CC BY
18
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ МЛСИШЕ BUILDING AND THEORETICAL ENGINEERING
Научная статья УДК 621.923.1
doi: 10.17213/1560-3644-2022-4-46-56
ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ РЕЛЬСОШЛИФОВАЛЬНЫХ ПОЕЗДОВ МЕТОДОМ СКОРОСТНОГО ШЛИФОВАНИЯ
А.С. Ильиных1, А.С. Пикалов2, М.С. Галай1, В.К. Милорадович2
'Сибирский государственный университет путей сообщений, г. Новосибирск, Россия, 2Центр инфраструктурных технологий АО «СТМ», г. Москва, Россия
Аннотация. Наиболее перспективным методом продления жизненного цикла рельсов является их шлифование с применением рельсошлифовальных поездов. Механическая обработка поверхности катания головки рельса позволяет удалять образовавшиеся дефекты, не давая возможности их развития до стадии остродефектных, требующих изъятия рельса из эксплуатации.
Применяемая в настоящее время технология шлифования рельсов требует организации технологических окон в движении поездов вследствие очень низкой производительности рельсошлифовальных машин. Это ведет к значительным издержкам перевозчиков из-за ограничений движения на участке железнодорожного пути. Повышение производительности рельсошлифовальных поездов на сегодня является актуальной и нерешенной задачей.
Предлагается увеличить рабочую скорость рельсошлифовального поезда путём увеличения частоты вращения шлифовальных кругов и задания им угла атаки. Представлены результаты опытно-промышленных испытаний технологии скоростного шлифования рельс, которые подтвердили возможность повышения скорости рельсошлифовального поезда в 2раза (до 15 км/ч) благодаря увеличению частоты вращения шлифовальных кругов до 5000 мин'1 и задания угла атаки 0,35°, без уменьшения съема металла с головки рельса. При этом шероховатость поверхности в новой технологии увеличилась на 50 %, но осталась в допустимом диапазоне значений.
Ключевые слова: шлифование, железнодорожные рельсы, съем металла, производительность, шероховатость, качество шлифования, эффективность
Для цитирования: Ильиных А.С., Пикалов А.С., Галай М.С., Милорадович В.К. Повышение производительности рельсошлифовальных поездов методом скоростного шлифования // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. № 4. С. 46-56. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-4-46-56
Original article
INCREASING THE PERFORMANCE OF RAIL GRINDING TRAINS BY THE METHOD OF SPEED GRINDING
A.S. Ilinykh1, A.S. Pikalov2, M.S. Galay1, V.K. Miloradovich
'Siberian Transport University, Novosibirsk, Russia, 2Center for Infrastructure Technologies of STM, Moscow, Russia
Abstract. The moist promising method of extending rail life cycle is grinding by rail grinding trains. Mechanical treatment rolling surface of head rail remove formed defects and prevent development of acute defects which must removal rails from operation. Rail grinding technology currently is used requires organization of train traffic technological gaps due to very low efficiency of rail grinding machines. It is to lead to significant costs for carriers due to traffic restrictions of railway. Improving efficiency of rail grinding trains is actual and unsolved problem today.
It is proposed to increase working speed of the rail grinding train by increasing rotation speed of the grinding wheels and setting angle ofattack. The results of high-speed rail grinding technology pilot tests are presented. The results confirmed possibility of increasing 2 times of speed of rail grinding train (up to 15 km /h) due to increasing rotation speed ofgrinding wheels to 5000 rpm and setting angle of attack to 0.35°, without reducing removal of rail head metal. At the same time, surface roughness increased by 50% but remained in acceptable range of values in new technology.
© Ильиных А.С., Пикалов А.С., Галай М.С., Милорадович В.К., 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Keywords: grinding, railway rails, metal removal, efficiency, roughness, grinding quality
For citation: 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):46-56. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-4-46-56
Введение
Шлифование рельсов является важным процессом при проведении работ по ремонту и текущему содержанию железнодорожного пути. При помощи шлифования производится удаление дефектов на поверхности катания, таких как выкрашивание металла, усталостные трещины, волнообразный износ, а также формируется необходимый поперечный профиль рельса, что позволяет значительно увеличить срок его службы.
Удаляемые шлифованием дефекты рельсов характеризуются двумя основными параметрами - это глубина дефекта к и его длина I. В зависимости от величины дефекта для его устранения могут назначаться различные технологические воздействия, такие как профилактическое шлифование (ПШ), ремонтное шлифование (РШ) и восстановительное шлифование (ВШ). Указанные технологические воздействия отличаются между собой периодичностью выполнения и требуемым количеством проходов. Основные характеристики дефектов рельсов, устраняемых шлифованием, представлены в табл. 1.
Железнодорожные рельсы шлифуют специальными путевыми машинами - рельсошлифо-вальными поездами (рис. 1, а). Обработка поверхности головки рельсов осуществляется абразивными кругами, закрепленными на валах электродвигателей, которые установлены на шлифовальных тележках (рис. 1, б).
б
Рис. 1. Рельсошлифовальный поезд: а - общий вид; б - рабочее оборудование / Fig. 1. Rail grinding train: a - general view; б - working equipment
Таблица 1 / Table 1
Характеристики дефектов рельсов, удаляемых шлифованием / Characteristics of rail defects removed by grinding
Тип дефекта Код дефекта Признаки дефектов Вид технологического воздействия
ПШ РШ ВШ
Трещины и выкрашивания 10.1 10.2 11.1 11.2 12.1 12.2 к > 2 мм, 1 > 25 мм 0 < h < 2 2 < h < 3 3 < h < 4
13.1 к > 2 мм, 1 > 25 мм 0 < h < 2 2 < h < 4 4 < h < 6
16.3 16.4 17.3 17.4 к > 2 мм (в зоне сварного стыка) 0 < h < 2 2 < h < 4 4 < h < 6
Волнообразный износ 40.0 25 < 1 < 150 см (длинная волна), к > 1 мм 0 < h < 1 1 < h < 1,5 1,5 < h < 3
2,5 < 1 < 25 см (короткая волна), к > 1 мм 0 < h < 1 1 < h < 1,5 1,5 < h < 3
Вертикальный износ 41.0 15 < кб < 20 мм (для Р65 и Р75), 0 < h < 1,5 1,5 < h < 3 3 < h < 6
Боковой износ 44.0 0 < h < 1 1 < h < 2 2 < h < 4
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Конструктивно шлифовальные электродвигатели имеют возможность поперечного наклона на углы от +20 до -60 градусов относительно вертикальной оси рельса (рис. 2, а). Это позволяет позиционировать абразивный инструмент для обработки поверхности головки рельса по всему профилю (рис. 2, б).
б
Рис. 2. Рабочее оборудование рельсошлифовального поезда:
а - наклон шлифовального электродвигателя; б - схема обработки головки рельса / Fig. 2. Working equipment of rail grinding train: a - slope of grinding motor; б - rail head processing scheme
Обработка рельса осуществляется методом плоского шлифования торцом круга. При этом шлифовальные круги прижимаются к поверхности головки рельса пневмоцилиндрами. Усилие прижатия задается значением токовой нагрузки на обмотках шлифовальных электродвигателей и контролируется посредством управляющей системы, которая увеличивает или уменьшает давление в пневмоцилиндре в зависимости от фактической токовой нагрузки электродвигателя в процессе шлифования, тем самым поддерживая заданное значение [1].
Основные технические характеристики и режимы работы существующих рельсошлифо-вальных поездов [1]:
- мощность шлифовального электродвигателя 18,5.. .21,0 кВт;
- частота вращения шлифовального круга 3600 мин-1;
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
- рабочая скорость движения поезда 4.. .8 км/ч;
- рабочий диапазон токовых нагрузок электродвигателя 21.27 А;
- возможный съем металла с головки рельса 0,05.0,3 мм.
Основным недостатком применяемой на сегодняшний день технологии является её невысокая производительность, которая требует организации технологических окон. Существующие скорости работы рельсошлифовальных поездов (до 8 км/ч) не позволяют их использовать в рамках расписания движения пассажирских и грузовых составов, что приводит к необходимости закрытия для движения целых перегонов, и как следствие, к возникновению больших финансовых затрат, вызванных уменьшением пропускных способностей участков железнодорожного пути [2].
Согласно теории абразивной обработки [3 - 5] увеличение продольной подачи шлифовального инструмента (скорости движения поезда) без увеличения скорости резания (частоты вращения шлифовального круга) приведет к значительному ухудшению параметров качества обработанной поверхности и уменьшению съема металла. Кроме того, нарушаются оптимальные режимы работы шлифовальных кругов, что способствует их интенсивному износу [6]. На основании вышеизложенного вопрос увеличения рабочей скорости рельсошлифовальных поездов на сегодняшний день является нерешенным и актуальным.
Общие сведения
В данной работе предлагается увеличить рабочую скорость движения рельсошлифоваль-ных поездов с помощью следующих технических (технологических) приемов, основанных на двух направлениях.
Первое направление - изменение схемы взаимодействия абразивного круга с рельсом. На основе теоретических предпосылок разработана принципиально новая схема плоского шлифования [7], которая позволяет стабилизировать процесс абразивной обработки и увеличить производительность шлифования без повышения износа инструмента. Принципиальное отличие новой схемы шлифования (рис. 3, б) от существующей состоит в том, что абразивный круг устанавливается под углом а к поверхности обрабатываемого рельса с раскрытием навстречу направления движения рельсошлифовального поезда (угол атаки). Такое взаимодействие шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью дает возможность реализовать равномерное распределение припуска между наибольшим числом абразивных зерен на
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
рабочей поверхности круга, что позволяет существенно снизить износ инструмента и уровень ударных нагрузок, возникающих из-за неровности обрабатываемой поверхности рельса. Максимальная эффективность предложенной схемы реализуется при правильном назначении угла а, величина которого зависит от съема металла. На основании проведенных теоретических и лабораторных исследований установлено, что при съёме металла 0,25.0,30 мм оптимальный угол атаки составляет 0,35°.
б
Рис. 3. Схемы взаимодействия абразивного инструмента с рельсом: а - применяемая технология; б - разрабатываемая технология / Fig.3. Interaction of an abrasive tool with a rail schemes: a - used technology; б - being developed technology
Второе направление определялось тенденциями современного машиностроения и заключалось в увеличении скорости резания. В настоящее время одним из наиболее перспективных направлений повышения эффективности процесса шлифования является повышение скорости вращения круга. Результаты фундаментальных теоретических и экспериментальных исследований в области шлифования, полученные в работах отечественных и зарубежных авторов, и накопленный практический опыт показали большое влияние скорости резания на выходные параметры процесса шлифования. Эффективность применения высокоскоростного шлифования рассмотрена во
многих работах, в которых на основании теоретических исследований доказывается, что увеличение скорости круга должно привести к пропорциональному уменьшению силы резания, при той же глубине резания [8 - 10], т.е. увеличение скорости круга позволяет увеличить скорость съема металла.
В комплексе два указанных направления легли в основу разрабатываемой технологии скоростного шлифования рельсов, исследования которой были проведены в лабораторных условиях, на макетных образцах и получены предварительные положительные результаты [7].
Постановка задачи
Практическое использование исследовательских данных, полученных ранее в лабораторных условиях, ограничено технологическими особенностями реального процесса шлифования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов. К таким особенностям относятся оригинальные алгоритмы работы управляющей системы рельсошлифовального поезда, продолжительность процесса обработки и взаимное расположение обрабатываемой поверхности и инструмента, воспроизвести которые в полной мере в лабораторных условиях не представлялось возможным. Как следствие, имеющиеся данные не позволяют дать адекватную технико-экономическую оценку процесса скоростного шлифования рельсов.
Для принятия решения о промышленной реализации технологии скоростного шлифования рельсов и создании рельсошлифовального поезда новой конструкции требуется оценка основных технологических параметров в реальных производственных условиях. Таким образом, с учётом изложенного, цель работы - проведение опытно-промышленных испытаний, которые являются важнейшим звеном при внедрении нового оборудования и технологий. Основной задачей опытно-промышленных испытаний, результаты которых представлены в данной статье, ставилась оценка эффективности принятых технических решений по повышению производительности процесса шлифования рельсов при увеличении рабочей скорости рельсошлифовального поезда в 2 раза (до 15 км/ч).
Основным сдерживающим фактором практической реализации указанных технических решений является отсутствие на сегодняшний день абразивного инструмента с повышенными прочностными характеристиками на разрыв. Рабочая частота вращения существующих рельсошлифо-вальных кругов ограничена 5000 мин-1. Учитывая отмеченное ограничение, в ходе указанных исследований требовалось:
а
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
- определить возможность повышения рабочей скорости рельсошлифовального поезда до 15 км/ч благодаря увеличению частоты вращения шлифовальных кругов до 5000 мин-1;
- оценить изменения съема металла при заданных режимах шлифования (15 км/ч, 5000 мин-1);
- установить влияние угла атаки (а = 0,35°) на эффективность работы абразивного инструмента;
- оценить параметры качества обработанной поверхности после скоростного шлифования рельсов на заданных режимах.
Исследования технологии скоростного шлифования рельсов проводились Сибирским государственным университетом путей сообщения совместно с АО «Калужский завод «Ремпуть-маш» при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 218 от 09.04.2010 г. (14 очередь).
Методика исследований
Для проведения опытно-промышленных испытаний изготовлен макетный образец рабочего оборудования рельсошлифовального поезда, в состав которого входила одна шлифовальная тележка, включающая восемь шлифовальных электродвигателей.
Для обеспечения возможности повышения частоты вращения абразивных кругов штатные шлифовальные электродвигатели рельсошлифо-вального поезда подключались через частотные преобразователи с возможностью увеличения частоты тока до 85 Гц. Это позволяло обеспечивать частоту вращения вала электродвигателя до 5000 мин-1. Обеспечение требуемого для шлифования момента на валу электродвигателя при повышенных скоростях вращения достигалось за счет большего тока в обмотках статора. С этой целью изменена схема намотки обмоток статора с Д (440 В, 60 Гц) на Y (380 В, 50 Гц) с целью дальнейшего соединения обмоток статора в Д. Кроме того в электродвигателях была изменена система охлаждения и заменены подшипники качения с марки 7213 (номинальная частота вращения
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
4000 мин-1) на марку SKF 7213 BECBM (номинальная частота вращения 6700 мин-1). В итоге, проведённая модернизация штатных электродвигателей рельсошлифовального поезда позволила получить номинальные технические характеристики, представленные в табл. 2.
Электродвигатели устанавливались в шлифовальную тележку с обеспечением угла атаки а = 0,35° за счет установки проставочных пластин толщиной 1,5 мм между подмоторной плитой электродвигателя и монтажной плитой шлифовальной тележки. Макетный образец рабочего оборудования был установлен на рельсошлифо-вальный поезд РШП-48 № 010 (рис. 4) и подключен к штатным системам управления шлифованием.
Рис. 4. Макетный образец рабочего оборудования рельсошлифовального поезда / Fig. 4. Model sample of working equipment of trail grinding train
Шлифование рельсов осуществляли абразивными кругами производства «Металлист-Ремпуть-маш» марки 35-250x75-150ZK125BT9БУ50Б2.
Съем металла в процессе обработки рельсов оценивали посредством измерения поперечного профиля головки рельса до и после шлифования при помощи рельсового профилографа ПР-03.
После проведения работ по шлифованию рельсов, в качестве параметров качества обработки, оценивали шероховатость отшлифованной поверхности рельсов.
Таблица 2 / Table 2
Технические характеристики шлифовальных электродвигателей / Technical characteristics of grinding motors
Электродвигатель Частота тока, Гц Напряжение, В Ток, А Частота вращения, мин-1 Момент на валу, Нм Мощность, кВт
Штатный 60 440 23 3600 45 18,5
Модернизированный 85 254 52 5000 50 26,2
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Шероховатость поверхности измеряли портативным прибором TR200. Кроме того, визуально производилась оценка наличия прижогов на обработанной поверхности рельса.
Оценка всех параметров осуществлялась по трем контрольным измерениям в трех разных точках каждой рельсовой нити отшлифованного участка пути. Кроме того, для большей валидации результатов испытаний шлифование рельсов осуществлялось на разных поперечных углах наклона шлифовальных кругов.
Опытно-промышленные испытания проводились в соответствии с программой-методикой, утвержденной Центральной дирекцией инфраструктуры - филиалом ОАО «РЖД» (№ ИСХ-36829/ЦДИ от 11.08.2021 г.), на полигоне Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»,
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
на станции Ульяновск-3, 196 километр, пикет 1 - 2, 8 путь. Участок железнодорожного пути -прямой, шпалы - железобетонные, тип рельсов -Р65, твердость поверхности катания рельсов 382 ± 4 HB. Испытания проводились при температуре окружающего воздуха 24 ± 5 °С.
Результаты и их обсуждения
Сравнительная оценка технологии скоростного шлифования рельсов и технологии рельсо-шлифования, реализуемой на сегодняшний день, проводилась на основе результатов 15 проходов рельсошлифовального поезда с различными поперечными углами наклона шлифовальных электродвигателей по каждой из рассматриваемых технологий. Результаты измерений съема металла по проходам представлены в табл. 3.
Таблица 3 / Table 3
Обобщенные результаты испытаний технологии скоростного шлифования рельсов / Summarized test results of high-speed rail grinding technology
Контрольная Съем металла по поперечным Средний съем металла Съем металла по поперечным Средний съем
(измерительная углам наклона на четной по четной рельсовой углам наклона на нечетной металла по
точка) рельсовой нитке, мм нитке, мм рельсовой нитке, мм нечетной нитке, мм
Технология скоростного шлифования (15 км/ч, 5000 мин-1)
+20 0,57 +20 0,7
+10 0,3 +10 0,55
1 0 0,06 0,328 0 0,07 0,354
-10 0,31 -10 0,17
-20 0,4 -20 0,28
+20 0,66 +20 0,52
+10 0,52 +10 0,48
2 0 0,06 0,356 0 0,05 0,284
-10 0,23 -10 0,14
-20 0,31 -20 0,23
+20 0,48 +20 0,64
+10 0,16 +10 0,6
3 0 0,08 0,248 0 0,2 0,362
-10 0,22 -10 0,14
-20 0,3 -20 0,23
Среднее по рельсовым ниткам 0,311 0,333
Общее среднее 0,322
Штатные режимы шлифования (6 км/ч, 3600 мин-1)
+20 0,37 +20 0,47
+10 0,35 +10 0,36
1 0 0,01 0,278 0 0,08 0,342
-10 0,27 -10 0,38
-20 0,39 -20 0,42
+20 0,35 +20 0,71
+10 0,2 +10 0,17
2 0 0,1 0,274 0 0,09 0,278
-10 0,31 -10 0,09
-20 0,41 -20 0,33
+20 0,36 +20 0,5
+10 0,26 +10 0,25
3 0 0,13 0,266 0 0,04 0,22
-10 0,22 -10 0,14
-20 0,36 -20 0,17
Среднее по рельсовым ниткам 0,273 0,280
Общее среднее 0,276
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Из результатов проведенных измерений в ходе испытаний видно, что независимо от реализуемой технологии, съем металла увеличивается с увеличением поперечного угла наклона шлифовального электродвигателя. Это объясняется уменьшением ширины дорожки шлифования (т.е. уменьшением площади взаимодействия абразивного круга с рельсом) на больших углах наклона, что ведёт к повышению удельной нагрузки на единичное абразивное зерно, увеличению глубины его внедрения в металл и как следствие, к увеличению съема металла.
Таким образом, съем металла значительно зависит от геометрии поперечного профиля обрабатываемого рельса. Даже в трех контрольных точках одного отшлифованного участка пути съем металла на одних и тех же поперечных углах наклона шлифовальных электродвигателей значительно различается, и разница в значениях достигает от 22 до 30 %. Прежде всего это обусловлено наличием на участке пути рельсов с различной степенью износа и соответственно различным геометрическим поперечным профилем поверхности катания.
Данные измерений по съёму металла при различных технологиях показывают, что при реализации технологии скоростного шлифования рельсов средний съем металла по всей головке рельса составил на 14 % больше в сравнении со штатной технологией шлифования (0,322 и 0,276 мм соответственно). При этом большие значения съема металла, полученные при 15 км/ч и 5000 мин"1, свидетельствуют о возможном потенциале дальнейшего увеличения рабочей скорости рельсо-шлифовального поезда.
Результаты оценки шероховатости обработанной поверхности после шлифования на различных режимах обработки представлены на рис. 5.
-15 -10 -5 0 5 10 15
Угол наклона шлифовальной головкн, град.
Рис. 5. Влияние скорости рельсошлифовального поезда на формирование шероховатости поверхности (при частоте шлифовального круга 5000 мин-1) / Fig.5. Influence of speed of rail grinding train on formation of surface roughness (at grinding wheel frequency 5000 rpm)
Из рисунка видно, что в среднем шероховатость поверхности после обработки на штатных режимах шлифования ниже на 10 - 50 % (в зависимости от поперечного угла наклона шлифовального электродвигателя), чем при скоростном шлифовании. Помимо скоростных параметров, на формирование шероховатости влияет схема работы абразивного инструмента. Так в штатной схеме шлифования «задняя» поверхность шлифовального круга выполняет эффект затирания, тем самым снижая шероховатость, а рисунок микронеровностей при этом имеет форму «крест на крест» (рис. 6, а) в отличие от строго направленного положения рисок при схеме скоростного шлифования рельсов (рис. 6, б). Так же установлено, что чем больше угол наклона шлифовального электродвигателя, тем больше шероховатость. Это также объясняется повышением удельной нагрузки на единичное абразивное зерно и увеличением глубины его внедрения в металл.
б
Рис. 6. Микрогеометрия обработанной поверхности рельса: а - шлифование по штатной технологии; б - скоростное шлифование / Fig. 6. Microgeometry of grinding rail surface: a - standard grinding technology; б - high-speed grinding
В целом, шероховатость обработанной поверхности головки рельса после применения технологии скоростного шлифования в среднем на 26 % больше, чем после шлифования на штатных режимах (среднее значение Ra = 4,2 мкм -после скоростного шлифования и среднее значение Ra = 3,1 мкм - после штатного шлифования). При этом даже с учетом повышенной шероховатости поверхности, её значения не выходят за пределы допустимых величин, установленных нормативной документацией.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OFHIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS.
Инструкцией по шлифованию и фрезерованию рельсов в пути в стационарных условиях допускаются значения шероховатости обработанной поверхности, не превышающие Ra = 7,5 мкм.
Увеличение шероховатости при реализации технологии скоростного шлифования рельсов также может быть вызвано снижением температуры в зоне резания, что подтверждается результатами теоретических исследований [11, 12]. Результаты расчетов показали, что задание угла атаки в комплексе с увеличением скорости рель-сошлифовального поезда позволяют снизить температуру в зоне резания на 100 - 150 °С. Задачей дальнейших исследований является экспериментальное подтверждение значений температуры в зоне резания при реализации предложенных технических решений.
При реализации технологии скоростного шлифования рельсов в номинальных режимах
Результаты измерений износа шлифовальных к
RTH CAUCASUSREGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
обработки (15 км/ч, 5000 мин"1) наличие прижогов на обработанной поверхности не зафиксировано. Прижоги могут возникать при очень интенсивном резании металла, со съемом, превышающим 0,5 мм, как правило, на больших углах наклона шлифовальных кругов с незначительной шириной дорожки шлифования.
В качестве критерия влияния угла атаки на эффективность работы абразивного инструмента принят коэффициент шлифования, который определялся отношением объема износа шлифовальных кругов к объему удаленного металла рельса (табл. 4).
Результаты расчета коэффициента шлифования с учетом длины отшлифованного железнодорожного пути (по штатной технологии - 85 м, по технологии скоростного шлифования - 115 м) приведены в табл. 5.
Таблица 4 / Table 4 гов / Results of grinding wheel wear measurements
№ шлифовальной головки Среднее значение высоты шлифовального круга до обработки, мм Среднее значение высоты шлифовального круга после обработки, мм Износ шлиф. круга, мм
Штатные режимы шлифования (6 км/ч, 3600 мин-1)
9 55,3 54,7 0,7
10 76,3 74,8 1,5
11 55,8 55,5 0,3
12 73,9 73,8 0,1
13 76,5 74,8 1,7
14 75,8 74,8 1,0
15 73,7 72,5 1,2
16 75,2 73,3 1,9
Суммарный износ шлифовальных кругов 8,4
Технология скоростного шлифования (15 км/ч, 5000 мин-1)
33 76,3 75,1 1,2
34 75,7 74,7 1,0
35 76,9 74,7 2,1
36 77,3 75,4 1,9
37 76,1 74,1 2,0
38 75,9 74,9 1,0
39 76,8 74,5 2,3
40 75,8 74,2 1,6
Суммарный износ шлифовальных кругов 13,1
Таблица 5 / Table 5
Коэффициент шлифования при различных технологиях / Grinding factor for various technologies
Показатель Четная рельсовая нить Нечетная рельсовая нить
Коэффициент шлифования для штатной технологии шлифования 1,028 1,101
Коэффициент шлифования для технологии скоростного шлифования 1,390 1,407
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Значения коэффициента шлифования при обеих технологиях достаточно низкие, что говорит о неэффективной работе абразивного инструмента. В среднем коэффициент шлифования должен быть не менее 6 и желательно приближен к 10. В данном случае, такие низкие значения коэффициента шлифования говорят о низком качестве применяемого абразивного инструмента. Так же на корректность полученных данных могла повлиять достаточно непродолжительная работа шлифовальных кругов. При больших объемах шлифования и более продолжительной работе шлифовальных кругов, при их полноценной приработке и выходе на стабильные продолжительные режимы с процессом самозатачивания данный коэффициент шлифования может повыситься. При этом сравнительная оценка двух технологий показывает, что придание шлифовальному кругу угла атаки на величину 0,35° повышает его эффективность работы, прежде всего благодаря более правильному распределению съема металла по рабочей поверхности инструмента и соответственно большему количеству абразивных зерен, участвующих в резании.
Полученные результаты ранее проведенных лабораторных исследований и опытных испытаний позволяют говорить о том, что технология скоростного шлифования рельсов показала повышение эффективности процесса шлифования рельсов за счет принятых технических решений. Общая закономерность изменения съема металла с изменением скоростей резания отражена на рис. 7.
Рабочая скорость рельсошлифовального поезда, км/ч
Рис. 7. Перспективы технологии скоростного шлифования / Fig. 7. Possibility of speed grinding technology
Из графиков видно, что при одной и той же частоте вращения шлифовального круга с увеличением скорости перемещения рельсошлифоваль-ного поезда съем металла будет уменьшаться. Для сохранения съема металла при повышенных скоростях требуется увеличение скорости резания (частоты вращения круга).
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
На рис. 7 сплошными линиями показаны экспериментальные результаты, а пунктирными линиями - прогнозируемые значения, требующие исследовательских подтверждений.
Выводы
Результаты испытаний и проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:
1. Повышение частоты вращения шлифовальных кругов до 5000 мин-1 позволяет повысить рабочую скорость шлифования до 15 км/ч без потери в съеме металла, что свидетельствует об увеличении производительности рельсошлифоваль-ных поездов практически в два раза. Это позволяет значительно расширить области их эффективного использования при ремонтном, корректирующем и профилактическом шлифовании рельсов.
2. Испытания показали, что реализация технологии скоростного шлифования рельсов на рельсошлифовальных поездах целесообразна в современных условиях эксплуатации железнодорожного пути. При этом крайне перспективным является увеличение рабочей скорости рельсо-шлифовального поезда до 30 км/ч. Реализация этого может быть осуществлена с повышением частоты вращения шлифовальных кругов до 7000 мин-1.
Данные режимы работы РШП требуют решения трех основных задач:
- разработка промышленного варианта электродвигателя с частотой вращения 7000 мин-1. Проведенные исследования по оценке токовой нагрузки электродвигателей позволяют сформировать предварительные технические требования к разработке нового электродвигателя;
- разработка усиленных шлифовальных кругов с обеспечением повышенной ударной прочности на скоростях работы до 7000 мин-1. Также требуется оптимизация рецептуры абразивного инструмента для увеличения его эксплуатационных свойств на повышенных скоростях работы;
- проведение комплексных исследований по определению оптимальных режимов работы рельсошлифовального поезда на повышенных скоростях шлифования рельсов с различными геометрическими характеристиками поперечного профиля.
3. Полученные результаты опытно-промышленных испытаний легли в основу формирования технического задания на разработку нового рельсошлифовального поезда и частных технических требований на его системы, компоненты и программное обеспечение.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Список источников
1. Funke H. Rail Grinding. Berlin: Transpress, 1986. 153 p.
2. Ilinykh A., MatafonovA., YurkovaE. 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.
3. Doman D., Warkentin A., Bauer R. 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.ij machtools.2005.05.013
4. Zenga W., Lib Z., Peib Z., Treadwell C. Experimental Observation of Tool Wear in Rotary Ultrasonic Machining of Advanced Ceramics // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2005. Vol. 45, iss. 12-13. P. 1468 - 1473.
5. Jeong W., Shin J. Grinding Effect Analysis According to Control Variables of Compact Rail Surface Grinding Machine // Journal of the Korean Society for Railway. 2020. Vol. 23, iss. 7. P. 688-695. DOI:10.7782/JKSR.2020.23.7.688.
6. KoshinA.A., ChaplyginB.A., IsakovD.V. Adequacy of the Operating Conditions of Abrasive Grains // Russian Engineering Research. 2011. Vol. 31. P. 1221-1226. DOI:10.3103/S1068798X11120161.
7. Ильиных А.С. Скоростное шлифование рельсов в пути // Мир транспорта. 2011. № 3. С. 56 - 61.
8. Study on High-Speed Grinding Mechanisms for Quality and Process Efficiency / B. Li, J. Ni, J. Yang, S.Y. Liang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014. Vol. 70, iss. 5-8. DOI: 10.1007/s00170-013-5297-y.
9. The Influence of Speed on Material Removal Mechanism in High Speed Grinding With Single Grit / L. Tian, Y. Fu, J. Xu, H. Li, W. Ding. // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2015. Vol. 89. P. 192-201.
DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2014.11.010.
10. Uhlmann E., Hochschild L. Tool Optimization for High Speed Grinding // Production Engineering. 2013. Vol. 7. P. 185-193. DOI: 10.1007/s11740-013-0447-5
11. Аксенов В.А., Ильиных А. С. Теплофизический анализ процесса плоского шлифования рельсов торцом круга // Вестн. Южно-Уральского гос. ун-та. Серия машиностроения. 2012. № 33 (292), вып. 20. С. 96-100.
12. Ильиных А.С., Григорьев В.М. Повышение эффективности профильного шлифования рельсов на основе применения новой схемы резания // Научный вестн. НГТУ. 2007 № 3 (28). С. 191-195.
References
1. Funke H. Rail Grinding. Berlin: Transpress Publ.; 1986. 153 p.
2. 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.
3. 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
4. Zenga W., Lib Z., Peib Z., Treadwell C. Experimental Observation of Tool Wear in Rotary Ultrasonic Machining of Advanced Ceramics. International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2005; 45 (12-13): 1468—1473.
5. Jeong W., Shin J. Grinding effect Analysis According to Control Variables of Compact Rail Surface Grinding Machine. Journal of the Korean Society for Railway. 2020; 23(7):688-695. DOI:10.7782/JKSR.2020.23.7.688.
6. Koshin A.A., Chaplygin, B.A., Isakov D.V. Adequacy of the Operating Conditions of Abrasive Grains. Russian Engineering Research. 2011; (33): 1221-1226. DOI:10.3103/S1068798X11120161
7. Ilinykh A.S. High-Speed Grinding of Rails on the Way. World of Transport and Transportation Journal. 2011; (3):56-61. (In Russ.)
8. Li B., Ni J., Yang J. and Liang S.Y. Study on High-Speed Grinding Mechanisms for Quality and Process Efficiency. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2014; 70(5-8). DOI: 10.1007/s00170-013-5297-y
9. Tian L., Fu Y., Xu J., Li H. and Ding W. The Influence of Speed on Material Removal Mechanism in High Speed Grinding with Single Grit. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2015; (89):192-201. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2014.11.010
10. Uhlmann E., Hochschild L. Tool Optimization for High Speed Grinding. Production Engineering. 2013; (7): 185-193. DOI: 10.1007/s11740-013-0447-5
11. Aksenov V.A., Ilinykh A.S. Thermophysical Analysis of the Process of Flat Grinding of Rails with the Butt of a Circle. Bulletin of the South Ural State University. Mechanical engineering industry. 2012; 33(20): 96-100. (In Russ.)
12. Ilinykh A.S., Grigoriev V.M. Improving the Efficiency of Profile Grinding of Rails Based on the Use of a New Cutting Scheme. Scientific Bulletin of NSTU. 2007; 3 (28):191-195. (In Russ.)
Сведения об авторе
Ильиных Андрей Степанович - д-р техн. наук, проофессор, кафедра «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин», [email protected]
Пикалов Александр Сергеевич - канд. техн. наук, директор, [email protected]
Галай Марина Сергеевнав - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин», [email protected]
Милорадович Владимир Константинович - гл. специалист, [email protected]
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 4
Information about the author
Ilinykh Andrey S. - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Dean of Management Transport and Technological Complexes Faculty», [email protected]
Pikalov Alexander S. - Candidate of Technical Sciences, Director, [email protected]
Galay Marina S. - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Dean of Management Transport and Technological Complexes Faculty», [email protected] Miloradovich Vladimir K. - Main Specialist, [email protected]
Статья поступила в редакцию /the article was submitted 29.07.2022; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 20.09.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 22.09.2022.
