Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 7
1.1 Основные причины повреждения колесных пар 7
1.2 Технологические приемы и методы снижения интенсивности изнашивания цельнокатаных колес
1.3 Колеса повышенной твердости. Результаты эксплуатации 22
1.4 Цель исследований, постановка задачи и пути ее решения 29
1.5 Выводы 30
2. Исследование влияния твердости на интенсивность изнашивания цельнокатаного колеса
2.1 История моделирования системы колесо-рельс 33
2.2 Теоретические основы подобия, к — теорема 38
2.3 Метод анализа размерностей 42
2.4 Использование метода анализа размерностей при моделировании сложных систем 43
2.5 Экспериментальные исследования взаимодействия колеса повышенной твердости и рельса 46
2.6 Определение напряжений в зоне контакта взаимодействия имитатора колеса и рельса 52
2.7 Использование некомпозиционных планов второго порядка для математического описания интенсивности изнашивания цельнокатаного колеса повышенной твердости 66
2.8 Использование симплекс - решетчатых планов для математического описания интенсивности изнашивания цельнокатаного колеса повышенной твердости 81
2.9 Исследование влияния твердости материала колеса на интенсивность изнашивания 92
2.10 Выводы з
3. Анализ существующих методов контроля качества 100
3.1 Неразрушающие методы контроля качества 101
3.2 Разрушающие методы контроля качества 107
3.3 Выбор и обоснование метода контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости в условиях ремонтных депо и ВКМ 110
3.4 Определение остаточного ресурса детали по значению твердости.. 118
3.5 Выводы 123
4. Организация входного контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости в условиях ремонтных депо и ВКМ 125
4.1 Анализ существующих методов контроля твердости 126
4.1.1 Статические методы контроля твердости 128
4.1.2 Динамические методы контроля твердости 145
4.1.3 Косвенные методы контроля твердости
4.2 Выбор и обоснование метода контроля твердости и типа прибора .. 151
4.3 Методика проведения входного контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости 154
4.4 Выводы 163
5. Определение экономической эффективности использования входного контроля качества в условиях ремонтных депо и ВКМ ...
5.1 Показатели оценки экономической эффективности 164
5.2 Расчет дисконтированного экономического эффекта 171
5.3 Расчет годового экономического эффекта от внедрения входного контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости
5.4 Выводы 175
Заключение 176
Список использованной литературы
- Колеса повышенной твердости. Результаты эксплуатации
- Метод анализа размерностей
- Выбор и обоснование метода контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости в условиях ремонтных депо и ВКМ
- Выбор и обоснование метода контроля твердости и типа прибора
Введение к работе
Актуальность исследования. Эксплуатационный ресурс и надежность колесной пары в большинстве случаев определяются состоянием поверхности катания колеса, от которого зависит безопасность движения подвижного состава.
Интенсивность износа по профилю обода колесных пар за последнее время существенно возросла. К основным причинам этого молено отнести повышение скорости движения поездов и нагрузки на ось без существенного изменения конструкции колесной пары. Одним го путей снижения интенсивности изнашивания колес является повышение стойкости материала к дефектообразо-ванию. Руководством ОАО «РЖД» была принята комплексная программа «Реорганизация и развитие отечественного локомотиво- и вагоностроения, организация ремонта и эксплуатации пассажирского и грузового подвижного состава на период 2001 - 2010 гг.», в которой предусмотрено применение колес с повышенной твердостью обода до 340 - 360 ИВ.
Результаты эксплуатации колес повышенной твердости на Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Свердловской железных дорогах в период 2006 - 2008 гг. показали, что 90 - 95 % отцепок грузовых вагонов приходится на неисправности колесных пар. Например, из отцепленных в 2006 г. в эксплуатационном депо ВЧД-12 Западно-Сибирской железной дороги вагонов дефекты поверхности катания колес составили 80 — 84 %, около 60 % этих колес имели пробег до 10 тыс. км. По данным ремонтных депо объем работ по механической обработке колес грузовых вагонов не уменьшился. Основными причинами роста частости обточек колесных пар являются выщербины и выщербины с ползунами. При этом у колес повышенной твердости по сравнению с цельнокатаными колесами количество этих дефектов увеличилось на 30 %. Частое восстановление профиля колес обточкой приводит к значительным затратам денежных средств и к сокращению срока службы колес. Поэтому проблема повышения эксплуатационного ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов является актуальной.
Цель диссертационной работы - снижение интенсивности изнашивания цельнокатаных колес грузовых вагонов путем выбора рационального интервала их твердости.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Анализ влияния твердости на надежность и ресурс цельнокатаных колес грузовых вагонов по данным эксплуатации ОАО «РЖД».
-
Экспериментальные исследования влияния твердости и нагрузок на интенсивность изнашивания и ресурс колесной стали.
-
Определение рационального интервала твердости цельнокатаных колес грузовых, вагонов методами математического моделирования.
-
Разработка методики входного контроля качества цельнокатаных колес грузовых вагонов в'условиях ремонтных депо.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на методах математического анализа и трибологии. В экспериментальных исследованиях использованы методы регрессионного анализа некомпозиционного ро-татабельного плана второго порядка и симплекс-решетчатого плана. Обработка теоретических и экспериментальных результатов взаимодействия колес повышенной твердости и рельса выполнена на ЭВМ с применением разработанных и типовых математических программ. Экспериментальные исследования проведены на специально разработанном оборудовании в лаборатории ОмГУПСа.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
разработаны математические модели оценки влияния твердости и нагрузок на интенсивность изнашивания цельнокатаных колес грузовых вагонов;
определен рациональный интервал твердости цельнокатаных колес грузовых вагонов, обеспечивающий уменьшение- износа и увеличение эксплуатационного ресурса колеса;
предложена методика входного контроля качества цельнокатаных колес грузовых вагонов, которая позволяет, не нарушая пригодности их к дальнейшей эксплуатации, выявлять несоответствия требованиям ГОСТ 10791-2004, тем самым способствуя повышению безопасности движения.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментально с использованием метрологически аттестованной аппаратуры. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 5 %.
Практическая ценность работы заключается
в предложенной рекомендации по выбору рационального интервала твердости колеса, позволяющей повысить эксплуатационный ресурс цельнокатаных колес грузовых вагонов;
в разработанной методике входного контроля качества цельнокатаных колес для вагоноремонтных предприятий;
в создании методики проведения лабораторных и практических занятий на кафедре «Технология транспортного машиностроения» ОмГУПСа.
Реализация результатов диссертационной работы.
Результаты исследований включены в отчет по научно-исследовательским и поисковым работам кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство» ОмГУПСа (тема - «Повышение эффективности и надежности вагонов в эксплуатации»; номер гос. per. 01.200106580 и № ГР 01.970002371), выполненным для ОАО ((РЖД».
Входной контроль качества цельнокатаных колес внедрен в вагонном депо ст. Омск-Сортировочный Западно-Сибирской железной дороги, что подтверждается соответствующим актом.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на всероссийской научно-технической конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (Красноярск, 2005), на межрегиональной научной конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2005), на XIII Уральской конференции ((Контроль технологий, изделий и окружающей среды физическими методами» (Курган, 2006), на международных научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, 2006, 2008 гг.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в девяти научных работах, две из которых - в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 130 наименований, и приложения. Текст диссертации изложен на 190 страницах, содержит 41 рисунок и 38 таблиц.
Колеса повышенной твердости. Результаты эксплуатации
Из анализа соотношения дефектов (рис. 1.9, 1.10) видно неоднозначное влияние значения твердости на износостойкость колесных пар. С одной стороны, увеличение твердости целесообразно, с другой, - такой вывод не является убедительным, и директивное, на первый взгляд, правильное решение о повышении твердости цельнокатаного колеса, как путь уменьшения активного износа пары трения колесо-рельс, не является достаточно обоснованным. И если причины уменьшения тонкого гребня объясняется увеличением твердости поверхности катания колеса, а также широким внедрением лубрикации на Российских железных дорогах, то существенное увеличение образования выщербин и ползунов на цельнокатаных колесах грузовых вагонов требует детального исследования.
Срок службы колесной пары при прочих равных условиях во многом зависит от физико-механических характеристик материала цельнокатаного колеса. Поэтому определение оптимального соотношения основных механических характеристик колесной стали обусловлено не только экономическими требованиями, но и требованиями безопасности грузопассажирских перевозок.
Это достигается: - на стадии производства (дальнейшее совершенствование технологии разливки колесной стали, увеличение износостойкости колес повышенной твердости за счет оптимальных показателей основных механических свойств), - на стадии эксплуатации (введение качественного контроля поставляемых колес), - на стадии ремонта (проведение анализа дефектообразования на поверхности катания колес повышенной твердости)
На основании выполненного анализа тема «Повышение эксплуатационного ресурса цельнокатаных колес грузовых вагонов путем выбора рационального интервала их твердости» является актуальной.
Целью настоящей работы является снижение интенсивности изнашивания цельнокатаных колес грузовых вагонов путем выбора рационального интервала их твердости
Аналитический обзор состояния вопроса показал, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Анализ влияния твердости на надежность и ресурс цельнокатаных колес грузовых вагонов по данным эксплуатации ОАО «РЖД». 2. Экспериментальные исследования влияния твердости и нагрузок на интенсивность изнашивания и ресурс колесной стали. 3. Определение рационального интервала твердости цельнокатаных колес грузовых вагонов методами математического моделирования. 4. Разработка методики входного контроля качества цельнокатаных колес грузовых вагонов в условиях ремонтных депо.
1. На основании анализа работ отечественных и зарубежных ученых определены причины повреждения поверхности катания колес, разобран механизм разрушения колесной пары в процессе эксплуатации. Установлено, что разрушения являются следствием большого количества причин, зависящие от: - физико- механических свойств колесной стали, - технологии изготовления и обработки колес, - напряженного состояния в месте разрушения, - условий эксплуатации.
2. Исследованы технологические приемы и методы снижения интенсивности изнашивания цельнокатаных колес, позволяющие определить основные перспективные пути продления ресурса колеса. Ими являются: - уменьшение дефектов тормозного происхождения, - повышение стойкости материала колес к дефектообразованию, - снижение напряжений в зоне контакта, - уменьшение степени относительного проскальзывания колес при движении, - совершенствование ремонта колес, - диагностика состояния поверхности катания колес в период эксплуатации.
3. Проведен анализ повреждаемости колес повышенной твердости в процессе эксплуатации, который показал неоднозначное влияние твердости на износостойкость и ресурс цельнокатаных колес грузовых вагонов, на основе которого сформулированы основные цели и задачи исследования.
Метод анализа размерностей
В практике встречаются случаи, когда сложность явления не дает возможность не только решить, но и составить уравнение процесса. Между тем экспериментальное изучение явления дает фактический материал, обработка которого позволяет установить определенную форму зависимости между переменными величинами, обуславливающими процесс. Такая задача решается приемом, основанным на анализе размерностей этих величин.
Анализ размерностей можно применить, когда известно, какие именно величины существенны в данном случае и в какой системе единиц они выражены.
По данному методу нужно выбрать и записать все физические величины, от которых зависит изучаемое явление. Из них выбирают первичные, которые можно непосредственно измерить. Их значения зависят от принятых масштабов. Для остальных величин значения вычисляются.
Систему первичных величин и основных единиц выбирают произвольно. Единица физической величины представляет собой выражение, отражающее связь данной физической величины с основными величинами системы единиц, в которой коэффициент пропорциональности принят равным единице.
Выражение размерности представляет собой произведение основных величин, возведенных в соответствующие степени. Методика определения условных критериев подобия на основании размерностей определяющих величин и пи-теоремы заключается в следующем. 1. Устанавливается исчерпывающий перечень определяющих величин х1 х2,хп 2. Устанавливаются размерности всех определяющих величин в любой системе единиц измерения. 3. Размерности одних определяющих величин выражаются размерности других. В результате из п размерных определяющих величин Xi, Х2,..., хп выделяют к величин с независимыми размерностями xi, хг,..., хк и ц величин Xi, Х2 ,... .Хц с зависимыми размерностями.
4. На основании результатов п.З получают критерии подобия.
Правильность результатов, полученных путем анализа размерностей, зависит от того, насколько верно установлены определяющие величины. Если некоторые величины опущены или являются лишними, то вид и количество критериев подобия будут определены неверно.
Модели могут быть простыми и сложными. Простая модель описывает один вид движения материи, но она является идеализированной, т.к. не учитывает дополнительные факторы, влияющие на процесс движения.
Сложная модель состоит из двух и более подсистем и описывает несколько видов движения материи. Интерпретировать сложную физическую модель системой уравнений не представляется возможным, поэтому составление уравнений подобия осуществляется путем использования к -теоремы./l 11/ Основываясь на научные работы Брауна Э.Д. и используя теорию подобия, можно получить замкнутое математическое описание модели /61/. Тогда при решении производятся следующие действия: 1) разрабатывается графическая модель процесса с использованием системного подхода; 2) определяются основные факторы, влияющие на данный процесс; 3) находятся критерии подобия при одних и тех же базисных параметрах, и составляется уравнение подобия в симплексной форме; 4) с учетом требований, предъявляемых к модельным и натурным параметрам, выбираются дополнительные условия; 5) уравнение подобия представляется в виде системных линейных уравнений и решается; 6) решение анализируется, находятся масштабные коэффициенты перехода от моделируемых параметров к натуральным.
Основными требованиями, предъявляемыми к парам трения, являются стабильность коэффициента трения, хорошая прирабатываемость и высокая износостойкость.
При проведении системного анализа /61/ учитывают следующее: - техническую функцию системы - в паре колесо-рельс - это передача движения; - рабочие переменные - тип движения, нагрузку, скорость, температуру, время и т.д.; - структуру трибомеханической системы, которая должна учитывать свойства и геометрию первого и второго элемента пары трения, свойства окружающей среды.
В методе анализа размерностей для сложных трибосистем А.В. Чичинадзе /61/ в системе основных единиц М, L, Т отобраны три базисных параметра, оказывающих наиболее существенное влияние на фрикционно-износные характеристики и имеющие независимые размерности. Независимость размерностей достигается неравенством нулю определителя из показателей степеней этих параметров в системе М, L, Т.
Выбор и обоснование метода контроля качества цельнокатаных колес повышенной твердости в условиях ремонтных депо и ВКМ
Резкое увеличение максимальных контактных напряжений происходит при малых и средних нагрузках. В процессе эксплуатации, благодаря повышению твердости поверхностных слоев вследствие наклепа, происходит дальнейшее увеличение контактных напряжений, которые превышают предел контактной выносливости, в результате чего происходит выкрашивание материала. Необходимо отметить, что контактная выносливость колесной стали резко снижается также при наличии неметаллических включений. В работе Николаева Р.С. наглядно показано, что уже после небольшого срока службы при еще не закончившемся процессе приработки возникают разрушения вследствие контактной усталости таких включений, которые в последующем приводят к макроразрушению - отколу металла от поверхности /93/.
Для сравнительного анализа и оценки точности и достоверности расчета был проведен эксперимент на базе токарно-винторезного станка для определения площадки контакта. Нагружение образцов проводилось с помощью продольной подачи суппорта станка. Для повышения точности испытаний передача усилий контролировалась при помощи динамометра УДМ-600. Ширина площадки определялась по отпечатку тонко окрашенной поверхности образца, имитирующего колесо. Точность такого способа определяется адгезионными свойствами и дисперсностью краски. Поэтому в ее состав входили индустриальное масло и каучуковая сажа, дисперсность которой не превышает 0,01 мкм. Для повышения точности отпечаток в каждом испытании измерялся на обеих контактирующих поверхностях при помощи микроскопа МИР-3 с ценой деления шкалы 0,0448 мм. Контакт осуществлялся в двух сечениях образца. Испытания повторялись 6-8 раз и усреднялись.
Расчеты пятна контакта и опытные данные сведены в Приложение. Как видно из эксперимента, пятно контакта значительно изменяется с увеличением твердости образца колеса, однако его площадь соответствует расчетной. Разница между расчетными и экспериментальными значениями не значительно выходит за пределы ±5%. Это объясняется влиянием наплыва, образующегося вокруг пятна контакта, что в данном решении не учитывается. Результаты эксперимента показали достаточно точное соответствие значениям площади контакта, рассчитанным по формулам (2.21-2.37) во всем диапазоне возможных нагрузок и значений твердости материала колеса.
Паре трения колесо-рельс свойственно наличие обычного фрикционного процесса с деформацией, тепловым воздействием, разрушением, изменением свойств поверхности и отделением частиц поверхностного слоя, а также взаимодействие с воздухом, парами жидкости (воды и смазочных материалов), гидрозолями, твердыми аэрозольными частицами разной природы и материалами, заносимыми в зону трения. К тому же площадь истинного контактирования между твердыми телами в реальных условиях в сотню и более раз меньше ее номинальной площади. В эксплуатационных условиях дисперсные загрязнения заполняют пространство между выступами твердых тел, приобретают площадь близкую к номинальной, и воспринимают значительную часть нормальных и касательных сил передающихся через контакт колеса и рельса. В связи с этим малейшее изменение сил взаимодействия между частицами дисперсионного слоя в результате их суммирования, становятся способными привести к значительному изменению свойств слоя поверхностного загрязнения и сильно повлиять на результат фрикционного взаимодействия запыленных тел.
Из приведенных исследований видно, что характеристики контакта оказывают весьма существенное влияние на эксплуатационные свойства узлов трения.
Управляя микрогеометрией и подбирая свойства материалов можно повышать эффективность, надежность и износостойкость пар трения. 2.7 Использование некомпозиционных планов второго порядка для математического описания интенсивности изнашивания цельнокатаного колеса повышенной твердости
Для выбора свойств материал колеса повышенной твердости, позволяющих увеличить эффективность, надежность и износостойкость пары трения необходимо определить закономерности износа при различных возмущающих внешних воздействиях процесса эксплуатации, и получить аналитические зависимости интенсивности изнашивания от основных факторов воздействия на основе метода планирования эксперимента.
Из-за сложности процесса и небольшого количества информации неизвестную зависимость исследуемой величины от независимых факторов представляют в виде полинома. В ситуациях, когда априорная информация о порядке полинома отсутствует, математическую модель процесса подбирают, начиная с простейшего линейного уравнения, последовательно увеличивая степень полинома до получения адекватной модели. Необходимо отметить, что часто удается описать с достаточной степенью точности уже полиномом второго порядка /111/. В случае неадекватности полинома второго порядка переходят к планированию полинома третьего порядка и описывают исследуемый процесс полином третьей степени.
По рекомендациям /106,108,111,113,114/, более рациональным является план типа правильного шестиугольника, т.е. некомпозиционный ротатабельный план второго порядка. Он имеет ряд преимуществ по сравнению с центральным композиционным планом второго порядка: - этот план предусматривает использование каждого фактора только на трех уровнях, а центральный план предусматривает использование каждого фактора на пяти уровнях, увеличение числа уровней усложняет и удорожает проведение эксперимента,
Выбор и обоснование метода контроля твердости и типа прибора
Емкостной метод применяют для контроля диэлектрических или полупроводниковых материалов. По изменению диэлектрической проницаемости контролируют химический состав пластмасс, полупроводников, наличие в них несполшностей, а также влажность сыпучих материалов.
Метод электрического потенциала применяют для контроля проводников. Измеряя падение потенциала на некотором участке, контролируют толщину проводящего слоя, наличие несплошностей вблизи поверхности проводника.
Перспективным видом неразрушающего контроля является вихретоковый. Он основан на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. Его применяют только для контроля изделий из электропроводящих материалов. Вихревые токи возбуждают в объекте с помощью преобразователя в виде катушки индуктивности, питаемой переменным или импульсным током. Приемным преобразователем служит та же или другая катушка. Интенсивность и распределение вихревых токов в объекте зависят от его геометрических размеров, электрических и магнитных свойств материала и от многих других параметров. Это определяет большие возможности вида как средства контроля различных свойств объекта, но в то же время затрудняет его применение, так как при контроле одного параметра другие являются мешающими. Он позволяет выявлять поверхностные дефекты типа волосовин, усталостных и закалочных трещин на деталях из электропроводящих материалов /10/.
Радиоволновой вид неразрушающего контроля основан на регистрации изменений параметров электромагнитных волн радиодиапазона, взаимодействующих с контролируемым объектом. Обычно применяют волны сверхвысокочастотного диапазона длиной 1-100 мм и контролируют изделия из материалов, где радиоволны не очень сильно затухают: диэлектрики (пластмассы, керамика), магнитодиэлектрики (ферриты), полупроводники, тонкостенные металлические объекты 191.
Вид неразрушающего контроля, основанный на регистрации изменений тепловых или температурных полей контролируемых объектов, называют тепловым. Он применим к объектам из любых материалов. Измеряемым информативным параметром является температура либо тепловой поток. Он позволяет выявить трещины, уменьшение толщин стенок и неплотное прилегание слоев 191.
Оптический вид неразрушающего контроля основан на наблюдении или регистрации параметров оптического излучения, взаимодействующего с контролируемым объектом. Оптические методы имеют очень широкое применение благодаря большому разнообразию способов получения первичной информации. Возможность их применения для наружного контроля не зависит от материала объекта. Его применение позволяет контролировать геометрические параметры объекта: сферичность, плоскостность, шероховатость, толщину изделия, диаметр, формы кромок и т.д./9,10/
Радиационный вид неразрушающего контроля основан на законе ослабления интенсивности излучения, проходящего через контролируемый объект. Интенсивность излучения меняется в зависимости от плотности материала и толщины. Способы регистрации радиационных изображений разделяются на радиографические, радиоскопические и радиометрические. Этот вид контроля используется в машиностроении, электроники, металлургии и других отраслях промышленности для обнаружения непроваров, трещин, раковин, посторонних предметов 191.
Одним из наиболее распространенных видов неразрушающего контроля является акустический, который основан на регистрации параметров упругих волн, возникающих или возбуждаемых в объекте контроля. Контроль осуществляется на деталях из любых материалов, хорошо проводящих акустические волны. Этот вид контроля позволяет определять дефекты в виде трещин, пор, несплошностей, измерять геометрические параметры объекта контроля, шлаковые и графитовые включения, изменение структуры, крупнозернистость, а так же определять глубину залегания дефектов, координаты, ориентацию трещины относительно поверхности ввода упругих колебаний, а также эквивалентный размер дефекта /9,10/.
Неразрушающий контроль проникающими веществами основан на проникновении пробных веществ в полость дефектов контролируемого объекта. Его делят на методы капиллярные и течеискания.
Капиллярные методы основаны на капиллярном проникновении в полость дефекта индикаторной жидкости хорошо смачивающей материал изделия. Их применяют для обнаружения слабо видимых невооруженным глазом поверхностных дефектов. Метод течеискания используют для выявления только сквозных дефектов в перегородках.
Анализ и выбор видов неразрушающего контроля следует проводить с учетом ряда обстоятельств. Как отмечалось ранее, многие методы применимы для контроля только определенных типов материалов: радиоволновой и емкостной - для неметаллических, плохо проводящих материалов, вихретоковый и электропотенциальный - для хороших электропроводников, магнитный - для ферромагнетиков, акустический - для материалов, обладающих небольшим затуханием звука. Необходимо учесть и область применения методов: измерение геометрических размеров, исследование химического состава материала и структуры, поиск несплошностей и трещин.
