CC BY
17
^ ПРОБЛЕМАТИКА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ
УДК 629.4.01 5:625.1.03
Методика контроля дефектов колесных пар железнодорожного подвижного состава при их обработке на колесотокарных станках
Д. П. Кононов, Ю. В. Гомонец
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Кононов Д. П., Гомонец Ю. В. Методика контроля дефектов колесных пар железнодорожного подвижного состава при их обработке на колесотокарных станках // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 3. - С. 275-281. БОГ 10.20295/1815-588Х-2020-3-275-281
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос о повышении ресурса железнодорожных колес за счет использования оптимальных режимов резания, определенных по результатам контроля дефектов колесных пар при их обработке на колесотокарных станках. Методы: Разработана методика для проведения анализа и синтеза данных, получаемых от системы контроля дефектов, которая позволяет на основании этих данных выбирать оптимальные режимы резания для ремонтируемой колесной пары. Результаты: Проанализированы сложности, появляющиеся при обточке поверхностей катания железнодорожных колес повышенной твердости и улучшенного качества, вызванные преобладанием на таких колесных парах локальных дефектов: ползунов и выщербин. С целью минимизации проблем, возникающих при обработке вышеуказанных колесных пар, предложено устройство, связывающее систему контроля дефектов с колесообрабатывающим станком. Описана архитектура программного обеспечения представленного устройства. Определены оптимальные режимы резания, такие как скорость резания, глубина резания и подача, дающие возможность обеспечить требуемую точность и устранить скачки силы резания (эквивалентные ударам по передней поверхности твердосплавной пластины), образующиеся в результате повышенных механических характеристик колес. Практическая значимость: Показана целесообразность внедрения в вагоноремонтные депо и заводы устройства преобразования дефектов железнодорожных колес, с помощью которого автоматически задаются оптимальные режимы резания, используемые при обточке ремонтируемых колесных пар, что позволит в значительной степени упростить работу станочника и процесс наладки станка, минимизировать поломку инструмента и повысить ресурс железнодорожных колес.
Ключевые слова: Колесная пара, восстановление поверхности катания, режимы резания, режущий инструмент, обточка колеса.
Введение
Производительность и себестоимость ремонтных работ, нацеленных на восстановление профиля вагонного колеса, во многом зависят от степени поврежденности его в эксплуатационный период различного рода дефектами.
Различные условия работы колесных пар обусловливают разные типы наиболее часто встречающихся дефектов, образующихся на поверхности катания в эксплуатации. При этом большой объем отцепок вагонов связан с наличием повреждений колес дефектами тормозного происхождения (ползунов и выщербин). Таким образом, значительный объем механической обработки при восстановлении профиля поверхности катания железнодорожных колес направлен на устранение термомеханических повреждений с поверхности катания путем обточки на колесо-токарном станке [1-6].
Современное состояние проблемы
При обточке используются специальные двухсторонние твердосплавные пластины и державки. Сама обточка относится к операциям тяжелого точения и производится на специальных колесотокарных станках. Пластины допускают четыре перестановки в кассете резца, что в принципе позволяет значительно продлить их ресурс и более полно использовать возможности инструмента.
При обточке колесных пар с термомеханическими повреждениями на поверхности катания происходят значительные скачки силы резания, которые фактически эквивалентны ударам по передней поверхности твердосплавной пластины [7-11].
Для устранения этих недостатков и обеспечения требуемой точности приходится уменьшать подачу, увеличивать число рабочих ходов или вводить другие коррективы в технологический процесс, что усложняет работу станочника. Ошибки оператора в определении и при
внесении текущих изменений (подналадок) могут привести не только к снижению производительности (например, при очень малой величине подачи), но и к дополнительным нагрузкам на конструктивные элементы станка, поломке инструмента и т. п.
В настоящее время существуют программно-аппаратные комплексы, способные выявлять основные дефекты поверхности катания колеса и представлять их в виде электронного отчета [12]. К ним относится автоматизированный комплекс ультразвукового и вихретокового контроля колесных пар вагонов «Пеленг-автомат», применяемый во многих депо по ремонту грузовых и пассажирских вагонов [13].
Однако сейчас во многих вагоноремонтных депо не налажено взаимодействие подобных программно-аппаратных комплексов с колесо-обрабатывающими станками. В случае его отсутствия необходимо задание соответствующих режимов обработки для каждого из колес вручную на основании информации о дефектах [14].
Автоматическое назначение программы обработки колеса
Связь между системой контроля дефектов и колесообрабатывающим станком позволит назначать наиболее оптимальную программу обработки колеса автоматически. Подобный принцип взаимодействия проиллюстрирован на рисунке.
Для реализации предложенной системы взаимодействия требуется реализовать промежуточное звено между системой контроля дефектов и колесообрабатывающим станком. Задача данного промежуточного звена (система преобразования дефектов - СПД) заключается в:
1) получении информации о дефектах поверхности катания определенной колесной пары;
2) анализе данной информации;
3) составлении программы для колесообра-батывающего станка на основании выявленной информации;
4) передаче этой программы в память станка.
Получение информации о дефектах возможно путем подключения к базе данных (БД) системы контроля дефектов (СКД). В указанной БД данные хранятся в структурированном виде. Предлагается использование БД, состоящей из следующих таблиц:
1) список дефектов - таблица, предназначенная для хранения информации о возможных дефектах поверхности катания;
2) список проанализированных колес - таблица, хранящая информацию о таких колесах;
3) дефекты колес - таблица, предназначенная для хранения информации о дефектах, идентифицированных в проанализированных колесах;
4) режимы обработки - таблица, содержащая информацию о режимах обработки колеса.
Для каждого из колес хранится информация о его дефектах, их характеристиках (в том числе положение дефекта, его геометрические параметры и др.). При этом дефекты привязаны к определенной точке колеса (в частности, или клеймо на ободе, или отметка краской). Дальнейшая обработка указанных данных возможна на основании существующей информации об обрабатываемости тех или иных дефектов, оптимальных режимах резания при их обработке.
Архитектура предложенной программной системы реализована в виде трех составных частей, взаимодействующих друг с другом:
- система получения информации о дефектах - взаимодействует со сторонней системой контроля дефектов и передает данные в ядро системы в стандартизированном протоколе;
- ядро системы - программный комплекс, производящий расчет оптимальных режимов резания на основании данных информации о дефектах, принимая во внимание оптимальную температуру в зоне контакта;
- система работы со станком - задает программу обработки для конкретного колесообра-батывающего станка.
С Начало процесса подготовки программы обработки
N 1
i f-
Начало работы с колесом N
i Г
Получение данных о дефектах колеса N
Выбор наиболее труднообрабатываемого дефекта в сравнении с другими дефектами колеса
Подготовка режимов обработки на основании:
1) оптимальной глубины резания,
2) оптимальной скорости резания,
3) оптимальной температуры резания
Да
Составить программу для обработки колеса для станка с ЧПУ
С Завершение процесса подготовки программы обработки
Блок-схема взаимодействия программно-аппаратного комплекса контроля дефектов и колесообрабатывающего станка
Если мы имеем дело с ремонтопригодным колесом, то существует возможность назначения программы его обработки. В противном случае обработка не может быть произведена и следует перейти к следующему колесу.
Программа обработки назначается от точки привязки дефектов. Режимы резания при этом могут меняться в процессе точения исходя из наличия и вида дефекта. Например, при подходе режущего инструмента к ползуну, обладающему высокой твердостью, будут уменьшены скорость резания и подача.
После завершения процесса формирования программы возможен переход к процессу записи программы в память станка, а также к процессу формирования программы обработки следующего колеса. Передача указанных данных возможна в том числе по протоколу ЯБ232.
Заключение
Задание режимов резания, позволяющих срезать только диктуемый дефектами поверхностных слой, приводит в значительной степени к экономии людского ресурса и повышению ресурса железнодорожных колес [15-18].
Предложенная в настоящей статье система преобразования дефектов применима для различных систем контроля дефектов, так как ее архитектура дает возможность получить данные в разных форматах без изменения ядра системы, а также для разнообразных колесообраба-тывающих станков.
Библиографический список
1. Воробьев А. А. Прогнозирование ресурса и совершенствование технологии ремонта колес железнодорожного подвижного состава : автореф. дис. ... д-ра техн. наук, специальность : 05.22.07 / А. А. Воробьев. - СПб. : ПГУПС, 2018. - 32 с.
2. Кононов Д. П. Повышение надежности цельнокатаных колес : монография / Д. П. Кононов. - М. : Издат. дом «БИБЛИО-ГЛОБУС», 2018. - 250 с.
3. Иванов И. А. К вопросу о влиянии структуры поверхности слоя на эксплуатационные свойства железнодорожного колеса / И. А. Иванов, С. И. Губенко,
A. А. Воробьев // Транспорт Урала. - Екатеринбург : УрГУПС, 2010. - № 2 (25). - С. 56-60.
4. Иванов И. А. О повышении ресурса цельнокатаных колес / И. А. Иванов, С. В. Урушев // Железнодорожный транспорт. - М. : МПС, 2000. - № 3. - С. 25.
5. Иванов И. А. К вопросу о перспективах использования бандажных колесных пар повышенной твердости / И. А. Иванов, В. С. Кушнер, А. А. Воробьев, Н. Ю. Шадрина, П. Г. Сорокин // Новые материалы и технологии в машиностроении. - Брянск : БГИТА, 2007. - № 7. - С. 39-43.
6. Кротов С. В. Контактно-усталостная долговечность рельсовой и колесной сталей / С. В. Кротов, Д. П. Кононов // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2018. - Т. 15. - Вып. 1. - С. 54-61.
7. Богданов А. Ф. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар без выкатки / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, П. М. Терехов // Бюл. результатов науч. исследований. - 2014. - Вып. 1 (10). - С. 5868.
8. Иванов И. А. Оценка прочности режущего инструмента для обточки железнодорожных колес при температурно-силовом воздействии / И. А. Иванов, Д. А. Потахов, С. В. Урушев // Вестн. транспорта Поволжья. - Самара : СамГУПС, 2013. - № 4 (40). -С. 28-36.
9. Иванов И. А. Анализ напряженного состояния режущего инструмента при обточке колесных пар / И. А. Иванов, Д. А. Потахов, С. В. Урушев // Бюл. результатов науч. исследований. - 2014. - Вып. 1 (10). - С. 114-124.
10. Иванов И. А. Влияние твердости поверхности катания железнодорожных колес на параметры режима обработки / И. А. Иванов, А. А. Воробьев,
B. С. Кушнер, А. С. Безнин // Новые материалы и технологии в машиностроении. - Брянск : БГИТА, 2004. - № 3. - С. 37-41.
11. Воробьев А. А. Влияние параметров восстановления на основные характеристики обработки поверхности катания колесных пар / А. А. Воробьев, И. А. Иванов, В. С. Кушнер // Тяжелое машиностроение. - М. : НПО ЦНИИ технологии машиностроения, 2010. - № 4. - С. 34-37.
12. Криворудченко В. Ф. Автоматизированные средства технической диагностики и неразрушаю-щего контроля деталей и узлов подвижного состава : учеб.-метод. пособие к лабораторным и практическим занятиям / В. Ф. Криворудченко, Л. Г. Северино-ва, О. В. Кибальченко, А. В. Селезнев. - Ростов н./Д. : РГУПС, 2016. - 56 с.
13. Беломытцев В. Автоматизированный комплекс контроля колесных пар «Пеленг-автомат» / В. Бело-мытцев // Современные технологии автоматизации. -М. : СТА-Пресс, 2004. - № 3. - С. 42-46.
14. Воробьев А. А. Разработка рекомендаций по режимам обработки колесных пар повышенной твердости / А. А. Воробьев, И. А. Иванов, В. С. Кушнер, А. А. Крутько // Транспорт Урала. - Екатеринбург : УрГУПС, 2009. - № 2 (21). - С. 48-51.
15. Воробьев А. А. Испытания колесных сталей на износ и контактную усталость / А. А. Воробьев, Д. Е. Керенцев, И. В. Федоров // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14. -Вып. 4. - С. 628-636.
16. Кононов Д. П. Повышение безопасности движения железнодорожного транспорта за счет увели-
чения усталостной прочности цельнокатаных колес / Д. П. Кононов, Н. Ю. Шадрина // Бюл. результатов науч. исследований. - 2014. - Вып. 1 (10). -С. 6-10.
17. Кротов С. В. Определение вертикальных динамических сил, действующих на колесо в контакте с рельсом / С. В. Кротов, Д. П. Кононов // Изв. Пе-терб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2015. -Вып. 3 (44). - С. 70-76.
18. Губенко С. И. Влияние качества стали на усталостную прочность цельнокатаных колес / С. И. Губенко, И. А. Иванов, Д. П. Кононов // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - М. : Изд-во «Тест-зл», 2018. - Т. 84. - № 3. - С. 52-60.
Дата поступления: 09.04.2020 Решение о публикации: 23.04.2020
Контактная информация:
КОНОНОВ Дмитрий Павлович - д-р техн. наук, доцент; d_kononov@mail.ru ГОМОНЕЦ Юлия Витальевна - аспирант; homonets@mail.ru
Railway rolling stock wheelset defects monitoring method when treatment on car wheel lathes
D. P. Kononov, Yu. V. Gomonets
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Kononov D. P., Gomonets Yu. V. Railway rolling stock wheelset defects monitoring method when treatment on car wheel lathes. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2020, vol. 17, iss. 3, pp. 275-281. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-3-275-281
Summary
Objective: To consider expanding the railway wheels operating life by using the optimal cutting conditions based the results of monitoring the defects of wheelsets during their treatment on car wheel lathes. Methods: A technique has been developed for analyzing and synthesizing data obtained from a defect monitoring system, which allows choosing the optimal cutting conditions for a wheelset being repaired on the basis of these data. Results: The difficulties that arise during turning of the railway wheels tread surfaces of increased hardness and improved quality, associated with the predominance of local defects - sliders and dents - on such wheelsets, have been analyzed. To minimize the problems arising
during the treatment of the above-mentioned wheelsets, a device is proposed that connects the defect monitoring system with a car wheel machining unit. The software architecture of the presented device has been described. The optimal cutting conditions, such as cutting speed, cutting depth and feed, have been determined, which make it possible to ensure the required accuracy and eliminate surges in cutting force (equivalent to impacts on the front surface of a carbide plate) resulting from increased mechanical performance of the wheels. Practical importance: The expediency of introducing a railway wheel defect converting device in car repair depots and factories has been shown. Such a device would help automatically set the optimal cutting modes used when turning the repaired wheelsets, which will greatly simplify the work of the machine operator and the machine setting up process, minimize tool breakage and expand the railway wheel operating life.
Keywords: Wheelset, tread surface restoration, cutting modes, cutting tools, wheel turning.
References
1. Vorob'yev A. A. Prognozirovaniye resursa i sover-shenstvovaniye tekhnologii remonta koles zheleznodoro-zhnogo podvizhnogo sostava [Forecasting the operating life and improving the technology of repairing railway rolling stock wheels]. Avtoref. diss. dokt. tekhn. nauk, spetsial'nost': 05.22.07 [Abstract of the dis. of Dr. Sci. in Engineering, speciality: 05. 22 07]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, 32 p. (In Russian)
2. Kononov D. P. Povysheniye nadezhnosti tsel'no-katanykh koles [Improving the reliability of solid-rolled wheels]. Monograph. Moscow, BIBLIO-GLOBUS Publishing House, 2018, 250 p. (In Russian)
3. Ivanov I.A., Gubenko S. I. & Vorob'yev A.A. K vo-prosu o vliyanii struktury poverkhnosti sloya na eksplua-tatsionnyye svoystva zheleznodorozhnogo kolesa [Discussing the influence of the layer surface structure on the operational properties of a railway wheel]. Transport Urala [Transport of the Urals]. Yekaterinburg, UrGUPS [Ural State Transport University] Publ., 2010, no. 2, pp. 56-60. (In Russian)
4. Ivanov I. A. & Urushev S. V. O povyshenii resursa tsel'nokatanykh koles [Discussing the issue of expanding the solid-rolled wheel operating life]. Zheleznodorozh-nyy transport [The Railway Transport Magazine]. Moscow, Ministry of Transport Publ., 2000, no. 3, p. 25. (In Russian)
5. Ivanov I. A., Kushner V. S., Vorob'yov A. A., Shadrina N. Yu. & Sorokin P. G. K voprosu o perspekti-vakh ispol'zovaniya bandazhnykh kolesnykh par povy-shennoy tverdosti [Discussing the prospects for the use
of increased hardness tyre wheelsets]. Novyye materialy i tekhnologii v mashinostroyenii [New Materials and Technologies in Mechanical Engineering magazine]. Bryansk, BGITA [Bryansk State Engineering and Technological University] Publ., 2007, no. 7, pp. 39-43. (In Russian)
6. Krotov S. V. & Kononov D. P. Kontaktno-ustalost-naya dolgovechnost' rel'sovoy i kolesnoy staley [Contact fatigue life of rail and wheel steels]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, vol. 15, iss. 1, pp. 54-61. (In Russian)
7. Bogdanov A. F., Ivanov I.A. & Terekhov P. M. Voss-tanovleniye profilya poverkhnosti kataniya kolesnykh par bez vykatki [Restoring the wheelset tread surface profile without removing the wheels]. Bulletin of scientific research results, 2014, iss. 1 (10), pp. 58-68. (In Russian)
8. Ivanov I. A., Potakhov D.A. & Urushev S. V. Otsenka prochnosti rezhushchego instrumenta dlya ob-tochki zheleznodorozhnykh koles pri temperaturno-silo-vom vozdeystvii [Evaluation of the cutting tool strength for turning railway wheels under temperature and force action]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region]. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2013 no. 4(40), pp. 28-36. (In Russian)
9. Ivanov I.A., Potakhov D.A. & Urushev S. V. Analiz napryazhennogo sostoyaniya rezhushchego instrumenta pri obtochke kolesnykh par [Analysis of the cutting tool stress state when turning wheelsets]. Bulletin of scientific research results, 2014, iss. 1(10), pp. 114-124. (In Russian)
10. Ivanov I. A., Vorob'yev A. A., Kushner V. S. & Beznin A. S. Vliyaniye tverdosti poverkhnosti kataniya
zheleznodorozhnykh koles na parametry rezhima obrabot-ki [Influence of the railway wheel tread surface hardness on the treatment mode parameters]. Novyye materialy i tekhnologii v mashinostroyenii [New Materials and Technologies in Mechanical Engineering magazine]. Bryansk, BGITA [Bryansk State Engineering and Technological University] Publ., 2004, no. 3, pp. 37-41. (In Russian)
11. Vorobyev A. A., Ivanov I.A. & Kushner V. S. Vli-yaniye parametrov vosstanovleniya na osnovnyye kharak-teristiki obrabotki poverkhnosti kataniya kolesnykh par [Influence of restoration parameters on the main characteristics of the wheelset tread surface treatment]. Tyazhe-loye mashinostroyeniye [Heavy Mechanical Engineering]. Moscow, RPA CNIITMASH [Research and Production Association for Machine Building Technologies] Publ., 2010, no. 4, pp. 34-37. (In Russian)
12. Krivorudchenko V. F., Severinova L. G., Kibal'-chenko O. V. & Seleznev A. V. Avtomatizirovannyye sredstva tekhnicheskoy diagnostiki i nerazrushayush-chego kontrolya detaley i uzlov podvizhnogo sostava. Ucheb.-metod. posobiye k laboratornym i prakticheskim zanyatiyam [Automated means oftechnical diagnostics and non-destructive testing of rolling stock parts and units. Training and methodological laboratory manual]. Rostov-on-Don, RSTU [Rostov State Transport University] Publ., 2016, 56 p. (In Russian)
13. Belomyttsev V. Avtomatizirovannyy kompleks kontrolya kolesnykh par "Peleng-avtomat" [Peleng-Automat automated system for wheelset monitoring]. Sovremennyye tekhnologii avtomatizatsii [Contemporary Automation Technologies]. Moscow, STA-Press, 2004, no. 3, pp. 42-46. (In Russian)
14. Vorobyev A. A., Ivanov I.A., Kushner V. S. & Krut'ko A. A. Razrabotka rekomendatsiy po rezhimam obrabotki kolesnykh par povyshennoy tverdosti [Development of recommendations for increased hardness wheelset treatment modes]. Transport Urala [Transport of the Urals]. Yekaterinburg, UrGUPS [Ural State Trans-
port University] Publ., 2009, no. 2(21), pp. 48-51. (In Russian)
15. Vorobyev A. A., Kerentsev D. E. & Fedorov I. V. Ispytaniya kolesnykh staley na iznos i kontaktnuyu usta-lost' [Testing wheel steels for wear and contact fatigue]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, vol. 14, iss. 4, pp. 628-636. (In Russian)
16. Kononov D. P. & Shadrina N. Yu. Povysheniye be-zopasnosti dvizheniya zheleznodorozhnogo transporta za schet uvelicheniya ustalostnoy prochnosti tsel'nokatanykh koles [Improving the railway transport safety by increasing the fatigue strength of solid-rolled wheels]. Bulletin of scientific research results, 2014, iss. 1(10), pp. 6-10. (In Russian)
17. Krotov S. V. & Kononov D. P. Opredeleniye v ertikal'nykh dinamicheskikh sil, deystvuyushchikh na koleso v kontakte s rel'som [Definition of vertical dynamic forces acting on the wheel in contact with the rail]. Proceedings ofPetersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2015, iss. 3(44), pp. 70-76. (In Russian)
18. Gubenko S. I., Ivanov I.A. & Kononov D. P. Vli-yaniye kachestva stali na ustalostnuyu prochnost' tsel'nokatanykh koles [Influence of the quality of steel on the fatigue strength of solid-rolled wheels]. Zavodskaya laboratoriya. Diagnostika materialov [Plant laboratory. Diagnostics of materials]. Moscow, Test-Zl Publishing House, 2018, vol. 84, no. 3, pp. 52-60. (In Russian)
Received: April 09, 2020 Accepted: April 23, 2020
Author's information:
Dmitry P. KONONOV - D. Sci. in Engineering, Associate Professor; d_kononov@mail.ru Yulia V. GOMONETS - Postgraduate Student; homonets@mail.ru
