Триботехническая система «колесо-рельс» основана на двух антагонистических принципах. Во фрикционном контакте первый определяет силу тяги локомотива по сцеплению с рельсом, а второй определяет износ колесных пар и рельсов. Оба принципа связаны между собой коэффициентом трения, с ростом которого коэффициент тяги возрастет, а износ в паре трения колесо-рельс увеличивается и наоборот. С целью увеличения коэффициента тяги, в пару трения подается песок и, в тоже время, с целью уменьшения износа, в пару трения подается смазка. Песок является сильнейшим абразивом и значительно влияет на износ колеса и рельса. Кроме того, исследования [3] показали, что после прохода первого колеса размол песка практически завершается, а поверхность песка увеличивается в 4-5 раз и становиться адсорбционно-активной средой, интенсивно поглощающей в своих порах смазку и влагу. В связи с этим, лубрикационные пленки на поверхности трения колесо-рельс после попадания на них песка выполняют разделительные свойства и не защищают ее от износа.
Колесные пары являются основными элементами ходовой части и наиболее ответственными узлами подвижного состава. Железнодорожные колеса реализуют следующие функции [4-7]:
- обеспечение перемещения экипажа относительно рельсов, что связано с восприятием конструкцией колеса значительных статических и переменных нагрузок;
- обеспечение качения колеса с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений, превосходящих предел текучести колесной стали;
- выполнение поверхностью катания роли «тормозного барабана», воспринимающего нагрев и охлаждение с высокой скоростью, а также высокие напряжения сдвига и сжатия при значительном разогреве металла обода колеса.
Качение колеса по рельсу с проскальзыванием (от 0 до 100 %) вызывает в основном два процесса разрушения: объемную пластическую деформацию (снятие) и абразивный износ. Объемная пластическая деформация неравномерна по глубине от поверхности катания, достигает наибольших величин непосредственно у поверхности и уменьшается по мере удаления от нее. Согласно [5], давление в контакте «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации изменяется от 1,7 s (s - предел текучести колесной и рельсовой стали) до 3s и более. Результатом пластической деформации является течение металла из зоны основания гребня на поверхность катания и на вершину гребня, рис. 1.
Рис. 1 Результат пластической деформации в паре трения «колесо-рельс»
В ходе пластической деформации начинают протекать процессы истирания, включающие в себя: микросрез, схватывание, образование усталостных трещин и т.д. Уменьшение влияния пластической деформации на процессы истирания в условиях эксплуатации возможно за счет регулирования свойств микроструктуры колесной и рельсовой стали, которое можно осуществить за счет термической обработки стали. Таким образом, мы выходим на важнейшую механическую характеристику колесных и рельсовых сталей, отвечающую не только за прочностные свойства, но и триботехнические – соотношение значений твердости в системе «колесо-рельс».
Согласно работам И.В. Крагельского [8], для передачи крутящего момента и обеспечения сцепления колеса с рельсом, необходимо внедрение колеса в опорную поверхность рельса. При этом, для обеспечения протекания нормального износа в системе «колесо-рельс» с проскальзыванием до 10 %, соотношения твердостей должно составлять как минимум 1,2: 1, т.е. при твердости колеса на 20 % превышающей твердость рельса. Однако с переходом в конце 50-х годов на объемно-закаленные рельсы, соотношение в паре «колесо-рельс» было нарушено и составляет сегодня 1: 1,4, что приводит к ухудшению сцепления, увеличивает проскальзывание и вызывает интенсивный износ колесных пар.
В работах [4,7] на основе анализа мирового опыта и экспериментальных работ сделан вывод: увеличение твердости колеса на 1 НВ в эксплуатационном интервале твердостей увеличивает их износостойкость на 1-2 %. Кроме того, увеличение твердости колес от 250 до 600 НВ практически не влияет на износ и контактную долговечность рельса, а контактно–усталостная долговечность колес возрастает пропорционально квадрату приращения их твердости.
В работе [9] показано, что поверхностный слой в трибосистеме «колесо-рельс» в реальных условиях эксплуатации, в особенности гребни и боковые поверхности рельса, упрочняется. Причем, глубина фрикционного слоя достигает 0,01-0,03 мм, а приращение твердости на поверхности - от 220 до 1200 HV0,1 (нижний индекс – нагрузка на индентор, кгс). По мнению авторов [9], механизм упрочнения фрикционного слоя более сложный, чем просто его наклеп или закалка с фазовыми превращениями, хотя высокие контактные нагрузки до 1000-1500 МПа и высокие температуры до 1000°С существуют в малых объемах фактического контакта «колесо-рельс». Однако они существуют в течение тысячных долей секунды. Поэтому правильнее говорить не о нагреве или наклепе поверхностного слоя, а о его высокой энергонасыщенности. При такой плотности энергии металл в слое сдвига течет аморфно, как жидкое стекло. Этот механизм деформирования, по мнению [9], можно определить как бездифузионный недислакационный высокоэнергетический аморфный сдвиг. После выхода из зоны трения металл в полосе скольжения мгновенно охлаждается, сохраняя при этом аморфную структуру металлического стекла с твердостью 800 HV и более.
Таким образом, из краткого анализа видно, что повышение износотойкости пары трения «колесо-рельс» - сложный многофакторный процесс, требующий комплексного подхода. В то же время, первым и естественным шагом к решению этой проблемы является устранение сложившегося соотношения твердостей.
На сегодняшний день существует несколько способов повышения твердости гребней колесных пар, которые классифицируются по способу нагрева и охлаждения:
- объемная закалка в печах;
- закалка ТВЧ;
- закалка лазерным, электронным лучами;
- закалка плазменной дугой (струей);
- электроконтактная закалка;
- кислородно-ацитиленовая закалка;
- лазерная наплавка;
- плазменное напыление.
На ВСЖД в 1994 г. были начаты работы по разработке и внедрению плазменного поверхностного упрочнения гребней коленых пар, как наиболее простого и дешевого способа, по сравнению с другими, позволяющего обрабатывать как выкаченные колесные пары, так и, что самое главное, производить закалку непосредственно под электровозом или вагоном (без выкатки колесных пар) [1-3]. За восемь лет работы на ВСЖД открыты 12 участков плазменного упрочнения гребней колесных пар и обработано более 35 500 колесных пар. В течение этих лет проводились исследования триботехнических свойств упрочненных колесных пар на фиксированном участке ВСЖД, а именно на горном участке Иркутск-Слюдянка. Выбор участка для проведения исследования был не случаен - это самый сложный участок ВСЖД с точки зрения интенсивности износа пары «колесо-рельс».
Протяженность участка 121 км, 92 % участка состоит из кривых, на горизонтальный путь приходиться всего 9 км. Известно, что наибольший износ в паре «колесо-рельс» происходит при вписывании экипажной части в кривые рельсового пути с радиусом менее 500 м. На участке Иркутск-Слюдянка кривые радиусом 300 м и менее составляют 32 %, кривые радиусом 300-350 м – 36 %, радиусом 350-450 м – 14 % и около 10 % - кривые радиусом 500-650 м.