Почему колесо крана плоскостопится и как восстановить бандаж

Крановые колеса воспринимают статические и динамические нагрузки от веса крана, груза, инерционных усилий. Их состояние определяет плавность хода, точность позиционирования и ресурс механизмов передвижения.

Плоскостопие — дефект поверхности катания, характеризующийся появлением плоских участков, овальности или локальных выработок на бандаже. Нарушение круглой формы создает ударные нагрузки при каждом обороте колеса. Амплитуда удара пропорциональна глубине выработки и скорости движения. При скорости 60 м/мин и выработке 2 мм ударная сила достигает 3–5 кратной статической нагрузки.

Причины возникновения

Перегрузки. При превышении номинальной грузоподъемности на 10% давление на колесо возрастает на 15–20% из-за внецентренного приложения нагрузки. Давление на колесо может превышать расчетное на 30–40%, вызывая пластическую деформацию металла в зоне контакта.

Резкие пуски и торможения. Ускорение более 0,3 м/с² создает пробуксовку колес. Юз колеса на сухом рельсе вызывает абразивный износ поверхности со скоростью 0,1–0,2 мм/час (в пересчете на время фактического скольжения). Торможение в одной точке при частых остановках крана в фиксированной позиции формирует локальную выработку глубиной 1–3 мм за 3–6 месяцев.

Длительная стоянка с грузом создает статическую деформацию. При нагрузке на колесо 30 т и температуре выше 30°С релаксация напряжений в стали 65Г составляет 5–8% от исходного уровня, что формирует площадку уплощения.

Пример. На складе металлопроката кран ежедневно останавливается для застропки груза в одной и той же точке пролета. Через 6–8 месяцев на колесах, расположенных со стороны привода, появляются плоские участки шириной 30–50 мм, которые при каждом обороте создают ощутимый толчок.

Технические неисправности

Несоосность колес. Перекос моста или тележки на 1 мм на 1 м длины приводит к боковому усилию на реборду до 10% от вертикальной нагрузки. Реборда изнашивается на 2–3 мм в год вместо нормативных 0,5 мм.

Разница диаметров колес на одной оси. При разнице диаметров 2–3 мм одно колесо пробуксовывает на каждом обороте, так как за один оборот проходит путь больше на 6–9 мм по сравнению с парным колесом. Это вызывает местный нагрев поверхности до 120–150°С.

Неравномерное торможение. При разнице усилия на тормозных колодках 15% и более колеса одной оси тормозят несинхронно, создавая момент, вызывающий проскальзывание. Амплитуда проскальзывания достигает 5–10 мм за один цикл торможения.

Износ подшипников. Радиальный люфт в подшипнике более 0,1 мм вызывает перекос колеса на угол до 0,3°, что увеличивает контактное давление на кромке реборды в 2 раза.

Пример. При замене одного колеса на козловом кране установили новое колесо, которое по факту оказалось на 3 мм меньше диаметра старого. При движении меньшее колесо постоянно проскальзывало, и через месяц его поверхность покрылась сеткой микротрещин и имела заметную выработку.

Неисправности рельсового пути

Неровности, ступеньки в стыках, износ головки рельса создают ударные нагрузки при наезде колеса на дефект. Каждый удар — это микроскопическая деформация поверхности катания. Со временем эти деформации накапливаются, формируя локальные выработки и трещины.

Несоосность рельсов (расхождение или сужение колеи) заставляет колеса двигаться с боковым скольжением, что особенно сильно изнашивает реборды. Отклонение от прямой линии на 5 мм на длине 10 м вызывает боковое скольжение колеса с усилием до 8% от вертикальной нагрузки. Реборда в этом случае работает в режиме интенсивного абразивного износа.

Пример. На участке рельсового пути длиной 12 м после ремонта образовалась просадка рельса на 5 мм. Кран, проходя этот участок с грузом, создавал ударную нагрузку на правое приводное колесо. Через 4 месяца эксплуатации на этом колесе образовалась глубокая выкрошка на поверхности катания, потребовавшая внеплановой замены.

Качество изготовления

Твердость поверхности ниже нормативной. Снижение твердости с 350 НВ до 280 НВ (на 20%) уменьшает предел контактной выносливости на 35% (с 980 до 770 МПа).

Неправильная термообработка. Закалка ТВЧ вместо сорбитизации дает твердость поверхности до 55 HRC, но глубину закаленного слоя всего 3–5 мм. При износе 2 мм твердость падает до 300 НВ на глубине 3 мм, а разность твердости с ступицей достигает 200 НВ на 5 мм — возникает концентратор напряжений.

Тип заготовки. Отливка содержит усадочную пористость до 3% объема. В зоне пористости сопротивление усталости снижается на 40% по сравнению с поковкой или штамповкой.

Абразивная среда (зола на угольных ТЭЦ, песок в карьерах, окалина на металлургических заводах) ускоряет износ поверхности катания в 2–3 раза по сравнению с чистыми условиями. Частицы абразива попадают между колесом и рельсом, действуя как абразивная паста.

Перепады температур влияют на зазоры в соединениях. При сильном морозе металл сжимается, посадка ступицы на вал может ослабнуть, появляются люфты и перекосы.

Вибрации. При скорости 40 м/мин и выработке 2 мм частота ударов 3–5 Гц, амплитуда виброускорения на кабине крана достигает 0,5 g. Норма по ГОСТ 12.1.012-2004 — не более 0,1 g.

Износ механизмов. Ресурс подшипников снижается на 40–50% при ударных нагрузках, зубчатых передач — на 30–35%. Ресурс редуктора при работе с дефектными колесами сокращается с 10 до 5–6 лет.

Повреждения рельсового пути. Ударные нагрузки от плоских участков создают пиковые давления до 2000 МПа (превышение предела текучести стали рельса на 15–20%). Через 6–8 месяцев появляются выкрашивания на головке рельса.

Энергопотребление. Сопротивление движению увеличивается на 15–25% из-за увеличения коэффициента трения качения с 0,01 до 0,012–0,015. Дополнительные потери энергии за год — до 20 тыс. кВт·ч для крана средней мощности.

Основной метод — электродуговая наплавка с последующей мехобработкой и термообработкой. Позволяет вернуть геометрию и твердость поверхности с затратами 20–35% от стоимости нового колеса.

Процесс восстановления начинается с осмотра и замеров. На этом этапе принимается решение о возможности наплавки.

Осмотр и замеры:

• Износ поверхности катания > 2–3% от номинального диаметра — брак.
• Износ реборды > 40% толщины — брак.
• Трещины в ступице или теле — брак (наплавка запрещена).

При необходимости — отжиг 600–650°С, выдержка до 8 часов для снятия остаточных напряжений.

Механическая подготовка обточка на глубину 2–4 мм для удаления дефектного слоя.

Например, при осмотре колеса диаметром 800 мм выявлено, что диаметр составляет 780 мм (износ 2,5%), реборда имеет сколы глубиной 3 мм, но трещин нет. Колесо допущено к восстановлению, так как износ не превышает предельных 3% для данного диаметра, а сколы реборды устранимы наплавкой.

Способы:

• Автоматическая под флюсом. Производительность 4–8 кг/ч. Проволока Св-08Г2С, Св-10НМА. Флюс АН-348А.
• Полуавтоматическая в среде CO₂. Нагрев детали до 100°С — исключает деформацию. Проволока Св-10НМА.
• Плазменная. Тонкие слои (0,5–2 мм), минимальный нагрев.

Режимы автоматической наплавки под флюсом:

• Сила тока: 350–600 А
• Напряжение: 32–40 В
• Скорость: 20–40 м/ч
• Шаг: 4–10 мм/об

Толщина наплавленного слоя после обработки — не менее 6 мм (поверхность катания), 4 мм (реборды).

Отпуск для снятия напряжений:

• 65Г, 09Г2С: 580–620°С, 2–4 ч, воздух
• 10ХСНД: 600–640°С, 3–5 ч, воздух
• 12ХН3А: 620–660°С, 3–5 ч, воздух

Закалка (при необходимости повышения твердости): нагрев 820–860°С, выдержка 1,5–2 мин/мм толщины, охлаждение в масле, низкий отпуск 160–200°С.

Целевые параметры:

• Твердость поверхности: 320–390 НВ
• Глубина закаленного слоя: ≥ 10 мм
• Твердость ступицы: ≥ 280 НВ

Обточка до номинальных размеров:

• Отклонение диаметра: ±0,5–±1,0 мм
• Биение поверхности: 0,03–0,06 на 100 мм
• Шероховатость: Ra ≤ 2,5 мкм
• Посадочное отверстие: h9, H9 (h8, H8 для 5М–6М)

• Контроль восстановленного колеса включает:
• Визуальный осмотр — трещины, поры, несплавления не допускаются.
• Магнитопорошковый контроль — 100% поверхности для выявления поверхностных трещин.
• Цветная дефектоскопия — контроль зон переходов и сварных швов.
• Измерение твердости — не менее 3 точек по окружности, разброс не более 30 НВ.
• УЗ-толщинометрия — контроль толщины наплавленного слоя (не менее 6 мм).
• 4. Ограничения по числу наплавок
• Количество циклов наплавки ограничено нормативными документами и практическим опытом:
• Для колес диаметром до 630 мм: не более 2 циклов наплавки (ОСТ 24.191.02-82).
• Для колес диаметром свыше 630 мм: не более 2 циклов с усиленным контролем.
• Для колес, работающих при температуре ниже -40°С: не более 1 цикла.
• При третьей наплавке возрастает риск усталостных повреждений основного металла, не выявляемых дефектоскопией.

• D ≤ 630 мм: ≤ 2 цикла наплавки.
• D > 630 мм: ≤ 2 цикла с усиленным контролем.
• При температуре ниже -40°С: ≤ 1 цикл.

• Трещины любого размера.
• Глубина выкрошек > 10 мм.
• Износ > 6% диаметра.
• Предыдущие наплавки ≥ 2.
• Внутренние дефекты (раковины, расслоения).

Колесо D=630 мм:

Экономия: 37 тыс. руб. (49%).

Оборудование для авт.наплавки — 1,2–1,5 млн руб. Годовой объем 100 колес. Окупаемость 1,5–2 года.

Нет. При наплавке трещина не устраняется, остается под наплавленным слоем. Развитие трещины в эксплуатации приводит к разрушению колеса. Замена обязательна.

Не более двух циклов наплавки для стандартных колес. После двух наплавок основной металл накапливает усталостные повреждения, и третья наплавка небезопасна. Для колес, работающих при температуре ниже -40°С, допускается только одна наплавка.

Кратковременно — да, на пониженной скорости (до 20 м/мин). Постоянная эксплуатация запрещена из-за ударных нагрузок.

320–390 НВ для 5М–6М, не менее 300 НВ для 3М–4М по ГОСТ 28648-90. Выше 390 НВ — риск хрупкого разрушения.

Обточка без наплавки уменьшает диаметр, изменяет передаточное отношение, перегружает привод и снимает закаленный слой. Наплавка восстанавливает диаметр и твердость.

Св-08Г2С — режимы 1М–4М. Св-10НМА — режимы 5М–6М. Св-12Х5МФ, ПГ-СР4 — абразивная среда (угольные ТЭЦ, рудники).

2–5 дней на одно колесо. Термообработка — до 8 часов, обточка — до 4 часов.

1М–2М: осмотр 1 раз/мес, замеры 1 раз/полгода.
3М–4М: осмотр 1 раз/мес, замеры 1 раз/квартал.
5М–6М: осмотр еженедельно, замеры 1 раз/квартал.

Нет. Бандаж теряет несущую способность, скрытые повреждения ступицы. Замена.

70–85% от нового. Два цикла наплавки увеличивают общий срок службы в 1,6–1,8 раза.

• ГОСТ 28648-90. Колеса крановые. Технические условия.
• ОСТ 24.191.02-82. Колеса крановые. Технология наплавки. Технические требования.
• РД 10-112-2-87. Правила устройства и безопасной эксплуатации грузоподъемных кранов.
• ГОСТ 25835-83. Краны грузоподъемные. Классификация механизмов по группам режимов работы.