролитической ванны, образующейся между ними.

Электроэрозионный износ – это разрушение деталей, работающих в сильном электрическом поле, вследствие направленного выброса частиц металла с поверхности анода при дуговых разрядах и искрении. Электроэрозионному износу подвержены детали электрических аппаратов, осуществляющие разрыв цепи электрического тока или скользящий контакт между токоведущими частями. Такой износ типичен для губок контакторов, ножей и губок рубильников и других контактных деталей. Интенсивность электроэрозионного износа зависит от напряженности электрического поля, в котором находятся контактные детали, силы проходящего через них тока и скорости размыкания контактов. Эрозия контактных деталей происходит тем интенсивнее, чем дольше удерживается дуга и больше разрываемый ток. Кроме того, на интенсивность электроэрозионного износа влияет величина усилия нажатия и притирание контактов, качество их смазки, интенсивность дугогашения, степень чистоты и своевременность зачистки контактных поверхностей, число включений и выключений контактов. Несвоевременная зачистка контактных поверхностей приводит к резкому ускорению износа контактов, их сильному перегреву током, оплавлению и даже сгоранию.

Тепловой износ – это разрушение деталей под воздействием повышенной или пониженной температуры. Для каждого материала (металл, изоляция, резина и т.д.) и типа сопряжений, в особенности сопряжений из разнонородных материалов, существует определенный оптимальный интервал температур, в котором износ их минимален, а прочностные характеристики соответствуют расчетным. Отклонения температуры от этого интервала как в сторону ее повышения, так и в сторону понижения приводят к возрастанию износа и уменьшению прочности. Для одних материалов более опасен перегрев, для других – понижение температуры. Примерами теплового износа являются: оплавление губок контакторов и других контактных деталей тяговых электрических аппаратов под воздействием электрической дуги, разрушение электрической дугой дугогасительных камер аппаратов, оплавление коллекторов и щеткодержателей тяговых электрических машин при возникновении кругового огня по коллектору, размягчение и течь компаундной массы при перегреве катушек, обугливание изоляции при сильном перегреве ее и т.д. Примерами разрушающего влияния пониженной температуры являются: уменьшение эластичности и растрескивание резиновых деталей ходовой части при их недостаточной морозоустойчивости, отслоение краски при низких температурах и др.

Биологический износ представляет собой разрушение деталей под воздействием микроорганизмов в результате их жизнедеятельности. Типичным примером биологического износа является гниение деревянных деталей. Иногда (особенно в странах с тропическим климатом) наблюдается биологическое разрушение окраски. а также изоляции тяговых аппаратов и электрических машин. Интенсивность биологического износа возрастает с повышением температуры (в определенных пределах) и влажности атмосферного воздуха.

Старение – вид износа, заключающийся в постепенном ухудшении физико-механических свойств материала детали (упругости, электрической или механической прочности, теплопроводности и т.д.) под воздействием ряда физических агентов: атмосферного воздуха, влаги, переменной температуры, механических воздействий, химически активных веществ, электрического поля и т.д. Такой вид износа характерен для металлических деталей, изоляции тяговых электрических машин и аппаратов, лакокрасочных покрытий, резины, пластмасс и др.

Специфическим для металлических деталей видом старения для металлических деталей является так называемый наклеп, заключающийся в структурных изменениях материала под воздействием повторно-периодических нагрузок. При наклепе повышается хрупкость, уменьшается сопротивление изгибу и создаются условия для образования в металле трещин усталости. В результате наклепа с последующим появлением трещин усталости происходит, например, обрыв проводов при подходе к наконечникам в результате тряски.

Старение изоляции связано с уменьшением ее эластичности, расслоением, уменьшением теплопроводности и электрической прочности. Лакокрасочные покрытия при старении теряют пластические свойства и однородность, растрескиваются, расслаиваются и перестают служить защитой от проникновения к поверхности изделия атмосферного воздуха и влаги. Интенсивность старения электроизоляционных материалов и лакокрасочных покрытий в основном зависит от состояния поверхностной лаковой пленки. Любое нарушение монолитности лаковой пленки (механическое истирание, прокол, трещины) создают окно, через которое внутрь изоляции или слоя краски проникает атмосферный воздух и влага. В этих точках начинаются очаги ускоренного разрушения изоляции и краски (химический износ).