автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение эффективности восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте

БУДЮКИН

Алексеи Митрофанович

На правах рукописи

УДК 629.4.027.11

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ПО ПРОФИЛЮ КАТАНИЯ ПРИ РЕМОНТЕ

Специальность 05.22.07— Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1996

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук, профессор ИВАНОВ Игорь Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор БОРОНЕНКО Юрий Павлович; кандидат технических наук БАРЩЕНКОВ Владимир Николаевич

Ведущее предприятие — Октябрьская железная дорога.

Защита состоится « октября 1996 года в ^ час

на заседании диссертационного совета Д 114.03.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., дом 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан «.УУ.ъ . . . . . 1996 года

Ученый секретарь диссертационного совета

к. т. н., доцент Б. В. РУДАКОВ

Подписано к печати 09.09.96 г. Формат 60х84'/1б- Бумага для множ. апп. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ № 792.

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

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуадьпоста. Одним из глазных показателей экскошпеского развития государства является устойчивая рзйота его транспортной систем, состав мощность которой долднн Сыть достаточными по отношении к текущие и перслектпвккм потребностям населения и экономики.

Особенности России предопределяют в качестЕЭ сснсеного типа транспортных средств - железнодорожный, что формирует требования и 2ь'сскск долговечности, безотказности и ремонтопригодности как всего подз;шюго состава з целом, так и колесных пар, в частности. Увеличение нагрузки на ось, расширение использования железобетонных ппал, ксмпс-зицкснныл колодок требует разработки дополнительных мер по обеспечению безопасности движения, а это в свсю очередь тэсяо сзяззко с псвкпеккем эффективности -ксподьгозгакля и госстановления кслес по профилю катания при рэ,мойте.

Актуальность постановки и решения задачи повышения эффективности функционирования и Еосстаксзленкя колесных пар по прсфили к42с?:; с&цей проблемы обеспечения надежности подвихного состава обусловлена тем, что структура эксплуатационных отказов обнаруживает з последнее время в качестве определявшей приташ утраты работоспособности - снижение расчетного срока слукСн колес.

Потери от износа и неэкономичного восстановления геометрии профиля колес при ремонте достигает значительных величин. Всо более острым становится вопрос восполнения колесной и Сандатаой сталей п результате потери работоспособности по предельному износу колес и изъятии их из эксплуатации.

СдакиБЕиеся уелоекя выдвигаат проблему повышения эффективности восстановления колес при ремонте в число наиболее актуальных.

Дала и задачи изаладоааинй. Целью настоящей работы является повышение эффективности восстановления колесных пар при ремонте.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач.

1. Исследование особенностей технологии ремонта колесных пар по профилю и их влияние на ресурс колеса.

2. Классификация и разработка способов восстановления колесных пар по профилю катания.

3. Разработка методики и анализ эффективности способов восс-тановленш профиля катания колес при ремонте.

4. Исследование и оптимизация процессов восстановления профиля различными способами.

5. Установление рациональных границ применения способов восстановления профиля колес.

6. Лабораторные, стендовые и опытно-промышленные испытания разработанных технических устройств, режимов и рекомендаций.

Цэтодика исследаваюга. Теоретические исследования базировались на использовании разделов фундаментальных наук (физики твердого тела, теплофизики, механики, теории износа, прикладной математики и др.). Оценка выходных параметров выполнена о применением методов математического планирования эксперимента в сочетании с лабораторными, модельными и стендовыми экспериментами.

Научная навдаиа райоты. На основе экспериментально-теоретических исследований получены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых повышает эффективность восстановления и срок службы колосник пар. При этом получены следующие оригиналь-

ны<? результаты.

1. Предложена классификация способоз восстановления колесных пар по профилю катания.

2. Предложена методика оценки уровня качества способов восстановления колесных пар при ремонте.

3. Выполнен качественный и количественный анализ способов восстановления.

4. Разработан способ восстановления профиля поверхности катания колес (а.с. N 1420041).

5. Теоретически и экспериментально (а.с. N 14Б8С83) исследованы существующий и предложенный способы восстановления.

Достоверность. Достоверность полученных выводов и предложений подтверждается проверкой согласованности результатов теоретических и экспериментальных исследований. Расхождение расчетных и экспериментальных данных при определении оптимальных режимов обработки V), тепловых зависимостей (Ц,0), износостойкости колес и ресурса колесных пар не превышает 10-15'.

Практическая ценность. На основании выполненных исследований для ремонтных предприятиях МПС разработаны и внедрены технические репения, направленные на повышение эффективности восстановления колесных пар при ремонте за счет снижения стоимости ремонта, повышения производительности и увеличения срока службы колесных пар.

Предложен способ (а.с. N1420041) восстановления колесных пар по профилю катания, с использованием врезного профильного высокоскоростного шлифования (ВПВШ) и последующей термообработки (ТО), для реализации которого, разработано техническое задание на станок ЕПЕш, согласованное в МПС и Мпнстанкспроме и изготовлена установка длл ТО Т8Ч колесных пар в ВЧД-В Октябрьской л.д. Техно-

логичеегсие процессы на предварительную и последующую ТО угзержде-ны в качестве отраслевого документа и распространены в депо МПС.

В 1994 году ШС России утверждены и приняты к внедрению "Рекомендации по использованию и назначена параметров режима механической обработки при восстановлении профиля поверхности катания вагонных колес", разработанные на основе предложенных методик определения обрабатываемости колесных сталей и способа определения оптимальной скорости резания при точении (а.с. N 1458083).

Аггробацкя. Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на ежегодных межотраслевых координационных совещаниях и конференциях по проблемам надежности и долговечности колесных пар ШС, МЧМ и Ыинтяжмаша, на школах передового опыта ШС, 1986-91 г.г., на научно-технических советах СПО шлифовальных станков им. Кассиора, Воронежского вавода шлифовальных станков. Краматорского завода тяжелых станков, на техническом совете ЦВ ШС в 1991 году, на международных семинарах "Влияние современных технологических методов обработки на надежность колесных пар" в Краковском политехническом институте (1930г.). Силезеком политехническом институте (1995г.), на научно-практических конференциях, а также на научно-технических семинарах кафедры "Технология металлов" ПГУПС в 1986-1995г.г.

Пубджгцшх. По материалам исследования опубликовано 15 печатных работ, получено 2 авторских свидетельства на изобретения. Отдельные вопросы подробно освещены в 12 отчетах по научно-исследовательским работам,-депонированных во ВНИТЦ.

Структура и объйи работы. Диссертация состоит из 7 разделов, включая введение и общие выводы, содержит 116 страниц машинописного текста, 17 таблиц, 51 рисунок , библиографию, включающую 151 наименований и приложения.

СОДОГ)Г511ЯЭ рябохи Бо ВЩ-ЕПО приведена общая харакхерпеягка работы. 3 ПЕРШИ РАЗДЕЛЕ работа приводится обзср исследований, посвященных ловазенгв качества восстановления п срскз служба цельнокатаных колес подзихнсго сэстала.

Повыгекпэ s-tçeKiiQHOcsa рдбоп» жглеэнодорсг-юго транспорта определивг яе::рер;ано ncepscrscrae требования к качеству поверхности катанпя цэлькокатакю: загонккх колес. Оня св.тазны з перьуа очередь с несСхсдкмоскз повышения та долговечности в эксплуатации к учета зтсго вопроса на стадиях ¡»нотруктсрско-технохогвчес-;:с;": подготовки, производства колес и их ремонта. ГОСТ 107Э1-89* устанавливает средний орск сяукбы кодес разики 10 годам. По дан-чкч ЕНЖдТа действительный срок службы колес составляет в средне;.! 7,9 года. Болта нкзкей срок одузсба колес в этопдуатацшг «окно ойлсин» причинами, сгзагзжии с несовершенством технологически прсиоссся изхаянческой обработки колес на стации их изготовления н ремонта.

Вопросы !«честяа колес и влияния фягико-мгхсяичоских свойств колесных сталей нз износостойкость и образование дефектов на поверхности катания колесных пар рассматривались б работах Т.А.Ларина, В.А.Кислика, И.Г.Углоза, М.Ы.Магнева, Л.М.Еюльнкка,

A.Е.Цпкуновз, Н.И.Мартынова, А.Ф.Богданова, Ю.П.Бсроненко,

B.Н.Бартенксз, Э.М.Парьяева, И.Н.Кудрявцева, Л.М.Вихропой и др. Соверкэяствоганню технологических процессов изготовления и

ремонта колесных пар, их элементов посвявдны работы Н.П.Зобнина, Д. Л. Юдина, М.М.Мкгаева, И.А.Кзалова, С.В.Алехина, ¡5. Я. Богданова, Л.М.Еюлынэта, А.О.Богданова, Б.В.Захарова и др.

Вопросам оптимизации процессов механической обработки колес

- в -

уопевно ганимазтоя ряд научных и производственных учреждений СНГ: БН-ШКХ, ЫГУПС, ПЛИС, РГУПС, ГашИКХ, ЦТВР и ДВ ШС, КЗХС, КЧМ, ЗКЛ, ЕМЗ к др., а также фирш Хегенаейдт, ¡Заррел, Рафамет, форт и др.

Анализ способов восстановления показал, что изношенные, с дефектами термомеханического проксхаздезия нз поверхности катания колесные пары обрабатывается о большим трудом и кеэконошкно ("под корку"). При втом срзвается работоспособный сдой металла оОода (рис. 1). В результате кз-за снижающихся прочностных характеристик металла по глубине обода, колеса после каждой обточки поступал}? б эксплуатации с Солее низки™"! прочности!**"! характеристиками. Несовершенство способов обработки колес на металлургических заводах и ремонтных предприятиях ШС непосредственно сказываются на их долговечности. Исследованиями, выполненными ИЧМ и ВШСЕТоы. установлено, что увеличение • прочности колес на 10 МПа повывает срок службы колес в эксплуатации на ЭХ.

Очевидно, что задачи повышения долговечности колес должны реваться одновременно с задачами! их механической обработки, разработкой и выбором айективных способов восстановления при решите.

Ю ЕТО?с:; РАЗЩХЕ представлены методика и результаты анализа эффективности способов восстановления заданного проф-.ин катаний

Рио.1 Схема восстановления профиля колеса при точении под "корку"

Профили: 1 - исходный, 2 -изношенный, 3,- оптимальный, 4 -восстановленный - 1-я обточка, 5 -восстановленный - 2-я обточка.

колес. заполненного та основе их систематизации и класстгф^сгщш.

Основным спссоЗои мехакпчэсксй обработки профиля позерхностк катания талес при ремонт? является гочэнкэ по гопгру (программе) па стак:?ах моделей 1835 КЗТС, UCS12S Ргфгмэт, 155 Хогеклэйдт л 5?.! подобных. Пр .меняются также и способы обработки Донным инструментом: Сгзгеро2\%яие, милование, точение.

Среди пгич::н, определлхякх кздостзтечко гкэноягаоэ кссста-новлозиэ про®лгя колеса при ремонте, юза» выделить следукдее:

1. Нзтачкэ ка вангрянаэтн каташа иэ э*-

Сегдапг-тость спосябоз яосстянсеугсговг. Зозникащие на поверхности катания термом:>хан1Гь'есзсие повреждения (Ш1) - ползуны, нзгзрц и т.п. - выгьзаи? необходимость преждевременной их обточки, при зтсы точение :-щет "под корку", срезается в стружку работоспособный слой обода, что. приводит ь: сникениз ресурса колеса, уровня ро;-лглс2 резакия и, как следствие, производительности обработки. О/цвстъугщя способа«« восстановления профиля катаю:я колес "под корку", тач навиваемый технологический изнсс, айкает технический ресурс колеса на 30...Ж.

?.. КЬнстругазшиоо весезорсокизо основного перка схаюшв. Суяествугап! стзлочнкй парк по обработке вагонных колесных пар ка завода- и в депо .VSIC состоит з основном из станков различных устаревай моделей отечественных и зарубежных фирм, производительность, которых значительно отстает от требугмой и составляет в среднем от 10 до 14 колесных пар в смэиу. Несколько станков модели 165 фарма Хэтпкзкдт, оСеспечизгщк производительность до 35-40 телесных яяр'в смену и иыекдах более современные конструктивно- техпалогичеягиа характеристика, суцэсгвенно положения не

KSHfflDT.

Я. Va аттчазс^э предагшгсинч хрз&жзйгяа квчостао рекугрго

1з:схруиопга н кнструмвптал&иш: ¡¿агеркалса. ■ Применяемые в настоящее время конструкции инструмента и инструментальные материал не могут быть использованы для работы по "корке" (по ВЛ) из-за их недостаточной прочности, вызывающей рзгрусен^е режущей част55 и значительный расход режущего инструмента. Для сохранения режущего инструмента (РИ) обтсчка ведется под "корку" с увеличением глубины резания на 2.. Л ш на станках всех моделей.

4. Кз оптимальнее решии обраСотж. Е условгах депо и заводов при обработке колесных пар затруднено использование оптимальных режимов резания из-за различны;-:, часто меняющихся как ка однсу колесе, так и от колеса к колесу условий резания, вызванных различным состоянием поверхности катания изношенного колеса. Это приводит к росту основного и вспомогательного Еременк.

Обобщая вызе сказанное, ыжко отметить, что повышгниг сф£-эк-тивности восстановления, срока службы колес технологическими мг~ ' тодал: модно обеспечить за счет выбора рациональных схем и способов обработка, поЕыгения стойкости РИ путем оптимизации его геометрии, совершенствования конструкции, инструментального материала, оптимизации режимов резания, улучшения обрабатываемости за счет изменения структуры поверхностного слоя.

Для оценки перспектив •использования различных ввдов восстановления колес были проведены изыскания способоз производительной обработки колео и произведена систематизация-способов восстановления колес с использованием механической к термической обработки. Систематизация рассматривалась применительно к обработка фасонной поверхности катания обода.

Обзор и последующая систематизация позволила объединить возможные способы обработки профиля колеса в три группы. Для первой группы характерно задание требуемой траектории движения инстру-

мента по копиру или программе путем использования систем механического, гидравлического и электрического копирования или программного управления. Для второй группы способов характерно применение фасонных В1 с профилем, обратным профили катания колеса. Третья группа способов обработки предусматривает возможность совмещения способов обработки резанием по копиру и фасонным инструментом, а также способы с дополнительным подводом энергии в зону обработки до, во время или после процесса резания. На згой основе спрогнозирована и возможность использования новых, непрпиеняемых в настоящее время способов восстановления профиля.

Сравнение, оценка уровня качества и-выбор наиболее эффективных способов обработки колеса осуществлены в четыре этапа. При сравнении за базовые варианты приняты показатели точения, как наиболее распространенного способа восстановления профиля.

На первом 'этапе,- сравнение выполнено экспертным методом с помощью единичных и обобщенных показателей, характеризующих тот или иной способ обработки качественно. Основные операции процесса экспертной оценки приняты в соответствии с РД 50-149-79. При этом была использована бальная оценка этих показателей. Обобщенные показатели определялись по формуле:

п

8 - Е РЛ , (1)

1-1

где Р^ - единичный показатель, выраженный в баллах;

К1 - коэффициент весомости, присвоенный показателю;

п - количество рассматриваемых единичных показателей.

Качественный анализ, выполненный на первом этапе, дал возможность принять к рассмотрению и сравнению на следующем этапе только тех способов обработки, которые имеют высокие обобщенные показатели и представляют практический интерес.

Выполненная на первом этале анализа экспертная оценка сравнения качества способов восстановления колес показала, что самое высоте значение сбобценвсго показателя шел способ врезного профильного высокоскоростного шлифования (ВШШ). Вместе с ним для дальнейшего сравнения и анализа были оставлены способы фрезерования, точения лезвийным инструментом по копиру и способы комбинированной обработки, как имеющие преимущество перед остальными, представляющие практический интерес и используемые в настояцэе время при восстановлении профиля катания колес.

На втором этапе использован смешанный метод оценка уровня качества способов восстановления колес. Здесь единичные и комплексные показатели оценивались расчетным методом. Они включали релкмные параметры способов обработки, показатели сечения среза, инструмента и т.д. С целью получения оптимальных значении режимных и других параметров сравниваемых способов перед количественной оценкой были выполнени ж исследования и оптимизация, кото-риз отражены в третьем и четвертом разделах работы.

ТРЕТИЙ РАЗДЕЛ посЕнщен исследованию и оптимизации параметров способов восстановления работоспособности колесных пар.

Наиболее полны?,ш показателями эффективности того или иного процесса являются производительность и стоимость обработки деталей требуемого качества, поэтому сравнение рассматриваемых способов было выполнено по величине основного времени, затрачиваемого на обработку профиля катания колеса, как главной характеристики производительности процесса.

Основное время То на восстановление колеса по профилю поверхности катания при срезании с нее слоя металла объемом V может быть выражено зависимостью;

И

То - - , (2)

V • а! • Ь

где V - скорость резадпя;

а: - средняя толщина среза;

Ь - суммарная тащяга среза.

Осорость резания V я средняя толщина среза.а\ являются основными сопоставимшли параметрами любого процесса резания. Для оценки влияния показателей (а1, Ь и V) процесса обработки на основное время То и вывода зависимостей То через эти показатели была разработана методика сравнительного кинематического анализа схем обработки профиля поверхности катания колео.

Из первой группы способов обработки по копиру было рассмотрено точение по копиру одним или несколькими резцами, рстаназли-ваемыми с последовательным смещением вдоль осн. В качестве РИ рассматривались режущие инструменты с чашечными и призматическими пластинами.. Расчетная схема' резания для чеяечной пластгаш приведена на рис. 2.

Из зторой группы способов об-рабопси фасонным гаструментсм рассматривались: фрезерование фасонной фрезой, шевдей профиль, обратной профили гатачпл колеса, и оснащенной сверхтвердым инструментальным материалом и методы пдифовагаи (высокоскоростного и обычного) кругом внешнего касания. Из третьей группы способов комбинированной обработки рассматривались те же способы,- что и в первых двух группах, но с дополнительным подводом энергии (плазменный нагрев и нагрев ТВЧ) для улучшения обрабатываемости и восстановления фл-

Ркс.2. Параметры среза при обработке чаиечной пластиной

аико-механических свойств верхних слоев металла обода.

Оптимизация способов восстановления производилась применительно к существующему оборудованию и применяемым РИ. При этом были получены данные 'по оптимальным режимам резания, штучному времени и производительности при восстановлении профиля обточкой.

В результате анализа выполненных научно-технических разработок и литературных источников, а танке исследования особенностей процессов восстановления колесных пар по профиля катания были установлены функциональные ограничения, необходимые для математического моделирования процессов обработки, при этом в математическую модель введен критерий ограничения по температуре резания. Для каждого сочетания параметров резания V, s, Т, обрабатываемого и инструментального материалов мояко обеспечить оптимальную температуру резания Во, при которой будут достигнуты наибольшая стойкость Bi и наименьший изноо hon.• Оптимальной температуре резания соответствует оптимальная скорость регалия Vo и наиболее благоприятное сочетание показателей обрабатываемой поверхности, определяющих ресурс колеса. С целью получения исходных данных для определения оптимальных параметров станочного оборудования и ограничений (а. с.М1453083) при составлении модели оптимизации режимов резания согласно разработанной методике , били выполнена исследования по обрабатуваамооти колесной стали. Определены значения 0о и получены эмпирические зависимости Vq для различных марок колесной стали и оскоешх инструментальных материалов.

На рис. 3 приведен пример экспериментального определения оптимальных величин скорости резания \'о и температуры во при течении колесной стали.

Задача оптимизации операций обработки колес по профилю катания и обработки осей колесных пар первоначально была решена на

скорости рэззккя Уо при точении колесной стали (а.с. N1458083) основа лилейного программирования. Ограничения и целевая функция (машпшсэ врзмя) были представлены в линейной форме путем лога-ри?:.шрава'П!я, а решение задачи- применительно к спаргцпл обточки профиля катания колеса бшю сведено к решении системы с двумя неизвестная!. Однако, результата епташзэдш ка основе линейного програьшрогяяш ко - поазолили пз-зз нелкнейпооти учесть в модели часть фугоарюнальных ограначеккЗ, необходимая для более детального спксз:ш процесса обработки .прелая колеса. Позгшу далее па-дача оятлмизацтх технологических операций механической обработки колес Сила резона шс задача нелинейного программировать.

?.йтомзтичоская шла», зшраяеняая лияейшяа ц келкнейиыш! Функциопашзя згетмсотшп, негат бить представлена в ззде:

СО Ь,; 1 - 1, и X - (гУг.) р - Г(Х) (з)

5 С.

где Г1(X) - некоторая функция режима резания;

Ь1 - константа;

Хст _ область допустимых значений частот гранения п и подач з, принадлеавщЕ-с этому станку;

Р - критерий оптимальности.

В качестве основного критерия оптимальности принята величина приведенных затрат. Для статистической оценки результатов расчета выполнен мапишный планируеьай эксперимент 2г о эффектом взаимодействия. Определялась зависимость меаду ышутной подачей, глубиной резания к твердостью обрабатываемой поверхности. Сункцня отклика аппроксимировалась поликомом первой степени, содержащим линейные члены и взаимодействия первого порядка. Проведенный статистический анализ показал адекватность модели функции отклика.

Таблица Параметры режима резания при восстановлении обточкой профиля поверхности катания колес

Модель станка Форма режущей пластины и ее материал: 1-Призматическая пластина 2-Треугольная пластина 3-Чззечная пластина Параметры ракша резапил по кругу катания колеса Итуч- нсе время Производительность, колесных пар/смену

мм 5. мм 06. П, ■об. мин Тщт. Загрузка оборудования

802 90."!

иСВ-125 ШС-150 165 1836 При ОбТОЧ! 1 - Т14К8 2 - Т5К10 С.Коромант 5Н 3 - Т14К8 *е кс 4,0 6,0 5,0 5,0 злее с 1,29 1,29 1,4 1,55 прокате 9,5 7,31 20,0 0.9 эм и В5 14,67 19,5 11,5 25,0 1 26,2 19,5 33.4 14.5 29.4 21,3 37.5 17.1

При обточке колес с ТШ после отжига ТВЧ

иСВ-125 1 - Т14КЕ 4,0 1,2 21,3 12,83 23,8 33,5

ШС-150 2 - Т5К10 4,0 1,33 17,8 13,65 28,0 31,5

165 С.Коромант 5Н 4,0 2,0 20,0 9,0 42,6 48,0

1836 3 - Т14КБ 4,0 2,25 18,7 15,75 24,3 27,5

На основе разработанных математической модели,-алгоритма и

программы был выполнен расчет оптимальных режимов механической

обработки колес на стадиях ремонта и производства з .колесопрокатных цехзх. При оптюдаащш рассмотрены варианты П1, отличающегося материалами режущей чзсти, фермой и геометрическими параметрами. Рэгультаты оптимизации, представленные в ЦЗ ШС в гиде "Рекомендаций по использованию и назначения параметров режима механической обработки при восстэноЕленгл профиля поверхности катания загонных колес", были утверждены и внедрены на ремонтных предприятиях. В таблице пргаедекы некоторые расчетные значения параметров релима при обточке профиля катания колес.

В ЧЕГЕЕГТС:! РАЗДЕЛЕ представлены результаты исследования процесса восстановления работоспособности поверхности катания колес с использованием врезного профильного высокоскоростного елнфоззния (ЕПЕЗ) и заверсен второй этап анализа эффективности восстановления ¡отлес на основе смешанного способа.

Врезное профильное высокопроизводительное адифование, не отличаясь по ккнемзтэтеской схеме от процесса обычного врезного шлифования, имеет ряд существенных особенностей протекании физико-механических процессов, исследование которых не назло в литературе достаточного отражения. При шлифовании особое значение икает правильность выбора ротмов обработки, которые в значительной степени определяют качество обработанной поверхности и стойкость рехуцего инструмента. Поэтому для сценки возможности применения ЕПВЗ при ремонте колес, составления технического задания на станок и вынесения ряда сундений о процессе ВШЗ, представлян-цих практический интерес, были проведены экспериментальные и теоретические исследования процесса ЕПЕШ колесной стали.

Используя ¡«год!""/ проф, Силина С.С., были выполнены теоретические исследования параметров процесса ВЛЕЗ, путем совместного рассмотрения механических и тепловых процессов при регалии. Не-

ходнал зависимость, определявшая баланс механической и тепловой энергии

Ps • VK - Оц + Ох + Qc . W)

где VK - скорость резания (скорость вращения ьадга);

Од. Ок. 0а\~ тепло переходящее из зоны шлифования в деталь,

круг и стружу соответственно. -В результате выполненных исследований было определено оптимальное соотношение скорости шлифовального круга и колеса VK 5,5M°'79-K0'79-Pe°' (1 -£ " C6L-2n)0'21-(J+Ki)°-3-(z/^)0'7S-Fi0'7& ' (5> где К, М, (z/Дк), L, (Д-t/d) - безразмерные комплексы, рассчитываемые исходя из известных дачных;

Fi - безразмерная функция,, определяющаяся выражением Fi-A/Pe. Экспериментальные исследования проводились на опытной установке в лабораторных условиях. В соответствии с принятыми в теории резания степенными зависимостями для проведения экспериментов постулировалась математическая модель в виде логарифмического по-линомного ряда первой степени. В качестве плана исследования был выбран ползши факторный эксперимент вида 23. Произведена и статическая оценка результатов опытов. Во Ерем;; проведения экспериментов исследовались силовые -(Ру. 'N) и температурные зависимости, а также влияние различны/: ректоров на качество поверхностного слоя колесной стали при BIES, которое включало оценку вэроховатости поверхности (Rs)> скогов, ыикротвердоохи, структура металла, hsk-лепа и характера остаточных напряжений. Исследован процесс кпкро-резания единичны« зерном. Были установлены основным аазкск-ости, характеризующие процесс ВЛЕЗ колесных сталай

NV. - е0'53 • Vi:0'18 ■ Ус0'32 • s0' ÜS

(6)

е2'10 • vK0'21 . 7о°'0Э • S0'11 , (7)

Н2 , е2,бЗ . Vk-0,C3 . yo0.1S . s0,31 (8)

qk- e-1.0 . ук-0,29 . Vol»0 .sl,4 ( (9)

где Вко - температурз контакта;

Qk ~ удельный износ круга.

Экспериментально установлено, что наиболее благоприятным режимам ВПЕШ з исследованном интервала парапет-роз является следую-ЩИИ: VK - 73 м/с; 7Я - 218 М/МПН; 3 - 10-20 Ш/мин.

Выполненные дополнительно исследования по оценке износостойкости поверхностей колесной стали обработанных ВПЕЙ и. точением показали, что износостойкость поверхности после обработки ВПЕШ вьше, чем после точения в среднем на 10...1Б2. Суммарный износ трущейся пары "колесная сталь (ЕПВЗ) - рельсоват сталь". оказался та:^е меньсе, чем пары "колесная сталь' (точение) - рельсовая сталь".

Для решения задачи по выбору оптимального ремиз ВПЕШ, установления методических основ этого ЕЫбора и получеши данных по параметра,! режима шлифования для включения их в техническое задание на станок составлена математическая модель процесса шшфова-ния на основе зависимостей, полученных экспериментально, известных формул механики и технологии машиностроения. Решение задачи сведено к составлению системы уравнений-неравенств,включающих в себя ограничения, характеризующие процесс шлифования и целевую функции, которые представлены в линейной форме путем логарифмирования и количественному определению значений двух элементов режима шлифования: скорости вращения колеса Уд и радиальной подачи врезания s. Установлены следующие ограничения на процесс ВПЕШ: по мощности главного привода Идет по шероховатости обработанной по-верхнсст:: Н2дсп> по температуре поверхностных слоев металла обода

Опдоп, по Величине жесткости станка Зд->п. па величине допускаемой подачи Здоп и скорости реэанкя круга у'кдоп. В качестве целевой функции принята зависимость определяющая основное время при Бревном илкфовании

ь С То - - , мин в виде f--, (10,11)

Пд-Э Пд-Б

где Ь - припуск на обработку, мм; С - постоянная величина.

Решение системы (уравнений-неравенств) представленное на рис. 4 дало следующее значение переменных элементов режима шлифования- уд - 220 м/ызш., з-10 мм/мин. Скорость резания при расчете была принята УКр - 80 м/с.

Анализ результатов исследований процесса ВПВ шшфования показал, что применение ВШШ позволяет значительно интенсифицировать процесс механической обработки формирования профиля обода колеса как при восстановлении его в процессе эксплуатации, таг и при производстве колес. При восстановлении обеспечивается и экономичный ремонт, так 1ак нэ снимается лишний слой металла обода, что характерно для процесса точения "под корку", и оставляются

-.19 -

черновика. Это ведет к увеличения ресурса колеса.

Расчет и оптимизация параметров способов восстаяозления колес позволили завершить второй этап их оценки уровня качества и эффективности на основе смешанного .метода.

В ПЯТОМ РАЗДЕЛЕ рассмотрены технологические процессы ремонта связанные с восстановлением физико-механических свойств металла обода, выполнены третий и четвертый этапы оценки уровня качества способов восстановления работоспособности колеса и их эффективности и дана оценка повышения срока службы колесной пары после восстановления профиля.

На всех ремонтных предприятиях МТС, несмотря на снижение износостойкости обода после каждой обточки, восстанавливают только геометрические параметры профиля колеса, при этом с обеда колеса снимается работоспособный слой металла, который мог бы быть изношен в процессе эксплуатации, а не срезаа в стружку при ремонте (рис. 1).

Упрочненный, при первичном изготовлении на твердость наружного слоя ИВ 290...310, обод колеса, ^следствии низкой прокагива-емости колесной стали, во время первых двух ремонтных переточек расходуется полностью, а весь остальной период эксплуатации колесо работает практически не упрочненным (НЗ не более 265), все быстрее изналзгааясь и поражаясь дефектами контактно-усталостного происхождения. Колеса все чаще поступают в ремонт.

Эффективным можно считать такой способ восстановления колес который, помимо высокой производительности (Т0 гл1п), обеспечивает сохранение работоспособного слоя обода колеса и твердость металла поверхности катания порядка 290-210 НВ на глубину равную или превышающую предельную величину прекзгз.

Предложен способ (а.с. N1420041) - повышения долговечности

колзо путем сохранения при ремонте работоспособного в эксплуатации слоя металла обода колеса и обеспечения разномерной глубины ТО поверхностного слоя металла при твердости ИВ 260-300 (в пределах требований стандарта), "по всей длине профиля поверхности катания колеса на глубину, превышающую величину установленного продельного проката. Согласно предлагаемому способу первоначально на колесах восстанавливается профиль поверхности ката-пи методом врезного профильного шлифования (рш. 5,6), как наиболее экономичным о. точки зрения сохранения работоспособного слоя металла обода колеса (профиль 4), а затем восстановленная поверхность катания при постоянном зазоре ыелду поверхностью катакия колеса и индукторш ТЕЧ подвергается ТО о целью восстановления фиэхко-не-

Рш.5. Схемы восстановления профиля и физико-механических свойств поверхности катания колеса (а - ТО + точения, б - ВПВШ + ТО) . Профили: 1 - индуктора ТВЧ, 2 - колеса исходный, 3 - изиопекный; 4 - восстановленный; 5 - глубины распространения ТО, 6 - предельного износа, е -величина зазора между индуктором ТВЧ и поверхностью катания.

В результате колесная пара поступает для дальнейшей эксплуатации с диаметром того же размера, что и до ремонта, имея термо-

упрочненный слои металла равномерной твердости 2S0-320 НВ и глубиной распространения от поверхности катания, Большей или равной величине установленного предельного износа по всей длине профиля. Разработанная "Временная технологическая инструкция по индукционному отжигу и термоупрочнекню (термоцикдлросздию) поверхности катания колесных пар вагонов", принята к внедрению в ЦВ МПС, а в ВЧД-Б Октябрьской ж.д. внедрена установка ТВЧ для ТО колес.

Разработана техническое задание на станск ВПВЗ колес, утвержденное в ?.Я1С и согласованное с Млзсганкопромом. Получено согласие на проежгирозгнхо станкостроительным заводом. При полкой реализации ргзрзботашюго способа ожидается повышение среднего срока службы колес з зксплу&гащш до 13,5 лет.

Для установления оптимальных областей существования ВПВЗ и точения в зависп/остл от изменения физико-механических свойств металла обода, выполнены расчета производительности методов и энергозатрат на процесс з зависимости от режимов резанет, твердости колесной стали и введен, коэффициент эффективности Кэ

П

Кэ--, (12)

Зэ

где: П, 3-> - производительность и энергозатраты процесса резания соответственно.

Согласно выбранному критерия оценки, применение ВПЕЭ становится предпочтительпы при обработка ¡солес с твердостью > 260...280 КЗ. Вторым по эффективности оказался метод точения. Применение точения с предварительной ТО та!««? целесообразно, ко только для колео ииеягцк Т!-Ш на поверхности катания. При твердости колесной стали > 240 ЬЗ пркмепекиз точения для восстановления профиля каталка эна'сггелыгэ еззязэтея производительность процесса ремонта и стойеость инструмента.

На четвергам, последнем этапе анализа был также принят расчетный метод оценки, а в качестве показателей использованы гкоко-ыические характеристики методов обработки. Это приведенные затрата на восстановление работоспособности колес хеа или иякы методом е условном колесном цехе при различных программах, и отдельно -отраслевой экономический аффект от повышения ресурса колес за счет восстановления физико-механических свойств металла обода, и экономии транспортного металла. Годовой экономический эффект оценивался по разности приведенных затрат.

По результатам расчетов установлено, что метод ЗПЕ2 >Е.;2ет преимущество перед всем:; рассмотрениа-чы методами восстановления заданного профиля при годовых программах ремонта > 10 тыс. колесных пар, разработанный способ (а. с. К142С041) при программах > й тыс. колесных пар. Применение последующей термообработки целесообразно при программах > 2 тыс. колесных пар.

Выполненная оценка пэььаэния ресурса колеса показала,' что применение ВПШ1 о последующа,! восстановлением физико-механических свойств поверхностного слоя металла обода, позволит увел1Г4кгс ресурс колеса по сравнении с существующим используемым ресурсом в 1,9 раза. Бо столько жэ раз метано сократить и потребность ХЕС в колесах, обрабатываемых по -предлагаемой технологии.

Отраслевой экономический от применения рекомендаций

направленных кз повышение эффективности восстановления колес при . ремонте (оборудование, режимы, ПО по данным ЦТВР МПС составляет не менее 20« от первоначальной стоимости колесной пары на каждую восстановленную юле скуп пару.

Оснохшщ вывода и рс^шаондг^рол 1. Установлено, что сокращение срока службы колес поданного

состава, эксплуатации колес с толщиной обода менее 24 мм в значительной степени обусловлены нерациональным использованием их ресурса из-за низкой эффективности восстановления по профилю катания при ремонте. После двух-трех ремонтных восстановлений на 20-20^ снижается износостойкость металла обода,а используемый ресурс колеса в целом составляет около СС£ от установленного ГОСТ 10791-В9*.

2. С целью повышения эффективности восстановления колесных пар при ремонте разработана классификащй способов восстановления. В первую группу вопля способы восстановления профиля катания колес по программе (копиру). Для второй группы способов характерно применение фасонного И1 с профилем, обратным профили катания колес. Третья группа комбинированных способов восстановления пре-. дусматривает возможность совмещения способов обработки по тапиру и фасонным га с дополнительным подводом энергии в зону обработки.

3. Разработана методика оценка уроеня качества способов восстановления колесных пар, включающая четыре этапа. На первом этапе экспертным методом производится качественная: сценка способов восстановления. На втором этапе используется смешанный метод оценки уровня качества способов по единичным и комплексным показателям. На третьем этапе устанавлзгвачтся оптимальные границы применения способов восстановления колес в зависимости от заданной программы ремонта, физико-мэханическкх свойств металла обода и энергозатрат на процесс восстановления. На четвертом этапе рассчитываются экономические показатели характеризующие способы восстановления колесных пар по профилю катания. Спрсгнозирсвзна всгмаглость использования новых, непршеняемых в настоящее время способов воссталопленпя профиля. Выполнен гамемаппескиЛ анализ способов, на основании которого рассчитаны основные параметры ха-

растеризующие процесс восстаковленпя.

4. На базе теоретических и экспериментальных исследований выполнена оценка параметров существующих спсссбов восстановления колес при ремонте. Разработан способ определи:л оптимальней скорости резания Уо при механической обработке (а. с. К 1453033) на базе которого получены эмпирические зависимости определения Уо для различных колесных сталей и инструментальных материалов и установлены ее значения. Методами нелинейного программирования оптимизированы параметры ремиз обработки при ремонте колос традиционным способами для широкой гаагы применяемых станков, режущего инструмента (РИ) и для различных состояний поверхности катании колес перед восстановлением. При оптимизации режимов резания в математическую модель введено ограничение по температуре резания для различав марок колесной стали и инструмента» та изт$рг:азо2. Рекомендации по режимам резания и В' при восстановлении работсо-пссобности колес утверждены в качеств г отраслевого дскукгйта и распространены по ремонты предприятиям ШС.

5. Теоретически на базе методов тес-р:и: подобия и'экспериментально исследован способ ЕЛЕН, получены и проанализированы основные зависимости, характеризующие этот процесс. Составлена и репеяз методами линейного программирования'математическая модель оптимизации режимов восстановления колес по профилю БПБШ и определены оптимальные режимы процесса шлифования колесной стали. Установлено, что применение способа ВПВ шлифования при восстановлении колесных пар ведет к увеличению их ресурса, вследствие: сохранения .работоспособного слоя металла обода колес. Результаты исследования качества обработанной способом БПЗШ поверхности колесной стали показали его преимущество перед применяемым в настоящее время точением.

6. Предложен способ восстановления работоспособности колес при ремонте с использованием ВПВШ и последующей ТО (а.с. N1420041). На станок для ЕПЕШ колесных пар разработано техническое гадание, согласованное с МПС и Минстанкопромоы. Установка ТВЧ для реализации ТО колесных пар при ремонте разработана и знедрена в ВЧД-5 Октябрьской л.д. Технологэтеские процессы на предварительную и последующую ТО утверждены в качестве отраслевого документа и распространены по ремонтным предприятиям МПС.

7. Установлены экономические показатели сравниваемых способов восстановления, определенные путем расчета приведенных затрат и отраслевого экономического эффекта от повышения ресурса колес. Наибольшими преимуществами обладает способ ЕПБШ с последующей ТО обода, а затем точение с предварительной и последующей ТО.

8. Подтверждено повышение износостойкости цельнокатаных колес в эксплуатации, восстанозленых по предлагаемой технологии (а. о. N1420041), на 302. Зто позволяет вместе с экономичностью восстановления геометрических параметров обода колеса увеличить технический ресурс колесной пары по сравнения с существующим используемым ресурсом в 1,9 раза.Во столько же раз можно сократить потребность МПС в колесах и обеспечить экономический эффект поряди 1,87 миллиона рублей на каждую восстановленную колесную пару (в ценах 1995 года).

Основное содержанка диссертации изложено в сладуищня работая: 1. Иванов И.А., Будюкин A.M., Продан Н.С. Некоторые результаты исследования процесса силового шлифования стали цельнокатаных колес //'Совершенствование технологического процесса ремонта и формирования колесных пар подвижного состава. - Л.: ЛЖИТ, 1Э79. - с. 102-113.

2. Иванов И.А., Захаров Б.В., Урушэв C.B., Будюкин A.M. К вопросу применения износостойких покрытий инструмента при обработке резанием цельнокатаных колес. //Конструкционно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава. - Л. : ЛШОГГ, 1980 -с. 93-105.

3. Будокин A.M. Некоторые результаты производственных испытаний механической обработки закаленных колес //Конструкционно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава. - Л.: ЛИИЖТ, 1985 - с. 72-76.

4. Повышение стойкости режущего инструмента с износостойкими покрытиями при обработке цельнокатаных колес /Захаров Б.В., Иванов И.А., Урупев C.B., Будокин A.M.//Повышение работоспособности деталей и сварных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта/Тр.ин-та,- M. :МИИТ, 1986, вып.783.- с. 127-134

5. А.с.N1420041, СССР, МКлЗ С 21Д9/34. Способ восстановления профиля поверхности катания колес рельсового транспорта/М.М.Мая-нев, И.А.Иванов, А.М.Будокин и др. Приоритет 10.02.87./Опубл. ЕИ N 32.

6. A.c. N1458083, СССР, МКлЗ В 23В1/00. Способ определения оптимальной скорости резания/И.А.Иванов, Н.С.Продан, А.М.Будагаш и др. Приоритет 10.02.87./Опубл. ЕИ N 6, 1989.

7. Зальцман С.Г., Иванов И.А., Будюкин AJJ. Совершенствование ресурсосберегающей технологии восстановления работоспособности железнодорожных колес.//Вопросы экологии на железнодорожном транспорте.-С-Пб.: ПИИ2Т, 1992. - с. 30-32.

8. Иванов И.А., Будюкин A.M., Зальцман С.Г. и др. Экспериментальные исследования тепловых процессов при термообработке ТЕЧ гребней и поверхности катания железнодорожных колес.//Теплообмен в энергетических установках подвижного состава железных дорог и метрополитенов. - С-Пб: ПГУПС, 1993. - с. 72-80.

9. Квзное И.А., Будюкин A.M. Оценка возможностей применения рота-

цкоиного режущего инструмента для расточки цельнокатаных колес. //Конструкционно-технологическое обеспечение . надежности подвижного состава. - С-Пб.: ПГУЛС, 1994 - с. 104-105,

10. Урушев C.B., Будюкин A.M. Результаты производственных испытаний режущего инструмента с износостойким покрытием при обработке цельнокатаных колес//Конструкционно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава. - С-Пб.: ПГУЛС, 1994 - с. 106-110.

11. Иванов И.А., Урушев C.B., М.Ситаж, Будюкин A.M. Повышение работоспособности колес рельсового транспорта при ремонте технологическими методами. - С-Пб.: ПГУПС, 1995. - 124с.

12. Иванов И.А., C.B.Урушев, В.И.Родин, Будюкин A.M. Контроль напряжений в поверхностном слое дисков цельнокатаных ко-лес//Проблемы железнодорожного транспорта решают ученые/Материалы научно-практической конференции. ' - С-Пб.: 1995. - с. 79-80.

13. Будюкин A.M. Прогрессивный режущи инструмент для обточки вагонных колесных пар по профилю поверхности катания. В об: Тез.докл. 56 научн.-тех'.конф.ПГУПС с участием студентов, аспирантов и ученых. С-Пб.: ПГУПС, 1996, 39с.

14. Будюкин A.M. Применение индукционного нагрева при ремонте вагонных колесных пар в деповских условиях. В сб.- Тез. докл. 55 научн.- тех.конф. ПГУПС с участием студентов, аспирантов и ученых. С-Пб.: ПГУПС, 1996, 39с.

15. Будюкин A.M. Особенности назначения параметров режима механической обработки при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар подвижного состава. Б сб: Тез.докл. 56 научн. - тех.конф. ПГУПС с участием студентов, аспирантов и ученых. С-Пб.: ПГУПС, 1995, 39-40с.