Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ формирования эксплуатационных свойств рельса при его обработке шлифованием
1.1. Динамика дефектообразования и износа рельсов при различных условиях эксплуатации 9
1.2. Технология шлифования рельсов в пути как метод повышения их эксплуатационных свойств 18
1.3. Влияние шлифования на эксплуатационные свойства изделия
1.3.1. Формирование поверхностного слоя металла в процессе шлифования 22
1.3.2. Влияние шлифования на износостойкость поверхностного слоя 27
1.4. Анализ эффективности и области использования упрочняющих технологий на основе высокоэнергетического 31
воздействия Выводы по главе. Цели и задачи исследований 39
ГЛАВА 2. Влияние тепловых процессов при шлифовании на свойства поверхностного слоя
2.1. Особенности теплового баланса при плоском торцовом шлифовании 41
2.1.1. Схема теплообразования 43
2.1.2. Тепловые дефекты шлифуемой поверхности 45
2.2. Определение температуры в зоне шлифования 53
2.2.1. Анализ существующих методов измерения температуры... 53
2.2.2. Описание принятых, метода и схемы измерения температуры 56
2.3. Влияние условий процесса шлифования на основные параметры теплового процесса в поверхностном слое 59
2.3.1. Исследование режимов шлифования в лабораторных условиях 59
2.3.2. Оценка результатов исследований 60
2.3.3. Влияние теплового процесса на физико-механические свойства поверхностного слоя головки рельса 63
2.4. Формирование математической модели расчета режимов шлифования на основе управления термонапряженным состоянием поверхностного слоя головки рельса 71
Выводы по главе 72
ГЛАВА 3. Влияние параметров комбинированной обработки на эксплуатационный ресурс рельса
3.1. Формирование свойств поверхностного слоя в процессе высокочастотного индукционного нагрева после шлифования 74
3.2. Определение износостойкости изделия 82
3.2.1. Описание установки 82
3.2.2. Методика проведения испытаний и оценка результатов 85
3.2.3. Порядок проведения испытаний 87
3.3. Оценка результатов комбинированного воздействия 87
3.3.1. Металлографический анализ 87
3.3.2. Определение износостойкости рельса после комбинированной обработки 88
Выводы по главе 91
ГЛАВА 4. Практическое использование результатов исследований
4.1. Система автоматизированного проектирования технологического процесса шлифования рельсов в пути 92
4.2. Практические рекомендации по использованию комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути с использованием высокоэнергетического нагрева 104
4.3. Эффективность применения комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути 107
Выводы по главе 111
Заключение 112
Список литературы
- Формирование поверхностного слоя металла в процессе шлифования
- Определение температуры в зоне шлифования
- Определение износостойкости изделия
- Практические рекомендации по использованию комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути с использованием высокоэнергетического нагрева
Введение к работе
10 2> Ъ S"
Актуальность работы
Для сети железных дорог, где преобладает грузовое движение, свойственно наличие высоконагруженных участков, которые характеризуются, в основном, дефектами контактно-усталостной группы в прямых, пробоксовинами и ползунами на затяжных подъемах и спусках, боковым износом в кривых.
На сегодняшний день для придания профилю головки рельса нужной геометрии (ремонтный профиль) и удаления контактно-усталостных дефектов с поверхности катания используется технология шлифования рельсов в пути фирмы «Speno». Ограниченные возможности данной технологии, в частности, отсутствие гибкой системы назначения параметров процесса шлифования для участков пути с различными эксплуатационными характеристиками, не всегда приводят к положительному результату. Так, удаление поверхностного слоя металла головки рельса, содержащего дефекты контактно-усталостной группы, приводит к снижению твердости поверхности катания, главным образом за счет высоких температур в зоне резания. В кривых малого радиуса шлифование проводят только на ненагруженном рельсе. Упорный рельс не подвергается механической обработке, по причине повышенного естественного износа в процессе эксплуатации.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости совершенствования существующей технологии шлифования рельсов в пути, позволяющей не только удалять дефектный слой, но и обеспечивать повышенную износостойкость рельсов на высоконагруженных участках железной дороги. Таким образом, разработка технологии шлифования рельсов в пути, обеспечивающей повышенные эксплуатационные свойства в формируемом слое, является первоочередной и актуальной задачей для путевого комплекса отрасли.
ЕЧГ .,-.Г. СГ'.Л 2C3fPC
' " — мі - і
4 Цель и задачи исследования
Целью данной работы является: совершенствование технологического процесса шлифования рельсов на основе управления термонапряженным состоянием поверхностного слоя и разработка новой технологии с применением высокоэнергетического нагрева, позволяющие формировать поверхность катания головки рельса с повышенной эксплуатационной стойкостью.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
-
Исследовать динамику износа и дефектообразования на высоконагруженных участках пути, а также параметры технологического процесса при их ремонте шлифованием.
-
Определить уровень термического воздействия при различных режимах шлифования и их влияние на формирование физико-механических свойств поверхностного слоя головки рельса.
-
Разработать математическую модель расчета режимов шлифования на основе управления термонапряженным состоянием поверхностного слоя головки рельса.
-
Исследовать возможность применения высокоэнергетического воздействия в технологическом процессе шлифования рельсов в пути.
-
Разработать метод физического моделирования контактного взаимодействия колеса с рельсом с целью оценки эффективности используемых и разрабатываемых технологий шлифования рельсов в пути.
-
Разработать комбинированный технологический процесс ремонта рельсов в пути, позволяющий повысить их эксплуатационную стойкость.
-
Разработать рекомендации по практическому применению полученных результатов.
5 Научная новизна работы
-
Экспериментально установлены закономерности, определяющие влияние режимов обработки (частоты вращения шлифовального круга, подачи (скорости поезда) и глубины резания) в процессе шлифования рельсов в пути на температуру в зоне резания и ее влияние на формирование физико-механических свойств поверхности головки рельса.
-
Разработана математическая модель расчета режимов шлифования на основе управления термонапряженным состоянием поверхностного слоя головки рельса.
-
Предложен новый технологический процесс комбинированной обработки рельсов, основанный на совмещении шлифования и высокоэнергетического воздействия на поверхность головки рельса в пути.
Практическая ценность
Разработан и прошел промышленную апробацию комбинированный технологический процесс шлифования рельсов в пути, обеспечивающий существенное повышение эксплуатационной стойкости рельсов в пути за счет формирования поверхностного слоя с повышенной износостойкостью.
Внедрение предложенных рекомендаций позволяет:
- продлить эксплуатационный ресурс рельсов на 35 % от нормативного;
- получить экономический эффект 64,1 тыс. р./(кмтод) за счет продления
эксплуатационного ресурса рельса в пути.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментальных исследований взаимосвязи режимов шлифования рельсов в пути с уровнем температуры в поверхностном слое головки рельса.
-
Результаты экспериментальных исследований по определению характера распространения температуры в поверхностном слое головки рельса и ее влияние на величину остаточных напряжений в поверхностном слое.
-
Результаты экспериментальных исследований влияния комбинированной обработки рельсов в пути на увеличение эксплуатационного
ресурса рельсов за счет повышения износостойкости поверхности катания головки рельсов.
-
Методика и алгоритм расчета оптимальных режимов шлифования рельсов в пути на основе обеспечения повьппенной износостойкости поверхности катания головки рельса.
-
Практические рекомендации по назначению параметров комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути, обеспечивающих повышенный уровень эксплуатационных свойств рельсов.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: региональной, научно-практической конференции «Вузы Сибири и Дальнего Востока - Транссибу» (г. Новосибирск, 2002 г.); 43-й Всероссийской научно-практической конференции ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности» (г. Хабаровск, 2003 г.); международной научно-технической конференции, посвященной памяти д-ра техн. наук, проф. Рыжова Э.В. «Контактная жесткость. Износостойкость. Технологическое обеспечение» (г. Брянск, 2003 г.); международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (г. Москва, 2003 г.); международной научно-практической конференции «Наука, техника и высшее образование: проблемы и тенденции развития» (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ-2004» (г. Москва, 2004 г.); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» (г. Новосибирск, 2004 г.); Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (г. Красноярск, 2005 г.); XV международной научно-технической конференции «Проблемы развития рельсового транспорта» (г. Луганск, 2005 г.); объединенных научных семинарах кафедры «Технология
7 транспортного машиностроения и эксплуатация машин» и НИЛ «Технология транспортного машиностроения и ремонт подвижного состава» (2002-2005 гг.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы изложены в статьях сборников научных трудов, материалах и тезисах научно-практических конференций. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и общих выводов по работе, списка литературы, включающего 154 наименования, и приложения на 7 страницах. Общий объем работы составляет 130 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 36 иллюстраций, 9 таблиц.
Формирование поверхностного слоя металла в процессе шлифования
Современные железнодорожные системы требуют не только технически отработанных, но и экономически обоснованных мероприятий, обеспечивающих максимальный срок службы объектов техники. Одними из основных направлений работ по снижению износа рельсов являются технология шлифование рельсов в пути и высокоэнергетические технологии упрочнения.
Шлифование рельсов является неотъемлемой частью работ по текущему содержанию пути практически на всех железных дорогах. Применение профильного шлифования с удалением поверхностных дефектов существенно продлевает срок службы рельсов и сокращает расходы на эксплуатацию рельсового хозяйства. Благодаря оптимальному сочетанию профилей рельсов и колес существенно улучшаются условия контакта во взаимодействии колесо - рельс, становится важным контролировать волнообразный и боковой износ рельсов, возникновение дефектов контактно-усталостного происхождения, интенсивный износ гребней колес и появление выщербин на поверхности катания, виляние подвижного состава и другие неблагоприятные явления.
Профильное шлифование предназначено для решения следующих задач: 1.Шлифование новых рельсов - для удаления обезуглероженного слоя и заводских геометрических неровностей в соответствии с максимально разрешенными скоростями. При этом шлифуют поверхность катания и рабочую грань головки. 2.Шлифование рельсов с наработкой тоннажа до 150 млн.т груза -для формирования очертания головки согласно заданному ремонтному профилю, для ликвидации волнообразного износа и продольных неровностей. 3.Профильное шлифование рельсов с наработкой 150-300 млн.т груза - как для удаления продольных неровностей, так и для восстановления формы головки в зоне рабочей выкружки или её изменения для недопущения появления дефектов контактно-усталостного характера [89, 138].
Ещё больший положительный эффект от профильного шлифования рельсов достигается в изолированных системах рельсового транспорта и на замкнутых маршрутах, где используется подвижной состав одного типа с колесами одного исходного профиля.
В прямых и кривых участках пути оптимальными являются разные профили рельсов. В кривых рельсы шлифуют под ассиметричный профиль, при котором рельсы наружной нити получают одноточечный (облегающий) контакт с колесами. Это делается для улучшения вписывания тележек за счет разности радиусов кругов катания колес по наружной и внутренней рельсовым нитям. В прямых рельсы обычно шлифуют под многоточечный контакт, поскольку при одноточечном виляние подвижного состава проявляется в большей степени. Разработан саморегулируемый профиль для поддержания наружных рельсов в оптимально изношенном состоянии. Этот профиль фактически объединяет в себе несколько профилей, под которые шлифуют наружные рельсы в кривых. Так, появление микротрещин между циклами шлифования указывает на то, что при следующем проходе шлифовальной машины следует снять больше металла, а оставшиеся шлифовальные метки после пропуска значительной поездной нагрузки указывает на излишнее снятие металла при предыдущем проходе машины и, следовательно, на необходимость уменьшения снятия металла при следующем проходе. Благодаря шлифованию рельсов удалось устранить волнообразный износ и уменьшить интенсивность выкрашивания металла, а общий срок службы рельсов в кривых по наработке пропущенной поездной нагрузки увеличился в 3 раза. Применение различных профилей рельсов на замкнутых маршрутах способствовало и существенному увеличению срока службы колес [88]. Влияние шлифования на естественный износ рельсов в кривых определялось по боковому износу наружных рельсов. Поскольку шлифовальные круги не могут доставать до рабочей грани головки рельса, снятие металла на этой поверхности происходит в результате трения гребней колес о рельсы, а шлифование оказывает косвенное воздействие за счет изменения условий контакта колеса и рельса. Хотя шлифование оказывает незначительное влияние на боковой износ рельсов в кривых промежуточной и большой кривизны, однако оно способствует увеличению суммарных потерь металла во всех кривых. При этом обусловленные этими потерями затраты могут быть несущественными по сравнению с полученными от шлифования выгодами, которые включают увеличение срока службы рельсов в результате устранения дефектов, волнообразного износа и повышение эффективности дефектоскопии рельсов за счет удаления поверхностных повреждений.
Главный практический результат шлифования - продление сроков службы рельсов благодаря предупреждению образования дефектов или снижению интенсивности износа. С его помощью нельзя устранить все причины, вызывающие появление дефектов, но можно существенно уменьшить динамическое воздействие подвижного состава на путь и, следовательно, улучшить условия работы рельсов. Шлифованием устраняются или уменьшаются вертикальные неровности на рельсах, достигается благоприятное перераспределение сил в месте контакта колеса и рельса за счет изменения конфигурации профиля головки.
Дискуссии, связанные со шлифованием, продолжаются. Нет единого мнения о том, на какой профиль шлифовать головку рельса, каковы должны быть оптимальная интенсивность и периодичность шлифования. В последнее время усиливается внимание к шлифованию с точки зрения не только продления срока службы рельсов, но и улучшения условий взаимодействия в системе колесо-рельс. Анализируя предшествующие работы в области оптимизации технологического процесса шлифования можно выделить такие направления, как повышение эффективности процесса шлифования рельсов в пути за счет снижения отрицательного воздействия температур в процессе резания [49]; повышение производительности, основанной на комплексном исследовании процесса шлифования с учетом основных технологических факторов этого процесса [133]; оптимизация процесса шлифования за счет рационального выбора режимов и условий обработки [134, 142], основанной на управлении уровнем остаточных напряжений [23] и шероховатости поверхности и степенью наклепа в поверхностном слое головки рельса [32]. Внедрение и реализация, полученных технологических процессов, инструмента, программных средств дают определенный результат. Но, оценивая объем выполненных работ рельсошлифовальным поездом (рис 1.9.) и изъятие остродефектных рельсов (рис. 1.10.), можно сделать вывод о том, что данный технологический процесс по-прежнему требует изучения и совершенствования. Особенно, на наш взгляд, необходимо уделить внимание совершенствованию процесса шлифования в области получения износостойко
Определение температуры в зоне шлифования
Возникновение напряжений в шлифуемой поверхности, в основном, объясняется локализированным нагревом верхних слоев обрабатываемого металла.
Наблюдая картину аллотропических изменений в поверхностном слое шлифуемых деталей, к ним относят и образование таких дефектов, как коробление и образование шлифовочных трещин.
Рентгеноскопические исследования Альтшуллера Л.В. и Сперанской М.П. по определению структуры поверхности закаленных сталей после шлифования впервые показали наличие в тонком наружном слое фазовых изменений в металле. Более поздними исследованиями проф. Б.И. Костец-кого [44] подтверждены отмеченные явления и установлены некоторые количественные соотношения. Он отмечает, что стали, требующие длительной выдержки при закалке, менее чувствительны к аллотропическим изменениям. Закаленные углеродистые стали, наоборот, энергичнее реагируют на мгновенные высокие температуры шлифования. Отожженные углеродистые стали, при тех же условиях, не меняют структуры своего поверхностного слоя. Следовательно, не все стали при нагреве выше критических точек в течение весьма кратковременного мгновенного нагрева претерпевают объемные изменения.
Анализируя целый ряд работ, можно утверждать, что напряжения в поверхностном слое после шлифования наблюдаются как у закаленных сталей, имеющих, в основном, мартенситную структуру, так и сталей ма лоуглеродистых. Вопрос о знаке напряжений решается температурным режимом нагрева и охлаждения, исходной структурой и составом стали. Получение метастабильной структуры, например, мартенситной, может дать не только растягивающие, но и сжимающие напряжения. Проф. Кос тецким Б.И. и Грозиным Б.Д. [44] были получены как растягивающие, так и сжимающие напряжения, последние, правда, в значительно меньшей степени. Причины, вызывающие появление напряжении и изгиба обрабатываемых деталей: - структурные изменения металла в поверхностном слое шлифуемых изделий; - тепловое расширение нагретого слоя и разность температур на опорной плоскости детали шлифуемой поверхности; - пластическая деформация, нагретого поверхностного слоя. Структурные превращения и связанные с ними изменения размеров кристаллической решетки металла, нагретого до критических точек аллотро 47 пических изменений, вызывают увеличение объема нагретого слоя и после его охлаждения. Шлифовочные трещины
Довольно часто на прошлифованной поверхности обнаруживаются трещины. Природа образования трещин различна. Они возникают при термических операциях, но возможно их появление и в процессе механической обработки, причем в одних случаях последняя только способствует увеличению уже имеющихся трещин, в других трещины являются следствием напряжений, возникающих в металле под действием режущего инструмента.
Практика шлифования показала, что работа с форсированными режимами резания вызывает появление на обработанной поверхности единичных или сетки шлифовочных трещин.
Шлифовочные трещины менее опасны, чем закалочные, но, расположенные на высоконагруженных участках, они столь же вредны, как и закалочные, особенно как очаги разрушения при усталостных напряжениях.
Трещины появляются как на поверхности твердых закаленных, цементированных и азотированных стальных деталей, так и на мягких металлах, даже таких, как например алюминий при разрезке его абразивными кругами с чрезмерно большими подачами.
При неправильной закалке, в ряде случаев сталь становится настолько чувствительной к механической обработке, что даже при самом осторожном шлифовании уже появляются трещины, происхождение которых трудно отнести за счет термообработки, и здесь требуется уже соответствующий анализ микроструктуры.
Отдельные шлифовочные трещины возникают при значительных местных нагревах, например, при быстром подводе шлифовального круга, снятии неравномерно распределенного припуска на обработку и т.п. При этом происходит значительный мгновенный нагрев поверхности - «ожог». Металл в нагретой зоне расширяется, но, заключенный в массе металла, имеющего более низкую температуру, он сжимается и пластически деформируется. В последующем, при охлаждении до той же температуры, что и окружающий его ненагретый металл, он еще больше сокращается в объеме, и на границе нагретого и ненагретого металла появляются растягивающие напряжения. Последние могут превысить предел прочности металла на растяжение, и тогда но контуру нагретой зоны произойдет разрыв.
В сталях с мартенситной структурой ожог сопровождается переходом мартенсита в троостит со значительным сокращением объема металла, и тогда к тепловым добавляются структурные напряжения и на месте ожога появляется сетка или отдельные трещины, приводящие в дальнейшем к выкрашиванию (рис. 2.2.).
Шлифовочные трещины, как правило, располагаются группами в виде сетки со штрихами, длиной обычно не более 5-6 мм, перпендикулярно к направлению штрихов шлифовки. При особо форсированных режимах сетка трещин искажается и к трещинам, направленным перпендикулярно следам абразива, добавляются трещины, расположенные в различных направлениях.
В ряде случаев на шлифованных поверхностях образование трещин сопровождается выкрашиванием металла. Явление выкрашивания объясняется, главным образом, значительной площадью контакта между шлифуемым изделием и кругом. Образование таких трещин можно объяснить различием структурных изменении под действием высокой температуры шлифования и различного расширения металла, вследствие роста кристаллов с измененной кристаллической решеткой. В этих случаях трещины на поверхности, соединяясь с трещинами, направленными параллельно образующей наружной поверхности, нарушают связь- отдельных элементом металла, в результате чего последний отслаивается.
Определение износостойкости изделия
В качестве оценки величины износа используется весовой и объемный методы, а также сравнительные характеристики геометрии образцов до и после испытаний. Оценкой контактно-усталостного разрушения может служить: график зависимости количества питтингов от числа циклов нагружения, металлографическая оценка и т.д
Критериями дефектности считают усталостные повреждения (выкрашивание, отслоение и появление трещин определённой длины) и усталостное разрушение (разделение образца на части). При задаваемых напряжениях (деформациях) испытания продолжают до появления видимых повреждений образца, либо до заданных значений базы испытаний. При этом регистрируют число циклов в соответствии с программой, чтобы фиксировать усталостные повреждения или разрушения. Через определённый интервал времени образцы осматривают. Повреждённые и разрушенные образцы снимают.
Критерием разрушения для схем качения является появление на рабочей поверхности ямок выкрашивания.
Одним из наиболее распространенных методов оценки величины износа является объемный метод. Данный метод предполагает определение .объема образца путем погружения его в жидкость, с дальнейшим определением его массы. При реализации этого метода производится сравнение относительной потери массы исследуемых материалов в единицу времени или единицу пути трения. Так как потеря массы детали даже при продолжительных испытаниях невелика, для оценки величины весового износа применяют высокоточные весы. Так же оценкой разрушения могут служить: график зависимости количества питтингов от числа циклов нагружения; металлографическая оценка и т.д. 3.2.3. Порядок проведения испытаний
Перед запуском установки необходимо проверить её основные узлы: - проверить исправность обжимного устройства; - проверить исправность шпинделя станка; - осмотреть электрооборудование станка, проверить заземление. Порядок запуска установки: - приготовленный образец закрепляется на валу; - вал фиксируется в кулачковом патроне установки; - обжимное нагрузочное устройство устанавливается на образец; - на рычаг подвешивается груз; - устанавливается частота вращения шпинделя; - запускается двигатель установки.
После воздействия на образец последовательно шлифованием и высокочастотным индукционным нагревом, был проведен металлографический анализ поверхностного слоя (рис 3.7). Анализ показал, что наблюдается 3 зоны: 1 зона - на глубине от поверхности 1 мм наблюдается слой пониженной травимости тросто-мартенситной структуры с преобладанием мартенсита, что свидетельствует о наличии закаленной зоны; 2 зона - переходной слой (0,2 мм), имеющий тросто-мартенситную структуру с меньшим содержанием мартенсита; 3 зона - основной материал, структура сорбит закалки. Рис. 3.7. Поверхностный слой образца. Определение износостойкости рельса после комбинированной обработки Испытания проводились по схеме взаимодействия образца с инденторами в условиях трения-качения с проскальзыванием (рис. 3.6.,в).
В процессе эксперимента площадь контакта образца с индентором и нагрузку от инденторов на образец устанавливали пропорционально реальным значениям площади контакта колеса с рельсом и нагрузке от подвижного состава на рельс. Это позволило, в дальнейшем, при оценке результатов перевести циклы нагружения на установке в пропущенный тоннаж (млн т брутто). Инденторы изготовлялись из колесной стали 55, что соответствует материалу бандажа колеса подвижного состава. Перед испытаниями инденторы подвергались термической обработке для обеспечения твердости соответствующей твердости бандажа колеса.
Для проведения испытаний использовались цилиндрические образцы, изготовленные из рельсовой стали М76. В последующем перед испытаниями образцы делились на три группы и подвергались различной обработке: первая группа - объемному закаливанию до твердости, соответствующей новому рельсу; вторая группа - объемному закаливанию и шлифованию (температура в зоне резания 350-360 С); третья группа -объемному закаливанию, шлифованию и обработке ТВЧ.
Кинетика изнашивания образцов Как видно из графика наибольшей износостойкостью обладают образцы повергнутые комбинированной обработке, наименьшей - образцы подвергнутые объемному закаливанию без дополнительной обработки.
Анализ результатов испытаний показал, что износостойкость поверхностного слоя рельса, полученная в результате комбинированной обработки, выше износостойкости поверхностного слоя, полученного после шлифования. Износ поверхностного слоя, полученного после комбинированной обработки, составил 0,021 г/млн т брутто, что в 1,52 раза меньше износа поверхностного слоя, полученного после шлифования и в 2 раза меньше износа поверхностного слоя объемно закаленного рельса.
Практические рекомендации по использованию комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути с использованием высокоэнергетического нагрева
Исходными данными к расчету являются объем зерен в шлифовальном круге V3, объем связки в шлифовальном круге Vc (V3 и Vc определяются по паспорту абразивного инструмента, который является необходимой составляющей при проектировании ТП механической обработки), линейная скорость круга на периферии Укр, обеспечиваемая шероховатость Rz, начальная микротвердость Н2оон, а также значения удаляемого припуска, полученные при помощи математического аппарата сравнения реального профиля головки рельса с ремонтным. После ввода указанных параметров согласно приведенному алгоритму производится расчет параметров технологического процесса. Все полученные параметры создают базу данных на основе которой происходит назначение параметров и условия ТП и составление технологической документации.
Результате проведенных теплофизических и физико-механических исследований позволили расширить существующий алгоритм расчета параметров технологического процесса, основанного на получении после механической обработки заданных шероховатости и микротвердости поверхностного слоя, дополнительным расчетом, основанным на обеспечении допустимого уровня температурных воздействий при резании. Фрагмент алгоритма расчета параметров процесса шлифования, основанного на обеспечении допустимой температуры в зоне резания приведен на рис. 4.6.
После ввода первичных данных, к которым относятся результаты измерений, полученные профилометром ПКС ПР-2ЭМ (рис. 4.7), тележкой для измерения волнообразного износа и информация о состоянии пути на момент проведения работ (данные с дистанции пути), производится расчёт запрошенных параметров [135].
Выбор ремонтных профилей осуществляется по данным, полученным после измерения поперечного профиля головки рельса прибором ПКС ПР-2ЭМ. При помощи математического аппарата производится сравнение измеренного профиля с профилем нового стандартного рельса и назначается ремонтный профиль.
Далее, на основе сравнения ремонтного профиля с фактическим, выявляются области, которые требуют механической обработки. Эти данные являются исходными данными для дальнейшего расчета режимов технологического процесса (см. рис. 4.5).
Блок по оценке рельсошлифовальных кругов. Он включает расчеты по определению площади съема металла в измеряемом сечении (далее рассчитывается объем удаленного металла на все обработанном учатке) и коэффициент шлифования. По указанным параметрам определяется как качество рельсошлифовальных кругов, так и работоспособность поезда.
Вся вводимая информация сохраняется в базах данных и используется в дальнейшем для анализа проводимых работ, состояния пути и т.д. Программным обеспечением создается пакет нормативно-технической документации (маршрутные и операционные карты) для проведения работ согласно ГОСТ 3.1404-86, ГОСТ 3.1105-84, ГОСТ 3.1418-82. После завершения работ программой создается и выводится на печать «Акт выполненных работ», который является отчётом о проведённых работах на каждом участке пути.
Структура и содержание предлагаемого комбинированного технологического процесса предусматривает расчет и назначение режимов шлифования рельсов на основе условий их эксплуатации и обеспечения повышенных эксплуатационных свойств. Разработанный технологический процесс предусматривает разделение рельсов по условию эксплуатации на характерные участки: прямой участок пути, промой участок с затяжным подъемом или спуском, кривые различных радиусов. Для прямых участков пути предусматривается расчет режимов шлифования, на основе обеспечения повышенной усталостной прочности, трещиностойкости и износостойкости рельсов. В кривых предлагается использовать высокоэнергетический нагрев (ВЭН) для создания поверхностного слоя головки рельса с повышенной износостойкостью.
Пример практических рекомендаций по назначению режимов и условий обработки с использованием комбинированного технологического процесса шлифования рельсов в пути приведен в таблице 4.1.
Предложенный технологический процесс комбинированной обработки рельсов в пути увеличивает эксплуатационную стойкость рельсов на протяжении всего срока службы за счет его продления. На основе технических и технико-экономических показателей ведения путевого хозяйства был определен экономический эффект от использования предлагаемых технологических воздействий по восстановлению служебных свойств рельсов и продлению срока службы с использованием рельсошлифоваль-ных поездов.
При соблюдении требований по назначению параметров технологического процесса комбинированной обработки рельсов, обеспечивающего повышенный уровень износостойкости рельса, ресурс последнего увеличивается на 35 % от нормативного, что составляет примерно 1215 млн. т брутто или 30 лет, при средней грузонапряженности по Западно-Сибирской железной дороге 40 млн. т брутто, а при существующей системе шлифования срок службы рельсов составляет около 900 млн. т брутто или 22,5 года.
Для оценки экономического эффекта от внедрения новой технологии проведения рельсошлифовальных работ воспользуемся методикой предложенной автором в работе [37]. Экономический эффект определим по формуле:
