CC BY
65
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
УДК 625.031.1 : 625.032.32 М. ». БИСЕРИКАН
Ю. А. ИВАНОВА В. В. ИВАНОВ
Омский государственный университет путей сообщения
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБТОЧКИ КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С УСТАЛОСТНЫМИ ДЕФЕКТАМИ
В статье рассмотрено влияние технологических наследственных неровностей, возникающих вследствие недостаточно эффективной технологии ремонта, на процесс контактного взаимодействия и напряженно-деформированное состояние в системе «колесо-рельс». Представлен технологический метод, позволяющий обеспечить необходимые показатели качества поверхности катания колеса и уменьшить значения механических напряжений в пятне контакта. Ключевые слова: колесо, дефект, ресурс, обточка, технологическая неровность.
Железнодорожное колесо — один из важных узлов экипажной части вагонов и локомотивов. От его параметров зависят ходовые характеристики экипажей и безопасность движения, а износ колес приводит к значительным экономическим затратам, кроме того, параметры колес в значительной степени влияют на износ и срок службы рельсов. Аварийный выход из строя колеса, как правило, приводит к серьёзным авариям, связанным с большими убытками.
В соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, планируемые целевые параметры грузовых вагонов предполагают осевые нагрузки 27 — 30 тс и скорость до 140 км/ч, а также увеличение наработки грузовых вагонов на отказ на 30 — 40 %. В настоящее время снижение количества отказов ходовых частей грузовых вагонов достигается путем увеличения протяженности бесстыкового пути и перевода подвижного состава на колеса повышенной твердости.
Срок службы колес определяется интенсивностью износа зоны гребня и поверхности катания. Начальная толщина обода нового колеса составляет 70 мм, в процессе эксплуатации обод колеса подвергается естественному износу, а также обтачивается с целью восстановления профиля. При каждой обточке колеса с поверхности катания удаляется до 5 мм, а при наличии глубоких выщербин величина удаляемого слоя металла достигает до 7 мм. Количество переточек колес за срок службы составляет от 7 до 16. После деповского ремонта минимальная толщина обода колеса допускается 24 мм, из эксплуатации изымаются колеса с толщиной обода 22 мм и менее, при этом известны случаи, когда из эксплуатации изымались колеса с толщиной обода 18 мм [1]. Изношенный профиль восстанавливается механической обработкой. Обработка колес, обладающих дефектами усталостного происхождения (выщербинами) на поверхности катания, вызывает трудности при ремонте. Процесс обточки сопровождается вибрациями, ударными нагрузками, отрицательно влияющими на режущий инструмент и станочное оборудование, что
приводит к недостаточному качеству обработанной поверхности. Кроме того, при обточке снимается в стружку значительный слой металла, что сокращает срок службы колеса.
Для определения отклонения формы вагонных колес по кругу катания произведены измерения после обточки на колесотокарном станке при помощи индикатора ИРБ ГОСТ 5584-75. Измерения производились в областях удаленных выщербин, длины которых составляли 20 и 70 мм. Полученные данные позволили построить развертки поверхностей в указанных этих областях (рис. 1).
Анализ разверток показывает, что после обточки колес с выщербинами на поверхности катания остаются характерно выраженные выступы и впадины, которые образуются в результате отжима режущего инструмента в процессе резания. При этом максимальные геометрические размеры отклонений наблюдаются в областях удаленных усталостных дефектов. Кроме того, динамичность процесса обточки формирует сложный макрорельеф поверхности катания колеса, лишенной повреждений. Таким образом, макронеровности сложной формы на поверхности катания формируются в результате суммарного воздействия отжима режущего инструмента в области дефекта и динамических параметров процесса резания.
Для прочности узлов подвижного состава наиболее опасными являются короткие изолированные неровности (рельсовые стыки, ползуны и выщербины на поверхности катания колеса), при наличии которых взаимодействие элементов системы «колесо — рельс» носит выраженный ударный характер [2, 3, 4]. Однако наличие на поверхности катания колесной пары наследственных технологических неровностей также является причиной возникновения возмущающих колебаний в вертикальной плоскости (рис. 2).
По экспериментальным данным ВНИИЖТа и УрГУПСА, полученным при испытаниях всех видов подвижного состава, ускорение оси колесной пары, при использовании среднеизношенных колес в середине рельсового звена имеет значение 1,5 — 2,0 м/с2 [5, 6].
2 2.2 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 £ с
Рис. 1. Отклонения профиля поверхности катания колесной пары области удаленного усталостного дефекта: 1 - длина выщербины 20 мм; 2 - длина выщербины 70 мм
2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4
Рис. 2. Вертикальные ускорения узлов механической части
50
%
30
20
10
0
20 Д
41,6
32,2
1
28.1
18,2
10,6 9,1 И’3
Нан
Прокат Выщербина Ползун Навар Тонкий гребень
□ Вагонные колеса повышенной твердости ■ Вагонные колеса обычной твердости ■ Локомотивные колеса
Рис. 3. Распределение эксплуатационных дефектов колес
Наиболее опасными технологическими неровностями, вызывающими пластические деформации материала в зоне контакта, являются неровности в форме выступов.
На качество поверхности после ремонта влияет жесткость технологической системы «станок — приспособление — инструмент — деталь» (СПИД). Кроме того, геометрические размеры технологически наследованных выступов или впадин (ТНВ) определяются режимами резания, состоянием режущего инструмента, качеством поверхности после черновой обработки, размерами дефекта.
Анализ распределения дефектов, связанных с обточкой колес повышенной твердости, показывает, что наряду со значительным уменьшением числа отце-
пок грузовых вагонов по таким дефектам как прокат, вертикальный подрез гребня и тонкий гребень, произошло увеличение числа отцепок по термомеханическим и усталостным повреждениям поверхности катания вагонных колес (рис. 3).
Более 30 % вагонных колес отправляются в ремонт по наличию выщербин на поверхности катания. Кроме того, число неплановых ремонтов по усталостным дефектам в локомотивном хозяйстве достигает 6 %, что превышает число всех остальных дефектов.
Наличие указанных дефектов является фактором, напрямую влияющим на технический ресурс колеса. Около 50 % колес вагонного парка имеют пробег между переточками менее 200 тыс. км (рис. 4), что обусловлено, в первую очередь, низким качеством ремонта.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
Рис. 4. Распределение вагонных колес по межремонтному пробегу
Существующая технология ремонта не учитывает многообразие факторов, влияющих на процесс механической обработки. Используемый метод обработки, предполагающий установление значительной глубины резания «под корку» сопровождается высокими значениями силы резания и значительными ударными воздействиями. Значения силы резания на режущий инструмент свыше 20 кН при обработке поверхности катания с выщербинами, приводят к поломке режущего инструмента. В результате происходит существенное, в 1,5 — 2 раза увеличение стоимости ремонта по сравнению со стоимостью ремонта колес без дефектов. При этом ставится задача удаления с поверхности катания дефектов без учета низкого качества полученной поверхности. Существенным недостатком этого метода является также значительное увеличение времени обработки колеса (время обработки одного колеса может превышать регламентированное время в два раза), большую часть этого времени занимает обработка на участках, не требующих низких значений скорости резания, тогда как протяженность участков с дефектами невелика (рис. 5). Другим отрицательным фактором, сопровождающим обработку данным способом, является снятие в стружку не только слоя содержащего дефекты, но и слоя металла надлежащего качества.
Обточка представляет собой геометрический параллельный перенос кривой профиля вглубь обода колеса, на величину необходимую для устранения неисправности. Основная составляющая величины припуска зависит от максимальной глубины дефекта ТО, который устраняется обточкой. Для повышения качества обработанной поверхности катания обточкой предлагается изменить существующие режимы обработки колес. При чистовой обработке назначение в качестве базового размера вместо радиуса поверхности катания, полученного обточкой, радиуса, соответствующего максимальной высоте макронеровности, что позволяет уточнить профиль поверхности катания со снятием минимального слоя металла.
Значение припуска на обработку для получения заданного качества восстановления профиля, должно включать составляющую ш1п, обеспечивающую
компенсацию погрешностей обработки [7, 8]. Данная погрешность рассчитывается на диаметр обработанной поверхности по методике, рекомендованной В. М. Кованом [9]:
до 25 25-50 50-75 75-100
Дпинявы щербин, мм
Рис. 5. Параметры выщербин, возникающих в эксплуатации
где Иг1-1 — шероховатость профиля, полученная после 1-1 перехода;
Тм — толщина дефектного слоя после предшествующего перехода;
р1-1 — пространственное отклонение расположения обработанной поверхности относительно базовых поверхностей заготовки предшествующего перехода;
е1 — погрешность установки, возникающая на выполняемом переходе.
Общий припуск на диаметр восстанавливаемого колеса может быть рассчитан по формуле:
2 Zn = 2Z. +ТЛ+ТО1,
0 I Ш1П I '
(2)
^1-1 + Т-1
(1)
где ТА{ — допуск размера на выполняемой операции.
Анализ причин возникновения погрешностей восстановленных поверхностей показывает, что часть их возникает непосредственно при механической обработке, а часть погрешностей наследуется от изношенной поверхности. К наследуемым погрешностям, прежде всего, относятся погрешности формы и нестабильность механических свойств. Погрешности формы обработанной поверхности определяются неравномерностью толщины срезаемого слоя, деформацией детали и погрешностью формы,
+
-Жесткость системы '
Рис. 6. Влияние силы резания на отклонение размеров
Рис. 7. Зависимость между отклонением размеров и глубиной резания
Рис. 8. График изменения максимальных контактных напряжений
а) при отклонении профиля катания до 0,2 мм;
б) при отклонении профиля катания до 0,5 мм
полученной в эксплуатации и величиной отжатия режущего инструмента, зависящей от жесткости системы, в процессе обработки детали.
Отжатие инструмента от заготовки можно определить, используя известную взаимосвязь между жесткостью системы и возникающих в ней сил:
Лр = —, 3
(3)
где Р — значение силы резания, Н;
3 — жесткость технологической системы, Н/м.
Жесткость колесотокарных станков иВВ 112, применяемых в вагонных депо Омска находится в пределах (7,6— 13,4) 107 Н/м. Отклонения размеров в зависимости от силы резания представлены на рис. 6.
Критерием, определяющим переход от абразивного износа к усталостному выкрашиванию поверхности катания колеса, является высота макронеровности более 0,2 мм. Поэтому на основании рис. 6 при обработке профиля поверхности катания на станке, обладающего жесткостью не менее 108 Н/м, сила резания не должна превышать 15 кН.
Погрешности от размерного износа инструмента и от тепловых деформаций являются систематическими. Погрешность от размерного износа инструмента Ли зависит от свойств обрабатываемого материала, размеров поверхности и режимов резания.
При точении эта зависимость имеет вид:
Ли =
10 (ь + Ьдоп )
1000
(4)
где 1о — относительная интенсивность изнашивания по длине пути резания, мкм/м;
Ь — длина пути резания, м;
Ь — длина пути резания, учитывающая начальный износ, м.
Погрешности от тепловой деформации станка, инструмента и детали можно принять равными 15 % от суммы погрешностей [7].
Допуск на диаметральный размер поверхности катания определяется по формуле:
ТЛ.> 1,15(Л +Лц).
(5)
Значение глубины резания на обработку для достижения требуемого качества составит:
*р > ^ -1 + Т'-1 + VР;2-1 + 0) +
(
+ 0.575
^0 (ь + Ьдоп )
1000
(6)
Лр +
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
123
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
По выражению (6) определено максимальное значение глубины резания, в зависимости от высоты отклонений профиля (рис. 7).
По методике, разработанной в [10], выполнено моделирование напряженно-деформированного состояния поверхности катания, при различных значениях параметров макрогеометрических отклонений. На рис. 8 представлены значения контактных напряжений по модернизированной технологии (а), и по используемой в ремонтных предприятиях ОАО «РЖД» (б). Анализ графиков рис. 8а, б позволяет установить зависимость между величиной контактных напряжений и макрогеометрическими отклонениями профиля поверхности катания колеса. Показана возможность снижения контактных напряжений на 40 % при уменьшении высоты макронеровности с 0,5 мм до 0,2 мм за счет внедрения дополнительного перехода чистовой обработки.
Макрогеометрические отклонения оказывают существенное влияние на процесс контактного взаимодействия колеса и рельса: изменяются геометрические размеры пятна контакта и возрастают контактные напряжения. Кроме того, отсутствие учета макрогеометрии поверхности катания колеса существенно искажает результаты при определении контактных напряжений в ободе колеса с использованием метода конечных элементов. Предлагаемое совершенствование технологии ремонта колес подвижного состава способствует повышению качества обработанной поверхности и улучшению условий контактного взаимодействия элементов системы «колесо — рельс».
Библиографический список
1. Инструкция по ремонту тележек грузовых вагонов РД 32 ЦВ 052-99. - М. : ПКБ ЦВ, 1999. - 87 с.
2. Галиев, И. И. Исследование динамических качеств локомотивов с двухярусным подвешиванием при воздействии импульсной нагрузки : дис. ... канд. техн. наук / И. И. Галиев. — Омск, 1971. — 173 с.
3. Винокуров, М. В. Основные динамические характеристики вагонов : дис. ... докт. техн. наук / М. В. Винокуров. — М., 1947. — 385 с.
4. Соколов, М. М. Динамическая нагруженность вагона / М. М. Соколов, В. Д. Хусидов, Ю. Г. Минкин. — М. : Транспорт, 1981. — 207 с.
5. Буйносов, А. П. Разработка математической модели механической части электровоза ВЛ11К / А. П. Буйносов, В. А Тихонов // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава : матер. науч.-техн. конф с межд. участием. — Омск : Омский гос. ун-т путей сообщения, 2011. — С. 33 — 38.
6. Результаты исследований динамики электровозов ВЛ80, ВЛ22М и электропоездов ЭР2 и ЭР22 : тр. / ЦНИИ МПС. — М. : Транспорт, 1969. — Вып. 317. — 208 с.
7. Соколовский, А. П. Точность механической обработки и пути ее повышения / А. П. Соколовский. — М. : Машгиз, 1951. — 487 с.
8. Косилова, А. Г. Точность обработки, заготовки и припуски в машиностроении / А. Г. Косилова, Р. К. Мещеряков, М. А. Калинин. — М. : Машиностроение, 1976. — 288 с.
9. Основы технологии машиностроения / В. М. Кован [и др.]. — М. : Машиностроение, 1965. — 489 с.
10. Бисерикан, М. И. Влияние увеличения осевой нагрузки на образование выщербин на поверхности катания железнодорожных колес из стали повышенной твердости / М. И. Бисерикан, А В. Обрывалин, А А. Рауба // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2011. — № 2 (100). — С. 110 — 115.
БИСЕРИКАН Михаил Иванович, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».
Адрес для переписки: RadenXG@mail.ru ИВАНОВА Юлия Алексеевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теория механизмов и детали машин».
Адрес для переписки: Ivanovatmdm@mail.ru ИВАНОВ Вячеслав Владимирович, преподаватель кафедры «Теория механизмов и детали машин». Адрес для переписки: IvanovVV.omsk@mail.ru
Статья поступила в редакцию 09.12.2011 г.
© М. И. Бисерикан, Ю. А. Иванова, В. В. Иванов
Информация
International Consumer Electronics Show (CES) 2013
Mеждународная выставка потребительской электроники проводится ежегодно начиная с 19б7 г., в январе, в Лас-Вегасе, штат Невада, США.
Consumer Electronics Show (CES) традиционно используется ведущими высокотехнологическими компаниями для анонса наиболее интересных новинок компьютерной и бытовой техники, а также мобильной электроники. Внимание индустрии к выставке во многом обусловлено тем, что она открывает календарный год и проводится на крупнейшем и наиболее развитом региональном рынке в США.
В отличие от других крупнейших форумов хайтек-индустрии, CES закрыта для публики, однако ее новинки находят широкое освещение в прессе. В выставке участвуют более 2700 компаний из 140 стран.
Одной из главных тем CES 2012 была мобильная электроника.
Интересными новинками потребительского сектора на CES 2012 стали крупноформатные OLED-телевизоры от Samsung и LG, которые постепенно мигрируют из категории баснословно дорогого нишевого решения на массовый рынок.
Особенность CES 2012 — участие рекордного числа компаний автоиндустрии (в том числе Audi, Chrysler, Ford, Daimler), что отражает постепенную интеграцию в автомобили все большего числа электронных компонентов и средств коммуникаций.
Ыесто проведения; Лас-Вегас, штат Невада (США)
Дата начала конференции! 0В.01.2013
Дата окончания конференции 11.01.2013
Ссылка на официальный сайті http://www.cesweb.org/
Источник http://www.rsci.ru/conference/231В74.php (дата обращения: 12.04.2012).
