автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления колесных пар повышенной твердости

| кшромыГ!

На правах рукописи

ВОРОБЬЕВ Александр Алфеевич

г

>

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ПГУПС) на кафедре «Технология металлов».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор ИВАНОВ Игорь Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор КИСЕЛЕВ Игорь Георгиевич

кандидат технических наук УДАЛЬЦОВ Александр Борисович

Ведущее предприятие - Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится «15» декабря 2005 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 5-407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петербургского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « 14 » ноября 2005 г.

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

В.А. Кручен

¿00&-4 \&659

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава. Так, в частности, 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 соответственно. Особенно большие издержки в связи с этими расходами терпят локомотивные депо, поскольку за последние полвека средний срок службы локомотивной колесной пары существенно сократился.

Среди причин, вызвавших в 70 - 90 гг. прошлого столетия значительное возрастание интенсивности изнашивания колесных пар, следует отметить замену буксовых подшипников скольжения подшипниками качения, изменение соотношение твердостей колеса и рельса за счет внедрения объемнозакаленных рельсов, сужение колеи до 1520 мм, введение профиля рельсов, предусматривающего двухточечный контакт бандажа с головкой рельса и др. Все это в совокупности привело к существенному изменению нагруженности зоны контакта, температуры и условий смазывания в этой зоне, а также к изменению среднестатистической скорости скольжения колеса в поперечном относительно головки рельса направлении. Результатом этих изменений стало существенное возрастание интенсивности изнашивания колес подвижного состава, снижение их ресурса, которое в свою очередь привело к тяжелым последствиям в работе для локомотивного и вагонного хозяйств.

Для преодоления сложившейся ситуации МПС РФ принята «Программа реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоно-

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

строения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 - 2010 гг.». Одна из основных задач, выдвинутых этой программой, - повышение ресурса бандажей колесных пар локомотивов: на первом этапе - до 0,6 млн. км; на втором - до 1,2 млн. км. Таким образом, проблемы повышения износостойкости колесных пар, в частноста, за счет повышения твердости обода и качества восстановления при ремонте этим документом обозначены как одни из наиболее приоритетных.

Объект исследования - колесная пара.

Предмет исследования - процесс восстановления бандажных колесных пар подвижного состава повышенной твердости.

Цель диссертационной работы - разработка рекомендаций по повышению эффективности процесса восстановления бандажных колесных пар повышенной твердости.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих

задач:

1. Оценка соотношения твердостей колеса и рельса (НВк /НВр ), и

его влияние на повышение ресурса;

2. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса обработки бандажной стали повышенной твердости;

3. Оптимизация режимов восстановления бандажей повышенной твердости и разработка рекомендаций по их практическому применению.

Методы исследования. Исследования выполнялись на основе системного подхода к вопросам анализа функционирования и ремонта колесных пар, включая оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) бандажного колеса повышенной твердости, его износа и особенностей его восстановления при ремонте. Теоретической базой проведения исследований послужили метод конечных элементов (МКЭ), метод подобия, программные комплексы А^УБ, Совтоз^Уогкв, КА8Т11АЫ, положения ряда

2

разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания. Экспериментальные исследования (в том числе с использованием метода планирования эксперимента) проводились в лабораторных и производственных условиях. Автор защищает:

1. Результаты оценки соотношения механических свойств пары «колесо-рельс» и его влияние на срок службы колеса;

2. Методику комплексного анализа процесса восстановления колес по профилю катания на основе термомеханического подхода;

3. Систему управления процессом восстановления колесных пар по температуре формоустойчивости режущего инструмента;

Научная новизна:

1. Предложена методика комплексного исследования процесса восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте на основе термомеханического подхода;

2. Создана виртуальная среда для исследований и анализа процессов восстановления колесных пар;

3. Установлены области существования сочетаний параметров процессов восстановления колес с различной твердостью обода;

4. Разработана система управления процессом восстановления колесных пар по температуре формоустойчивости режущего инструмента.

Практическая значимость:

• получены численные значения показателей НДС для колес различного диаметра и износа материала колес повышенной твердости;

• разработана программа, позволяющая анализировать показатели процесса восстановления колесных пар;

• предложены рациональные технологические режимы и геометрия режущего инструмента для восстановления колес повышенной твердости;

• разработаны технологические регламенты по практическому применению рациональных режимов восстановления колес различной твердости;

• результаты работы используются в учебном процессе.

Достоверность полученных результатов подтверждена сравнением

согласованности теоретических и экспериментальных данных. Расхождение данных расчета силовых характеристик процесса восстановления и полученных при эксперименте составило 7 - 12 %.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «63 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), Международная конференция «Транспорт XXI века» (г. Варшава, Польша 2004 г.), Международная конференция «Развитие транспортного машиностроения в России. Желдормашиностроение-2004» (г. Щербинка, 2004), «64 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2004), VI Международная конференция «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», (г. Санкт-Петербург, 2004), III Международная научно-техническая Интернет - конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2004), IV Международная научно-техническая конференция "Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)" (г. Санкт-Петербург, Россия 2005 г.), а также на заседаниях Силезской Школы транспортной механики (г. Катовице, Польша 2004).

Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство на полезную модель.

Работа выполнялась на кафедре «Технология металлов» Петербургского Государственного Университета Путей Сообщения.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры "Технология металлов", в локомотивных депо (ТЧ19) Малая Више-

4

pa, ТЧ18 (Дно) и вагонном депо ВЧД20 (Кемь).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 8-и разделов, включая введение, заключение, список используемых источников и приложения. Объем работы составляет 140 стр., в том числе 60 рисунков, 22 таблицы, 4 приложения.

Автор выражает признательность доктору технических наук, профессору Кушнеру B.C. за оказанную помощь и полезные советы при написании работы.

Основное содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и приведена общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса. Представлен краткий обзор исследований по износу бандажей колесных пар локомотивов и выполнен анализ направлений работ по повышению ресурса колесных пар. Также рассмотрены особенности процесса восстановления колесных пар тягового подвижного состава (ТПС).

Значительный вклад в исследование процессов взаимодействия колеса и рельса внесли отечественные ученые Алехин C.B., Бартенева Л.И., Богданов В.М., Вихрова A.M., Голубенко С.И., Горский A.B., Григоренко В.Г., Губенко С.И., Есаулов В.П., Захаров С.М., Ларин Т.В., Марков Д.П., Пашолок И.Л., Удальцов А.Б., Цюренко В.Н., Школьник Л.М., Шур Е.А. и др., а также зарубежные исследователи Джоули Р., Кал-кер Дж., Картер Ф., Ландгрен Д., Ситаж М., Турне X., Харрис У., Эберсон В. и др. Совершенствованию технологических процессов ремонта колесных пар подвижного состава посвящены работы Алехина C.B., Богданова А.Ф., Будюкина А.М., Евсеева Д.Г., Иванова И.А., Киселева И.Г., Кушнера B.C., Машнева М.М., Омарбекова А.К., Раубы A.A., Тарапанова A.C., Урушева C.B. и др.

Этими учеными предложено немало технических решений, обеспечивающих в той или иной степени повышение производительности восстановления и снижение интенсивности изнашивания колесных пар. Значительная часть этих решений реализована на практике.

Комплексные работы по совершенствованию ремонта колесных пар (КП) проводятся во ВНИИЖТе, МИИТе, ОмГУПСе, ПГУПСе, РГУПСе и ряде других коллективов.

С целью снижения интенсивности изнашивания КП в последние годы проводится ряд мер технического и организационно-технологического характера (лубрикация, улучшение конструкции пути и подвижного состава, совершенствование геометрии профиля поверхности катания КП и рельсов, повышение качества металлов, из которых они изготовлены и т.д.). Ни одно из этих мероприятий еще не исчерпало всех возможностей для существенного продвижения в решении указанной проблемы.

Ощутимые изменения в причинах повреждений колес подвижного состава и рельсов, а также возникающие задачи поиска путей освоения возрастающего объема перевозок, определили необходимость разработки ВНИИЖТом комплексной программы «колесо-рельс» с включением в нее основных типов взаимодействия в этой сложной трибодинамической системе.

Анализ документа «Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе "колесо-рельс"» (2003 г.) и публикаций, посвященных снижению и стабилизации износа бандажей колесных пар, позволяет говорить, что решение проблемы может бьггь только комплексным, то есть включающим в себя наиболее рациональные решения во всех направлениях. В перспективе на основании этих решений должны быть разработаны обязательные к исполнению всеми локомотивными депо «Единые правила ремонта и содержания экипажной части локомотивов».

В соответствии с документом «Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе "колесо-рельс"» поставлена задача повышения ресурса колесных пар локомотивов на первом этапе до 0,6 млн. км. Одним из направлений повышения ресурса в комплексе намеченных данной программой мероприятий является совершенствование свойств поверхностных слоев (повышение твердости) бандажей колесных пар локомотивов. Повышение твердости бандажей колесных пар приводит к ухудшению обрабатываемости и снижению ресурса применяемого режущего инструмента, поэтому необходимы исследования по повышению эффективности ремонта и совершенствованию процесса восстановления колесных пар повышенной твердости.

Проведенный анализ вопроса позволил следующим образом построить логическую схему исследований и структурную схему диссертационной работы (рис.1).

Во второй главе рассмотрены некоторые перспективы использования колес повышенной твердости: оценка соотношения механических свойств колес и рельсов и его влияния на их износ; анализ напряженно-деформированного состояния локомотивных колесных пар при действующих нагрузках на колесо в процессе работы и влияние механических свойств колеса на его ресурс.

Как показывает современный международный опыт, соотношение механических характеристик колес грузовых вагонов (325 - 365 НВК) и основного типа рельсов (300-330 НВр) в США составляет в среднем 1,1. Соотношение предела прочности колес грузовых вагонов Международного союза железных дорог (UIC R7) - <т„ = 820 - 940МПа и основного типа рельсов (Grade 700) - ств =680 -820МПа составляет в среднем 1,15. В России это соотношение в настоящее время составляет « 0,85.

Рис. 1. Структурная схема диссертационной работы

В исследованиях ВНИИЖТа (Ларин Т.В.) отмечалось, что для равной износостойкости отношение твердости колесного образца к твердости рельсового должно быть не менее 1,2 при проскальзывании до 1 %. Использование этих рекомендаций позволило снизить повреждаемость пары колесо-рельс, имевшую место в конце сороковых - пятидесятых годах прошлого века.

Оценка износостойкости колесной стали различной твердости (проскальзывание 10%, твердость рельсовой стали НВр = 350) показывает целесообразность повышение ее до НВК = 350 - 390 для снижения суммарного износа этих материалов.

Для определения общей картины взаимодействия колеса и рельса выполнен анализ напряженного состояния колес повышенной твердости. На рис. 2. представлена конечно-элементная модель колеса с профилем ГОСТ 01050 мм и рельса Р65.

Рис. 2. Конечно-элементная модель колеса с профилем ГОСТ 01050 мм и рельса Р65

Для построения математической модели напряженно - деформированного состояния колеса использован прямой метод жесткости. В декартовой системе координат производилось разбиение колесной пары на конечные элементы, имеющие квадратичную функцию формы, что позволило с достаточно высокой точностью определить напряжения, возникающие в элементах

колеса (особенно в зонах концентрации напряжений). Элементы, используе-

9

мые в модели, поддерживают пластичность, ползучесть, большие деформации и др. При этом считалось, что колесная пара опирается на рельсы и решалась контактная задача теории упругости.

Решение данной задачи теории упругости производилось с помощью минимизации интегральной величины, связанной с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки.

е=1 е-1

где Р - полная потенциальная энергия; Л^ - энергия деформаций;

- потенциальная энергия приложенных сил; Е - число элементов; е -произвольный элемент.

При этом определялись узловые значения вектора перемещений. После чего вычислялись компоненты тензоров деформаций и напряжений.

Расчеты производились с помощью системы автоматического проектирования и CosmosWorks. Нагрузки были приложены согласно ОСТ 32.168-2000.

Анализ напряженно-деформированного состояния колеса и рельса показал:

- наибольшие эквивалентные напряжения возникают в модели колеса с профилем ГОСТ 0950 мм и составляют 720 МПа. Наименьшие эквивалентные напряжения возникают в модели колеса с профилем ДМеТИ и 01250 мм и составляют 595 МПа;

- металл колеса при повышенной твердости, ограниченной «3900 МПа (это соответствует сг„ «1400МПа), будет находиться при эксплуатации в более выгодных условиях, чем при твердости 2700 МПа, что соответствует, ста « 1000МПа. Таким образом допускаемые напряжения в первом случае имеют большую величину.

По данным ВНИИЖТ отмечается, что увеличение твердости колесной стали на единицу НВ снижает ее износ на 1% т.е. увеличение твердости по-

верхностного слоя обода определяет рост износостойкости и допускаемых напряжений. Исследования кафедры «Технология металлов» по оценке износостойкости колес повышенной твердости после термообработки поверхности катания ТВЧ на твердость 320-330 ИВ показали ее повышение на 30-50% по сравнению с твердостью 270-280 НВ. к Рассматривая схему использования ресурса колеса с существующей и

повышенной твердостью можно говорить о его значительном росте. Если ^ ВС (рис.3) - функция износостойкости материала колеса по ГОСТ 398, а

ЕР - колеса с ободом повышенной твердости (340 - 360 НВ), то назначенный ресурс в первом случае будет равен площади ОНСВ, а во втором -ОНДЕ. Принимая во внимание даже только качественную картину, можно говорить о росте ресурса на 50 -100 %.

н с \ \

\ \

N N

\ \

о л

ТЫС.КНМ*

Рис. 3. Схема представления назначенного ресурса В третьей главе для определения параметров процесса восстановления профиля катания колесных пар (силы, температуры, период стойкости инструмента) использовался термомеханический подход. Суть его заключается в учете взаимосвязей тепловых и механических явлений, происходящих при резании.

При расчете сил использовалась методика определения приращений сил с последующим их интегрированием вдоль режущих кромок инструмента. Еще одним новым элементом в расчете сил резания является теоретический учет влияния наклона режущей кромки и определение вызванного этим

наклоном отклонения направления схода стружки. При этом приращения сил

определялись в плоскостях стружкообразования, перпендикулярных режущей кромке. После проектирования на технологические оси они интегрировались.

На рис. 4 представлена схема к определению составляющих сил резания для чашечного резца.

Рис. 4. Схема приращений технологических составляющих сил резания в основной плоскости и в плоскости стружкообразования для чашечного резца Таким образом были получены зависимости для определения состав-

ляющих силы резания:

сТЯ

р,=КА- 1

х2

г 0 л/г2 -х2

йЧ1Н-Н

да х

¿х + сть Ь3 \ --

о А/Г — X

м

6х =

2--1

I

г

24 г

г

(1)

+ (2)

о ыт -X Т^ л / , - , \ . лА^Г-О

= К48ь81 + (ц,аьп3 +яРп, )г агсвш—-

ах

о

47-х1

(3)

Проводя аналогичные рассуждения для резца с призматической режущей пластиной, имеющей криволинейный участок кромки (закругления вершины резца в плане), и прямолинейный участок кромки, расположенной

под углом в плане ф, силы резания могут быть вычислены суммированием сил, вычисленных для каждого из названных участков:

Px=KvSbstr

(4)

(5)

Ру +

+ Ку8ь80-1г)созф +аьЬ3(1-1г)с1£ф Р2 = К68ьйг + (ц,аьЬ3 + ЯрЬ, > агсяп^ЕЗ +

Г , (о)

+ К^^О - 1Г) + (щсгЛ + 0,78ьНв) - (1/втф)

где Ку и - удельные силы стружкообразования; 8Ь - действительный предел прочности при растяжении; э - подача; ^ - глубина резания на участке режущей кромки, закругленной по дуге окружности; г - радиус закругления криволинейной кромки резца; 0Ь - условный предел прочности при растяжении; I- глубина резания на прямолинейном участке режущей кромки; Ь3 -высота фаски износа; ф - главный угол в плане.

Для примера в табл. 1 и на рис. 5 приведено влияние параметров процесса восстановления на возникающие силы и мощность резания.

В процессе восстановления профиля колеса тепловые потоки поступают в инструмент через его рабочие поверхности.

Таблица 1.

Зависимость основных параметров восстановления профиля от глубины резания

t, мм Рх,кН Ру,кН Р2,кН Ne, кВт V, и/мин

1 0,705 3,098 6,851 4,3 38

2 1,639 4,893 13,29 6,6 30

3 2,756 6,478 19,768 7,9 24

4 4,089 8,025 26,347 8,3 19

На прочность и формоустойчивость режущего лезвия инструмента оказывают влияние обе температуры: на передней и задней поверхностях инструмента. В работах проф. Кушнера B.C. используется понятие температуры

13

формоустойчивости режущего лезвия, которой можно характеризовать его работоспособность. Она определяет в среднем температуру внутри режущего лезвия (проф. Киселев И.Г.) и оказывает влияние на прочность инструментального материала.

Г

Б 30

а

*20

§

°10 о

■

К

о—■ И О- —□

- гц -Ру

-РХ

30 «5 № 75 90 Угол в плане, град

Рис. 5. Влияние угла в плане на силы и мощность резания при V = 28 м/мин, 8 = 1,6 мм/об, I = 10 мм

В основу расчета температуры на поверхностях инструмента положен термомеханический подход с использованием методов подобия для резания материалов, разработанных проф. Силиным С.С. На основе анализа уравнения баланса механической и тепловой энергии при резании металлов Силин С.С. использует в расчетах безразмерные комплексы (критерии подобия) Ре,Р,Д:

Ре - критерий Пекле, характеризующий степень влияния режимных условий процесса резания по сравнению с влиянием теплофизических свойств обрабатываемого материала;

Б - критерий, отражающий влияние геометрии инструмента и отношения тегаюпроводностей инструментального и обрабатываемого материала;

Д - критерий, характеризующий геометрию сечения среза.

При расчете температур на рабочих поверхностях режущего инструмента решалась задача теплопроводности, описываемая уравнением Фурье с граничными условиями всех четырех родов. При этом определяющими яв-

ляются граничные условия со стороны передней и задней поверхностей резца, контактирующих с деталью и стружкой.

— = a-V2t,

at

где а - коэффициент температуропроводности; V2-оператор Лапласа.

Температура на передней поверхности инструмента определена действием двух быстродвижущихся источников теплоты. Один на поверхности контакта со стружкой, другой - в зоне стружкообразования.

Температура на задней поверхности инструмента определена действием трех источников теплоты: зоны стружкообразования, застойной пластической области и зоны на фаске износа.

При этом было использовано предложенное проф. Кушнером B.C. определяющее уравнение, аппроксимирующее зависимость предела текучести стали от деформации, скорости деформации и температуры.

х ( Е'" 4

— = A-Kv -Е™ -ехр

sh

-Bt-V &dE

оЬ„

'ь V

где тр - предел текучести; 8Ь - действительный предел прочности при растяжении; А, А1 - безразмерный комплекс; Кг - коэффициент динамической прочности; Ер - текущее значение сдвига; ш - показатель степени деформационного упрочнения; Вт - коэффициент, учитывающий влияние температуры на предел текучести.

На рис. 6 и 7 приведено влияние некоторых параметров процесса резания на температуры на передней и на задней поверхностей инструмента.

Как следует из рис. 6. и 7 при достаточно больших значениях подач, характерных для восстановления железнодорожных колес, температуры на передней поверхности и резания близки друг к другу. Особенно они близки при точении резцом с небольшой шириной фаски износа. Поэтому в первом приближении в качестве характеристики температуры могут использоваться

как температура передней поверхности, так и температура резания.

15

о

о .

МЯО' л

950 000 /С •А- 4 0 р

а 4 г & %

ж *

ООО 750 1 7

к

10 12 15 18 18 18 20 21 23 33 Минутная подача, ммЛмн

1000'

>

050 ч

750 70П

- Тмпмроура реши

■ Тошарпу]»

-Температура Пк задней

вомрпюсп

1Л Ц6 2 Подача, нм/об

2.5

Рис.7. Влияние подачи на температуру

Рис. 6. Влияние минутной подачи на температуры передней и задней поверхности инструмента

Большое значение имеет переход от температуры, рациональные значения которой, как правило, известны и находятся в достаточно узком диапазоне, к соответствующей (рациональной) скорости резания, значения которой могут изменяться в более широком диапазоне в зависимости от твердости обрабатываемого материала, подачи, угла в плане, переднего угла, ширины фаски износа и других факторов.

В действительности максимальные и средние температуры передней и задней поверхностей а, следовательно, и температура резания должны быть ограничены рациональными значениями, в качестве которых в первом приближении может быть принята «оптимальная температура». Полученная в работах кафедры «Технология металлов» ПГУПС, а также рекомендуемая проф. Силиным С.С. она составляет для рассматриваемой пары материалов (обрабатываемый - инструментальный) примерно 870 °С.

Таким образом, теоретически, с использованием полученных зависимостей, были определены основные параметры процесса восстановления колесных пар с различной твердостью поверхности обода.

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию обрабатываемости бандажной стали повышенной твердости.

16

Для проведения эксперимента из бандажной стали марки 3 (ГОСТ 398) были подготовлены образцы в форме дисков и валов и подвергнуты термообработке до твердости НВ 320 - 450. Химический состав, твердость и шероховатость поверхности образцов были определены с помощью приборов: аппарат рентгеновский для спектрального анализа «СПЕКТРОСКАН МАКС» (MAKC-GV), экспресс - анализатор углерода АН-7529, твердомер динамический "ТЭМП-2", пресс Роквелла модели ТК-14-250 №595, профилограф-профилометр модели 170622. Эксперименты проводились на токарно-винторезном станке 16К20. Для измерения сил резания использовались динамометры УДМ-600 и гидравлический. Для нахождения зависимости силы резания Pz = f(t, S, НВ) от ряда параметров процесса восстановления был использован метод планирования эксперимента, позволяющий установить зависимость между этими параметрами, исходя из статистической связи между ними.

Принятая форма искомой зависимости выражается уравнением Рг =СР -t"' -sy' -НВ"', где Ср - постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого

материала и условий обработки; t,s, НВ - глубина резания, подача, твердость соответственно; хр,ур,пр - показатели степени влияния глубины резания t, подачи S и твердости НВ на Pz.

Последняя зависимость подчиняется логарифмически нормальному закону распределения. Тогда силу резания Рг как функцию отклика преобразуем в логарифм функции:

lnPz =lnCP + Хр lnt + Ур lns + nplnHB.

Введя соответствующие обозначения, получим:

л

y = b0 + b,x, +b2x2 + b3x3, гдеу = lnPz; lnCp = b0; xp = b,; yP = b2; nP = b3; x, = tat; x2 = InS; x3 = InHB

Уровни факторов и интервалы варьирования в натуральных значениях и после логарифмирования приведены в табл. 2.

Табл и ца 2.

Уровни факторов и интервалы варьирования

Уровни >ахторов Уровни (акторов

Верхний Нижний Верхний Нижний

2 0,5 1п< -0,6932 0,6932

0,7 1Л 1п5 -0,3567 0,336

НВ 451 321 1п НВ 5,7714 6,1115

По результатам эксперимента уравнение полученной модели имеет

вид:

у = Ь0 + Ь,х, + Ь2х2 + Ь3х3 = 2,011 +1,569 • х, +1,132 • х2 +1,005 • х3.

Статистический анализ полученной модели состоял из оценки дисперсий воспроизводимости с использованием критерия Кохрена; проверка значимости коэффициентов регрессии производилась с помощью коэффициента Стьюдента, а проверка адекватности модели функции отклика осуществлялась путем расчета критерия Фишера.

Уравнение в натуральных значениях факторов:

Р2 = 0,24 • 10,94 • 80,81 • НВ0'72.

Расхождение данных, полученных в процессе эксперимента, с результатами теоретических расчетов составляет 7—12 %, так теоретическое и экспериментальное значение Р2 для НВ = 3210 МПа; I = 0,5мм; 8 = 0,7; п = 315об/мин равны Р^ = 4,5кН, Р^ = 4,95кН.

При оценке влияния твердости обрабатываемого материала на период стойкости режущего инструмента использован метод ускоренного определения периода стойкости. Диски из бандажной стали с твердостью 360 единиц обрабатывались по торцу с постоянной подачей от центра к периферии и постоянной частотой вращения, т.е. с переменной скоростью резания. Зная время работы инструмента Т до затупления, начальную и конечную 3 скорости резания и используя известную зависимость

получаем

юоо •(&,-»,) =с

Проводя второй аналогичный опыт с другой частотой вращения получаем второе такое же уравнение. Пренебрегая из-за небольшой величины значением находим искомые показатель степени т и постоянный коэффициент С при решении двух уравнений с двумя неизвестными. В итоге получили зависимость

грт

по которой можно определить скорость резания при обработке бандажной стали с твердостью НВ = ЗбООМПа при заданном периоде стойкости или период стойкости при заданной скорости восстановления профиля.

Сравнение данных эксперимента с данными расчета по теоретическим зависимостям показало расхождение результатов в пределах 9 -15 %.

В пятой главе рассмотрены вопросы оптимизации параметров процесса восстановления колесных пар.

Используя зависимости, полученные в гл. 3, были произведены расчеты, часть результатов которых приведена на рис. 8.

Как показывают данные расчетов производительность восстановления будет снижена на 20 - 40 % в зависимости от применяемого оборудования из-за уменьшения скорости резания на «40 %. Изменение угла в плане инструментов с призматической пластиной с (р = 90° до ф = 40° по данным расчетов позволит увеличить период стойкости примерно в два раза.

Рассматривая применяемый режущий инструмент необходимо отметить, что форма передней поверхности у стандартных пластин обычно выполнена в виде плоской поверхности с отрицательным передним углом и

стружкозавивающим порожком. Однако при меньших скоростях резания для обработки колес с повышенной НВ более предпочтительна форма передней поверхности с положительным передним углом, с упрочняющей фаской, расположенной под отрицательным передним углом, и со стружкозавиваю-щей плоскостью. В этом случае целесообразно также предварительно затачивать фаску на задней поверхности шириной 0,2 - 0,3 мм с целью упрочнения режущего клина и уменьшения пластических деформаций в начальный период резания.

I чашвчнцй рмец 3

I ! имеет *е-эето

|», н/ии ¡^.щг _<ш

1__б|"__ов_____ 1|

[ . Л ____7Х Щ

1__15_4,7__5,1

м

ч

J

.Л?Г г?

м 12 1

00 0.?

5 25 45

Скорость рюания, мйям

Рис. 8. Влияние скорости резания на число деталей, обработанных резцом до затупления при обработке профиля колеса чашечным резцом

Одновременно необходимо отметить, что любой процесс восстановления профиля катания колесных пар имеет ряд особенностей. К ним относятся значительные колебания припуска на обработку, определяемые особенностями геометрии профиля колеса и его износом (прокат, подрез гребня и др.) в процессе эксплуатации. Колебания припуска и особенности профиля вызывают изменение активной длины режущей кромки и угла контакта резца с профилем колеса в широких пределах. Так же значительны колебания твердости у колес, бывших в эксплуатации. На поверхности катания таких колес имеются труднообрабатываемые дефектные участки (ползуны, навары и др.). Все это вызывает изменение тепловых и силовых нагрузок в процессе восстановления, отрицательно влияющих на режущий инструмент, оборудование и производительность обработки. То есть одной из основных причин, за-

трудняющих рациональное использование оборудования, инструмента, а также оптимизацию процесса восстановления профиля катания колес, является его нестационарность.

Установленные области существования оптимальных сочетаний параметров процесса восстановления колес с различной твердостью рекомендуются для обработки новых колес и колес с небольшим прокатом. При обработке колес после эксплуатации глубина резания и твердость по периметру профиля катания будут величинами переменными.

Для каждого сочетания параметров процесса восстановления можно обеспечить оптимальную температуру резания (формоустойчивости инструмента), при которой будут достигнуты наибольшая стойкость инструмента и наименьший износ. Оптимальная температура резания (формоустойчивости) соответствует наиболее благоприятным условиям трения и изнашивания инструмента по контактным поверхностям.

Температурой при резании (температурой формоустойчивости) можно управлять, изменяя любой фактор, от которого она зависит. Автоматическую стабилизацию температуры в определенных пределах, исходя из возможностей инструмента, станка и детали, наиболее удобно осуществлять путем изменения величины подачи и скорости резания.

Рассматривая систему стабилизации температуры при резании как задачу математического программирования, сформулируем ее следующим образом. При заданной целевой функции (П(у) - производительность обработки) и ограничениях, определяющих множество допустимых режимов Я, необходимо определить такое значение у* вектора у, для которого целевая функция П(у) принимает максимальное значение в множестве И..

Множество допустимых режимов Л определится рядом неравенств:

я**-

П * Пт1п где @(8,п

\ N(8,11)

- температура и мощность, являющиеся функциями режима резания (8,п); >}доп - предельно допустимые значения мощности;

®шах> ®шт' ^шах' 8т,п> Птах> Птш - предельные значения температуры, подачи и частоты вращения колесной пары.

Таким образом, необходимо решить задачу оптимизации

п(у')=шип(у).

Представленная выше система может быть реализована с помощью специализированного вычислительного устройства, которое совместно с блоком управления станком будет представлять собой замкнутую стабилизирующую систему, поддерживающую температуру формоустойчивости в определенных пределах за счет изменения частоты вращения колесной пары и подачи. Рассматривая конкретно возможности регулирования температуры на станках, используемых для изготовления колес на металлургических предприятиях (1Б502,1Д502) и для ремонта на линейных предприятиях ОАО РЖД (1836А, ИВВ112 и др.), следует отметить, что на этих станках обработка колеса ведется одновременно несколькими суппортами. В каждый момент времени условия работы инструмента на разных суппортах отличаются друг от друга. И регулирование температуры для условий работы каждого суппорта по частоте вращения колесной пары может потребовать разных значений этой величины одновременно. Т.е. для многоинструментной обработки более целесообразно регулирование температуры только за счет изменения подачи

каждого суппорта. В этом случае схема системы стабилизации температуры в процессе восстановления значительно упрощается и не представляет особых сложностей для реализации.

На основе вышеизложенного была разработана полезная модель (станок для обточки колесных пар без демонтажа их с железнодорожного транспортного средства). Целью использования модели являлось повышение качества обработки поверхности катания обода колеса и увеличение срока службы инструмента за счет изменения режимов и условий резания посредством корректировки температуры резания, а следовательно, и температуры фор-моустойчивости резца.

В шестой главе была произведена оценка технико-экономической эффективности результатов исследования с учетом повышения ресурса колес повышенной твердости. Для оценки технической эффективности предлагаемых рекомендаций была произведена обработка вагонных колес повышенной прочности. Полученные результаты показали, что применяемые в настоящее время режимы восстановления профиля не целесообразны для использования и ведут к увеличению расхода дорогостоящего режущего инструмента. Рекомендуемые режимы обеспечивают рациональный расход режущего инструмента при снижении производительности применяемого оборудования. Повышение производительности можно обеспечить за счет использования новых методов обработки, например, силового шлифования.

Для оценки экономической эффективности использована методика ВНИИЖТа «Расчетный ресурс бандажа» при ТО-3.

Величина среднего расчетного ресурса бандажей при ТО-3 для магистральных тепловозов по локомотивному депо ТЧ9 Окт. ж. д. составляет Лср = 343951,7 км. При увеличении ресурса колесных пар за счет повышения

твердости примерно на 75 % ожидаемый годовой экономический эффект от внедряемых мероприятий только по одному депо составит Э = 127593,24 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложены научно-обоснованные технические и технологические решения по повышению эффективности процесса восстановления бандажных колесных пар повышенной твердости, имеющие существенное значение для Федерального железнодорожного транспорта. При этом получены следующие научные и практические результаты.

1. Рассмотрены особенности функционирования колес повышенной твердости:

- анализ международного опыта эксплуатации колесных пар показывает, что наиболее часто используемое соотношение твердостей колеса и рельса составляет 1,0 - 1,1. При этом принимая во внимание не только твердость, но и запас пластичности материала, целесообразно ограничить величину НВ значениями 3900 - 4000МПа;

- экспериментальные исследования в лабораторных условиях ПГУПС, ВНИИЖТ и др. показали, что при существующих нагрузках на ось и проскальзывании 10 % равную износостойкость образцов из колесной и рельсовой стали можно получить при соотношении их твердостей близком к единице;

- наибольшие эквивалентные напряжения в процессе эксплуатации колеса диаметром 950 мм достигают величины ® 720МПа

(НВ = 270 - 280, аь »ЮООМПа). При увеличении твердости до 360-390 НВ величина сгь составит »1300-1400МПа , что обеспечит повышение допускаемых напряжений, износостойкости и работоспособности колеса;

- повышение твердости поверхностного слоя обода и соотношения НВК /НВр «1 ведет к повышению его ресурса пропорционально повышению твердости.

2. Выполнено теоретическое исследование процесса восстановления профиля катания бандажных колесных пар:

- предложена методика оценки процесса восстановления колесных пар на основе термомеханического подхода;

- получены аналитические зависимости, разработана прикладная программа и создана виртуальная среда для анализа показателей процесса восстановления колесных пар;

- выполнен расчет и анализ сил и температур, возникающих в процессе восстановления, для колес с обычной и повышенной твердостью. В качестве ограничения для режущего инструмента принята температура формо-устойчивости режущего лезвия »870° С.

3. Проведены экспериментальные исследования обрабатываемости бандажной стали повышенной твердости:

- предложена методика проведения экспериментов с использованием метода планирования эксперимента. Установлены области определения факторов, интервалы варьирования, количество опытов;

- получены зависимости, устанавливающие связи между силами резания и параметрами (I, Б, НВ) процесса восстановления;

- проведены статистический анализ полученной модели и сравнение экспериментальных данных по силам резания с теоретическими. Расхождения составило 7 - 12 %;

- с использованием ускоренного метода исследований получена зависимость скорость резания - период стойкости инструмента для бандажной стали с твердостью 360 НВ. Расхождение экспериментальных данных с данными теоретических расчетов составило 9 - 15 %.

4. Определены оптимальные сочетания параметров процесса восстановления профиля бандажных колесных пар:

- установлены области существования оптимальных сочетаний параметров режимов восстановления колес с различной твердостью обода для чашечного и призматической режущих пластин;

- предложены рациональные геометрические параметры режущего инструмента для восстановления колесных пар повышенной твердости;

- обоснована необходимость разработки системы автоматического ре- ' гулирования по температуре формоустойчивости процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар. I

5. Выполнена технико-экономическая оценка результатов исследования:

- проведена проверка рекомендуемых режимов восстановления профиля в производственных условиях. Для повышения производительности обработки следует использовать другие методы восстановления;

- рассчитан средний ресурс бандажей при ТО-3 для магистральных тепловозов, величина которого составила « 344000км;

- выполнение первого этапа «Программы реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 -2010 гг.» до 0,6 млн. км за счет совершенствования свойств поверхностных

слоев обеспечит ожидаемый годовой экономический эффект только по одно- «

мудепо «128000руб.

»

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Воробьев А. А. Совершенствование процесса восстановления бандажей колесных пар локомотивов при ремонте. // Известия Петербургского Государственного Университета Путей Сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2005. Вып. 1. - с.94-99.

2. Vorobyev A. A. About the reasons of the raised deterioration of wheel pairs rolling-stock and estimation of processing of wheels of the raised hardness (О при-

чинах повышенного износа колесных пар подвижного состава и оценка обрабатываемости колес повышенной твердости) // Международная конференция: Транспорт 21 века - Варшава, Польша, 2004. - с. 389 - 397.

3. Воробьев А. А. К вопросу о напряженном состоянии в пятне контакта бандажных колесных пар. // VI Международная научно-техническая конференция: Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте. -СПб.: ПГУПС, 2004. -с. 85-96.

4. Иванов И. А., Воробьев А. А., Кушнер В. С., Безнин А. С. О восстановлении профиля поверхности обода колеса повышенной твердости. // Международная конференция: Развитие транспортного машиностроения в России (ЖЕЛДОРМАШИНОСТРОЕНИЕ - 2004) - Щербинка, Россия, 2004. - с. 150-152.

5. Иванов И. А., Воробьев А. А., Кушнер В. С., Безнин А. С. Влияние твердости поверхности катания железнодорожных колес на параметры режима обработки // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов / Под ред. Е.А. Памфилова. - Выпуск 3. - Брянск: БГИТА, 2004.-с. 37-41.

6. Воробьев A.A. О способе увеличения ресурса гребней колесных пар локомотивов, обращающихся в маневровом движении. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции (г. Ульяновск, 8-10 октября 2003г.) Современные проблемы машиностроения и транспорта - Ульяновск.: УлГТУ, 2003. - с.200-202.

7. Воробьев А. А., Виноградов М. Ю. Численный метод изучения напряженного состояния бандажных колесных пар. // Межвузовская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых: Шаг в будущее (неделя науки - 2003). - СПб.: ПГУПС, 2003. - с. 18-21.

8. Воробьев A.A., Сорокин П.Г. Силы резания при восстановлении профиля обода бандажа чашечными резцами. // Межвузовская научно - техническая конференция студентов и молодых ученых: Шаг в будущее (неделя науки

- 2004). - СПб.: ПГУПС, 2004. - с. 17.

27

9. Воробьев А. А., Сорокин П. Г. О методике оценки соотношения твердости пары колесо-рельс // Совершенствование конструкции локомотивов и системы их обслуживания. Межвузовский сборник научных трудов, 2004 г. СПб. с. 171-176.

10. Воробьев А. А., Сорокин П. Г Исследование напряженного состояния пятна контакта колеса и рельса // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник научных трудов / Под ред. Е.А. Памфилова. - Выпуск 3. - Брянск: БГИТА, 2004. - с. 8 - 18.

11. Иванов И.А., Воробьев A.A., Кушнер B.C. Термомеханический анализ процесса восстановления профиля железнодорожных колесных пар // Тезисы докладов к VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» - СПб.: ПГУПС, 2005, - с.97-100.

12. Иванов И.А., Воробьев A.A., Сорокин П.Г., Кушнер B.C. Рациональные геометрические параметры резцов для обтачивания профиля катания локомотивных колесных пар // Тезисы докладов к VI Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» - СПб.: ПГУПС, 2005, - с. 100-102.

13. А. с. России на полезную модель №44559 23/11. Станок для обточки колесных пар без демонтажа их с железнодорожного транспортного средства./ Иванов И.А., Сорокин П.Г., Воробьев A.A. Зарегистрирована 27.03.05.

Подписано к печати 10.11.05г. Печ.л. - 1,75

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

Тираж 100 экз. Заказ № 4,3,5"_

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

Ǥ2 2 197

РНБ Русский фонд

2006-4 18659

i

! "

I

tí

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Показатели работы железнодорожного транспорта и статистические данные по износу бандажей колесных пар локомотивов.

1.2. Анализ основных направлений работ по повышению ресурса колесных пар.

1.3. Ресурс бандажа и эффективность его реализации.

1.4. Особенности процесса механической обработки колесных пар.

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования.

Актуальность.

Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава. Так, в частности, 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 соответственно. Особенно большие издержки в связи с этими расходами терпят локомотивные депо, поскольку за последние полвека средний срок службы локомотивной колесной пары существенно сократился.

Среди причин, вызвавших в 70 - 90 гг. прошлого столетия значительное возрастание интенсивности изнашивания колесных пар, следует отметить замену буксовых подшипников скольжения подшипниками качения, увеличение длины и массы поездов, сужение колеи до 1520 мм, введение профиля рельсов, предусматривающего двухточечный контакт бандажа с головкой рельса и др. Все это в совокупности привело к существенному изменению нагруженности зоны контакта, температуры и условий смазывания в этой зоне, а также к изменению среднестатистической скорости скольжения колеса в поперечном относительно головки рельса направлении. Результатом этих изменений стало существенное возрастание интенсивности изнашивания колес подвижного состава, которое в свою очередь привело к катастрофическим результатам для локомотивного и вагонного хозяйств.

Для преодоления сложившейся ситуации МПС РФ принята «Программа реорганизации и развития отечественного локомотиво- и вагоностроения, организации ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 - 2010 гг.». Одна из основных задач, выдвинутых этой программой, -повышение ресурса бандажей колесных пар локомотивов: на первом этапе - до

0,6 млн. км; на втором - до 1,2 млн. км. Таким образом, проблемы повышения износостойкости колесных пар, в частности, за счет повышения твердости обода и качества восстановления при ремонте этим документом обозначены как одни из наиболее приоритетных.

Объект исследования - колесная пара.

Предмет исследования - процесс восстановления бандажных колесных пар подвижного состава повышенной твердости.

Цель диссертационной работы.

Разработка рекомендаций по повышению эффективности процесса восстановления бандажных колесных пар повышенной твердости при ремонте.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

• оценка соотношения твердостей колеса и рельса (НВК / НВр) и его влияние на повышение ресурса;

• экспериментальное и теоретическое исследование процесса восстановления бандажной стали повышенной твердости;

• оптимизация режимов восстановления бандажей повышенной твердости и разработка рекомендаций по их практическому применению.

Методы исследования.

Исследования выполнялись на основе системного подхода к вопросам анализа функционирования и ремонта колесных пар, включая оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) бандажного колеса повышенной твердости, его износа и особенностей его восстановления при ремонте. Теоретической базой проведения исследований послужили метод конечных элементов (МКЭ), метод подобия, программные комплексы ANSYS, CosmosWorks, NASTRAN, положения ряда разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания. Экспериментальные исследования (в том числе с использованием метода планирования эксперимента) проводились в лабораторных и производственных условиях.

Автор защищает.

1. Результаты оценки соотношения механических свойств пары «колесо-рельс» и его влияние на срок службы колеса;

2. Методику комплексного анализа процесса восстановления колес по профилю катания на основе термомеханического подхода;

3. Систему управления процессом восстановления колесных пар по температуре формоустойчивости режущего инструмента.

Научная новизна.

1. Предложена методика комплексного исследования процесса восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте на основе термомеханического подхода;

2. Создана виртуальная среда для исследований и анализа процессов восстановления колесных пар;

3. Установлены области существования сочетаний параметров процессов восстановления колес с различной твердостью обода;

4. Разработана система управления процессом восстановления колесных пар по температуре формоустойчивости режущего инструмента.

Практическая значимость.

• получены численные значения показателей НДС для колес различного диаметра и износа материала колес повышенной твердости;

• разработана программа, позволяющая анализировать показатели процесса восстановления колесных пар;

• предложены рациональные технологические режимы и геометрия режущего инструмента для восстановления колес повышенной твердости;

• разработаны технологические регламенты по практическому применению рациональных режимов восстановления колес различной твердости;

• результаты работы используются в учебном процессе.

Достоверность подтверждена сравнением согласованности теоретических и экспериментальных данных. Расхождение данных расчета силовых характеристик процесса резания и полученных при эксперименте составило 7-12%.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «63 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.), Международная конференция «Транспорт XXI века» (г. Варшава, Польша 2004 г.), Международная конференция «Развитие транспортного машиностроения в России. Желдормашиностроение-2004» (г. Щербинка, 2004), «64 научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2004), VI Международная конференция «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте», (г. Санкт-Петербург, 2004), III Международная научно-техническая Интернет - конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск, 2004), IV Международная научно-техническая конференция "Подвижной состав XXI века (идеи, требования, проекты)" (г. Санкт-Петербург, Россия 2005 г.), а также на заседаниях Силезской Школы транспортной механики (г. Катовице, Польша 2004).

Публикации.

По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, получено 1 авторское свидетельство на полезную модель.

Работа выполнялась на кафедре «Технология металлов» Петербургского Государственного Университета Путей Сообщения.

Экспериментальные исследования проводились в лабораториях кафедры "Технология металлов", в локомотивных депо (ТЧ19) Малая Вишера, ТЧ18 (Дно) и вагонном депо ВЧД20 (Кемь).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из 8-и разделов, включая введение, заключение, список используемых источников и приложения. Объем работы составляет 140 стр., в том числе 60 рисунков, 22 таблицы, 4 приложения.

По результатам работы сделаны основные выводы и даны рекомендации их практического использования.

Выводы по главе 1. Цель и задачи исследования

1. Статистические данные по износу бандажей колесных пар локомотивов показывают необходимость увеличения их ресурса, т.к. количество внеплановых ремонтов, связанных с обточкой бандажей, увеличилось и значительно снизило их ресурс.

2. Анализ "Стратегической программы обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»" показал, что для снижения интенсивности изнашивания бандажей колесных пар предполагается решение следующих технических и технологических мероприятий: автоматизация и компьютеризация анализа состояния КП; совершенствование конструкции ходовых частей ТПС; оптимизация профиля бандажа ТПС; совершенствование технологии обмера КП; лубрикация; упрочнение бандажей колесных пар. Вопросы, связанные с обрабатываемостью бандажей повышенной твердости в "Стратегическую программу обеспечения устойчивого взаимодействия в системе «колесо-рельс»" не включены.

3. Оценка ресурса бандажа и эффективности его реализации показали, что помимо организационных и технологических мероприятий, повышение ресурса бандажа можно обеспечить за счет совершенствования технологии восстановления и повышение износостойкости металла поверхностного слоя бандажа, за счет улучшения физико-механических свойств.

4. Выполненный обзор литературных данных по особенностям процесса восстановления колесных пар ТПС показал нестабильность характеристик используемого оборудования, обрабатываемых колес (меняющийся припуск, твердость, дефекты и др.), инструмента, изменение их в процессе ремонта, а так же отсутствие рекомендаций по восстановлению колес повышенной твердости.

Изложенное выше позволяет сформулировать цель настоящей работы.

Целью данной работы является разработка рекомендаций по повышению эффективности процесса восстановления бандажных колесных пар повышенной твердости.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

• Оценка соотношения твердостей колеса и рельса ^^/да нагруженности контакта и его влияние на повышение ресурса;

• Экспериментальное и теоретическое исследование процесса восстановления бандажной стали повышенной твердости;

• Оптимизация режимов восстановления бандажей повышенной твердости и разработка рекомендаций по их практическому применению.

На рисунке 1.18 приведена логическая схема исследования и структурная схема диссертационной работы.

Структурная схема диссертационной работы

Рис. 1.18.

1. Корольков Е. П., Бондаренко А. И. О путях уменьшения износа гребней колес железнодорожного подвижного состава //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. М., 2003. с. 110 - 112.

2. Продление срока службы рельсов и колес. По материалам зарубежной печати// Вестник транспорта. 2002, №6, с.39 40.

3. Исследование процесса восстановления профиля катания бандажных локомотивных и моторвагонных колесных пар с использованием отжига при нагреве ТВЧ: Отчет ЛИИЖТ. Руководитель темы Продан Н. С. №449. Инв.№02825036774. Л., 1981. 124 с.

4. Школьник Л. М., Парышев Ю. М., Вихрова А. М. Эволюция технических условий на вагонные колеса// Вестник ВНИИЖТ, 1986, №6, с. 34 39.

5. Пехтерев Ф. С. Повышение скоростей движения. О ходе реализации программы развития скоростного и высокоскоростного движения на железных дорогах России// Железнодорожный транспорт, 2002, № 7, с. 10-15.

6. Оптимизация взаимодействия колеса и рельса// Железные дороги мира, 2003, №1, с. 66-70.

7. Яковлев В. Ф., Дудкин Е. П., Артамонова Н. Е., Параскевопуло Ю. Г. Рацио-анальная -^ериодичность-обточки-колес-вагонов-промьшшенного-транспорта:

8. Интенсификация работы предприятий промышленного железнодорожноготранспорта. Межвуз. сб. научн. трудов под ред. В. Ф. Яковлева. JL: ЛИИЖТ, 1988, с. 55-61.

9. Вериго М. Ф., Коган А. Я. Взаимодействие пути и подвижного состава. М.: Транспорт, 1986, 559 с.

10. Яковлев В. Ф. Исследование сил взаимодействия, деформаций и напряжений в зоне контакта железнодорожных колес и рельсов. Дисс. на соиск. уч. степ, докт. техн. наук. Л.: ЛИИЖТ, 1964, 377 с.

11. Пахомов М. П. Взаимодействие подвижного состава и пути и динамика вагонов. Метод, указания по курсу лекций. Омск, 1966, 139 с.

12. Пашолок И. Л., Харитонов В. Б. О возможном повышении износостойкости железнодорожных колес// Вестник ВНИИЖТ. 1997, №1, с. 32 36.

13. Филиппов О. К. Заметки инженера практика// Локомотив. 1999, №2, с. 23 -26.

14. Богданов В. М. Стратегическая программа обеспечения устойчивого взаимодействия в системе колесо-рельс //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. М., 2003. с. 14 - 20.

15. Шур Е. А. К вопросу об оптимальном соотношении твердости рельсов и колес //Современные проблемы взаимодействия подвижного состава и пути: Материалы научно-практической конференции/ ВНИИЖТ. М., 2003. с. 87-93.

16. Анализ состояния безопасности движения в локомотивном хозяйстве в 2002 году / Департамент локомотивного хозяйства МПС. М., 2003, 76 с.

17. Зальцман С. Г. Повышение износостойкости гребней железнодорожных колес в процессе ремонта. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. СПб.: ПГУПС, 1999, 198 с.

18. Шур Е.А., Бычкова Н.Я., Марков Д.П., Кузьмин Н.Н. Износостойкость рельсовых и колесных сталей // Трение и износ. Том 16. 1995. №1. с. 80 - 91.

19. Неглинский В.В. Обобщение результатов эксплуатационных наблюдений за изнашиванием реборд колесных пар локомотивов // Трение и износ. Том 16. — 1995. №1. с. 119-125.

20. Анализ комплекса свойств, определяющих долговечность цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации/ Ю. М. Парышев, А. М. Вихрова, JI. М. Школьник, Д. П. Марков (Сб. тр. ВНИИВ (Вагоностроение: вопросы надежности и прочности)). М.: Минтяжмаш, 1986, с. 5 9.

21. Собенин Л.А., Бахолдин В.И., Зинченко О.В., Воробьев А.А. Устройство и ремонт тепловозов. М.: Академия, 2004. - 416 с.

22. Рахматулин М.Д. Ремонт тепловозов. М.: изд. «Транспорт». 1977. 447 с.

23. Снова об износе бандажей и рельсов/ Б.В. Захаров, Е.Н. Рогова, А.А. Сашко, В.А. Чашин// Локомотив. 1996, №9, с. 19 20.

24. Омарбеков А. К. Управление техническим состоянием колесных пар тягового подвижного состава в эксплуатации. М.: 2001. 183 с.

25. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса / Перевод с англ. / У. Харрис, С. Захаров, Д. Ландгрен, X. Турне, В. Эберсон / М.: Интекст, 2002, 416 с.

26. Беляев Н.М. К вопросу о местных напряжениях в связи с сопротивлением рельс смятию. Труды ЛИИЖТа. Л.: Путь. 1929. Вып. 99. с. 283 296.

27. Параскевопуло Ю. Г. Пути повышения технического ресурса ходовых частей передвижных миксеров. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. Л.: ЛИИЖТ. 1989.

28. Яковлев В.Ф. Исследование динамических контактных деформаций в колесах и рельсах в эксплуатационных условиях. Труды ЛИИЖТа. Л.: 1963. Вып. 210. с. 76-Т23;

29. Яковлев В.Ф. О применимости теории Герца Беляева к расчету контактных напряжений в боковых выкружках головки рельса и гребня колеса. Исследование контактной прочности рельсов и колес подвижного состава. Труды ЛИИЖТа. Л.: 1963. Вып. 210. с. 21-75.

30. Лазарян В. А. Динамика вагонов. М.: изд. «Транспорт». 1964. 256 с.

31. Carter F. W. On the action of locomotive driving wheel//Proc. Roy. Soc. Ser. A., 1926. V112.-P.151- 157.

32. Carter F. W. On the Stability of Running of locomotives//Proc. Roy. Soc. A., 1928. 121.

33. Reynolds O. On Rolling friction / Philos. Trans, of the Royal soc/ London. 1876. v. 166. P. 155- 175.

34. Kalker J.J. On the rolling contact of two elastic bodies in the presence of dry friction: Dost. Thes. / Delft University of Technology. Dtlft. 1967.

35. Kalker J.J. A streep theory for rolling with and spin. Physical Sciences. 1967. v. 60. PP. 10-62.

36. Kalker J.J. On the rolling contact of two elastic bodies in the presence of dry friction. Thesis. Delft. 1973. P. 155 (N2), TND, N52, August, 1973.

37. Kalker J.J. A fast algoritm for the simplified theory of rolling contact// Vehicle system dynamics. 11 (1982), PP. 1 - 13.

38. Joly R. Stability transversale dove ferroviaire. Possibility du systeme guide "rail-roure". Rail international / Jailed, 1984. p. 14 36.

39. Голубенко А. Л. Сцепление колес с рельсом: Монография. К.: Фирма "Ви-пол". 1993.

40. Винник Л.В. Колесная пара дифференциального вращения для вагонов метрополитена. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. СПб.: ПТУ ПС 1997.

41. Frederich F. Experimente zur Spurfurung. ZEV-Glasers Annalen, 111 (1987) N6. s. 171-179.

42. L.I. Barteneva, V. Tutin, V. Kartsev, D. Veniaminov, V. Nikitin. Lubrication of Rails and Wheels on Russian Railways. Proceedings of IHHA'99 STS-Conference on Wheel/Rail Inter face. Moscow, 1999, V. 1, p. 205.

43. S. Marich, S^^/tecHe and R. Fogary. The Optimization of Rail/Wheel Lubrication Practice in the Hunter Valley. RTSA Technical Conference, Core 2000. Adelaide, May 2000, p. 41.

44. Марков Д.П. Повышение твердости колес подвижного состава. // Вестник ВНИИЖТ. 1995. №3. с. 10 17.

45. Ларин Т.В. Износ и пути продления службы бандажей железнодорожных колес/ М.: Трансжелдориздат. 1958. 168 с.

46. Ларин Т. В. Об оптимальной твердости элементов пары трения «колесо -рельс» // Вестник ВНИИЖТ. 1965. №3. с. 5-9.

47. Вихрова A.M., Ларин Т.В, Парышев Ю.М., Хургин Л.С. О соотношении твердостей рельсовой и колесной стали// Вестник ВНИИЖТ. 1983. №6. с.34 -38.

48. Паристый И.Л., Троицкий А.А., Исакаев Э.Х., Филиппов Г.А., Яблонский А.Э. Плазменное упрочнение колесных пар// Локомотив. 1999, №3, с. 32-33.

49. Богданов А.Ф., Чурсин В.Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов. -М.: Транспорт, 1985. 270 с.

50. Иванов И.А., Урушев С.В. О повышении ресурса цельнокатаных колес // Железнодорожный транспорт. 2000. №6. - с. 25-26.

51. Иванов И.А. Повышение ресурса колес рельсовых экипажей. Дисс. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук. СПб.: ПГУПС, 1993, 257 с.

52. Певзнер В.О. Проблемы износа колес и рельсов. Влияние ширины колеи //Железнодорожный транспорт.-1996.№12.с.36-39.

53. Иванов И.А. Алехин С.В. Перспективы совершенствования методов формообразования профиля катания колесных пар. Труды ЛИИЖТ, вып. 395. - Л.: ЛИИЖТ, 1976.

54. Колесотокарный высокопроизводительный станок мод. 102. Каталог фирмы В. Хегеншейдт (ФРГ)

55. Руководство на колесотокарные станки модель 1836, 183 А, КЗТС. г. Краматорск, 1971.

56. Станок для шлифования профиля поверхности катания колесных пар. Патент США №3455065, 1965 г.

57. Тырлик Т., Ольброт Э., Мащнашек Т. Станки для железнодорожного подвижного состава фирмы РАФАМЕТ. материалы семинара. - Кузня Рацибор-ска, Польша, 1976, 18 с.

58. Восстановление профиля поверхности катания колесных пар / И.А. Иванов, М. Ситаж, А.Ф. Богданов; Под ред. д-ра техн. наук И.А. Иванова. СПб: Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения, 2000. - 127.

59. А. с. РФ № 44559 МПК 7 В 23 В 5/23. Станок для обточки колесных пар без демонтажа их с железнодорожного транспортного средства./ Иванов И.А., Сорокин П.Г., Воробьев А.А. Зарегистрирована 27.03.05.

60. Алехин С.В., Иванов И.А. Выбор метода обработки профиля поверхности катания колесных пар // Новые достижения науки и техники в технологии машиностроения. Орел: Орловское отделение Приокского книжного издательства, 1976. с.7-9.

61. Иванов И.А. Алехин С.В. Перспективы совершенствования методов формообразования профиля катания колесных пар. // Технология производства и повышение долговечности деталей подвижного состава/ Сборник научных трудов Л.:ЛИИЖТ, 1971. Вып. 329. с. 3-11.

62. Алехин С.В., Иванов И.А. Эффективность методов формообразования профиля катания колесных пар // Материалы XXI научно-технической конференции. Л.: ЛИИЖТ, 1970. с. 113-114.

63. Урушев С.В. Разработка ресурсосберегающих технологий ремонта колес железнодорожного подвижного состава. Дисс. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук. СПб.: ПГУПС, 2000, 450 с.

64. Рауба А.А. Разработка системы использования твердосплавного инструмента для механической обработки деталей типа изношенных колесных пар. Дисс. на соиск. уч. степ, доктора техн. наук. М.: 2002, 338 с.

65. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством автоматизированном производстве. М.: Машиностроение, 1989. 296 с.

66. Гельфанд А.Е., Новгородов А.С., Фотеев Н.К. Обработка твердых сплавов. М.: МАШГИЗ, 1963. 243 с.

67. Креймер Г.С. Прочность твердых сплавов. М.: Металлургия, 1971, 248 с.

68. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1982. 320 с.

69. Методы определения качества металлокерамических твердых сплавов. Под ред. К.П. Имшенника. М.: ВНИИТС, 1968. с. 70.

70. Остафьев В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1979. 168 с.

71. Повышение прочности и износостойкости твердосплавного инструмента/ Л.Г. Куклин, В.И. Сагалов, В.Б. Серебровский, С.П. Шабашов. М: Машиностроение, 1968, 140 с.

72. Третьяков В.И. Основы металловедения и технологии производства спеченных твердых сплавов. М.: Металлургия, 1976. 528 с.

73. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение. 1975, 168 с.

74. Сборный твердосплавный инструмент / Г.Л. Хает, В.Н. Гах, К.Г. Громаков и др. М.: Машиностроение, 1989, 256 с.

75. Владимиров Е.В. Автоматизация с помощью ЭВМ расчета режимов резания и норм времени при одноинструментной обработке деталей на металлорежущих станках. Минск.: ИТК АН БССР. 1975. 95 с.

76. Горанский Г.К., Владимиров Е.В., Ламбин Л.Н. Автоматизация технологического нормирования на металлорежущих станках с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1970. 220 с.

77. Рыжов Э.В., Аверченко В.И. Оптимизация технологических процессов механической обработки. Киев: Наук, думка, 1989. 192 с.

78. САПР. Типовые математические модели и алгоритмы расчета оптимальных режимов одноинструментальной обработки материалов резанием. Методические рекомендации MP 119 85. М.: ВНИИНМАШ, 1985. 120 с.

79. Тинн К.А., Тыугу Э.Х. Технологические расчеты на ЭЦВМ. М.: Машиностроение, 1968. 351 с.

80. ГЛАВА 2. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОЛЕС ПОВЫШЕННОЙ ТВЕРДОСТИ

81. Выполнение этой задачи потребовало оценки соотношения механических свойств колес и рельсов и анализа напряженно-деформированного состояния локомотивных колесных пар при действующих нагрузках на колесо в процессе работы.

82. О соотношении механических свойств колес и рельсов

83. Соотношение механических характеристик колеса и рельса в России13001935-19551981-20001. Годы Рис 2.1.

84. Соотношение механических характеристик колеса и рельса в USA и UIC

85. Требования определенного минимума твердости важный критерий износостойкости стали. Однако при повышенной нагрузке на узел трения и необходимости увеличения ресурса пары трения этого недостаточно 13.

86. Износостойкость колес при различном соотношении твердости колеса и рельса

87. Влияние твердости колеса на интенсивность изнашивания исследовалось

88. Таким образом, все исследователи отмечают одну и ту же закономерность: увеличение твердости колес на 1НВ в эксплуатационном интервале твердостей увеличивает износостойкость на 1% 14.

89. В связи со всем выше изложенным резонно поставить вопрос: Каково же должно быть соотношение между твердостями колеса и рельса (НВК и НВ,,), обеспечивающее минимизацию интенсивностей изнашивания колес и рельсов?

90. Т.В. Лариным были выполнены исследования 4. на машинах трения МИ 1 и МИ - 3 с использованием образцов из рельсовой и колесной сталей (рис. 2.3).

91. Интенсивность нарастания износа элементов пары трения находится в прямой зависимости от величины проскальзывания до твердости колесных образцов 425 НВ.

92. Наибольшая сопротивляемость истиранию наблюдается при повышении твердости образцов до 330-340 НВ. Далее спад кривой зависимости износа от твердости протекает менее активно и остается почти на одном уровне.

93. Дальнейшие исследования ВНИИЖТа в этом направлении 14. и др. привели к выделению одиннадцати основных (первичных) факторов, влияющих на скорость изнашивания колес

94. W = f{Hk,Hp,Sk,Sp,P,Po,n,T,V,X,4>)где Hk,Hp,Sk,Sp твердость и параметры микроструктуры соответственноколес и рельсов;

95. Р,р0 — нагрузка и давление в контакте;1. П проскальзывание;

96. Т, V температура и скорость в контакте;

97. Х,^- параметры загрязненности поверхностей трения и характеристикисреды.

98. Влияние твердости колеса и рельса на износ1. Рис. 2.3.

99. По данным 13. в табл. 2.1. и 2.2. приведены результаты влияния на износ разной степени проскальзывания и соотношение твердостей колес и рельсов.