автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Технологическое повышение долговечности железнодорожных колес на основе автоматизированного управления изменением упрочнения поверхности катания и гребня при электромеханической обработке

61: ЧЧ-Ъ/20

На правах рукописи

ФИНАТОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС НА ОСНОВЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЕМ УПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ И ГРЕБНЯ ПРИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.13.07 - Автоматизация технологических процессов и производств

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор

СУСЛОВ Анатолий Григорьевич

/

Брянск 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................... 1

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ....................................................................................... 8

1.1. Условия работы колес подвижного состава............................. 8

1.2. Изменение качества поверхностного слоя поверхностей трения в процессе эксплуатации................................................................. 11

1.3. Материал и механические свойства колес подвижного состава...........................................................................................................

1.4. Геометрия профиля и исходное состояние поверхности железнодорожного колеса...............:........................................................... 17

1.5. Технология обработки и восстановления поверхности катания и гребня железнодорожных колес................................................ 23

1.6. Возможности автоматизации электромеханической обработки (ЭМО) железнодорожных колес.............................................. 27

1.7. Цель и задачи исследований...................................................... 29

2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ............................... 30

2.1. Средства контроля геометрических и микрогеометрических характеристик............................................................................................... 30

2.1.1. Универсальный измерительный микроскоп УИМ-21. .. 30

2.1.2. Профилограф-профилометр модели 170311.................. 31

2.2. Средства контроля физико-механических свойств гребня и поверхности катания.................................................................................... 36

2.2.1. Микротвердомер ПМТ-3.................................................. 36

2.2.2. Контроль правильности показаний микротвердомера. . 37

2.2.3. Работа с микротвердомером............................................. 38

2.3. Установка для испытания на износ.......................................... 40

2.3.1. Установка и образцы для исследования......................... 40

2.3.2. Динамометр У ДМ. ............................:............................... 44

2.3.3. Контроль показаний УДМ............................................... 45

2.4. Технологическое управление качеством поверхностного

слоя поверхности трения............................................................................. 50

2.4.1. Технологическое воздействие на поверхностный слой детали............................................................................................................ 50

2.4.2. Установка для автоматизированного импульсного электромеханического управления............................................................ 52

2.4.3. Технические характеристики установки........................ 53

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГЕОМЕТРИИ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ ТРЕНИЯ ДЕТАЛИ........................................................ 57

3.1. Теплообразование в поверхностном слое и распределение электрического тока при импульсной электромеханической обработке. 57

3.2. Исследование износа железнодорожных колес...................... 59

3.3. Закономерно-изменяющееся качество поверхностного слоя обеспечивающее оптимальные эксплуатационные свойства криволинейных поверхностей трения....................................................... 62

3.3.1. Критерий для оценки качества поверхностного слоя. .. 62

3.3.2. Коническая поверхность трения..................................... 63

3.3.3. Дугообразная поверхность трения.................................. 69

3.4. Математическая модель геометрии поперечного профиля железнодорожного колеса........................................................................... 73

3.5. Управление режимами электромеханической обработки

при обработки профиля колеса................................................................... 78

3.6. Выводы к главе 3........................................................................ 84

4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ. .. 86

4.1. Гибкая автоматизированная система электромеханической обработки...................................................................................................... 87

4.1.1. Интерфейс с ПЭВМ.......................................................... 90

4.1.2. Общая характеристика платы - адаптера NVL03........... 91

4.1.3. Взаимодействие с шиной IBM PC................................... 95

4.1.4. Прикладное программное обеспечение.......................... 96

4.2. Жесткая автоматизированная система электромеханической

обработки......................................................................:............................... 98

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПАРЫ ТРЕНИЯ «КОЛЕСО - РЕЛЬС». ЮЗ

5.1. Зависимость микротвердости от режимов электромеханической обработки................................................................ 103

5.1.1. Исходные данные для исследования..............................103

5.1.2. Пересчет измеренных значений расстояний до отпечатка в показания глубины.................................................................. 104

5.1.3. Результаты экспериментов.............................................. Ш5

5.1.4. Обработка результатов экспериментов..........................112

5.2. Исследование износа на образцах............................................ 119

5.2.1. Расчетные формулы при моделировании процесса контакта при трении "колесо - рельс"....................................................... 119

5.2.2. Результаты экспериментов..............................................122

5.3. Рекомендации по технологическому обеспечению................132

6. ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ..............................................................135

6.1. Ожидаемый экономический эффект изготовления бандажей железнодорожных колес............................................................................. 135

6.2. Ожидаемый экономический эффект ремонта колесных пар. 138

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.......................................................133

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................... 140

ВВЕДЕНИЕ

Долговечность железнодорожных колес в значительной мере определяется интенсивностью и неравномерностью изнашивания поверхности катания и гребня. Неравномерность изнашивания приводит к отклонению профиля колеса от заданного, которое допускается не более 1(2) мм. После чего происходит переточка колес по профилю, а в некоторых случаях и локальное плазменное упрочнение наиболее изнашиваемого участка гребня. Общая долговечность колес с учетом их переточек составляет около 100 тыс.км. пути. В настоящее время 30% железнодорожного состава простаивает из-за отсутствия колес.

Тенденция повышения мощности локомотивов и грузовых выгонов, а также программа Международного Союза железных дорог (МСЖД) и ряд других организаций приводит к возрастанию нагрузки от колесной пары на рельсы и скоростей движения подвижного состава. Это ведет к увеличению износа железнодорожных колес. Износ контактных поверхностей железнодорожных колес была одной из основных проблем железнодорожного транспорта. Причем в начальный период приработки процесс изнашивания протекает в 3 раза быстрее, чем после приработки.

Для повышения долговечности железнодорожных колес много исследований проведено по новым материалам, выбору их твердости, геометрии профиля, применению лубрикационных смазок. Но несмотря на это, на сегодняшний день нет четкой научно обоснованной стратегии выбора состояния поверхностного слоя контактных участков профиля колеса и методов его получения. То есть технологическое обеспечение, позволяющее получить повышение износостойкости ж. д. колеса не достаточно рассмотрено и является на сегодняшний день актуальным вопросом.

В связи с тем, что износ профиля железнодорожного колеса происходит неравномерно вдоль образующей поверхности трения, необходимо определенное состояние поверхностного слоя вдоль образующей. Такое состояние должно обеспечить минимальную по величине и постоянную по профилю скорость изнашивания. Необходимо разработать технологию, технологическую оснастку и автоматизировать процесс обеспечения такого состояния.

Данная работа посвящена повышению долговечности железнодорожных колес, технологическим обеспечением закономерно-изменяющейся степени упрочнения поперечного профиля поверхности катания и гребня автоматическим изменением режимов в процессе электромеханической обработки (ЭМО).

Научная новизна работы состоит в следующем:

■ разработан новый подход к технологическому повышению долговечности железнодорожных колес, заключающийся в обеспечении закономерного изменения степени упрочнения поверхности катания и гребня;

■ разработана математическая модель, алгоритм и программа, позволяющая в автоматизированном режиме рассчитывать величину тока при электромеханической обработки (ЭМО), которая обеспечивает равномерный износ по профилю поверхности катания и гребня железнодорожного колеса;

■ разработаны автоматизированные системы, реализующие необходимый закон изменения величины тока при электромеханической обработке (ЭМО) железнодорожных колес в жестком и гибком режимах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

■ разработана технология, позволяющая получить закономерно-изменяющуюся степень упрочнения поверхности катания и гребня железнодорожного колеса в процессе изготовления и ремонта;

■ изготовлена и опробована гибкая автоматизированная система электромеханической обработки на основе ПЭВМ для реализации технологии, позволяющей получить закономерно-изменяющуюся поверхностную степень упрочнения детали, а также для научных исследований электромеханической обработки;

■ изготовлена жесткая автоматизированная система электромеханической обработки на основе микроконтроллера для производственных предприятий, позволяющая реализовать предложенную технологию для изготовления и ремонта железнодорожных колес;

■ разработана и изготовлена технологическая оснастка для электромеханического упрочнения железнодорожных колес.

Автор защищает следующие основные положения, характеризующие

научную ценность и практическую значимость работы:

■ разработка новой технологии изготовления и ремонта колесных пар, позволяющая получить закономерно-изменяющуюся степень упрочнения поверхности катания и гребня железнодорожного колеса (бандажа);

■ разработка гибкой автоматизированной системы электромеханической обработки на основе ПЭВМ для научных и лабораторных исследований;

■ разработка жесткой автоматизированной системы электромеханической обработки на основе микроконтроллера для производственных предприятий.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Условия работы колес подвижного состава.

Безопасность движения подвижного состава в большей степени зависит от надежности колесной пары, которая характеризуется способностью безотказной ее работы в сложных условиях эксплуатации. Надежность зависит от качественных параметров колесной пары и ее напряженного состояния, возникающего под влиянием действующих нагрузок, которые приводят к появлению дефектов.

Тенденция повышения мощности локомотивов и грузоподъемности вагонов, а также перспективные программы Международного Союза железных дорог (МСЖД) и ряда других организаций приводит к возрастанию нагрузки от колесной пары на рельсы и скоростей движения подвижного состава (табл. 1.1).

Увеличение нагрузки и скорости движения подвижного состава влечет за собой увеличение износа. Практически во всех странах ведутся работы по повышению долговечности железнодорожных колес. На сегодняшний день величина износа колеса (равномерный прокат) примерно равен 1 мм. на 25 тыс. километров. Причем в начальный период приработки процесс образования проката протекает в 3 раза быстрее, чем после приработки.

Во время движения колесная пара нагружается пространственной системой сил, изменяющихся по величине и времени. Основная составляющая сил - вертикальная нагрузка на шейки оси - зависит от массы брутто вагона. Статическая нагрузка на ось составляет в среднем 180-220 кН (18-20 тс). При вписывании вагона в кривую на колесную

пару действует центробежная сила от боковин тележки, которая достигает 50 кН (5 тс). Дополнительно колесная пара нагружается

ветровой нагрузкой с удельным давлением ветра на боковую стенку

2 2

вагона до 500 Н/м (50 кГс/м ). В результате извилистого движения колесной пары в рельсовой колее в местах контакта колес с рельсами возникают силы трения, вызывающие изгиб колеса. По данным ВНИИЖТа, при движении четырехосного полувагона грузоподъемностью 600 кН (60 т) со скоростью 60-80 км/ч сила трения, изгибающая колеса в нагруженную сторону, достигает 50 кН (5 тс) [8]. Силы, возникающие при торможении в результате трения между колодками и колесами, вызывают дополнительные нагружения осевых шеек от 20 до 60 кН (от 2 до 6 тс), а также создают крутящий момент, стремящий повернуть колесо [8].

Большое значение на образование дефектов на поверхности катания колес оказывает также напряженное состояние ее в результате тепловых нагрузок.

По данным отделения автотормозного хозяйства ВНИИЖТа, температура нагрева колес пассажирского вагона массой брутто 60 т при длительном торможении на спуске 0,025 протяженностью 30 км со скоростью движения 60 км/ч составляет на поверхности катания и на глубине 40 мм от нее соответственно 637° С и 540° С. На спусках 0,0250,036 температура нагрева обода колеса на глубине 5 мм от поверхности катания составила при опытах с чугунными колодками от 200 ° до 225 ° С, а с композиционными - от 355 ° до 5150С [8].

У колесных пар пассажирских вагонов повышенный нагрев колес по сравнению с колесами грузовых вагонов происходит не только вследствие больших скоростей движения, но и от применения двухстороннего торможения, при котором отвод тепла с поверхности обода при наличии композиционных колодок более затруднен.

Высокая температура нагрева поверхности катания при торможении оказывает также влияние на прочность колес, особенно в зоне перехода обода к диску.

Повышения скорости движения, нагрузки, образование на поверхности катания колес дефектов тормозного происхождения является первопричиной неравномерного износа поверхности катания колес по круговому периметру. Так как неравномерный прокат колес вызывает значительные перегрузки как элементов колесной пары, так и рельсового пути; его считают наиболее опасным видом дефекта колес для пассажирских вагонов (скорость 120 км/ч и выше), особенно на участках с повышенной жесткостью пути. Это делает актуальным вопрос повышения долговечности железнодорожных колес в связи с необходимостью повышения скорости подвижных составов.

Таблица 1.1

Применяемые и перспективные эксплуатационные показатели.

Показатель Применяемое значение Перспективное значение

1 2 3

Нагрузка на рельсы от колесной пары локомотивов, кН(тс) 224 (22,6) 248-267 (25-27)

Нагрузка на рельсы от колесной пары грузовых вагонов, кН(тс) 210(21,2) 228-247 (23-25)

Скорость движения подвижного состава, км/ч 90-160 250-400

1.2. Изменение качества поверхностного слоя поверхностей трения в процессе эксплуатации.

Проблема надежности и долговечности изделия является одной из главных и не полностью изученных тем [1, 13, 21, 31, 36, 48, 49, 63, 69, 88, 98]. 70-80% причин выхода из строя изделий объясняется износом их деталей. Очень часто затраты на ремонт превышают в несколько раз стоимость самого изделия [31, 88].

Трением, как первопричиной износа занимались и занимаются многие ученые мира: Браун Э.Д., Гаркунов Д.Н., Глезер А.В., Евдокимов Ю.А., Крагельский И.В., Михин Н.М., Хебда М., Чичинадзе А.В. и многие другие.

На процесс изнашивания деталей в первую очередь оказывает большое влияние состояние поверхностного слоя [28, 34, 40, 43, 55, 61, 81, 85]. Качество поверхностного слоя определяется следующими характеристиками: геометрией, физико-механическими и химическими свойствами. Качество поверхности трения обусловлено процессом изготовления деталей и влияет на их изнашивание, что определяет в значительной степени интенсивность изнашивания. Особенно велико значения качества поверхности в период приработки. При установившихся режимах трения формируется определенное состояние поверхностного слоя детали в зоне контакта. Происходит сглаживание наиболее выступающих неровностей, частичное или полное уничтожение предшествующих неровностей и установление новых, отличных от предшествующих по форме и размерам.

Начальный контакт двух поверхностей происходит по трем точкам, на которых сосредоточена первоначальная нагрузка. Из-за малой фактической площади контакта, напряжения в этих точках значительно

превышает напряжение сдвига. Эти напряжения значительно больше, чем предел текучести, что и вызывает начало пластических деформаций на вершинах выступов шероховатости вступивших в контакт [79].

При начале движения кроме пластических и упругих деформаций может наблюдаться микрорезание, что явно разрушает окисные пленки поверхностей и способствует возникновению сил молекулярного сцепления.

При установившимся движении и нагрузки постепенно уменьшается количество пластических деформаций и увеличивается количест