CC BY
2
Voinash Sergey Aleksandrovich, junior researcher of the research laboratory, [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Zagidullin Ramil Ravilevich, candidate of technical sciences, docent, leading researcher at the research laboratory, [email protected]. Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Sokolova Viktoriia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, docent, leading researcher at the research laboratory, sokolova [email protected], Russia, Kazan, Kazan Federal University,
Orekhovskaya Alexandra Alexandrovna, candidate of agricultural sciences, leading researcher at the research laboratory, orehovskaja_aa@bsaa. edu.ru, Russia, Kazan, Kazan Federal University
УДК 629.488.27
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-7-523-524
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ КАТАНИЯ КОЛЁСНЫХ ПАР ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
А.Н. Шмойлов
Настоящая статья посвящена вопросам совершенствования технологии восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта. В работе выделены важнейшие факторы, оказывающие значительное влияние на снижение чистоты и точности обрабатываемой поверхности, стойкости инструмента, долговечности специализированных колесотокарных станков. Приведена и проанализирована динамическая система специализированного колесотокарного станка для восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта. Определены важные компоненты упругой системы, как элемента динамической системы специализированного колесотокарного станка. Представлена схема перспективной системы автоматического управления специализированным колесотокарным станком с подсистемой модулирования скорости резания металла. Приведены графики затухания поперечных колебаний инструмента при обычной обработке поверхности катания колесной пары и при модулировании скорости режущего инструмента станка.
Ключевые слова: технология восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов, специализированный колесотокарный станок, замкнутая динамическая система станка, система автоматического управления, вибрационные воздействия, подсистема модулирования скорости резания металла.
Совершенствование технологии восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов - является важной задачей эксплуатационного и ремонтного комплекса железнодорожного транспорта. Установлено, что увеличение срока службы колесных пар железнодорожных вагонов и повышение точности при восстановлении профилей катания колесных пар при ремонте вагонов дают относительно больший экономический эффект, чем снижение удельного расхода материалов при изготовлении колесных пар вагонов.
В процессе эксплуатации подвижного состава, под действием различных факторов профиль колесных пар изнашивается и изменяется. При этом возникают различные дефекты колесных пар: остроконечные прокаты, подрезы гребня колесных пар. Данные изменения профиля катания колесных пар могут привести к сходам и крушениям составов.
В грузовых вагонных депо на специализированных колесотокарных станках выполняется большой перечень работ по восстановлению профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта.
Установлено, что повышение скорости обращения подвижного состава способствует повышению требований к точности размеров при восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов, обрабатываемых на специализированных колесотокарных станках. Учет динамических явлений обработки резания металла при создании новых станков все чаще становится необходимым. Особая роль при этом отводится обеспечению условий устойчивого движения инструмента и заготовки. Под данной устойчивостью подразумевается исключение вредных вибраций, заклинивания и неравномерного перемещения основных узлов станка, т. е. отсутствию так называемых вибраций, «подрывания», «заклинивания» или скачкообразного перемещения узлов станка.
При восстановлении профиля колесных пар вагонов, важно отметить обеспечение условий, необходимых для получения поверхности с минимальными погрешностями необходимых размеров и формы, т.е. отсутствия отклонений от заданных устойчивых положений инструмента и заготовки. Данные погрешности и отклонения являются следствием различных внешних воздействий на динамическую систему станка. К таким внешним воздействиям можно отнести влияние различных силовых и тепловых изменений режима обработки. При этом необходимо обеспечивать заложенный конструкцией станка ресурс и долговечность режущего инструмента при различных внешних возмущениях и воздействиях [1]. Иными словами, необходимо соблюдать условия, при которых вызванные ими отклонения (деформации и т. п.) не приведут к опасным напряжениям и не соблюдении технологии обработки при восстановлении профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта.
Далее в работе была проанализирована динамическая система специализированного колесотокарного станка для восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта. Данная динамическая система представляет собой совокупность взаимодействия упругой системы и рабочих процессов станка. Упругая система (УС) включает в себя станок, приспособление, инструмент, колесную пару.
На рисунке 1 приведена схема замкнутой динамической системы специализированного колесотокарного станка. Обратное воздействие силовых и возмущающих факторов обозначено стрелками. Технологические процессы, которые происходят при работе станка обозначены в виде прямоугольников. На упругую систему станка помимо рабочих процессов к(Ч) оказывают действие и силы инерции от неотбалансированных вращающихся деталей и их основных узлов, которые совершают возвратно-поступательное движение; силы веса основных элементов станка и колесной пары, силы возникающие при фиксации оснастки станка; источники тепла. Установлено, что передаваемые из внешней среды толчки и колебания через станину станка оказывают влияние расположение и характер сил взаимодействия. При этом важно учесть еще и влияние на систему распределения сил взаимодействия в схеме замкнутой динамической системы станка силы возникающие в самой системе из-за неточности зацепления зубчатых колес и иных погрешностей изготовления деталей и сборки станка. Данное распределение сил рассматривается как внешнее воздействие на рабочие процессы воздействия на УС и на рисунке 1 они обозначены как ОД. Изменение припуска обрабатываемой поверхностью колесной пары, влияние перепадов давления смазки, которое подается на направляющие, контролируемое изменение величины напряжения на обмотках электродвигателя, все это выражает внешнее воздействие на рабочие процессы. Данные силы воздействия обозначаются как у(Ц с добавлением индекса, который соответствует описанному технологическому процессу в специализированном колесотокарном станке.
Для решения задачи по совершенствованию технологии восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта была проанализирована представленная схема замкнутой динамической системы специализированного колесотокарного станка.
Проведен анализ упругой динамической системы, как элемента всей динамической системы специализированного колесотокарного станка. Данный анализ включал определение следующих важных компонентов: собственной устойчивости данного элемента; статических и динамических характеристик по резанию и обработке металла поверхности катания колесной пары, определению величины трения и параметров электромеханических процессов протекающих в двигателе привода станка.
Были выделены следующие особенности упругой системы специализированного колесотокарного станка, которые сводятся к следующему:
- наличие преобладающего количества соединений в которых детали станка имеют заданное относительное движение;
- наличие прослабленных и плохо затянутых неподвижных соединений основных элементов и узлов специализированного колесотокарного станка.
В процессе анализа динамической системы специализированного колесотокарного станка установлено, что у существующего станка имеются ряд негативных особенностей, приводящих к погрешностям при восстановлении профиля колесных пар.
Рис. 1. Схема замкнутой динамической системы специализированного колесотокарного станка
В основном, данные особенности вытекают из потери устойчивости системой станка при обработке поверхности катания колесной пары. На основании обработки статистических данных из вагоноремонтных депо установлено, что подобные негативные явления являются одной из основных причин некачественной обработки поверхности катания колесных пар [2, 3].
Данное явление выражается в «подрывании» инструментов (апериодическая неустойчивость) или в возникновении автоколебаний (периодическая неустойчивость). Заканчивается подрывание обычно поломкой инструмента, нарушением допусков обрабатываемой детали. Автоколебания при обработке поверхности катания колесной пары ведут к резкому снижению чистоты и точности обрабатываемой поверхности, стойкости инструмента, долговечности станка и, в конечном счете, к снижению производительности труда.
Устранение автоколебаний и вибраций при механической обработке на специализированном колесото-карном станке сводится к решению следующих задач: снижение вибрации при обработке и контроль уровня колебаний при резании [4].
Контроль вибраций в процессах механической обработки является важной составляющей повышения качества поверхности и устранения динамических возмущений, снижения износа режущего инструмента. Важно выбрать конфигурацию системы управления специализированного колесотокарного станка, чтобы уменьшить или свести к минимуму колебания в процессе обработки. При обработке резанием непосредственное измерение сил резания в режиме реального времени, вибраций обрабатываемой заготовки и инструмента является сложной технологической задачей и требует сложной аппаратуры и настройки.
Предлагается в грузовых вагонных депо на специализированных колесотокарных станках по восстановлению профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта установить систему автоматического управления процессом фрезерования с подсистемой модулирования скорости резания.
Схема перспективной системы управления специализированным колесотокарным станком представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема перспективной системы автоматического управления специализированным колесотокарным станком: 1 - колесная пара; 2 - станина станка; 3 - измерительный блок вертикальных перемещений режущего инструмента станка; 4 - измерительный блок горизонтальных перемещений режущего инструмента станка; 5 - блок коммутации; 6 - блок управлении; 7 - система импульсного формирования управления подсистемы модулирования скорости резания металла; 8 - датчики вибраций станка; 9 - подрельсовая станина станка; 10 - блок преобразования управляющих сигналов привода станка;
11 - электропривод станка
Схема перспективной системы управления специализированным колесотокарным станком включает в себя подсистему модулирования скорости резания металла при восстановлении профиля колесных пар.
Предлагаемый способ позволяет по специально разработанному алгоритму подбирать оптимальное соотношение скоростей обработки поверхности металла колесной пары, повышающее устойчивость всей замкнутой динамической модели станка.
Далее в работе были спроектированы процессы обработки поверхности катания колесных пар при обычной обработке поверхности катания колесной пары и при модулировании скорости режущего инструмента станка с применением перспективной системы управления.
График затухания поперечных колебаний инструмента специализированного колесотокарного станка при обычной обработке поверхности катания колесной пары представлен на рисунке 3.
катания колесной пары
График затухания поперечных колебаний инструмента специализированного колесотокарного станка при модулировании скорости режущего инструмента станка представлен на рисунке 4.
При моделировании процессов обработки поверхности катания колесных пар видно (рисунок 3 и рисунок 4), что в случае изменения скорости резания по специальному алгоритму работы перспективной системы управления станком, возмущения в системе затухают быстрее и сильнее, что повышает точность обработки. Следовательно, можно обработать поверхность катания колесной пары вагона с той же точностью, но при более интенсивных режимах резания и восстановления профиля катания колесных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта.
Предлагаемое техническое улучшение специализированного колесотокарного станка позволит подобрать оптимальные параметры резания, такие как скорость резания, подачу и глубину резания. Это поможет избежать автоколебаний, критических сил или резонанса при восстановлении профиля катания колесных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта.
15 мш
10 мкм
5 мкм
5 мкм
10 мкм
15 мм
Рис. 4. График затухания поперечных колебаний инструмента специализированного колесотокарного станка при модулировании скорости режущего инструмента станка
Внедрение на вагоноремонтных предприятиях системы автоматического управления специализированным колесотокарным станком с подсистемой модулирования скорости резания металла при обработке поверхности катания колесных пар позволит на 17% повысить качество восстановления профиля катания колёсных пар грузовых вагонов железнодорожного транспорта. При этом, реализуемый процесс снятия металла при восстановлении профиля катания колесной пары вагонов позволит снизить на 25% перерасход снимаемого металла с колесных пар при восстановлении профиля катания до нормативных значений.
Список литературы
1. Крутов В. Н., Графические изображения некоторых принципов рационального конструирования в машиностроении : учебное пособие / В. Н. Крутов, Ю. М. Зубарев, И. В. Демидович [и др.]. СПб. : Лань, 2011. 208 с.
2. Расторгуев Д.А., Драчев О.И., Романова О.Г. Моделирование многорезцовой обработки / Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2010. № 4 (27). С. 115-119.
3. Шмойлов А. Н., Клюканов А. В., Шмойлова Ю. В. Стенд для испытания высокооборотных электрических машин: полезная модель к патенту РФ № 189719, МПК G01R 35/00 (2006.01), заявлено 13.02.2019, опубликовано 31.05.2019.
4. Зубарев Ю. М., Автоматизация координатных измерений: учеб. пособие / Ю. М. Зубарев, С. В. Коса-ревский, Н. Н. Ревин. СПб.: Изд. ПИМаш, 2011. 160 с.
Шмойлов Андрей Николаевич, канд. техн. наук, доцент, Shmoilov@inbox.т, Россия, Самара, Самарский государственный университет путей сообщения
IMPRO VEMENT OF TECHNOLOGY FOR RESTORING THE ROLLING PROFILE OF WHEELED PAIRS OF FREIGHT CARS OF RAILWAY TRANSPORT
A.N. Shmoilov
This article is devoted to the issues of improving the technology for restoring the rolling profile of wheeled pairs offreight wagons of railway transport. The work highlights the most important factors that have a significant impact on reducing the purity and accuracy of the treated surface, tool durability, and durability of specialized wheel turning machines. The dynamic system of a specialized wheel-turning machine for restoring the rolling profile of wheeled pairs offreight wagons of railway transport is presented and analyzed. The important components of the elastic system as an element of the dynamic system of a specialized wheel-turning machine are determined. The scheme of a promising automatic control system for a specialized wheel-rolling machine with a subsystem for modulating the cutting speed of metal is presented. The graphs of attenuation of transverse vibrations of the tool during the usual processing of the rolling surface of the wheelset and when modulating the speed of the cutting tool of the machine are presented.
Key words: technology for restoring the rolling profile of wheeled pairs of freight wagons, specialized wheel turning machine, closed dynamic machine system, automatic control system, vibration effects, subsystem for modulating metal cutting speed.
Shmoilov Andrey Nikolaevich, candidate of technical sciences, dоcent, Shmoilov@inbox. ru, Russia, Samara, Samara State University of Railway Transport
