CC BY
257
УДК 621.941.1
А. А. Николаев
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС С ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТЬЮ ОБОДА
Рассмотрены основные способы ремонта железнодорожного вагонного колеса. Уделено внимание восстановлению профиля поверхности катания колес с дефектами термомеханического происхождения. Показаны основные особенности восстановления вагонных колес повышенной твердости. Рассмотрены преимущества использования высоких скоростей резания при шлифовании. Обоснована возможность применения метода силового врезного профильного шлифования для ремонта колес с повышенной твердостью обода, а также рассмотрены возможности применения данного метода. Проведен сравнительный анализ параметров резания различных схем шлифования и их особенностей.
железнодорожные колеса, шлифование, восстановление.
Введение
Сложившиеся условия эксплуатации железнодорожного транспорта требуют повышения надежности и увеличения срока службы колес. За последние несколько лет почти в два раза увеличилось число дефектных колес с выщербинами на поверхности катания [1]. Одним из направлений повышения качества колес, включенных в стратегическую программу обеспечения устойчивого взаимодействия в системе колесо-рельс., является повышение твердости материала ободьев колес. В соответствии с этим в новой редакции ГОСТ 10791-2011 введена сталь марки Т, максимальная твердость которой составляет не менее 320 МПа на глубине 30 мм от поверхности катания.
1 Ремонт колес с повышенной твердостью обода
В настоящее время в вагоноремонтных депо восстановление профиля вагонных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт, выполняют согласно технологическому процессу механической обработки стандартных вагонных колес.
Основной объем механической обработки профилей колес производится точением на колесотокарных станках распространенных моделей UBB 112,
125
UCB 125 («Рафамет»), 1836 КЗТС, 165 «Хагеншейдт» и др. Восстановление профиля колеса выполняется путем его обтачивания за один или два прохода режущего инструмента. Обточкой за один проход восстанавливают в основном колеса с такими дефектами, как прокат, неравномерный прокат, небольшие раковины, за два прохода - колеса с ползунами, выщербинами, тонким гребнем, вертикальным подрезом гребня и др.
Восстановление профилей как стандартных, так и твердых колес выполняется в основном обточкой за два прохода. Если при восстановлении стандартных вагонных колес обточкой за два прохода устраняют в основном вертикальный подрез гребня, тонкий гребень, как наиболее часто встречающиеся дефекты, то при восстановлении «твердых» колес ситуация меняется и обточкой за два прохода устраняют в основном ТМП.
При восстановлении профиля колес повышенной твердости в настоящее время существует проблема технологического износа. Это явление выражается в снятии в стружку слоя полезного металла.
После двух-трех обточек упрочненный слой изнашивается или срезается в стружку. Весь остальной период срока службы колесные пары работают практически без упрочнения, все интенсивнее изнашиваются и поражаются дефектами термоконтактно-усталостного происхождения. В результате на поверхности катания колес, поступающих из эксплуатации в ремонт, часто имеются участки, которые вызывают затруднения при восстановлении профиля обточкой, ухудшая обрабатываемость.
Для сохранения режущего инструмента обточка на колесотокарных станках ведется «под корку» с увеличением глубины резания, то есть при ремонте срезается работоспособный металл обода. Снижается износостойкость металла обода и ресурс колеса. Производительность обработки при увеличении глубины резания падает, срок службы колесной пары сокращается. Исследованиями установлено [2], что в среднем при ремонте в стружку уходит 3-4 мм и более полезного металла с каждого колеса.
Твердость уменьшается по поперечному сечению обода колеса. По данным [3], снижение твердости обода на одну единицу НВ в эксплуатационном интервале твердостей снижает его износостойкость примерно на один процент. То есть вследствие срезания слоя металла обода при обточках не только уменьшается диаметр колеса, но и снижается его износостойкость.
Кроме того, процесс восстановления профиля колес повышенной твердости характеризуется высокими затратами, обусловленными повышенным расходом твердосплавных режущих пластин, который в 3-5 раз выше расхода при восстановлении профиля стандартных вагонных колес [4]. Твердосплавные пластины разрушаются из-за ударных нагрузок, возникающих от термомеханических повреждений вагонных колес и превышающих предел прочности режущего инструмента.
Таким образом, проблема продления срока службы колеса и снижения затрат на восстановительные работы является актуальной.
126
2 Особенности процесса шлифования
Перспективным направлением повышения эффективности процесса восстановления профиля поверхности катания вагонного колеса является шлифование [5], [6], [7]. Одним из путей повышения производительности при механической обработке является внедрение в производство врезного силового шлифования, которое в большинстве случаев более эффективно, чем обработка лезвийным инструментом. Силовое шлифование заключается в съеме стружки большой глубины, кроме того, характеризуется большими скоростями съема металла [8]: Ре > 1, где Ре = tVJa - критерий Пекле, характеризующий относительную скорость съема металла; V - продольная скорость перемещения детали, м/с; t - глубина шлифования, м; а - коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала, м2/с.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в области абразивной обработки наглядно демонстрируют, что эффективность процесса шлифования напрямую зависит от скорости резания, которая задается скоростью вращения круга.
Точность обработки, удельная производительность и качество поверхностного слоя определяют отличие силового шлифования от обточки. Если исходить из требований по точности и удельной производительности, то необходимо обеспечить такие условия работы шлифовального круга, чтобы максимальная глубина врезания абразивного круга в обрабатываемый материал была того же порядка, что и при обычном шлифовании. При прочих равных условиях наибольшая глубина врезания
где с - коэффициент; Ук - скорость вращения круга, м/с; D - диаметр абразивного круга, м.
Тангенциальная составляющая силы резания Pz при постоянных максимальных контактных температурах шлифования возрастает незначительно [8]. С увеличением числа режущих зерен по дуге контакта и уменьшением усредненной толщины стружки возрастает нормальная составляющая силы резания Р Отношение Р/Р2 возрастает в 10 раз и более.
Практика показала, что при переходе на более высокие скорости резания приходится сталкиваться с целым рядом проблем. Так, например, значительно повышается контактная температура шлифования, увеличиваются интенсивность вибраций и центробежные силы, приложенные к вращающемуся кругу. Повышенный уровень интенсивности съема металла при шлифовании определяет рост температуры в зоне шлифования и степени прижога
127
обработанной поверхности, то есть глубину дефектного поверхностного слоя металла с измененной структурой и пониженной твердостью.
При шлифовании в зоне контакта круга с деталью возникают высокие температуры, которые иногда превышают критически точки плавления шлифуемых металлов. Такая температура сохраняется доли секунды, так как подавляющая часть возникающей теплоты сразу отводится нижележащими слоями холодного металла. Однако несмотря на кратковременность нагрева появляются структурные изменения, внешне характеризующиеся прижогами. Кроме прижогов, на поверхностях деталей после шлифования часто наблюдаются трещины в результате действия суммарных остаточных внутренних напряжений [9]. При шлифовании выбор оптимальных режимов резания зависит от производительных требований. При чистовом шлифовании закаленных сталей лимитирующим фактором является появление прижогов на шлифованной поверхности.
3 Сравнение способов шлифования
Исследования показали, что при плоском врезном шлифовании на режимах V = 35 м/с и V = 0,23...0,33 м/с предельные глубины, обеспечивающие отсутствие трещин, определяются значениями (0,06.0,07) •Ю-3 м. С увеличением глубины шлифования контактные температуры возрастают. А при глубине (0,1.0,15) -10-3 м рост температуры замедляется и стабилизируется при глубине (0,1..0,2) 10-3 м [8]. Скорости круга и детали по-разному влияют на контактную температуру, что позволяет повысить производительность процесса при высокоскоростном шлифовании без возрастания контактной температуры за счет увеличения скорости детали. При шлифовании со скоростью круга до 70 м/с и глубинах резания до 5 • 10-3 м полностью отсутствовали дефекты в виде трещин при одновременном росте производительности.
С ростом скорости подачи детали V д растет интенсивность обработки, но при этом одновременно уменьшается время контакта каждой точки шлифованной поверхности детали с источником тепла и температура [10].
Интенсификация обработки деталей из труднообрабатываемых материалов достигается методами глубинного и высокоскоростного шлифования.
Опыты по выбору режимов круглого врезного шлифования [11] показали, что при постоянной скорости врезания Ук = 80 м/с подача S = 10 мм/мин.
При глубинном шлифовании при большой глубине шлифования (t = = 0,2.20 мм) и низкой продольной подаче (К = 0,06.0,5 м/мин) увели-
чивается длительность контакта источника теплового поля с обрабатываемой деталью, что вызывает повышение температуры в зоне шлифования и возникновение прижогов.
Однако при обычном маятниковом и глубинном шлифовании практикуется скорость V = 30 м/с, а по высокоскоростной технологии Гюринга (HSG),
128
которая сочетает в себе большую глубину шлифования с высокой скоростью подачи, применяются более высокие скорости от 60 до 250 м/с.
Заключение
Изложенное выше позволяет сделать вывод о возможности применения шлифования для обработки поверхности катания колесных пар, но следует грамотно подбирать методы и режимы обработки исходя из рациональности применения того или иного метода.
Библиографический список
1. Влияние твердости поверхности катания железнодорожных колес на параметры режима обработки / И. А. Иванов, А. А. Воробьев, В. С. Кушнер, А. С. Безнин // Новые материалы и технологии в машиностроении : сб. науч. трудов ; под ред. Е. А. Памфилова. - Вып. 3. - Брянск : БГИТА, 2004. - С. 37-41.
2. Разработка ресурсосберегающих технологий колес железнодорожного подвижного состава : дис. ... д-ра техн. наук / С. В. Урушев. - СПб., 2000. - 451 с.
3. Повышение твердости колес подвижного состава / Д. П. Марков // Вестник ВНИИЖТа. - 1995. - № 3. - С. 10-17.
4. Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт с термомеханическими повреждениями : дис. ... канд. техн. наук / А. В. Обрывалин. - Омск, 2010. - 146 с.
5. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог: монография / под ред. проф. И. А. Иванова. - М. : Инфра-М, 2011. - 264 с.
6. Повышение эффективности восстановления железнодорожных колес с повышенной твердостью обода / И. А. Иванов, С. В. Урушев // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету 1меш В. Даля. - 2010. - № 10 (152), ч. 1. - С. 79-83.
7. Оценка возможностей процессов восстановления профиля поверхности колесных пар / И. А. Иванов, С. В. Урушев, Д. П. Кононов, А. А. Воробьев // Вюник Схщноукрашського нацюнального ушверситету 1меш В. Даля. - 2010. - № 10 (152), ч. 1.
8. Глубинное шлифование деталей из труднообрабатываемвых материалов / С. С. Силин, В. А. Хрульков, А. В. Лобанов, Н. С. Рыкунов. - М. : Машиностроение 1984. - 64 с.
9. Теория и практика управления производительностью шлифования / Е. П. Калинин. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. - 358 с.
10. Оптимизация процесса шлифования / А. В. Якимов. - М. : Машиностроение, 1975. - 176 с.
11. Выбор режима врезного шлифования колесной стали / А. М. Будюкин, И. А. Иванов, С. В. Урушев // Конструкционно-технологическое обеспечение надежности колес рельсовых экипажей : сб. науч. трудов. - СПб. : ПГУПС, 2009. - С. 89-93.
© Николаев А. А., 2014
129
