автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему: Повышение эффективности восстановления колесных пар подвижного состава

Автореферат диссертации по теме "Повышение эффективности восстановления колесных пар подвижного состава"

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

РЫБИК Вадим Александрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Специальность 05.22.07 — «Подвижной состав железных дорог и тяга поездов»

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

'' ' Работа выполнена па кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения. 11 • ' •

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор И. И. ГАЛИЕВ.

кандидат технических наук, доцент .. ,. . ;

доктор . технических наук, профессор

кандидат технических наук, доцент В. А. ГАВРИЛОВ.

Западно-Сибирская железная дорога.

Защита состоится 27 шопя 2000 года в 9 час. на заседании диссертационного совета Д И4.06.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 26 мая 2000 года.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета Д 114.06.01 при Омском государственном университете путей сообщения.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки

Российской Федерации В. К. ОКИШЕВ.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Эксплуатационная долговечность и надежность солесной пары в целом в большинстве случаев определяется состоянием поверхности катания колеса, от которого напрямую зависит безопасность движения подвижного состава.

Интенсивность износа по профилю обода колесных пар за последнее 5ремя существенно возросла. К основным причинам можно отнести: сужение солеи; переход на рельсы тяжелого типа (Р65); увеличение твердости рельсов в 1,5 раза по сравнению с твердостью колес; снижение требований по величине перекоса пути в 2,5 раза и по максимально допустимым просадкам рельсовых яитей в 3 раза. Как следствие - в локомотивных и вагонных депо резко возрос-по количество обточек колесных пар при ремонте.

Исследованиям износа колесных пар и способов повышения долговечности бандажей посвящены работы отечественных ученых: С. М. Андриевского, С. В. Алехина, А. Т. Головатого, А. В. Горского, К. И. Домбровского, В. Н. Иванова, И. П. Исаева, В. А. Кислика, С. М. Куценко, А. П. Костюка, Т. В. Ларина, М. М. Машнева, Н. Ф. Медведева, В. И. Наумова и др.

Анализ данных ремонтных депо и заводов показывает, что объем работ по механической обработке колес не уменьшился. Основными причинами роста частости обточек колесных пар являются:

наличие термомеханических повреждений на поверхности обода, ползунов, выщербин, наваров и др., что снижает производительность обработки и вызывает отказ режущего инструмента по излому и сколам твердосплавных пластин;

увеличение количества колесных пар с изношенными гребнями. Это привело к росту припуска на обработку при восстановлении профиля обода, На каждые 1 мм бокового износа гребня требуется снять металл по толщине обода на глубину около 1,75 мм, а при увеличении угла наклона гребня к основанию с 60 до70°-на2,75 мм;

внедрение различных методов упрочнения поверхности обода, а в перспективе -повышение твердости обода с 260 до 400 НВ. Соответственно трудоемкость обработки таких колес возрастет в 2-3 раза, а расход твердого сплава -в 1,5-2 раза.

Срок службы колесной пары при прочих равных условиях во многом зависит от формы профиля поверхности катания. Поэтому периодическое восстановление профиля катания колесной пары, устранение дефектов обусловлены не только экономическими требованиями, но и требованиями безопасности грузопассажирских перевозок. Восстановление колесных пар производится с применением инструмента, оснащенного твердым сплавом. За последние два года стоимость твердого сплава возросла в три раза и имеет тенденцию к дальнейшему росту. Цена пластины круглой формы ИРЦХ по прейскуранту фирмы "БапсМк СоготапГ находится, в зависимости от ее исполнения, на уровне 256-

363 шведских крон, что составляет около 35-55 американских долларов за пла стану, что значительно выше стоимости пластин, выпускаемых в России. Е связи с сокращением объемов выпуска пластин в России перспектива их при обретения по мировым ценам становится весьма реальной. Это приведет к существенному росту себестоимости механической обработки колесных пар. По этому поиск путей повышения ресурса режущего инструмента для обработш колес является актуальной научно-технической проблемой.

Цель работы. Снижение затрат на механическую обработку колесных па]: за счет увеличения стойкости и многократного восстановления ресурса твердосплавных пластин режущих инструментов.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи 1) исследование закономерностей повреждаемости пластин в эксплуатации; 2' математическое моделирование процесса обточки колесной пары; 3) выбор метода восстановления изношенных твердосплавных пластин, обеспечивающего повышение их ресурса; 4) определение оптимальных параметров заточки пластин, разработка технологического процесса переточки твердосплавных пластин, исследование возможности упрочнения твердосплавных пластин в условиях депо; 5) оценка экономической эффективности предлагаемых технических решений.

Методы исследования. Для решения указанных задач использовались математическое моделирование технологических процессов обточки колесных пар подвижного состава на основе метода планирования эксперимента; компьютерное моделирование динамических процессов в системе «станок - колесо -инструмент».

Проведено построение и выполнен анализ двухмерных сечений поверхностей откликов, что позволяет определять период стойкости пластин в зависимости от их геометрических параметров.

Научная новизна диссертационной работы, выносимой на защиту, заключается в следующем: 1) в выборе рациональных режимов обработки колесных пар с дефектами поверхности катания; 2) моделировании оптимальной геометрии режущей части и формы передней поверхности лезвия твердосплавных пластин; 3) разработке технологии многократного восстановления ресурса работоспособности твердосплавных пластин.

Практическое значение работы состоит в том, что на основе выполненных исследований разработаны рекомендации по рациональной эксплуатации сменных режущих пластин сборного твердосплавного инструмента для обточки колесных пар при деповском ремонте. Использование этих рекомендаций е омских ремонтных депо позволило сократить расход дорогостоящего твердогс сплава на обточку колес в 1,5-2 раза.

Определены оптимальная геометрия и форма передней поверхности лезвия сменных твердосплавных пластин для обработки колес с эксплуатационными дефектами профиля обода. Это обеспечило повышение стойкости пс сравнению с новыми пластинами в 2,5-3,0 раза.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на торой международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 1997 г.), на научно-практической конференции, госвященной 160-летию отечественных железных дорог, "Энергосбережение 1а предприятиях Западно-Сибирской железной дороги" (Омск, 1997 г.), на -ретьей межвузовской научно-методической конференции "Актуальные про-шемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 1998 •.), на межвузовской научно-технической конференции, посвященной 160-гетию отечественных железных дорог и 100-летию железнодорожного образо-¡ания в Сибири, "Железнодорожный транспорт Сибири: проблемы и перспективы" (Омск, 1998 г.), на региональной научно-технической конференции, похищенной разработке программ развития железных дорог Сибирского регио-ш, "Транссиб- 99" (Новосибирск, 1999 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опублико-зано в 12 печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти -лав, заключения с выводами, списка использованной литературы (153 наиме-ювания) и приложений. Текст диссертации изложен на 166 страницах, содержит 55 рисунков и 18 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава первая содержит анализ изнашивания поверхности обода колесных тар. Рассмотрены основные причины повреждений поверхности катания колес з эксплуатации. Подробно освещен механизм образования и развития отдельных дефектов поверхности обода.

Снижение интенсивности износа профиля катания колеса достигается не только изменением химического состава и термической обработкой, но и в процессе обточки за счет оптимизации геометрии и состояния поверхностного :лоя (шероховатость, степень наклепа, твердость, точность размеров).

Технологическое обеспечение повышения ресурса колеса достигается изменением конструктивных параметров (совершенствование профиля поверхности катания колеса и рельса, изменение конструкции тележки); эксплуатационными мерами (применение гребне- и рельсосмазывателей, содержание пути в исправном состоянии, своевременная замена колесных пар и др.); технологическими средствами (путем выбора способов и технологических параметров изготовления и упрочнения, обеспечивающих требуемые механические свойства поверхности катания); разработкой методических рекомендаций по режимам обработки, использованием высокопроизводительного режущего инструмента.

Технология ремонта и восстановления рабочих поверхностей деталей подвижного состава должна обеспечивать надежную работу колесной пары при эксплуатации (отсутствие нежелательных структур на поверхности катания, на гребне и в толщине металла обода); упрочненную поверхность с механически-

ми характеристиками, с высокой износостойкостью, с достаточной сопротив ляемостью ударным и циклическим нагрузкам; оптимальное соотношение ме жду подрезом и прокатом при эксплуатации колесных пар.

При существующей технологии обтачивания срок службы колесной парь сокращается, так как при обработке в среднем с каждого колеса снимают I стружку слой полезного металла из-за наличия на поверхности катания твер дых (400-700 НВ) трудно обрабатываемых дефектов термомеханического про исхождения (ползунов, наваров и др.). Кроме того, имеют место уменьшенш производительности обработки и повышение расхода инструмента вследствш роста случаев термомеханических повреждений обода, а также из-за повыше' ния прочностных характеристик материала колеса.

Основным затратным звеном механической обработки профиля обод; является инструмент. Состояние инструмента оказывает прямое воздействие ш состояние поверхности катания колесной пары после обточки.

Задачи конструкторско-технологического обеспечения процесса восста новления профиля катания колесных пар подвижного состава можно решит[ следующими способами:

выбором метода обработки максимальной производительности при ми нимальных затратах;

повышением надежности и долговечности инструмента;

модернизацией колесотокарных станков. Другим важным направлением совершенствования технологии обточю колесных пар является улучшение обрабатываемости резанием. В некоторы> колесных цехах применяются следующие пути улучшения обрабатываемости: изменение структуры металла термической обработкой (индукционньн отжиг);

резание металла в нагретом состоянии (плазменно-механическая обра

Высокая стоимость оборудования и сложность реализации ограничивают повсеместное использование этих методов, поэтому проблема повышенной расхода твердого сплава на обточку колес с дефектами поверхности катанш очень актуальна.

Вторая глава посвящена оценке эффективности использования твердосплавного инструмента на ремонтных предприятиях МПС при существующе! технологии механической обработки колесных пар.

Эффективность использования твердого сплава в депо определяется установленной стойкостью и ресурсом пластин. Опыт обточки поверхности ката ния колесных пар показал, что надежность режущей части инструмента опре деляется способностью рабочих поверхностей лезвия сопротивляться изнаши ванию, а режущей кромки — затуплению и выкрашиванию при заданных режимах точения.

За критерий затупления выбрана линейная величина износа по задней по-

зерхности лезвия. Этот критерий обеспечивает простоту измерения площади взноса и не требует больших затрат времени на изучение процессов изнашивания инструмента.

При работе на колесогокарных станках смена режущего инструмента происходит обычно из-за невозможности осуществить процесс резания вследствие предельного затупления лезвия. Это приводит к значительному увеличению сил резания, вибраций, тепловыделения и, как следствие, к увеличению лероховатости, нарушению требований к точности профиля катания колесной пары.

Рациональное использование твердого сплава предполагает замену инст-зумента по экономическим соображениям, т.е. при достижении износа оптимальной величины, которая соответствует заданным производительности и качеству обработки, максимальному ресурсу инструмента.

Выявлена стойкая причинно-следственная связь между условиями экс--щуатации колесной пары, возникающими дефектами эксплуатации обода и стойкостью инструмента. Составлена карта обрабатываемости колесной стали, которая позволяет оценить влияние большинства факторов на стойкость и ресурс инструмента в процессе обточки колесной пары.

Перспективным и доступным для ремонтных депо методом снижения расхода твердого сплава, не требующим больших материальных и трудовых за-грат, является восстановление режущих способностей твердосплавных пластин >а счет их многократной переточки. Кроме того, при переточке появляется возможность обеспечить оптимальную для конкретных условий производства геометрию лезвия инструмента, что дополнительно увеличивает ресурс пластин.

Результаты обследования 3000 изношенных пластин после обточки хо-песных пар в четырех депо Омского отделения Западно-Сибирской железной пороги показали, что при величине стачивания по передней поверхности 0,7 -0,9 мм можно восстановить до 80 % всех использованных пластин. Ограничение по износу рабочих поверхностей твердосплавных пластин около 0,9 мм обусловлено значительным ростом затрат на переточку (повышенный расход алмазного инструмента).

Третья глава посвящена определению возможности восстановления режущей способности неперетачиваемых твердосплавных пластин алмазной заточкой и доводкой.

Механическая обработка поверхности катания колесных пар резанием представляет собой комплекс взаимосвязанных процессов: стружкообразова-ния, трения, износа режущего инструмента, теплообразования, а также динамического воздействия на резец дефектов, находящихся на обрабатываемой поверхности катания колесной пары. Наличие на колесной паре дефектов эксплуатации определяет особенности процесса ее механической обработки. Зарождение и развитие трещин в твердом сплаве, образование сколов в процессе эксплуатации приводят к повышенному износу или разрушению пластин.

Анализ динамической системы «резец - колесо» в момент прохождение резца по дефекту показал, что вследствие относительных колебаний, вызван ных дефектом при резании и смещении режущего инструмента относителык колеса по нормали к обрабатываемой поверхности, происходит изменение глу бины резания. При этом соответственно изменяются толщина среза, скорост] скольжения стружки по передней поверхности, коэффициент усадки стружи (изменение твердости металла колеса), передний у и задний а углы резания Исследованиями установлено, что в случае изменения толщины среза происхо дит, с некоторым запаздыванием, изменение силы резания, которая может быт; представлена в виде экспоненциального закона с постоянной времени струж кообразования:

где Р — сила резания на бездефектном участке поверхности катания; (- ¡о - продолжительность резания по времени; а - коэффициент, учитывающий условия резания.

После встречи с дефектом, имеющим твердость до 700 НВ, в три раз; выше твердости основного металла, режущий инструмент испытывает удар ка; при входе в дефектную зону, так и при выходе из нее. При этом резец нагружа ется не мгновенно, а в течение некоторого интервала времени, а сила резани; достигает установившегося значения за малый промежуток времени.

Исходя из вышесказанного было рассмотрено поведение систем1 «резец - колесо» при точении, учитывающее нелинейную зависимость силы ре зания от скорости и предположение, что колебательная система имеет две сте пени свободы по координате х и вращение ср (рис. 1).

Рис. 1. Схема динамического взаимодействия колеса и резца: со - углова скорость вращения колесной пары; (3 - коэффициент демпфирования; с - кс эффициент жесткости; т - масса; Р - удельная сила резания; Р, - касательна сила резания; Р„ - нормальная сила резания

Математическая модель обточки колесной пары представляет собой не-яинейную систему дифференциальных уравнений «жесткого» типа:

—=Мвр(1)-Р(фша; тх + + сх = Р^соэ а;

где Мвр - момент вращения; 7?, -индуктивность, сопротивление якоря электродвигателя; /3- угловая скорость вращения колесной пары; /?- коэффициент демпфирования; с - коэффициент жесткости; т - масса.

Численное интегрирование таких уравнений представляет определенные математические трудности, связанные с шагом интегрирования, который должен быть в 5-10 раз меньше минимальной постоянной системы «станок - колесная пара - резец».

Для преодоления указанных сложностей необходимо предварительно математически преобразовать систему уравнений (2). Второе уравнение этой системы не связано с двумя другими:

Введем безразмерные переменные:

тогда система уравнений (3) перепишется в виде:

-первая механическая постоянная времени;

вт0Рая электРическая постоянная времени;

ЕслиТ2«Т1,то, принимая Т. = Ть найдем

Следовательно, система (5) представится так:

Согласно терминологии академика Тихонова А. Н. такая форма представления называется нормализованной. Принимая Т. - Ть выделяем из всегс спектра решения «медленную» составляющую:

где /и = —((1 — малый параметр.

Согласно условиям теоремы Тихонова А. Н. можно принять равным нулю малый параметр, т.е. р. = 0:

откуда 1 = 1 — ео, ^- = 1

с1, следовательно, имеем дифференциальное сЬ

уравнение для «медленной» переменной.

Возвращаясь к размерным (исходным) переменным, получим вместо системы (2):

тх + Рх + сх - Р(1)со$ а; ЯяГ + С,Ф0С1=и№,

После несложных преобразований получим:

м„р = СМФ0 да ке 0 ,

где Се, См - электрическая и механическая постоянная электродвигателя. Система уравнений (8) примет вид:

тх + рх + сх = Р(1) соэ а.

Система (11) значительно проще исходной (2), так как не содержит «быстрых» составляющих и может быть проинтегрирована с большим шагом, т. е. затраты «машинного» времени резко снижаются.

После решения данной системы уравнений численным способом при помощи ЭВМ были получены зависимости перемещения х колесной пары от времени (рис. 2).

Рис. 2. Изменение координаты х в зависимости от времени

Полученные аналитические зависимости и результаты экспериментов были использованы при расчете прочностных характеристик пластины формы ЯР УХ ЗОЮ МО имеющей следующими геометрическими параметрами а = 8°, р = 82°, у = 0°. Выполненный расчет хрупкой прочности режущей части инструмента при точении обода колесной пары, имеющего дефекты, позволил дать рекомендации по точению таких колес. Расчет хрупкой прочности режущей части пластин производился для резцов формы КРиХ ЗОЮ МО, предназначенных для обточки колесных пар по допустимым напряжениям и допустимой прочности, которым соответствуют допустимые толщина среза и допустимая с точки зрения прочности форма режущей части. Расчет напряжений в контактной зоне производился по распределенной силовой нагрузке.

По результатам вычислений была построена зависимость максимальных напряжений в режущем клине пластины формы РГШХ ЗОЮ МО от твердости металла поверхности катания колесной пары при наличии дефектов эксплуатации (рис. 31

200 ZOO 400 500 -ю'МПь 700

Рис. 3. Зависимость внутренних напряжений инструмента от твердости поверхности катания колеса

Проведенные расчеты и исследования позволяют сделать следующие выводы.

1, В момент ударного воздействия на резец (врезание в дефект, выход и: дефектной зоны) возрастающие силы резания стремятся отжать резец от коле са. Однако отжатия не происходиг вследствие жесткости копировального уст ройства. Энергию удара поглощает твердосплавный резец, обладающий высо кой твердостью, но вместе с тем и высокой хрупкостью.

2. При точении колесных пар с дефектами на поверхности катания (нали чие твердых участков, ползунов, выщербин) для уменьшения напряжений раз рушения в теле твердосплавной пластины формы PRUX ЗОЮ МО, и сохране ния ее работоспособности (хрупкое разрушение) необходимо уменьшить пода чу инструмента до 1 мм/об. Возникающие при этом напряжения не превышаю'

предела прочности материала пластины.

3. Точение колесной пары с дефектами на поверхности катания, твердость которых доходит до 400 НВ, возможно при обычных режимах обработки.

Проведены экспериментальные исследования зависимости периода стойкости твердосплавных пластин от различных возмущающих внешних воздействий процесса обточки колесных пар и получена аналитическая зависимость стойкости инструмента от основных параметров процесса обточки колесных пар на основе метода планирования эксперимента.

Определены коэффициенты уравнения регрессии и дана оценка их значимости. Для проведения эксперимента выбран центральный композиционный план второго порядка. По данным опытов получена математическая модель, характеризующая зависимость периода стойкости пластин от исследуемых факторов процесса. Эта модель представлена полиномом вида:

Уравнение регрессии можно использовать для поиска оптимальных условий ведения процесса, а также как интерполяционную формулу для предсказания значений у в области эксперимента. Полученные зависимости позволяют определить значения геометрических параметров, необходимые для достижения требуемого периода стойкости пластин.

В результате стойкостных испытаний при обточке колесных пар было обращено внимание на механизм износа передней поверхности инструмента. После обточки пяти-восьми колес за отрицательной фаской вырабатывается лунка глубиной 0,03-0,06 мм. На поверхности фаски сохраняются риски от шлифовального круга, что свидетельствует об отсутствии изнашивания. По мере углубления лунки начинается истирание рисок на отрицательной фаске. Вид износа поверхностей лезвия абразивный с очень низкой шероховатостью Яа = 0,32 мкм, что свидетельствует о высокой степени интенсивности процесса изнашивания. Из этого вытекает необходимость проведения мероприятий по увеличению износостойкости рабочих поверхностей инструмента при обточке колесных пар.

Для повышения износостойкости рабочих поверхностей применяются различные способы (термомеханическая обработка, насыщение поверхностей лезвия ионами различных металлов, нанесение износостойких покрытий, введение в зону резания смазочно-охлаждающих жидкостей и т.п.). Традиционно идет борьба за сохранение исходной формы изнашивающейся части инструмента, хотя эта форма не всегда оказывается рациональной с точки зрения естественных процессов, минимизирующих износ.

Принято, что устойчивой бывает лишь та форма изнашивающейся поверхности контакта, которая соответствует минимуму энергетических затрат при установившемся процессе изнашивания. Были произведены расчеты, позволяющие определить форму передней поверхности твердосплавной пласти-

ны, которая соответствует минимуму энергетических затрат при движении в кинематической паре «стружка - инструмент».

Образование устойчивой формы естественного износа приводит не только к уменьшению скорости или интенсивности изнашивания, но и к снижению энергетических затрат на трение при обработке металлов резанием. Сила резания, действующая на резец (рис. 4), определялась из выражения:

Р = дсозу + Адьту + /