Влияние технологической наследственности на контактное напряжение в системе «Колесо-рельс» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 625.031.1 : 625.032.32 : 531.01 М. И. БИСЕРИКЛН

Л. В. ОБРЫВАЛИН А. А. РАУБА

Омский государственный университет путей сообщения

ВЛИЯНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ НА КОНТАКТНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ В СИСТЕМЕ «КОЛЕСО-РЕЛЬС»

В статье рассмотрено влияние технологических наследственных неровностей, возникающих вследствие недостаточно эффективной технологии ремонта на процесс контактного взаимодействия и напряженно-деформированного состояния в системе «колесо-рельс». Представлена модель обработки твердого колеса, позволяющая достичь необходимых показателей качества поверхности.

Ключевые слова: колесо повышенной твердости, термомеханические повреждения, технологическая наследственность, напряженно-деформированное состояние, усталостное разрушение.

В соответствии с договором ОАО «РЖД» с Вык-сунским металлургическим заводом (ВМЗ) с целью сокращения отцепок грузовых вагонов по неисправностям колесных пар с 2003 года начат выпуск цельнокатаных колес с твердостью обода 320 — 360 НВ. Безопасность движения подвижного состава и экономическая эффективность грузоперевозок во многом зависят от эксплуатационной долговечности колесной пары. В связи с основными направлениями развития ОАО «РЖД» до 2015 г. по увеличению нагрузки на ось до 27 — 30 тс и возрастания скорости движения до 140 км/ч, производится замена колесных пар подвижного состава на новые, обладающие повышенной твердостью и износостойкостью. При восстановлении профиля колес повышенной твердости в настоящее время существуют две проблемы. Во-первых, это неудовлетворительное качество механической обработки колес с термомеханическими повреждениями, проявляющееся в наличии на поверхности катания после их обточки, в результате технологической наследственности, макронеровностей. Во-вто-

рых, снятие в стружку значительного слоя полезного металла, что сокращает срок службы колеса.

На основании анализа статистических данных (рис. 1) за 10 месяцев 2009 г., наблюдается снижение количества отказов колес повышенной твердости по сравнению с колесами обычной твердости по таким дефектам, -как: прокат, навар, тонкий гребень. Но одновременно с этим выросло число термомеханических дефектов: в 2 раза по выщербинам и в 2,5 раза по ползунам — более чем в 4 раза.

В процессе эксплуатации твердость колес из стали марки «Т» значительно повышается, и в приповерхностном слое, глубиной 1 мм изменяется в пределах от 520 до 410 НУ, а на гребне от 950 до 330 НУ (рис. 2,3). В связи с этим существенно затруднилась обработка колес и снизился ресурс режущего инструмента в 1,5 —2 раза.

Большинство предлагаемых методов и технологических процессов, рекомендуемых по обработке колес с ТМП, не используются на ремонтных предприятиях АО «РЖД». Они существенно снижают

40

25

% 20

15

10

Без ремонта Выщербина Ползун ■ Колесо повышенной твердости

Навар

Тонкий

Подрез

гребень )1 Колесо обычной твердости

Рис. 1. Статистические данные повреждаемости стандартных и «твердых» вагонных колес в эксплуатации

Н¥00: 600

400 200

С ]

-А— --—1 -Л 1 л.

2,3

с-1 1 3—0- -

0

ОД

0,4 0,6 глубина-

д - поверхность катания □ - гребень бандажа О - гребень колеса

750

650

о 550

Л

о

Й 450

350

250

N

N

\

? \

1

2,0 глубина

Рис. 2. Распределение микротвердости по сечению: 1 — поверхности катания;

2 — гребня тепловозного бандажа;

3 — гребня колеса грузового вагона

Рис. 3. Графики изменения твердости металла от поверхности катания в глубь вагонного колеса: 1 — новое колесо; 2 — колесо после эксплуатации; 3 — колесо после эксплуатации в области с термомеханическим повреждением

производительность и повышают технологическую себестоимость их механической обработки по сравнению с колесами без ТМП. Средняя протяженность участков ТМП не превышает 5 — 10 % от длины обрабатываемой поверхности катания колеса. Бездефектные участки должны обрабатываться по установленным в технологии режимах для серийных колес.

В случае изменения толщины среза происходит изменение силы резания с некоторым запаздыванием. Изменение силы резания от времени имеет экспоненциальный вид (рис. 4). После встречи с дефектом, имеющим твердость до 1000 НУ, в 2,5 раза выше твердости основного металла поверхности катания, режущий инструмент испытывает удар как при входе в дефектную зону, так и при выходе из нее. При этом резец нагружается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, представляющего собой запаздывание системы.

При обточке колесных пар ввиду большей вращающейся массы (около 2,5 т для электровозных колесных пар и 1,4 т для вагонных колесных пар) и большей жесткости станка, энергию удара от дефекта воспринимает твердосплавная пластина, обладающая высокой твердостью и малой пластичностью.

Дифференциальные уравнения движения подсистемы детали представлены в виде:

с12у с1у М--Т + Рг +С\'У =

ае 1 си

л, с12г п йх _ , .

(1)

где М, (3, и с, — масса, коэффициент сопротивления и коэффициент жесткости подсистемы детали; Ру1Р7 — переменные силы резания силы резания при поперечных колебаниях.

Схема взаимодействия системы «колесо — резец» при точении, учитывающая нелинейную зависимость силы резания от скорости, нелинейные процесс трения между задней поверхностью резца и обработанной поверхностью колеса, и предположение, что колебательная система имеет две степени свободы по координате х и вращение (рис. 5).

В результате математического моделирования процесса обточки поверхности катания колесных пар повышенной твердости были получены зависимости между силой резания и отклонением профиля катания от условного нулевого уровня. Величина отклонения профиля обработанного колеса находится из системы дифференциальных уравнений:

РШ

з*ю

И

2,5хЮ*

/

/ / /

О 0.0П 0,025 0,038 г 0,05

Рис. 4. Зависимость силы резания от времени взаимодействия с дефектом (I — 2 мм; в — 1,5 мм/об)

. ао. _ л ида-се-ф0-а . •V — = см ■ Фо • —----р(Т) К -эт р;

йТ

Д„

с1х

Г

с!Т 1 6.Т а

ат'

Я,

соб(у + © - ц)

Л

к

[1 + 8т(у + © - ц)]

й2г

-7 +

6.Т1

(2)

а

[1 + 5ш(у + 0-ц)]

йх с?©

ат ат

где 0 — угол изгиба резца под действием сил резания; х — изменение глубины резания вследствие отжатия инструмента; а — глубина резания.

Исследования влияния впадин и выпуклостей на поверхности катания колес размером 0,2 — 0,5 мм на процессы контактного взаимодействия с рельсом, проведенные В. Ф. Яковлевым [1], показали существенное изменение напряженно-деформированного состояния материала в зоне контакта.

По мере увеличения длительности работы подвижного состава, т. е. увеличения числа циклов нагруже-ний материала колеса и рельса, накапливаются их необратимые изменения, приводящие к усталостному разрушению материала колеса. Ситуацию еще более усугубляет сложные профиль макровыступов, под

>

Е з: т. О

оз >

рельсом, а второй, когда совместится с рельсом отрезок СБ. Из теоремы о движении центра масс определяется предельное значение скорости V , при котором давление колеса на рельс обращается в ноль. Начальная скорость удара У0 зависит от скорости точки О (скорости вагона), ее значение вычисляется по выражениям, представленным в [6]:

при V <У

при У>У

ЗУ-] 4-Д

V I (у + 0.5У)

(4)

(5)

Рис. 5. Схема взаимодействия колеса с резцом, при обточке колесной пары: £2 — угловая скорость вращения колесной пары; Р,г Р2— коэффициент демпфирования колесной пары и резца; с,г с2 — коэффициенты жесткости; Р — сила резания; Рт, Рп — касательная и нормальная сила резания; — радиус колеса

действием высоких значении сил резания система «колесо — режущий инструмент — станок» начинает совершать колебательные движения. Колебания режущего инструмента являются причиной волнистости на поверхности колеса. Итогом этого становится занижение результатов расчетов контактных напряжений в контакте «колесо — рельс».

Для надежности узлов подвижного состава наиболее опасными являются короткие неровности (стыки, ползуны, выщербины), действие которых носит выраженный ударный характер, однако особенности поверхности качения колесной пары, являются причиной появления возмущающих колебаний [2]. По экспериментальным данным ВНИИЖТа, полученным при испытаниях всех видов подвижного состава, ускорения оси колесной пары, в середине рельсового звена, имеют величину 1,5 —2,Од [3, 4]. Исследования, выполненные в ДИИТе, выявили, что интенсивность нарастания сил существенно зависят от величины приведенной массы и жесткости пути.

Силы контактного взаимодействия колеса и рельса определяются по закономерностям, полученным В. Б. Мещеряковым и теорией Г. Герца. Максимальная деформация х определяется по выражениям, полученным Г. К. Боровиным, Р. В. Дягелем, В. В. Лапшиным при математическом моделировании нелинейного вязкоупругого удара и ее решения при помощи функции Ш Ламберта в [5].

V

(п + \)т

сЬ2

(ЬУ0-1п(\-ЬУ0))

1

п+1

(3)

д-Д- 1 + ц

(6)

где т — масса колеса, кг; Д — радиус колеса, м;

я?1 — масса полезного груза, приходящегося на одно колесо, кг;

д — ускорение свободного падения, м/с2;

р. — динамический коэффициент, учитывающий

колебания кузова вагона;

V — предельное значение скорости, при котором давление колеса на рельс обращается в ноль; 1 — длина отрезка АВ поверхности колеса в момент его ударного взаимодействия с рельсом, м.

Метод расчета на прочность рекомендуют определять наибольшие напряжения в центре эллипса касания колеса и рельса по формуле:

3 Рт,

2паЬ

(7)

где п — постоянная, которая определяется формой поверхности тела и препятствия в окрестности точки соприкосновения, в частности, для сферической поверхности тел п = 3/2;

Ь — постоянная сопротивления, в расчетах принимается Ь= 0.1 с/м.

При взаимодействии колеса с технологически наследованным выступом и рельсом, центр колеса начинает движение по дуге окружности (рис. 6). У центра масс колеса — точки О возникает нормальное ускорение.

При этом возникает двух зонный удар первый в момент времени, когда отрезок АВ совместится с

где а, Ь — полуоси эллипса площадки контакта, мм; Ртах — максимальная нагрузка, Н.

Область контактного взаимодействия, как правило, дискретна, т.е. состоит из совокупности пятен контакта. Причинами возникновения дискретности являются шероховатость, волнистость, отклонение формы контактирующих поверхностей. Совокупность пятен контакта составляет площадь опорной поверхности, величина которой для реальных сопряжений может составлять десятые или сотые доли номинальной поверхности. Размеры и положение локальных участков поверхностей зависят от условий контактного взаимодействия, свойств материалов, а также от геометрических характеристик взаимодействующих поверхностей.

Для изучения влияния микрорельефа поверхности на напряженно-деформированное состояние (НДС) приповерхностных слоев тел, находящихся в условиях контактного взаимодействия, необходимо решать задачу множественного контакта, т.е. смешанную задачу механики деформируемого твердого тела для системы пятен контакта [7].

Р =

тих

з-М) '

720

Р

6 6-ехр(-р)

Р =

1 5 20 60 120 120 Р Р2 Р3 Р4 Р5 Р"

■¡пЫ,

Ь = р.-а,

(8)

(9) (Ю)

Рис. 6. Колесо с технологически наследственным выступом: Ук — скорость колеса, приобретаемая вследствие макронеровности; — скорость движения вагона; а — ускорение колеса, приобретаемое вследствие макронеровности; А, В — границы зоны удара

Положение колеса при ударе

-»♦»»Идеальное колесо, скорость 34 м/с Отклонение 0,2мм, скорость 34 м/с -Щ-«Отклонение0,5мм, скорость 34 м/с —Отклонение 0,3мм, скорость 34 м/с

Рис. 7. График изменения максимальных контактных напряжений при скорости движения подвижного состава 120 км/ч и осевой нагрузке 27 т

где К — эквивалентный радиус, мм; г — радиус вершины неровности, мм; 5 — шаг неровности, мм;

N—количество контактирующих неровностей; V — коэффициент Пуассона; Е — модули Юнга;

Ра — коэффициент, зависящий от соотношения диаметров взаимодействующих тел.

Численным расчетом по формулам (3) — (11) получены графики изменения контактных напряжений при прохождении ТНВ при скорости движения подвижного состава 120 км/ч и осевой нагрузке 27 т (рис.7).

Увеличение размеров пятна контактов влечет за собой уменьшение контактных напряжений. Однако, ввиду сложного профиля поверхности взаимодействующих тел, в определенных областях площадки контакта происходит значительное увеличение напряжений. Это происходит в результате взаимодействия систем сферических выступов (волнистость поверхности). Таким образом, на поверхности ТНВ будут располагаться области, которые в дальнейшем образуют микротрещины. В результате многочисленных циклов нагружений происходит слияние микротрещин и образуется выщербина.

Таким образом, усталостное разрушение материала колеса может происходить не только в области

ТНВ, но и на поверхности, которая была обработана в обычных условиях, без ударных нагрузок на режущий инструмент и значительного отжатия режущего инструмента. Причиной этого является то, что поверхность колесной пары и рельса не идеальна, у них имеются отклонения геометрических размеров. У колеса это волнистость поверхности, создающая динамические воздействия на рельс, подобно ТНВ, но, ввиду ее меньших геометрических характеристик, оно отличается по силе взаимодействия. У рельса это дефекты — образовавшиеся в результате эксплуатации: при пробоксовке рельса колесами локомотивов, кроме того, волнистость может сильно искажать результаты моделирования пятна контакта и найденных контактных напряжений в ободе колеса при определении напряженно-деформированного состояния при использовании метода конечных элементов. Увеличение высоты микронеровностей с 0,3 до 0,5 мм приводит к 40 % увеличению величины контактных напряжений.

Библиографический список

1. Яковлев, В. Ф. Исследование контактных напряжений в элементах колеса и рельса при действии вертикальных и касательных сил / В. Ф. Яковлев // Исследование контактной прочности рельсов : сб. научнтр. — Л. :ЛИИЖТ, 1962. - Вып. 187. -С. 3-89.

2. Обрывалин, А. В. Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ре-

монт : дис. канд. техн. наук: 05.22.07 /А. В. Обрывалин. — Омск, 2010. - 146с.

3. Тележные экипажи локомотивов для повышенных скоростей движения : тр. / ЦНИИ МПС, 1962. - Вып. 248. - 304 с.

4. Результаты исследований динамики электровозов ВЛ80, ВЛ22М и электропоездов ЭР2 и ЭР22: тр./ЦНИИ МПС, 1969. -Вып. 317. - 208 с.

5. Боровин, Г. К. Нелинейная вязкоупругая модель колли-неарного удара / Г. К. Боровин, Р. В. Дягель, В. В. Лапшин // ордена Ленина Институт прикладной математики имени М. В. Келдыша Российской академии наук. Препринт. — Москва, 2008. — 18 с.

6. Кузнецов, А. В. Ударное взаимодействие колеса и рельса : дис. канд. техн. наук: 05.22.07 /А. В. Кузнецов. — Москва, 2000. — 139 с.

7. Горячева, И. Г. Контактные задачи в трибологии / И. Г. Горячева, М. Н. Добычин. — М. : Машиностроение, 1988. — 253 с.

БИСЕРИКАН Михаил Иванович, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава». ОБРЫВАЛИН Алексей Викторович, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», заместитель декана механического факультета по учебной части.

РАУБА Александр Александрович, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава».

Адрес для переписки: e-mail: [email protected]

Статья поступила в редакцию 22.12.2010 г. © М. И. Бисерикан, А. В. Обрывалин, А. А. Рауба

УДК 621.18 (075.8) д. С. НЕНИШЕВ

Л. Г. МИХАЙЛОВ П. А. БАТРАКОВ

Омский государственный технический университет

ВОПРОСЫ

ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ПОТОКЕ РЕАГИРУЮЩИХ ГАЗОВ В ГАЗОТРУБНЫХ КОТЛАХ

Рассмотрены вопросы интенсификации радиационной и конвективной составляющей теплопереноса в топках газотрубных котлов. Предлагаются для использования возможные схемы генерации закрученных потоков.

Ключевые слова: горение, топка, теплообмен, излучение, конвекция.

Процессы горения в топках газотрубных котлов всегда сопровождаются движением газов — воздуха, газообразного топлива, продуктов сгорания и являются совокупностью взаимообусловленных аэродинамических, тепловых и химических процессов [ 1 ].

Течения газов в подобных технических устройствах как правило всегда турбулентны. В процессах горения проблема турбулентности осложнена дополнительными факторами — химическими реакциями и излучением [ 1 — 3]. Исследование и интенсификация процессов совместного действия конвекции и излучения, которые определяются как суммарный теплоперенос, в топке малых котлов является актуальной задачей.

Современные водогрейные и паровые газотрубные котлы малой и средней мощности для автономного теплоснабжения характеризуются высоким КПД, низкими выбросами токсичных газов, компактностью, высокой степенью автоматизации, простотой эксплуатации и надежностью.

Данные котлы имеют, как правило, цилиндрический корпус, расположенный горизонтально. Внутри корпуса котлов размещаются одна или иногда две жаровые трубы, омываемые горячей водой (паром). В переднем торце каждой жаровой трубы обычно устанавливается наддувная (вентиляторная) горелка,

рассчитанная на сжигание газообразного или жидкого топлива. Таким образом, жаровая труба является топочной камерой, в которой сгорает практически все топливо. В зависимости от длины и избыточного давления применяются гладкие или волнистые жаровые трубы. Расположены они всегда в нижней части водяного пространства, что повышает теплообмен и улучшает циркуляцию котловой воды.

В качестве примера приведен комбинированный газотрубный водогрейный котел марки Unimat международной компании LOOS (рис. 1).

Рассмотрим вопросы переноса теплоты излучением и конвекцией от факела к элементам конструкции. На кафедре «Теплоэнергетика» ОмГТУ в результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований определено, что конвективная составляющая в суммарном теплопереносе от факела к стенкам в газотрубном котле составляет 25 — 30 % [4]. Поэтому для увеличения тепловой эффективности работы топки и котла в целом следует рассмотреть вопросы интенсификации процессов сложного теплообмена.

Методы интенсификации лучистого теплообмена основываются на том, что суммарное количество теплоты, поглощаемое или отдаваемое поверхностью пропорционально эффективной площади поверх-