автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Износ и восстановление профиля поверхности катания вагонных колесных пар повышенной твердости

На правах рукописи

___-а»—

ПОТАХОВ

Дмитрий Александрович

ИЗНОС И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ ВАГОННЫХ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ

Специальность 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

31 ИЮЛ 2014

005550929

Санкт-Петербург - 2014

005550929

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» на кафедре «Технология металлов»

профессор кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения»

кандидат технических наук

Защита диссертации состоится «25» сентября 2014 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д218.008.05 на базе ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО ПГУПС (www.pgups.ru), а также на сайте Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).

Автореферат разослан «25» июля 2014 г.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор ИВАНОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент РАУБА АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

СУХОВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

заведующий отделением «Транспортное материаловедение» ОАО «Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС - МИИТ)

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

Виктор Александрович Кручек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В процессе эксплуатации подвижного состава происходит износ и повреждение его ходовых частей и, в частности, профиля поверхности катания колесных пар, обусловленное постоянным контактом колеса с рельсом в процессе движения. В условиях увеличения нагрузки на ось, сужения колеи, перехода на рельсы тяжелого типа, объемной закалки рельсов и других факторов возрастает интенсивность изнашивания колесных пар. Это приводит к увеличению объемов восстановления их профиля, в результате чего средний срок службы колес грузовых вагонов сократился с 15 до 3,2...4 лет. Потери энергии, обусловленные изнашиванием в системе колесо-рельс, составляют 10...30 % расходуемых топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов. Кроме того, расходы на реновацию рельсов и колесных пар составляют немалую часть общих расходов дистанций пути, локомотивных и вагонных депо и сети железных дорог в целом. Чтобы предупредить и минимизировать эти негативные процессы были разработаны новые версии ГОСТ 10791 и ГОСТ 398 и начато производство колес повышенной твердости и качества. Опыт эксплуатации демонстрирует улучшение потребительских свойств колес с увеличенными прочностными характеристиками обода по сравнению с традиционными колесами. Однако в процессе их ремонта наблюдается нежелательный результат в части снижения производительности восстановления и повышенного расхода твердосплавного материала инструмента. Таким образом, проблема повышения эффективности технологического процесса восстановления профиля катания цельнокатаных колес повышенной твердости при их ремонте является актуальной.

Объект исследования. Колесная пара подвижного состава железных дорог и метрополитена.

Предмет исследования. Износ и восстановление вагонных колесных пар с повышенной твердостью обода по профилю поверхности катания.

Цель исследования. Повышение эффективности процесса восстановления вагонных колесных пар с повышенной твердостью обода.

Задачи исследования:

1. Анализ данных эксплуатации и выявление особенностей процесса восстановления колесных пар повышенной твердости.

2. Теоретическое исследование характеристик процесса восстановления профиля колеса на основе: метода подобия, теплофизического анализа, термомеханического подхода, метода линейного программирования.

3. Экспериментальное исследование процесса восстановления профиля поверхности катания колес повышенной твердости.

4. Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) и прочности твердосплавных пластин, применяемых при обточке колес, и на его основе определение рациональной геометрии режущего инструмента.

5. Разработка рациональных технологических режимов восстановления колесных пар повышенной твердости и рекомендаций по практическому применению полученных результатов.

Методы исследования. Теоретической базой проведения исследований послужили метод подобия, теплофизический и термомеханический подходы, линейное программирование, методы конечных элементов и планирования эксперимента, положения ряда разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика комплексного сравнительного анализа процесса восстановления колес повышенной твердости по профилю поверхности катания на основе методов подобия и линейного программирования, теплофизиче-ского анализа и термомеханического подхода.

2. Области существования рациональных сочетаний режимных параметров процесса и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес с различной твердостью обода.

3. Модель расчета НДС и оценки прочности твердосплавных пластин, применяемых для обточки цельнокатаных колес, позволяющая найти решения, обеспечивающие наименьшее напряжения в теле пластины и, как следствие, повышающие работоспособность режущего инструмента.

4. Рекомендации по совершенствованию процесса восстановления колес повышенной твердости обода.

Научная новизна исследования:

1. Предложена методика комплексного сравнительного исследования процесса восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте с использованием теории подобия, теплофизического анализа, методов линейного программирования и термомеханического подхода.

2. Создана виртуальная среда для исследований и анализа процесса восстановления колесных пар, позволяющая установить области существования рациональных сочетаний режимных параметров обработки и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес с различной твердостью обода.

3. Разработана модель расчета НДС и оценки прочности режущей пластины из твердого сплава при температурно-силовом воздействии, позволяющая определить картину распределения напряжений в теле пластины при различных ее конструктивных параметрах.

4. Найдены решения, обеспечивающие снижение опасных напряжений в режущих пластинах и соответствующее увеличение работоспособности сборных инструментов, применяемых при обточке изношенных колес.

Практическая значимость исследования:

1. Приведены статистические данные по износу колесных пар повышенного качества и твердости и рассмотрены особенности технологического процесса восстановления профиля их поверхности катания.

2. Разработан программный модуль, позволяющий анализировать температурно-силовые и другие параметры процесса восстановления колесных пар.

3. Предложенные рациональные технологические режимы процесса и геометрия режущего инструмента для восстановления колес различной твердости, приняты в качестве рекомендаций электродепо Дачное ГУП «Петербургский метрополитен» и обособленным структурным подразделением Санкт-Петербургского филиала ОАО «ВРК - 1» ВЧДр Тосно.

4. Разработанные предложения по повышению эффективности технологического процесса восстановления колес приняты Службой подвижного состава Управления метрополитена для определения перспективных планов развития ремонтных предприятий.

5. Результаты работы используются в учебном процессе.

Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем

теоретических и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Самостоятельно сформулированы положения диссертации, составляющие ее научную новизну и практическую значимость.

Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов. Экспериментальная проверка предлагаемых режимов процесса восстановления показала повышение работоспособности режущего инструмента на 20-30%. Расхождение данных расчета параметров шероховатости поверхности и данных, полученных при эксперименте, составило не более 9-13%.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы были апробированы на: «63-65-ой научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2011 -2013 гг.), IX Международной научно-практической конференции «Перспективные научные исследования - 2013» (г. София, Болгария, 2013 г.),

3

III Международной научно-практической конференции «Технологии, материалы, транспорт и логистика: перспективы развития» TMTL'13» (г. Луганск, Украина, 2013 г.), IX Международной научно-практической конференции «Наука и инновации - 2013» (г. Пшемысль, Польша, 2013 г.), VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.). Работа в полном объеме была доложена и обсуждена на научных семинарах кафедры «Технология металлов» ФГБОУ ВПО ПГУПС (2012 - 2014 гг.).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, из которых 6 статей в изданиях, определенных ВАК Минобр-науки России, 4 - в материалах научно-технических конференций, 2 - в межвузовских тематических сборниках научных статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа включает 172 страницы основного текста, в том числе 60 рисунков и 36 таблиц. Она состоит из 5-ти разделов, включая введение, заключение, список используемой литературы из 106 наименований и 3-х приложений из 18-ти страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследований, обозначены пути решения главных задач.

В первой главе выполнен анализ текущих результатов эксплуатации и технологии ремонта колес повышенного качества и твердости. Результаты анализа официальных данных по эффективности использования колес с улучшенными физико-механическими характеристиками свидетельствуют об улучшении их эксплуатационных свойств по сравнению с традиционными колесами. Использование твердых колес в целом сокращает отцепки в текущий отцепочный ремонт вагонов из-за неисправности колесных пар, при этом по выщеринам и ползунам количество отцепок возросло. В итоге средний пробег колесной пары с цельнокатаными колесами повышенной твердости до первой обточки, по данным Главного вычислительного центра ОАО «РЖД», до 1,5 раз превышает пробег серийных колес. Однако повышение твердости колесной стали вызывает сложности в процессе их ремонта, а именно наблюдается нежелательный результат в части снижения производительности и экономичности восстановительной обработки.

Значительный вклад в исследования эксплуатации и совершенствование технологии ремонта вагонных колес внесли отечественные и зарубежные ученые - C.B. Алехин, Е.Ю. Аксенов, А.Ф. Богданов, А.П. Буйно-

сов, Н.Г. Васильев, Г.М. Волохов, A.A. Голубенко, И.Г. Горячева, Е.П. Дудкин, Д.Г. Евсеев, С.М. Захаров, И.А. Иванов, Д.П. Марков, М.М. Маш-нев, М.Н. Овечников, Э.С. Оганьян, A.A. Рауба, Н.И. Смолин, A.B. Сухов, C.B. Урушев, В.Г. Чурсин, JIM. Школьник, Е.А. Шур, A. Bros', M. Sitazh и др.; научные учреждения и организации - ВНИИЖТ, ВНИКТИ, ПГУПС, МГУПС, ОмГУПС, РГУПС, СГУПС, ДВГУПС, СамГУПС и др.

Проблемами механической обработки материалов занимались: отечественные ученые - Г.К. Горанский, Г.И. Грановский, H.H. Зорев, B.C. Кушнер, Т.Н. Лоладзе, А.Д Макаров, В.А. Остафьев, М.Ф. Полетика, А.Н. Резников, С.С. Силин, Н.В. Талантов, A.C. Тарапанов и др., а также зарубежные - E.J. Armarego, F.P Bouden, A. Sladkovski, Е.М. Trent и др.

Анализ особенностей технологического процесса восстановления колесных пар подвижного состава показал, что наиболее слабым звеном процесса механической обработки являются режимы восстановления, не оптимальные при ремонте колес повышенной твердости, тип и качество применяемого режущего инструмента (геометрия, материал твердого сплава, форма твердосплавного инструмента). Показана целесообразность восстановления профиля на «оптимальной температуре» в процессе обработки, не зависящей от различных технологических факторов и принимающей определенное значение для каждой пары «инструментальный материал -обрабатываемый материал». Как показали работы школ проф. Макарова, Силина, Кушнера, а также исследования кафедры «Технология металлов» ПГУПС и др. работа на этой температуре обеспечивает инструменту наибольшую размерную стойкость и минимальные силы резания, а колесу -благоприятные свойства металла поверхностного слоя. Проведенный анализ вопроса позволил построить логическую схему исследований и структурную схему диссертационной работы (рисунок 1).

Вторая глава посвящена расчету параметров процесса восстановления профиля поверхности катания вагонных железнодорожных колес и колес подвижного состава метрополитена различной твердости при использовании режущего инструмента призматической и чашечной форм из твердых сплавов групп применения Р и M (Т14К8, МС121 и др.). Теоретические исследования проводились с использованием различных подходов к оценке параметров процесса восстановления: теории подобия, теплофизи-ческого анализа, термомеханического подхода и на основе рекомендаций нормативных документов методом линейного программирования. Исследования осуществлялись применительно ко всему диапазону режимов

процесса восстановления колесных пар, при этом оценивались контактные нагрузки на режущий инструмент и соответствующие им теплофизические параметры процесса. Параметры процесса восстановления определялись для конкретных условий обработки, а также при условии обеспечения «оптимальной температуры восстановления», принятой равной 870±10°С для контактной пары Т14К8 (МСШ)-сталь марки 2 (Т) по ГОСТ 10971-2011.

Рисунок 1 - Структурная схема диссертационной работы

В ходе численного исследования процесса восстановления профиля колесных пар разработан программный модуль в виртуальной среде Microsoft Excel с использованием языка VBA (Visual Basic for Applications), который на основании исходных данных (теплофизических и физико-механических характеристик колеса и инструмента, а также геометрии последнего) предусматривает расчет всех основных параметров процесса при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар и определение направленности их изменения с целью поддержания заданного критерия оптимизации при условии сохранения регламентируемых параметров точности и качества обработанной поверхности.

Теория подобия. Анализ процесса восстановления осуществлялся с использованием 6-ти основных безразмерных критериев подобия, содержащих в себе все основные параметры технологического процесса механической обработки колеса и характеризующих собой: тепловую актив-

6

ность стружки по отношению к общей затраченной работе, степень пластических деформаций металла снимаемого припуска, тепловую активность инструментального материала по сравнению с тепловой активностью обрабатываемого материала, геометрию срезаемого слоя и др. Использование этих критериев позволяет результат исследования единичного опыта распространять на целую группу подобных ему опытов.

Оптимальная температура процесса при восстановлении профиля колеса определялась по зависимости:

N0,2

0о=О,60

f N0,12 Ä KXPJ

cp (cp).

(V<TB)°-27

(1 + sy

0,05

(1)

где \nX- коэффициенты теплопроводности инструментального и обрабатываемого материалов; срр и ср - удельная объемная теплоемкость инструментального и обрабатываемого материалов; = 1490 "С - температура плавления кобальта; Тр — сопротивление обрабатываемого материала пластическому сдвигу; сгв и 5 — предел прочности и относительное удлинение при растяжении образцов из обрабатываемого материала.

Результаты исследования методом подобия приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Режимы процесса восстановления профиля колеса на основе метода подобия

Глубина резания t. мм 255 HB 300 HB 340 HB

vo, м/мин h, об/мин V/j, м/мин 1 п, об/мин v0, м/мин п, об/мин

Цельнокатаное вагонное колесо 0957 мм

3 29,30 9,75 21,35 | 7,11 16,80 5,59

5 ■ 25,32 8,43 18,45 | 6,14 14,48 4,82

Цельнокатаное колесо 0785 мм

3 42,35 17,18 31,22 12,67 1 24,26 9,84

5 37,07 15,04 27,12 11,00 ! 21,38 8,67

Теплофизический подход. Для теплофизического анализа процесса восстановления для каждого тела решалось дифференциальное уравнение теплопроводности в частных производных 2-ого порядка:

дв_ дт

- = со

гЪгв д2в Ъгв

ох

ду

+ V.

дд_ дх

дв дв

(2)

где в = 9 (х, у, г, г) - температура точки с координатами х, у, г в момент времени т; уг — проекции на координатные оси вектора скорости перемещения внешнего источника теплоты; со = А / ср — коэффициент температуропроводности обрабатываемого материала; Здесь с — удельная

массовая теплоемкость, р - плотность.

Для того чтобы конкретизировать задачу и выбрать решение, к уравнению (2) присоединялись краевые условия, описывающие геометрическую форму и свойства колеса и инструмента, граничные и начальные условия. Для аналитического решения дифференциального уравнения (2) с заданными краевыми условиями использовался метод источников, согласно которому использовалось описание температурного поля, возникающего в неограниченном теле под действием теплоты, внесенной импульсом в виде мгновенного точечного источника:

е

-ехр

4 аЛ

(3)

где в(х- температура точки тела с координатами х у, г, возникающая через * секунд после того, как в точке с координатами источника хи, уи, ¿и имел место тепловой импульс; Л = - х)2 + 0„ - у)2 + 0„ - г)

расстояние от точки до источника.

Результаты теоретического исследования процесса на основе тепло-физического подхода приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Режимы процесса восстановления профиля колеса на

Глубина резания мм 255 ГО 300 НВ 340 НВ

V*), м/мин п, об/мин V,?, м/мин п, об/мин м/мин п, об/мин

Цельнокатаное вагонное колесо 0957 мм

3 63,83 21,23 38,87 12,93 27,21 9,05

5 64,64 21,50 38,97 12,96 27,10 9,02

Цельнокатаное колесо 0785 мм

3 39,41 15,99 23,12 9,38 14,58 5,91

5 36,36 14,75 21,76 8,83 13,49 5,47

Термомеханический подход. Особенностью данного подхода является использование определяющего уравнения, которое учитывает изменение свойств обрабатываемого материала при высоком уровне скорости деформации, изменяющихся деформациях и температурах, характерных для процесса восстановления профиля колеса:

= АКсе™ ехр(-.В,Д7"), (4)

где _ действительный предел прочности; КеиВх- эмпирические константы, характеризующие влияние скорости деформации и температу-

ры на предел текучести; т - показатель деформационного упрочнения; Ер — деформация; А - коэффициент, вычисляющийся через линейную конечную деформацию и показатель деформационного упрочнения.

При расчете температур на рабочих поверхностях твердосплавного инструмента решалось дифференциальное уравнение теплопроводности (2), вытекающее из закона сохранения количества тепловой энергии и основного закона теплопроводности (закона Фурье) с граничными условия всех четырех видов. Результаты этого теоретического исследования приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Режимы процесса восстановления профиля колеса на

основе термомеханического подхода

Глубина резания Л мм 255 НВ 300 НВ 340 НВ

V», м/мин об/мин V«,, м/мин об/мин V», м/мин и, об/мин

Цельнокатаное вагонное колесо 0957 мм

3 54,21 18,04 34,56 11,50 24,35 8,10

5 49,44 16,45 31,32 10,42 21,27 7,08

Цельнокатаное колесо 0785 мм

3 48,90 19,84 28,15 11,42 22,15 8,99

5 38,01 15,42 23,24 9,43 17,32 7,03

Метод линейного программирования был построен на основе зависимостей, рекомендуемых нормативными документами, и использовался для нахождения параметров процесса восстановления, подчиняющихся ограничивающим условиям: по режущим возможностям инструмента, по требованиям к мощности процесса и шероховатости и др. Совокупность критерия оптимальности и ограничений образовало математическую модель режима восстановления профиля поверхности катания колеса:

+ УVх2 С 1+Пр )Х1 + УрХ2 ^ Ь2 х, >63, д2х2<Ь5 ^ ф

х2>Ь6, х2 > Ь1

где X;, Х2 — управляемые переменные; ¿>/...67 — правые части (свободные члены) неравенств, ур, хр, пр - показатели влияния 5, /, V на силу резания.

Были определены такие значения режимных параметров процесса, удовлетворяющих системе ограничений (5), при которых величина целевой функции /„ = С0 - х1 - х2 (С0 - постоянный коэффициент), являющаяся критерием оптимальности, принимала бы наименьшее значение при об-

работке колесной пары с требуемыми параметрами качества ее поверхности. Результаты теоретического исследования приведены в таблице 4.

Таблица 4 — Режимы процесса восстановления профиля колеса на основе метода линейного программирования

Глубина резания t, мм 255 НВ 300 НВ 340 НВ

v0, м/мин п, об/мин м/мин п, об/мин . vo> м/мин п, об/мин

Цельнокатаное вагонное колесо 0957 мм

3 64,09 21,33 46,08 15,33 38,10 12,68

5 59,76 19,89 42,53 14,15 35,17 11,70

В результате проведенного комплексного сравнительного исследования параметров процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар различной твердости на основе рассмотренных подходов было установлено, что повышение твердости обтачиваемых колес во всем диапазоне изменения режимов приводит к росту температурно-силовых характеристик процесса. При этом, чем больше твердость обрабатываемой поверхности колеса, тем более значительны эти изменения.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию обрабатываемости колесной стали повышенной твердости в производственных условиях ремонтных предприятий ОАО «РЖД» и ГУЛ «ПМ».

Выполнено сравнение и оценка режимов процесса восстановления цельнокатаных колес по ГОСТ 10791-2011, полученных на основе результатов теоретического исследования с использованием рассмотренных подходов и их сопоставление с результатами экспериментальных исследований показанных в виде точечных выборок DH (рисунок 2). При проведении экспериментов производилась обточка колесных пар с цельнокатаными колесами номинального диаметра 0957 мм колесной стали марок 2 и Т по ГОСТ 10791-2011, цельнокатаных колес номинального диаметра 0785 мм стали марки 2 по ГОСТ 10791-2011. Для определения исходной (перед обработкой) твердости ремонтируемых колес использовался твердомер динамический «ТЭМП-2У». Измерения твердости материала колеса производилось по поверхности катания до и после обточки. Критерием оценки рациональности режимов служили такие показатели процесса, как хорошее стружкообразование и приемлемая стойкость инструмента, а также результаты сопоставления расчетных сил резания с силами, полученными экспериментально. Наиболее близкими к экспериментальным данным оказались результаты - термомеханического подхода для цельнокатаных вагонных

колес и метода подобия для колес, эксплуатируемых на подвижном составе метрополитена. Рекомендуемые режимы восстановления профиля колеса в зависимости от твердости колесной стали для различных глубин резания были переданы в ремонтное производство в виде номограмм.

X

Метод подобия —Ш—Теплофизический подход

■Линейное программирование —I—Термомеханический подход

а) для цельнокатаного вагонного колеса б) для колес подвижного состава метрополите-0957мм при использовании призматического на 0785 мм при использовании чашечного инструмента с режимами ¿=1,1 мм, 1=5 мм инструмента с режимами 5=1,1 мм, (=3 мм

Рисунок 2 - Теоретически полученная скорость восстановления профиля колеса по различным методам и подходам

Экспериментально с использованием метода планирования эксперимента была получена степенная зависимость шероховатости обработанной поверхности при обточке колесной стали повышенной твердости от геометрии инструмента и режимных параметров процесса:

& = £3,939г0,067^1,443г-0,699 (6)

где г - радиус при вершине резца, г - глубина резания, 5 - подача.

Полученная эмпирическая зависимость проверялась в производственных условиях при обточке колесных пар чашечным и призматическим режущим инструментом. Проверка адекватности по критерию Фишера показала, что имеющаяся формула (6) расчета шероховатости восстановленной поверхности, адекватна результатам экспериментов, т.е. способна предсказывать результаты с погрешностью в 9-13%.

В четвертой главе приведены исследования по оценке напряженно-деформированного состояния и прочности режущего инструмента в процессе силового и температурно-силового нагружений на основе системного подхода при различных условиях его эксплуатации. На этом основании

была предложена форма режущей части, обеспечивающая наименьшие напряжения в теле пластины при обработке колес.

Проблема прочности инструмента в первую очередь связана с определением его НДС под действием нагрузок, возникающих в процессе восстановления профиля колеса. При оценке прочности использован критерий предельного состояния, предложенный Г.С. Писаренко и A.A. Лебедевым, учитывающий сложнонапряженное состояние и особенности анизотропии инструментальных материалов:

, "¡*а2*а3

=XO-i + Q.-z)crlA>-' = 0Д8сг,. + 0,82а,-0,7 <ав, (7)

где А - константа, характеризующая статистический фактор развития разрушений; % - параметр, определяющий долю сдвиговых деформаций в разрушении, Х = ав,<т-в\ а* ~ эквивалентные напряжения по Мизесу; сть сj2, о3 - главные напряжения; J - параметр, характеризующий жесткость напряженного состояния; ов> О-в - предел прочности материала при растяжении и сжатии соответственно.

По действующим нагрузкам, используя зависимости, предложенные М.Ф. Полетикой и Т.Н. Лоладзе, определялись главные напряжения в контактной зоне режущей части по передней и задней поверхностям инструмента. По теории предельных напряженных состояний Писаренко-Лебедева определялись эквивалентные напряжения о,,. Максимальное эквивалентное напряжение сопоставлялось с допускаемым напряжением, учитывающим коэффициент запаса прочности. Также были определены коэффициенты запаса прочности пластины стандартной формы режущей части при обработке колес различной твердости.

Практика эксплуатации инструмента показывает, что во многих случаях тепловые нагрузки определяют его прочность и износостойкость. Учитывая этот факт, в модели были учтены температурные нагрузки на контактных поверхностях режущего инструмента. В результате исследований выявлено снижение запаса прочности при учете влияния температур, сопровождающих процесс восстановления профиля колеса. Установлена картина распределения изолиний эквивалентных напряжений в теле инструмента, на основании анализа которой выявлены очаги концентрации напряжений (зоны А и Б, рисунок 3). При этом основной очаг по численному значению проявляется при учете температурного фактора и совпадает с

местом концентрации максимальных эквивалентных напряжений. Установлена наиболее вероятная линия скалывания и разрушения твердосплавной пластины (линия 1, рисунок 3), характер которой хорошо согласуется с картиной сколов режущего инструмента встречающейся на практике.

В системе БоИс^огкз с применением средств исследования проектирования была рассмотрена геометрия режущего инструмента. Осуществлена оптимизация геометрии режущих пластин, а именно формы режущего клина на основе использования данных НДС в зоне стружкообразования. В роли переменных исследования выступали следующие геометрические параметры пластины: передний угол у, угол упрочняющей фаски уу и др. В результате решения задачи оптимизации найден, рациональный вариант геометрии, обеспечивающий снижение напряжения в теле пластины не менее чем на 10% по сравнению с существующей конструкцией при обточке колес с учетом температурно-силового воздействия: у= -14°, уу= -12°,/у= 0,2 мм, /?з= 0,2 мм. Это позволит повысить работоспособность режущего инструмента и производительность процесса за счет повышения режимов восстановления профиля. При этом снизится вероятность поломки инструмента, и затраты на его покупку при работе на рекомендуемых режимах.

Проверка предлагаемой геометрии, полученной на основе оптимизации формы режущего клина, производилась в производственных условиях при обточке колесных пар нового формирования из колес марки 2 ГОСТ 10791-2011. Оценивалась износостойкость предлагаемой геометрии режущего инструмента в сравнении со стандартной путем измерения величины фаски износа в зависимости от пройденного пути резания. Зависимости пути резания приходящуюся на одну режущую кромку от величины фаски износа для стандартной и предложенной геометрий при различных скоро-

/

Здесь / и А - длины контактов на передней и задней поверхностях инструмента соответственно.

Рисунок 3 - Линия разрушения режущей части твердосплавных пластин

стях резания представлены на рисунке 4. Для варианта предлагаемой геометрии получено повышение стойкости пластины на 20-30%, позволяющее увеличить количество обточенных колес одним инструментом.

Ширина фаски износа А3, мм Ширина фаски износа И3, мм

а) для стандартной геометриям б) для предлагаемой геометрии

Рисунок 4 - Зависимости пути резания от ширины фаски износа для различных скоростей резания при 290±20 HB, 5 = 1,2 мм/об; t = 3 мм

В пятой главе выполнено технико-экономическое обоснование внедрения разработанных мероприятий по повышению эффективности восстановления. Прямой экономический эффект достигается за счет сокращения расхода твердосплавного материала инструмента в результате повышения его работоспособности, а косвенный - в продлении эксплуатационного ресурса колеса за счет минимизации припуска на механическую обработку при восстановлении профиля, и в увеличении межремонтного пробега за счет повышения качества обработанной поверхности в результате использования системы автоматического регулирования технологической системы при обточке по «оптимальной температуре восстановления». Общий экономический эффект от внедрения результатов исследования в условиях типового вагоноремонтного депо с программой выпуска продукции 8 500 шт. составит 7 860 тыс. руб, или 925 руб. на единицу продукции (колесную пару), в том числе 125 руб. в прямом экономическом эквиваленте и 800 руб. в косвенном. Срок окупаемости дополнительных капиталовложений составит чуть менее 1 года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Приведены статистические данные по особенностям износа и эксплуатации колесных пар повышенного качества и твердости.

2. Предложена методика комплексного исследования параметров

процесса восстановления колесных пар по профилю поверхности катания при ремонте на основе различных теорий (методов подобия и линейного программирования, теплофизического и термомеханического подходов).

3. Разработан программный модуль, применение которого дает возможность осуществлять целенаправленный поиск рациональных параметров процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар, определение направленности их изменения с учетом поддержания заданного критерия оптимизации при условии сохранения регламентируемых точности и качества обработанной поверхности.

4. Выполнено сравнение режимных параметров процесса, полученных экспериментально, с данными, полученными теоретическим путем, на основании которого приведены рекомендации по рациональным режимам процесса восстановления колес с повышенной твердостью обода.

5. Разработаны номограммы для определения рациональных режимов процесса восстановления вагонных колес и колес подвижного состава метрополитена из новых марок колесных сталей, использование которых дает возможность повысить стойкость инструмента при ремонте.

6. Получена эмпирическая зависимость для определения высоты неровностей профиля поверхности катания, способная адекватно реагировать на изменения параметров технологической системы станок - приспособление - инструмент - деталь. Расхождение предсказанных и полученных результатов составило 9-13%.

7. Разработана модель расчета НДС режущей пластины из твердого сплава при температурно-силовом воздействии, позволяющая определить картину распределения напряжений в теле твердосплавной пластины и оценить ее прочность при различных конструктивных параметрах.

8. Предложена геометрия режущего инструмента, обеспечивающая снижение напряжений в режущих пластинах, применяемых при обработке колес, дающая повышение стойкости инструмента как показывает эксперимент на 20-30%, т.е. позволяющая увеличить количество обточенных колес одним инструментом.

9. Определено, что внедрение предлагаемых решений в условиях типового вагоноремонтного депо приведет только в прямом экономическом эквиваленте к экономии в 125 руб. на единицу продукции.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ

В рецензируемых научных изданиях:

1 Потахов, Д.А. Использование на подвижном составе колесных пар повышенной твердости/Д.А. Потахов//Известия ПГУПС. - 2013.-X» 1 (34).-С. 139-147.

2 Потахов, Д.А. Метод подобия при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар повышенной твердости / Д.А. Потахов // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2013. - № 2 (35). - С. 153-162.

3 Потахов, Д.А. Теплофизический анализ процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар / Д.А. Потахов // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2013. - № 3. - С. 11 -16.

4 Потахов, Д.А. Метод линейного программирования при расчете режимов восстановления профиля поверхности катания колесных пар / Д.А. Потахов // Транспорт Урала. - 2013. -№ 2 (37).-С. 46-50.

5 Потахов, Д.А. Анализ режимов восстановления профиля поверхности катания колесных пар на основе различных методов расчета / И.А. Иванов, А.А. Воробьев, Д.А. Потахов // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. - 2013. - № 3 (23).-С. 41-47.

6. Потахов, Д.А. Оценка прочности режущего инструмента для обточки железнодорожных колес при температурно-силовом воздействии / И.А. Иванов, Д.А. Потахов, C.B. Уру-шев // Вестник Транспорта Поволжья. - 2013. - № 4 (40). - С. 28-36.

Другие публикации:

7. Potakhov, DA. Cutting temperature as optimization criterion of the recovery of railway wheel sets (Температура резания как критерий оптимизации процесса восстановления железнодорожных колесных пар) / Д.А. Потахов // Материали за ЕХ-а международна научна практична конференция «Бъдещите изследвания - 2013», Том 29. Технологии, 17-25 февраля. - София.: «Бял ГРАД-БГ» ООД, 2013. - С. 84-85.

8. Потахов, Д.А. Особенности восстановления колес с повышенной твердостью обода / Д.А. Потахов // Материалы VIII международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» / Петербургский гос. ун-т путей сообщения. 3-7 июля. - Санкт-Петербург, 2013. - С. 134-136.

9. Potakhov, D.A. Strength Evaluation of cutting tools for wheel lathes (Оценка прочности режущего инструмента для колесотокарных станков) / Д.А. Потахов // Materialy IX Miçdzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja - 2013» Volume 18. Techniczne nauki, 07-15 pazdziernika. - Przemysl.: Nauka i studia, 2013. - C. 87-89.

10. Потахов, Д.А. Варианты оценки режимов процесса восстановления цельнокатаных колес / И.А. Иванов, Д.А. Потахов, C.B. Урушев // III Международная научно-практическая конференция «Технологии, материалы, транспорт и логистика: перспективы развития» TMTL43», сборник статей, г.Луганск, Украина,-23-27 сентября 2013 г.-С. 54-58.

11. Потахов, Д.А. Оценка параметров шероховатости поверхности катания при восстановлении профиля колес повышенной твердости / Д.А. Потахов, М.Ю. Розов // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств жл подвижного состава.: Сб. науч. ст. / Омский гос. ун-т путей сообщения. 7-8 ноября. - Омск, 2013. -С. 212-219.

12. Потахов, Д.А. Регулирование параметров процесса механической обточки цельнокатаных колес / я.с. Ватулин, И.А. Иванов, Д.А. Потахов // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте.: Сб. науч. ст. / Омский гос. ун-т путей сообщения. 21 -22 ноября. - Омск, 2013. - С. 164-171.

Подписано к печати 01.07.2014г. Печ.л. -1,0 п.л

Печать - ризография Бумага для множит, апп. Формат 60x84 1/16

Тираж 100 экз. _Заказ № 623__

CP ПГУПС, 190031, С-Петербург, Московский пр.9