CC BY
11
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
УДК 621.923:629.4.027.4
Р. П. ПОГРЕБНЯК1*
1 Каф. «Прикладна механжа», Нацюнальна металургшна академш Украши, пр. Гагарша, 4, Дшпро, Украша, 49005, тел. +038 (056) 743 32 76, +38 (095) 499 75 54, ел. пошта pogrebnyakk@ukr.net, ОЯСГО 0000-0002-4685-1818
ПРУЖНА НЕЛ1Н1ЙНА ДИНАМ1КА РУХУ СУПОРТА КАРУСЕЛЬНОГО ВЕРСТАТА ДЛЯ ОБРОБКИ СУЦ1ЛЬНОКАТАНИХ ЗАЛ1ЗНИЧНИХ КОЛ1С
Мета. У робот! передбачаеться визначити умови утворення динашчно! погршносп контурно! мехашч-но1 обробки р1занням поверхш гребеня реального зал!зничного колеса чашковим р1зцем та запропонувати способи 11 зменшення. Методика. Задача виршувалася шляхом створення нелшшно1 динам1чно! розрахун-ково1 пружно1 модел1 з подальшим моделюванням 11 навантаження зовшшшми силовими факторами, зна-чення яких були отримаш аналггичними та експериментальними методами. Розрахункова схема зр1вноваже-ного супорта являе собою нелшшну двомасову систему, динам1чна модель повзуна - одномасова, з одним ступенем вол!. В основу математичного опису технолопчних навантажень покладеш результати заводських експерименпв, а також аналггичш узагальнення, отримаш методом зютавлення дек1лькох схем формоутво-рення гребеня колеса. Аналггичне визначення складових сили р1зання враховуе змши к1нематичних параме-тр1в режиму р1зання при обробщ проф1лю фасонним шструментом. Результати. При обробщ гребеня колеса рад1альна й осьова складов! сили р1зання, що навантажують супорт 1 повзун верстата, знакозмшш. 1снують умови, при яких у привод! подач! супорта й повзуна розкриваються зазори, причому це можливо за будь-яко1 геометр!1 проф!лю колеса. Особливосп навантаження супорта й повзуна, що формують греб!нь реального колеса (з бтармоншним припуском), ведуть до виникнення д!лянок обробки, на яких ввдбуваеться ба-гаторазове розкриття зазор!в у передачах привод!в подач та збшьшуеться помилка формоутворення. Дина-м!чна система приводу повзуна досить жорстка та високочастотна ! чутлива до наявносп зазор!в. Наукова новизна. Автором створен! пружш нел!н!йн! динам!чн! моделi супорта ! повзуна. Складен! у ввд-пов!дност! моделi, вир!шен! р!вняння руху мас та навантаження зв'язшв. З'ясован! умови ст!йкого руху. Практична значимкть. Моделюванням визначен! як!сн! й шльшсш умови, при яких нестшкий рух супорта та повзуна з перекладанням зазор!в не в!дбуваеться: для цього рекомендовано змшити вагу противаги.
Ключовi слова: зал!зничне колесо; верстати для обробки зал!зничних кол!с; динам!чш навантаження; ди-нам!чна точн!сть; зазори; коливання
Вступ
Технолог!я виробництва затзничних колю гарячою прокаткою не дозволяе одержати вир1б достатньо! точност й шорсткосп поверхш без-посередньо з прокатного стану, а зовшшш ша-ри прокатаного общу зневуглецьоваш i насиче-ш неметалiчними включеннями. Тому мехашч-нiй обробцi прокатано! заготовки обов'язково шдлягае поверхня катання, гребшь, обiд iз вну-тршньо! й зовшшньо! сторони колеса, а також, розточуеться отвiр у маточинi, при цьому собь вартiсть мехашчно! обробки складае бiльш нiж 50 %. Операцшна технологiя мехашчно! обробки на кожному шдприемсга iндивiдуальна, враховуе можливост встановленого устатку-вання та техшчш вимоги до отримано! продук-ци. Крiм того, технологiя ця рiзна для обробки
рiзних колiс у рамках одного пiдприемства. Зрозумiло, фiнiшна обробка термiчно обробле-ного колеса дозволяе усунути геометричних похибок форми й розмiрiв, але скорочуе проду-ктивнють верстатiв i значно збiльшуе витрату рiзального iнструменту. Твердiсть готового колеса постшно росте й досягае вже величини 400 НВ, тому для чистово! мехашчно! обробки загартованих колю необхщш спецiальнi верстати й шструмент. Колеса швидкiсного рухливого складу або колеса з особливими вимогами шсля термообробки начисто обточуються по всш поверхнi.
Основу технологiчного потоку масово! мехашчно! обробки становлять спещальш колесо-токарнi верстати карусельного типу. В основному застосовують важю одне- або двостоечнi карусельш верстати iз двома- чотирма супор-
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
тами, яю оснащеш електрокотювальними при-строями або ПЧПК та зр1вноваженими важки-ми боковими супортами
Найбшьш сучасш верстати виробляють про-вщш европейсью компани: «Hegenscheidt -MDF» (Нiмеччина), «Kreven», «Dorries Scharmann» (Великобриташя), «Седин» (Росiя), «Rafamet» (Польща), «Morando», «Mario Carnaghi» (Iталiя), «Sculfort» (Франщя), «TOSHULIN» (Чеыя), «BOST» (Iспанiя).
Одним з найважливiших показникiв динам> чно! якостi верстатiв e точнiсть обробки, що визначаеться вiдносним зсувом шструмента й деталi по нормалi до оброблено! поверхнi. Точнiсть перемiщення супорта характеризуемся величиною помилки або вщхиленням дшсно! координати робочого органа верстата вщ задано!. У важконавантажених верстатах виршаль-ний вплив на точшсть обробки складають ди-намiчнi й пружнi похибки. «При обробщ фа-сонних поверхонь змшно! кривизни домiнуюча складова динамiчно! похибки кошювання ви-кликаеться вiдносним зсувом щупа й шструмента в площиш профшюючого руху» [5, стор. 117].
Основш роботи з динамши металорiзальних верстатiв В. А. Кудшова, B. C. Gegg, В. Э. Пуша, С. М. Кожевшкова, С. С. Кедрова, C. Brecher та ш. у значнш мiрi присвяченi ви-значенню й оцшщ динамiчно! точностi обробки. Питання динамiчноl точностi формоутво-рення фасонних поверхонь освiтленi в роботах украшських вчених В. К. Кулика, Ю. В Петракова, В. Н. Попова, М. Л Орликова, В. Б. Стру-тинського та ш. Удосконалювалися методики розрахункiв верстатiв на змушеш коливання при обробцi фасонних поверхонь [3, 8, 9, 13]. Ц методики загального характеру розробляли-ся для унiверсальних верстатiв iз широким дiа-пазоном забезпечення режимiв обробки й без облiку специфши навантаження, яка властива спецiальним верстатам.
У робот [4] виконаний анатз нестiйкостi гальмування врiвноваженого супорта, коли час гальмування механiчно! системи бшьше часу гальмування приводу, що при наявност зазору приводить до довшьного позицiювання супорта в його зош. У режимi обробки деталi вщрив супорта вiд тягнучого органа знижуе точнiсть одержуваного розмiру. Питанням моделювання нелiнiйних рiвнянь динамiки металорiзальних doi 10.15802/stp2017/109606
верстатiв, у тому чи^ в режимi нестащонарно-го навантаження, присвячеш роботи [3, 6-9, 11, 12].
Проблема. В умовах виробництва на мета-лургшному шдприемсга та яскраво виражено! нестацiонарностi динамiчного навантаження при обробцi окремих дшянок колеса нерiдко спостерiгаються значнi вщхилення геометри отримано! поверхнi вiд задано!, вщзначеш та-кож «врiзи» в поверхню гребеня, що призво-дить до вщбраковування колiс i повторному переточуванню. Такого роду помилки кошювання обумовлеш низькою динамiчною точшс-тю перемiщення та позицiювання супорта i повзуна верстата. Нерацiональнiсть схеми обробки проявляеться в тому, що складовi сили рiзання супортiв спрямоваш на вiдрив колеса вiд планшайби й супортiв вiд напрямних. Ця обставина iстотно впливае на утворення тдви-щених зазорiв i значно знижуе стшюсть напрямних i ходових гвинтiв. Однiе! з головних причин невисоко! точностi обробки е недостатнш облiк специфiчних особливостей динамiчних процесiв при формоутвореннi профшю за обра-ною схемою обробки.
Мета
Пiд дiею сил рiзання вимушенi коливання створюють iнструмент i щуп, якi закршлеш на одному супортi. Пружна деформащя супорта впливае на взаемне розташування щупа i кот-ра: при досягненш величини бiльшiй, чим зона нечутливост щупа (адаптера) подаеться поми-лковий сигнал на перемiщення супорта, що й викликае похибку. Тому абсолютна деформащя супорта визначае динамiчну похибку кошювання. Визначенню умов утворення динамiч-но! похибки обробки поверхш гребеня реального залiзничного колеса й способiв !! зменшення присвячене нижченаведене дослiдження.
Методика
Ршення поставленого завдання здшснюеть-ся за допомогою аналiзу рiвнянь руху методами iнженерно! динамiки машин i iмiтацiйного мо-делювання приводу подач супорта верстата, що обробляе фасонну поверхню гребеня залiзнич-ного колеса.
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BicHHK ^HinponeTpoBcbKoro Ha^oHanbHoro yHiBepcHTeTy 3ani3HHHHoro TpaHcnopTy, 2017, № 4 (70)
pe3y^btath
Ha pnc. 1 npegcraBneHa gHHaMiHHa Mogenb 3piBHOBa®eHoro 6inHoro cynopTa Konecoo6po6-Horo BepcTaTa. CynopT (m1+m3) i noB3yH m3 ne-peMi^yroTbca nig giero norog^eHoro KrneMaTHH-Horo 36yproBaHHa ^(t) i ^(t). CynopT 3piBHoBa-^eHHH nepe3 KaHaT c2 npoTHBaroro m2; c1 i c3 Big-noBigHo HaBegeHi ^opcTKocTi naнцroriв nogan cynopTa h noB3yHa. KiHeMaraHHe 36yproBaHHa nepegaeTbca Ha cynopT i noB3yH nepe3 caMoranb-MiBHi nepegani «rBHHT-raHKa KoB3aHHa» 3 HaBe-geHHMH 3a3opaMH Ax h Ay. Po3paxyHKoBa cxeMa BpiBHoBa^eHoro cynopTa aBnae co6oro HenimKHy gBoMacoBy cucreMy, ^HHaMinHa Mogenb noB3yHa - ogHoMacoBa 3 ogHHM cTyneHeM Binb-HocTi.
nicna BugineHHa KonHBanbHoi' cKnagoBoi' ne-peMi^eHHa 3aMrnoro 3MiHHHx: x1=X1-tx, x2=X2-tx, y=Y-£y, ge £x=Sx% £y=Sy-r, - pyx Macu cynopTa (m1+m3) i npoTHBaru m2 onumeTbca cucTeMoro HeniHiHHHx piBHaHb:
x1(mi + m3) + Ciyxxi + kxi x1 + C2 (x1 - x2) +
+kx 2 (X - X2) =-1,1Px W - Fx W x'2m2 + c2 (x2 - x1) + kx2 (x2 - x') = -MT / r. PiBHaHHa pyxy noB3yHa:
y"m3 + C3yyy + kyy' = -1,1 Py(x) - Fy(t) .
TyT: Sx, Sy - cTana mBHgKicTb nogani b pe^HMi o6po6Ku; kx1, ky, kx2 - Koe^i^eHTH Henpy^Horo onopy b npuBogi, HanpaMHux b KaHaTi By3na 3piB-HoBa^yBaHHa; yx i yy - Koe^i^eHTH HeniHiHHoi' xapaKTepucTHKH 3B'a3KiB (3a3op); Px, Py, Fx, Fy -cKnagoBi cunu pi3aHHa Ta cunu TepTa b HanpaM-hhx KoB3aHHa; M„/r - cuna TepTa b cucreMi Big-xunaronux 6noKiB, r - pagiyc nigmunHHKa 6noKy.
B ocHoBy MaTeMaTHHHoro onucy TexHonorin-hhx HaBaHTa^eHb noKnageHi pe3ynbTaTH 3aBogcb-khx eKcnepuMeHTiB, cnocrepe^eHb 3a noBog^eH-HaM cynopTiB, a TaKo^ aHaniTHHHi y3aranbHeHHa, oTpuMaHi b pe3ynbTaTi 3icraBneHHa geKinbKox cxeM ^opMoyTBopeHHa rpe6eHa Koneca. AHaniTH-HHe BH3HaneHHa cKnagoBHx cunu pi3aHHa bhko-HaHo 3 ypaxyBaHHaM 3MiHH KrneMaraHHHx napa-MeTpiB pe^HMy pi3aHHa npu ^acoHHin o6po6цi npo^inro ^acoHHHM iHcTpyMeHToM [14] (Bce y kH):
Pz (x) = 4,24 tn (x)1,04 SK (x)0,9V (x)-0,1,
P (x) = 1,78tn(x)1,12SK(x)-0,07V(x)-0,18 x x sin A0( x)
x sin (A0(x) + a(x)),
P (x) = 1,781n(x)1,12SK(x)-0,07V(x)-0,18 x y sin A0 (x)
x cos (A0( x) + a( x)).
t (x) = t(x) [2 (R - r) +1(x)]; tn (x) = 2 R ;
Sk (x) = R - r + 0,5t (x> S ;
R
V (x) = 0,001 n[ D + 2 y (x)]w; tga( x) = ■ V V
-(x0 - x)2
Puc. 1. ^HHaMinHa Mogenb cynopriB Konecoo6po6HHx BepcTaTiB (m1=1716 Kr; m2=2050 Kr; m3=500 Kr; c1=174 106 H/m; c2=4,27 106 H/m; c3=570 106 H/m; kx1=ky=201400 Kr/c; kx2=7800 Kr/c; Ax=Ay=0,150 mm)
Fig. 1. Dynamical model of the supports of wheel processing machines (m1=1716 kg; m2=2050 kg; m3=500 kg; c1=174.106 N/m; c2=4.27x106 N/m; c3=570.106 N/m; kx1=ky=201400 kg/s; kx2=7800 kg/s; Ax=Ay=0.150 mm)
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Тут позначено: tn - наведена глибина р1зання, мм; SK - подача на криволшшнш опуклш рад1у-снш дшянщ профшю, об/хв; V - швидюсть р> зання, м/хв; Д0 - кут напрямку сходу стружки; а - кут нахилу дотичнш до профшю (еквщис-танти); t - глибина р1зання, мм; R - рад1ус кола еквщистанти, що описуе профшь, мм; r - рад1ус шструмента, мм; D - д1аметр колеса, м; y - рют висоти гребеня по середнш величин! припуску, м; n - частота обертання планшайби, об/хв; х0, у0 - координати центра кола еквщистанти, що описуе профшь; R0 - 11 рад1ус.
Сили тертя i опору пересуванню задаються статичними та визначають за залежними:
Fy(Xi, т) = [Pz(Xi, т) + \Px(Xi, т)| + тзg ] f;
Fx(Xi, т) = [Pz(Xi, т) +1Py(Xi, т)|] f + ДО;
ДG = (m + m3 - m2) g .
Моделювання навантаження верстата при обробщ профiлю за ДСТУ ГОСТ 10761:2016 [4] здшснювалось засобами MathCad.
Головна складова сили рiзання Pz зростае та набувае максимуму в галтелi переходу iз гребеня до поверхш кочення колеса, а при обробщ вщновлених наплавленням залiзничних колiс припуск на обробку повинен бути ще збшьше-ний на 1 мм [2].
Складовi Ру i Рх (рис. 2) визначають наван-таженiсть повзуна й супорта вщповщно верстата. Рух супорта на дшянщ пiсля вершини гребеня вщбуваеться пiд дiею постшно зменшува-но! складово! Рх, а за умови -Px = Fx (наприкш-цi обробки) створюються умови для розкриття зазору. Дотримання ще! умови залежить вiд геометрii профшю, стабiльностi сили тертя, величини й характеру змши припуску. Рух супорта не реверсивний, але складова Рх наприкь нцi обробки змшюе знак, що при значнiй ii ве-личинi приводить до розкриття зазору. Рух повзуна на первюному еташ обробки вiдбуваеться шд дiею поступово зменшувано! сили Ру, а шс-ля змiни знака складово! рух без розкриття зазору в передачi «гвинт-гайка» здшснюеться доти, поки Ру не перевершить силу Fy тертя на основнш i бiчнiй напрямних повзуна.
P(x), kH 30
Phc. 2. P03paxyHK0Ba cxeMa (a) i rpa^iKH (6, b) 3MiHH cKnagoBux cunu pi3aHHa h cun TepTa npu o6po6^ $acoHHo! noBepxHi rpe6eHa Koneca 3a ACTy rOCT 10761:2016 b nono^eHm «rpe6eHeM goHH3y»
Fig. 2. Calculation scheme (a) and graphs (b, c) of the force components of the cutting and frection forces when processsing the profiled surface of the wheel flange according to the State Standard 10761: 2016 in the position «flange down»
HecnpuaTnuBuM xapaKTep 3m1hh cxnagoBux Px i Py gogaTKOBO noripmyeTbca 3MiHHicTro npu-nycKy, ^o cnpuHHHeHHH eксцeнтpнснтeтoм ycTaHOBKH «Koneca - 3aroToBKH» Ha nnaHmaM6i (ii=0 - 1,5 mm), a TaKo^ HaaBHicTro orpaHroBaHHa Koneca (t2=1,3-1,6 mm) [9]. 3 ypaxyBaHHaM eKc-
цeнтpнcнтeтy ycTaHoBKH rnu6uHa pi3aHHa 3Mi-HroeTbca 3a 3ane^HicTro:
t = t0 +11 sin(rax) +12 sin(3rax + 9),
ge t0 - cepegHa rnu6uHa pi3aHHa Bigpi3Ka npo^i-nro; t2 - aMnnhyga xBuneyTBoproBaHHa (orpaHro-BaHHa); o> - nacTOTa o6epTaHHa nnaHmaH6u, c-1;
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
т - поточний час, с; ф - фазовий зсув м1ж екс-центриситетом i хвилеутворюванням. Обидв1 гармоншш складовi складаються на поверхш колеса, i коливання припуску носить б^армо-нiйний характер.
На рис. 3, а представлений фрагмент моде-лювання пружного перемiщення супорта (m1+m3) на дiлянцi, де створюються умови роз-криття зазору в приводi подачi. Спостерiгаeться значний рiст ампттуди коливального перем> щення супорта з перюдичшстю, що втричi пе-ревищуэ зворотну. За даних умов ампттуда незатухаючих коливань перевищуе настрою-вання зони нечутливосп адаптера, i система керування дае команди на вмикання або вими-кання подачi за щею координатою iз частотою вибiрки зазору. У результатi на поверхш гребе-ня залiзничного колеса з'являються «врiзи» й опуклостi, що викликае необхщне переточу-вання колеса.
При русi повзуна m3 у приводi його подачi також виникають умови для формування зазору (рис. 3, б) i вщбуваеться це до реверса подачi.
Xj, мм
0,05 -
у,мм
0,05 0
-0,05
PI r |
т, с
0 6 '/0 8 0
mS^ JU
6 - b
Phc. 3. HecTiHKHH pyx: a - cynopTa Ta npoTHBara Ha giM^i po3KpHTra 3a3opy b npHBogi BepTHKantHoi nogani; 6 - noB3yHa Ha giM^i po3KpHTTa 3a3opy B npHBogi roprooHTantHoi nogani (ii=0,5 mm; i2=1,5 mm; 9=n/3 p)
Fig. 3. Unstable motion:
a - of support and counterweight in the section for opening the gap in the vertical drive; b - of slide at the section of the the gap opening in the drive of horizontal feed (t1= 0.5 mm, t2=1.5 mm, 9=n/3 r)
На дшянщ профшю, де створюються умови для рiвностi -Py=Fy, вщбуваеться вибiрка зазору в передач^ а змшний характер сил рiзання i тертя робить вибiрку зазору багаторазовою й швидко збiльшуе зазор. Динамiчна система приводу повзуна досить жорстка та високочас-тотна, тому чутлива до вибiрки зазору. Режим нестшкого руху з перiодичною вибiркою зазору при рус супорта можна вимикнути, якщо зме-ншити вагу противаги m2 для того, щоб збшь-шити силу Fx. Це трохи збшьшить статичне навантаження на ходовий гвинт, але забезпе-чить у нереверсивнш за цiею координатою пе-редачi однобiчне розташування зазору й тим самим вимкнуть його вибiрку.
На рис. 4, а представлений результат моде-лювання руху супорта зi зменшеною до необ-хiдного масою противаги. Як видно, нестшкий режим руху з розкриттям зазору в приводi вщ-сутнiй. Вимкнути вибiрку зазору в реверсивному приводi руху повзуна неможливо, для забез-печення достатньо! точностi одержуваного профiлю передачу «гвинт - гайка» i напрямнi ковзання повзуна необхщно оснастити при-строем постшно! вибiрки зазору або його регу-люванням до величини, що не перевищуе на-строювання зони нечутливосп адаптера.
На рис. 4, б представлений результат моде-лювання проходження зони вибiрки зазору при зменшенш його величинi.
0
-0,02 -0,04
х1,мм
у,мм 0,02 0,01'
122 124 126 128 130 J32 134 136 т, с
уда
0 т, с
йй
0
-0,01 -0,02
б - b
Рис. 4. Стшкий рух: а - супорта 3i зменшеною масою противаги в приводi вертикально! подачц б - повзуна 3i зменшеним зазором у приводi горизонтально! подачi
Fig. 4. Stable motion:
a - of the support with a reduced weight of counterweight in the drive of vertical feed; b - of slide with reduced gap in the drive of horizontal feed
а — а
a — a
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
Наукова новизна та практична значимкть
Створеш пружш нелшшш динам1чн1 модел1 супорта i повзуна. Складеш, вщповщно, модел^ i вирiшенi рiвняння руху мас та навантаження зв'язкiв.
Моделюванням визначенi якiснi й кiлькiснi умови, при яких нестiйкий рух супорта i повзуна з перекладанням зазорiв не вiдбуваeться. Рекомендовано змшити масу противаги.
Висновки
При обробщ гребеня колеса радiальна й осьова складовi сили рiзання, що навантажу-ють супорт i повзун верстата, знакозмшш.
1снують умови, при яких у приводi подачi супорта й повзуна розкриваються зазори, при-чому це можливо при будь-яко! геометри про-фiлю колеса.
Особливостi навантаження супорта й повзуна, що формують гребшь реального (з бшармо-нiйним припуском) колеса ведуть до виникнен-ня дiлянок обробки, на яких вщбуваеться бага-торазове розкриття зазорiв у передачах приво-дiв подач i збiльшуeться помилка формо-утворення.
Визначенi якiснi та кшьюсш умови при об-робцi рiзних профiлiв колеса, за якими нестш-кий рух з перекладанням зазорiв в приводах супорта та повзуна не вщбуваеться.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Васильев, Г. Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков / Г. Н. Васильев. - Москва : Машиностроение, 1987. - 280 с.
2. Гайворонський, О. А. Умови забезпечення якосп ввдновлених наплавленням затзничних колю /
0. А. Гайворонський // Наука та прогрес транспорту. - 2016. - № 5 (65). - С. 136-151. doi: 10.15802/stp2016/84078.
3. ДСТУ ГОСТ 10761:2016. Колеса суцшьнокаташ. Техшчш умови. - На замшу ГОСТ 10761-2004 та ГОСТ 9036-88. - Чинний ввд 2016-09-01. - Кшв : Держспоживстандарт Украши, 2016. - 15с.
4. Кедров, С. С. Колебания металлорежущих станков / С. С. Кедров. - Москва : Машиностроение, 1978. -199 с.
5. Кулик, В. К. Прогрессивные процессы обработки фасонных поверхностей / В. К. Кулик, Ю. В. Петраков, В. В. Иотов. - Кшв : Техшка, 1987. - 176 с.
6. Левин, А. И. Математическое моделирование в исследованиях и проектировании станков / А. И. Левин. - Москва : Машиностроение, 1978. - 184 с.
7. Петраков, Ю. В. Контурная обработка фасонных поверхностей деталей / Ю. В. Петраков, И. Г. Федо-ренко // Металлорежущие станки : респ. межвед. науч.-техн. сб. - Киев, 1984. - Вып. 12. - С. 39-42.
8. Петраков, Ю. В. Моделирование гашения колебаний при токарной обработке / Ю. В. Петраков // В1сн. нац. техн. ун-ту Украши «Кшвський полггехшчний шститут». Сер!я: Машинобудування : зб. наук. пр. / Нац. техн. ун-т Украши «Кшв. полгтехн. ш-т». - Кшв, 2016. - № 2. - С. 119-124.
9. Погребняк, Р. П. Экспериментальное исследование формы прокатанной заготовки железнодорожного колеса / Р. П. Погребняк // Производство проката. - 2012. - № 2. - С. 29-33.
10. Струтинський, В. Б. В1брацшш процеси мехашчно! обробки : монограф1я / В. Б. Струтинський,
1. В. Перфшов // Нац. техн. ун-т Украши «Кшв. полгтехн. ш-т». - Кшв, 2015. - 579 с.
11. Струтинський, В. Б. Математичне моделювання процес1в та систем мехашки / В. Б. Струтинський. -Житомир : Ж1Т1, 2001. - 612 с.
12. Gegg, B. C. Machine Tool Vibrations and Cutting Dynamics/ B. C. Gegg, C. S. Suh, A. Luo. - New York : Springer, 2011. - 179 p. doi: 10.1007/978-1-4419-9801-9.
13. Multipoint Constraints for Modeling of Machine Tool Dynamics / С. Brecher, М. Fey, С. Tenbrock, М. Daniels // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2016. - Vol. 138 (5). - P. 117-124. doi: 10.1115/1.4031771.
14. Pogrebnyak, R. Load and shaping precision of a complex railroad-wheel surface / R. Pogrebnyak // Russian engineering research. - New York : Allerton Press, Inc., 2012. - T. 32, No. 4. - P. 407-411. doi: 10.3103/S1068798X12040211.
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
НЕТРАДИЦШШ ВИДИ ТРАНСПОРТУ. МАШИНИ ТА МЕХАШЗМИ
Р. П. ПОГРЕБНЯК1*
1 Каф. «Прикладная механика», Национальная металлургическая академия Украины, пр. Гагарина, 4, Днипро, Украина, 49005, тел. +038 (056) 743 32 76, +38 (095) 499 75 54, эл. почта pogrebnyakk@ukr.net, ORCID 0000-0002-4685-1818
УПРУГАЯ НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА ДВИЖЕНИЯ СУППОРТОВ КАРУСЕЛЬНОГО СТАНКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС
Цель. В работе предполагается определить условия образования динамической погрешности контурной механической обработки резанием поверхности гребня реального железнодорожного колеса чашечным резцом и предложить способы ее уменьшения. Методика. Задача решалась путем создания нелинейной динамической расчетной упругой модели с последующим моделированием ее нагружения внешними силовыми факторами, значение которых были получены аналитическим и экспериментальным методами. Расчетная схема уравновешенного суппорта представляет собой нелинейную двухмассовую систему, динамическая модель ползуна - одномассовая, с одной степенью свободы. В основу математического описания технологических нагрузок положены результаты заводских тестов, а также аналитические обобщения, полученные методом сопоставления нескольких схем формообразования гребня колеса. Аналитическое определение составляющих силы резания учитывает изменения кинематических параметров режима резания при обработке профиля фасонным инструментом. Результаты. При обработке гребня колеса радиальная и осевая составляющие силы резания, нагружающие суппорт и ползун станка, знакопеременны. Существуют условия, при которых в приводе подачи суппорта и ползуна раскрываются зазоры, причем это возможно при любой геометрии профиля колеса. Особенности нагрузки суппорта и ползуна, формирующие гребень реального колеса (с бигармоническим припуском), ведут к возникновению участков обработки, на которых происходит многократное раскрытие зазоров в передачах приводов подач и увеличивается ошибка формообразования. Научная новизна. Автором созданы упругие нелинейные динамические модели суппорта и ползуна. Составлены в соответствии модели, решены уравнения движения масс и нагружения связей. Определены условия устойчивого движения. Практическая значимость. Моделированием определены качественные и количественные условия, при которых неустойчивое движение суппорта и ползуна с перекладыванием зазоров не происходит: для этого рекомендуется изменить вес противовеса.
Ключевые слова: железнодорожное колесо; станки для обработки железнодорожных колес; динамические нагрузки; динамическая точность; зазоры; колебания
R. P. POGREBNYAK1*
1 Dep. «Applied Mechanics», National Metallurgical Academy of Ukraine, Gagarin Av., 4, Dnipro, Ukraine, 49005, tel. +038 (056) 743 32 76, +38 (095) 499 75 54, e-mail pogrebnyakk@ukr.net, ORCID 0000-0002-4685-1818
ELASTIC NONLINEAR DYNAMICS OF MOTION OF SLIDE OF VERTICAL TURNING MACHINE FOR WORKING OF SOLID-ROLLED RAILWAY WHEELS
Purpose. The article is aimed to determine the conditions of a dynamic error formation of contour machine cutting of surface of the real railway wheel flange by the cup-tip tool and propose the ways of reducing the errors. Methodology. The problem was solved by the creation of dynamic nonlinear and elastic calculation model with further modeling of its loading by the external force factors. The values of forces were obtained by analytical and experimental methods. The calculation scheme of the equilibrium support is a nonlinear two-mass system, a dynamic model of slide - single-mass with one degree of freedom. The basis of the mathematical description of technological loads is the results of factory experiments, as well as analytical generalizations obtained as a result of the comparison of several schemes of the formation of the wheel flange. Analytical determination of the components of the cutting force takes into account the changes in the kinematic parameters of the cutting mode when the
Наука та прогрес транспорту. Вкник Дншропетровського нацюнального ушверситету залiзничного транспорту, 2017, № 4 (70)
profiling is done using a shaped tool. Findings. During processing of the wheel flange the radial and axial components of the cutting forces that load slide and slide-block of machine are alternating. There are conditions in drive of slide and slide-block when the gaps appear, and it is possible at any profile geometry of the wheel. The peculiarities of loading of the slide and slide-block forming a flange (with biharmonic allowance) cause the occurrence of the processing areas where the gaps increase many times in drives of mechanical transmissions and error of forms increases. The dynamic system of the drive is quite tough and high-frequency and it is sensitive to the presence of gaps. Originality. The author created elastic nonlinear dynamic models of support and slide. In accordance with the model it is written and solved equations of motion of the masses and loading of the connections. The conditions of the stable motion were found. Practical value. It is determined by modeling the qualitative and quantitative terms of stable motion without gaps. It is recommended to change the weight of counterweight.
Keywords: railway wheel; railway wheel processing machines; dynamic loading; dynamic precision; gaps; vibrations
REFERENCES
1. Vasilev, G. N. (1987). Avtomatizatsiya proyektirovaniya metallorezhushchikh stankov. Moscow: Mashinos-troyeniye.
2. Haivoronskyi, O. A. (2016). Terms of ensuring quality of the railway wheels built up by welding. Science and Transport Progress, 5(65), 136-151. doi:10.15802/stp2016/84078
3. Kolesa sutsilnokatani. Tekhnichni umovy, DSTU HOST 10761:2016 (2016).
4. Kedrov, S. S. (1978). Kolebaniya metallorezhushchikh stankov. Moscow: Mashinostroyeniye.
5. Kulik, V. K., Petrakov, Y. V., & Iotov, V. V. (1987). Progressivnyye protsessy obrabotki fasonnykh poverkh-nostey. Kyiv: Tekhnika.
6. Levin, A. I. (1978). Matematicheskoye modelirovaniye v issledovaniyakh i proyektirovanii stankov. Moscow: Mashinostroyeniye.
7. Petrakov, Y. V., & Fedorenko, I. G. (1984). Konturnaya obrabotka fasonnykh poverkhnostey detaley.
Metallorezhushchiye stanki, 12, 39-42.
8. Petrakov, Y. (2016). Simulation of chatter suppression for lathe machining. Journal of Mechanical Engineering of the National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», 2(77), 119-124.
9. Pogrebnyak, R. P. (2012). Experimental investigation of rolled blank shape for railway wheel. Proizvodstvo prokata, 2, 29-33.
10. Strutynskyi, V. B., & Perfilov, I. V. (2015). Vibratsiini protsesy mekhanichnoi obrobky [Monograph]. Kyiv: National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute».
11. Strutynskyi, V. B. (2001). Matematychne modeliuvannia protsesiv ta system mekhaniky. Zhytomyr: Zhytomyr Institute of Engineering and Technology.
12. Gegg, B. C., Suh, C. S., & Luo, A. C. J. (2011). Machine Tool Vibrations and Cutting Dynamics. New York: Springer-Verlag. doi:10.1007/978-1-4419-9801-9
13. Brecher, C., Fey, М., Tenbrock, С., & Daniels, М. (2016). Multipoint Constraints for Modeling of Machine Tool Dynamics. Journal of Manufacturing Science and Engineering, 138(5), 117-124. doi:10.1115/1.4031771
14. Pogrebnyak, R. P. (2012). Load and shaping precision of a complex railroad-wheel surface. Russian engineering research, 32(4), 407-411. doi:10.3103/S1068798X12040211
Статтярекомендована до друку д.т.н., проф. С. В. Ракшею (Украта); д.т.н., проф. I. В. Добровим (Украта)
Надшшла до редколеги: 17.03.2017 Прийнята до друку: 22.06.2017
