mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2022-20-3-1mirtr-2290Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGСравнительный анализ характеристик бандажей колёсных пар, закалённых с использованием лазерного и плазменного источника теплаComparative Analysis of Wheelsets Tyres, Hardened Using a Laser or Plasma Heat SourceХриптовичЕ. В.KhriptovichE. V.

Хриптович Евгений Владимирович – начальник сектора лазерной наплавки и термообработки; аспирант

Фрязино

Москва

 

Khriptovich, Evgeny V., Head of the Section of Laser Hardfacing and Heat treatment; Ph.D. student

Fryazino

Moscow

eHriptovich@ntoire-polus.ruШигановИ. Н.ShiganovI. N.

Шиганов Игорь Николаевич – доктор технических наук, профессор

Москва

Shiganov, Igor N., D.Sc. (Eng), Professor

Moscow

inshig@bmstu.ruПономаренкоД. В.PonomarenkoD. V.

Пономаренко Дарья Викторовна – инженер, ассистент

Москва

Ponomarenko, Daria V., engineer, Assistant Lecturer at the National University of Oil and Gas

Moscow

dponomarenko@ntoire-polus.ruШмелевС. А.ShmelevS. A.

Шмелев Сергей Андреевич – кандидат технических наук, заместитель начальника отдела продаж

Фрязино

Shmelev, Sergey A., Ph.D. (Eng), Head of the Sales Department

Fryazino

sShmelev@ntoire-polus.ruИшкиняевЭ. Д.IshkinyaevE. D.

Ишкиняев Эмиль Дамирович – аспирант, инженер-технолог

Москва

Ishkinyaev, Emil D., Ph.D. student, Engineer-technologist

Moscow

eIshkinyaev@ntoire-polus.ruООО Научно-техническое объединение «ИРЭ-Полюс»; Московский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияScientific and Technical Association IRE-Polus; Bauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationМосковский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationРоссийский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. ГубкинаРоссияGubkin UniversityRussian FederationООО Научно-техническое объединение «ИРЭ-Полюс»РоссияScientific and Technical Association IRE-PolusRussian FederationНаучно-исследовательский ядерный университет (НИЯУ МИФИ)РоссияNational Research Nuclear University MEPhIRussian Federation202215012023203612Copyright © Хриптович Е.В., Шиганов И.Н., Пономаренко Д.В., Шмелев С.А., Ишкиняев Э.Д., 20232023Хриптович Е.В., Шиганов И.Н., Пономаренко Д.В., Шмелев С.А., Ишкиняев Э.Д.Khriptovich E.V., Shiganov I.N., Ponomarenko D.V., Shmelev S.A., Ishkinyaev E.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2290

Боковой износ гребня колёсной пары локомотива является одним из основных видов износа, возникающего при эксплуатации подвижного состава. Важной характеристикой обода железнодорожного колеса является его износостойкость, которая напрямую зависит от содержания углерода в стали. Содержание углерода в колёсной стали 2 в количестве 0,55–0,65 связано с тем, что при его меньшей концентрации увеличивается доля зернограничного феррита, что приводит к снижению контактной прочности колёс, а при большей – приводит к склонности к хрупкому разрушению.

Повышенное содержание углерода позволяет осуществить закалку поверхности стали. Для уменьшения износа гребня бандажа и увеличения ресурса колёсных пар локомотивов возможно применение технологий плазменного и лазерного упрочнения.

Целью данной работы является определение преимуществ и недостатков технологий лазерного и плазменного упрочнения рабочих поверхностей бандажей колёсных пар железнодорожного подвижного состава.

В работе проводится сравнительный анализ микроструктуры и микротвёрдости упрочнённых методом плазменной и лазерной закалки бандажей колёсных пар тепловоза 2ТЭ25КМ, выполненных из колёсной стали 2 ГОСТ 398-2010.

Поставленные задачи решались с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования.

Подготовка и исследование закалённых образцов выполнено на оборудовании испытательной лаборатории ООО НТО «ИРЭ-Полюс».

Проведено исследование зон упрочнения в различных областях и участках бандажа. Проведены трибологические испытания на износостойкость образцов, закалённых с использованием высокомощного волоконного лазера. Выявлены основные преимущества и недостатки процессов лазерной и плазменной закалки.

Проведённые исследования позволяют сделать вывод о высокой перспективности применения технологии лазерной закалки для упрочнения бандажей колёсных пар как альтернативы процессу плазменного упрочнения.

Lateral wear of the locomotive wheel flange is one of the main types of wear that occurs during rolling stock operation. An important characteristic of a rail wheel rim is its wear resistance, which directly depends on the carbon content in steel. The carbon content in wheel steel of group 2 in the amount of 0,55–0,65 is due to the fact that at its lower concentration, the proportion of grain boundary ferrite increases, which leads to a decrease in the contact strength of wheels, and a higher one leads to a tendency to brittle fracture.

The increased carbon content makes it possible to harden the surface of steel. Plasma and laser hardening technologies can be used to reduce tyre flange wear and increase the service life of locomotive wheelsets.

The objective of this work is to determine advantages and disadvantages of technologies for laser and plasma hardening of working surfaces of tyres of wheelsets of railway rolling stock.

The comparative analysis related to microstructure and microhardness of wheelsets tyres of the 2TE25KM diesel locomotive which are made of wheel steel of group 2 according to GOST 398-2010 state standard and hardened respectively by plasma and laser hardening.

The tasks set were solved using theoretical and experimental research methods. The preparation and study of hardened samples was carried out using the equipment of the testing laboratory of LLC Scientific and Technical Association «IRE-Polus».

A study referred to hardened zones in various areas and sections of the tyre. Tribological tests concerned wear resistance of specimens hardened with a high-power fiber laser. The main advantages and disadvantages of laser and plasma hardening processes are revealed.

The conducted studies allow making a conclusion that the use of laser hardening technology for hardening wheelsets tyres, as an alternative to the plasma hardening process, is highly promising.

железнодорожный транспортлазерная закалкаплазменная закалкаколёсная параколёсная стальrailway transportlaser hardeningplasma hardeningwheelsetwheel steelReferencesБогданов А. В., Грезев Н. В., Шмелев С. А., Мур- заков М. А., Маркушов Ю. В. Упрочнение колёсной стали волоконными лазерами // Наукоёмкие технологии в машиностроении. − 2016. − № 9 (63). − С 30−37. [Электронный ресурс]: https://bstu.editorum.ru/ru/nauka/article/12986/view. Доступ 27.05.2022.Bogdanov, A. V., Grezev, N. V., Shmelyov, S. A., Murzakov, M. A., Markushov, Yu. V. Wheel steel strengthening with fiber lasers [Uprochenie kolesnoi stali volokonnymi lazerami]. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering [ Naukoemkie tekhnologii v mashinostroenii], 2016, Iss. 9 (63), pp. 30−37. [Electronic resource]: https://bstu.editorum.ru/ru/nauka/article/12986/view. Last accessed 27.05.2022.Богомолов А. В., Канаев А. Т. Плазменная технология упрочнения гребней локомотивных колёсных пар // Инновации в материаловедении и металлургии: материалы I междунар. интерактив. науч.-практ. конф. [13−19 дек. 2011, г. Екатеринбург]. − Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. − Ч. 1. − С. 38−43. [Электронный ресурс]: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/27924/1/ivmim_2011_08.pdf. Доступ 27.05.2022. ISBN 978-5-7996-0708-1, 978-5-7996-0709-8.Bogomolov, A. V., Kanaev, A. T. Plasma technology for hardening the flanges of locomotive wheelsets [Plazmennaya tekhnologiya uprocheniya grebnei lokomotivnykh kolesnykh par]. In: Innovations in Material Science and Metallurgy [Innovatsii v materialovedenii i metallurgii]: Proceedings of 1st international interactive scientific-practical conference [13−19 December 2011, Yekaterinburg]. Yekaterinburg, Publishing house of Ural University, 2012, P. 1, pp. 38−43. [Electronic resource]: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/27924/1/ivmim_2011_08.pdf. Last accessed 27.05.2022. ISBN 978-5-7996-0708-1, 978-5-7996-0709-8.Богданов А. В., Голубенко Ю. В. Волоконные технологические лазеры и их применение: Учеб. пособие. − СПб.: Лань, 2016. – 208 с. ISBN 978-5-8114-2027-8.Bogdanov, A. V., Golubenko, Yu. V. Fiber technological lasers and their application: Study guide [Volokonnie tekhnologicheskie lazery i ikh primenenie: Ucheb. posobie]. St. Petersburg, Lan’ publ., 2016, 208 p. ISBN 978-5-8114-2027-8.Менушенков А. П., Неволин В. Н., Петровский В. Н. Физические основы лазерной технологии. − М.: НИЯУ МИФИ, 2010. − 210 с. ISBN 978-5-7262-1252-4.Menushenkov, A. P., Nevolin, V. N., Petrovsky, V. N. Physical bases of laser technology [Fizicheskie osnovy lazernoi tekhnologii]. Moscow, NRNU MEPhI publ., 2010, 210 p. ISBN 978-5-7262-1252-4.Марков Д. П. Трибология и ее применение на научно-исследовательского института железнодорожного транспорта). − М.: Интекст, 2007. − 408 с. ISBN 978-5-89277-080-4.Markov, D. P. Tribology and its application in railway transport [Tribologiya i ee primenenie na zheleznodorozhnom transporte]. Series: Proceedings of the All-Russian Research Institute of Railway Transport. Moscow, Intext publ., 2007, 408 p. ISBN 978-5-89277-080-4.Шмелев С. А., Богданов А. В., Татаркин Д. Ю., Хриптович Е. В. Разработка оптимальных режимов упрочнения контактных поверхностей колёсных пар вагонов и локомотивов с использованием волоконных лазеров // Будущее машиностроения России: Сб. до- кладов Десятой Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов (с международным участи- ем). − 2017. − С. 230−236. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41786898&pff=1. Доступ 27.05.2022.Shmelev, S. A., Bogdanov, A. V., Tatarkin, D. U., Khriptovich, E. V. Development of optimal modes of hardening contact surfaces of wheel pairs of wagons and locomotives with the use of fiber lasers [Razrabotka optimalnykh rezhimov uprocheniya kontaktnykh poverkhnostei kolesnykh par vagonov i lokomotivov s ispolzovaniem volokonnykh lazerov]. Future of mechanical engineering of Russia: collection of reports of the 10th All-Russian Conference of Young Scientists and Specialists (with international participation), 2017, pp. 230−236. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=41786898&pff=1. Last accessed 27.05.2022.Глазунов В. Д. Способы снижения износа колёсных пар подвижного состава // Известия Уральского государственного горного университета. − 2019. − № 2 (54). − С. 107−114. [Электронный ресурс]: https://iuggu.ru/download/2019/2-54-2019/14_Glazunov.pdf. Доступ 27.05.2022. DOI: 10.21440/2307-2091-2019-2-107-114.Glazunov, D. V. Ways to reduce wear of wheelsets of carriage rolling stock [Sposoby snizheniya iznosa kolesnykh par podvizhnogo sostava]. Izvestiya Uralskogo gosudarstvennogo gornogo unversiteta, 2019, Iss. 2 (54), pp. 107−114. [Electronic resource] : https://iuggu.ru/download/2019/2-54-2019/14_Glazunov.pdf. Last accessed 27.05.2022. DOI: 10.21440/2307-2091-2019-2-107-114.Петров С. Ю., Рябов А. А., Костюкевич А. И. Упрочнение гребней и снижение износа колёсных пар // Мир транспорта. – 2013. − № 2 (46). – С. 62−69. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19412518. Доступ 27.05.2022.Petrov, S. Yu., Kostukevich, A. I., Riabov, A. A., Reinforcement of Ridges and Reduction of Wheelset Wear and Tear. World of Transport and Transportation, 2013, Iss. 2 (46), pp. 62−69. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19412518. Last accessed 27.05.2022.Киселев С. Н., Саврухин А. В., Кузьмина Г. Д. Влияние плазменной обработки на напряжённо-деформированное и структурное состояние гребней бандажей колёс локомотивов // Сварочное производство. − 2001. − № 6. − С. 9–17.Kiselev, S. N., Savrukhin, A. V., Kuzmina, G. D. Influence of plasma treatment on the stress-strain and structural state of locomotive wheel tyres [Vliyanie plazmennoi obrabotki na napryazhenno-deformirovannoe i strukturnoe sostoyanie grebnei bandazhei koles lokomotivov]. Svarochnoe Proizvodstvo, 2001, Iss. 6, pp. 9–17.Буйносов А. П. Основные причины интенсив- ного износа бандажей колёсных пар подвижного со- става и методы их устранения. − Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2009. – 223 с. ISBN 978-5-94614-148-2 [ограниченный доступ].Buynosov, A. P. The main causes of intensive wear of tyres of wheelsets of rolling stock and methods for their elimination [Osnovnie prichiny intensivnogo iznosa bandazhei kolesnykh par podvizhnogo sostava i metody ikh ustraneniya]. Yekaterinburg, Publishing House of USURT, 2009, 223 p. ISBN 978-5-94614-148-2.Wang, Wenjian; Guo, Jun; Liu, Qiyue. Experimental study on wear and spalling behaviors of railway wheel. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, Vol. 26, Iss. 6, pp. 1243−1249. [Электронный ресурс]: https://cjme.springeropen.com/counter/pdf/10.3901/CJME.2013.06.1243.pdf . DOI:10.3901/CJME.2013.06.1243 [ограниченный доступ].Wang, Wenjian; Guo, Jun; Liu, Qiyue. Experimental study on wear and spalling behaviors of railway wheel. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2013, Vol. 26, Iss. 6, pp. 1243−1249. [Electronic resource]: https://cjme.springeropen.com/counter/pdf/10.3901/CJME.2013.06.1243.pdf. DOI: 10.3901/CJME.2013.06.1243 [access restricted for subscribers only].Deters, L., Proksch, M. Friction and wear testing of rail and wheel material. Wear, 2005, Vol. 258, Iss. 7−8, pp. 981−991. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.03.045.Deters, L., Proksch, M. Friction and wear testing of rail and wheel material. Wear, 2005, Vol. 258, Iss. 7−8, pp. 981−991. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.03.045.Марков Д. П. Механика и трибология бокового износа колёс и рельсов // Вестник РГУПС. − 2003. − № 3. − С. 16–23. [Электронный ресурс]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11693847. Доступ 27.05.2022.Markov, D. P. Mechanics and tribology of lateral wear of wheels and rails [Mekhanika i tribologiya bokovogo iznosa koles i relsov]. Vestnik RGUPS, 2003, Iss. 3, pp. 16–23. [Electronic resource]: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=11693847. Last accessed 27.05.2022.Шмелев С. А. Разработка оборудования для получения линейного профиля излучения волоконного лазера, обеспечивающего высокоэффективную обработку гребней железнодорожных колёс // Дисс… канд. техн. наук. − МГТУ имени Н. Э. Баумана» (национальный железнодорожном транспорте (Труды Всероссийского исследовательский университет), 2020 – 166 сShmelev, S. A. Development of equipment for obtaining a linear fiber laser radiation profile that provides highly efficient processing of railway wheel flanges. Ph.D. (Eng) thesis [Razrabotka oborudovaniya dlya polucheniya lineinogo profilya izlucheniya volokonnogo lazera, obespechia yushchegovysokoeffektivnuyu rabotu grebnei zheleznodorozhnykh koles. Dis… kand. tekh. nauk]. Bauman MSTU (National Research University), 2020, 166 p .vysokoeffektivnuyu rabotu grebnei zheleznodorozhnykh koles. Dis… kand. tekh. nauk]. Bauman MSTU (National Research University), 2020, 166 p .

The authors declare that there are no conflicts of interest present.