CC BY
5
ISSN1560-3644 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2023. № 3
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Научная статья УДК 621.923
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-3-28-37
Исследование влияния компонентов абразивного инструмента на его эксплуатационные свойства при скоростном шлифовании рельсов
А.С. Ильиных1, В.К. Милорадович2, М.С. Галай1
'Сибирский государственный университет путей сообщений, г. Новосибирск, Россия, 2Центр инфраструктурных технологий АО «СТМ», г. Москва, Россия
Аннотация. Представлены результаты исследования рецептур абразивного инструмента для скоростного шлифования на специальной экспериментальной рельсошлифовальной установке (УРШ), которая полностью имитирует работу нового рельсошлифовального поезда. По результатам исследований на УРШ определены стойкость и коэффициент шлифования опытных партий шлифовальных кругов при скоростном шлифовании, а также даны рекомендации по дальнейшему совершенствованию рецептуры абразивного инструмента для скоростного шлифования рельсов.
Ключевые слова: абразивный инструмент, скоростной шлифовальный круг, шлифование рельсов, абразивная обработка, железнодорожный путь
Благодарность: результаты исследований, представленные в статье, получены с использованием мер государственной поддержки на развитие кооперации российских образовательных организаций высшего образования, государственных научных учреждений и организаций реального сектора экономики, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренных постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. N° 218 по теме «Высокопроизводительная технология скоростного шлифования рельсов и оборудование для её реализации на основе интеллектуальных цифровых модулей», соглашение № 075-11-2022-014 от 08 апреля 2022 г.
Для цитирования: Ильиных А.С., Милорадович В.К., Галай М.С. Исследование влияния компонентов абразивного инструмента на его эксплуатационные свойства при скоростном шлифовании рельсов // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2023. № 3. С. 28-37. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2023-3-28-37
Original article
Study of influence of abrasive tool components on operational properties for high-speed rail grinding
A.S. Ilinykh1, V.K. Miloradovich2, M.S. Galay1
1 Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia, 2Center for Infrastructure Technologies of STM, Moscow, Russia
Abstract. The article presents the results of a study of abrasive tool formulations for high-speed grinding on a special experimental rail grinding unit (RGU), which completely imitates the operation of a new rail grinding train. Based on the results of research the durability and grinding coefficient of experimental batches of grinding wheels for highspeed grinding were determined and recommendations were given for further improvement of the formulation of abrasive tools for high-speed grinding of rails.
Keywords: abrasive tool, high-speed grinding wheel, rail grinding, abrasive processing, railway track
© Ильиных А.С., Милорадович В.К., Галай М.С., 2023
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Acknowledgements: the results of the research presented in the article were obtained using state support measures for the development of cooperation between Russian educational institutions of higher education, state scientific institutions and organizations in the real sector of the economy implementing complex projects to create high-tech production, provided for by the decree of the Government of the Russian Federation dated April 9, 2010 No. 218 on the topic "High-performance technology for high-speed grinding of rails and equipment for its implementation based on intelligent digital modules", agreement No. 075-11-2022-014 dated April 08, 2022.
For citation: Ilinykh A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Study of influence of abrasive tool components on operational properties for high-speed rail grinding. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2023;(3):28-37. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.17213/1560-3644-2023-3-28-37
Введение
Шлифование рельсов применяется на российских железных дорогах с конца XX в. Обработка рельсов осуществляется с помощью рель-сошлифовальных поездов типа РШП-48, в основу работы которого положена технология швейцарской фирмы Брепо [1]. Работа РШП-48 основана на методе плоского шлифования торцом абразивного круга (рис. 1, а). Данная технология зарекомендовала себя как единственная, позволяющая продлить жизненный цикл рельса [2, 3] за счет устранения таких дефектов как волнообразные износы, механические повреждения, смятия и отслоения металла на головке рельса. Также периодическое шлифование поверхности головки рельса позволяет обеспечить наилучшее взаимодействие колеса с рельсом и равномерно распределить внутренние напряжения по поверхности рельса за счет формирования требуемого поперечного профиля [4]. Формирование профиля рельса достигается путем съема металла шлифовальными кругами, расположенными под различными углами относительно вертикальной оси рельса (рис. 1, б).
Работа РШП-48 ограничивается следующими режимами шлифования: рабочая скорость поезда от 4 до 8 км/ч, частота вращения шлифовального круга 3600 мин"1. В зависимости от усилия прижатия шлифовального круга к рельсу, достигается средний съем металла от 0,05 до 0,3 мм за проход [1].
Низкая производительность - ключевой недостаток существующих рельсошлифоваль-ных поездов, который требует в организации работ выделения технологических окон. Рабочая скорость РШП-48 не позволяет производить шлифование в рамках расписания движения пассажирских и грузовых составов, что приводит к необходимости закрытия для движения целых перегонов. Как следствие, возникают большие финансовые затраты, вызванные уменьшением пропускных способностей участков железнодо-
рожного пути [5]. Таким образом, вопрос повышения производительности рельсошлифоваль-ных поездов является крайне актуальным для путевого хозяйства железнодорожной отрасли.
б
Рис. 1. Схема шлифования рельсов рельсошлифо-вальным поездом: а - схема плоского шлифования рельсов торцом круга; б - поперечный наклон шлифовальных головок при обработке профиля рельсов. Fig. 1. Scheme of grinding rails by rail grinding train: a - scheme of flat grinding rails with the end of circle; б - inclination of grinding heads when processing profile of rails
Начиная с 2021 г., в связи с техническим состоянием существующих рельсошлифоваль-ных поездов, началось выбытие машин из эксплуатации. По состоянию на конец 2022 г. на сети железных дорог работает 14 поездов РШП-48 из 21 выпущенных в России. Оставшийся парк рельсошлифовальных поездов из-за низкой производительности не обеспечивает потребности железных дорог в шлифовании рельсов. С учетом изложенного Калужским заводом «Ремпутьмаш» в 2021 г. принято решение о создании принципиально нового рельсо-шлифовального поезда РШП 2.0.
а
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
В основу работы нового РШП 2.0 положена технология скоростного шлифования рельсов, которая была разработана в СГУПС и прошла предварительную промышленную апробацию [6].
Для реализации новой технологии, помимо изменения конструкции рабочего оборудования рельсошлифовального поезда, требуется соответствующая технологическая подготовка производства, включая разработку нового абразивного инструмента.
Постановка задач исследований
Технология скоростного шлифования рельсов разработана с учетом теории резания при абразивной обработке [7, 8], в соответствии с которой увеличение рабочей скорости рельсо-шлифовального поезда невозможно без пропорционального увеличения частоты вращения шлифовального круга. В противном случае повышение подачи может привести к значительному ухудшению параметров качества обработанной поверхности и уменьшению съема металла. Также возможен повышенный износ абразивного инструмента из-за нарушения оптимальных режимов его работы. В соответствии с изложенным, технология скоростного шлифования рельсов предполагает увеличение рабочей скорости рельсошлифовального поезда до 15 - 30 км/ч за счет повышения частоты вращения шлифовального круга соответственно до 5000 - 7000 мин-1.
Ключевым аспектом реализации новой технологии является обеспечение эффективной работы абразивного инструмента, которая определяется режимами шлифования, а также составом и рецептурой шлифовальных кругов [9, 10].
На рельсошлифовальных поездах используются абразивные круги формы ПП, из циркониевого электрокорунда на бакелитовой связке. Конструкция шлифовального круга представлена на рис. 2, а. На сегодняшний день единственным производителем абразивных кругов для шлифования рельсов является экспериментальный завод «Металлист-Ремпутьмаш». Рель-сошлифовальные круги изготавливаются на автоматизированной производственной линии методом холодного формования при одинаковом усилии прессования и дальнейшего спекания в печи.
Для будущего оснащения новых рельсо-шлифовальных поездов РШП 2.0 скоростными шлифовальными кругами, рассчитанными для работы на скоростях до 100 м/с, требуется опре-
деление оптимальной рецептуры нового абразивного инструмента для соответствующей перенастройки параметров производственной линии выпуска рельсошлифовальных кругов. С этой целью требуется проведение исследований по определению оптимальной рецептуры абразивного инструмента для скоростного шлифования рельсов.
250+0.5
б
Рис. 2. Высокоскоростной шлифовальный круг: а - конструкция рельсошлифовального круга: 1 - абразивный материал круга (место установки в планшайбу); 2 - ровинг; 3 - абразивный материал круга (рабочий); б - общий вид скоростного шлифовального круга
Fig. 2. High speed grinding wheel: a - the design of rail grinding wheel: 1 - abrasive material of circle (place of installation in faceplate); 2 - roving; 3 - abrasive material of circle (working); б - General view of high-speed grinding wheel
На начальном этапе за основу опытных партий скоростных шлифовальных кругов принята рецептура абразивного инструмента, производимого сегодня для работы РШП-48 в соответствии с утвержденными техническими условиями. В рецептуру опытных партий добавлена вариативность компонентов. Для увеличения адгезии, и соответственно прочностных свойств, перед формованием абразивную массу со связкой нагревали до температуры 40 °С. При данных условиях было изготовлено 10 опытных партий скоростных шлифовальных кругов различной рецептуры (см. рис. 2, б).
2
а
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Целью проводимых исследований являлась оценка возможности использования базовой рецептуры штатных шлифовальных кругов для производства скоростного абразивного инструмента на основе установленных целевых показателей:
- прочность высокоскоростных шлифовальных кругов должна обеспечивать их работу на скоростях до 100 м/с;
- коэффициент шлифования не менее 10;
- стойкость шлифовального круга не менее 6 часов.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Оценка опытных партий шлифовальных кругов по прочности на разрыв.
2. Определение стойкости и коэффициента шлифования опытных партий шлифовальных кругов.
3. Анализ влияния компонентов абразивного инструмента на его эксплуатационные свойства.
4. Выработка рекомендаций по дальнейшему совершенствованию состава и рецептуры скоростного абразивного инструмента на основе оценки эффективности работы опытных партий шлифовальных кругов.
Методика исследований
Для выполнения поставленных задач по исследованию технологии скоростного шлифования рельсов разработана и изготовлена специальная рельсошлифовальная установка (УРШ). Она состоит из отдельного участка пути длиной 100 м, стандартной колеи 1520 мм (рис. 3, а), на котором перемещается рельсошлифовальная тележка (рис. 3, б). Тележка приводится в движение при помощи привода лебедочного типа, содержащего двигатель, передачу (муфта, тормоз, редуктор одноступенчатый) и барабана с однослойной навивкой. Работа УРШ в режиме испытаний - автоматическая, контролируется системой управления и управляется с персонального компьютера. Для шлифования используются стандартные рельсы, которые устанавливаются по оси пути. Рельсошлифо-вальная тележка состоит из основной рамы, рамы поперечного смещения, рамы поперечного наклона. На основной раме расположена мобильная компрессорная станция для питания пневмоцилиндра прижатия шлифовального круга к рабочему рельсу.
На шлифовальной тележке реализована система управления шлифовальной головкой как на рельсошлифовальном поезде. Рама поперечного наклона с установленным на ней механизмом позволяет обеспечить возможность наклона шлифовальной головки (рис. 3, в) в пределах от +70° до -20° в соответствии со схемой (см. рис. 1, б).
в
Рис. 3. Общий вид УРШ: а - участок пути; б - рельсошлифовальная тележка; в - шлифовальная люлька с установленной шлифовальной головкой и возможностью её поперечного наклона. Fig. 3. General view of RGI: a - section of railway; б - rail grinding cart; в - grinding cradle with mounted grinding head and possibility of transverse tilt
В качестве привода шлифовального круга использовался штатный электродвигатель РШП-48, модернизированный для возможности реализации частоты вращения вала до 7000 мин-1 при сохранении момента на валу электродвигателя. В ходе модернизации произведена замена подшипников качения с марки 7213 (номинальная частота вращения 4000 мин-1) на марку SKF 7213 BECBM (номинальная частота вращения 6700 мин-1). Также изменена схема подключения обмоток статора с Y (440 В, 60 Гц) на Д (380 В, 50 Гц). Управление электродвигателем осуществлялось частотным преобразователем. Фактические, расчетные технические характеристики модернизированных шлифовальных электродвигателей представлены в табл. 1.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Таблица 1. Технические характеристики модернизированных электродвигателей Table 1. Technical characteristics of modernized electric motors
Схема подключения Режим Частота тока, Гц Напряжение, В Ток, А Частота вращения, мин-1 Момент на валу, Нм Мощность, кВт
А Холостой ход 85 254 24 5100 0 0
Номинальный режим 85 254 50 5029 49,8 26,2
Увеличение момента в 1,15 раза от номинального 85 254 56 5019 57,3 30,1
Увеличение момента в 1,5 раза от номинального 85 254 66 4994 74,7 39,1
Увеличение момента в 1,63 раза от номинального 85 254 70 4985 81,2 42,4
Увеличение момента в 2 раза от номинального 85 254 80 4958 99,6 51,7
Прижатие шлифовального круга к обрабатываемой поверхности рельса осуществляется на основе разности давлений в штоковой и поршневой полостях пневмоцилиндра. Регулировка давлений в полостях пневмоцилиндра осуществляется пропорциональным регулятором давления на основе данных о токовой нагрузке в обмотках шлифовального электродвигателя.
В соответствии с ранее установленными характеристиками технологического процесса скоростного шлифования рельсов УРШ имеет следующие технические характеристики:
- диапазон изменения частоты вращения шлифовального круга от 3600 до 7000 мин"1;
- диапазон изменения скорости перемещения тележки от 4 до 30 км/ч;
- диапазон изменения угла наклона шлифовального электродвигателя от плюс 20 до минус 60° от вертикали;
- угол атаки шлифовального круга составляет 0,35° и обеспечивается с раскрытием навстречу рабочего движения тележки;
- диапазон изменения усилия прижатия шлифовального круга к рельсу от 0 до 5 кН без учета массы шлифовального электродвигателя.
Испытания опытных партий шлифовальных кругов проводились на номинальных токовых Таблица 2. Характеристики опытных партий скоростных шлифовальных кругов Table 2. Characteristics of experimental batches of high-speed grinding wheels
нагрузках электродвигателя 50 - 55 А, при этом создавалось усилие прижатия шлифовального круга к рельсу 2500 - 2800 Н. Выбор значений из указанных диапазонов осуществлялся на основе предполагаемой ширины дорожки шлифования в зависимости от обрабатываемого участка профиля рельса (см. рис 1, б). Чем поперечный угол наклона шлифовального электродвигателя больше, тем в зоне контакта шлифовального круга с рельсом формируется дорожка шлифования меньшей ширины. В связи с этим, для обеспечения равномерной удельной нагрузки на единичное абразивное зерно шлифовального круга, усилие прижатия шлифовального круга к рельсу по токовой нагрузке электродвигателя назначалось следующим образом: для углов наклона от -60 до -36° - 51 А; от -35 до -6° - 53 А и для углов наклона от -5 до +20° - 55 А.
В исследованиях использовалось 10 партий высокоскоростных шлифовальных кругов, изготовленных по различной рецептуре. Абразивный материал рабочей части шлифовальных кругов всех партий - циркониевый электрокорунд; связка - бакелитовая. Характеристики рецептур опытных партий скоростных шлифовальных кругов представлены в табл. 2.
Наименование Содержание компонентов в опытных партиях, %
компонентов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Фурфурол 1,5 1,4 1,6 1,5 1,55 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5
Связующие типа СФП* 9,5 9,5 9,65 9,5 9,5 9,5 9,55 9,5 9,5 9,5
Пириты 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15 6,15
Криолит 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1
Оксид кальция 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6 0,6
Неонол 0,4 0,4 0,45 0,45 0,5 0,35 0,5 0,45 0,4 0,4
Электрокорунды 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5 78,5
Бакелит жидкий 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026 0,026
Нить из стекловолокна 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415 0,0415
* Связующее фенольное порошкообразное (СФП) представляет собой механическую смесь твердой новолачной смолы и отвердителя уротропина в виде тонко измельченного порошка.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Из каждой партии в случайном порядке выбиралось три круга. Всего 30 кругов по 3 круга одной рецептуры. Режимы шлифования назначались в соответствии с утвержденной программой и методикой исследований.
По результатам испытаний и измерений производились расчеты коэффициента шлифования, который определялся по формуле
^ш =
V
' м Va
(1)
где Ум - объем удаленного металла с рельса при шлифовании, мм3,
Vm -1 • B • S,
(2)
где г - съем металла, мм; В - ширина дрожки шлифования, мм; Б - длина отшлифованного участка, мм. Съем металла г и ширина дорожки шлифования В определялись путём измерения. Длина отшлифованного участка Б на всех испытательных проходах была одинакова и составляла 86 м; Уа - объемный расход абразивного материала шлифовальных кругов, мм3;
Va = (пЯ2 - nr2 )i,
(3)
где Я, г - наружный (250 мм) и внутренний (150 мм) радиус шлифовального круга соответственно (см. рис. 2); г - суммарный износ шлифовальных кругов из одной партии, мм (определялся посредством измерения до и после шлифования).
Оценка стойкости шлифовального круга производилась на основе приведенного показателя по результатам выполнения шести рабочих проходов шлифовальными кругами одной партии на соответствующих скоростях. Период стойкости шлифовального круга определялся по формуле
T = H,
(4)
где гр - суммарное время работы шлифовальных кругов из одной партии, ч; Н - высота рабочей части шлифовального круга, мм (принято 50 мм, см. рис. 2).
При проведении исследований использовались следующие средства измерения: контроль частоты вращения шлифовального круга в процессе шлифования производился электронным
тахометром ИТ-5-ЧМ «Термит» и лазерным тахометром «Мегеон 18005»; установка поперечных углов наклона шлифовального электродвигателя и угла атаки шлифовального круга осуществлялась в соответствии с измерениями цифровым, трехосевым акселерометром-инклинометром АЦт 90, усилие прижатия шлифовального круга к рельсу определялось при помощи тензорезисторного датчика М50-0,5-С3; для измерения поперечного профиля головки рельса до и после шлифования и оценки съема металла после механической обработки использовался профилограф рельсовый ПР-03; контроль ширины дорожки шлифования производился штангенциркулем ШЦЦ-Ь300-0,01.
Результаты и их обсуждения
Результаты исследований опытных партий скоростных шлифовальных кругов и расчетов по формулам (1)-(4) представлены в табл. 3.
На основе результатов испытаний установлена функциональная зависимость ширины формируемой дорожки шлифования от угла поперечного наклона шлифовальной головки, представленная на рис. 4. Из графика видно, что ширина дорожки шлифования может составлять от 2 до 11 мм в зависимости от геометрии поперечного профиля рельсов. Полученная зависимость справедлива для конкретных используемых образцов рельсов. При применении других типов рельсов, с отличными поперечными профилями, данная зависимость будет корректироваться, но её общий характер сохранится.
12,00
8,00
Я
&
о ч
я
в
♦ ♦
♦
л ♦ * ♦
■ / ♦
* :У »
0,00
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Угол поперечного наклона шлифовальной головки, град
Рис. 4. Зависимость ширины дорожки шлифования от угла поперечного наклона шлифовальной головки Fig. 4. The dependence of grinding track width of grinding motor inclination transverse angle
t
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Таблица 3. Результаты испытаний скоростных шлифовальных кругов Table 3. Test results of high-speed grinding wheels
№ партии Номер шлифовального круга Угол поперечного наклона шлифовальной головки, град Скорость перемещения шлифовальной тележки, км/ч Частота вращения шлифовального круга, мин"1 Токовая нагрузка в обмотках электродвигателя, А (определяет усилие прижатия шлифовального круга к рельсу) Ширина дорожки шлифования, мм* Съем металла, мм* Объем удаленного металла, мм3 по формуле* Суммарный износ шлифовального круга, мм Объемный износ шлифовального круга, мм3 Коэффициент шлифования Приведенная стойкость шлифовального круга, ч
1 1 -60 15 5000 51 2,48 0,41 87444,80 5,15 161710 3,59 2,50
-45 15 5000 51 2,97 0,37 94505,40
2 -30 20 7000 53 5,54 0,26 123874,40
-15 20 7000 53 7,46 0,20 128312,00
3 0 30 7000 55 8,97 0,19 146569,80
15 30 7000 55 - - -
2 1 -59 15 5000 51 2,47 0,39 82843,80 4,04 126856 2,19 3,19
-44 15 5000 51 3,34 0,25 71810,00
2 -29 20 7000 53 - - -
-14 20 7000 53 7,99 0,18 123685,20
3 1 30 7000 55 - - -
16 30 7000 55 - - -
3 1 -58 15 5000 51 2,81 0,44 106330,40 2,83 88862 8,39 4,56
-43 15 5000 51 3,22 0,35 96922,00
2 -28 20 7000 53 5,21 0,27 120976,20
-13 20 7000 53 6,98 0,21 126058,80
3 2 30 7000 55 9,78 0,19 159805,20
17 30 7000 55 7,52 0,21 135811,20
4 1 -57 15 5000 51 3,31 0,32 91091,20 4,53 142242 4,45 2,85
-42 15 5000 51 3,59 0,28 86447,20
2 -27 20 7000 53 5,92 0,30 152736,00
-12 20 7000 53 10,18 0,18 157586,40
3 3 30 7000 55 - - -
18 30 7000 55 8,01 0,21 144660,60
5 1 -56 15 5000 51 2,82 0,35 84882,00 4,74 148836 5,50 2,72
-41 15 5000 51 3,79 0,38 123857,20
2 -26 20 7000 53 6,21 0,28 149536,80
-11 20 7000 53 8,15 0,20 140180,00
3 4 30 7000 55 10,08 0,18 156038,40
19 30 7000 55 9,05 0,21 163443,00
6 1 -55 15 5000 51 3,45 0,44 130548,00 6,50 204100 3,01 1,98
-40 15 5000 51 4,63 0,35 139363,00
2 -25 20 7000 53 5,46 0,30 140868,00
-10 20 7000 53 - - -
3 5 30 7000 55 - - -
20 30 7000 55 11,25 0,21 203175,00
7 1 -54 15 5000 51 3,21 0,33 91099,80 3,42 107388 7,37 3,77
-39 15 5000 51 6,17 0,27 143267,40
2 -24 20 7000 53 8,43 0,23 166745,40
-9 20 7000 53 9,85 0,19 160949,00
3 6 30 7000 55 10,10 0,17 147662,00
0 30 7000 55 10,53 0,09 81502,20
8 1 -53 15 5000 51 4,10 0,32 112832,00 3,67 115238 4,66 3,51
-38 15 5000 51 4,55 0,24 93912,00
2 -23 20 7000 53 9,68 0,20 166496,00
-8 20 7000 53 9,05 0,21 163443,00
3 7 30 7000 55 - - -
1 30 7000 55 - - -
9 1 -52 15 5000 51 3,85 0,35 115885,00 3,86 121204 4,76 3,34
-37 15 5000 51 4,15 0,34 121346,00
2 -22 20 7000 53 - - -
-7 20 7000 53 9,19 0,21 165971,40
3 8 30 7000 55 10,11 0,20 173892,00
2 30 7000 55 - - -
10 1 -51 15 5000 51 4,22 0,28 101617,60 5,05 158570 5,28 2,55
-36 15 5000 51 6,23 0,25 133945,00
2 -21 20 7000 53 9,85 0,21 177891,00
-6 20 7000 53 9,98 0,18 154490,40
3 9 30 7000 55 10,20 0,19 166668,00
3 30 7000 55 10,81 0,11 102262,60
*Если в таблице указан прочерк, значит на данном проходе произошел разрыв круга
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Ширина дорожки шлифования неотъемлемо связана с величиной съема металла при шлифовании, зависимость которой представлена на рис. 5.
• •
•
•
• •
• • m
•• uV
•
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 Угол нонеречного наклона шлифовальной головки, град
Рис. 5. Зависимость съема металла от угла поперечного наклона шлифовальной головки Fig. 5. Dependence of metal removal of grinding motor inclination transverse angle
Представленная на графике зависимость имеет обратный характер с шириной дорожки шлифования. То есть при максимальных значениях ширины дорожки шлифования характерен минимальный съем металла с рельса и, соответственно, наоборот, максимальная глубина резания характерна для минимальной ширины дорожки шлифования. Полученные зависимости соотносятся с результатами ранее проведенных исследований [11].
Представленные на рис. 4 и 5 зависимости получены при номинальных режимах работы модернизированных шлифовальных электродвигателей. В дальнейших испытаниях, с применением макетных образцов высокоскоростных шлифовальных электродвигателей промышленного производства, для расширения технологических возможностей рельсошлифовального поезда, данные зависимости будут расширены до значений 0,8 и 1,2 от номинальной мощности электродвигателя с соответствующими токовыми нагрузками. Это позволит в более широком диапазоне управлять съемом металла на различных углах наклона шлифовальных головок для обеспечения точности формирования поперечного профиля рельсов.
В комплексе, два указанных параметра (съем металла и ширина дорожки шлифования), которые определяются усилием прижатия шлифовального круга к рельсу, характеризуют эксплуатационные условия работы абразивного инструмента.
По результатам испытаний и расчетам по формулам (1)-(4), определены эксплуатационные параметры (коэффициент шлифования и стойкость) работы опытных партий скоростных шлифовальных кругов. Графически результаты испытаний представлены на рис. 6.
Сопоставление результатов испытаний (рис. 6) с рецептурами опытных партий скоростных шлифовальных кругов (см. табл. 2), показало, что наилучшие результаты по стойкости шлифовальных кругов (4,56 ч) и коэффициенту шлифования (8,39) показала партия № 3. Отличительной особенностью данной партии является повышенное содержание связующих типа СФП (9,65 %) и фурфурола (1,6 %), оказывающего положительное влияние на формирование твердой смолы.
Схожие с партией № 3 значения показателей эффективности работы абразивного инструмента показала партия № 7 (стойкость - 3,77 ч, коэффициент шлифования - 7,37), в которой на повышение эффективности работы по-видимому оказало влияние также повышенное содер-
Рис. 6. Эксплуатационные показатели опытных партий скоростных шлифовальных кругов Fig. 6. Performance indicators of experimental batches of high-speed grinding wheels
Наихудшие результаты по коэффициенту шлифования (2,19) показала партии № 2. В данной партии минимальное содержание фурфурола - 1,4 %.
Наихудшие результаты по стойкости (1,98 ч) показала партии № 6, в которой минимальное содержание неонола - 0,35 %.
Таким образом, на основании проведенных исследований, можно предположить, что процентное содержание фурфурола и неонола оказывает значительное влияние соответственно на коэффициент шлифования и стойкость, по-видимому, вследствие качества получаемой смолы.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
Кроме того, установлены неудовлетворительные прочностные характеристики следующих опытных партий шлифовальных кругов, которые не позволяют выдерживать нагрузки на разрыв при частоте вращения 7000 мин"1: № 1 и № 4 - разрыв одного круга; № 6 - разрыв двух кругов и № 2 - разрыв трех кругов. Также установлено, что ни одна из партий шлифовальных кругов не показала коэффициент шлифования более 10 и стойкость более 6 часов в соответствии с целевыми показателями назначения.
Выводы
Результаты исследований опытных партий скоростных шлифовальных кругов позволяют сделать следующие выводы:
1. Из 10 испытываемых рецептур скоростного абразивного инструмента установлена наилучшая рецептура по стойкости и коэффициенту шлифования, позволяющая производить шлифование рельсов с частотой вращения до 7000 мин"1. Ключевые компоненты рецептуры № 3: 1,6 % фурфурола и 9,65 % связующие типа СФП. Данная рецептура абразивного инструмента, определенная из опытных партий шлифовальных кругов как наиболее эффективная по параметрам прочности, стойкости и коэффициента шлифования, может быть взята за основу для дальнейшей доработки компонентной базы.
2. Разработаны рекомендации по оптимизации рецептуры скоростных шлифовальных кругов:
- с целью повышения эксплуатационных характеристик абразивного инструмента рассмотреть возможность повышения содержание связующих типа СФП в рецептуре высокоскоростных шлифовальных кругов до 10 %;
- для повышения режущей способности абразивного зерна рекомендуется использовать при изготовлении скоростных шлифовальных кругов абразивное зерно из циркониевого электрокорунда марки 38Л/1Л. Так же возможно рассмотреть использование смеси электрокорундов марок 38ШЛ и П4, П6, ^20;
- для повышения стойкости абразивного
инструмента рекомендуется опробовать способ
горячего формования при изготовлении скоростных шлифовальных кругов.
Список источников
1. Funke H. Rail Grinding. Berlin: Transpress, 1986. 153 p.
2. Fan W., Liu Y., Li J. Development status and prospect of rail grinding technology for high speed railway // Journal of Mechanical Engineering. 2018. Vol. 54, iss. 22. P. 184-193. DOI: 10.3901/JME.2018.22.184
3. Schoch W. Grinding of Rails on High-Speed Railway Lines: A Matter of Great Importance // Rail Engineering International. 2007. Vol. 36, iss. 1. P. 6-8.
4. Ding J., Lewis R., Beagles A., Wang J. Application of grinding to reduce rail side wear in straight track // Wear. 2018. Vol. 402-403. P. 71-79 DOI: 10.1016/j.wear.2018.02.001
5. Ilinykh A., Matafonov A., Yurkova E. Efficiency of the production process of grinding rails on the basis of optimizing the periodicity of works //Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. Vol. 2. P. 672 - 681. DOI: 10.1007/978-3-030-37919-3_67
6. Ильиных А. С., Пикетов А. С., Галай М. С., Милорадович В.К. Повышение производительности рельсошлифовальных поездов методом скоростного шлифования // Изв. вузов. Сев.-Кавка. регион. Техн. науки. 2022. № 4 (216). С. 46 - 56. DOI: 10.17213/15603 644202244656
7. Koshin A.A., Chaplygin B.A., Isakov D.V. Adequacy of the operating conditions of abrasive grains // Russian Engineering Research. 2011. Vol. 31, No. 12. P. 1221 - 1226
8. Doman D., Warkentin A., BauerR. A survey of recent grinding wheel topography models // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006. Vol. 46, iss. 3. P. 343-352. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.05.013
9. Ilinykh A.S Design of abrasive tool for high-rate grinding // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science «All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry Devoted to the 85th Anniversary of Academician Mikhail Kurlenya». No-voisibirsk, 2017. Vol. 53. P. 012024. DOI: 10.1088/17551315/53/1/012024
10. Experimental investigation on material removal mechanism during rail grinding at different forward speeds / Zhou К., Ding Н., Wang R., Yang J., Guo J., Liu Q., Wang W. // Tribology International. 2020. Vol. 143. P. 106040. DOI:10.1016/j.triboint.2019.106040
11. Modeling and simulation of the grinding force in rail grinding that considers the swing angle of the grinding stone / Zhou K., Ding H., Zhang S., Guo J., Q. Liu, Wang W. // Tribology International. 2019. Vol. 137. P. 274 - 288. DOI:10.1016/j.triboint.2019.05.012.
References
1. Funke H. Rail Grinding. Berlin: Transpress Publ. 1986. 153 p.
2. Fan W., Liu Y., Li J. Development status and prospect of rail grinding technology for high speed railway. Journal of Mechanical Engineering. 2018; 54(22):184-193. DOI: 10.3901/JME.2018.22.184.
3. Schoch W. Grinding of Rails on High-Speed Railway Lines: A Matter of Great Importance. Rail Engineering International. 2007;36(1):6-8.
4. Ding J., Lewis R., Beagles A., Wang J. Application of grinding to reduce rail side wear in straight track. Wear. 2018;(402-403):71-79. DOI: 10.1016/j.wear.2018.02.001.
5. Ilinykh A., Matafonov A., Yurkova E. Efficiency of the production process of grinding rails on the basis of optimizing the periodicity of works. Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019;(2):672 - 681. DOI: 10.1007/978-3-030-37919-3_67.
ISSN1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2023. No 3
6. Ilinykh A.S. , Pikalov A.S., Galay M.S., Miloradovich V.K. Increasing the performance of rail grinding trains by the method of speed grinding. Izv. vuzov. Sev.-Kavk.region. Techn. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022;4(216):pp. 46 - 56. (In Russ.) D01:10.17213/15603644202244656
7. Koshin A.A., Chaplygin B.A., Isakov D.V. Adequacy of the operating conditions of abrasive grains. Russian Engineering Research. 2011;31(12): 1221-1226
8. Doman D., Warkentin A., Bauer R. A survey of recent grinding wheel topography models. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006;46(3):343 - 352. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.05.013
9. Ilinykh A.S Design of abrasive tool for high-rate grinding. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, All-Russian Conference on Challenges for Development in Mining Science and Mining Industry devoted to the 85th anniversary of Academician Mikhail Kurlenya, Novosibirsk, 3-6 October 2016;(53):012024. DOI: 10.1088/1755-1315/53/1/012024
10.Zhou K., Ding H., Wang R., Yang J., Guo J., Liu Q., Wang W. Experimental investigation on material removal mechanism during rail grinding at different forward speeds. Tribology International. 2020;(143): 106040. D0I:10.1016/j.tri-boint.2019.106040.
11.Zhou K., Ding H., Zhang S., Guo J., Q. Liu, Wang W. Modeling and simulation of the grinding force in rail grinding that considers the swing angle of the grinding stone. Tribology International.2019;(137):274 - 288. D0I:10.1016/j.tri-boint.2019.05.012
Сведения об авторах
Ильиных Андрей Степанович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин», [email protected]
Милорадович Владимир Константинович - гл. специалист, [email protected]
Галай Марина Сергеевнав - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин», [email protected]
Information about the authors
Andrey S. Ilinykh - Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Dean of Management Transport and Technological Complexes Faculty», [email protected]
Vladimir K. Miloradovich - Main Specialist, [email protected]
Marina S. Galay - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department «Dean of Management Transport and Technological Complexes Faculty», [email protected]
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 25.05.2023; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 03.08.2023; принята к публикации / acceptedfor publication 09.08.2023.
