CC BY
1510
УДК 629.488.2
А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, П. М. Терехов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР БЕЗ ВЫКАТКИ
Представлены данные о применяемых на железных дорогах способах и станках для восстановления колесных пар без их выкатки из-под подвижного состава. Рассмотрены основные типы станков, применяемых на сегодняшний день на железных дорогах: колесофрезерные станки, колесотокарные станки c ручной подгонкой профиля и оснащенные системой копирования. Кроме того, представлены данные о технических характеристиках, достоинствах и недостатках станков, применяемых схемах базирования и копирования профиля колес, а также о точности и производительности обработки. На основе проведенного анализа были определены основные направления совершенствования методов восстановления профиля поверхности катания колесных пар без выкатки и даны рекомендации по повышению производительности и экономичности технологического процесса.
колесная пара, восстановление поверхности катания, фрезерование, точение, точность восстановления, производительность.
Введение
Особенностью технологического процесса восстановления колесных пар при текущем ремонте тягового подвижного состава является целесообразность проведения операции восстановления без выкатки колесных пар из-под подвижного состава. Использование этой прогрессивной технологии исключает необходимость проведения трудоемких вспомогательных работ, таких как отсоединение тягового двигателя, подъем кузова, выкатка тележек, разборка буксовых узлов, выкатка и демонтаж колесно-моторного блока, транспортирование колесных пар на обрабатывающий станок, что дает значительный экономический эффект по сравнению с традиционными методами восстановления. Обработка колесных пар без выкатки в целом существенно сокращает время простоя подвижного состава в ремонте и значительно снижает затраты труда.
В настоящее время в выпускаемых мировой промышленностью подрельсовых станках используются такие методы обработки резанием, как фрезерование, точение и шлифование. Одним из основных факторов, влияющих на конструкцию станков, является габарит нижней части подвижного состава. Ограниченное свободное пространство в нижней части подвижного состава
58
создает значительные трудности в компоновке станков. К отличительным особенностям выпускаемых станков относятся не только используемые методы обработки, но и применяемые способы базирования колесной пары, в значительной мере влияющие на точность.
В настоящее время при обработке колесных пар на подрельсовых станках в качестве базы используются либо центровые отверстия в оси, либо буксы, либо поверхности катания колес; применяются также комбинированные способы базирования.
1 Станки для восстановления колесных пар без выкатки, применяемые на отечественных железных дорогах
На ремонтных предприятиях железных дорог применяются различные типы станочного оборудования для восстановления профиля поверхности катания колесных пар без выкатки. Наибольшее применение в локомотивных депо получили колесофрезерные станки, а также колесотокарные станки с автоматизированным копированием профиля при обработке. В некоторых депо до сих пор используют устаревшие станки типа А41 с ручной подгонкой профиля.
В настоящее время из всего станочного парка локомотивных депо две трети (69 %) составляют станки по обработке профиля катания колес без выкатки. Наибольшая часть таких станков приходится на модели КЖ-20 КЗТС и станки производства Rafamet S. F., UGB-150 и UGE-150N. Однако станочный парк для восстановления поверхности катания колесных пар тягового подвижного состава без выкатки, имеющийся в распоряжении ремонтных предприятий отечественных железных дорог, в частности Октябрьской железной дороги - филиала ОАО РЖД, характеризуется значительной долей станков с высоким физическим и моральным износом, эксплуатируемых более 20 лет. Данный факт в перспективе может создать затруднения при ремонте подвижного состава, оснащенного колесными парами с новыми бандажами из марки стали 4 по ГОСТ 398-2010, имеющими повышенную твердость 320-360 HB.
Колесофрезерные станки. Основным типом колесофрезерных станков, используемых для обработки колесных пар электровозов, тепловозов, моторвагонов, являются станки модели КЖ20 производства Краматорского станкостроительного производственного объединения (КЗТС). Базовая модель КЖ20 имеет ряд модификаций, например КЖ20ВФ1 - для обработки колес подвижного состава метро и др. В локомотивных депо Октябрьской железной дороги на начало 2011 года имелось пять единиц станков данного типа.
На этих станках восстановление профиля колес осуществляется при помощи профильных фрез. Каждая фреза состоит из корпуса, на котором закреплены сменные пластинки. На планках по спирали установлены режущие твердосплавные пластины. При восстановлении профиля поверхности обода
59
на колесофрезерных станках главное движение совершает фреза, круговую подачу совершает вращающаяся колесная пара. Фрезерный станок состоит из механизма фрезерования и главного привода. Механизм фрезерования базируется на С-образной раме, которая имеет возможность качаться на подшипнике и подниматься при помощи винтового домкрата. В этот механизм входят профильные фрезы и бабки с пинолями, которые могут устанавливаться при помощи винтовых подъемников с червячной передачей на высоту центровочных отверстий в оси колесной пары. Главный привод обеспечивает вращение колесной пары от двух пар фрикционных роликов через гребни колес. Предусмотрены также свободно вращающиеся ролики для поддержки колесных пар. Особенностью станков данного типа является применение ком -бинированной схемы базирования, включающей вывешивание колесной пары на парных роликах и последующее базирование подвижной рамы станка по центровым отверстиям [1].
К достоинствам данных станков можно отнести: простоту наладки и работы станка, независимость показателей технологического процесса от факторов квалификации персонала и точности настройки станка, сравнительно высокую производительность станка, обусловленную использованием фасонного инструмента. Недостатками станков являются: сложный и дорогостоящий инструмент, достаточно высокая шероховатость получаемой поверхности, определяемая в основном конструкцией фасонного инструмента. Особенностью конструкции колесофрезерных станков КЖ-20 является ограничение по регулированию параметров режима резания, в частности по регулированию скорости главного движения, что определяет низкую стойкость режущего инструмента (твердосплавных пластин) при тяжелых условиях резания по упрочненному металлу.
Колесотокарные станки cручной подгонкой профиля. Одним из широко распространенных станков для восстановления колесных пар без выкатки является станок А-41 производства Ивано-Франковского завода. Станки данного типа относятся к станкам, простым по конструкции и эксплуатации, обточка производится поочередно для каждого бандажа с ручной подгонкой. Для восстановления зоны катания колеса применяется механическая подача инструмента с призматическими твердосплавными пластинами, для восстановления гребня колеса используется ручная подача чашечного твердосплавного резца. Подъем и вывешивание колесных пар на станке осуществляется с помощью пневмогидравлических домкратов. Привод вращения ведущих колесных пар осуществляется от тягового электродвигателя.
Точность и производительность восстановления профиля поверхности катания колесных пар для данных станков определяются в основном квалификацией персонала, работающего на станке; по данным [2], на обработку одной колесной пары отводится три часа. За смену рабочий может обточить две-три колесные пары, на станке независимо друг от друга могут
60
работать два токаря. К главным преимуществам данных станков относят низкую стоимость и дешевизну эксплуатации. К недостаткам станка следует относить: ручную подачу, требующую высокого уровня квалификации персонала и снижающую производительность станка; значительный вылет резца, приводящий к снижению его стойкости и ухудшению качества обработанной поверхности; невысокие мощность главного привода и прочность механизмов станка, ограничивающие применяемые подачи.
Колесотокарные станки, оснащенные системой копирования. Значительное распространение на сети дорог получили станки, оснащенные системами автоматизированного копирования профиля, фирмы Rafamet S. F. (Польша) моделей UGB-150 и UGE-150N.
Принцип работы станков UGB-150 основан на непрерывном бесцентровом точении. Это обеспечивается благодаря синхронной работе четырех пар приводных роликов - по две пары на каждое колесо. В начале обработки ко -лесная пара базируется за гребни при помощи цилиндрических роликов. После проточки поверхности катания колес к обработанной поверхности подводятся конические ролики, а цилиндрические ролики отводятся в нерабочее положение. Благодаря этому обеспечивается непрерывный процесс резания всего профиля колес. Профиль колеса обрабатывается одновременно двумя суппортами по принципу электрокопирования. Станок оснащен системой измерения диаметра колес по кругу катания, что позволяет измерять каждое колесо после предварительной зачистки, а также после его обтачивания. Технологические возможности станка значительно расширены благодаря применению дополнительной оснастки, позволяющей обрабатывать колесные пары без выкатки на легких экипажах с добавочной нагрузкой, точить при базировании в буксах и в центрах, обрабатывать сцепленные колесные пары без демонтажа сцепления.
Станки UGE-150N (рис. 1) являются модернизированными станками модели UGB-150, в которых электрокопировальное устройство, основанное на использовании электроконтактных датчиков, включающих электромагнитные муфты кинематических цепей поперечного и продольного суппортов, было заменено на систему ЧПУ, обеспечивающую более точную и надежную работу копировальной системы станка.
Основные технические характеристики подрельсовых колесообрабатывающих станков, имеющихся в распоряжении ремонтных предприятий отечественных железных дорог, представлены в таблице 1.
2 Точность и производительность станков
для восстановления колесных пар без выкатки
Основными требованиями, предъявляемыми к колесообрабатывающим станкам, является обеспечение необходимого уровня точности и про-
61
Рис. 1. Станок подрельсовый колесотокарный UGE-150N
ТАБЛИЦА 1. Технические характеристики станков без выкатки колесных пар
Завод- изготовитель, страна, модель станка Предельные диаметры обрабатываемых колес, мм Мощность электродвигателя главного привода, кВт Количество суппортов (шпин- делей) Ско- рость резания, м/мин Max/min усилие на ось, тс Пре- делы подачи, мм/об
КЗТС, Украина, КЖ-20 850-1350 2x30 2 45, 90 - 35-500
Ивано-Франковск, Украина, А41 150-1400 7,5* 1 80 - 1,4; 1,5; 1,6; 1,7
Rafamet S.F., Польша, UGB-150 600-1500 9/14, 18/23 2 20, 30, 40, 60 25/10 0,2-1,7
Rafamet S.F., Польша, UGE-150N 600-1500 2x30 2 до 80** 40/12 -
НПО ТехСтрой, Россия, ТК-941Ф3 950-1250 2x22* 1 15-80** 25/- до 1,5
Примечания: * Вращение колесной пары осуществляется от тягового электродвигателя подвижного состава.
** Указаны пределы бесступенчатого регулирования.
62
изводительности операции восстановления профиля колесных пар. Как уже отмечалось выше, основное влияние на точность колесообрабатывающих станков оказывает схема базирования колесной пары на станке и способ копирования. Производительность станков определяется количеством суппортов, степенью автоматизации процесса восстановления, а также особенностями конструкции станка.
Применяемые схемы базирования. Схемой базирования, используемой в простейших станках типа А41 и более современных ТК-941Ф3, является установка колесной пары на буксах с использованием специальных подпирающих буксы опор. При таком виде базирования подпирание букс осуществляется при помощи регулируемых опор или подъемников. Вращение колесной пары осуществляется от тяговых электродвигателей подвижного состава или от приводных роликов, получающих только прижим, необходимый для передачи крутящего момента, равного моменту от усилия резания и сил трения. К недостаткам такого вида базирования относится необходимость в добавочных механизмах, предотвращающих перемещение колесной пары вдоль оси. Для этой цели применяются специальные распирающие устройства между внутренними гранями обрабатываемых колес. Эти устройства, обычно гидравлического типа, занимают относительно много свободного пространства под колесной парой и усложняют стружкоудаление и измерение обрабатываемых колесных пар.
При бесцентровом методе обработки, реализованном в станках производства Rafamet, установка колесных пар осуществляется на роликах. Такое базирование является удобным в эксплуатации по многим причинам, среди которых надо отметить следующие: независимость обработки от конструкции букс и их наличия на колесной паре; увеличение производительности за счет возможности автоматизации и непрерывности процесса резания; возможности снятия больших сечений среза (при обработки колесных пар тяжелых локомотивов) благодаря использованию полного нажима на ролики.
Колесная пара базируется как в радиальном, так и в осевом направлении с помощью роликов специального профиля [1]. Ролики в начале обработки упираются в гребень колеса, а в конце - в обработанную поверхность катания и фаску (рис. 2). При перемещении роликов во второе положение колесная пара подпирается специальными опорами. Следует отметить, что при смене баз возникает дополнительная погрешность, вызванная неточностью взаимного расположения двух групп роликов. Непрерывность процесса обработки в момент перемещения роликов и уменьшение погрешности при смене баз обеспечивается благодаря оригинальной конструкции роликов, позволяющей им работать автономно.
Исследования точности обработки колесных пар на токарных подрельсовых станках для бесцентрового точения, выполненные фирмой «Хеген-шайдт», показали, что некруглость колес с 5 мм до обработки уменьшается до 2 мм после обработки. При проверке точности 66 колесных пар было также
63
Рис. 2. Последовательность переходов при базировании и обработке колесных пар на станке UGB-150 [3]:
а - исходная позиция; б - базирование по реборде колеса; в - обработка зоны катания; г - базирование по поверхности катания и обработка реборды; 1 - бандаж,
2 - опорные ролики, 3 - центрирующие ролики, 4 - инструмент
установлено распределение величины биения до и после обработки. Согласно полученным данным, средняя величина биения в результате обработки на подрельсовых станках уменьшается с 0,5 до 0,2 мм [2].
Одна из комбинированных схем, включающая вывешивание на парных роликах и последующее базирование подвижной рамы станка по центровым отверстиям колесной пары, реализована на колесофрезерных станках типа КЖ20. В связи с тем что стандартные центры, имеющие максимальный диаметр около 30 мм, не могут нести полной осевой нагрузки при обработке, колесная пара остается на опорных роликах, установленных на неподвижной станине станка. Установка относительно вывешенной колесной пары С-образной рамы с размещенными на ней центровыми бабками и фрезерными шпинделями осуществляется благодаря нежесткому соединению этой рамы со станиной станка посредством шарнирной опоры. Начальное положение рамы относительно станины контролируется с помощью гидравлических упоров.
После установки колесной пары гребнями колес на парные ролики рама с помощью центровых бабок базируется по центровым отверстиям оси колес -
64
ной пары. Врезание профильной фрезы осуществляется за счет перемещения С-образной рамы с фрезерными шпинделями относительно неподвижной колесной пары с зафиксированными на ней центровыми бабками. Недостатком такого способа закрепления является низкая виброустойчивость системы ввиду того, что рама, подвешенная на шаровом шарнире, при обработке не зафиксирована относительно неподвижных узлов станка. Этот недостаток приводит к снижению точности обработки [3].
В целом обработка колесных пар без выкатки обеспечивает стабильную точность в пределах допуска 0,5 мм, в том числе при обточке больших припусков. Базирование колесных пар на опорах букс и на роликах обеспечивает уменьшение эксцентриситета и овальности колес после обработки. При наличии дефектов на поверхности катания обработка на подрельсовых станках дает улучшение профиля при всех рассмотренных видах базирования.
Применяемые схемы копирования. Простейшей схемой копирования, реализованной в колесофрезерных станках, является схема восстановления поверхности катания колесных пар инструментом, имеющим фасонный профиль, повторяющий очертания поверхности катания колеса. В колесофрезерных станках таким инструментом является фасонная фреза, работающая по генераторной схеме резания. Данная схема подразумевает срезание каждой точки восстанавливаемого профиля режущей кромкой единственной твердосплавной пластиной фрезы. Особенностью данной схемы фрезерования является практически полная зависимость точности воспроизводства профиля и шероховатости поверхности от конструкции и технического состояния инструмента. Применяемые фасонные фрезы являются инструментом, достаточно сложным по конструкции и требующим высококачественной наладки. Каждая переналадка этого инструмента, связанная с поворотом или заменой пластин, выполняемая даже квалифицированными специалистами, несколько снижает их точность и требует в идеале выполнения поверочных операций на специализированном стенде.
Достаточно простым по сути, но весьма трудоемким при выполнении является способ копирования фасонного профиля обточкой с ручной подгонкой, реализованный в станках модели А41. Восстановление профиля выполняется за счет разворачивания направляющих станка под углом, равным углу наклона конусной поверхности катания, и обработки при механической подаче наружной части контура. Восстановление остальных поверхностей производится при ручном управлении перемещениями инструмента по двум координатам. Процесс ручной подгонки при периодическом контроле с помощью контурного шаблона является весьма трудоемкой операцией, при этом точность обработки определяется в основном квалификацией оператора.
В станках UGB-150 для копирования фасонного профиля поверхности катания колеса используют электрокопировальные устройства. В это устройство входят электроконтактные датчики, включающие электромагнитные
65
муфты кинематических цепей поперечного и продольного суппортов, таким образом, чтобы результирующие перемещения режущей кромки резца соответствовали профилю копира. Установка суппорта по отношению к обрабатываемому профилю колеса осуществляется по внутренней торцевой поверхности бандажа колесной пары, являющейся базой. Точность такой схемы копирования определяется несколькими факторами: точностью самих копиров, соответствием базы на обрабатываемом профиле и копире, точностью копировальных механизмов, точностью системы автоматики, управляющей процессом копирования. К недостаткам данной схемы копирования можно отнести невысокую надежность элементов автоматики, которые в настоящее время выходят из употребления [2].
Наиболее перспективным способом копирования, реализованным в большинстве современных колесообрабатывающих станков, в том числе в станках UGE-150N и ТК-941Ф3, является способ копирования с применением ЧПУ, созданного на базе современных программируемых контроллеров. Данный способ копирования обеспечивает перемещение режущего инструмента по двум координатам, задаваемым согласно записанному в программе ЧПУ профилю поверхности. Точность получаемого профиля определяется уровнем точности систем позиционирования и перемещения режущего инструмента.
Применение современных технических решений для этих систем обеспечивает наиболее высокую точность воспроизводства профиля по сравнению с другими методами копирования. Преимуществами данного способа также является отсутствие копира, заменяемого эталонным профилем, записанным в программе, что позволяет гибко подходить к выбору геометрии поверхности катания и исключает из общей погрешности воспроизводства профиля погрешность копира. Главным недостатком данного способа копирования является необходимость в сложном и высококвалифицированном техническом обслуживании оборудования, не всегда выполнимом в условиях ремонтных предприятий.
Основные данные, касающиеся производительности и точности подрельсовых колесообрабатывающих станков, представлены в таблице 2.
Заключение
Восстановление поверхности катания колесных пар без выкатки благодаря своей высокой эффективности имеет широкое распространение в локомотивных депо железных дорог. Анализ состояния оборудования для обработки колесных пар без выкатки, имеющегося в распоряжении предприятий по ремонту тягового подвижного состава, показывает, что не всегда имеющееся оборудование отвечает современным требованиям по уровню точности процесса восстановления и его производительности.
66
ТАБЛИЦА 2. Показатели точности и производительности станков без выкатки колесных пар
Завод- изготовитель, страна, модель станка Производительность Точность обработки
Максимальное сечение стружки, мм2 Время обработки одной колесной пары, ч Радиальное биение круга катания, мм Шероховатость Ra, мкм Точность профиля, мм
КЗТС, Украина, КЖ-20 - 1 < 0,5 10-20 0,25
Rafamet S.F., Польша, UGB-150 10 1* 0,2 5-20 0,2
Rafamet S.F., Польша, UGE-150N 10 0,85 < 0,1 5-20 < 0,15
НПО ТехСтрой, Россия, ТК-941Ф3 6 1,3 < 0,2 < 20 < 0,3
Примечание. * Время обработки одной колесной пары рассчитано как среднее время обработки шестиосного экипажа (5-7 ч), деленное на количество осей.
На современных станках применяются разнотипные средства базирования и закрепления колесных пар при обработке. При восстановлении профиля поверхности катания колесных пар различных по конструкции локомотивов и электросекций целесообразно использовать станки с комбинированными способами базирования, которые обладают наиболее гибкой приспосаблива-емостью к тому или иному типу подвижного состава.
Опыт показывает, что применяемые на железных дорогах современные подрельсовые станки обеспечивают точность обработки колесных пар, удовлетворяющую требованиям динамики и плавности хода поездов со скоростями движения до 200 км/ч.
Направлениями дальнейшего совершенствования методов восстановления профиля поверхности катания колесных пар без выкатки является повышение точности обработки для реализации высокоскоростного движения и увеличение производительности обработки. При этом обработка должна быть достаточно экономичной, обеспечивать снятие в стружку минимально необходимого слоя металла и благодаря этому продление срока службы ко -лес, в том числе внедренных бандажей из стали марки 4 по ГОСТ 398-2010, имеющих повышенную твердость 320-360 HB.
Основными путями увеличения производительности и повышения экономичности восстановления профиля поверхности катания колесных пар является сокращение цикла обработки за счет совмещения (перекрытия)
67
и автоматизации основных и вспомогательных элементов операции, использования на подрельсовых станках надежных автоматических средств измерения износа профилей и диаметров колес, применения микропроцессорных устройств программного управления.
Библиографический список
1. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар : учеб. пособие / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Ситаж. - СПб. : ПГУПС, 2000. - 128 с.
2. Технология обточки железнодорожных колесных пар без выкатки / В. А. Аксенов, Л. А. Полиновский, Г. И. Смагин // Новосибирск : Издательство Сибирского государственного университета путей сообщения, 2006. - 122 с.
3. Ремонт колесных пар без выкатки / А. Ф. Богданов, Э. Ольброт // Железнодорожный транспорт. - 1985. - № 5. - С. 30-34.
© Богданов А. Ф., Иванов И. А., Терехов П. М., 2014
68
