Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы. цель и задачи исследования 11
1.1. Предпосылки разработки и введения новых версий ГОСТ 10791 и ГОСТ 398 11
1.2. Химический состав и механические свойства новых колесных сталей 12
1.3. Текущие результаты эффективности использования колес повышенной твердости 15
1.4. Особенности технологического процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар повышенной твердости 18
1.4.1. Классификация способов восстановления профиля поверхности катания цельнокатаных колес 20
1.4.2. Применяемое оборудование и режущий инструмент 22
1.4.2.1. Станочное оборудование 22
1.4.2.2. Режущий инструмент 24
1.4.3. Применяемые режимы восстановления профиля колеса 27
1.5. Выбор и обоснование критерия оптимизации процесса обточки колесных пар 28
1.6. Выводы по главе 1. Постановка цели и задач исследования . 30
ГЛАВА 2. Теоретическое исследование процесса восстановления вагонных колесных пар повышенной твердости по профилю поверхности катания 33
2.1. Метод подобия при восстановлении профиля поверхности катания колесных пар 33
2.1.1. Основные положения теории подобия 34
2.1.2. Расчет основных характеристик процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар . 36
2.1.3. Расчет параметров, характеризующих качество процесса восстановления профиля поверхности катания колесной пары 41
2.1.4. Расчет режимов восстановления профиля колеса с учетом качества обработки колесной пары 43
2.1.5. Выводы по разделу 2.1 48
2.2. Теплофизический подход к расчету режимов процесса восстановленияпрофиля поверхности катания колесных пар . 49
2.2.1. Основные положения теплофизики резания . 49
2.2.1.1. Классификация источников и стоков теплоты 49
2.2.1.2. Общие принципы схематизации тел и источников, участвующих в процессе теплообмена 51
2.2.2. Методика расчета интенсивности тепловых потоков и температур при восстановлении профиля колеса 54
2.2.2.1. Интенсивность теплообразующих источников . 57
2.2.2.2. Температура в зоне резания и тепловые потоки в инструменте 60
2.2.3. Оптимизация процесса восстановления профиля поверхности катания колеса на основе использования теплофизического подхода . 66
2.2.4. Выводы по разделу 2.2 . 72
2.3. Термомеханический подход к расчету режимов восстановления профиля 73
2.3.1. Основные положения термомеханического подхода . 74
2.3.2. Определение теплового состояния режущего инструмента 79
2.3.3. Определение рациональной скорости восстановления профиля колеса 83
2.3.4. Выводы по разделу 2.3 88
2.4. Метод линейного программирования при расчете режимов восстановления профиля поверхности катания колесных пар 89
2.4.1. Постановка задачи линейного программирования . 90
2.4.2. Построение математической модели процесса восстановления колеса 91
2.4.3. Графический метод решения поставленной задачи 95
2.4.4. Выводы по разделу 2.4 . 99
2.5. Выводы по главе 2 100
4
ГЛАВА 3. Экспериментальное исследование обрабатываемости колесной стали повышенной твердости 101
3.1. Лабораторные испытания 101
3.1.1. Оценка влияния параметров режима резания и геометрии инструмента на шероховатость обработанной поверхности 102
3.1.2. Оценка влияния твердости обрабатываемого материала на силы резания 107
3.2. Производственные испытания 108
3.2.1. Анализ и сравнение расчетных и применяемых режимов на ремонтных предприятиях 112
3.2.2. Оценка шероховатости поверхности катания при обточке колес 115
3.3. Рекомендации по восстановлению профиля поверхности катания колес повышенной твердости 117
3.4. Выводы по главе 3 118
ГЛАВА 4. Оценка прочности режущего инструмента для колесотокарных станков 119
4.1. Анализ вопроса и постановка задачи исследования 120
4.2. Методика решения статической задачи теории упругости методом конечных элементов . 122
4.2.1. Основные положения метода конечных элементов . 122
4.2.2. Определение и назначение материала режущей пластины . 124
4.2.3. Назначение кинематических граничных условий 125
4.2.4. Определение нагрузок на контактных поверхностях пластины . 126
4.2.5. Дискретизация моделируемого тела пластины 127
4.2.6. Определение критерия прочности инструментального материала.. 129
4.3. Анализ напряженно - деформированного состояния и прочности твердосплавных пластин при заданных граничных условиях 132
4.3.1. Оценка напряженно - деформированного состояния и прочности режущего инструмента при силовом воздействии . 133
4.3.2. Оценка напряженно - деформированного состояния и прочности режущего инструмента при температурно - силовом воздействии . 135
4.4. Оптимизация формы режущего инструмента для обточки железнодорожных колес 139
4.4.1. Геометрия режущего инструмента как критерий оптимизации на основе метода исследования проектирования 140
4.4.2. Анализ результатов оптимизации формы режущего инструмента для обточки колес 143
4.5. Износостойкость режущего инструмента предлагаемой геометрии при обточке колес... 148
4.6. Выводы по главе 4 149
ГЛАВА 5. Технико - экономическая оценка результатов исследования . 151
5.1 Определение экономической эффективности использования рациональных режимов восстановления профиля колес повышенной твердости 151
5.1.1. Определение затрат на ремонт по базовому варианту технологии 153
5.1.2. Определение требуемого объема капитальных вложений 154
5.1.3. Определение затрат на ремонт по проектному варианту
технологии 155
5.1.4. Определение годового экономического эффекта 156
5.2 Определение экономической эффективности внедрения рациональной геометрии режущего инструмента 157
5.3. Определение общей экономической эффективности разработанных мероприятий 158
5.4. Выводы по главе 5 159
Заключение 160
Список использованной литературы
- Химический состав и механические свойства новых колесных сталей
- Расчет основных характеристик процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар
- Оценка влияния твердости обрабатываемого материала на силы резания
- Назначение кинематических граничных условий
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В процессе эксплуатации подвижного состава происходит износ и повреждение его ходовых частей и, в частности, профиля поверхности катания колесных пар, обусловленное постоянным контактом колеса с рельсом в процессе движения. В условиях увеличения нагрузки на ось, сужения колеи, перехода на рельсы тяжелого типа, объемной закалки рельсов и других факторов возрастает интенсивность изнашивания колесных пар. Это приводит к увеличению объемов восстановления их профиля, в результате чего средний срок службы колес грузовых вагонов сократился с 15 до 3,2…4 лет. Потери энергии, обусловленные изнашиванием в системе колесо-рельс, составляют 10…30 % расходуемых топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов. Кроме того, расходы на реновацию рельсов и колесных пар составляют немалую часть общих расходов дистанций пути, локомотивных и вагонных депо и сети железных дорог в целом. Чтобы предупредить и минимизировать эти негативные процессы были разработаны новые версии ГОСТ 10791 и ГОСТ 398 и начато производство колес повышенной твердости и качества. Опыт эксплуатации демонстрирует улучшение потребительских свойств колес с увеличенными прочностными характеристиками обода по сравнению с традиционными колесами. Однако в процессе их ремонта наблюдается нежелательный результат в части снижения производительности восстановления и повышенного расхода твердосплавного материала инструмента. Таким образом, проблема повышения эффективности технологического процесса восстановления профиля катания цельнокатаных колес повышенной твердости при их ремонте является актуальной.
Объект исследования. Колесная пара подвижного состава железных дорог и метрополитена.
Предмет исследования. Износ и восстановление вагонных колесных пар с повышенной твердостью обода по профилю поверхности катания.
Цель исследования. Повышение эффективности процесса восстановления вагонных колесных пар с повышенной твердостью обода.
Задачи исследования:
-
Анализ данных эксплуатации и выявление особенностей процесса восстановления колесных пар повышенной твердости.
-
Теоретическое исследование характеристик процесса восстановления профиля колеса на основе: метода подобия, теплофизического анализа, термомеханического подхода, метода линейного программирования.
-
Экспериментальное исследование процесса восстановления профиля поверхности катания колес повышенной твердости.
-
Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) и прочности твердосплавных пластин, применяемых при обточке колес, и на его основе определение рациональной геометрии режущего инструмента.
-
Разработка рациональных технологических режимов восстановления колесных пар повышенной твердости и рекомендаций по практическому применению полученных результатов.
Методы исследования. Теоретической базой проведения исследований послужили метод подобия, теплофизический и термомеханический подходы, линейное программирование, методы конечных элементов и планирования эксперимента, положения ряда разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания.
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика комплексного сравнительного анализа процесса восстановления колес повышенной твердости по профилю поверхности катания на основе методов подобия и линейного программирования, теплофизиче-ского анализа и термомеханического подхода.
-
Области существования рациональных сочетаний режимных параметров процесса и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес c различной твердостью обода.
-
Модель расчета НДС и оценки прочности твердосплавных пластин, применяемых для обточки цельнокатаных колес, позволяющая найти решения, обеспечивающие наименьшее напряжения в теле пластины и, как следствие, повышающие работоспособность режущего инструмента.
-
Рекомендации по совершенствованию процесса восстановления колес повышенной твердости обода.
Научная новизна исследования:
-
Предложена методика комплексного сравнительного исследования процесса восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте с использованием теории подобия, теплофизического анализа, методов линейного программирования и термомеханического подхода.
-
Создана виртуальная среда для исследований и анализа процесса восстановления колесных пар, позволяющая установить области существования рациональных сочетаний режимных параметров обработки и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес с различной твердостью обода.
-
Разработана модель расчета НДС и оценки прочности режущей пластины из твердого сплава при температурно-силовом воздействии, позволяющая определить картину распределения напряжений в теле пластины при различных ее конструктивных параметрах.
-
Найдены решения, обеспечивающие снижение опасных напряжений в режущих пластинах и соответствующее увеличение работоспособности сборных инструментов, применяемых при обточке изношенных колес.
Практическая значимость исследования:
1. Приведены статистические данные по износу колесных пар повы
шенного качества и твердости и рассмотрены особенности технологиче
ского процесса восстановления профиля их поверхности катания.
-
Разработан программный модуль, позволяющий анализировать температурно-силовые и другие параметры процесса восстановления колесных пар.
-
Предложенные рациональные технологические режимы процесса и геометрия режущего инструмента для восстановления колес различной твердости, приняты в качестве рекомендаций электродепо Дачное ГУП «Петербургский метрополитен» и обособленным структурным подразделением Санкт-Петербургского филиала ОАО «ВРК – 1» ВЧДр Тосно.
-
Разработанные предложения по повышению эффективности технологического процесса восстановления колес приняты Службой подвижного состава Управления метрополитена для определения перспективных планов развития ремонтных предприятий.
5. Результаты работы используются в учебном процессе.
Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем
теоретических и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Самостоятельно сформулированы положения диссертации, составляющие ее научную новизну и практическую значимость.
Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов. Экспериментальная проверка предлагаемых режимов процесса восстановления показала повышение работоспособности режущего инструмента на 20-30%. Расхождение данных расчета параметров шероховатости поверхности и данных, полученных при эксперименте, составило не более 9-13%.
Апробация результатов исследования. Основные результаты работы были апробированы на: «63-65-ой научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2011 – 2013 гг.), IX Международной научно-практической конференции «Перспективные научные исследования – 2013» (г. София, Болгария, 2013 г.),
III Международной научно-практической конференции «Технологии, материалы, транспорт и логистика: перспективы развития» TMTL’13» (г. Луганск, Украина, 2013 г.), IX Международной научно-практической конференции «Наука и инновации – 2013» (г. Пшемысль, Польша, 2013 г.), VIII Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.). Работа в полном объеме была доложена и обсуждена на научных семинарах кафедры «Технология металлов» ФГБОУ ВПО ПГУПС (2012 – 2014 гг.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, из которых 6 статей в изданиях, определенных ВАК Минобр-науки России, 4 – в материалах научно-технических конференций, 2 – в межвузовских тематических сборниках научных статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа включает 172 страницы основного текста, в том числе 60 рисунков и 36 таблиц. Она состоит из 5-ти разделов, включая введение, заключение, список используемой литературы из 106 наименований и 3-х приложений из 18-ти страниц.
Химический состав и механические свойства новых колесных сталей
Повышение эффективности процесса восстановления вагонных колесных пар с повышенной твердостью обода. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач исследования:
1. Анализ данных эксплуатации и выявление особенностей процесса вос становления колесных пар повышенной твердости: обрабатываемый материал, оборудование, инструмент, особенности обрабатываемой поверхности;
2. Теоретическое исследование характеристик процесса восстановления профиля колеса на основе: метода подобия, теплофизического анализа, термоме ханического подхода, метода линейного программирования, с целью выбора наи более рационального из них;
3. Экспериментальное исследование процесса восстановления профиля по верхности катания колес повышенной твердости;
4. Расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) и прочности твердосплавных пластин, применяемых при восстановлении профиля колес, и на его основе определение рациональной геометрии режущего инструмента;
5. Разработка рациональных технологических режимов восстановления ва гонных колесных пар повышенной твердости и рекомендаций по практическому применению полученных результатов. Методы исследования.
Теоретической базой проведения исследований послужили метод подобия, теплофизический и термомеханический подходы, метод конечных элементов (МКЭ), положения ряда разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания. Экспериментальные исследования (в том числе с использованием метода планирования эксперимента) проводились в лабораторных и производственных условиях.
Автор защищает:
1. Методика комплексного сравнительного анализа процесса восстановления колес повышенной твердости по профилю катания на основе методов подобия и линейного программирования, теплофизического анализа и термомеханического подхода;
2. Области существования рациональных сочетаний режимных параметров процесса и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес c различной твердостью обода;
3. Методология расчета НДС и прочности твердосплавных пластин, применяемых для обточки цельнокатаных колес, позволяющая найти решения, обеспечивающие наименьшее напряжения в теле пластины и, как следствие, повышающие работоспособность режущего инструмента;
4. Рекомендации по совершенствованию процесса восстановления колес повышенной твердости обода.
Научная новизна исследования:
1. Предложена методика комплексного сравнительного исследования процесса восстановления колесных пар по профилю катания при ремонте с использованием теории подобия, теплофизического анализа, методов линейного программирования и термомеханического подхода;
2. Создана виртуальная среда для исследований и анализа процесса восстановления колесных пар, позволяющая установить области существования рациональных сочетаний режимных параметров обработки и геометрических параметров инструмента при восстановлении колес с различной твердостью обода;
3. Разработана модель расчета НДС и прочности режущей пластины из твердого сплава при температурно-силовом воздействии, позволяющая опреде лить картину распределения напряжений в теле пластины при различных ее кон 9 структивных параметрах, что дает возможность определять рациональные параметры режущей части твердосплавного инструмента;
4. Приведены рекомендации по повышению эффективности технологического процесса восстановления колесных пар повышенной твердости.
Практическая значимость исследования:
1. Приведены статистические данные по износу колесных пар повышенного качества и твердости и рассмотрены особенности технологического процесса восстановления профиля их поверхности катания;
2. Разработан программный модуль, позволяющий анализировать температурно-силовые и другие параметры процесса восстановления колесных пар;
3. Предложенные рациональные технологические режимы процесса и геометрия режущего инструмента для восстановления колес различной твердости, приняты в качестве рекомендаций электродепо Дачное ГУП «Петербургский метрополитен» и обособленным структурным подразделением Санкт-Петербургского филиала ОАО «Вагонная ремонтная компания – 1» ВЧДр Тосно;
4. Разработанные предложения по повышению эффективности технологического процесса восстановления колес приняты Службой подвижного состава Управления метрополитена для определения перспективных планов развития ремонтных предприятий;
5. Результаты работы используются в учебном процессе.
Достоверность и обоснованность основных результатов и выводов достигалась путем сравнения согласованности теоретических и экспериментальных данных. Проверка предлагаемых режимов процесса восстановления показала повышение работоспособности режущего инструмента на 20-30%. Расхождение данных расчета шероховатости поверхности и силовых параметров процесса восстановления, полученных при эксперименте, составило 9-13%. Апробация результатов исследования.
Расчет основных характеристик процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар
Основной отличительной особенностью теории подобия является установление взаимосвязи между безразмерными комплексами - критериями подобия. Все критерии в теории подобия принято подразделять на две группы: определяющие и неопределяющие. Определяющие включают в себя все величины, известные до опыта. Неопределяющие включают одну или несколько величин, не известных до опыта и изменяющихся в зависимости от выбранных значений определяющих критериев. Вне групп параметрические критерии подобия, представляющие собой отношение двух однородных величин. [71]
Использование метода источников тепла к расчету тепловых процессов при механической обработке и других теоретических выражений позволило установить следующие безразмерные комплексы - критерии подобия, содержащие в себе все основные параметры процесса восстановления профиля колеса [71]: А, Ре, В, F, D, Е, G, М, К и др. Неизвестными до опыта параметрами процессов восстановления являются , Pz, 1, со Поэтому в соответствии с определением, вышеприведенные критерии подобия являются: определяющими: Ре, F, D, E, G и М; - не определяющими: А, В и hл; - параметрическими: В, D, Е, М ийл.
Установление формы и смысла определяющих и неопределяющих критериев при восстановлении профиля колеса обточкой позволило сформулировать условия (теоремы) подобия процессов резания [71]: 1 теорема (Кирпичева - Гухмана) - два явления подобны, если они описываются одной и той же системой дифференциальных уравнений и имеют подобные условия однозначности;
2 теорема - подобные явления характеризуются одинаковыми значениями всех критериев подобия (определяющих и неопределяющих) в сходных точках подобных систем;
3 теорема - для подобия явлений необходимо и достаточно, чтобы их условия однозначности были подобны, и критерии, составленные из величин, входящих в состав условий однозначности, одинаковы.
Под условиями однозначности принято понимать дополнительные условия, которые в совокупности с дифференциальным уравнением или его решением однозначно определяют единичное явление. К условиям однозначности при токарной обработки относятся следующие данные [71]: а) геометрические характеристики режущего инструмента, сечения среза (aj ,bj) и колеса (L - длина обрабатываемой поверхности, d - диаметр); б) термомеханические свойства обрабатываемого и инструментального материалов (, c, а, p ,пл , p ,в ,в , % и т. д.); в) граничные условия, к которым относятся принимаемые законы рас пределения касательных напряжений в зоне резания и интенсивностей тепловых потоков, определяемые, в свою очередь, режимами обработки v, s и t и другими параметрами; г) начальные условия, которые в нашем случае не учитываются. Термо механические явления рассматриваются без учета фактора времени, т.е. стацио нарными и квазистационарными.
На основании третьей теоремы можно сделать вывод о том, что термомеханические явления процессов восстановления колесных пар на колес ото карных станках подобны между собой, так как они характеризуются постоянством (одинаковостью) определяющих критериев подобия Ре - К . Так как, согласно второй теореме подобия, подобные явления характеризуются одинаковостью всех опре 36 деляющих и неопределяющих критериев подобия, то равенство определяющих критериев неминуемо влечет за собой и равенство неопределяющих критериев. Следовательно, при выбранных конкретных значениях определяющих критериев (Pe,F,D,E,G,P,U и К) можно провести лишь один опыт с определением значений неопределяющих критериев (А,В и Ал), результат которого будет справедлив для всей группы подобных явлений, характеризующихся постоянными значениями определяющих критериев Ре-К .
Критерии Ре-К получены теоретическим путем и обладают большой общностью, поэтому результат исследования единичного явления (опыта) распространяется на целую группу подобных ему явлений (опытов), т.е. имеется возможность научного прогнозирования процессов восстановления [71].
Оценка влияния твердости обрабатываемого материала на силы резания
При нагреве контактных слоев инструмента до температур 900…1200С в его поверхностных слоях начинается пластическое течение. Оно совершается под действием адгезионного схватывания и зацепления микронеровностей, впадины между которыми заполнены обрабатываемым материалом, постоянно перемещающимся по поверхности инструмента [33]. Наряду с пластическим течением материала инструмента по контактирующим с ним поверхностям колеса и стружки, при работе с высокими температурами резания происходит пластическое опускание вершины резца, связанное с явлением ползучести его материала. Поэтому температуру резания ограничивали рациональным значением, в качестве которого была принята «оптимальная температура», рекомендуемая проф. Рыбинского авиационного технологического института С.С. Силиным и полученная в работах сотрудников кафедры «Технология металлов» ПГУПС для исследуемой пары «обрабатываемый – инструментальный материал» и равная 870±10С (см. разделы 1.5 и 2.2.3).
Были получены графические зависимости влияния твердости колесной стали на скорость резания на различных глубинах резания при условии обеспечения оптимальной температуры. Эти зависимости для железнодорожных колес отображаются в виде вогнутых кривых на рис. 2.21, а для колес подвижного состава метрополитена представлены в Приложении А.3. При интенсивных режимах резания, соответствующих достаточно большим значениям толщины срезаемого слоя температура резания незначительно увеличивается, что сказывается на рациональной скорости, так как кривые становятся все более пологими. Например, для стали с твердостью в 320 и 340 HB кривая практически располагается горизонтально. Результаты расчетов сведены в таблицу 2.14.
Влияние главного угла в плане режущего инструмента на скорость восстановления профиля для различных значений твердости колесной стали и угла упрочняющей фаски имеет вид вогнутых нисходящих кривых. Уменьшение угла в плане (табл. 2.13) снижает температуру при этом скорость резания может быть существенно увеличена. Влияние упрочняющей фаски более заметно на небольших углах (табл. 2.15). Так, например, для нулевого угла фаски при главном угле 30 значение рациональной скорости для стали твердостью 255 HB составит 41,48 м/мин, а для 340 HB – 17,08 м/мин. Таблица 2.15 – Влияние главного угла в плане на рациональную скорость резания
1. Рассмотрена методика оценки процесса восстановления колесных пар на основе термомеханического подхода;
2. Выполнен расчет и анализ температур, возникающих в процессе восстановления, для колес обычной и повышенной твердости обода. Установлено, что:
– повышение твердости колесной стали ведет к повышению температур на контактных поверхностях инструмента и температуры резания. Повышение скорости ведет к тому же;
– работа на режимах (см. таблицы 2.13-2.14), используемых для 250…280 HB, при восстановлении профиля железнодорожных колес с 300…340 HB вызывает температуры, превышающие теплостойкость применяемых твердых сплавов;
– снижение температуры возможно за счет уменьшение толщины a срезаемого слоя, в частности за счет изменения угла в плане с 75 до 30, а также за счет применения положительных передних углов;
– увеличение отрицательного угла наклона упрочняющей фаски f приводит к несущественному увеличению температуры задней поверхности и как следствие – температуры резания, возникающей при восстановлении профиля колеса.
3. Определены рациональные режимы восстановления профиля колес раз личной твердости обода на основе термомеханического подхода. 2.4. Методы линейного программирования при расчете режимов восстановления профиля поверхности катания колесных пар
Эффективность процесса механической обработки колесных пар во многом зависит от правильно назначенного режима восстановления, то есть величин глубины, подачи и скорости резания. Эти параметры находятся во взаимной функциональной связи, устанавливаемой различными аналитическими и эмпирическими зависимостями, которые учитывают их влияние на силы резания, период стойкости (время работы) инструмента и качество обработанной поверхности. При этом не все параметры процесса восстановления одинаково влияют на стойкость инструмента и эффективность процесса в целом. При увеличении глубины резания и подачи стойкость инструмента уменьшается в меньшей мере, чем при увеличении скорости резания, а с точки зрения уменьшения машинного времени одинаково выгодно увеличивать любой из элементов [85]. Выбор режима резания можно выполнить методом оптимизации по различным критериям, либо на основе общемашиностроительных норм с использованием справочников [52, 54, 76] и другой литературы [71].
В данном разделе рассмотрена методика выбора рационального режима восстановления на основе одного их методов «исследования операций» [89], а именно метода линейного программирования [24, 44]. В исследовании операций нет единого общего метода решения всех математических моделей, которые встречаются на практике. Вместо этого выбор метода решения диктуют тип и сложность исследуемой математической модели. Наиболее известными и эффективными методами исследования операций являются методы линейного программирования, когда целевая функция и все ограничения являются линейными функциями. [89] Для решения математических моделей других типов предназначены: – методы целочисленного программирования (если все переменные должны принимать только целочисленные значения); – динамического программирования (где исходную задачу можно разбить на меньшие подзадачи); – нелинейного программирования (когда целевая функция и/или ограничения являются нелинейными функциями).
Для нахождения оптимального решения при большом числе взаимосвязанных переменных, подчиняющихся определенным ограничивающим условиям, широко используется линейное программирование [24]. Под оптимальным режимом восстановления в дальнейшем полагаем режим, обеспечивающий наименьшее машинное время на обработку одной колесной пары с требуемыми параметрами качества ее поверхности.
Назначение кинематических граничных условий
На основании расчета прочности инструмента в п. 4.3.2 настоящей работы было установлено, что при температурно - силовом нагружении места концентраций эквивалентных напряжений соответствуют минимальному запасу прочности твердосплавной пластины по критерию Писаренко – Лебедева [56], учитывающему анизотропные свойства твердосплавного материала. Эти места в дальнейшем и были использованы в качестве исследуемых зон для ограничения и датчиков цели (целевой функции) при отслеживании максимальных эквивалентных напряжений с целью их минимизации.
Запускалось исходное температурно - силовое исследование Simulation для каждого варианта сценария и производилось обновление значений датчика целевой функции, тем самым отслеживая значение эквивалентных напряжений. Решением задачи оптимизации геометрии пластины явился подбор таких значений указанных переменных, которые наилучшим образом удовлетворяли поставленному условию минимизации целевой функции (эквивалентных напряжений).
Так как рост числа переменных проектирования увеличивает число итераций (возможных вариантов решения задачи), то исследование было разделено на три группы, каждой из которой соответствовало определенное значение ширины упрочняющей фаски: 0,2 мм, 0,4 мм и 0,6 мм. Программа для каждой из трех групп исследования выполняла 70 различных итераций. После выполнения экспериментов рассчитывались оптимальные расчетные параметры путем создания функции отклика, относящейся к цели переменных. При этом программа создавала графики изменения максимального напряжения по Мизесу для каждой вариации переменных (сценария исследования), которые использовались для качественной оценки полученных результатов (рис.
С целью исключения так называемого локального оптимума расчет производился повторно, используя в качестве исходной точки ранее полученный оптимальный вариант с более мелким перебором значений геометрических параметров инструмента:
Число возможных вариантов решения итоговой задачи оптимизации составило 40 итераций. График изменения максимального напряжения для итоговой серии сценариев исследования представлен на рис. 4.16, из которого можно заключить, что 28 сценарий (=2899 МПа) с параметрами у= -4, =22 - наилучший. Полученные геометрические параметры пластины соответствуют ее нормальному положению, когда она стоит на основной плоскости, т.е. на данные конструктивные углы режущая кромка твердосплавной пластины затачивается.
Полученные результаты оптимизации геометрии пластины хорошо согласуются с исследованиями [9], где при анализе напряженно - деформированного состояния сменных твердосплавных режущих пластин с разной формой передней поверхности отмечено, что эпюры распределения главных напряжений 1 и 3 для режущего клина с фаской и с вогнутой передней поверхностью примерно в 3 раза в численном выражении меньше по сравнению с главными напряжениями в режущем клине с плоской передней поверхностью. Исследования [19, 22, 85] и эксперименты показали, что снижение темпа износа режущего инструмента обеспечивается фаской по задней поверхности с нулевым углом . Это учитывалось при оптимизации геометрии пластины притуплением ее задней поверхности. Такое первоначальное притупление благоприятно с точки зрения повышения пластиче 146 ской прочности режущего лезвия путем упрочнения режущего клина и уменьшения пластических деформаций в начальный период резания.
В результате решения задачи оптимизации получены итоговые значения результирующих геометрических параметров оптимизированной пластины (призматической и чашечной) с учетом ее установки в корпус державки, определяемые геометрией передней поверхности пластины и наклоном опорной поверхности гнезда державки, в сравнении со стандартной геометрией (таблица 4.3). В таблице также представлены рассчитанные и прогнозированные их прочностные характеристики.
Примечание: напряжения и запас прочности рассчитаны для обточки колесной стали твердостью 320 HB при следующих режимах резания – глубина t=5 мм., подача s=1,1 мм/об., скорость восстановления профиля v=25 м/мин.
Таким образом, на основании предложенных рекомендаций по оптимизации геометрии твердосплавной пластины, применяемой в режущем инструменте для обточки железнодорожных колес, можно ожидать повышение запаса ее прочности ориентировочно на 10-15 % по сравнению со стандартной при работе на принятых режимах резания с учетом температурно - силового воздействия.
В процессе резания в результате трения задней грани инструмента о поверхность колеса происходит изнашивание контактной площадки инструмента. На задней грани вследствие износа появляется площадка с задним углом , равным нулю. Эта площадка износа hЗ искажает форму инструмента, при этом увеличивается трение и ухудшаются условия работы. При значительной ее величине на задней поверхности инструмента возрастают силы резания и температура. В этом случае при наступлении так называемого катастрофического износа может произойти разрушение режущей части [39]. Поэтому основной мерой величины износа является высота площадки (ширины фаски) износа на задней поверхности инструмента, определяющая собой стойкость, одной из количественных мер, оценки которой может послужить путь резания или количество колес, приходящееся на одну режущую кромку.
В производственных условиях электродепо «Дачное» при обточке колесных пар нового формирования, состоящих из колес марки 2 по ГОСТ 10791-2011, используя секундомер и лупу с делениями (Бринелля), помимо данных измерений величины фаски износа режущего инструмента стандартной геометрии чашечного типа от пути резания, были получены данные для чашечных пластин с измененной геометрией, полученной на основе оптимизации формы режущего клина (рисунок 4.17). Заточка пластины производилась в лабораторных условиях.
Колеса обтачивались на колесотокарном станке КЗТС 1836 при заданном режиме резания. Периодически прекращали резание и, не снимая и не поворачивая резец, лупой замеряли величину износа, соответствующую времени резания, за которое образовалась эта площадка износа, т.е. приходящую на одну позицию режущей кромки пластины. Для каждого времени работы находили соответствующий ему пройденный инструментом путь резания. Зависимости пути резания от величины фаски износа для стандартной и предложенной геометрий при различных скоростях резания представлены на рисунке 4.18.
