Введение к работе
Актуальность темы исследования. По данным ОАО «РЖД» за период с 2008 по 2012 г. количество случаев отцепки вагонов на техническое обслуживание и ремонт из-за неисправностей колесных пар возросло на 13,3 % (с 241966 в 2008 г., до 274110 вагонов в 2012 г.). При этом 25 % вагонов (68527) было отцеплено по причине обнаружения на поверхности катания колес выщербин недопустимых размеров. При установленном нормативном межремонтном пробеге колесных пар 160 тыс. км., а в перспективе 210 средний пробег до отцепки колесных пар составил 120 - 140 тыс. км.
Как показали результаты исследований, опубликованных в ряде работ, одной из основных причин интенсивного контактно-усталостного разрушения является неудовлетворительное качество механической обработки при восстановлении поверхности катания колес обточкой. Из-за ударных нагрузок при взаимодействии режущего инструмента с ползунами, выщербинами и другими дефектами при обточке образуется макрогеометрическое отклонение высотой до 0,8 мм. Участки поверхности катания, имеющие высоту неровности более 0,2 мм, уже являются существенными концентраторами контактного механического напряжения. Это способствует повышению интенсивности контактно-усталостного изнашивания колес при эксплуатации подвижного состава, особенно при температуре ниже минус 30 С. Однако в технических условиях на колесные пары и правилах их ремонта не регламентируется качество поверхности катания по данному параметру. Кроме того, недостаточно исследовано влияние макрогеометрических отклонений профиля на контактно-усталостное разрушение поверхности катания при повышенной нагрузке на ось до 30 тс и скорости движения до 160 км/ч, что свидетельствует о недостаточной степени проработанности темы влияния макрогеометрии восстановленной поверхности катания на значение межремонтного пробега колес в эксплуатации.
Диссертация выполнена в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р, госбюджетной научно-исследовательской работой Омского государственного университета путей сообщения «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава» (номер государственной регистрации - 01201151856).
Цель диссертационной работы - обеспечение работоспособности колесных пар грузовых вагонов, эксплуатируемых в условиях повышенных динамических
нагрузок, путем формирования оптимальной макрогеометрии поверхности катания при ремонте.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
методами математического моделирования исследовать влияние макрогеометрии поверхности катания на процесс контактно-усталостного разрушения колесных пар при их взаимодействии с рельсами;
-
разработать математическую модель прогнозирования наработки на отказ колесных пар по износу поверхности катания различной макрогеометрии с учетом нагрузки на ось и скорости движения;
-
произвести моделирование процесса формирования макронеровностей профиля катания колесных пар при восстановлении их обточкой;
-
усовершенствовать технологию восстановления обточкой профиля поверхности катания колесных пар с эксплуатационными дефектами;
-
оценить экономическую эффективность предложенных рекомендаций по обеспечению нормативного ресурса колесных пар подвижного состава.
Методы исследования. Теоретическая часть работы по исследованию динамического взаимодействия колеса с рельсом основана на принципах аналитической механики. Прочностные расчеты выполнены с применением основных положений теории упругости и моделирования напряженно-деформированного состояния при решении смешанной задачи механики деформируемого твердого тела для системы пятен контакта. Методика расчета ресурса колеса разработана на основе теории трения и изнашивания. Экспериментальные исследования процессов, протекающих при прерывистом резании колесной стали, проводились с использованием натурных и имитационных методов. Оценка точности экспериментальных данных и адекватности полученных математических моделей выполнена с использованием основных положений теории вероятностей и математической статистики. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 14.0 и электронные таблицы Microsoft Excel 2010.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1) разработана уточненная методика моделирования напряженно-
деформированного состояния поверхности катания колесных пар грузовых ва
гонов при динамическом взаимодействии с рельсами, учитывающая макрогео
метрию профиля колеса;
2) предложена методика прогнозирования межремонтного пробега колеса
для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения, осно
ванная на корректированной гипотезе суммирования повреждений с учетом вы-
соты макронеровностей, образующихся при восстановлении профиля колеса обточкой.
Положения выносимые на защиту:
-
расчет напряженно-деформированного состояния поверхности катания с различной высотой макронеровностей при взаимодействии колесных пар с рельсами;
-
методика прогнозирования вида изнашивания поверхности катания и значения предельного пробега колесной пары в эксплуатации;
-
методика определения допустимых значений макрогеометрических параметров поверхности катания колеса, при которых обеспечивается заданный пробег для широкого диапазона значений нагрузки на ось и скорости движения;
-
технология восстановления поверхности катания колес обточкой с использованием лазерно-механической обработки.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждается данными расчета значений статистических критериев значимости коэффициентов полученных математических моделей и их адекватности, а также данными экспериментальных исследований. Результаты исследований имеют качественную и количественную сходимость с экспериментальными данными, полученными другими авторами (Н. Н. Кудрявцев, В. Н. Данилов, П. С. Анисимов).
Практическая ценность. Практическую ценность представляют:
-
Предложенная методика определения допустимой высоты макронеровностей, которая позволяет прогнозировать вид изнашивания поверхности катания и значение предельного пробега колесной пары в эксплуатации.
-
Усовершенствованная технология восстановления колес обточкой, позволяющая получить допустимую макрогеометрию поверхности катания при повышении производительности и сокращении затрат на инструментальные материалы.
Реализация результатов диссертационной работы. Результаты исследований используются в учебном процессе на лекционных и лабораторных занятиях по дисциплинам «Производство и ремонт подвижного состава» и «Процессы и операции формообразования», приняты к внедрению в вагоноремонтных депо г. Омска и включены в отчет по научно-исследовательским и поисковым работам кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» ОмГУПСа (тема - «Совершенствование технологической готовности технического обслуживания и ремонта железнодорожного подвижного состава», номер государственной регистрации - 01201151856).
Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем теоретиче-
ских и экспериментальных исследований и анализ полученных результатов. Самостоятельно сформулированы положения диссертации, составляющие ее новизну и практическую значимость.
Апробация результатов работы. Основные результаты исследований обсуждались на третьей научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009); 63-й научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук» (Омск, 2009); международной научно-практической конференции «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности» (Омск, 2010); международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); VIII международной научно-практической конференции «Теоретические аспекты развития современной науки» (Москва, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три - в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России [1 - 3].
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников из 144 наименований и содержит 138 с. основного текста, 68 рисунков, 10 таблиц и 4 приложения.
