CC BY
1
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
МАШИНОСТРОЕНИЕ MACHINE BUILDING
Научная статья УДК 621.923.1
http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-3-41-54
Методика проектирования технологических процессов шлифования рельсов рельсошлифовальными поездами
А.С. Ильиных1, А.С. Пикалов2, В.К. Милорадович2, М.С. Галай1
1 Сибирский государственный университет путей сообщений, г. Новосибирск, Россия, 2Центр инфраструктурнык технологий АО «СТМ», Москва, Россия
Аннотация. Предложена новая методика проектирования технологических процессов шлифования рельсов, включающая в себя реализацию таких функций как расчет необходимых поперечных углов наклона шлифо-вальнык головок для каждого прохода рельсошлифовального поезда (РШП), определение режимов шлифования для каждой шлифовальной головки и расчет необходимого количества проходов РШП для формирования проектного ремонтного профиля рельсов. Проведена апробация разработанной методики на экспериментальной рельсошлифовальной установке. По результатам испытаний подтверждена работоспособность методики и установлено, что она позволяет сформировать технологический процесс для всех типов рельсов с различной наработкой и различными условиями эксплуатации. Для повышения точности расчетных параметров технологического процесса шлифования рельсов разработаны рекомендации по внесению в методику соответствующих корректировок.
Ключевые слова: шлифование рельсов, технология шлифования, режимы шлифования, абразивная обработка, железнодорожный путь
Финансирование: работа выполнена при поддержке проекта по созданию высокотехнологичного производства, предусмотренного постановлением Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 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: Методика проектирования технологических процессов шлифования рельсов рельсошлифовальными поездами / А.С. Ильиных, А.С. Пикалов, В.К. Милорадович, М.С. Галай // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2024. № 3. С. 41-54. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2024-3-41-54
Original article
Technological process design methodology grinding rails
with rail grinding trains
A.S. Ilinykh1, A.S. Pikalov2, V.K. Miloradovich2, M.S. Galay1
Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia, 2Center for Infrastructure Technologies of STM, Moscow, Russia
Abstract. The paper proposes a new method of designing technological processes of grinding rails, which includes implementation of such functions as calculation necessary transverse angles of grinding heads for each rail track pass, determination grinding modes for each grinding head and calculation required number of passes of grinding rail trains to form design repair profile of rails. The developed methodology was tested on experimental rail-forming plant. According to results of tests, it was confirmed that the method allows to form a technological process for all types of rails with different service and different operating conditions. To improve accuracy of design parameters of grinding rails technological process, recommendations for making appropriate adjustments in the methodology have been developed by using experimental results.
© Ильиных А.С., Пикалов А.С., Милорадович В.К., Галай М.С., 2024
41
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Keywords: rail grinding, grinding technology, grinding modes, abrasive machining, railway
Financial support: the work was support by the project on creation of high-tech production provided by the Russian Federation Government Decree No. 218 dated April 9, 2010 on the topic «High-performance technology of high-speed rail grinding 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., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Technological process design methodology grinding rails with rail grinding trains. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2024;(3):41-54. (In Russ.). http://dx.doi.org/ 10.17213/1560-3644-2024-3-41 -54
Введение
В настоящее время реализация технологии шлифования рельсов осуществляется с применением рельсошлифовальных поездов типа РШП-48 (рис. 1), позволяющих производить обработку рельсов непосредственно в пути, без демонтажа рельсов.
Указанные режимы шлифования не отвечают современным требованиям по производительности. Так как рабочая скорость применяемых рельсошлифовальных поездов не позволяет производить работы в рамках расписания движения пассажирских и грузовых составов, это приводит к необходимости закрытия для движения целых перегонов, т.е. организации технологических окон [4]. В этой связи возникают большие финансовые затраты, вызванные уменьшением пропускных способностей участков железнодорожного пути и задержкой поездов [5, 6].
Рис. 1. Рельсошлифовальный поезд РШП-48 Fig. 1. Grinding rail train RGT-48
Обработка рельсов производится методом плоского шлифования торцом абразивного круга (рис. 2, а) и позволяет устранять волнообразные неровности, механические повреждения, смятия и отслоения металла на головке рельса, а также формировать требуемый поперечный профиль головки рельса для обеспечения наилучшего взаимодействия с колесом [1-3]. Это обеспечивается за счет съема металла шлифовальными кругами, расположенными под различными углами относительно вертикальной оси рельса (рис. 2, б, в).
Применяемые на сегодняшний день рель-сошлифовальные поезда работают на скорости от 4 до 8 км/ч, при этом частота вращения шлифовального круга постоянна - 3600 об/мин, а в зависимости от усилия прижатия шлифовального круга к рельсу съем металла составляет от 0,05 до 0,3 мм за один проход [1].
Рис. 2. Схема шлифования рельсов рельсошлифоваль-ным поездом: а - схема плоского шлифования рельсов торцом круга; б - рабочее оборудование рельсошлифо-вального поезда с наклоненными шлифовальными головками; в - схема расстановки шлифовальных кругов по поперечному профилю рельса. Fig. 2. Rail grinding scheme: a - flat grinding rails scheme by wheel end; б - working equipment with inclined grinding heads of grinding rail train; в - scheme of arrangement grinding wheels on the cross-section rail
1
a
2
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Вопрос повышения производительности рельсошлифовальных поездов является крайне актуальным для путевого хозяйства железнодорожной отрасли. В настоящее время Калужским заводом «Ремпутьмаш» совместно с Сибирским государственным университетом путей сообщения ведется разработка нового рельсошлифоваль-ного поезда - РШП 2.0 (рис. 3). Работа РШП 2.0 основана на технологии скоростного шлифования рельсов, которая в соответствии с теорией резания при абразивной обработке позволяет увеличить рабочую скорость рельсошлифоваль-ного поезда пропорционально увеличению частоты вращения шлифовального круга [7, 8].
V Jj
Рис. 3. Рельсошлифовальный поезд РШП 2.0 Fig. 3. Grinding rail train RGT 2.0
В ходе проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по проекту определены оптимальные режимы работы РШП 2.0 при реализации технологии скоростного шлифования рельсов [9] и получены предварительные характеристики нового абразивного инструмента [10]. Установлены следующие диапазоны режимов скоростного шлифования рельсов: рабочая скорость рельсошлифо-вального поезда 10...30 км/ч, частота вращения шлифовального круга 5000.. .7000 об/мин.
Учитывая новую конструкцию рабочего оборудования РШП 2.0 [11] и то, что в новом рельсошлифовальном поезде изменились не только диапазоны режимов работы, но и расширились задачи его применения, требуется пересмотр подходов в проектировании технологических процессов шлифования рельсов с применением РШП 2.0.
Постановка задач исследований
В настоящее время проектирование технологических процессов шлифования рельсов на рельсошлифовальных поездах РШП-48 осуществляется в следующей последовательности:
- производится измерение фактического поперечного профиля рельса;
- из имеющейся базы для измеренного профиля рельса подбирается наиболее подходящий ремонтный профиль;
- для формирования выбранного ремонтного профиля принимаются установленные программы шлифования, включая расстановку углов наклона шлифовальных головок и режимы шлифования.
В основу назначения программ шлифования в поездах РШП-48 заложены подходы швейцарской фирмы Speno, разработанные в 80-х годах прошлого века. Указанные подходы имеют ряд существенных недостатков:
- ограниченное количество ремонтных профилей рельсов (всего 7 штук), не позволяющее формировать оптимальный профиль рельса при шлифовании. Даже наиболее подходящий ремонтный профиль рельса приводит к излишнему удалению металла с рельса, что в значительной степени сокращает его жизненный цикл;
- подбор ремонтных профилей рельсов и дальнейшее назначение режимов шлифования осуществляется бригадой рельсошлифоваль-ного поезда. При этом отмечается значительное влияние человеческого фактора, зависящее от компетенций и опыта работы конкретного наладчика;
- ограниченное количество программ шлифования, которые не являются оптимальными для определенных условий шлифования. Как следствие, проводятся излишние проходы рель-сошлифовального поезда, приводящие к увеличению времени технологического окна.
Чтобы исключить отмеченные недостатки, в рамках реализации проекта РШП 2.0 разработана концепция системы адаптивного управления (САУ) процессом шлифования рельсов рельсошлифовальными поездами [12]. При реализации САУ объектом автоматизации является технологический процесс шлифования рельсов, реализуемый на рельсошлифовальном поезде, который, помимо функций расчета геометрических параметров ремонтного профиля, контроля выполнения операций и адаптивной корректировки режимов обработки, включает в себя задачу проектирования технологических процессов шлифования рельсов и формирования задания на шлифование рельсов.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Для решения указанной задачи требуется разработка методики проектирования технологических процессов шлифования рельсов. Основная задача методики заключается в реализации следующих функций:
- расчет необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсошлифовального поезда;
- определение режимов шлифования для каждой шлифовальной головки;
- расчет необходимого количества проходов РШП для формирования проектного ремонтного профиля рельсов.
После разработки методики требуется её практическая апробация с оценкой адекватности результатов расчетов, проводимых с применением разработанной методики.
Теоретические методы исследования
В соответствии с определенными функциями разработаны методика проектирования технологического процесса шлифования рельсов и соответствующие модели для её реализации.
Разработанная методика основана на технологических особенностях профильного шлифования рельсов, в отличие от шлифования в стационарных условиях на станках. Рабочее оборудование рельсошлифовального поезда не предполагает назначения таких параметров, как съем металла шлифовальным кругом за один проход t и ширина формируемой дорожки шлифования B в качестве исходных данных. Эти параметры формируются самопроизвольно в процессе обработки и зависят от многих факторов: усилия прижатия шлифовального круга к рельсу, профиля головки рельса и его физико-механических свойств, режимов обработки, эксплуатационных свойств абразивного инструмента и др.
Необходимость оптимизации технологии шлифования рельсов ставит задачу не только прогнозирования значений съема металла и ширины дорожки шлифования, но и их назначения при разработке технологических процессов. Параметры t и B напрямую взаимосвязаны, и изменение одного из них приводит к изменению другого. Объясняется это взаимодействием плоской поверхности шлифовального круга с головкой рельса, имеющей скругления различных радиусов RПр по всей поверхности.
Контакт шлифовального круга с поверхностью рельса при отсутствии резания происходит по касательной плоскости, представленной прямой m-m. Создаваемое усилие прижатия вводит абразивные зерна в работу, при этом шлифовальный круг заглубляется в поверхность рельса на величину ь, формируя секущую плоскость п-п, которая определяет ширину дорожки шлифования Bl. Повышение усилия прижатия круга увеличит глубину резания до значения t2, а секущая плоскость ^ сформирует дорожку шлифования шириной B2 (рис. 4).
k
Рис. 4. Схема взаимосвязи глубины резания с шириной дорожки шлифования
Fig. 4. Scheme connection between cutting depth and grinding track width
Из двух рассматриваемых параметров t и B первоочередную роль играет глубина резания, изменение которой в большей степени влияет как на производительность, так и на качество формируемой поверхности при шлифовании. В связи с этим основная задача методики сводится к назначению глубины резания и прогнозирования величины дорожки шлифования B в зависимости от полученного значения t.
С учетом отмеченных особенностей процесса шлифования рельсов на первом этапе реализации методики рассмотрен расчет необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок.
Определим начальную точку взаимодействия первого шлифовального круга с рельсом (рис. 5, точка K). Начальной точкой для формирования профиля принимается точка фактического профиля рельса, координаты которой совпадают с координатами какой-либо точки ремонтного профиля.
Через точку K проведем касательную KS к участку фактического профиля рельса, а из центра системы координат О опустим перпендикуляр s к прямой KS (рис. 5, а).
k
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
XnXfi
б
Рис. 5. Схемы к определению параметров дорожки шлифования: а - при шлифовании первым кругом; б - при шлифовании последующими кругами Fig. 5. Schemes for determination grinding track parameters: a - for first circle grinding; б - for subsequent grinding
Зная координаты точки K (xk, yK), определим требуемый угол наклона первой шлифовальной головки yi (см. рис. 5, а) по системе уравнений
л.к
COSS
-cos(\|/-s^ ) = 0;
к
xKcos\y + y^sim]/ -
хк = f (г K)cossK; Ук= /(e*)sine к.
Для полученного значения угла наклона шлифовальной головки определим значения глубины резания t и ширины дорожки шлифования B. Данные значения определяются эмпирическим путем. В качестве примера эмпирических результатов на рис. 6 представлен график зависимости съема металла t от угла наклона шлифовальной головки для рельса прямого участка пути с наработкой 35 млн т брутто, отшлифованного при частоте вращения шлифовального круга 5000 об/мин, скорости 15 км/ч и
токовой нагрузке на электродвигатель 95 А. Так как в процессе эксплуатации железнодорожного пути с увеличением наработки происходит деформация головки рельса, изменяется и зона взаимодействия шлифовального круга с поверхностью рельса. На формирование параметров t и B влияют также режимы шлифования и применяемый абразивный инструмент. В этой связи подобные зависимости строятся не только для различной эксплуатационной наработки, но и для различных условий эксплуатации (прямые и кривые участки пути, подуклонка рельса, тип основания, шпал и т.д.), режимов шлифования и применяемого абразивного инструмента. Учитывая количество влияющих параметров на формирование дорожки шлифования, задача получения достоверной эмпирической модели, действующей во всем диапазоне исходных данных, является крайне затруднительной. В настоящее время получен ряд зависимостей для основных конструктивных решений железнодорожного пути, нескольких основных значений наработки железнодорожного пути и основных режимов шлифования [10, 13]. Полученные зависимости могут быть использованы для проектирования технологических процессов, но точность их применения будет ограничена. В перспективе планируется постоянное добавление новых зависимостей и их уточнение посредством сбора результатов шлифования со всех рельсошлифовальных поездов, обработки данных и машинного обучения.
1,00 0,90 | 0,80 Й 0,70
4
5 0,60
н
■3 0,50 § 0,40 о 0,30 0,20 0,10 0,00
V t •
—-f
* * « * *
-70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 Угол наклона шлифовального круга, град
Рис. 6. Зависимость съема металла от угла наклона шлифовальной головки
Fig. 6. Dependence of metal removal on grinding head angle
С точки зрения максимальной производительности для последующего второго круга точкой контакта с профилем рельса должна являться точка М (см. рис. 5, б). Так как шлифовальные
а
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
головки первого и второго шлифовального круга находятся в одной шлифовальной люльке, то угол наклона второй шлифовальной головки определим по зависимости
Vi = V» .
(1)
где - угол наклона г-й шлифовальной головки, град; ур - угол развала между г-й и г—1-й шлифовальными головками, в соответствии с руководством по эксплуатации РШП 2.0. Для случая расчета угла наклона второй шлифовальной головки формула будет выглядеть следующим образом:
Аналогично определим точку контакта третьего и последующих шлифовальных кругов. Углы наклона последующих шлифовальных кругов определяются в зависимости от своего расположения. В табл. 1 представлены данные для расчета углов наклона всех 48 шлифовальных головок РШП 2.0.
Если шлифовальная головка по каким-то причинам неработоспособна, то при расчетах она не учитывается и пропускается. Если на
каком-то из проходов для обработки всего профиля рельсов достаточно менее 24 шлифовальных головок, то оставшиеся круги переносятся в начало формирования профиля. При этом начальной точкой контакта шлифовального круга с рельсом будет точка Ь (см. рис. 5, б) — край уже сформированной дорожки шлифования.
После определения углов наклона каждого шлифовального круга, вторым этапом методики является определение режимов шлифования для каждой шлифовальной головки.
В зависимости от наработки рельсов и их дефектности определена задача шлифования. Учитывая рекомендации по минимальному количеству проходов рельсошлифовального поезда для удаления поверхностных дефектов [14, 15], принят один из следующих подходов в определении задачи шлифования, представленный в табл. 2.
В зависимости от задач шлифования (профилактическое, ремонтное, восстановительное), с учетом продолжительности технологического «окна», принята скорость шлифования из рекомендованных диапазонов скоростей работы РШП 2.0, представленных в табл. 3 [9, 10].
Таблица 1 Table 1
Данные к расчету углов наклона шлифовальных головок Data for calculation grinding head angles
№ шлифовальной головки (нечетная сторона РШП 2.0)
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47
Р +2 Р -2 Р +2 -2 +1,5 Р +2 -2 -1,5 Р +2 -2 +1,5 Р +2 -2 -1,5 Р -2 Р +2
№ шли< ¡овальной головки (четная сторона РШП 2.0)
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Р +2 Р -2 Р +2 -2 +1,5 Р +2 -2 -1,5 Р +2 -2 +1,5 Р +2 -2 -1,5 Р -2 Р +2
Примечание. Если в строке указано «Р» то угол наклона для данной шлифовальной головки определяется расчетным путем на основании координат точки М (рис. 5, б). Если в строке указана цифра, то угол наклона для данной шлифовальной головки рассчитывается по зависимости (1), при этом цифра в данном случае определяет угол развала ур с предыдущей шлифовальной головкой.
Таблица 2 Table 2
Разделение видов технологического воздействия по предполагаемому количеству проходов РШП Separation of technological impacts by estimated number of RGT passes
Вид технологического воздействия Предполагаемое количество проходов РШП
Профилактическое 1-2
Ремонтное 3-4
Восстановительное 5-7
Таблица 3 Table 3
Рекомендуемые скорости РШП 2.0 Recommended speeds of RGT 2.0
Вид технологического воздействия Рабочая скорость РШП, км/ч Частота вращения шлифовального круга, об/мин
Профилактическое 20...30 7000
Ремонтное 15...20 6000
Восстановительное 10...15 5000
С учетом принятой рабочей скорости РШП 2.0, соответствующей ей частоте вращения шлифовального круга и определенным съемом металла t при шлифовании, определено рекомендуемое значение усилия прижатия шлифовального круга к рельсу по токовой нагрузке на электродвигатель шлифовальной головки [9, 10] (табл. 4).
Таблица 4 Table 4
Токовые нагрузки на электродвигателе для обеспечения требуемого съема металла на различный скоростях движения РШП 2.0 Current loads on electric motor to achieve required metal removal at different speeds of RGT 2.0
После определения всех параметров технологического процесса шлифования рельсов, заключительным этапом реализации методики является расчет необходимого количества проходов рельсошлифовального поезда, которое определяется количеством проходов отдельных шлифовальных головок для формирования ремонтного профиля рельсов. В общем виде количество проходов определим по формуле
J=N/Npa6,
где N - требуемое количество проходов шлифовальных головок для формирования ремонтного профиля рельса; ^аб - количество действующих (рабочих) шлифовальных головок на одну рельсовую нить.
Результаты исследования
С целью подтверждения работоспособности разработанной методики проектирования технологических процессов шлифования рельсов, проведена её апробация, в ходе которой решены следующие задачи:
- проверка правильности расчета необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсошли-фовального поезда;
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2024. № 3 TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
- проверка правильности расчета необходимого съема металла с головки рельса для формирования проектного ремонтного профиля при выбранных режимах шлифования для каждой шлифовальной головки;
- формирование рекомендаций по корректировке апробируемой методики.
Испытание методики осуществлено на экспериментальной рельсошлифовальной установке (УРШ), состоящей из отдельного участка пути длиной 100 м, стандартной колеи 1520 мм (рис. 7, а), на котором перемещается рельсо-шлифовальная тележка (рис. 7, б). Тележка приводится в движение при помощи привода лебедочного типа, содержащего двигатель, передачу (муфта, тормоз, редуктор одноступенчатый) и барабана с однослойной навивкой. В качестве источника энергии используется дизель-генераторная установка мощностью 200 кВт. Работа УРШ в режиме испытаний - автоматическая, контролируется системой управления и управляется с персонального компьютера.
а б
Рис. 7. Общий вид рельсошлифовальной установки (УРШ): а - участок пути; б - рельсошлифовальная тележка
Fig. 7. General view of the rail handling unit (RGM): a - track section; б - rail trolley
Прижатие шлифовального круга к обрабатываемой поверхности рельса основано на 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.
Привод шлифовального круга осуществляется за счет нового высокоскоростного электродвигателя производства АО «Тайфун», имеющего следующие характеристики:
- номинальная частота вращения ротора пном 7000 об/мин;
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Рабочая скорость шлифования, км/ч, при частоте вращения шлифовального круга Съем металла, мм
0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Ток, А
10 (5000 об/мин) 70-75 80-85 90-95 95-100 105-110
15 (6000 об/мин) 80-85 85-90 95-100 100-105 -
30 (7000 об/мин) 85-90 90-95 100-110 - -
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
- номинальная мощность на роторе при пном 46,5 кВт;
- способ возбуждения - постоянные магниты;
- диапазон изменения частоты вращения вала - от 0,7п ном до пном;
- номинальная мощность на роторе при 0,7п ном 33,2 кВт.
В соответствии с ранее установленными характеристиками технологического процесса скоростного шлифования рельсов УРШ имеет следующие характеристики:
- диапазон изменения частоты вращения шлифовального круга от 3600 до 7000 об/мин;
- диапазон изменения скорости перемещения тележки от 8 до 30 км/ч;
- диапазон изменения угла наклона шлифовального электродвигателя от +20 до -70° 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 0,5 до 3 кН.
При испытаниях методики использованы следующие средства измерения и контроля:
- лазерный тахометр «Мегеон 18005» для измерения частоты вращения шлифовального круга;
- цифровой, трехосевой акселерометр-инклинометр АЦт 90 для измерения поперечных углов наклона шлифовального электродвигателя;
- штангенциркуль ШЦЦ-1-300-0,01 для измерения ширины дорожки шлифования;
- профилограф рельсовый ПР-03 для измерения поперечного профиля головки рельса до и после шлифования и оценки съема металла после механической обработки;
- преобразователи давления ОВЕН ПД100И-ДИ1,6-111-0,5 для измерения давления в пневмосистеме.
При испытаниях использованы три образца рельсов с различной наработкой и с различных участков железнодорожного пути, которые устанавливались на экспериментальной площадке (табл. 5).
Образцы рельсов устанавливались по оси пути, уровень головки рабочего рельса совпадал с уровнем головки рельса стандартного пути.
Таблица 5 Table 5
Образцы рельсов, используемые при апробации методики Rail samples used in testing methodology
Номер образца Наработка, млн т брутто Прямой/ Кривой участок пути Радиус кривой, м Внешняя/ Наружная рельсовая нить
17 100 Прямая - -
18 80 Кривая 510 Наружная
80 120 Кривая 270 Наружная
Закрепление рельса происходило на специальных кронштейнах (рис. 8). Исходные поперечные профили образцов рельсов представлены на рис 9.
г- ¿¿Л SS*
Рис. 8. Экспериментальные образцы рельсов Fig. 8. Experimental rail samples
№ маркировки образца
17
18
80
Рис. 9. Геометрия поперечных профилей рельсовых образцов
Fig. 9. Rail profiles geometry
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Методика расчета параметров шлифования рельсов реализована в виде разработанного программного обеспечения, которое обладает следующим функционалом:
- производить расчет необходимого съема металла с головки рельса для формирования проектного ремонтного профиля с учетом фактического состояния рельсов;
- производить расчет необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсошлифовального поезда;
- определять оптимальные режимы шлифования (усилие прижатия шлифовального круга для соответствующей скорости перемещения и частоты вращения шлифовального круга с определением съема металла);
- производить расчет необходимого количества проходов рельсошлифовального поезда.
Для проведения указанных расчетов в качестве исходных данных в программное обеспечение загружаются геометрические параметры исходного и ремонтного профилей рельсов (рис. 10).
0 3 6 9 12 15
-30 -20 -10
10 20
30
\ 3
2
Таблица 6 Table 6
Режимы шлифования при проведении апробации методики Grinding modes during method testing
Угол наклона шлифовальной головки, град Скорость шлифовальной тележки УРШ, км/ч Частота вращения шлифовальной головки, об/мин Давление пневмосис- темы прижатия шлифовального круга к рельсу, атм Токовая нагрузка в обмотках статора электродвигателя, А
-70...-40 0,8 80
-39...-20 20 6000 1,0 90
-19...+10 1,2 95
+11&+20 1,0 90
Рис. 10. Наложение ремонтного и фактического профилей в программном обеспечении: 1 - ремонтный профиль; 2 - фактический профиль; 3 - участки съема на текущем
Fig. 10. Overlaying repair and actual profiles in software: 1 - repair profile; 2 - actual profile; 3 - removal areas on the current
С помощью разработанного программного обеспечения для каждого рельсового образца сформирован технологический процесс шлифования образцов рельсов - произведен расчет и сформировано задание на шлифование. В соответствии с результатами расчета определены углы расстановки шлифовальных головок и соответствующие режимы шлифования (табл. 6).
Для подтверждения работоспособности методики необходимо сравнение результатов расчета с фактически получаемыми значениями при шлифовании испытуемых образцов рельсов.
С этой целью каждый рельсовый образец подвергался шлифованию на УРШ по следующей методике:
- шлифовальная головка устанавливалась на угол, полученный расчетом для первой шлифовальной головки с зоной контакта с рельсом в точке А (рис. 11, а);
- выполнялся рельсошлифовальный проход на режимах, представленных в табл. 6, формировалась дорожка шлифования МК с соответствующим съемом металла (рис. 11, б);
- шлифовальная головка переводилась на следующий угол наклона таким образом, чтобы шлифовальный круг контактировал с поверхностью головки рельса на границе дорожки шлифования в точке М (рис. 11, в), для обеспечения максимальной производительности;
- производилось измерение фактического угла наклона шлифовальной головки в точке М. С точки зрения апробации методики фактический угол должен совпадать с расчетным значением;
- производился шлифовальный проход с формированием следующей дорожки шлифования DL (рис. 11, г).
в г
Рис. 11. Схема последовательности установки шлифовальной головки при апробации
Fig. 11. Scheme of sequence installation grinding head during testing
0
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
На следующем проходе круг устанавливается на угол для контакта в точку D и т.д. Аналогично произведена установка шлифовальной головки на последующих проходах до полного охвата шлифованием всей поверхности рельса.
Суть апробации заключается в сравнении параметров шлифования, полученных путем расчета по разработанной методике, с фактически полученными результатами шлифования. При проведении апробации основными критериями оценки работоспособности разработанной методики являлись:
- при проверке правильности расчета необходимых поперечных углов наклона шлифовальных головок для каждого прохода рельсо-шлифовального поезда - совпадение последовательности и величины углов наклона шлифовальных головок (расчетного и фактического значения);
- при проверке правильности расчета необходимого съема металла с головки рельса для формирования проектного ремонтного профиля при выбранных режимах шлифования для каждой шлифовальной головки - совпадение расчетного и фактического значения съема металла;
- при проверке правильности расчета количества проходов рельсошлифовального поезда - совпадение проектного и сформированного профиля рельсов с точностью ±0,3 мм по всему поперечному профилю рельса за установленное количество проходов с определенными углами наклона шлифовальных головок.
Результаты расчета параметров шлифования по разработанной методике, фактические результаты шлифования образцов рельсов, формирование дорожек шлифования по проходам и соответствующий съем металла при шлифовании представлены в табл. 7.
Таблица 7 Table 7
Результаты апробации методики Testing methodology results
Экспериментальные результаты Расчетные данные Отклонения данных по углу наклона, град
Шаг угла Угол шлиф. головки, град Съем металла, мм Ширина дорожки шлифования, мм Давление прижатия, атм Токовая нагрузка электродвигателя, А Угол шлиф. головки, град Необходимый съем металла, мм
Образец № 17
- -52 0,10 4,81 0,8 65 -52 0,11 0
10 -42 0,24 3,41 0,8 69 -49 0,30 7
7 -35 0,26 5,64 0,8 80 -31 0,28 4
7 -28 0,21 4,42 1,0 85 -28 0,22 0
8 -20 0,25 4,57 1,0 80 -19 0,23 1
8 -12 0,21 4,40 1,2 80 -17 0,25 5
3 -9 0,13 4,95 1,2 75 -15 0,19 6
3 -6 0,13 6,32 1,2 75 -13 0,20 7
2 -4 0,05 8,02 1,2 70 -8 0,10 4
2 -2 0,09 8,55 1,2 80 -6 0,15 4
2 0 0,12 13,61 1,2 80 -4 0,10 4
2 2 0,08 9,52 1,2 75 -2 0,15 4
2 4 0,06 8,02 1,2 75 2 0,10 2
2 6 0,10 10,14 1,2 85 4 0,12 2
3 9 0,23 7,10 1,2 100 6 0,25 3
3 12 0,29 6,73 1,0 110 8 0,32 4
8 20 0,45 4,52 1,0 110 16 0,50 4
- - - - - - 18 0,38 -
- - - - - - 20 0,35 -
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
Продолжение табл. 7
Экспериментальные результаты Расчетные данные
Шаг угла Угол шлиф. головки, град Съем металла, мм Ширина дорожки шлифования, мм Давление прижатия, атм Токовая нагрузка электродвигателя, А Угол шлиф. головки, град. Необходимый съем металла, мм Отклонения данных по углу наклона, град.
Образец № 18
- - 63 0,32 4,10 0,8 65 -63 0,32 0
11 -52 0,10 4,60 0,8 60 -60 0,20 8
7 -45 0,25 4,53 0,8 70 -43 0,27 2
8 -37 0,16 3,59 0,8 78 -40 0,20 3
6 -31 0,19 3,67 1,0 78 -28 0,22 3
7 -24 0,20 3,84 1,0 85 -26 0,22 2
4 -20 0,19 5,20 1,0 65 -24 0,24 4
4 -16 0,26 5,80 1,2 70 -22 0,30 6
6 -10 0,19 6,11 1,2 75 -14 0,24 4
4 -6 0,13 6,56 1,2 80 -12 0,21 6
3 -3 0,13 8,48 1,2 80 -10 0,21 7
3 0 0,07 8,86 1,2 70 -8 0,10 8
3 3 0,06 12,68 1,2 70 -1 0,08 4
3 6 0,08 8,46 1,2 75 1 0,10 5
2 8 0,10 5,29 1,2 75 3 0,12 5
5 13 0,13 4,71 1,0 70 5 0,20 8
5 18 0,17 4,65 1,0 70 12 0,21 6
- - - - - - 14 0,25 -
- - - - - - 16 0,25 -
- - - - - - 18 0,28 -
Образец № 80
- -70 0,43 3,82 0,8 75 -70 0,44 0
10 -60 0,31 4,02 0,8 75 -67 0,36 7
9 -51 0,18 6,68 0,8 75 -53 0,20 2
8 -43 0,25 4,54 0,8 85 -50 0,30 7
14 -29 0,25 4,17 1,0 95 -31 0,28 2
12 -17 0,19 4,31 1,0 70 -29 0,25 12
5 -12 0,13 4,31 1,0 75 -27 0,25 15
3 -9 0,24 5,33 1,2 75 -25 0,30 16
3 -6 0,12 5,98 1,2 75 -15 0,20 9
2 -4 0,07 6,69 1,2 70 -13 0,18 9
2 -2 0,07 11,24 1,2 65 -11 0,15 9
2 0 0,04 7,57 1,2 75 -9 0,12 9
2 2 0,13 7,77 1,2 75 -3 0,15 5
2 4 0,16 7,30 1,2 80 -1 0,19 3
2 6 0,16 6,61 1,2 90 1 0,22 5
3 9 0,17 5,94 1,2 100 3 0,25 6
3 12 0,17 5,42 1,0 100 9 0,20 3
7 19 0,19 3,46 1,0 95 11 0,25 8
- - - - - - 13 0,22 -
- - - - - - 15 0,20 -
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
По результатам расчета в программном обеспечении параметров шлифования определено количество проходов рельсошлифоваль-ного поезда для достижения заданного ремонтного профиля рельсов. Для всех испытываемых рельсовых образцов рассчитано необходимое количество проходов (табл. 8).
После реализации на рельсошлифоваль-ной установке требуемого количества проходов произведено сравнение полученного поперечного профиля рельсов по точности формирования на поверхности катания с заданным ремонтным профилем.
Таблица 8 Table 8
Результаты апробации методики по количеству проходов РШП Testing methodology results of number passes of RGT
№ образца
Расчетное количество проходов
Наложение полученного и заданного профилей рельсов
Испытания показали, что точность формирования профиля рельсов в зависимости от типа образца рельса различна. Максимальная разница расчетного угла наклона шлифовальной головки от фактически полученного составила 16 град и носит накопительный эффект из-за установленного в методике значения угла развала электродвигателей, находящихся в одной шлифовальной люльке - 2 град. При этом 30 % всех расхождений находится в диапазоне 7-16 град, 40 % всех отклонений углов наклона шлифовальной
головки находится в области развала двигателей 2-3 град. Для обработки всей поверхности рельса в среднем требуется 16-18 проходов абразивного инструмента. Из-за недостаточного развала шлифовальных головок внутри одной шлифовальной люльки расчетное количество проходов на 1-3 прохода превышает фактически необходимое в зависимости от типа рельса.
Расчетный съем металла практически во всех случаях превышает фактический. Отклонения съема металла различны и в половине случаев не превышают 25 %. В 30 % случаев разница расчетного и фактического съема металла составляет 32-67 %. При этом есть и более значительные расхождения значений ? в 2-3 раза. Это связано с расхождениями фактического и расчетного углов наклона шлифовальной головки. Из-за разницы углов формируется дорожка шлифования отличной ширины, что не позволяет реализовать требуемую токовую нагрузку в обмотках электродвигателя при заданном давлении прижатия шлифовального круга к рельсу. Наибольшие расхождения съема металла характерны для профилирующих тележек, где шлифовальные головки установлены по четыре штуки в одну люльку и развал между ними фиксированный. В данном случае негативную роль играет накопительный эффект, при котором погрешность в съеме металла на первой шлифовальной головке передается на последующие шлифовальные круги. На расхождения съема металла оказывает влияние недостаточная на сегодняшний день точность эмпирических зависимостей съема металла от угла наклона шлифовальной головки (см. рис. 6). При всех возникших отклонениях разница геометрических параметров требуемого ремонтного профиля рельса и фактически полученного после шлифования за установленное количество проходов не превышает 0,3 мм, что соответствует требованиям к реализации технологического процесса шлифования рельсов.
Заключение
Результаты апробации показали, что методика позволяет сформировать технологический процесс для всех типов рельсов с различной наработкой и различными условиями эксплуатации.
Для повышения точности расчетных параметров технологического процесса шлифования рельсов в методику необходимо внести коррективы:
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
1. Устанавливать углы развала не равномерно по каждой из шлифовальных люлек, как изначально заложено - 1,5...2 град (см. табл. 1), а по следующим значениям в шлифовальных люльках:
- 5 град в профилирующих тележках (головки № 1...8 и № 41...48);
- 2...3 град во 2 и 5 сглаживающих тележках (головки № 9.. .16 и 33...40);
- 1,5...2 град в 3 и 4 сглаживающих тележках (головки 17.. .32).
Данное решение позволит максимально приблизить результаты расчетов к фактическим значениям (оптимальным) при расчете углов наклона шлифовальных головок.
2. Требуется уточнение данных в части формируемых токовых нагрузок в обмотках электродвигателя при заданном усилии прижатия шлифовального круга к рельсу.
3. Необходимо получение новых и совершенствование имеющихся зависимостей съема металла и ширины дорожки шлифования от угла наклона шлифовальной головки для различных условий эксплуатации железнодорожного пути, режимов шлифования и применяемого абразивного инструмента.
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. 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. Рр. 6-8.
4. Высокоскоростное шлифование рельсов // Железные дороги мира. 2011. № 8. C. 62-66.
5. Verma S., J S B., Shah V. Influence of rail grinding operations on the World's Largest Multimodal Network // Conference: International Conference on Advances in Design, Materials, Manufacturing and Surface Engineering for Mobility. 2022. DOI: 10.4271/2022-28-0560
6. Liu P., Zou W., Peng J., Xiao F. Investigating the effect of grinding time on high-speed grinding of rails by a passive grinding test machine // Micromachines. 2022. Vol. 1. 2118 p. DOI: 10.3390/mi13122118.
7. Koshin A.A., Chaplygin B.A., Isakov D.V. Adequacy of the operating conditions of abrasive grains // Russian Engineering Research. 2011. Vol. 31 (12). Pp. 1221-1226. DOI: 10.3103/S1068798X11120161
8. Doman D., Warkentin A., Bauer R. A survey of recent grinding wheel topography models // International journal of machine tools & manufacture. 2006. Vol. 46. Pp. 343-352. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.05.013
9. Экспериментальные исследования режимов скоростного шлифования рельсов / А.С. Ильиных, А.С. Пикалов, В.К. Милорадович, М.С. Галай // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2023. Т. 25, № 3. С. 19-35. DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.3-19-35.
10. 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. DOI: 10.17213/1560-3644-2023-3-28-37
11. Ilinykh A., Vorontsov D., Miloradovich V. New working equipment of PXP 2.0 high-performance rail way train // E3S Web of Conferences. 2024. Vol. 471. 02026. DOI:10.1051/e3sconf/202447102026
12. Ilinykh A., Pikalov A., Miloradovich V. A concept of adaptive control system for rail grinding // E3S Web of Conferences. 2023. Vol. 402. 06019. DOI:10.1051/e3sconf/202340206019
13. Ilinykh A., Pikalov A., Jurkova E. Innovative solutions for a new technology of high-speed rail grinding // E3S Web of Conferences. 2024. Vol. 471. 02023. DOI:10.1051/e3sconf/202447102023
14. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: Пер. с англ. / У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен, Х. Турне, В. Эберсен. М.: Интекст, 2002. 408 с.
15. Суслов А.Г., Бишутин С.Г., Захаров Л.А. Инновационные технологии рельсообработки высокоскоростных железных дорог // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2020. № 8. С. 11-17. DOI:10.30987/2223-4608-2020-8-11-17.
References
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;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. High-speed rail grinding. Railways of the World. 2011;(8):62-66. (In Russ.)
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2024. No 3
5. Verma S., J S B., Shah V. Influence of rail grinding operations on the World's Largest Multimodal Network.
Conference: International Conference on Advances in Design, Materials, Manufacturing and Surface Engineering for Mobility. 2022. DOI: 10.4271/2022-28-0560
6. Liu P., Zou W., Peng J., Xiao F. Investigating the effect of grinding time on high-speed grinding of rails by a passive grinding test machine. Micromachines. 2022;(1):2118. DOI: 10.3390/mi13122118.
7. Koshin A.A., Chaplygin B.A., Isakov D.V. Adequacy of the operating conditions of abrasive grains. Russian Engineering Research. 2011;(31):1221-1226. (In Russ.) DOI: 10.3103/S1068798X11120161
8. Doman D., Warkentin A., Bauer R. A survey of recent grinding wheel topography models. International journal of machine tools & manufacture. 2006;(46):343-352. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2005.05.013
9. Ilinykh A.S., Pikalov A.S., Miloradovich V.K., Galay M.S. Experimental studies of high-speed grinding rails modes. Metal Working and Material Science. 2023;25(3):19-35. (In Russ.) DOI: 10.17212/1994-6309-202325.3-19-35.
10. 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.). DOI: 10.17213/1560-36442023-3-28-37
11. Ilinykh A., Vorontsov D., Miloradovich V. New working equipment of PXP 2.0 high-performance rail way train. E3S Web of Conferences. 2024;(471): 02026. DOI:10.1051/e3sconf/202447102026
12. Ilinykh A., Pikalov A., Miloradovich V. A concept of adaptive control system for rail grinding. E3S Web of Conferences. 2023;(402): 06019. DOI:10.1051/e3sconf/202340206019
13. Ilinykh A., Pikalov A., Jurkova E. Innovative solutions for a new technology of high-speed rail grinding. E3S Web of Conferences. 2024;(471):02023. DOI:10.1051/e3sconf/202447102023
14. Harris U., Zaharov S. M., Landgren D., Turne H., Jebersen V. Summary of best practices in heavy traffic: issues of wheel-rail interaction. Moscow: Intext; 2002. 408 p. (In Russ.).
15. Suslov A.G., Bishutin S.G., Zakharov L.A. Innovation technologies of rail working for high-speed railways. Science Intensive Technologies in Mechanical Engineering. 2020;(8):11-17. DOI: 10.30987/2223-4608-2020-8-11-17. (In Russ.).
Сведения об авторах
Ильиных Андрей Степанович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин», asi@stu.ru
Пикалов Александр Сергеевич - канд. техн. наук, директор, pikalov_alex@mail.ru Милорадович Владимир Константинович - гл. специалист, pp_1987@bk.ru Галай Марина Сергеевная- канд, техн. наук, доцент, galayms@mail.ru
Information about the authors
Audrey S. Ilinykh - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department «Dean of Management Transport and Technological Complexes Faculty», asi@stu.ru
Alexander S. Pikalov - Cand. Sci. (Eng.), Director, pikalov_alex@mail.ru
Vladimir K. Miloradovich - Main Specialist, pp_1987@bk.ru
Marina S. Galay - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, galayms@mail.ru
Статья поступила в редакцию / the article was submitted 20.05.2024; одобрена после рецензирования / approved after reviewing 10.06.2024; принята к публикации / accepted for publication 14.06.2024.
