Содержание к диссертации
Введение
1. Технологические возможности повышения эффективности шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути 15
1.1. Анализ существующего способа шлифования рельсов 15
1.1.1. Шлифование как метод продления срока службы рельсов 15
1.1.2. Отечественный и зарубежный опыт шлифования рельсов 17
1.1.3. Технические характеристики и оборудование современных рельсошлифовальных поездов 20
1.1.4. Особенности процесса шлифования рельсов
1.2. Основные направления совершенствования технологии шлифования рельсов в пути 28
1.3. Повышение производительности операции шлифования рельсов 31
1.4. Повышение точности профилирования головки рельса 35
1.5. Формирование требуемого уровня качества поверхности 38
Выводы по главе 1 41
Цели и задачи исследований 42
2. Экспериментально-теоретический анализ процесса шлифования рельсов в условиях делезнодорожного пути 43
2.1. Методологические основы анализа процесса шлифования рельсов...43
2.2. Кинематика микрорезания при шлифовании рельсов торцом круга... 47
2.3. Силовая модель микрорезания при абразивной обработке 68
2.4. Аналитическое определение сил резания при шлифовании рельсов...73
2.5. Определение глубины резания шлифовальным кругом 76
2.6. Взаимосвязь сил резания с параметрами рабочего оборудования 80
2.7. Обобщенная математическая модель процесса шлифования рельсов торцом круга 86
Выводы по главе 2 з
3. Формообразование поперечного профиля головки рельса при плоском шлифовании торцом круга 89
3.1. Типовые ремонтные профили рельсов 89
3.1.1. Классификация ремонтных профилей 89
3.1.2. Геометрия ремонтных профилей
3.2. Фактический профиль рельса 94
3.3. Расчет ширины дорожки шлифования 97
3.4. Модель формообразования поперечного профиля головки рельса... 103
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 106
4. Влияние режимов и условий шлифования на эксплуатавдонные свойства рельсов 107
4.1. Формирование параметров качества поверхности при шлифовании
рельсов 107
4.1.1. Формирование шероховатости 108
4.1.2. Поверхностная твердость рельсов и её изменения при шлифовании 111
4.1.3. Влияние шлифования на остаточные напряжения в поверхностном слое головки рельса 113
4.1.4. Теплофизический анализ процесса шлифования рельсов 120
4.2. Влияние параметров качества поверхности на эксплуатационную стойкость рельсов 125
4.2.1. Методика проведения исследований 125
4.2.2. Контактно-усталостная прочность рельсов после шлифования 129
4.2.3. Влияние параметров качества поверхности на кинетику зарождения и распространения усталостных трещин 132
4.2.4. Износостойкость обработанной поверхности рельсов 136
4.3. Оценка взаимосвязи режимов и условий шлифования с эксплуатационными свойствами рельсов 136
Выводы по главе 4 141
5. Разработка высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути 143
5.1. Теоретико-экспериментальные основы к разработке нового технологического процесса шлифования рельсов 143
5.2. Направления разработки новой технологии 146
5.3. Разработка абразивных кругов для высокоскоростного шлифования
5.3.1. Разработка рецептуры и лабораторные испытания образцов для шлифовальных кругов 152
5.3.2. Исследование влияния способов формования на физико-механические свойства кругов 161
5.3.3. Изготовление шлифовальных кругов 162
5.4. Лабораторные исследования технологии высокопроизводительного шлифования рельсов 164
5.4.1. Общая методика исследований 164
5.4.2. Определение оптимального угла атаки 167
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5 171
6. Промышленная реализация технологии высокопроизводительного шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути 172
6.1. Автоматизированная система проектирования технологического процесса шлифования рельсов 172
6.1.1. Концепция системы проектирования технологии шлифования рельсов 172
6.1.2. Алгоритм расчета режимов шлифования 173
6.1.3. Разработка программного обеспечения 175
6.2. Разработка опытного образца рабочего оборудования рельсошлифовального поезда для реализации технологии высокопроизводительного шлифования рельсов 181
6.2.1. Модернизация шлифовальных электродвигателей 181
6.2.2. Изготовление частотного преобразователя 188
6.2.3. Проектирование металлоконструкции шлифовального блока. 189
6.2.4. Испытания опытного образца
6.3. Внедрение технологии высокопроизводительного шлифования рельсов 198
6.4. Технико-экономическая эффективность внедрение нового технологического процесса шлифования рельсов 200
Выводы по главе 6 212
Общие выводы 214
Список литературы
- Особенности процесса шлифования рельсов
- Определение глубины резания шлифовальным кругом
- Расчет ширины дорожки шлифования
- Теплофизический анализ процесса шлифования рельсов
Введение к работе
Актуальность проблемы. Российские железные дороги – одна из крупнейших железнодорожных магистралей мира, являющаяся ключевым звеном транспортной системы нашей страны.
Наиболее дорогостоящим и ответственным элементом железнодорожного пути, состояние которого в первую очередь определяет бесперебойное и надежное движение поездов, являются рельсы. Для поддержания рельсового хозяйства в исправном состоянии ежегодно требуется более 3 миллионов тонн новых рельсов. В современных условиях эксплуатации железных дорог с ростом скоростей движения и грузонапряженности потребность в новых рельсах с каждым годом только возрастает, поэтому задача продления жизненного цикла рельсов имеет огромное значение для путевого хозяйства железнодорожной отрасли.
Перспективным направлением в решении данной проблемы является технология шлифования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов, позволяющая производить механическую обработку головки рельсов без их демонтажа в условиях железнодорожного пути.
Перечень дефектов рельсов, удаляемых шлифованием с применением данной технологии, достаточно обширен и включает: волнообразные износы, механические повреждения, смятия и отслоения металла. При этом, одной из главных целей шлифования является формирование поперечного профиля рельсов. Периодическая корректировка профиля шлифованием позволяет обеспечить наилучший контакт колеса с рельсом, равномерно распределить внутренние напряжения по поверхности рельса и тем самым продлить его эксплуатационный ресурс на 15…20 %.
Эксплуатационные свойства рельсов определяются противодействием образованию и развитию трещин, контактно-усталостных дефектов и износа, возникновение которых в значительной степени зависит от качества профилирования головки рельса. В соответствии с нормативно-технической документацией, точность формируемого поперечного профиля рельсов и шероховатость обработанной поверхности являются основными критериями, определяющими качество выполнения работ по шлифованию рельсов. Формирование поперечного профиля рельса осуществляется несколькими абразивными инструментами, одновременно работающими по схеме плоского шлифования торцом круга (на рельсошлифовальных поездах типа РШП-16 – 8 кругов на одну рельсовую нить, РШП-48 – 24 круга, РШП-112 – 56 кругов). С учетом того, что условия работы шлифовальных кругов различны, проблема обеспечения требуемых параметров качества по всей поверхности головки рельса до настоящего времени остается не решенной.
Применение технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути усложняется необходимостью закрытия целых перегонов для движения поездов (организация технологических «окон»). Это приво-3
дит к значительным убыткам, связанным с ограничением пропускной способности участков пути, задержкой движения и снижением скорости перевозок. Уменьшение этих издержек может быть обеспечено за счет повышения производительности рельсошлифовальных поездов, позволяющей сократить продолжительность «окон».
На основании вышеизложенного, вопрос создания новой высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, формирующей повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет обеспечения качества их профилирования является первоочередной и актуальной проблемой для путевого комплекса отрасли.
Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний день вопросу шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути посвящена одна монография, изданная в Германии в 1992 году под редакцией Хайнца Функе, посвященная общим вопросам профилирования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов. Развитием теории шлифования рельсов в России занимались такие ученые как В.Г. Альбрехт, Л.Г. Крысанов, Л.П. Мелентьев, Д.Г. Евсеев, С.Н. Корчак, В.А. Аксенов, Н.М. Султан-Заде, В.В. Райт, В.А. Шаламов и др., а так же научные школы ВНИКТИ и ВНИИЖТ. Проводимые исследования касались различных аспектов рельсошлифования, однако с позиции технологии машиностроения этот процесс рассматривался в единичных случаях, а основная часть работ была нацелена в большей степени на организационно-технические мероприятия. Исследования же направленные на повышение эффективности процесса шлифования рельсов и, в частности, на увеличение производительности рельсошлифовальных поездов и обеспечение качества профилирования рельсов практически не проводились.
Таким образом, создание новой высокопроизводительной технологии шлифования рельсов сдерживается отсутствием научно-методических основ, позволяющих производить анализ процесса шлифования рельсов и оценивать эффективность тех или иных технологий, что еще раз подтверждает актуальность данной работы.
Цель работы – обоснование и разработка научно-методических основ высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, формирующей повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет обеспечения качества их профилирования.
Объект исследования – технология шлифования рельсов торцом круга в условиях железнодорожного пути во взаимосвязи с процессом формирования эксплуатационных свойств рельсов.
Предмет исследований – методы и средства технологического обеспечения повышения эффективности процесса шлифования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов.
Методы и средства исследований. Работа базируется на основных положениях технологии машиностроения, теории резания и теории разру-4
шения. В теоретических исследованиях использованы также численные методы аналитической и дифференциальной геометрии, теоретической механики, теории вероятностей и математического анализа.
Экспериментальные исследования основаны на методах механических испытаний металлов на циклическую прочность, износостойкость и трещиностойкость, металлографии и методов определения физико-механических свойств металлов и микрогеометрических параметров обработанной поверхности. Экспериментальные исследования проводились на оборудовании общего и специального назначения, включая оригинальные разработки. Все используемое оборудование проходило калибровку и метрологическую аттестацию в ФГУП «СНИИМ».
Научная новизна работы состоит в решении актуальной научной проблемы - разработке научно-методических основ высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, позволивших сформировать комплекс научно обоснованных технических и технологических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие железнодорожной отрасли и экономики страны в целом за счет повышения эффективности эксплуатации, содержания и ремонта железнодорожного пути. Новыми научными результатами работы являются следующие:
разработан комплекс математических моделей процесса шлифования рельсов учитывающих особенности обработки в условиях железнодорожного пути, заключающиеся в упругой подвеске шлифовальных головок и большой протяженности обрабатываемой поверхности, позволяющих использовать глубину резания в качестве управляемого параметра механической обработки через усилие прижатия шлифовального круга к рельсу;
разработана модель формообразования поперечного профиля головки рельса несколькими инструментами, работающими по схеме плоского шлифования торцом круга, учитывающая технологическое наследование после обработки каждым абразивным кругом;
выявлены закономерности изменения эксплуатационных свойств головки рельса после шлифования по критериям циклической трещино-стойкости, контактно-усталостной прочности и износостойкости в зависимости от параметров качества поверхности;
предложен и обоснован метод обеспечения повышенных эксплуатационных свойств рельсов за счет формирования требуемой шероховатости на отдельных участках головки рельса, воспринимающих различные виды нагружения в процессе эксплуатации;
разработана технология высокопроизводительного процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, результаты теоретических и экспериментальных исследований рациональных условий осуществления этого процесса, обеспечивающего повышенные эксплуатационные свойства рельсов.
Практическая ценность работы. По результатам проведенных исследований разработаны:
высокопроизводительный технологический процесс шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, обеспечивающий повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет формирования требуемой шероховатости обработанной поверхности, определяемой в зависимости от условий эксплуатации рельсов. Новый технологический процесс позволил увеличить эксплуатационный ресурс рельсов до 30...40%, снизить эксплуатационные расходы на 15...20 % за счет экономии абразивного инструмента, расходных материалов и топлива;
рабочее оборудование рельсошлифовального поезда для реализации высокопроизводительного технологического процесса, позволяющее увеличить рабочую скорость рельсошлифовального поезда с 6...8 км/ч до 12... 15 км/ч при величине съёма металла 0,25...0,30 мм/ход. Реализация разработанной технологии с помощью нового рабочего оборудования позволяет повысить эффективность выполнения работ по следующим критериям: увеличение производительности шлифования рельсов в 2...2,5 раза, сокращение в 1,5.. .2 раза времени производства работ в «окно»;
автоматизированная система проектирования технологических процессов шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Её применение позволяет реализовать принципиально новый подход в планировании технологических воздействий, выборе режимов и условий шлифования, заключающийся в обеспечении повышенного уровня эксплуатационных свойств рельсов с максимальной производительностью, за счет обеспечения качества профилирования рельсов.
Реализация результатов работы. Проведена модернизация рабочего оборудования рельсошлифовального поезда РШП-16К под технологию высокопроизводительного шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. В ходе модернизации реализована возможность обеспечения угла атаки 1,5 шлифовальному кругу, а также изменения его частоты вращения в диапазоне 3600 + 6000 об/мин с увеличением мощности привода шлифовальной головки с 15 до 25 кВт. Конструктивные особенности РШП-16К позволили технологически реализовать рабочую скорость до 12 км/ч, что превышает штатную рабочую скорость поезда в 2 раза.
Компактность, мобильность и высокая производительность модернизированного рельсошлифовального поезда позволили в значительной степени расширить область его применения.
Используемые при модернизации технические и технологические решения защищены патентами на изобретения и полезные модели (RU 2391458 СI; RU 61722 Ul; RU 84856 U1). Результаты исследований внедрены на предприятиях и в филиалах ОАО «РЖД». Общий экономический эффект от использования результатов составляет 16 млн. рублей в год на один рельсошлифовальный поезд типа РШП-16 (по ценам 2011 года).
Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Положения, выносимые на защиту:
научно-методические основы высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути;
комплекс моделей процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути выявляющие взаимосвязи параметров технологического процесса;
модель формообразования поперечного профиля головки рельсов шлифованием несколькими абразивными инструментами, работающими по схеме плоского шлифования торцом круга;
результаты экспериментальных и теоретических исследований выявляющих закономерность формирования шероховатости обработанной поверхности и её взаимосвязь с параметрами технологического процесса;
результаты экспериментальных исследований выявляющих закономерности изменения эксплуатационных свойств отшлифованных участков головки рельса по критериям циклической трещиностойкости, контактно-усталостной прочности и износостойкости;
методику проектирования технологических процессов шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути;
высокопроизводительный технологический процесс шлифования рельсов и результаты теоретических и экспериментальных исследований рациональных условий осуществления этого процесса;
результаты модернизации рабочего оборудования рельсошлифо-вального поезда для реализации высокопроизводительного технологического процесса и результаты его промышленных испытаний.
Апробация работы. Материалы диссертации и основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конгрессах, конференциях и симпозиумах международного и российского уровней, в том числе: «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (Новосибирск, 2002), «Технологические процессы и материалы в машиностроении и приборостроении» (Москва, 2003), «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2003), «Актуальные проблемы развития транспорта России: стратегические, региональные, технические» (Ростов-на-Дону, 2004), «Современные проблемы машиностроения» (Томск, 2004), «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (Оренбург, 2005), «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2010), «Симпозиум по трибофатике МСТФ 2010» (Минск, 2010), «Политранспортные системы» (Красноярск, 2011).
Работа в целом обсуждена на сетевых школах ОАО «РЖД» по освоению передового опыта содержания рельсового хозяйства и эксплуатации рельсошлифовальных поездов (2008-2010 гг.), объединенных научных семинарах кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» и НИЛ «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» СГУПС (Новосибирск, 2008-2012), расширенном заседании кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» МГУПС (МИИТ) (Москва, 2012); межкафедральном семинаре машиностроительного факультета СГТУ им. Ю.А. Гагарина (Саратов, 2013).
Личный вклад автора. Основой диссертации послужили теоретические, экспериментальные исследования и производственные испытания. Диссертант внес определяющий вклад в постановку, обоснование и осуществление программ исследований. Он является автором основных положений научно-методических основ, а также идей и выводов, изложенных в работе, что подтверждается публикациями и патентными документами.
В диссертации обобщены результаты экспериментальных исследований, выполненных автором самостоятельно и вместе с сотрудниками научной группы. Некоторые работы выполнены в рамках договоров и при участии следующих организаций: ОАО «РЖД» его филиалы и структурные подразделения, ОАО «Калужский завод «Ремпутьмаш», ЗАО «Эра-сиб», ПИФ «Элкон», ООО «Festo-РФ», ООО «Siemens» и др.
Автор принимал непосредственное участие в разработке моделей и методик, проведении экспериментов, обработке результатов и их интерпретации, создании экспериментальных установок и опытно-промышленного оборудования, внедрении их в производство. Автору принадлежит также написание статей и докладов. Результаты теоретических исследований, представленные в диссертации, принадлежат автору и выполнены на основе личного научного творчества.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, в том числе: 15 публикаций в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 7 патентов на изобретения и полезные модели.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов и приложений. Общий объем работы составляет 331 страницу машинописного текста, содержит 89 иллюстраций и 27 таблиц. Приложения на 97 листах. Список цитируемой литературы включает 149 наименований.
Особенности процесса шлифования рельсов
На железных дорогах США с большой грузонапряженностью шлифование рельсов применяют для удаления усталостных трещин и профилирования головки рельсов. При этом периодичность работ по рельсошлифованию составляет 20- -40 млн. т брутто в кривых малого и среднего радиусов и 40- 80 млн. т брутто в кривых большого радиуса и на прямых участках пути [146, 149].
Для предотвращения развития контактно-усталостных дефектов в рельсах компания «Loram Maintenance of Way Inc» при участии национального исследовательского совета Канады предложила применять, так называемое, однопроходное шлифование рельсов с удалением металла по поверхности катания толщиной 0,05-Ю, 15 мм и с внутренней рабочей выкружки толщиной 0,1-Ю,2 мм.
На английских и французских железных дорогах шлифование рельсов подразделяют на: шлифование новых рельсов после их укладки для устранения заводских дефектов; планово-предупредительное шлифование, позволяющее удалить дефекты, которые в последствии приводят к образованию микротрещин; ремонтно-восстановительное шлифование, нацеленное на профилирование головки рельсов. При этом работы по шлифованию рельсов проводятся со скоростью 1 И,2 км/ч при глубине резания 0,1-Ю,4 мм/ход [143].
В Германии, на сети федеральных железных дорог шлифование рельсов, как правило, производится для удаления коротких волнообразных неровностей на высокоскоростных участках пути [15,72, 143].
Применение технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути усложняется необходимостью закрытия целых перегонов для движения поездов (организация технологических «окон»). Это приводит к значительным убыткам, связанным с ограничением пропускной способности участков пути, задержкой движения и снижением скорости перевозок. Уменьшение этих издержек может быть обеспечено за счет повышения производительности рельсошлифовальных поездов, позволяющей сократить продолжительность «окон». В этой связи, для процесса шлифования рельсов, во всем мире до сих пор остается актуальным вопрос повышения производительности.
Так, на железной дороге «Union Pacific» стремятся довести скорость выполнение работ по шлифованию рельсов до 12,8 км/ч с применением современного оборудования. На железной дороге «Burlington Northern», модернизируя рабочее оборудование фирмы «Loram», рассчитывают повысить скорости выполнения работ на 3,2 км/ч, тем самым увеличить её до 8-И? км/ч. Фирмой «Pandrol Jacksons Technologies» ведутся работы по созданию рельсош лифовальных поездов с рабочей скоростью 16 км/ч и более.
На сегодняшний день в мире представлены машины и технологии шлифования рельсов наиболее известных фирм: «Fairmont Railway Loram», «Jackson Jordan Inc.», «Pandrol Jacksons Technologies», «Pllasser & Theurer» и др. Фирма «Speno International SA», в настоящее время, является лидером в области шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Именно она предложила технологию обработки рельсов в пути с применением схемы плоского шлифования торцом круга.
В России этот способ получил распространение в середине 1980-х годов, с появлением на горьковской железной дороге рельсошлифовального поезда URR-112 производства швейцарской фирмы «Speno». Однако, становление профильного шлифования на отечественных железных дорогах как самостоятельной операции по восстановлению служебных свойств рельсов произошло только в 1994 году в соответствии с приказом МПС № 12Ц.
Динамичное развитие направления шлифования рельсов в России, потребовало разработки регламентирующих документов определяющих периодичность, последовательность и качество выполняемых работ. В 1999 году Министерством путей сообщения России разработана и утверждена единая нормативно-техническая документация на профильное шлифование рельсов в условиях железнодорожного пути, разработанная Департаментом пути и сооружений и являющаяся основным регламентирующим документом до настоящего времени. Её основой стала технология фирмы «Speno» и опыт эксплуатации рельсошлифовальных поездов, полученный на европейских железных дорогах. Учитывая несоответствие российских и европейских стандартов на рельсы, в технологию были внесены изменения и проведена адаптация к местным условиям эксплуатации, но ожидаемого эффекта это не принесло. Это объясняется отсутствием в нормативной документации каких либо рекомендаций по назначению режимов шлифования для определенных условий обработки рельсов и критериев контроля качества выполняемых работ. Кроме того, несмотря на большую номенклатуру дефектов, удаляемых профильным шлифованием, основой проектирования технологического процесса в существующей нормативной документации служит формирование требуемого поперечного профиля. При этом ряд ремонтных профилей не гарантирует устранение дефектов контактно-усталостной группы. Это может привести к изъятию рельсов по причине вскрытия дефектов находящихся под поверхностным слоем. В связи с этим, не смотря на то, что кроме директивных указаний, в настоящее время, на Российских железных дорогах действует множество технических условий, включающих работы по шлифованию рельсов, на практике это не позволяет выберать оптимальные режимы и условия шлифования, что отражается на производительности, качестве обработки и на эффективности операции в целом.
Определение глубины резания шлифовальным кругом
Различными вопросами абразивной обработки занимались многие научные школы. В области теоретического анализа процесса шлифования широко известны работы А.А. Маталина, A.M. Дальского, Г.И. Грановского, П.И. Ящерицына, Л.В. Худобина, А.В. Подзея, А.Н. Резникова, Е.Н. Маслова, В.А. Сипайлова, С.Н. Корчака, Д.Г. Евсеева, А.В. Королева, В.А. Аксенова, Н.М. Султан-Заде, И.В. Крагельского, З.И. Кремня, В.Ф. Максарова, А.Н. Мартынова, Ю.К. Новоселова, В.М. Оробинского, В.К. Старкова, А.Г. Суслова, А.В. Якимова, и др.
Указанные в первой главе особенности процесса профильного шлифования рельсов показывают, что при решении практических задач повышения эффективности операции рельсошлифования, использование, в полной мере, полученных данных различными авторами затруднительно, в силу их узкой направленности для конкретных видов и условий шлифования.
Различные процессы, сопутствующие шлифованию рельсов (термические, деформационные и т.д.) требуют создания соответствующих моделей, учитывающих силовое и температурное воздействие. Конструирование подобных моделей, а также выявление их внутренних взаимосвязей в общей технологической системе необходимо проводить на базе системного подхода, широко применяемого в технике для комплексного анализа сложных систем. Концепцию системного подхода к теоретическому и экспериментальному моделированию процесса шлифования рельсов в пути необходимо разработать с учетом специфики механической обработки рельсов рельсошлифовальными поездами РШП. Системный подход при моделировании заключается в структурном разбиении процесса на подпроцессы, их моделировании и установлении взаимосвязей между ними. Комплекс моделей должен включать в себя статическую и динамическую инструментальные, кинематическую, механическую и теплофизическую модели, основные характеристики и взаимосвязи которых приведены на рис. 2.1. При этом моделирование требует учета принципиальных особенностей процесса профильного шлифования рельсов. ) РЕУІЬС
Решение задач оптимизации и повышения эффективности процесса шлифования рельсов, требует разработки и совершенствования методических принципов, методов и средств получения и анализа исходной информации.
Теоретические зависимости составляют один из элементов оптимизационной модели шлифования и основой для разработки новых технологических процессов. Однако задачи оптимизации и повышения эффективности рельсошлифования настолько сложны и разнообразны, что информации полученной из теоретических моделей, для их постановки и решения будет не достаточно. Сложность заключается в необходимости одновременного выполнения целого ряда требований, зачастую противоречивых по своему характеру. Эти требования количественно выражаются в виде показателей процесса, которыми он оценивается, как правило, экспериментально. Поэтому необходимо применить системный подход к анализу экспериментальных и теоретических зависимостей, который позволит найти рациональную область режимов резания, разработать технологические рекомендации по их применению и на основе этих рекомендаций определить оптимальные условия операции в виде рабочих циклов профильного шлифования рельсов.
Первым шагом для решения такой задачи является изучение физической основы процесса шлифования рельсов с целью определения его технологических возможностей, что в методическом плане осуществляется моделированием процесса шлифования микрорезанием единичным абразивным зерном в широком диапазоне режимов обработки. Такой подход позволит достичь основной цели исследования - повышения эффективности процесса шлифования рельсов в пути.
Шлифование, с точки зрения физических процессов, происходящих в поверхностных слоях обрабатываемой поверхности, является наиболее сложным процессом механической обработки. Следовательно, для обеспечения требуемого качества обрабатываемой поверхности рельса и максимальной производительности при обработке, необходимо создать расчетную модель процесса, позволяющую учитывать комплексное влияние всех основных параметров процесса во взаимодействии между собой. Технологический процесс шлифования рельсов характеризуется определенными группами показателей (рис. 2.2): характеристиками обрабатываемого материала рельса (размеры обрабатываемой поверхности, теплофизические свойства и физико-механические), параметрами шлифовального инструмента (форма и размеры абразивного круга, материал связки, марка абразива, зернистость, твердость), режимами шлифования (продольная подача, усилие прижатия круга, частота вращения круга); выходными параметрами (качество поверхности и производительность шлифования). Для построения адекватной математической модели процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути требуется учесть влияние всех вышеуказанных параметров на основе сочетания экспериментальных и теоретических исследований.
Расчет ширины дорожки шлифования
Следует отметить, что фактическое расстояние между рабочими зернами, контактирующими с обрабатываемой поверхностью /, всегда бывает больше среднего /ср, т.к. соседние зерна, расположенные на одном расстоянии от оси вращения абразивного круга, лишь случайно могут располагаться в одной плоскости.
Из общего числа абразивных зерен в круге, принимаемого за 100 % можно выделить режущие, давящие и нережущие зерна. Под рабочими зернами, контактирующими с обрабатываемой поверхностью в определенный момент времени будем понимать сумму режущих и давящих зерен. По разным данным их количество варьируется от 20 до 35 % от общего количества зерен. Среди них только порядка 10 % режущих зерен [51,79,83]. Вылет зерна от плоскости может иметь усредненные значения: h d U 3d средние зерна "і о + Л выстУпа1Щие зерна "г . д h d углубленные зерна h . , д Из-за малой величины А, ею можно пренебречь ( =0).
Таким образом, в определенный момент времени, контактировать с обрабатываемой поверхностью будут только зерна со средним заглублением hj, в силу выкрашивания из связки выступающих зерен /г2 и не доставання до обрабатываемой поверхности углубленных зерен h3, которые и будут являться нережущими. При этом фактическое расстояние / будет определяться между рабочими зернами со средним заглублением hj. Исходя из того, что при шлифовании рельсов абразивный крут работает преимущественно в режиме самозатачивания, с большими нагрузками, а так же с учетом структуры абразивного инструмента на основе экспериментальных данных [83], принимаем, что вероятно-статистическое количество рабочих зерен составляет 25 % от их общего числа. В этом случае фактическое расстояние между рабочими зернами можно определить как:
Таким образом, с учетом (2.7) и (2.10) формулу для определения количества рабочих зерен контактирующих с обрабатываемой поверхностью в пределах дуги контакта, в соответствии с зависимостью (2.9) можно представить в следующем виде: 6d. СШ) Общее количество работающих абразивных зерен зависит от площади взаимодействия шлифовального круга с рельсом. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что после приработки шлифовального круга его рабочая поверхность приобретает форму усеченного конуса (рис. 2.6, а), уклон которого определяется глубиной резания. В свою очередь, поперечное сечение головки рельса представляет собой совокупность сопряжений поверхностей различного радиуса Rnp (рис. 2.6, б). а) б)
Представим рабочую торцевую поверхность шлифовального круга плоскостью m-m, секущей поверхность головки рельса в виде цилиндра радиусом R„p. С учетом того, что секущая плоскость непараллельна образующей цилиндра сечение будет иметь форму эллипса, меньшая полуось которого равна значению радиусу цилиндра R„p. Таким образом, площадь взаимодействия шлифовального круга с рельсом будет описываться участком эллипса, размеры которого будут зависеть от ширины дорожки шлифования и радиуса скруглення участка головки рельса, который подвергается обработке (рис. 2.7).
Каноническое уравнение эллипса имеет вид: 2 х У і ь — = 1 а2 Ьг (2.12) Зная значение малой полуоси эллипса (b=R„p), определим значения большей полуоси а. Для этого определим координаты точки А(х; у) относительно полюса О : x = rvcosS/2 + Ax, \у = В/2, 213 где Ах - величина смещения центра эллипса относительно центра шлифовального круга по оси х, мм (Ах=а ± RKp). УЧУ Рисунок 2.7 - Схема к определению площади контакта шлифовального круга с рельсом Подставив значения полученных координат в уравнение (2.12) и решив его относительно а получим: кр а rKpcosS/2 + RKD_ М#/202-Г (2.14) Формулой (2.9) определено, что количество зерен в пределах дуги контакта J зависит от её длины. Из схемы (рис. 2.7) видно, что длина дуги контакта абразивного зерна с поверхностью рельса будет уменьшаться по мере её удаления от оси вращения круга, следовательно, будет уменьшаться и количество рабочих зерен в пределах этой дуги. Определим длину дуги контакта при движении единичного зерна по траектории, описываемой радиусом Rj (рис. 2.7) с текущими координатами (х,; у,). В соответствии с выражением (2.7) эта задача сводится к определению угла J, между радиус-векторами точек Aj и А ,.
Координаты точки Д в системе координат XOY описываются параметрическими уравнениями: X, = Я, COS,/2, jj/,=fl,sin,/2. 215 Так же точка Л, находится на эллипсе, описываемом уравнением (2.12) в системе координат XO Y . Подставив значения координат (х,-; yf) из системы (2.15) в уравнение (2.12), с учетом смещения координаты х, на величину Ах значение угла 6t можно определить из уравнения: ( cosJ,/2±Aj2 , (Л, sin «У,/2) 7 Ї = (216 Для определения общего количества работающих зерен разобьем ширину круга Я на и колец (рис. 2.8). При этом принимаем расстояние между Рисунок 2.8 - Схема к определению общего количества абразивных зерен кольцами равное половине диаметра зерна, т.е. п — 1Hjd3.
Теплофизический анализ процесса шлифования рельсов
Как уже было отмечено раннее, одной из особенностей профильного шлифования рельсов в пути является силовой характер замыкания кинематической цепи шлифовальный круг - поверхность рельса. При этом задание и контроль усилия прижатия шлифовального круга к рельсу осуществляется по токовой нагрузке на электродвигателе шлифовальной головки. Эти принципиальные отличия от процесса шлифования на станках в стационарных условиях не позволяют задавать глубину резания при формировании технологического процесса.
Таким образом, решение задачи назначения оптимальной глубины резания при шлифовании рельсов сводится к определению силы тока на обмотках электродвигателя, при которой будет осуществляться требуемое усилие прижатия абразивного круга к обрабатываемой поверхности.
В качестве исходных данных для решения этой задачи служат значения сил резания Fz и Fy, определяемые по выражениям (2.66) и (2.67) с учетом режимов обработки, параметров шлифовального круга и обрабатываемого материала рельса. Эти силы резания определяют мощность на валу электродвигателя через момент сопротивления М: Рдв=М-СО, (2.70) где М - момент сопротивления, создаваемый силами резания на валу электродвигателя, Нм; со - угловая скорость шлифовального круга, с"1. Общий момент сопротивления М складывается из суммы моментов Mv и М2 от сил резания Fy и Fz. Для определения составляющих моментов спроецируем эти силы на плоскость перпендикулярную оси вращения шлифовального круга. Проекция силы Fy будет представлять точку на плоскости и соответственно Му=0. Момент от силы Fz будет определяться по следующей формуле: Mz=Fz-lz, (2.71) где 1г - плече силы Fz, определяющее расстояние от точки приложения силы до оси вращения шлифовального круга, мм. Для плоского шлифования торцом круга lz=(RKp+rKp)l2.
Выразим угловую скорость ш, через скорость вращения шлифовального круга vcp, а значение М в формуле (2.70) заменим на Mz, тогда формулу для определения мощности на валу электродвигателя можно представить в следующем виде:
Таким образом, получена формула, позволяющая определять токовую нагрузку на обмотках электродвигателя, значение которой должно обеспечить требуемую глубину резания шлифовальным кругом при шлифовании с заданными режимами.
Для оценки справедливости зависимостей (2.66) и (2.75) произвели сравнение расчетных и экспериментальных данных. При этом в силу особенностей рабочего оборудования рельсошлифовального поезда усложняющих проведение эксперимента, настроечным параметром являлась токовая нагрузка / на шлифовальный электродвигатель. Выходными параметрами были глубина резания t и ширина дорожки шлифования В, которые определялись измерением поперечного профиля рельса до и после шлифования. Методика измерений в данных исследованиях соответствует методике изложенной в разделе 2.5.
В связи с этим последовательность расчета заключалась в определении по формуле (2.75) силы резания Fz при заданных силе тока / и последующем расчете по формуле (2.66) глубины резания tp для полученного значения Fz и заданного В.
Для возможного диапазона значений ширины дорожки шлифования произведен расчет токовой нагрузки электродвигателя и соответствующей ей глубине резания. Расчет производился для штатных режимов обработки: средняя скорость резания vcy=37,5 м/с, скорость рельсошлифовального поезда 5"„= 133 м/мин, марка шлифовального круга 35-250x76x150 38А 125 ВТ1 БУ.
Исходные данные и результаты исследований представлены в приложении 2. В качестве критерия точности представленной модели примем показатель средней относительной ошибки, которую определим по формуле: " А =-У ср пЬ где tcpi - i-e экспериментальное значение, мм; tpi - i-e расчетное значение, мм.
Результаты расчета по формуле (2.76) показывают, что среднее относительное отклонение расчетных значений от фактически полученных составляет 10,28 %, что обеспечивает достаточную точность результатов.
В графическом виде результаты исследований показаны на рисунке 2.19. Из графика видно, что максимальная сходимость расчетных и экспериментальных значений обеспечивается в диапазоне глубин резания 0,15-0,25 мм. При выходе значений t за пределы указанного диапазона, отклонения начинают увеличиваться. Объясняется это тем, что основой формулы (2.66), по которой определялась глубина резания t, является сила действующая на единичное зерно F z, которая определялась из условия работы шлифовального круга в режиме самозатачивания. На практике же получается, что при уменьшении глубины резания ниже оптимального значения, удельной силы недостаточно для удаления абразивного зерна из связки и происходит его износ. Таким образом, шлифовальный круг переходит в режим работы с частичным самозатачиванием. При очень малых значения глубины резания это может привести к засаливанию шлифовального круга.
