Влияние качества механической обработки на технический ресурс колес подвижного состава Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Таким образом, координаты точки M с учетом (19) и (20):

XM = Py

К

2 -Py

(20)

2. Проектирование механических передач : учеб. пособие для немашиностроительных вузов / С. А. Чернавский [и др.]. — М. : Машиностроение, 1976. — 608 с.

3. Сторожев, В. П. Механические передачи / В. П. Сторо-жев. — К. : Алерта, 2005. — 784 с.

(

Ym = Y + Py

1 - cos-

b'„

2 -P

(21)

y У

Полученные уравнения боковой поверхности изогнутого ремня позволяют произвести конечно-элементный анализ взаимодействия шкива и ремня. Анализ производился с использованием программного пакета Inventor. Результаты анализа представлены на рис. 5а, б.

Анализ показывает снижение контактных напряжений (с 199 кПа до 131 кПа). Кроме того, контактные напряжения распределены более равномерно. Это в значительной степени снижает указанные недостатки клиноременной передачи.

Библиографический список

1. Пронин, Б. А. Бесступенчатые клиноременные и фрикционные передачи / Б. А. Пронин. — М. : Машиностроение, 1980. - 320 с.

АВЕРКОВ Константин Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава Омского государственного университета путей сообщения.

Адрес для переписки: averok@yandex.ru КИСЕЛЬ Антон Геннадьевич, ассистент кафедры металлорежущих станков и инструментов Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: kisel1988@mail.ru ТИТОВ Юрий Владимирович, инженер кафедры металлорежущих станков и инструментов ОмГТУ. Адрес для переписки: tyrin-88@mail.ru

Статья поступила в редакцию 18.09.2015 г. © К. В. Аверков, А. Г. Кисель, Ю. В. Титов

УДК 625.°31.1:625.°32.32 м. И. БИСЕРИКАН

В. В. ИВАНОВ

Омский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ КАЧЕСТВА МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕСУРС КОЛЕС ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Выполнен анализ влияния ненормируемой правилами ремонта волнистости поверхности катания колес подвижного состава, возникающей вследствие недостаточно эффективной технологии ремонта, на технический ресурс колеса. Представлена математическая модель, описывающая влияние волнистости поверхности катания на характер износа.

Ключевые слова: абразивный износ, усталостное разрушение, межремонтный пробег, железнодорожное колесо, вагонное колесо, механическая обработка.

Основанием для разработки методики прогнозирования технического ресурса является Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, согласно которой планируется увеличение осевой нагрузки до 25 — 30 тс и повышение скорости движения подвижного состава до 120 км/ч.

Одним из важнейших элементов экипажной части вагонов и локомотивов является колесо. Его параметры напрямую влияют на ходовые характеристики экипажей и безопасность движения поез-

дов. Износ колес, возникающий в процессе эксплуатации, приводит к значительным экономическим затратам.

В процессе эксплуатации динамические нагрузки на колесо изменяются в широких пределах: так, ускорение, которое возникает при прохождении колесной парой рельсового стыка, может достигать 60 д и более [1, 2]. В связи с этим возрастает уровень механических напряжений, возникающих в колесе, что интенсифицирует процесс накопления усталостных повреждений в поверхности катания. Так как максимальные напряжения наблюдаются в подповерхностном слое, то со временем это

Рис. 1. Распределение эксплуатационных дефектов колес

67

5,2 9.2 12,3

_ ш Л

0-40 41-80 81-120 121-160 161-300 Межремонтный пробег, тыс. км -

Рис. 2. Распределение вагонных колес по межремонтному пробегу

Рис. 3. Вертикальные ускорения узлов механической части локомотива

явление приводит к возникновению и росту усталостных трещин. Кроме того, существенной проблемой является абразивный износ при качении колеса по рельсу и трение о колодку при торможении. Процесс изнашивания зависит от уровня эксплуатационных нагрузок и от микропроскальзывания в зоне взаимодействия поверхностей катания колеса и головки рельса. В свою очередь, на это влияет скорость движения, состояние поверхностей катания колеса и рельса, их геометрические параметры, а также динамические характеристики экипажа.

С целью уменьшения износа поверхности катания колес на российских железных дорогах выполняется переход на колеса повышенной твердости (до 360 НВ). Анализ распределения дефектов, связанных с обточкой колес повышенной твердости, показывает, что наряду со значительным уменьшением числа отцепок грузовых вагонов на неплановые виды ремонта по таким дефектам, как прокат и подрез гребня (тонкий гребень), произошло увеличение числа отцепок по термомеханическим (ползуны) и усталостным повреждениям (выщербины) поверхности катания вагонных колес (рис. 1).

Более 30 % вагонных колес отправляются в ремонт по наличию выщербин на поверхности ка-

тания. Кроме того, число неплановых ремонтов по усталостным дефектам в локомотивном хозяйстве (рис. 1) достигает 6 %, что превышает число всех остальных дефектов.

Наличие указанных дефектов является фактором, напрямую влияющим на технический ресурс колес. Около трети колес вагонного парка имеют пробег между переточками менее 160 тыс. км (рис. 2), что обусловлено, в первую очередь, низким качеством ремонта.

Дефекты термомеханического и усталостного происхождения изменяют механические свойства металла на поверхности катания. При этом ползуны увеличивают сопротивление резанию по причине возросшей твердости, а выщербины приводят к дискретному процессу резания с возникновением ударных явлений при обточке. В результате чего после восстановления профиля поверхности катания колеса он приобретает сложный макрорельеф (технологические наследственные неровности), параметры которого не регламентированы правилами ремонта — это не учитывает устаревшая технология ремонта.

Макрорельеф, образовавшийся в результате обработки, в дальнейшем является возмущающим

Рис. 4. Схема взаимодействия колеса с резцом, при обточке колесной пары: а — схема деформации металла режущим инструментом; б — схема действия на резец сил резания

Рис. 5. Графики изменения коэффициента удара (а) и отжатия инструмента (б) при обработке колесной стали; глубина резания 5 мм, скорость резания 45 м/мин, твердость обрабатываемого материала 340HB

фактором в процессе динамического взаимодействия колеса и рельса. По экспериментальным данным ВНИИЖТа и УрГУПСа, полученным при испытаниях всех видов подвижного состава, ускорение оси колесной пары, при использовании среднеиз-ношенных колес в середине рельсового звена имеет значение 1,5 — 2,0 м/с2 (рис. 3). Исследования, выполненные в ДИИТе, выявили, что значения ускорений существенно зависят от приведенной массы и жесткости пути [3].

Для моделирования процесса восстановления профиля колеса и возникновения макрорельефа проанализированы параметры, влияющие на динамику процесса взаимодействия режущего инструмента с колесом, содержащим дефект [4].

При обточке колесных пар вследствие большой вращающейся массы (около 2,5 т — для электровозных колесных пар и 1,4 т — для вагонных колесных пар) и жесткости станка энергию удара от дефекта воспринимает твердосплавная пластина режущего инструмента, обладающая высокой твердостью и малой пластичностью. В результате чего режущий инструмент начинает совершать колебательное движение. Для обрабатываемой поверхности наиболее значимы поперечные колебания режущего инструмента, которые формируют ее макрорельеф. Параметрами, существенно влияющими на процесс ударного воздействия на режущий инструмент со стороны колеса, являются: скорость резания, напрямую связанная со скоростью вращения колеса при ремонте (й, об/мин), глубина резания (1, м),

твердость обрабатываемой детали (МПа), жесткость металлорежущего станка (с1, Н/м) и жесткость инструмента (с2, Н/м)

Расчетная схема взаимодействия режущего инструмента и обрабатываемого колеса, представлена на рис. 4.

В расчетной схеме (рис. 4), кроме указанных выше, приняты следующие обозначения Р1, Р2 — коэффициенты демпфирования станка и инструмента, Нс/м; 6 — угол упругого прогиба режущего инструмента под нагрузкой, рад; Р — сила резания, Н; Рт — касательная сила резания, Н; Рп — нормальная сила резания, Н; Мвр — крутящий момент электродвигателя, №м; у — прогиб вершины резца, м; е1 — эксцентриситет приложенной нормальной силы, м; у — передний угол резца, рад; — радиус обрабатываемого колеса, м; г — изменение глубины резания, вследствие упругого отжатия режущего инструмента, м; Ь — расстояние между точкой закрепления режущего инструмента и точкой приложения силы резания, м.

Расчетная схема взаимодействия режущего инструмента и обрабатываемого колеса представлена на рис. 4, описывается системой дифференциальных уравнений (1).

Решение системы дифференциальных уравнений (1) позволило получить выражения для определения мгновенного изменения глубины резания и коэффициента динамичности для режимов резания, используемых в ремонтных предприятиях при восстановлении профиля колес. Зависимость

Рис. 6. Расчетная схема механизма изнашивания при взаимодействии колеса с рельсом

Рис. 7. График изменения пробега колесных пар в зависимости от скорости движения и параметров обработки

изменения коэффициента динамичности, определяющего увеличение силы резания при взаимодействии с выщербиной, и изменение глубины резания для принятых режимов представлены на рис. 5.

J • С

" ёт ~ С

и„, - с • Ф •о

Ro

■ - Р(Т) • ^ • sin р;

ёо

ёТ

1 -

R„

cos(y + © - ц) [1 + sm(y + © - ц)]

ё2^ ёТ2

Rк [1 + яп(у + ©-ц)]_

а©

ёт ёт

(1)

ёх

Указанный метод основан на усталостной теории износа и линейной интенсивности изнашивания приработанных поверхностей пропорционально давлению на поверхностях трения:

у =

к • Ъ-Ю'Р'-(1 ) (а • (да - ^ а), к • 8

(2)

-7 + Р1--+ с1 • х - Р(Т),

ёТ ёТ

где т1 — масса колесной пары, кг; 3 — момент инерции колесной пары, кгм2; Мвр — крутящий момент электродвигателя, №м; КЯ — сопротивление якоря электродвигателя, Ом; а — толщина среза, м; П — угловая скорость вращения колесной пары, рад/с; ц — коэффициент трения стружки по передней поверхности режущей пластины.

Значение коэффициента динамичности не является постоянной величиной, а изменяется в некоторых пределах. При увеличении скорости и глубины резания происходит увеличение коэффициента динамичности, возрастает нагрузка на режущую кромку инструмента и увеличивается вероятность ее откола. Кроме того, происходит увеличение амплитуды отжатия режущего инструмента от колеса.

Наличие макрорельефа на поверхностях взаимодействующих тел изменяет их контактные характеристики, к которым относятся: номинальное давление, номинальная область контакта, зависимость взаимного проникновения взаимодействующих тел от приложенной нагрузки.

При длительной работе колеса с высокими механическими напряжениями, т. е. увеличении размаха амплитуды циклов нагружений материала колеса и рельса, накапливаются усталостные повреждения, приводящие к разрушению материала колеса и рельса. Кроме того, значительные силы контактного взаимодействия приводят к повышению интенсивности изнашивания взаимодействующих поверхностей катания колеса и головки рельса.

Для определения скорости линейного износа поверхности катания колеса применен метод расчета износа цилиндрических поверхностей (рис. 6).

где р1 — отношение радиусов контактирующих тел; ш — угловая частота вращения колесной пары, рад/с; 52 — отношение толщины взаимодействующего слоя к радиусу кривизны основания; р — давление, распределенное по поверхности трения, Н/м2; а — угол контакта, рад; к — коэффициент постели; к — коэффициент износа, показывающий величину линейного износа (мкм) при действии давления 105 Н/м2 (1 кгс/см2) на протяжении пути трения 1 км для данной пары материалов и данных условий смазывания, мкм^м2/105№км; R1 — радиус сопряжения, м.

Время работы Ттдх, ч, до достижения предельного износа макрорельефа, при котором дефект обработки будет удален с поверхности колеса, при расчетной скорости изнашивания у будет определяться:

Т = *

тах

у

(3)

где А — значение величины предельного проката в эксплуатации, мм.

Зависимости величины пробега колесных пар от скорости движения подвижного состава и высоты волнистости поверхности катания колес представлены на рис. 7.

Так как процесс качения колеса по рельсу характеризуется высокими значениями контактных напряжений в пятне контакта, то оценка технического ресурса должна, в первую очередь, быть основана на определении числа циклов наработки до образования дефектов усталостного характера на поверхности катания [5].

В процессе качения колеса по рельсу в пятне контакта областей с волнистостью возникают напряжения, превышающие предел прочности колесной стали, достигающие 1,8 — 2 ГПа. Таким образом, велика вероятность того, что в этой области произойдет зарождение и развитие усталостных трещин, приводящих в последующем к образованию выщербин на поверхности катания вагонного колеса. Число циклов до наступления предельного состояния определяется по методике, предложенной в работе [6]:

2

а

+

R

к

1

а

+

т

I — область усталостного разрушения; II — область абразивного изнашивания; III — область отсутствия разрушения; IV — область невозможной эксплуатации колес

Рис. 8. Диаграмма накопления повреждений усталостного характера в материале колес подвижного состава

N = N • ln

1 + I exp(-

-) - 1

-1

(4)

где о — эквивалентное механическое напряжение цикла, МПа; о, — предел выносливости материала при асимметричном цикле, МПа; Ыд — число циклов до точки нижнего перегиба кривой усталости; Уг — характеристика угла наклона зависимости Ы N = / (а).

Под предельным состоянием подразумевается усталостное разрушение.

Эквивалентное механическое напряжение цикла определяется:

^ +IZL - 1|. R

1-I1

(1 + R)

Vi + |VL -11. R Vn VО

-1

,(5)

где Я — коэффициент асимметрии цикла; — характеристика угла наклона кривой усталости при И = 0; у2 — характеристика угла наклона кривой усталости при симметричном цикле напряжений.

Прогнозирование технического ресурса колеса грузового вагона до наступления предельного состояния выполняется в зависимости числа циклов до разрушения от величины эквивалентного и максимального механических напряжений цикла.

Рассмотрение технического ресурса колеса как сочетания абразивного и усталостного износа позволяет нормировать параметры макрорельефа (волнистости) поверхности катания колеса таким образом, чтобы обеспечить его работоспособность в условиях, исключающих зарождение и развитие усталостных дефектов.

На рис. 8 представлена диаграмма зависимости логарифма числа циклов нагружения колес до появления усталостного разрушения материала колесных пар от значения максимальных контактных напряжений. Рассматривался макрорельеф высотой

от 0,1 до 0,8 мм, на диаграмме ему соответствуют группировки точек 1—4. В зависимости от высоты неровностей и возникающих вследствие этого механических напряжений состояние колеса в контрольный период времени может характеризоваться одним из следующих показателей: I — колесо не пригодно к эксплуатации по выщербинам браковочного размера; II — колесо не пригодно к эксплуатации по предельному прокату; III — ремонт не требуется. В области отмеченной номером IV колесо может находиться в результате решения о пригодности к эксплуатации для групп 1—2 на предыдущем осмотре или в результате недобросовестного осмотра (группы точек 3 и 4).

В результате анализа диаграммы было определено существенное влияние контактных напряжений на число циклов нагружения колес. Высокие значения контактных напряжений, соответствующие высоте волнистости от 0,5 мм (группа точек 3 диаграммы), вызывают значительное сокращение технического ресурса колеса до образования выщербины, угрожающей безопасности движения. Для снижения числа отцепок по выщербинам требуется обеспечить такое качество механической обработки (группы точек 1—2), чтобы не допустить образование макропрофиля, приводящего к разрушению колесной стали в результате усталости.

Для определения пути увеличения технического ресурса и определения причин значительного изменения амплитуды колебаний режущего инструмента были проведены дополнительные расчеты с целью выявить влияние технологических факторов на изменение высоты макронеровностей восстановленной поверхности.

В математическую модель (1) были подставлены числовые значения параметров, определяющих процесс резания (скорость и глубина резания, а также подача), значительно меньшие, чем используемые в ремонтных предприятиях ОАО «РЖД». Скорость резания задавалась 30 м/мин, глубина резания — 3 мм, подача — 1,14 мм/об. На указанном режиме в результате численного моделирования процесса резания выявлено значительное снижение амплитуды колебаний, при этом среднее значение отклонений профиля составляет 0,18 мм, а максимальные — 0,26 мм (рис. 9).

а

ст =

2

2

1

1

Рис. 9. Изменение глубины резания при обработке колесной стали твердостью 340НВ, глубина резания 3 мм, скорость резания 30 м/мин

Для обеспечения заданного ресурса колеса при скоростях движения подвижного состава в диапазоне от 80 до 120 км/ч необходимо достичь максимальной высоты волнистости не более 0,19 мм; для скоростей 120—160 км/ч — 0,16 мм, данные значения отклонений обеспечиваются за счет внедрения дополнительного перехода чистовой обработки.

Предлагаемое совершенствование технологии обточки колес подвижного состава способствует повышению качества обработанной поверхности и улучшению условий контактного взаимодействия элементов системы «колесо — рельс».

Библиографический список

1. Коган, А. Я. Расчет нестационарного напряженно-деформированного состояния элементов конструкции пути в зоне стыка рельсов [Текст] / А. Я. Коган, Ю. Л. Пейч // Вестник ВНИИЖТ. - 2002. - № 2. - С. 31-39.

2. Николаев, В. А. Разработка методов аналитического конструирования квазиинвариантных систем рессорного подвешивания железнодорожных экипажей [Текст] : дис. ... д-ра техн. наук : 05.22.07 / В. А. Николаев. - Омск : ОмГУПС, 2003. - 371 с.

3. Буйносов, А. П. Разработка математической модели механической части электровоза ВЛ11К [Текст] / А. П. Буйносов, В. А. Тихонов // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного под-

вижного состава : материалы науч.-техн. конф. с междунар. участием. - Омск, 2011. - С. 33-39.

4. Бисерикан, М. И. Совершенствование технологии обточки колес подвижного состава с усталостными дефектами [Текст] / М. И. Бисерикан, Ю. А. Иванова, В. В. Иванов // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. - 2012. - № 2 (110). - С. 120-124.

5. Обрывалин, А. В. Восстановление профиля катания вагонных колес повышенной твердости с эксплуатационными дефектами термомеханического происхождения [Текст] / А. В. Обрывалин // Известия Транссиба. - 2012. - № 4 (12). -С. 30-35.

6. Почтенный, Е. К. Кинетическая теория механической усталости и ее приложения [Текст] / Е. К. Почтенный. - М. : Наука и техника, 1973. - 216 с.

БИСЕРИКАН Михаил Иванович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава.

Адрес для переписки: RadenXG@mail.ru ИВАНОВ Вячеслав Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры теории механизмов и деталей машин.

Адрес для переписки: IvanovVV.omsk@mail.ru

Статья поступила в редакцию 25.06.2015 г. © М. И. Бисерикан, В. В. Иванов

Книжная полка

621.45/К89

Кузнецов, В. И. Расчет и проектирование турбонасосного агрегата ЖРД : учеб. пособие / В. И. Кузнецов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 76 с.

Приведены основные положения теории насосов и турбин турбонасосных агрегатов жидкостных ракетных двигателей, а также методы их гидродинамического расчета. Рассмотрены основы общей теории лопаточных машин, приведены расчетные соотнощения для проектирования проточной части насосов и турбин, обоснован выбор их основных параметров, дан анализ условий работы ТНА. Учебное пособие Н предназначено для студентов специальности 160700.65 «Проектирование жидкостных ракетных двигате- С