Эксплуатационные факторы, вызывающие неисправности деталей и узлов подвижного состава

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТА

 

Тема: Современные методы восстановления деталей и узлов подвижного состава в условиях депо

ВВЕДЕНИЕ

I. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ДЕТАЛЯХ И УЗЛАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

1.1. Эксплуатационные факторы, вызывающие неисправности деталей и узлов подвижного состава

1.2. Классификация методов и способов восстановления деталей подвижного состава

II. ОЦЕНКА МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

2.1 Оценка восстановления деталей методом электродуговой наплавкой

2.2 Восстановления деталей методом напыление покрытий из порошковых материалов

2.3 Оценка увеличения рабочего ресурса восстановленных деталей и узлов

III. УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

3.1 Технологические решения по усовершенствованию метода напыления покрытий порошковыми материалами

IV. ОХРАНА ТРУДА

V. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

 

ВВЕДЕНИЕ

Транспортная система России характеризуется развитой транспортной сетью, одной из наиболее обширных в мире. Огромные пространства и суровый климат предопределили первостепенное значение для России всепогодного вида наземного транспорта — железнодорожного.

Железные дороги Российской Федерации имеют протяжённость 87 тысяч километров, а железнодорожный транспорт это основной, наиболее удобный и дешёвый вид транспорта, позволяющий перевозить в год около

1, 2 миллиарда пассажиров и 1, 28 миллиардов тонн грузов, что превышает 40% внутреннего пассажирооборота и 80 % внутреннего грузооборота. Учитывая статистические показания грузооборота по видам транспорта общего пользования за несколько последних лет, можно сделать вывод, что в последнее время доля железнодорожного транспорта в общем грузообороте постоянно возрастает.

Будучи основной транспортной системой Российской Федерации, железные дороги имеют чрезвычайно важное государственное, экономическое, социальное и оборонное значение. От них требуется своевременное, качественное и полное удовлетворение потребностей населения, грузоотправителей и грузополучателей в перевозках. В связи с этим на предприятиях железных дорог ведётся постоянная работа над повышением эффективности их деятельности заключающаяся в первую очередь в обеспечении безопасности перевозки пассажиров и грузов, а также круглосуточной бесперебойной работы предприятий в любых климатических условиях максимально снижая время простоя подвижного состава.

При этом железнодорожный транспорт остаётся объектом повышенной опасности несмотря на ежегодное постепенное незначительное снижение железнодорожных происшествий. Так в первом квартале 2019 году на объектах железнодорожного транспорта были травмированы 496 человек, из которых 352 погибли.

Кроме этого произошёл ряд железнодорожных происшествий, в том числе таких как сход с рельс, связанных с естественным физическим износом технических средств, элементов механизмов, устройств и нарушением правил эксплуатации и технического обслуживания подвижного состава. Такие происшествия как правило влекут за собой порчу перевозимого груза, ущерб имуществу железнодорожных предприятий, сбой графика движения поездов, снижение прибыли и имиджевые потери железнодорожного транспорта Российской Федерации.

В целях сохранения жизни и здоровья пассажиров, предотвращения происшествий на железнодорожных магистралях, сохранности перевозимых грузов и имущественного комплекса РЖД, снижения себестоимости пассажироперевозок и грузоперевозок за счёт уменьшения затрат на приобретение новых деталей, а также увеличения получаемой прибыли в структурных подразделениях РЖД проводятся ряд мероприятий, одним из которых является восстановление деталей подвижного состава.

Экономия металла и защита от коррозии в сочетании с повышением надёжности – это тот эффект, который удаётся получить при верно выбранном способе восстановления изношенных деталей и узлов.

Располагая современным набором методов ремонта, восстановление может реально улучшить первоначальные эксплуатационные свойства деталей.

 

1. ТЕОРИТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ДЕТАЛЯХ И УЗЛАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 

Эксплуатационные факторы, вызывающие неисправности деталей и узлов подвижного состава

Первой группой причин являются дефекты конструкции инарушение технологии заводского изготовления. Каждый элемент конструкции подвижного состава проектируют с учетом действующего на него нагрузок и условий эксплуатации. Эти факторы определяют выбор материалов, формы и размеров деталей, видов покрытий и технологий изготовления. Большое разнообразие условий эксплуатации и режимов работы, с одной стороны, и необходимость выдержать определенные весовые показатели, с другой стороны, значительно усложняют задачу конструирования подвижного состава, так как трудно совмещаются. Действительно, в целях гарантии надежной работы конструкции во всех возможных эксплуатационных режимах нужно увеличивать запасы прочности деталей, а это влечет за собой увеличение размеров и веса. Любая правильно сконструированная деталь подвижного состава должна иметь умеренные запасы прочности и не должна содержать ни грамма «лишнего» материала. Это значит, что каждая его точка должна быть нагружена в равной степени. Такой учет действующих нагрузок и конструирование затруднительны, а незнание фактических нагрузок в сочетании со стремлением к неоправданному уменьшению запасов прочности приводит к созданию неработоспособных конструкций подвижного состава.

Второй группой причин неисправностей подвижного состава являются различные дефекты эксплуатации: недопустимые перегрузки в результате нарушений заданных режимов движения или неисправности путевых устройств, несвоевременная подтяжка креплений, несоблюдение технологических процессов осмотров и ремонтов, несвоевременная смазка сопряжений и т.п. Все эти причины вызывают ускоренный износ элементов подвижного состава и различные аварии.

Эксплуатационные причины неисправностей, связанные с нарушениями режимов движения. целиков зависят от водителей и устраняются с ростом их технической грамотности и чувства ответственности. Наиболее тяжелые неисправности подвижного состава и несчастные случаи с людьми (пассажирами и пешеходами) возникают при столкновениях с другими видами транспорта и сходе с рельсов вагонов трамвая и метрополитена. Главной причиной аварийности в этих случаях являются нарушения ПТЭ, должностных инструкций и недостаточная производственная и трудовая дисциплина водителей, их неопытность, приводящая к неправильной оценке различных транспортных ситуаций. неправильные действия в процессе торможения, несоблюдение интервалов между поездами и т.п. Следствием недостаточной технической грамотности являются различные ошибки при оперировании с органами управления, что вызывает быстрый износ, а иногда влечет за собой и тяжелые аварии подвижного состава.

Третьей причиной неисправности элементов подвижного состава является так называемый естественный (физический) износ. Под последним понимается изменение размеров и формы деталей или их структуры и физико-механических реагентов внешней среды: влаги, атмосферного воздуха, электрического напряжения, температуры и т.д. в условия соблюдения всех предписаний режимов работы в эксплуатации, а также сроков и характеристик ремонта. Неисправности, связанные с естественным износом, не являются неизбежным. Своевременное обнаружение недопустимых износов мероприятиями технического обслуживания гарантирует от связанной с ними аварийности.

Итак, неисправности подвижного состава зависят от степени отработки его конструкции и технологии изготовления, условий эксплуатации(климатических, плана и профиля пути, средней длины перегона и т.д.), обеспеченности депо и ремонтных предприятий запасными частями и материалами, квалификации водителя и ремонтного персонала и ряда других причин. Поэтому распределение неисправностей вагонов и троллейбусов по группам причин и оборудования для разных городов и хозяйств различно, с ростом культуры заводского изготовления и эксплуатации количество неисправностей уменьшается.

Основными видами естественного (физического) износа деталей и узлов подвижного состава 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 бандажей вагона до полного износа составляет 80-100 тыс.км, а предельный износ по нормам 35 мм, легко подсчитать среднюю интенсивность их износа:

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.

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).

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).

 

В практике износ узлов и деталей ПС происходит вследствие одновременного действия целого ряда разрушающих факторов. Например, губки контакторов подвергаются одновременно электроэрозионному, механическому, химическому и тепловому износам, а в некоторых случаях также усталостному и электрохимическому. Электроэрозионный износ контактов связан с тем, что они работают в сильном электрическом поле. Механический износ губок определяется большими усилиями нажатия контактов и их притиранием. Частицы песка и пыли, поднимаемые с пути при движении вагона или троллейбуса, ускоряют механический износ контактов. Химический износ контактов связан с присутствием в атмосферном воздухе влаги в сочетании с химически активными веществами. Электрохимический износ контактов может быть следствием некачественной смазки, когда в состав ее входят жирные кислоты.

Обычно один-два из разрушающих факторов являются решающими, а остальные побочными, влиянием которых на интенсивность износа детали можно пренебречь. Анализируя характер износа деталей ПС, можно установить, что металлические детали его механического оборудования обычно получают механический, усталостный или химический износы, контактные детали – в основном электроэрозионный и механический износы трением; детали из изоляционных материалов

Элементы металлических кузовов – рама, каркас, обшивка – изготовляют большей частью из углеродистой стали и окрашивают масляными или другими красителями для предупреждения коррозии. Большая часть повреждения таких кузовов обычно связана с разрушением лакокрасочных покрытий. Часто встречаются усталостные разрушения несущих элементов кузова и механический износ трением отдельных его деталей вследствие ослабления болтовых и других разъемных креплений или контакта с ходовыми частями. Деревянные части кузова – пол, потолок, внутренняя обшивка и др. – изнашиваются вследствие расклейки и гниения под влиянием переменной температуры и влажности.

Повреждения ходовых частей подвижного состава (тележек, колесных пар и букс, деталей рессорного подвешивания, ведущих и управляемых мостов троллейбусов, рулевого управления, деталей тяговой передачи) связаны большей частью с усталостными разрушениями и механическим износом. Появление трещин усталости наблюдается в рамах тележек, осях колесных пар, зубьях шестерен, рессорах, балках мостов и других элементах. Буксовые наличники, валики и втулки тормозной передачи, рабочие поверхности пятников и подпятников и другие узлы трения подвержены механическому износу.

Анализ повреждений тяговых двигателей показывает, что большинство из них относятся к якорю. Повреждения якорей связаны обычно с пробоем секций на сердечник якоря и обмоткодержатели или с междувитковыми замыканиями секций обмотки. Повреждения коллекторов являются обычно следствием выработки под щетками в результате механического и электроэрозионного износов, а иногда и кругового огня по коллектору. Неисправности щеткодержателей возникают при ослаблении креплений, неправильной регулировке давления угольных щеток на коллектор или неполномерных щетках, механическом или электроэрозионном износе гнезд для щеток. Неисправности полюсных катушек связаны большей частью с пробоем изоляции вследствие повреждения ее при затяжке полюсных болтов или в результате перетирания при ослаблении креплений, а также с междувитковыми замыканиями.

Анализ повреждений электрических аппаратов показывает, что большинство из них связано с выходом из строя контактных деталей вследствие механического износа, электрической эрозии, подгорания и оплавления под действием электрической дуги; с повреждениями изоляции, аппаратов и проводов цепи управления; перегоранием дугогасительных камер; механическим износом блокировочных и регулировочных механизмов. У контакторов подгорают главные и блокировочные контакты, стареет изоляция катушек и токоведущих элементов, перегорают дугогасительные камеры, ослабляются регулировочные пружины. В групповых электрических аппаратах (контроллерах, реверсорах) помимо токоведущих элементов изнашиваются механические блокировки, регулировочные и фиксирующие механизмы, подшипниковые узлы и другие детали. Основным видом их износа является механический износ трением. К характерным неисправностям цепей управления относится перегорание и излом проводов на клеммовых рейках, щитках и в местах присоединения к аппаратам в результате тряски и увеличения переходного сопротивления контактов. Пусковые сопротивления выходят из строя вследствие пережога элементов, излома и пережога перемычек, пробоя миканитовых втулок на шпильки ящиков.

Неисправности пневматического оборудования подвижного состава вызываются обычно химическим износом (коррозией) трубопроводов, связаны с засорением клапанных узлов аппаратов, повышенной утечкой сжатого воздуха, замерзанием воздухопроводов и пневматических приводов в зимнее время. Наиболее подвержены износу компрессоры и регуляторы давления.