2.1. Hao mòn, hƣ hỏng các chi tiết bộ trục bánh xe đầu máy
2.1.2. Các hƣ hỏng đối với bánh xe
Bánh xe là chi tiết quan trọng và bị hao mòn nhiều nhất, dẫn đến hay phải tiện khôi phục biên dạng mặt lăn, cuối cùng đi đến thay thế cả bánh xe. Nguyên nhân là do quá trình vận hành, mặt lăn bánh xe làm việc ở điều kiện nặng nhọc, do ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc của mặt lăn bánh xe với mặt đỉnh ray, và gờ bánh xe với hông ray.
Ngoài ra mặt lăn còn hao mòn do sức kéo bám phát huy không đồng đều giữa các bánh xe, do bánh xe dịch chuyển theo phương ngang bởi hiện tượng chuyển động rắn bò của đầu máy gây mòn gờ và mặt lăn bánh xe, ngoài ra mặt lăn bánh xe cũng mòn do hãm đầu máy, hiện tượng lồng bánh xe, ngoài ra bánh xe khi vận hành trên đường gặp phải chướng ngại vật như đá,v.v… thường phát sinh ứng suất tiếp xúc rất lớn với đường ray, có khi vượt quá giới hạn chảy. Ngoài ra bánh xe thường bị trượt, làm mài mòn mặt lăn quá nhanh, sự trượt của mặt lăn bánh xe với ray thường thường xảy ra khi bánh xe tịnh tiến lăn theo ray. Nguyên nhân gây ra sự tuôn trƣợt này bao gồm:
Đối với gờ bánh xe: Gờ bánh xe là 1 phần của mâm bánh có chức năng dẫn hướng đầu máy vì vậy gờ bánh xe cũng rất bị hư hỏng.
- Gờ bánh xe mòn do cấu tạo, do bán kính cong của đường ray nhỏ (không khắc phục được), mặt khác kết cấu giá chuyển hướng đầu máy D13Evà D19E là 3o-3o (3 bánh xe trên cùng bogie nên khả năng thông qua đường cong cũng khó hơn. Khi vào đường cong lực dẫn hướng tác dụng làm lợi bánh xe mao mòn, cự li giá chuyển hướng càng lớn thì lực dẫn hướng càng lớn và lợi bánh xe càng mòn hơn.
- Do quá trình bảo dưỡng và sửa chữa đầu máy tại xưởng cũng làm ảnh hưởng tới quá trình hao mòn lợi bánh xe nhƣ chất lƣợng của việc hàn đắp lợi bánh xe (chất lƣợng que hàn, thuốc hàn) do khe hở của hộp đầu trục theo phương vuông góc với đường ray khi vào sửa chữa cân chỉnh không đều, do hệ thống giảm chấn làm việc không tốt làm dao động ngang, dọc lớn cũng gây mòn bánh xe.
- Do quá trình vận dụng của đầu máy trên đường khi bánh xe vào đường cong tốc độ đầu máy càng lớn, bán kính cong càng nhỏ thì lợi bánh cũng mòn nhiều
-Do kết cấu hình học: Mặt lăn bánh xe không phải lúc nào cũng phù hợp với nhu cầu vào đường cong của đầu máy. Ta biết rằng bánh xe tiếp xúc với ray không phải ở một điểm mà trên bề mặt rộng có diện tích khoảng 2,5 cm2, vì dạng hình học của mặt lăn bánh xe có độ côn, nên những điểm nằm trên đường tròn có đường kính nhỏ, sẽ có vận tốc tiếp tuyến nhỏ hơn so với những điểm nằm trên đường tròn có đường kính lớn.
Trong khi đó bánh xe quay với một tốc độ góc xác định, nhƣ vậy hai điểm cùng nằm trên mặt lăn của bánh xe lại có vận tốc tiếp tuyến khác nhau và phải thực hiện quãng đường dài như nhau, điều này không thể chấp nhận được.
Vì thế trục bánh xe có sự tự điều chỉnh tốc độ cho các điểm nằm trên mặt lăn bánh xe khi lăn theo ray sẽ thực hiện đƣợc chiều dài là nhƣ nhau. Sự tự điều chỉnh này thông qua việc “trượt” tương đối giữa các điểm nói trên với đường ray, sự trượt này gây ra sức cản cơ bản. Theo thí nghiệm sức cản cơ bản gây ra độ ma sát phụ trong trường hợp này dạt 0,1 KG/T. Nếu ở giai đoạn khởi động, giá trị sức cản này tăng lên một cách đáng kể.
- Do phát huy sức kéo bám không đồng điều: Giữa các trục bánh xe đầu máy truyền động điện có các ĐCĐK treo gá kiểu tựa trục, thì hệ số lợi dụng bám nhỏ.
- Chuyển động rắn bò của đầu máy: Chuyển động rắn bò của đầu máy tồn tại ngay trong quá trình vận động tịnh tiến của nó, do có sự dịch chuyển theo phương ngang, về phía phải hay phía trái tuỳ thuộc vào kết cấu của đường và bộ phận chạy, mà dẫn đến sự trƣợt ngang và dọc của mặt lăn. Sự trƣợt này cũng là một trong các nguyên nhân gây ra hao mòn mặt lăn và gờ bánh xe.
Sự sai sót trong chế tạo: Việc sửa chữa biên dạng mặt lăn và lắp ráp cụm bánh xe không chính xác cũng làm tăng sự trƣợt phụ và cũng là nguyên nhân gây ra hao mòn mặt lăn bánh xe do trƣợt.
Hiện tƣợng mài mòn của bề mặt làm việc của mặt lăn bánh xe chủ yếu tập trung vào vùng tiếp xúc giữa mặt lăn với ray và ở chân gờ bánh xe nơi sát mặt lăn.
Ngoài ra do địa hình nước ta là đồi núi nhiều nên hệ thống đường ray nước ta lên xuống dốc nhiều va đường cong cũng nhiều đây cũng là nguyên nhân gây mòn mặt lăn và lợi bánh xe.
Dưới đây là môt số hình biêu thị các biên dạng hao mòn mặt lăn và gờ bánh xe
Vòng lăn bánh xe Vùng mòn lợi và mặt lăn
Hình2.1. Hao mòn mặt lăn và gờ bánh xe
Vòng lăn bánh xe Vùng mòn lợi
Hình2.2: Hao mòn gờ bánh xe
Vùng mòn lõm vòng lăn bánh xe
Hình 2.3: Mòn lõm mặt lăn bánh xe 2.1.3. Các hƣ hỏng đối với bánh răng truyền động
Điều kiện làm việc của bánh răng truyền động khá nặng nhọc vì phải truyền momen lớn. Ma sát giữa hai bánh xe là loại ma sát hỗn hợp, bao gồm cả ma sát lăn và ma sát trƣợt, ma sát ƣớt và ma sát nữa ƣớt. Trong quá trình bánh răng làm việc, tỷ lệ giữa ma sát khô và ma sát ƣớt không ổn định, tốc độ dịch chuyển, lực tác dụng và các nhân tố tác động luôn thay đổi. Khi tốc độ dịch chuyển càng lớn, tỷ lệ ma sát ƣớt tăng thì hệ số ma sát giảm xuống. Ngƣợc lại khi tốc độ dịch chuyển giảm thì ma sát xảy ra ở dạng nửa ƣớt và hệ số ma sát tăng. Qua những đặc điểm này, ta thấy sự mài mòn của bánh răng là quá trình phức tạp và không ổn định.
Mặt khác răng bị mòn là nguyên nhân chủ yếu làm cho bánh răng mất khả năng làm việc và bị loại bỏ. Căn cứ vào đặt tính hao mòn của bánh răng có thể chia mặt răng ra thành ba khu vực hao mòn theo chiều cao răng.
1. Khu vực vòng tròn chia: Đây là khu vực mòn nhiều nhất.
2. Phần trên vòng tròn chia: Khu vực này (gồm cả đỉnh răng) mòn tương đối ít.
3. Khu vực từ vòng tròn chia xuống tới chân răng: Khu vực này không mòn nhiều lắm .
Do bị hao mòn trong ba khu vực này có thể hình thành một số nếp nhăn bề mặt mà có khi mắt thường cũng có thể nhìn thấy được. Ở khu vực thứ hai chiều cao của
nếp nhăn lớn nhất có thể đạt tới trị số 0,5 2,5 mm và ở khu vực thứ ba khoảng 0,035 mm. Những nếp nhăn này là đặt trƣng của bề mặt ma sát trƣợt. Còn khu vục thứ nhất thì hơi khác với khu vực kia, bề mặt của vùng này có đặt tính kim loại đƣợc đánh bóng, nếp nhăn có chiều cao lớn nhất chỉ vào khoảng 0,10,2 mm và đó là đặt trƣng của bề mặt ma sát lăn
Các quy luật hao mòn của bánh răng chứng tỏ quy luật mòn có liên quan tới tốc độ dịch chuyển. Kết cấu kim tương của chân răng thay đổi, độ hao mòn lớn chứng tỏ đấy là dạng hao mòn do nhiệt. Nhiệt độ tăng là tốc độ dịch chuyển ở chân răng lớn và hướng trượt ngược với hướng lăn của bánh răng. Ta thấy ở khu vực vòng tròn chia của mặt răng có độ cứng cao, ứng suất dƣ lớn, độ sâu lớp ứng suất do vậy có thể kết luận rằng bộ phận này biến dạng dẻo tương đối lớn. Khi bề mặt răng bị cường hoá (biến cứng) thì gây ra ứng suất dƣ lớn. Đến mức nào đó ứng suất dƣ vƣợt quá giới hạn bền của kim loại thì bề mặt răng có thể xuất hiện các vết nứt, sau đó dẫn đến bể vở răng.
Đặt trƣng của sự hƣ hỏng này là các vết nứt tế vi và các vết lõm , độ sâu của các vết nứt tế vi hoặc các vết lõm này bằng chính chiều dày của lớp ứng suất dƣ. Hầu hết tất cả các vết nứt đều song song với hình dạng của răng và những đặt trƣng này điều do ma sát gây nên, do vậy ở vòng tròn chia chủ yếu xuất hiện dạng mòn lõm khá rõ.
Tính chịu mòn của bánh răng quyết định bởi trị số mòn và kiểu dạng mòn trên đây của nó.
Ngoài ra khi làm việc bề mặt răng có thể dồn ép mạnh, nhất là ở thời điểm đầu máy khởi động kéo tàu, đặt biệt có những bánh răng có độ bóng bề mặt kém thì tác động dồn ép xảy ra càng mãnh liệt, làm cho bề mặt bị tróc, rỗ do vỡ vụn từng mãnh nhỏ.
Khi phải truyền những mômen (tải trọng) lớn mà không có bôi trơn hoặc chất lƣợng bôi trơn kém, sẽ làm cho nhiệt độ tăng nhanh ở một số nơi trên mặt răng và có khả năng gây ra sự kết dính các bề mặt, thậm chí làm hai bánh răng bị kẹt nhau.
Bề mặt lăn bị mòn dính không phải chỉ do tác động của tốc độ di chuyển mà còn do tác động của tải trọng (hoặc áp lực đơn vị) lên bánh răng. Khi mặt lăn bị áp suất lớn nó có thể bị mẻ hoặc tróc vỡ, mà nếu vẫn tiếp tục làm việc thì do tác động qua lại mà hệ số ma sát càng tăng và làm cho mòn dính càng tăng lên. Hai hiện tượng này tương hỗ lẫn nhau và làm răng càng mau bị hỏng.
Đối với bánh răng thụ động của trục bánh xe, khi có vết nứt nhỏ mặt đầu bánh răng, chiều dài lớn hơn 50 mm, sâu hơn 2 mm và các vết nứt nhỏ xuất phát từ mặt răng và từ hốc chân răng lớn hơn 6 mm ta phải thay thế. Khi vết nứt có chiều dài nhỏ hơn và nông hơn ở trên mặt đầu bánh răng cho phép khắc phục bằng phương pháp mài sạch vết nứt.