Методы контроля технического состояния колёсных пар в эксплуатации

За последние годы существенно изменился характер износа колес тягового подвижного состава и вагонов. Если 10—15 лет назад изнашивалась, главным образом, поверхность (или круг) катания, то сейчас больше изнашивается гребень. Это вызвано целым рядом причин, исследованию которых в последнее время уделяется значительное внимание.

Несмотря на определенные достижения в борьбе с износом гребней (рельсосмазывание), актуальным остается вопрос — как оперативно и точно оценить опасный износ гребней колес? Решение этой задачи требует комплексного подхода с привлечением специалистов различного профиля: по колесным парам, по приборостроению, по метрологии и др.

Так, результаты измерительного контроля геометрических параметров гребней колес зависят от ряда факторов:

- состояния поверхности (шероховатость, наличие неровностей, вмятин, степень загрязнения и др.);

- средств измерений, его метрологических характеристик;

- методики выполнения измерений (правил, приемов, алгоритма, обработки, оценки данных измерений);

- условий выполнения измерений;

- квалификации оператора, выполняющего измерения.

В основу нового, более прогрессивного, метода измерений для оценки геометрических параметров гребней колес, разработанного ВНИИЖТом, заложен принцип измерения толщины гребня в сечении на заданном расстоянии от поверхности катания колеса (точки контакта колеса и рельса), применяемый в европейских странах (Чехия, Франция, Польша), а также оценки крутизны наклона гребня — параметра gr, определяющего безопасное прохождение колесом стрелочных переводов в противошерстном движении.

В абсолютном шаблоне, традиционно применяемом на железных дорогах для измерения параметров гребней колес вагонных колесных пар, не учитывается размер скоса в 1 мм на тыльной части гребня колеса. Измерения толщины гребня абсолютным шаблоном при этом выполняют в сечении гребня на расстоянии 18 мм от вершины гребня. Для локомотивного же профиля колеса толщина гребня контролируется на расстоянии 20 мм от вершины гребня.

В эксплуатационной документации по применению нового универсального шаблона определение толщины гребня иное — расстояние, измеренное по горизонтали на высоте 13 мм от круга катания колеса между двумя точками, лежащими по разные стороны от вершины гребня, одна из которых в плоскости внутренней грани обода колеса, другая — на поверхности гребня (в поясе, в котором контролируется боковой износ головки рельса).

В соответствии с техническим заданием на шаблон для контроля параметров зоны (поверхности) катания колес вагонных и локомотивных колесных пар диапазоны измерений следующие:

высота гребня, мм 25—40

толщина гребня, мм 20—35

крутизна гребня, мм 0—13

предел допускаемой погрешности, мм, не более 0, 2

На шкале, оценивающей параметр крутизны гребня gr, нанесена дополнительная риска (штрих) с цифровым обозначением допустимого значения, которое на сегодняшний день составляет 6, 5 мм.

В отличие от требований технического задания реальный шаблон У1 для измерений колесных пар имеет на вертикальной линейке (контроль высоты гребня) вместо шкалы измерения высоты гребня М шкалу измерения проката П:

П = п — 28, мм.

Например, высоте гребня 32 мм соответствует прокат размером 4 мм, а высоте 26 мм — прокат минус 2 мм.

Требование о необходимости наличия шкалы измерения высоты гребня реализовано в конструкции шаблона для измерения параметров зоны катания колес локомотивных колесных пар (УТ1).

При использовании универсальных шаблонов У1 и УТ1 уровень измерения толщины гребня удаляется от вершины гребня по мере увеличения проката, тогда как при использовании абсолютного шаблона уровень остается один и тот же (18 мм для вагонных и 20 мм для локомотивных колес). При определенном значении проката, которое составляет 3 мм, уровень или линии измерения толщины гребня абсолютным и универсальным шаблонами совпадают.

Смещение уровня измерений на новом колесе с вагонным гребнем при угле образующей 60° дает изменение результата измерения толщины гребня на 1, 73 мм. Следовательно, с учетом смещения шкалы универсального шаблона У1 относительно шкалы абсолютного шаблона на 1 мм при нулевом прокате наблюдается разница их показаний, равная 0, 73 мм, или округленно —0, 7 мм.

Конструктивно шаблон типа У1 представляет собой сборный каркас в виде металлических линеек, соединенных между собой под прямым углом, выполненный как комбинированное штангенциркульное устройство. Согласно РД 50-98-86, стандартные штангенциркули типа ШЦ-1 с отсчетом по нониусу 0, 1 мм для диапазона размеров контролируемого параметра 0—50 мм позволяют выполнять измерения с предельной погрешностью 150 мкм. При этом имеется в виду, что измерительное средство соответствует предъявляемым требованиям и используется оператором, имеющим навык в работе с ним. Указанная предельная погрешность измерения получена без учета методической погрешности измерения.

В шаблонах типов У1 и УТ1 нониусами с отсчетом 0, 1 мм оснащены рамки линеек для измерения высоты и толщины гребня, что позволяет выполнять измерения в условиях, указанных выше для ШЦ-1, с погрешностью не более 200 мкм.

Отсутствие в шаблонах типа У1 и УТ1 нониуса рамки линейки для измерения параметра крутизны гребня по метрологическим характеристикам ставит ее в ряд с измерительной металлической линейкой с ценой деления 1 мм и предельной погрешностью измерения 500 мкм.

Применение шаблонов У1 в опытной эксплуатации на ряде железных дорог выявило высокий уровень браковки вагонных колесных пар по параметру gr < 6, 5 мм, который доходил до 34, 9%. Поэтому специалисты вагонного хозяйства (ВНИИЖТ) прорабатывают альтернативу уменьшения gr до значения 5, 5 мм, что на тех же колесных парах дало бы уровень браковки только 13, 6%.

Как видно из этого примера, разность между нормативным и альтернативным значениями параметра gr, т.е.

Agr - 6, 5-5, 5 = 1, 0 мм,

соизмерима с погрешностью измерения (500 мкм). Следовательно, важно отработать методику выполнения измерений указанного параметра, предусматривающую систематическую поправку (запас в большую сторону), чтобы не пропустить в эксплуатацию колесо с параметром gr < 6, 5 мм. На наш взгляд, допустимо при измерении параметра gr пользоваться нониусом рамки линейки для измерения толщины гребня, если начала оцифрованных шкал (параметра gr, толщины гребня и нониуса) совпадают. Это позволит более точно контролировать параметр gr с погрешностью не более 0, 2 мм.

Как показала практика эксплуатационных испытаний абсолютных и универсальных шаблонов типа У1 при массовых измерениях одинаковых гребней колес, разность значений толщины гребней при нулевом прокате составила около 0, 5 мм (в отдельных случаях 1, 2—1, 5 мм). Результат был в сторону увеличения для универсального шаблона.

Зависимость изменения разности показаний А универсального и абсолютного шаблонов от проката П в интервале от 0 до 7 мм носит линейный характер:

А = 0, 34(П— 1, 6) мм.

Измерение проката П одних и тех же колес универсальным и абсолютным шаблонами должны давать близкие значения вследствие идентичности методов.И это в большинстве случаев наблюдалось.

Однако в ряде случаев при прокатах от 0 до 5 мм получалась разница в результатах измерений в 0, 5 мм и более, не имеющая систематического характера. Одной из причин такой разницы (разброса) является плохая фиксация шаблонов на гребне в радиальном направлении. В случае шаблона У1 это вызвано конструктивными особенностями и умением оператора: шаблон требует навыков в работе, аккуратного (без завалов) базирования на гребне колеса.

В отличие от шаблона типа У1, для измерения геометрических параметров зоны катания колесных пар тягового подвижного состава разработан и выпускается шаблон типа УТ1 (рис. 3.1). В этом шаблоне для большей устойчивости на гребне колеса используется широкая цилиндрическая опора, а пластина рукоятки, прикладываемая к внутренней грани обода колеса, расширена и снабжена специальным магнитом. В результате показания универсального и абсолютного шаблонов при измерении проката стали более стабильными: в 90% всех случаев разница показаний не превышала 0, 5 мм. Из расчетов следует, что при нулевом прокате разница показаний толщины гребней новых колес ТПС, полученных с помощью шаблонов УТ1 и абсолютного составляет для совмещенного и локомотивного профилей 1, 40 и 1, 09 мм соответственно. При испытаниях таких шаблонов в реальных условиях среднестатистическая разность показаний при нулевом прокате составила 1, 3 мм при отдельных отклонениях от 1, 1 до 2 мм.

В результате испытаний шаблонов У1 и УТ1 изучены их метрологические и технические характеристики в реальном масштабе времени. Входной контроль, выполняемый метрологическими службами дорог, установил, что бывают поступления с завода-изготовителя (АО ЧЗИП) шаблонов с отклонениями от технологических требований. К ним относятся: некачественное изготовление (термообработка) пружин измерительных рамок, несовпадение начала шкал нониусов и линеек, ненастроенность шаблонов по установочной мере (контрольному шаблону), туго движущиеся части, отсутствие стопорных винтов и др.

Другой категорией отклонений являются недостатки, вызванные нарушением требований к содержанию шаблонов при их использовании в депо. Это приводит к изгибу опоры шаблона на круг катания колеса, выпадению и ослаблению штифтов крепления опоры к горизонтальной линейке шаблона, изгибу стопорных винтов рамок вследствие ударов при падении шаблона (небрежное обращение с измерительным инструментом) и др. Частичное отслоение эпоксидного слоя на магните пластины рукоятки происходит, чаще всего, вследствие использования шаблона не по назначению — для очистки внутренней грани колеса от грязи и смазки перед измерениями.

Рис. 4.1. Установка универсального шаблона для контроля параметров поверхности катания колёсных пар (модель УТ1) на контршаблоне

Очевидно, что использование шаблона для этих целей недопустимо.

Анализ всех факторов, связанных с надежностью технических и метрологических характеристик шаблонов У1 и УТ1 позволяет сделать вывод, что интервал между периодическими калибровками этих шаблонов не должен превышать 0, 5 года.

Заводу-изготовителю шаблонов необходимо повысить технологическую и метрологическую дисциплину и учесть недостатки конструкции, выявленные при эксплуатационных испытаниях шаблонов (усилить опору и ее крепление к горизонтальной линейке, повысить качество термообработки пружин и рабочих поверхностей линеек).

В настоящее время завод-изготовитель направил на согласование в МГТС и ВНИИЖТ предложение по усилению крепления опоры и другие улучшения конструкции шаблона УТ1. Следует также решить вопрос о проведении сертификационных испытаний названных шаблонов.

Необходимо продолжать исследования по испытаниям и разработке новых шаблонов для измерения параметров гребней ТПС. [11]

В анализе износа бандажей большую роль играет точность замеров. Ее трудно получить (даже до десятых долей миллиметра) на наших эксплуатирующихся абсолютных шаблонах. Есть определенные трудности и при замере диаметров. Влияют на результат замеров и субъективные факторы. Поэтому на дороге разрабатывают систему бесконтактного обмера параметров бандажей в движении локомотива, компьютерного учета его результатов и передачи данных и рекомендаций на обточку в причастные депо и службу локомотивного хозяйства.