Дефекты осей в местах прессовой посадки различных элементов колесных пар вызываются как влиянием коррозионных факторов (фреттинг-коррозия и, как следствие, фреттинг-износ), так и возникновением местных очагов схватывания контактирующих поверхностей с последующим вырывом металла поверхности оси при демонтаже соединений, появлением рисок, задиров.

Основной рабочей характеристикой осей колесных пар подвижного состава является их многоцикловая усталостная прочность в условиях 70 прессовых соединений. Кроме этого, металл осей под напрессованными деталями должен обладать определенной износостойкостью и контактно-усталостной прочностью, гасить пики напряжений от всплеска динамических нагрузок на стыках рельсов. Поверхностный слой металла осейдолжен также выдерживать определенную нагрузку во время сборки/разборки холоднопрессовых соединений без потери натяга и в условиях длительной эксплуатации иметь допустимые дефекты после демонтажа прессового соединения. В некоторой степени такими рабочими характеристиками обладают современные оси колесных пар. Однако напыленное покрытие, обладая повышенной твердостью и некоторой пористостью, увеличивает прочностные и противоизносные характеристики контактирующих поверхностей, повышая эксплуатационную стойкость осей в условиях горячепрессовых посадок, например в соединении внутреннее кольцо подшипника — буксовая шейка оси.

Именно благодаря некоторой пористости покрытие повышает контактно-усталостную прочность, в результате чего уменьшается фреттинг-износ в прессовом соединении и дольше сохраняется заданный натяг в этом соединении. Это доказали специальные длительные эксперименты. Об этом же говорит и меньший износ, например, напыленных буксовых шеек осей по сравнению со штатными осями, который возникает под внутренними кольцами подшипников. Можно полагать, что пористое покрытие играет роль демпфера, гася вибрации и пики возможных динамических нагрузок, причем нагрузка, воспринимаемая основанием и покрытием, распределяется между ними пропорционально значениям их модулей упругости. Напыленный металл имеет меньший модуль упругости, чем основной металл. Поэтому во время работы детали нанесенное на нее покрытие испытывает в несколько раз меньшее напряжение, чем металл детали.

Электродуговая металлизация напылением относится к «холодному» типу получения покрытий, так как нагрев детали не превышает 100 °С. Общеизвестно, что связь такого покрытия с металлом детали носит чисто механический характер. Стальное покрытие не приваривается к основному металлу, что, в свою очередь, исключает понижающее термическое воздействие процесса напыления на усталостную прочность деталей, несущих циклическую нагрузку. При этом достаточная прочность сцепления с основой обеспечивается высокой сцепляемостью покрытия со специально подготовленной шероховатой поверхностью детали, а также за счет возникновения прижимающих сил из-за некоторой усадки покрытия после его полного остывания. Такое покрытие выдерживает обычные нагрузки, возникающие при токарной обработке и шлифовании, в ходе эксплуатации (статические и динамические), при монтаже холоднопрессовых соединений с очень большими(до 400 мкм) натягами. Нарушение сцепления покрытия с основным металлом может произойти только при несоблюдении режимов технологии восстановления или в случае приложения несвойственной нагрузки. Адгезионная прочность порядка 45 – 50 МПа (4,5?5 кгс/мм²),71 полученная при испытаниях на отрыв, является вполне достаточной для работы напыленных покрытий в неподвижных прессовых соединениях. Все это доказано многолетней бездефектной эксплуатацией тяжелонагруженных деталей с напыленными электродуговой металлизацией покрытиями из различных металлов с толщинами от 1 до 3-4 мм на сторону.

Металлизация напылением успешно применяется при ремонте широкой номенклатуры деталей вагонов, локомотивов, электропоездов, путевой техники. Все эти работы, регламентированные указаниями МПС, различными отраслевыми инструкциями по ремонту деталей типа «вал» и тем более осей колесных пар подвижного состава, выполняются по технологиям отделения сварки ВНИИЖТа, которое занимается внедрением различных способов газотермического напыления на ремонтных предприятиях железных дорог, метрополитена, а также в промышленности уже не один десяток лет.

Некоторые примеры из практики внедрения

Более 20 лет по разработанным нами технологиям электродепо «Измайлово» Московского метрополитена восстанавливает предельно изношенные шейки валов эскалаторов, валов якорей тяговых двигателей, удлиненные ступицы осей колесных пар вагонов. Сэкономлены миллионы рублей, десятки тонн дефицитных сталей и сплавов. Безотказно работают напыленные детали, многие из них восстановлены уже дважды. Иногда невозможно найти границу напыленного на середину вала покрытия после его проточки и ручной подшлифовки.

По совместной технологии сварщиков ВНИИЖТа и Института железных дорог Румынии напыляют буксовые шейки осей колесных пар грузовых вагонов ремонтные заводы г. Бухареста, где за период 1986 – 1991 гг. возвращено в эксплуатацию более 8 тыс. колесных пар с восстановленными буксовыми шейками осей.

С 1994 г. в локомотивном депо Верхний Баскунчак Приволжской дороги напыляется большая номенклатура деталей типа «вал» различных серий тепловозов — валы водяных насосов, промежуточных опор, гидроприводов, нагнетателей, валы вертикальной передачи, различных редукторов и так далее. Подобную работу проводят локомотивные депо Ожерелье и Тула Московской дороги

С 1998 г. Красноярский электровагоноремонтный завод выпустил на линию более 1200 колесных пар с отремонтированной напылением поверхностью осей колесных пар электропоездов под опорный подшипник тягового редуктора.

С 1998 г. локомотивное депо Зуевка Горьковской дороги восстанавливает напылением места осей под опорный подшипник и буксовые шейки осей колесных пар электропоездов, электровозов и тепловозов различных серий. Сегодня на линии работает более 600 ед. тягового подвижного состава с отремонтированными колесными парами, имеющими напыленные оси.

С середины 2003 г. в локомотивном депо Унеча Московской железной дороги восстановлены буксовые шейки более 1000 осей локомотивов и специального самоходного подвижного состава. Созданы аналогичные участки восстановления осей в локомотивных депо Котлас Северной железной дороги, Малая Вишера Октябрьской железной дороги. В 2008 г. вводится в строй участок восстановления осей локомотивов в депо Молодечно Белорусской железной дороги.

Отказов в работе каких-либо восстановленных деталей, а тем более осей с напыленным покрытием не имеется.

Работы по восстановлению изношенных осей прошли все необходимые стадии исследования ? от лабораторных и стендовых до поездных и эксплуатационных испытаний. Доказано, что газотермическое напыление является, по существу, единственным способом, позволяющим восстанавливать буксовые шейки осей с дефектами глубиной 0,7 ? 1,5 мм на сторону. При этом усталостная прочность восстановленных осей гарантированно находится на уровне новых, а износостойкость и контактно-усталостная прочность шеек с покрытием выше на 15 ? 20 %, чем у накатанных новых осей.

Стоимость восстановления двух буксовых шеек составляет всего 5 % стоимости изготовления новой оси. Срок окупаемости затрат на постройку и внедрение участка напыления составляет от 3 до 6 мес — в зависимости от объема работ. После этого стоимость восстановления понижается вдвое. Практика показала, что при восстановлении одной буксовой шейки оси на подготовку ее под напыление затрачивается 40 – 50 мин, на напыление покрытия — 30 – 40 мин, на черновую и чистовую проточки с получением толщины покрытия 1 мм на сторону — 40 – 50 мин. После восстановления одной шейки ось или колесную пару переставляют для обработки второй шейки.

В настоящее время на Московской железной дороге проходят поездные эксплуатационные испытания локомотивных колесных пар, имеющих восстановленные электродуговой металлизацией напылением участки осей под напрессованными колесными центрами и зубчатыми колесами, напыленные шнуровым способом шейки осей моторно-осевых подшипников. Толщина покрытия в местах холоднопрессовых посадок элементов колесных пар составляет от 2 до 3 мм на сторону, на моторноосевых шейках — 3 мм на сторону. По состоянию на 01.04.2008 г. пробег опытных колесных пар составил 150 тыс. км. Испытания проходят без замечаний, база испытаний 350 тыс. км.

Пройдя все стадии исследований, производственно-эксплуатационные этапы, различную модернизацию, технология восстановления шеек осей металлизацией напылением нашла достаточно широкое распространение в локомотивном хозяйстве. Она успешно работает и приносит прибыль. Теперь списывают в металлолом только оси с усталостными повреждениями шеек, остальные же обретают вторую жизнь.