автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии восстановления профиля поверхности катания цельнокатаных колес при деповском ремонте

ВВЕДЕНИЕ.

1. Состояние проблемы.

1.1 Особенности эксплуатации колесных пар.

1.2 Особенности ремонта колесных пар при износе гребней. ^

1.3.Способы восстановления деталей подвижного состава. ^

1.4. Выбор схемы наплавки.22.

ВЫВОДЫ.

2. Расчет технологических параметров наплавки при восстановлении изношенного гребня колесной пары.

2.1. Расчет геометрических параметров наплавляемого слоя.

2.2. Экспериментальные исследование геометрии наплавленного валика.^'

2.2.1. Выбор факторов. .3?

2.2.2. Обработка экспериментальных данных.

ВЫВОДЫ.&

3. Моделирование термических циклов. °

3.1 Методика расчета температурных полей.

3.1.1 Метод решения.

3.1.2 Моделирование сварочного источника теплоты при осесимметричной постановке задачи.

3.2 Модельные расчеты. ^

ВЫВОДЫ. &

4. Определение экономической эффективности использования оптимальной технологии восстановления колесных пар. ус~

4.1. Показатели оценки экономической эффективности.

4.2. Определение капитальных вложений . ^

4.3. Определение эксплуатационных расходов. '

4.4. Расчет экономического эффекта. у'

ВЫВОДЫ.^

Темпы износа колесных пар подвижного состава за последние время существенно возросли /1-13/. К причинам, обусловившим интенсивность этого износа, можно отнести: сужение колеи; переход на рельсы тяжелого типа; объемную закалку рельсов, увеличившую их твердость в 1,5 раза по сравнению с твердостью колеса; снижение требований по величине перекоса пути в 2,5 раза и максимально допустимым просадкам рельсовых нитей в 3 раза. Этим конструктивным изменениям, происходившим в путевом хозяйстве на протяжении нескольких лет, не предшествовало, как правило, тщательное исследование их влияния на процесс износа колесных пар подвижного состава, а влияние оказалось очень существенным /5,6/.

В настоящее время в зарубежных государствах с развитым железнодорожным транспортом ресурс бандажей локомотивов составляет более миллиона километров пробега. На железных дорогах России в последнем десятилетии ресурс бандажей лишь немного превышает 300 тыс. км/4,7/.

В 90-х годах обточка колес вагонов производилась, в основном, не по предельному прокату, как раньше, а из-за предельного износа гребней. В процессе такой обточки при равномерном износе на каждый 1 мм бокового износа гребня требуется снять металл по толщине обода на глубину около 1,75 мм. При увеличении угла наклона гребня к основанию, например с 60 до 70°, на каждый миллиметр износа гребня требуется снять металл по толщине обода на глубину 2,75 мм.

В результате обработки данных, полученных на основании априорной информации /2-4,8-21/, выявлена тенденция преобладающего износа гребней колесных пар. Разница по толщине гребней колесных пар с износом гребня одного из колес может достигать 5-7 мм.

В современных условиях работы железнодорожного транспорта велика роль ресурсосбережения, влияющего на его экономические показатели /21/.

Сварка, наплавка, газотермическое напыление, пайка и другие родственные процессы восстановления деталей повышают их технический ресурс, позволяют экономить материал и электроэнергию, уменьшают время и трудоемкость изготовления изделий /22-34/.

При восстановительной наплавке масса металла, наносимого на деталь, обычно не превышает 6 % массы ремонтируемой детали, что определяет и расход металла, который в десятки раз меньше, чем при изготовлении деталей, и затраты, которые при восстановлении составляют обычно от 4 до 30 % стоимости новых деталей /10-13/.

Над проблемой разработки технологии ремонта деталей подвижного состава работают десятки организаций, среди них ВНИИЖТ, ИЭС им. Е.О. Патона, МИИТ, ПГУПС, ОмГУПС и другие. Научными коллективами под руководством В.В. Стрекопытова, В.А. Четвергова, В.В. Лукина и других ученых проведены исследования по оптимизации структуры ремонтного цикла, рациональному размещению ремонтного цикла, рациональному размещению ремонтных предприятий, по оценке ремонтопригодности проектируемого подвижного состава. Разработке вопросов, связанных с упрочнением и восстановлением деталей транспортной технике, посвящены исследования С.Н. Киселева, И.А. Иванова, В.Б. Шляпина, В.В. Меликова, В.Н. Лозинского, H.H. Воронина и др. Развитию системного подхода к анализу технологического процесса изготовления и ремонта деталей способствовали научные труды, A.A. Маталина, Н.Г. Васильева др. Значительный вклад в решение проблем, связанных с анализом тепловых процессов в технологических системах, внесли H.H. Рыкалин, В.И. Махненко и др. Исследованию формирования геометрических и химических параметров наплавленного металла посвящены работы А.И. Акулова, H.H. Прохорова, В.А. Судника, Б.М. Березовского, A.A. Буки и др.

В условиях крайне изношенного состояния подвижного состава восстановление деталей наплавкой приобретает особое значение. Интенсивный износ гребней колесных пар приводит к увеличению затрат на их техническое обслуживание, снижению безопасности движения. Как уже отмечалось, интенсивность износа зависит от множества факторов: профиля катания, плана и профиля участка обращения подвижного состава, состояния пути, объема внедрения эффективных технологических методов снижения износа и т.п.

В тоже время для обеспечения стабильного качества и высокой надежности в эксплуатации восстановленных наплавкой цельнокатаных колес требуется достаточно глубокое научное обоснование как способа наплавки, так и основных технологических параметров, прежде всего с позиций формообразования шва и термического воздействия на материал колеса.

Таким образом, исследование и разработка оптимальной технологии восстановления профиля катания цельнокатаных колес (ЦКК) при деповском ремонте, является актуальной научно-технической проблемой.

С этой целью в работе решаются следующие задачи:

1 .Анализ неисправностей ЦКК поступающих в ремонт.

2.Разработка математической модели геометрии наплавленного слоя.

3.Моделирование тепловых процессов при различных режимах наплавки и расчет тепловых полей.

4.Разработка рекомендаций по совершенствованию технологии наплавки гребней ЦКК с различной величиной износа.

1.СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Эффективность технологии восстановления колесных пар существенно увеличивается при одновременной наплавке обоих гребней и выравнивания геометрии наплавленного слоя.

2. Решена задача выбора оптимальных геометрических параметров наплавленного слоя.

3. На основе метода планирования эксперимента исследованы закономерности формирования наплавляемого слоя при различных пространственных положениях наплавляемой поверхности, получены значения основных геометрических параметров валика при различных сочетаниях технологических параметров наплавки.

По экспериментальным данным получены функциональные зависимости для расчета технологических параметров наплавки по заданной геометрии наплавляемого слоя.

6. Дана оценка структуры и свойств наплавленного слоя и околошовной зоны с помощью расчета тепловых полей и термических циклов. Установлено, что при одновременной наплавке двух гребней ЦКК на рекомендованных режимах скорость охлаждения У^м не превышает 30°С/с, что приводит к образованию менее 50% матенсита.

8. Выполненная оценка экономической эффективности на примере вагонного депо Московка Зап.-Сиб. ж. д. показала, что при использовании предложенной технологии общая экономия составит около 150 тыс. рублей.

1. Программа аттестации участка наплавки гребней цельнокатаных колес. МПС ЦВ, 1995. 5 с.

2. Никифоров Б.Д. Причины и способы предупреждения износа гребней колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1995. № 10. С. 7-10.

3. Ситаж Марек Повышение работоспособности колес железнодорожных экипажей конструкционными, технологическими и эксплуатационными методами. Автореферат дисс . докт. техн. наук // СПГУПС. Санкт-Петербург, 1995.48 с.

4. Инструкция по формированию, ремонту и содержанию колесных пар тягового подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм. ЦТ329. М.: Транспорт, 1995.70 с.

5. Буйносов А.П. Износ бандажей и рельсов: причины и возможности сокращения //Железнодорожный транспорт, 1994. №10. С

6. Бог данов А.Ф., Чурсин В. Г. Эксплуатация и ремонт колесных пар вагонов. М.: Транспорт, 1985. 270 с.

7. Воробьев A.A., Горский A.B., Кониченко В.Ю. Анализ и прогнозирование состояния колесных пар. // Локомотив. 1996, №9. С.21-23.

8. Ю.Буйносов А.П. Влияние твердости колеса и рельса на их износ //Локомотив, 1995. №3. С.31-32.

9. П.Богданов В.М., Евдокимов Ю.А., Щербаков A.B., Майба И.А. Пути снижения износа железнодорожной техники // Железнодорожный транспорт. 1995, № 12. С.23-25.

10. Ивашов В.А., Орлов М.В., Пранов A.A., Соломенников A.A., Зыков Ю.В., Сирина Н.Ф. Исследования в опытных составах // Железнодорожный транспорт. 1996, №12. С.32

11. Т.И. 5-02-91/4. Временная технологическая инструкция по восстановлению наплавкой гребней цельнокатаных вагонных колес. МПС, Восточно-Сибирская железная дорога, Вагонное депо Ирктск-сортировочный, 1991. 25 с.

12. Курасов Д.А. Повышение долговечности бандажей колесных пар подвижного состава. М.: Транспорт, 1981. 160 с.

13. Подвижной состав и тяга поездов / Третьяков А.П., Деев В.В., Петрова A.A. и др. Под ред. В.В. Деева, H.A. Фуфрянского. М.: Транспорт, 1979.368 с.

14. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке. Т.1. Элементы физики металлов и процесс кристаллизации. М.: Металлургия, 1968, 695 с.

15. Наплавка износостойких и жаростойких сталей и сплавов. Наплавочные материалы. Киев: ИЭС им. Е.О. Патона, 1983.180 с.20 .Технология электрической сварки металлов и сплавов плавлением / Под ред. Б.Е. Патона. М., 1974.767 с.

16. Наплавка гребней колесных пар восьмиосных цистерн / Н. В. Павлов, И. Д. Козубенко, H. Е. Вызова, А. И. Рассоха. // Железнодорожный транспорт. 1993. №7.

17. Справочник сварщика / Под ред. В.В. Степанова. М.: Машиностроение, 1983. 560 с.

18. Подгаецкий В.В. Влияние флюса на формирование сварочного шва // Автоматическая сварка. 1951. №2. С.26-43.

19. Тимакова Е.А. Влияние свойств флюсов на формирование наплавляемого валика // Ресурсосберегающие технологии восстановления железнодорожной техники сваркой, наплавкой и напылением: Сб.науч.тр. / Под ред. В.Н. Лозинского. М.: Интекст, 1998. С. 108-112.

20. Аснис А.Е., Гутман Л.М. Сварка и наплавка под флюсом при ремонте локомотивов. М.: Транспорт, 1958. 132с.

21. Киселев С.H., Аксенова Л.А., Засыпкин В.В. Технология сварочного производства при ремонте подвижного состава. III ч. М.: МИИТ. 1983.99с.

22. Бесхлебный В.А., Лещинский Л.К. Керамический флюс для износостойкой наплавки // Сварочное производство. 1973. №2. С.25-27.

23. Шляпин В.Б., Павленко А.Ф., Емельянов В.Ю. Ремонт вагонов сваркой: Справочник. М.,1983.247 с.

24. Федин А.П. Сварочное производство. Минск: Высшая школа,1992.

25. Демьянцевич В.П. Металлургические основы дуговой сварки. М.: Машгиз, 1962.296 с.

26. Электрошлаковая сварка и наплавка / Под ред. Б. Е. Пат он а. М., 1980.511 с.

27. Сварка в машиностроении: Справочник / Под ред. H.A. Ольшанского. Т.1.-М.: Машиностроение, 1978. 501 с.

28. Демьянцевич Б.П. Металлургические и технологические основы дуговой сварки. М.-Л.: Машгиз, 1962. 296 с.

29. Классификация неисправностей вагонных колесных пар и их элементов, ИТМ1-В. М.: Транспорт, 1978. 31 с.

30. Цикунов А.Е. Классификация дефектов колесных пар // Железнодорожный транспорт. 1966, №1. С.64-66.

31. Машнев М.М. Единая система классификации и кодирования дефектов железнодорожных колес // Конструктивно-технологическое обеспечение надежности подвижного состава: Сб. науч. тр. / ЛИИЖТ. Л., 1980. С. 5-18.

32. Сидоров А.И. Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. М.: Машиностроение, 1987.192 с.

33. Шехтер С.Я., Резницкий A.M. Наплавка металлов. М.: Машиностроение, 1982.71 с.

34. Прохоров H.H. Физические процессы в металлах при сварке. Т.2. Внутренние напряжения, деформации и фазовые превращения. М.: Металлургия, 1976, 600 с.

35. Фролов В.В., Винокуров В.А. и др. Теоретические основы сварки. 1970

36. Шляпин В.Б., Емельянов Н.П., Крайчик М.М. Ремонт сваркой узлов и деталей подвижного состава. М.: Транспорт, 1975. 296 с.

37. Ящирицин П.И., Рыжев Э.В., Аверченков В.И. Технологическая наследственность в машиностроении. Минск, 1977. 196 с.

38. Маталин A.A. Технология машиностроения.-JI., 1985.496 с.

39. Сварка в машиностроении: Справочник. В 4 т. / Под. ред. H.A. Ольшанского. М.: Машиностроение, 1978. Т.1. 501 с.

40. Подгаецкий В.В., Люберец И.И. Сварочные флюсы. Киев: Техника, 1984.167 с.

41. Райбман Н.С., Чадеев В.М. Построение моделей процессов производства. М., 1975. 375 с.

42. Кравцов Т.Г. Электродуговая наплавка электродной лентой. М.: Машиностроение, 1978.168 с.

43. Березовский Б.М., Стихии В.А. Влияние сил поверхностного натяжения на формирование усиления сварного шва // Сварочное производство. 1977, №1. С.51-53.

44. Васильев Н.Г., Требин В.В., Капустьян М.Ф. Установка для наплавки гребней колесных пар. Свидетельство РФ № 5548 на полезную модель, кл.6 В 23 К 9/00,16.12.1997 г.

45. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении / А. Н. Тихонов, В. Д. Кальнер, В. Б. Гласко М.: Машиностроение, 1990. - 264 с.

46. Кисилев М.М. Вердников В.Г. Определение площади проплавления при наплавке с предварительным подогревом деталей из углеродистых сталей // Сварочное производство. 1984. №7. С.23-25.

47. Глад ков Э.А. Задачи прогнозирования качества и управления формированием шва в процессе сварке с использованием нейросетевых моделей // Сварочное производство. 1996, №10. С. 36-41.

48. Фадеев Л.Л., Албагачиев А.Ю. Повышение надежности деталей машин. М.: Машиностроение, 1993. - 96 с.

49. Справочник по металлографическому травлению. Беккерт М., Клемм X. Лейпциг, 1976. Пер. с нем. М., 1979. 336 с.

50. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований / Под ред. Г .К. Круга. М., изд. МЭИ, 1973.122 с.

51. Дэниел К. Применение статистики в промышленном эксперименте. М.: Мир, 1979.292 с.

52. Васильев H.Г. Оптимизация технологии восстановления деталей подвижного состава: Автореферат дисс . докт. техн. наук // ОмГАПС. Омск, 1995.40с.

53. Рыкалин H.H. Расчеты тепловых процессов при сварке. М., 1951.296 с.

54. Резников А.Н., Резников Л.А. Тепловые процессы в технологических системах. М.: Машиностроение, 1990. 288 с.

55. Кузьмина Г.Д. Совершенствование и обоснование технологии восстановления наплавкой гребней цельнокатаных колес вагонов на основе моделирования тепловых процессов и структурных превращений: Автореферат дисс . канд. техн. наук // МИИТ. Москва, 1998.15 с.

56. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовые превращения и изменения свойств стали при сварке. М., 1972. 219 с.

57. Махненко В.И. Расчет температурного режима при наплавке кругового цилиндра мощным быстродвижущимся источником // Автоматическая сварка. 1963, №11. С.

58. Требин В.В. Совершенствование технологии восстановления изнашиваемых деталей подвижного состава: Автореферат дисс . канд. техн. наук // ОмГАПС. Омск, 1997.20 с.

59. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 2. Пер. с франц. / Жермен-Лакур П., Жорж П.Л., Пистр Ф., Безье П. -М.: Мир, 1989.264 с.

60. Махненко В.И., Кравцов Т.Г. Тепловые процессы при механизированной наплавке деталей типа круговых цилиндров. Киев: Наукова думка, 1976.158 с.

61. Саврухин A.B., Петрухенцева H.A., Киселев A.C. Остаточные напряжения в железнодорожных колесах // Повышение динамических качеств подвижного состава и поезда в условиях Сибирского региона: Мевуз. темат. сб. науч. тр. / ОмГУПС. Омск, 1998. С.25-30.

62. Требин В.В., Капустьян М.Ф. Управление геометрией слоя при наплавке гребней колесных пар // Повышение динамических качеств подвижного состава и поезда в условиях Сибирского региона: Мевуз. темат. сб. науч. тр. / ОмГУПС. Омск, 1998. С.39-42.

63. Влияние подогрева при наплавке цельнокатаных колес вагонов на остаточные напряжения и деформации / С.Н. Киселев, A.B. Саврухин, Г.Д. Кузьмина и др. // Сварочное производство. 1995. №12. С. 5-7.

64. Шоршоров М.Х., Смирнов Б.А., Белов В.В. Особенности превращения аустенита при сварке плавлением // Сварочное производство. 1959. № 11. С. 12-15.

65. Бакулин В.Н., Образцов И.Ф., Потопахин В.А. Динамические задачи нелинейной теории многослойных оболочек: Действие интенсивных термосиловых нагрузок, концентрированных потоков энергии. М.: Наука, 1998.464 с.

66. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.127 с.

67. Аксенова Л. А. Технология наплавки деталей вагонов изготовленных из трудносвариваемых сталей / Повышениеработоспособности деталей и сварных узлов подвижного состава железнодорожного транспорта. Труды МИИТ. Вып. 783., 1986. С.

68. Сагалевич В.М. Методы устранения сварочных деформаций и напряжений, М.: Машиностроение, 1974. 248 с.

69. Юзвенко Ю. А. Наплавка. Киев: Hayкова думка, 1976.68 с.

70. Г у ля ев А. П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977. 647 с.

71. Куркин A.C., Павлович A.A. Алгоритм расчета нестационарных температурных полей в массивных деталях. Изв. вузов, 1987. №2. С. 102-106.

72. Коздоба Л.А. Методы решения нелинейных задач теплопроводности. М.: Наука, 1975.227 с.

73. Инструктивные указания по сварочным работам при ремонте тепловозов, электровозов и мотор-вагонного подвижного состава ЦТ-251. М.: Транспорт, 1975. 207 с.

74. Мелюков В. В. Оптимизация теплового режима процесса сварки // Сварочное производство. 1996, №1. С.9-11.

75. Гладков Э.А. Математические модели при исследовании, расчете и проектировании сварочных процессов. М.: МВТУ, 1989.109 с.

76. Blackmon D.R., Kearney F.M. A realtime approach to quality control in welding //Welding jornal. 1983, №8. P. 37-39.

77. Гладков Э.А., Перковский P.A. Компьютерное управление качеством дуговой сварки (TIG, MIG) с использованием ПЗС камеры // Сварочное производство. 1995, №4. С.21-24.но

78. Палоташ Б. Проектирование технологии сварки на IBM PC // Сварочное производство. 1993, №4. С.25-27.

79. Суд ник В. А. Применение ЭВМ в сварочном производстве // Итоги науки и техники. Сварка. М.: ВИНИТИ, 1987. Т.18. С. 3-71.

80. Горский A.B. Экономичная обточка // Электровозная и тепловозная тяга. 1992, №4. С.

81. Повышение производительности и качества наплавочных работ при ремонте деталей машин и механизмов. М., 1977, 112 с.

82. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиций на железнодорожном транспорте / МИИТ, ВНИИЖТ М., Благотворительный фонд развития гуманитарных и технических знаний "Слово", 1997. 52 с.

83. Методичекие рекомендации по определению экономической эффективности мероприятий научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте / ВНИИЖТ МПС. М., 1991. 239 с.