автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Технологические основы повышения работоспособности тяговых зубчатых передач локомотивов

Министерство путей сообщения РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

на правах рукописи

УДК 621.335-629.424:621.784.4

Орлов Виктор Владимирович

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОВЫШЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТЯГОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ

ЛОКОМОТИВОВ

Специальности: 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

05.02.08 - Технология машиностроения

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант почетный академик Академии транспорта РФ, доктор технических наук, профессор Д.Л. Юдин

и

Москва - 1998

2 стр.

СОДЕРЖАНИЕ 2

ВВЕДЕНИЕ 6

Глава 1. СОСТОЯНИЕ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ДАЛЬНЕЙШИХ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЯГОВЫХ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ ЛОКОМОТИВОВ 16

1.1 Краткий обзор применяемых конструкций тягового привода локомотивов .................... ....................16

1.2 Условия работы и характер повреждений в эксплуатации зубчатых элементов тягового редуктора магистральных тепловозов .................................................. 19

1.3 Аналитическое исследование технологических операций существующих технологий производства тяговых зубчатых колес локомотивов ............................................ 32

1.4 Теоретическое обоснование упрочняющей обработки зубчатых колес методрм ППД........ ...................... 59

1.5 Краткий обзор современных методов формообразования, упрочнения и финишной обработки зубчатых колес ППД ... 65

Выводы пр главе 1................................... 73

1.6 Постановка задачи. Цель исследования.............. 76

Глава 2. КОМПЛЕКСНАЯ ОБРАБОТКА ПРОСТРАНСТВЕННО-СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ КОЛЕС ППД 78

2.1 Теоретическое обоснование обработки тяговых зубчатых передач локомотивов ППД . .............................. 78

2.2 Процесс формообразования активного профиля зубьев в плоском станочном зацеплении ........................... 88

2.3 Кинематика процесса формообразования рабочей поверхности зубьев колеса в плоском станочном зацеплении..... 99

2.4 Формообразование переходной поверхности (галтели) у

основания зуба .....................................................108

2.5 Формообразование торцовых поверхностей зубьев..........117

2.6 Фррморбрэзование фланкированной и радиусной поверхностей на вершине зубьев .............................................................119

2.7 Технологические схемы комплексной поэлементной обработки пространственно-сложных поверхностей зубьев тяговых колес ..............................................................................122

Выводы пр гларе 2 ...........................................................131

Глава 3. СИНТЕЗ, АНАЛИЗ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕОМЕТРО-КИНЕМАТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЗУБЬЕВ КОЛЕС ППД В ПРОСТРАНСТВЕННОМ СТАНОЧНОМ ЗАЦЕПЛЕНИИ 132

3.1 0§щие положения формообразования поверхностей зубьев колеса со скрещивающимся расположением осей вращения инструмента и заготовки.............................. 132

3.2 Выбор системы координат и формы их преобразования., 136

3.3 Определение относительных скоростей движения...... 144

3.4 Уравнение нормали к контактирующим поверхностям зубьев................................................. 148

3.5 Аналитическое олределение профиля зубьев инструмента ..................... ............................... 154

3.6 Скорость скольжения ............................. 157

3.7 Суммарная скорость перемещения очага деформации в направлении, перпендикулярном характеристикам............ 159

3.8Угрл между вектором скорости скольжения и направлением контактных линий ................................... 167

3.9 Удельное скольжение при свободном обкатывании зубьев цилиндрических колес .............................

3.10 Длина характеристик при свободном обкатывании зубчатых колес ............................................

3.11 Коэффициенты перекрытия.......................

3.12 Приведенная кривизна контактирующих зубьев инструмента и колеса в направлении перпендикулярном характеристикам ....................................................

3.13 Экспериментальное исследование на ЭВМ геометро-кинематических параметров процесса финишной обработки ППД

тяговых колес тепловозов ................................. 176

Выводы по главе 3................................... 190

Глава 4. РАЗРАБОТКА, ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ВНЕДРЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВО ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ПРОЦЕССЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ, УПРОЧНЕНИЯ И ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС 192

4.1 Многоцелевой станок для формообразующей, упрочняющей и финишнрй обработки тяговых зубчатых колес....... 192

4.2 Краткий обзор современных конструкций инструмента

для обработки ППД ...................................... 211

4.3 Инструменты для формообразующей, упрочняющей и финишной обработки зубьев ППД .......................... 218

4.4 Инструмент с линейным контактом для обработки зубьев колес ППД . ............................................. 221

4.5 Инструмент для комбинированной формообразующей и упрочняющей обработки зубьев колес....................... 227

4.6 Инструмент с прерывистой рабочей поверхностью для обработки зубьев колес способом ППД ...... ...... 231

172

173

174

4.7 Инструмент для обработки переходных поверхностей у

впадин зубьев колеса..........................................................................246

4.8 Расчет конструктивных элементов цилиндрического ролика для формообразования фланкированной или радиусной поверхностей ............................................................................................248

Выводы по главе 4................................ . 251

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 253

5.1 Экспериментальное исследование динамики процесса упрочнения ППД тяговых зубчатых колес тепловозов....................253

5.2 Исследование поверхностного слоя боковой поверхности зубьев тяговых колес, подвергнутых упрочнению ППД............267

5.3 Анализ результатов исследований.......................269

5.4 Теоретическое обоснование применения альтернативных сталей для тяговых зубчатых передач локомотивов................286

5.5 Результаты многолетних сравнительных эксплуатационных испытаний зубчатых колес, обработанных ППД..................290

Выводы по главе 5....................................................................302

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ..............................................................307

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ..........310

ЛИТЕРАТУРА..............................................................................319

ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................................................346

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение эффективной и качественной работы всех звеньев железнодорожного транспорта и, в первую очередь, его локомотивного и вагонного хозяйств требует интенсивного развития и комплексного решения задач конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Важным направлением в повышении надежности и долговечности подвижного состава (ПС) является создание современных и совершенствование существующих конструкций ПС, характерной тенденцией которого является увеличение мощности силового оборудования, повышение скорости движения. Это в полной мере относится к тяговым редукторам локомотивов, имеющим неизменные габаритные размеры тяговой зубчатой передачи, одному из наиболее ответственных, быстроходных и тя-желонагруженных узлов, надежность которых еще недостаточна. Характерными условиями работы таких передач являются большие удельные нагрузки, переменные окружные скорости и внешние температуры, перекосы осей зубчатых колес (ввиду деформации валов) и высокая загрязненность масла абразивными частицами, продуктами износа и влагой.

Тяговые зубчатые передачи локомотивов не обеспечивают требуемый нормативный ресурс (1,8 млн. км пробега локомотива), ввиду разрушений и повреждений рабочих поверхностей зубьев в результате эксплуатации, а именно: усталостного изгиба (трещины, отколы, поломки); и контактных напряжений (износ, натир^ схватывание).

Технология изготовления элементов тяговой зубчатой передачи локомотивов базируется на опыте изготовления зубчатых венцов средних и крупных модулей в общем машиностроении. Это, хотя и позволяет обеспечить определенную точность геометрических параметров зубчатых поверхностей, но не гарантирует обеспечение ее требуемых эксплуатационных характеристик: качества обработки поверхностей зубьев, контактной жесткости, износостойкости, кинематической точности, а в итоге по-

вышения работоспособности зубчатой передачи тягового редуктора тепловозов.

Повышению технического ресурса тяговых зубчатых передач локомотивов за счет конструкторских, технологических и эксплуатационных мероприятий посвящены работы;

- научно-исследовательских институтов: НПО ЦНИИТМАШ, ВНИ-ИЖТ, ВНИИМЕТМАШ, ЭНИМС, ВНИТИ и др.; *}

- вузов: МГТУ, МАМИ, МИИТ, ЛИИЖТ, РИИЖТ, БИТМ, МАТИ, МАИ, СТАНКИН, институтов в г.г. Самара, Н. Новгород, Саратов, Тольятти, Пенза, Тула, Муром, Владимир, Иркутск, Волгоград, Ярославль, Киев, Минск, Ташкент, Бищкек, Луганск и др.;

- заводов: Государственная холдинговая компания "Лугансктепло-воз" (Украина), Даугавпилсский локомотиворемонтный завод (ДЛРЗ -Латвия), Московский локомотиворемонтный завод (МЛРЗ), завод по ремонту и эксплуатации подвижного состава (ЗРЭПС - Москва) и др.

В этой области значительные работы проведены также рядом ученых: П.С. Анисимовым, А.И. Беляевым, В.Н. Ивановым, Н.Н Каменевым,

B.Е. Кононовым, В.Н. Котурановым, И.В. Кудрявцевым, В.Д. Кузьмичем,

C. М. Куценко, М. М. Машневым, Д. Д. Папшевым, Э. В. Рыжовым, Д.Л. Юдиным и др.

Однако, в проведенных исследованиях, как правило, не всегда связывались результаты конструкторских разработок и расчетов с какой-либо конкретной технологической последовательностью и особенностями обработки пространственно-сложных поверхностей (ПСП), ограничивающих тело зуба, особенно несущих и функциональных их составляющих. Такой подход к решению вопроса не всегда позволяет учесть особенности и возможности различных методов механической обработки,

*} Названия всех организаций здесь и далее даются в аббревиатурах до 1993 года.

способов технологического упрочнения, а также влияние технологической наследственности на стабильность обеспечения параметров качества несущих и функциональных поверхностей зуба, обеспечивающих долговечность зубчатой передачи в целом.

Основная масса известных исследований зубчатых передач посвящена конструкторским мероприятиям по обеспечению норм точности за счет выбора рациональной геометрии зубчатой передачи.

Крупные теоретические работы в области производства зубчатых передач, развития теории и проектирования зубообрабатывающих инструментов, принадлежат И.А. Б о л ото вс ко му, Э.Б. Булгакову, I3.A. Гаври-ленко, М.Д. Генкину, К.И. Заблонскому, С.Н. Калашникову, A.C. Калашникову, H.H. Крылову, В.Н. Кудрявцеву, С.И, Лашневу, Ф.Л. Литвину, А.И. Петрусевичу, Д.Н. Решетову, П.Р. Родину, М.А. Рыжову, Н.М. Рыжову, Г.Н. Сахарову, Г.А. Снесареву, Ю.Н. Сухорукову, Б.А. Тайцу, Ю.А. Цвису, A.B. Цепкову, М.И. Юликовуидр,

Несмотря на значимость технологических вопросов для достижения высоких показателей качества, долговечности и низкой стоимости им не уделяется достаточного внимания. В большинстве случаев используют традиционную доминирующую для машиностроения (в том числе локо-мотивостроения) последовательность механической и термической обработки зубчатых передач, не учитывая их специфику. Это приводит к удорожанию производства, негативно отражается на их долговечности, сдерживает дальнейшее совершенствование.

Известно, что при изготовлении тяговых зубчатых передач до 5060% общей трудоемкости приходится на формообразование, упрочнение и финишную обработку зубчатого венца. Из всего многообразия способов формообразования поверхностей зубьев нашли применение традиционные способы обработки - зубофрезерование и зубошлифование. Это вполне объяснимо, так как по сравнению с другими способами фор-

мообразования поверхностей зубьев, связанными со снятием стружки, зубофрезерование отличается высокой производительностью, а зубо-шлифование - наиболее дорогостоящая, трудоемкая, сложная и энергоемкая операция - наибольшей точностью.

Многократная термообработка (улучшение, нормализация, закалка, в том числе с нагревом ТВЧ и отпуск) с последующей операцией зубо-шлифования (методом копирования или огибания) несущих поверхностей зубьев колеса, приводит к удорожанию передачи в целом. Кроме того, зубошлифование способствует шаржированию поверхностей зубьев, формированию,микротопографии, сетке органически зародившихся микротрещин усталостного характера. В результате возникает необходимость в дополнительных выхаживающих проходах, с целью удаления образовавшегося дефектного слоя на поверхностях зубьев.

Что касается традиционного профильного зубошлифования, то важнейшей проблемой этого метода обработки является сохранение высоких механических характеристик поверхностного слоя зубьев после обработки (при низкой производительности процесса). Зубошлифование методом огибания несколько повышает возможность обеспечения качества поверхностного слоя, но за счет еще большего снижения производительности процесса. После обработки указанными методами проводят контроль на отсутствие прижогов и трещин на поверхности шлифованных зубьев, но это удорожает производство колес. В настоящее время в качестве финишных операций обработки зубчатых колес на заводах транспортного машиностроения, тепловозостроительных, локомотиво-ремонтных и вагоностроительных предприятиях применяются зубошлифование, притирка, обкатывание и выглаживание [75, 94, 115, 120, 175, 183, 188]. При этом все перечисленные методы, кроме зубошлифования, осуществляют на специализированных станках.

Но все же до настоящего времени окончательно не выявлены перспективные направления поиска оптимальной технологии изготовления тяговых зубчатых передач ПС.

Существенное обеспечение повышения надежности и долговечности зубчатой передачи тягового редуктора (как и других зубчатых передач) в условиях эксплуатации ПС, в основном, определяется и связано с технологическими аспектами проблемы, одним из которых является использование способов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД),

Крупный вклад в теоретическое обоснование процессов технологического и других способов упрочнения и формообразования в том числе методами ППД сборочных единиц и деталей машин и, в частности зубчатых передач транспортных средств и машин, разработку их отдельных аспектов, направлений и методов, а также в установлении причин отказов в эксплуатации внесли ученые вузов, НИИ и производства: П.Г. Алексеев, В.М. Амелин, П.С. Анисимов, Б.М. Асташкевич, А.П. Бабичев, В.М. Браславский, Н.И. Бойко, H.A. Буше, М.В. Васильчиков, В.А. Горохов, В.Г. Головня, H.H. Давиденков, A.M. Дальский, Г.А. Дерягин, Ю.В. Димов, С.И. Диденко, М.С. Дрозд, Д.Г. Евсеев, М.А. Елизаветин, М.М. Жасимов, Н.П. Зобнин, Д.Г. Иванников, В.В. Иванов, B.C. Иванова, Ю.М. Иньков, И.П.Исаев, А.И. Иунихин, В.Г. Коновалов, И.В. Кудрявцев, О.О. Куликов, Ю.П. Мазуренко, В.Г. Митрофанов, A.A. Михайлов, В.И. Неверов, И.А. Одинг, Д.Д. Папшев, М.И. Писаревский, В.В. Петросов, В.Н. Подураев,

A.И. Промптов, O.A. Розенберг, Э.В. Рыжов, А.Н. Савоськин, Э.А. Сатель,

B.И. Серебряков, В.М. Смелянский, В.М. Сорокин, А.Г. Суслов, Ю.Н. Сухорукое, В.О.Трилисский, Л.А. Хворостухин, Л.М. Школьник, Ю.Г. Шней-дер, Н.П. Щапов, Д.Л. Юдин, П.И. Ящерицын и др.

Повышение эффективности обработки зубьев тяговой передачи тепловозов на финишных и предшествовавших им операциях достигает-

ся за счет исключения возможности возникновения в процессе обработки источников образования дефектов поверхностных слоев зубьев при одновременном значительном сокращении производственного цикла изготовления и ремонта зубчатых элементов.

Отсутствие основ научно-обоснованной технологии производства зубчатых передач тягового редуктора и, как следствие, различия в точках зрения нэ пути повышения работоспособности транспортных тяговых зубчатых передач, породили в настоящее время различные варианты технологических процессов, в том числе с применением способов ППД.

Важнейшее направление в технологии изготовления и ремонта тяговых зубчатых передач, является широкое внедрение в производственную практику новых ресурсосберегающих способов обработки ПСП зубьев, комплексно сочетающих в себе формообразование, технологическое упрочнение и финишную обработку. Они должны обеспечивать универсальность способа, качество и свойства контактирующих поверхностей и поверхностного слоя зубьев передачи, с учетом условий эксплуатации, за счет целенаправленного изменения параметров обработки на протяжении всего технологического процесса.

Обработка ПСП зубьев - важнейший аспект современного производства крупномодульных зубчатых передач тягового редуктора тепловозов, особенно на упрочняющих и финишных операциях. От ее уровня во многом зависят качество, надежность и конкурентоспособность в условиях рыночной экономики, что в настоящее время определяет большинство эксплуатационных показателей ПС.

Разработка высокоэффективных технологических процессов изготовления и ремонта сборочных единиц и деталей тягового редуктора, улучшение условий эксплуатации локомотивов, существенное обеспечение повышения работоспособности зубчатых передач тягового редуктора, пр�