Seria: T R A N S P O R T z. 40 N r kol. 1490
Piotr A D A M IEC M irosław W IT A SZ E K K azim ierz W IT A SZE K
OCENA TRWAŁOŚCI NAPAWANYCH KÓŁ KOLEJOWYCH
S treszczen ie. W artykule przedstaw iono problem y trw ałości i niezaw odności napaw anych części m aszyn w ystępujące przy rów noczesnym obciążeniu kontaktow ym , zużyciu ściernym i zm ęczeniow ym . Zaproponow ano m etodykę oceny trw ałości w arstw napaw anych, któ rą zw eryfikow ano na przykładzie napoin stosow anych do napaw ania kół kolejow ych. Dokonano rów nież obliczeń trw ałości napaw anych i nienapaw anych kół kolejow ych.
ASSESSMENT OF DURABILITY OF SURFACED RAIL WITEELS
S u m m a ry . In this article durability and reliability problem s o f surfaced m achine parts during contact loading, w ear and fatigue have been presented. A uthors suggested m ethodology o f durability assessm ent for surfaced layers. This m ethodology has been verified for surfaced rail w heels. C alculations o f durability o f surfaced and non-surfaced rail wheels have been carried out.
1. W PR O W A D Z E N IE
U żytkow anie części m aszyn pow oduje ich zużyw anie się, które je s t ogólnie opisyw ane rów naniem w ykładniczym [1 ]:
gdzie: Wuż - w łasności użytkow e po czasie t, W0 - w łasności użytkow e początkow e, t - czas eksploatacji,
Q - energia aktyw acji charakterystyczna dla procesu zużycia, E - energia otoczenia.
6 P. A dam iec, M. W itaszek, K. W itaszek
Z u ży cie to w p rzypadku części m aszyn w ystępuje przede w szystkim w w arstw ie w ierzchniej, gdzie w y stę p u ją najw iększe m om enty: zginający i skręcający oraz najw iększe naprężenia stykow e, stanow iące głów ne obciążenia eksploatacyjne części. M oże ono mieć form ę zużycia ściernego abrazyjnego lub adhezyjnego czy pow ierzchniow ego zużycia zm ęczeniow ego. B ardzo często procesy te w y stęp u ją łącznie. D ecy d u ją one o trw ałości i niezaw odności napaw anej części jak o elem entu system u trybologicznego (rys. 1).
W, = f(t) w 2 = f(t) W3 = f( t) ...
\ \
'N
T, t2 t3 t
T c = n T ,
Rys. 1. Schem at szacow ania trw ałości elem entu; a) nieregenerow anego, b) regenerow anego T v - trw ałość ze w zględu na ścieranie, T z - trw ałość ze w zględu na zm ęczenie, T c - trw ałość całkow ita, T ,, T 2, T3 - trw ałości cząstkow e
Fig. 1. Schem e o f durability assessm ent o f elem ent; a) non-regenerated, b) regenerated T v - w ear durability, T z - fatigue durability, T c - general durability,
Tj, T j, T 3 - partial durabilities
N iezaw odność i trw ałość s ą istotnym i param etram i w y korzystyw anym i w projektach m aszyn i urządzeń. S chem at postępow ania przy określaniu trw ałości i niezaw odności napaw anych części napaw anych przedstaw iono n a ry s.2.
2. ST R U K T U R A I TW A R D O ŚĆ W A RSTW N A PA W A N Y C H
O w łasnościach w arstw y napaw anej d ecy d u ją w w iększości przy p ad k ó w ich struktura i tw ardość będące w y n ik iem składu chem icznego napoiny. M ożna w yróżnić ogó ln ie przypadki stosow ania napaw ania do odtw orzenia zużytej w arstw y w ierzchniej elem entów oraz do uzyskania w arstw o lepszych w łasnościach użytkow ych, zw anych zw ykle utw ardzającym i.
Jako stopiw a do napaw ania w ykorzystuje się stopy podane w norm ie D IN 8555, których w łaściw ości podano w pracy [1], S topiw a te w y stę p u ją ja k o niskostopow e i w ysokostopow e, przy czym te pierw sze s ą stosow ane do napaw ania części m aszyn, natom iast drugie przy utw ardzaniu narzędzi i elem entów pracujących z m inerałam i oraz elem entów żaroodpornych i żarow y trzym ały ch.
Rys. 2. Schem at w yznaczania trw ałości i niezaw odności eksploatacyjnej napaw anej części;
L - droga tarcia, H - tw ardość w arstw y, Z - zużycie ścierne, da/dN - przyrost szczeliny zm ęczeniow ej, Zdop i adop - odpow iednio dopuszczalne zużycie i w ielkość szczeliny zm ęczeniow ej, R(t) - niezaw odność, T - trw ałość, t - czas
Fig. 2. Schem e o f durability and reliability determ ining for surfaced part o f m achine;
L - sliding distance, H - hardness o f a layer, Z - w ear, da/dN - increm ent o f fatigue crack , Zdop and adop - allow able w ear and fatigue crack size , R (t) - reliability, T - durability, t - tim e
W uproszczeniu stopiw a niskostopow e najczęściej stosow ane do napaw ania m ożna podzielić na stopy typu: C-M n, C -C r i C-Cr-M o. Do porów nania tych stopiw w ykorzystano rów now ażnik w ęgla CE = C + M n/6 + Cr/5, gdzie: C, M n, C r - zaw artości pierw iastków stopow ych w % .
8 P. A dam iec, M. W itaszek, K. W itaszek
B adania zużycia ściem o-adhezyjnego na stanow isku ro lk a-k lo c ek w ykazały duży w pływ nacisku i sm arow ania na w ielkość ubytków , które w zrastały w raz z obciążeniem i w spółczynnikiem tarcia. O kreślone trw ałości próbek napaw anych stopiw em niskostopow ym przedstaw iono na rys. 3, na którym zaznaczono rów nież charakterystyczne struktury napoiny.
N a rysunku ty m zaznaczono rów nież trw ałość zm ęczeniow ą próbek napaw anych w yznaczoną przy obciążeniu m om entem w irującym .
Równoważnik węgla Ce
Rys. 3. W pływ struktury na trw ałość próbek napaw anych;
N f - liczba cykli do zniszczenia przy zm ęczeniu m echanicznym , N v( 0 ) , N V(S ) - liczba c y k li do uzyskania zużycia liniow ego h = 0,7 m m przy zużyciu ściem o-adhezyjnym b adanym w układzie ro lk a-k lo cek , odpow iednio przy tarciu w obecności sm aru (O) - przy p —0,1 i na sucho (S) - przy p=0,5
Fig 3. The influence o f structure on durability o f surfaced specim ens
N f - n um ber o f cycles to failure during m echanical fatigue , N v( 0 ) p = 0 ,l , N V(S) p = 0,5 - num ber o f cycles to obtain w ear h = 0,7 m m during abrasive-adhesive w ear tested in roller-block system , w ith lubricant ( 0 ) - p = 0 ,l and w ithout it (S) - p=0,5 respectively
B ad an ia w ykazały, że w zrost zaw artości pierw iastków stopow ych w napoinie prow adził do w yraźnego zm niejszenia się zaw artości ferrytu przedeutektoidalnego i w zrostu struktur bainityczno-m artenzytycznych. Tow arzyszy tem u w zrost trw ałości zm ęczeniow ej oraz odporności n a zużycie ściem o-adhezyjne, przy czym przy napoinach o strukturze m artenzytycznej o tw ardości pow yżej 400 HV na pow ierzchni zużycia p ojaw ia się siatka pęknięć pittingow ych, co w yraźnie zm niejsza trw ałość próbek napaw anych. Praw idłow ości te s ą podobne do zależności w ystępujących przy zużyciu abbrazyjnym [2].
3. M E T O D Y K A O C E N Y T R W A ŁO ŚC I I N IE ZA W O D N O ŚC I W A R ST W Y N A PA W A N EJ
Z użycie ściem o-adhezyjne m oże być określone laboratoryjnie na stanow isku typu
„trzpień-tarcza” , „rolka - rolka” lub w yznaczone z prób eksploatacyjnych (rys. 4a). Przy założeniu w ielkości granicznej Z g m ożna z zależności pokazanej schem atycznie na rys. 4b w yznaczyć trw ałość T w funkcji obciążenia N, którym m oże by ć np. nacisk hertzow ski.
ilo ś ć cykli
a) b)
Rys. 4. Schem at w yznaczania trw ałości przy zużyciu ściem o-adhezyjnym jak o funkcji obciążenia; a) funkcja Z v = f(t), b) funkcja T v = f(N)
Fig. 4. Schem e o f durability determ ining during abrasive-adhesive w ear as a function o f load;
a) function Z v = f(t), b) function T v = f(N)
B adania na stanow isku A m slera w układzie „rolka - rolka” p o zw alają n a w yznaczanie zależności ilości pow stających pęknięć i w yrw Z k od czasu w spółpracy rolek t (rys. 5a).
A proksym acja uzyskanych zależności do prostych przecinających oś p o zio m ą um ożliw ia uzyskanie dla trw ałości zm ęczeniow ej funkcji ty p u W óhlera T = f(H ) (rys. 5b).
I l o ś ć c y k li O b c i ą ż e n i e
a) b)
Rys. 5. Schem at w yznaczenia trw ałości zm ęczeniow ej jak o funkcji obciążenia:
a) funkcja Z k = f(N ), b) funkcja T k = f(N)
Fig. 5. Schem e o f durability determ ining as a function o f load: a) function Z k = f(t), b) function T k = f(N)
O p isan ą m etodykę w ykorzystano do w yznaczania charakterystyki trw ałościow ej napoin przeznaczonych do napaw ania kół kolejow ych stosow anych w w arunkach eksploatacji PKP.
Do określania zależności zużycia koła od nacisku w ykorzystano opis m atem atyczny w yników
10 P. A dam iec, M. W itaszek, K. W itaszek
badań n a stanow isku A m slera dla różnych napoin podany w pracy [3], co pozw oliło określić funkcję Z v = f(N). Jako zużycie graniczne Z g przyjęto w ielkości Z g = 0,2 m m , co przy tw ardości napaw anej próbki H B, = 250 i przeciw próbki ze stali szynow ej 1IB; = 300 pozw oliło określić funkcję Z v = f(N).
W przypadku zm ęczenia kontaktow ego w ykorzystano do badań rów nież stanow isko A m slera, przy czym przeciw próbka b y ła w ykonana ze stali łożyskow ej o tw ardości 62HRC.
U zyskane w yniki opisano funkcją w y k ład n iczą i przedstaw iono je w postaci zależności Z k = f(N). Stanow i o n a o krytycznej w artości naprężenia, przy której nie w y stęp u ją jeszcze w yrw y pittingow e.
N ałożenie zależności T v = f(H) i Tz = f(N) pozw ala na określenie charakterystyki trw ałościow ej w arstw y napaw anej, stanow iącej stany dopuszczalne dla w ielkości obciążenia eksploatacyjnego (rys. 6).
4. U W AG I K O Ń C O W E I W N IO SK I
Z u ży cie napaw anych części m aszyn obciążonych zw ykle m om entem zginającym i skręcającym następuje w w arstw ie w ierzchniej w efekcie rów noczesnego zu ży cia ścierno- adhezyjnego i kontaktow o-zm ęczeniow ego. Intensyw ność ty ch procesów je s t zw ykle zróżnicow ana i w yższa d la zużycia ścierno-adhezyjnego. N iższa szybkość narastania efektów zm ęczenia k ontaktow ego w y n ik a m iędzy innym i z faktu, że efekty inicjow ania m ikropęknięć i w y rw na pow ierzchni części s ą usuw ane poprzez zużycie ściem o-adhezyjne. Efekty tych procesów s ą w idoczne na rys. 6, z którego w ynika, że w zakresie obciążeń 200 -1200 M Pa trw ałość w arstw y napaw anej je s t określona procesam i zużycia ścierno-adhezyjnego. Jest to typow e d la w iększości przypadków eksploatacji części m aszyn, przy czym różnica trw ałości ściem o-adhezyjnej i zm ęczeniow ej m aleje w raz ze w zrostem tw ardości w arstw y i zm niejszaniem się obciążenia. W arunki takie m o g ą pow odow ać zniszczenie części napaw anej w efekcie zm ęczenia kontaktow ego.
Nacisk [MPa]
Rys. 6. Porów nanie trw ałości w arstw y napaw anej (0,15% C, 0,96% M n, 1,21% Cr, 0,51%
M o) przy zużyciu ścierno-adhezyjnym (Z v) i zm ęczeniow ym kontaktow ym (Zk) Fig. 6. C om parison o f surfaced layer durability (0,15% C, 0,96% M n, 1,21% Cr, 0,51% Mo)
during abrasive-adhesive w ear (Zv) and contact fatigue (Zk)
T rw ałość napoin w dużym stopniu zależy od w yników m etalurgicznych i technologicznych, tzn. od składu chem icznego, struktury i tw ardości oraz od popraw ności w ykonania napaw ania.
N iezaw odność ja k o praw dopodobieństw o trw ałości napaw anej części co najm niej większej od założonej je s t określana zw ykle za p o m o cą rozkładu W eibulla
R ( t ) = ex p /
gdzie: R(t) - niezaw odność ja k o praw dopodobieństw o, że t > T, t - czas,
T - param etr trw ałości, b - param etr kształtu.
Policzona [3] w artość trw ałości i niezaw odności dla próbek nienapaw anych o podobnej tw ardości ok. 250 HB w ykazała jednak, że trw ałość próbek napaw anych je s t w yższa od próbek nienapaw anych, co w idoczne je s t przy porów naniu funkcji dla obu przypadków (rys.
7). O takim w yn ik u m o g ła zadecydow ać jakość napaw anych m eto d ą T IG napoin, w których m ogły w ystępow ać w ady w postaci drobnych por, dopuszczone przez kontrolę.
i l o ś ć c y k li
Rys. 7. Porów nanie funkcji niezaw odności dla próbek napaw anych i nienapaw anych Fig. 7. C om parison o f reliability functions for surfaced i non-surfaced specim ens
U zyskane w yniki p o zw alają na następujące stw ierdzenia:
1. T rw ałość w arstw napaw anych zależy m iędzy innym i od w łasności użytkow ych napoiny, a w szczególności od tw ardości. W zrost tw ardości zapew nia w zrost trw ałości w arstw napaw anych, szczególnie przy dużych obciążeniach, kiedy dom inuje zużycie ściem o- adhezyjne.
2. O trw ałości w arstw napaw anych decyduje trw ałość określana za p o m o cą prób zużycia ściem o-adhezyjnego, która z reguły je s t w yraźnie niższa od trw ałości w yznaczonej w próbach zużycia kontaktow o-zm ęczeniow ego.
12 P. A dam iec, M. W itaszek, K. W itaszek
3. T rw ałość i niezaw odność części napaw anych i nienapaw anych o podob n y ch w łasnościach w arstw y w ierzchniej, określane na podstaw ie w yników zużycia próbek, by ły w yższe w przypadku części nienapaw anych.
L iteratura
1. A dam iec P., D ziubiński J.: Problem y przy napaw aniu i eksploatacji regenerow anych elem entów m aszyn transportow ych. PA N , W yd. Szum acher, K ielce 1997
2. K otecki D., O gborn J.,S.: A brasion resistance o f ironbased hardfacing alloys. W elding Journal nr 8 1995
3. W itaszek M .: O cena trw ałości i niezaw odności kół kolejow ych. P raca doktorska.
P olitechnika Śląska, Instytut Transportu, K atow ice 1999.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. E dm und Tasak
A bstract
This article describes m ethodology o f durability and reliability assessm ent o f surfaced m achine parts w hich have been used for rail w heels. D urability and reliability o f surfaced rail w h eels have b een calculated. Fatigue durability used to be greater th en w ear durability. So durability o f surfaced layer depends m ainly on its w ear. Service properties, m ainly hardness influences the w ear. Increase o f hardness reduces w ear intensity and increases the durability.
C om parison o f the durability o f non-surfaced and surfaced rail w heels show ed th at durability o f no n surfaced w heels is greater then surfaced ones w ith sim ilar hardness.
