Содержание к диссертации
Введение
1 .Состояние вопроса 9
1.1. Состояние вагонов и локомотивов, поступающих в ремонт 9
1.2. Структура технологических операций и затрат на восстановление изношенных деталей при ремонте 12
1.3. Организация и технология ремонта колесных пар 26
1.3.1. Методологические основы системного подхода при анализе технологических процессов ремонта деталей 26
1.3.2. Структура технологического процесса восстановления колесных пар с ухудшенной обрабатываемостью 36
1.4. Особенности процесса механической обработки колесных пар 39
1.4.1. Методы обточки колесных пар с дефектами поверхности 39
1.4.2. Требования к качеству восстановления профиля 40
1.4.3. Производительность и себестоимость восстановления профиля 43
1.5. Возможность управления процессом обточки колесных пар 52
1.5.1. Жесткость технологической системы 53
1.5.2. Свойства инструментальных материалов 56
1.5.3. Конструктивные параметры режущего инструмента 58
1.5.4. Режим резания 67
1.6. Заключение. Задачи исследования 73
2. Исследование влияния свойств деталей, приобретенных при эксплуатации подвижного состава, на их обрабатываемость резанием 80
2.1. Анализ состояния поверхности обода колесных пар подвижного со става поступающих в ремонт 80
2.1.1. Структура и механические свойства срезаемого припуска 87
2.1.2. Состояние обрабатываемой поверхности 92
2.1.3. Припуск при восстановлении профиля поверхности обода 98
2.2. Выбор характеристик обрабатываемости материала срезаемого слоя поверхности обода колес поступающих в ремонт 107
2.2.1. Комплексная оценка обрабатываемости материала припуска на восстановление обточкой профиля обода колесных пар 111
Заключение 119
3. Исследование особенностей изнашивания и разрушения режущей части твердосплавных пластин при обработке колесных пар 123
3.1. Особенности разрушения лезвий СМП твердосплавного инструмента при обработке колесных пар 133
3.2. Особенности износа поверхностей лезвий СМП при обточке колесных пар 137
3.3. Исследование напряженного состояния восстановленных сменных твердосплавных пластин при обработке колес с дефектами, вызывающими катастрофическую нагрузку 144
3.3.1. Моделирование динамического взаимодействия режущего инструмента с дефектом на обрабатываемой поверхности колеса 145
3.3.2. Моделирование напряженного состояния по сечению пластины 154
3.3.3. Определение контактных напряжений на поверхностях лезвия инструмента при обработке колесных пар 157
Заключение 171
4. Исследование влияния параметров конструкции сборных твердосплавных инструментов на обрабатываемость деталей в условиях ремонтного производства 174
4.1. Особенности конструкций сборных инструментов для ремонтного производства 174
4.1.1. Анализ влияния условий обработки на изменения геометрии режущей части сменных многогранных пластин сборного твердосплавного инструмента 176
4.2. Влияние геометрии и формы лезвия на работоспособность инструмента при обточке колесных пар 179
4.2.1. Форма передней поверхности в установившихся условиях резания 184
4.3. Методологические основы проектирования СМП, изготавливаемых алмазно-абразивной обработкой из изношенных пластин, отработавших ресурс 194
4.3.1. Исследование работоспособности восстановленных СМП для сборных фасонных фрез колесофрезерных станков КЖ-20 203
4.3.2. Определение формы переточенных многогранных пластин 207
4.3.3. Анализ изменения конструкций корпусов инструментов 210
Заключение 214
5. Повышение прочности и износостойкости восстановленных многогранных твердосплавных пластин сборного твердосплавного инструмента колесообрабатывающих станков 218
5.1. Выбор метода повышения прочности и износостойкости твердосплавных пластин 219
5.2. Разработка термомеханического метода упрочнения твердосплавных пластин 227
5.3. Анализ структуры и физико-механических свойств упрочненного термомеханической обработкой твердого сплава 235
5.3.1. Результаты исследования влияния ТМО на механические свойства твердого сплава методом микротвердости 236
5.3.2. Результаты исследований изломов твердосплавных пластин методом электронной фрактографии 239
5.3.3. Результаты рентгеноструктурного анализа 242
5.3.4. Влияние термомеханической обработки на износостойкие свойства твердосплавных пластин 246
5.4. Стойкостные испытания упрочненных пластин 250
Заключение 255
6. Разработка системы инструментального обеспечения ремонта деталей подвижного состава с ухудшенной обрабатываемостью резанием 259
6.1. Анализ расхода металлорежущего инструмента в ремонтном производстве 260
6.2 Снабжение ремонтных предприятий МПС твердосплавным инструментом 267
6.3. Система рациональной эксплуатации СМП сборного твердосплавного инструмента колесообрабатывающих станков 272
6.4. Структурная модель системы инструментального обеспечения механической обработки при ремонте подвижного состава 278
6.5. Математическая модель системы инструментального обеспечения... 2 84 Заключение 293
7. Эффективность использования результатов исследований на ремонтных
предприятиях МПС 298
7.1. Технологические процессы восстановления и упрочнения изношенных СМП сборного инструмента для обработки колесных пар 299
7.2. Оценка экономической эффективности внедрения результатов исследований 305
7.2.1. Методика расчета затрат на восстановление твердосплавных многогранных пластин алмазной абразивной обработкой 305
7.2.2. Экономическая эффективность многократного восстановления изношенных СМП сборного инструмента колесообрабатывающих станков 309
7.2.3. Эффективность использования восстановленных пластин в специальном сборном твердосплавном инструменте для механической обработки при ремонте деталей подвижного состава 314
Основные выводы 317
Список литературы 321
Приложения 339
- Состояние вагонов и локомотивов, поступающих в ремонт
- Анализ состояния поверхности обода колесных пар подвижного со става поступающих в ремонт
- Особенности разрушения лезвий СМП твердосплавного инструмента при обработке колесных пар
- Особенности конструкций сборных инструментов для ремонтного производства
- Выбор метода повышения прочности и износостойкости твердосплавных пластин
Состояние вагонов и локомотивов, поступающих в ремонт
Состояние подвижного состава, поступающего в ремонт зависит в основном от интенсивности и условий его эксплуатации (вид перевозимого груза, погодные условия, профиль и состояние пути и пр.), а также определяется надежностью отдельных деталей, узлов и механизмов, качеством технического обслуживания [41, 140]. Поэтому степень поврежденности, объем, трудоемкость и стоимость ремонта являются случайными величинами. В системе МПС принято ориентироваться на средние значения этих величин. Для каждой дороги и конкретного депо они определяются отдельно.
Вагонного парка, который практически не пополняется последние семь лет. Кроме того, за этот период в 2,5 раза участились отцепки по автотормозному устройству. Доля их составляет 12,5 % и в основном за счет более жесткого контроля над состоянием автотормозов.
Особенно серьезное положение сложилось с техническим состоянием ходовой части - тележек и колесных пар. По сравнению с 1986 годом количество отцепок по неисправностям тележек увеличились в 5-8 раз. Основными причинами этого считается то, что значительная часть тележек бракуется по трещинам, так как они выработали свой ресурс. Имеет место повышенный износ наклонных поверхностей и подпятникового места надрессорной балки, а также проемов под буксы боковой рамы. Доля отказов тележек составляет более 12 %.
Количество отцепок по неисправностям колесных пар возросла в 5-7 раз. Доля их от общего количества отцепок увеличилась с 13,5 до 37,8 %. За период 1996-97 г. оно составило 4958 случаев на каждые 1000 вагонов всего парка - в среднем за этот период каждый вагон по дефектам колесных пар отцеплялся около пяти раз.
Основные неисправности и повреждения, возникающие при эксплуатации подвижного состава, поступающего в деповской ремонт: элементов кузова и рамы: трещины, прогибы, вмятины, надрывы, отрывы по сварным швам, деформация и коррозионные повреждения, износ пятника, элементов конструкции и др.; автосцепного устройства: износ корпуса по контуру зацепления, торца и перемычки хвостовика, износ деталей механизма автосцепки, клина, тягового хомута, корпуса и деталей поглощающего аппарата, центрирующего устройства, упорной плиты и угольников. Трещины в корпусе, хвостовике, тяговом хомуте и корпусе поглощающего аппарата допустимые к устранению разделкой и заваркой по размерам и расположению;
Анализ состояния поверхности обода колесных пар подвижного со става поступающих в ремонт
Колесные пары в процессе эксплуатации подвергаются большим динамическим и статическим нагрузкам. Различают более 60 видов их дефектов [74]. Срок службы колесных пар вагонов и локомотивов в основном определяется интенсивностью износа поверхности профиля обода и бандажа.
Исследованиям износа колесных пар и способам повышения их долговечности посвящены работы С. М. Андриевского, С. В. Алехина, А. Т. Головатого, А. В. Горского, К. И. Домбровского, В. Н. Иванова, И. П. Исаева, В. А. Кислика, С. М. Куценко, А. П. Костюка, Т. В. Ларина, М. М. Машнева, Н. Ф. Медведева, В. И. Наумова и др. [7, 8, 15, 37, 38, 48, 55, 60, 76, 182, 184].
Торможение и боксование, прохождение криволинейных участков приводит к взаимному перемещению участков трущихся поверхностей, что при наличии абразива на трущихся поверхностях усиливает процессы разрушения, как колеса, так и рельса. Кроме того, при равномерном движении по прямой, кроме трения качения имеется составляющая трения скольжения, так как контакт колеса и рельса осуществляется не в одной точке. Удельные нагрузки в зоне контакта превышают предел текучести материала, что вызывает изменение геометрических параметров профиля поверхности контакта и наклеп, приводит к уменьшению ресурса пластичности металла.
Помимо трения качения и скольжения на участке контакта наблюдается явление скручивания, активизирующее процессы схватывания контактирующих поверхностей [33]. Нагретый до высокой температуры при торможении тормозными колодками тонкий слой металла колеса мгновенно остывает при контакте с холодным рельсом, это вызывает циклические температурные деформации и способствует образованию трещин. Как отмечается в [34], раскрытие трещин и отделение частиц металла может происходить и под действием пульсации давления масла, если применяют лубрикаторы, использующие жидкую смазку. В результате взаимодействия этих и других факторов только на круге катания и гребне возникает более 20 типов дефектов колесной пары [28, 74, 140].
Изучение контактных явлений между колесом и рельсом, условий эксплуатации колесной пары [72, 81, 84, 85, 152] показали, что образование дефектов и нарастание скорости изнашивания колес, ведущих к полной или частичной потере их работоспособности, зависит от многих факторов эксплуатации, в том числе и от условий их изготовления. Кроме того, основная часть ремонтируемых в процессе эксплуатации колес восстанавливается не удовлетворительно как по экономическим, так и по физико-механическим параметрам.
Износ принято считать нормальным, если он по кругу катания опережает износ гребня, а интенсивность изнашивания не превышает установленных значений. Ненормальный - если износ гребня существенно опережает прокат и восстановление сопровождается значительным технологическим износом бандажа [28, 140]. До 36% рабочей толщины обода колеса расходуется в стружку при восстановлении профиля катания колесной пары.
Особенности разрушения лезвий СМП твердосплавного инструмента при обработке колесных пар
Согласно современным представлениям процесс разрушения нагруженного тела можно разбить на три уровня: микро-, меза- и макроуровни [113]. Определяющими факторами развития процессов разрушения являются накопление деформационных дефектов и строгая иерархия в развитии этих дефектов на каждом структурном уровне. Начиная с микроуровня, в деформационные процессы вовлекаются все более крупные объемы материала, причем эти объемы испытывают не только взаимное смещение (трансляцию), но и взаимный разворот (ротацию) на угол до нескольких градусов. В результате этих процессов материал под воздействием нагрузки постепенно теряет свои прочностные свойства, но не по всему объему одновременно, а локально, образуя скопления дислокаций, дислокационные сетки, фрагментируясь на мезо- а затем и на макро-объемы. Характерным проявлением эффекта фрагментации на мезоуровне является появление полос локализованной деформации.
Исследования, выполненные совместно с учеными Томского института физики прочности и материаловедения (ИФПМ СО РАН) [23, 126] позволили выявить стадийность развития процессов разрушения на реально работающих твердосплавных пластинах при обточке колесных пар.
В качестве образцов для исследования использовались пластины RPUX ЗОЮ МО из твердого сплава Т14К8,отработвашие свой ресурс на колесото-карных станках.
Твердый сплав на мезоуровне до нагружения рассматривался как структурно квазиоднородный материал. Исследование скола искусственно разрушенной контрольной, не работавшей пластины выявило, что скол макроскопически однороден. При таком характере разрушения, как правило, не происходит структурных изменений внутри материала глубокие слои материала и на микросколах иногда наблюдается до 7-8 подобных периодически расположенных полос (II, рис. 3.9, а). Под воздействием температуры, динамических и статических напряжений материал теряет свою сдвиговую устойчивость, пластифицируется. Пластическую фазу деформации режущей кромки можно наблюдать на рис. 3.9, а, указатели (III).
Особенности конструкций сборных инструментов для ремонтного производства
Конструкции сборных инструментов для ремонтного производства незначительно отличаются от известных из литературы конструкций для машиностроения. Однако условия их эксплуатации часто весьма не обычны. Оборудование, применяемое на ремонтных предприятиях МПС, в большинстве случаев универсальное и плохо приспособлено для обработки крупногабаритных деталей подвижного состава, для которых требуется более высокая жесткость технологической системы. Рассмотренные выше особенности обрабатываемости деталей подвижного состава, возникающие при их эксгогуатации и ремонте, дополнительно усложняют условия обработки из-за возникновения вибраций вызывающих резонансные явления.
Анализ операций обработки таких деталей как колесные пары, бандажи, надрессорные балки и др. показал, что для высокой и низкой жесткости технологической системы оптимальные параметры конструкции режущей части и корпуса инструмента существенно отличаются.
В случае низкой жесткости технологической системы конструкция инструмента, как правило, более совершенна, так как она должна сначала обеспечить достижимый минимум амплитуды колебаний, а потом уже остальные параметры процесса. Это определяет многообразие конструкций инструментов и их геометрических параметров даже на однотипных операциях.
Выбор метода повышения прочности и износостойкости твердосплавных пластин
В настоящее время существует достаточно много методов повышения износостойкости СМП [24, 36, 93, 117, 122, 181], однако только некоторые из них могут быть использованы для упрочнения в процессе восстановления изношенных твердосплавных пластин в условиях ремонтных предприятий. К основным методам, которые уже были опробованы на практике, можно отнести следующие. Ионно-плазменное нанесение покрытий, электроискровое легирование, высокодозная ионная имплантация, обработка мощными ионными пучками и некоторые другие. Все эти методы имеют как достоинства, так и недостатки.
В 80-е годы интенсивно развивался ионно-плазменный метод. Были достигнуты определенные результаты. В частности, были разработаны многослойные покрытия с различными элементными составами, достигающие десяти и более слоев, повышающие износостойкость в 1,5-2 раза [36, 91]. Однако, очень жесткие требования, предъявляемые к качеству поверхности для нанесения покрытий, часто высокая цена расходуемых материалов (Zr, Hf и т.п.), использование вредных для здоровья элементов (например, В), большие проблемы, возникающие при обеспечении удовлетворительной адгезии и хорошей воспроизводимости, повышение шероховатости поверхности после нанесения покрытия привело к тому, что наметившееся широкомасштабное внедрение данной технологии стало сворачиваться. К этому можно еще добавить, что, строго говоря, геометрия режущего инструмента с покрытием должна быть иной, чем без покрытия. Таким образом, в целом достаточно хорошая технология упрочнения, для твердосплавных пластин оказалась мало приемлемой.
Значительное повышение шероховатости поверхности режущей кромки после обработки электроискровым легированием, высокая стоимость обработки в сочетании с невысокой производительностью и относительно невысоким повышением стойкости (1,2-1,5 раза) при обработке мощными ионными пучками позволяет сделать вывод, что в ближайшее время данные методы повышения износостойкости, по-видимому, мало перспективны.
Наиболее интересным и перспективным с этих точек зрения является метод высокодозной ионной имплантации (ВИИ). Он обладает хорошей воспроизводимостью, температура при обработке не превышает 150С, не изменяются размеры обрабатываемых изделий и шероховатость поверхности, отсутствует проблема адгезии.
Технологии, связанные с обработкой поверхностей изделий пучками заряженных частиц начали развиваться более 30 лет назад. Это было обусловлено, в первую очередь, развитием радиационной физики и техники ускорения заряженных частиц. Широкое применение имплантационные технологии получили при легировании полупроводников и создании на их основе новых приборов.
