Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор состояния вопроса 8
1.1 Особенности эксплуатации вагонных колес из стали повышенной твердости 8
1.1.1 Анализ процесса взаимодействия «твердого» колеса и рельса 8
1.1.2 Анализ причин изъятия «твердых» колес из эксплуатации в ремонт... 12
1.2 Анализ существующей технологии ремонта вагонных колес из стали повышенной твердости 17
1.2.1 Особенности процесса механической обработки «твердых» колес 17
1.2.2 Анализ причин выхода из строя режущего инструмента при восстановлении профиля вагонных колес повышенной твердости 22
1.2.3 Способы восстановления профиля колес повышенной твердости 26
1.3 Цель и задачи исследования 29
2 Исследование влияния качества механической обработки на пробег колес между обточками 30
2.1 Анализ качества поверхности колеса после механической обработки 30
2.2 Математическое моделирование процесса контактного взаимодействия рельса с колесом, содержащим макровыступ 32
2.3 Исследование влияния значений контактных напряжений на усталостную долговечность колесной стали повышенной твердости 44
3 Исследование влияния состояния поверхности катания вагонного колеса повышенной твердости на его обрабатываемость резанием 49
3.1 Состояние поверхности катания и поверхностного слоя вагонного колеса повышенной твердости 49
3.2 Выбор показателей оценки обрабатываемости колес резанием 55
3.3 Экспериментальное исследование процесса прерывистого резания колесной стали повышенной твердости 62
4 Совершенствование технологии восстановления профиля вагонных колес повышенной твердости 72
4.1 Разработка метода улучшения обрабатываемости срезаемого слоя при обтачивании обода вагонного колеса 72
4.2 Выбор характеристик шлифовальных кругов для удаления термомеханических повреждений методом местного силового врезного шлифования 77
4.3 Определение режимов резания местного силового врезного шлифования 82
4.4 Теплофизический анализ контактной зоны взаимодействия шлифовального круга с поверхностью колеса 84
4.5 Состояние поверхности вагонного колеса после удаления термомеханических повреждений 89
4.6 Разработка технологии механической обработки вагонных колес повышенной твердости 93
4.7 Оптимизация режимов резания при восстановлении профиля вагонного колеса на колесотокарном станке 97
4.8 Анализ процесса обточки «твердых» колес по существующей и разработанной технологиям 103
4.9 Результаты производственного эксперимента 106
5 Технико-экономическое обоснование 108
Заключение 118
Список использованной литературы 120
Приложения 132
- Анализ существующей технологии ремонта вагонных колес из стали повышенной твердости
- Математическое моделирование процесса контактного взаимодействия рельса с колесом, содержащим макровыступ
- Экспериментальное исследование процесса прерывистого резания колесной стали повышенной твердости
- Выбор характеристик шлифовальных кругов для удаления термомеханических повреждений методом местного силового врезного шлифования
Введение к работе
Безопасность движения подвижного состава и экономическая эффективность грузоперевозок во многом зависят от эксплуатационной долговечности колесной пары, которая в большинстве случаев определяется контактно-усталостной прочностью и износостойкостью верхних слоев металла обода колеса и качеством ее ремонта. В соответствии с договором ОАО «РЖД» с Вы-ксунским металлургическим заводом (ВМЗ) с целью сокращения отцепок грузовых вагонов по неисправностям колесных пар с 2003 года начат выпуск цельнокатаных колес с твердостью обода 320 — 360 НВ. По данным ОАО «РЖД» к 2010 году в эксплуатацию поступит более 5 млн. высокопрочных колес на сумму 32,4 млрд рублей. Внедрение «твердых» колес в эксплуатацию позволило увеличить пробег колесных пар более чем в 2,5 раза. Вместе с тем, как показывает практика, количество колесных пар, поступающих в ремонт по наличию термомеханических повреждений на поверхности катания колес, не уменьшилось и составляет 62% от общего числа колесных пар.
При восстановление профиля колес повышенной твердости в настоящее время существуют две проблемы. Во-первых, это неудовлетворительное качество механической обработки колес с термомеханическими повреждениями, проявляющееся в наличии на поверхности катания после их обточки, в результате технологической наследственности, макронеровностей, которые при дальнейшей эксплуатации колесной пары являются причиной возникновения дополнительных напряжений материала в пятне контакта системы «колесо-рельс» и образования выщербин, и как следствие, уменьшения пробега. Во-вторых, снятие в стружку значительного слоя полезного металла, что сокращает срок службы колеса.
Кроме того, процесс восстановления профиля колес повышенной твердости характеризуется высокими затратами, обусловленными повышенным расходом твердосплавных режущих пластин, который в 3 — 5 раз выше расхода при восстановлении профиля стандартных вагонных колес. Режущие пластины разрушаются из-за ударных нагрузок, возникающих от термомеханических повреждений вагонных колес и превышающих предел прочности режущего инструмента.
Таким образом, проблема продления срока службы колеса и снижение затрат на восстановительные работы, является крайне актуальной.
Целью диссертационной работы является обеспечение работоспособности, поступающих в ремонт колесных пар с колесами повышенной твердости, имеющими термомеханические повреждения, за счет разработки ресурсосберегающей технологии восстановления их профиля катания.
Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы теория удара, механика контактных взаимодействий, теория обработки высокопрочных материалов резанием, статистический анализ, математической моделирование производственных процессов. Значительная часть работы базируется на проведении экспериментальных исследований, обработке данных и построения регрессионных моделей.
Научная новизна и значимость работы заключается в следующем: установлена зависимость пробега колеса повышенной твердости до образования выщербины браковочного размера от высоты макровыступа на поверхности катания, полученного при механической обработке профиля, содержащего термомеханическое повреждение; выявлена взаимосвязь между состоянием поверхности и поверхностного слоя профиля катания колес, поступающих в ремонт, производительностью и качеством их обточки; разработана технология восстановления профиля высокопрочных колес, поступивших в ремонт с термомеханическими повреждениями.
Практическая ценность и реализация работы.
Предложенные новые технические решения и разработанные рекомендации позволяют улучшить обрабатываемость материала «твердого» колеса резанием, что, в свою очередь, обеспечивает увеличение пробега колеса между обточками профиля за счет улучшения качества поверхности колеса после выпол- нения ремонтных работ и снижения напряженного состояния в системе «колесо-рельс». Кроме того, обеспечивает повышение производительности и сокращения затрат на выполнение ремонтных работ, за счет экономии твердосплавного режущего инструмента.
Новизна технических решений, разработанных автором, признана комитетом РФ по патентам и товарным знакам. Практическая ценность работы подтверждена экспериментом, проведенным в ВЧД «Московка» Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены: на VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2007); на второй научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008); на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт - 2008» (Ростов-на-Дону, 2008); на третьей научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009); на научно-практической конференции «Повышение автоматизации и механизации ремонта подвижного состава на железнодорожном транспорте» (Щербинка, 2009).
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты: установленная зависимость пробега колеса повышенной твердости до образования выщербины браковочного размера от высоты макровыступа на поверхности катания, полученного при механической обработке профиля, содержащего термомеханическое повреждение; выявленная взаимосвязь между состоянием поверхности и поверхностного слоя профиля катания колес, поступающих в ремонт, производительностью и качеством их обточки; разработанная технология восстановления профиля высокопрочных колес, поступивших в ремонт с термомеханическими повреждениями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых восемь статей, в том числе две статьи в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России, три - в материалах научно-технических конференций, три - в межвузовских тематических сборниках научных статей, два патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка использованной литературы из 130 наименований и пяти приложений, изложена на 145 страницах, содержит 33 рисунка, 22 таблицы.
Анализ существующей технологии ремонта вагонных колес из стали повышенной твердости
В настоящее время в вагоноремонтных депо восстановление профиля вагонных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт, выполняют согласно технологическому процессу механической обработки стандартных вагонных колес. Структура технологического процесса восстановления профиля «твердых» вагонных колес в общем виде представлена на рисунке 1.5.
Основной объем механической обработки профилей колес производиться точением на колесотокарных станках распространенных моделей UBB 112, UCB 125 (Рафамет), 1836 КЗТС, 165 Хагеншейдт и др.
Восстановление профиля колеса выполняется путем его обтачивания за один или два прохода режущего инструмента. Если на поверхности колеса нет термомеханического повреждения и глубина резания, необходимая для выполнения восстановления профиля не превышает 4 мм, то профиль восстанавливают обточкой за один проход, если же превышает, то за два прохода. Обточкой за один проход восстанавливают в основном колеса с такими дефектами как прокат, неравномерный прокат, не большие раковины, а за два прохода - колеса с ползунами, выщербинами, тонким гребнем, вертикальным подрезом гребня и др.
Анализ статистических данных по объемам механической обработки показывает (рисунок 1.6), что в основном восстановление профилей колес как стандартных, так и «твердых» выполняется обточкой за два прохода.
Таким образом, внедрение «твердых» колес в эксплуатацию заметно не уменьшило объемов механической обработки, а в ряде случаев добавило дополнительных трудностей. Если при восстановлении стандартных вагонных колес обточкой за два прохода в основном устраняют вертикальный подрез гребня, тонкий гребень, как наиболее часто встречающиеся дефекты, то при восстановлении «твердых» колес ситуация меняется и обточкой за два прохода в основном устраняют ТМП.
Обточка «твердых» колес с ТМП на типовых колесотокарных станках сопровождается значительными ударными нагрузками, которые, во-первых, приводят к отжиму режущего инструмента от обрабатываемой поверхности колеса, в результате чего, на обработанной поверхности в области ТМП, остаются характерно выраженные выступы (рисунок 1.7), являющиеся концентраторами дополнительных напряжений в пятне контакта колеса и рельса, т. е. очагами образования выщербин 2-го рода, во-вторых, приводят к разрушению режущего инструмента, что требует частой его замены, а это приводит к снижению производительности и значительному увеличению себестоимости механической обработки.
При обработке стандартных вагонных колес с ползунами и выщербинами первого рода в большинстве случаев применяют так называемое резания материала под корку, это когда в процессе механической обработки во избежание значительного ударного воздействия от упрочненного участка на режущую кромку резца врезаются им под дефект. Данный способ обработки позволят сократить число сколов режущих кромок твердосплавных пластин, но приводит к сокращению возможного количества обточек колес из-за снимания в стружку не только техно логически необходимого, но и полезного слоя металла, порядка 3-5 мм (рисунок 1.8), что соответственно резко уменьшает срок эксплуатации колеса. По усредненным данным каждый миллиметр стали, снимаемый в стружку сокращает эксплуатационный ресурс «твердого» колеса на 35 - 40 тыс. км. пробега.
Попытка применения данного способа обработки к «твердым» колесам не увенчалась успехом. Во-первых, упрочненный слой металла в области ползунов и выщербин первого рода на «твердых» колесах уходит в глубь колеса на большую величину, нежели на стандартных вагонных колесах, что требует дополнительного увеличения глубины резания для осуществления подрезки под дефект, а это приводит к дополнительному расходу полезного слоя металла в стружку. Во-вторых, твердость основного слоя металла «твердого» колеса (320 - 360 НВ) выше твердости металла стандартного колеса (255 - 285 НВ), и в большинстве случаев невозможно дополнительно увеличить глубину резания в силу ограничений, связанных с мощностью главного привода металлорежущего оборудования, с прочностью его механизмов, с прочностью режущего инструмента. А если и возможно, то это приводит к повышенному износу узлов и механизмов станка, режущего инструмента, что значительно увеличивает себестоимость восстановления профиля вагонного колеса повышенной твердости.
Анализ типовых норм времени (таблица 1.3) [91], установленных на обточку стандартных и «твердых» колес показывает, что в среднем производительность обточки «твердых» колес ниже обточки стандартных на 0,05 норма-ч. Это имеет место при обработке вагонных колес с такими дефектами, как прокат, тонкий гребень, кольцевые выработки, выщербины 2-го рода.
Математическое моделирование процесса контактного взаимодействия рельса с колесом, содержащим макровыступ
Взаимодействие колеса и рельса является физической основой движения подвижного состава по железным дорогам. От параметров этого взаимодействия во многом зависят безопасность движения и основные технико-экономические показатели хозяйств пути и подвижного состава.
Определение механизма взаимодействия между колесом и рельсом представляет собой одну из важнейших проблем железнодорожного транспорта. Трудность решения этой проблемы заключается в том, что при взаимодействии колеса с рельсом на контактные напряжения влияют качество и неровности пути, разность нагрузок на колеса одной и той же оси, дисбаланс и заклинивание колесных пар, разные диаметры колес, волнообразный износ рельсов, зазоры в стыках, непостоянные скорости движения, коэффициент трения, жесткость над колесных устройств у подвижного состава и т.п.
Процесс качения колеса, содержащего на поверхности катания технологически наследованный выступ, по рельсу сопровождается ударными нагрузками, являющимися самым резким проявлением динамических нагрузок. Данные нагрузки, создают дополнительное напряженное состояние, как в колесе, так и в рельсе существенно превышающее штатное, которое имеет место при качении колеса по рельсу без дефектов.
В момент удара нагрузки в зоне контакта превышают предел текучести материала, что вызывает изменение геометрических параметров профиля поверхности контакта и наклеп, что приводит к уменьшению ресурса пластичности металла. По мере увеличения длительности работы подвижного состава, т. е. увеличения числа циклов нагружений материала колеса и рельса, накапливаются их необратимые изменения, приводящие к усталостному разрушению материала колеса и рельса.
Для определения сил контактного взаимодействия колеса и рельса, возникающих при ударе можно воспользоваться закономерностями, полученными при исследованиях процесса ударного взаимодействия колеса с дефектом в виде ползуна и рельса выполненные профессором В. Б. Мещеряковым и его учеником А. В. Кузнецовым.
На рисунке 2.3 показано колесо с технологически наследованным выступом (для наглядности размер ТНВ утрирован). В данный начальный момент времени, центр колеса начинает движение по дуге окружности. У центра масс колеса - точки О появляется нормальное ускорение.
Из выражения (2.1) можно получить предельное значение скорости V, при котором реакция рельса N (а значит, и давление колеса на рельс) обращается в ноль.
В нашем случае возникает двух зонный удар первый в момент времени, когда отрезок АВ совместится с рельсом, а второй, когда совместиться с рельсом отрезок CD. Начальная скорость удара V0 зависит от скорости точки О (скорости вагона). Ее можно вычислить по формулам, предложенным в [48]:
Герц предположил, что упругая сила контактного взаимодействия тел при ударе зависит от деформации х так же, как и в случае статического равновесия. Он показал, что если тело и препятствие в окрестности точки соприкосновения имеют сферическую поверхность и их деформации малы по сравнению с их радиусами, то с учетом увеличения пятна контакта с ростом деформации х сила упругого взаимодействия равна [128]
Экспериментальное исследование процесса прерывистого резания колесной стали повышенной твердости
С целью определения зависимости, позволяющей вычислить значения коэффициента удара, проведен полный факторный эксперимент, процесса прерывистого резания колесной стали повышенной твердости. Эксперимент проводили на базе токарно-винторезного станка 1К62 с применением сертифицированного виброизмерительного комплекса CONAN. В самоцентрирующий патрон станка устанавливали опытный образец 1 (рисунок 3.7), изготовленный из колесной стали марки Т по ТУ 0943-157-01124328-2003. С целью имитации процесса прерывистого резания, сопровождающегося ударными нагрузками режущего инструмента, такого же, который наблюдается при обточке вагонных колес повышенной твердости с ТМП, в образце выполнен паз. В резцедержатель станка устанавливали и закрепляли резец 2 с вылетом более двух высот державки инструмента, для искусственного снижения жесткости и упрощения снятия показаний.
На резце при помощи винтового со единения крепился датчик 3, передающий в процессе выполнения обработки образца резцом через кабель сигнал в системный блок, обработанный сигнал выводился на экран монитора и записывался (приложение Б). В качестве контролируемого параметра (отклик функции) выбрано значение отношения амплитуд ускорений (коэффициент удара) режущей кромки при колебании резца в процессе стабильного резания, при выходе резца из металла образца в паз и при врезании его вновь в металл образца. В качестве факторов, влияющих на контролируемый параметр, выбраны: XI - скорость резания V, м/мин; Х2 - глубина резания t, мм; ХЗ — подача S, мм/об.; Х4 - твердость стали, НВ. Значения факторов приведены в таблице 3.1. Гипотеза об однородности дисперсии проверяется по критерию Кохрена, расчетное значение, которого определяется из выражения: Максимальная дисперсия наблюдается в опытах №1 и №2. Расчетный критерий Кохрена равен 0,13.
Табличный критерий Кохрена равен 0,31. Расчетный критерий Кохрена не превышает значение табличного. Гипотеза об однородности дисперсий подтверждается. Дисперсия воспроизводимости равна 0,001. Значения коэффициентов регрессии определяем по формуле: Регрессионная модель зависимости коэффициента удара от таких параметров, как скорость резания, глубина резания, подача и твердость металла, в кодированных значениях будет выглядеть следующим образом: где х, — кодированное значение скорости резания, х2 — кодированное значение глубины резания, х3 - кодированное значение подачи, х4 — кодированное значение твердости металла Выполняем проверку значимости коэффициентов регрессии по критерию
Стьюдента, расчетное значение которого определяется по формуле: Табличное значение критерия Стьюдента равно 2,12. Коэффициентами регрессии, значения критерия Стьюдента которых, меньше табличного (t2 =0,17; t3 =1,26; t4 =0,38) при построении модели можно пренебречь. Тогда регрессионная модель принимает вид Рассчитываем остаточную сумму квадратов или остаточную дисперсию по формуле: Остаточная сумма квадратов равна 0,0026. Выполняем проверку гипотезы об адекватности полученной модели по критерию Фишера при 5% уровне значимости. Расчетное значение критерия Фишера определяется по формуле: Табличное значение критерия Фишера равно 2,8. Так как табличное значение критерия Фишера больше расчетного, гипотеза об адекватности, полученной регрессионной модели не отвергается. Переход от кодированных значений к натуральным величинам позволил получить зависимость коэффициента удара от скорости резания в диапазоне скоростей от 15 до 55 м/мин Полученная зависимость коэффициента удара (3.10) позволяет определить контактные напряжения, возникающие в момент удара на режущем инструменте. Зная предел прочности режущего инструмента, можно определить допустимую скорость резания, при которой режущей инструмент не будет выходить из строя по сколам режущих кромок и разрушению. При переходе на натурную технологическую систему, с учетом момента инерции вращающихся масс, зависимость (3.10) принимает вид: Здесь Мвр, Мс, М , MCj - крутящий момент на шпинделе и момент сопротивления вращению шпинделя, порождаемый силой резания, без учета момента инерции вращающихся масс и с учетом, соответственно. С учетом выше изложенного и данных таблицы 3.5, построена зависимость, позволяющая определить поправочный коэффициент.
Выбор характеристик шлифовальных кругов для удаления термомеханических повреждений методом местного силового врезного шлифования
Шлифовальные круги (ШК) при шлифовании подвергаются силовым, тепловым и физико-химическим воздействиям, в результате которых их рабочие поверхности изнашиваются, затупляются и засаливаются.
Под изнашиванием понимают постепенное отделение частиц рабочего слоя ШК, приводящее к уменьшению его размеров и массы. Затупление ШК — это изменение геометрических параметров его рабочей поверхности вследствие изнашивания абразивных зерен (A3), приводящее к снижению режущей способности инструмента.
Изнашивание шлифовальных кругов происходит, в основном, за счет: механического истирания вершин режущих кромок зерен и появления на них площадок износа [64,116]; выкрашивания (скалывания) частиц A3 под действием силовых нагрузок и циклического чередования их быстрого нагрева и охлаждения, создающего термоудары [18,60,95]; адгезионного изнашивания зерен, связанного с периодическим отрывом налипшего на них металла заготовки вместе с частицами абразива и образованием на зернах мелких кратеров [52]; диффузионного изнашивания, заключающегося в растворении A3 в материале обрабатываемой заготовки и образования их химических соединений [11,52,60]; окисления зерен кислородом воздуха при высокой температуре [50,125]; вырывания из связки целых зерен [64].
Под засаливанием понимают процесс переноса на рабочую поверхность ШК частиц шлама в процессе обработки. Однако следует иметь в виду, что частицы шлама способны проникнуть и удержаться в пространстве между A3 и в порах круга (шлам - это отходы шлифования, состоящие из частиц абразива, связки и шлифовальной стружки), а на A3 налипает материал обрабатываемой заготовки.
Затупление и засаливание являются основной причиной потери режущей способности ШК. В зависимости от преобладания того или иного вида изнашивания различают режим самозатачивания и преимущественного затупления инструмента. В режиме самозатачивания преобладает процесс скалывания A3 и вырывания их из связки. При этом режущая способность ШК и теплосиловая напряженность процесса шлифования со временем практически не изменяются [18, 116], однако изнашивание ШК приводит к искажению его исходной (правильной) геометрической формы, что, в свою очередь, интенсифицирует вибрации технологической системы, приводит к увеличению погрешностей размеров и образованию на обрабатываемых поверхностях деталей волнистости. Поэтому режим самозатачивания используется преимущественно на операциях предварительного шлифования.
Баланс между скалыванием и вырыванием зерен и их затуплением определяется теплосиловой напряженностью процесса шлифования и прочностными свойствами самих зерен и связки.
С увеличением рабочей скорости круга и его твердости возрастают средние значения сил, приходящихся на одно зерно, при которых возможно разрушение зерен или вырывание их из связки (критическая нагрузка). С повышением твердости круга процесс шлифования с преобладающим самозатачиванием переходит в «смешанный» режим, затем - в режим с преобладающим затуплением [116].
Чем меньше зернистость ШК, тем более узким становится диапазон твердости круга, при котором возможен «смешанный» режим его работы. При увеличении интенсивности съема металла кругами малой твердости режим преобладающего затупления круга заменяется смешанным режимом, а затем переходит в режим самозатачивания.
При шлифовании заготовок кругами из электрокорунда и карбида кремния имеют место все виды изнашивания, а их удельный вес может изменяться в зависимости от условий обработки.
Интенсивность механического истирания зерен в значительной мере определяется прочностью и твердостью материала обрабатываемой заготовки. При шлифовании заготовок из коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов интенсивность затупления A3 в несколько раз выше, чем при шлифовании заготовок из конструкционных углеродистых и низколегированных сталей [96,111,116] что объясняется более высокой прочностью и твердостью этих материалов.
Л. В. Худобин и М. А. Белов [111,112], проанализировав кинетику состояния рабочих поверхностей кругов из традиционных абразивных материалов (электрокорундов и карбидов кремния) при шлифовании заготовок из коррозионностойких сталей, выделили три периода работы кругов: 1) скалывание вершин A3, разрушение зерен с образованием мелких осколков и вырывание непрочно закрепленных зерен из связки в начальный период шлифования после правки круга; 2) затупление зерен с последующим налипанием на их вершины частиц металла заготовки, разрушение зерен с образованием осколков и вырывание затупившихся и засаленных зерен из связки под действием силы шлифования; при этом поры круга частично заполняются шламом; 3) дальнейшее засаливание рабочей поверхности ШК, заключающееся в заполнении шламом пространства между зернами, что приводит к полной потере кругом режущей способности.
Основным механизмом изнашивания кругов из сверхтвердых материалов (СТМ) является хрупкое разрушение A3 и вырывание из связки целых зерен [125]. Если A3 недостаточно прочно удерживаются связкой, то они вырываются прежде, чем успевают затупиться, при этом полезно используется лишь малая доля потенциальных режущих свойств зерен [52, 64], а экономическая эффективность обработки кругами из СТМ снижается.
