Содержание к диссертации
Введение
1. Глава Основные особенности и проблемы восстановления деталей железнодорожной техники (состояние вопроса)
1.1 Основные неисправности и восстанавливаемые детали грузовых вагонов 9
1.2. Основные особенности и проблемы восстановления наплавкой деталей железнодорожной техники 11
1.3:Восстановление способом дополнительных деталей 15
1.4. Наплавка электродной лентой 17
1.5. Краткие сведения об электрошлаковой наплавке 18
1.6. Применение электрошлакового процесса в комбинации ,л' с электродной лентой для нанесения относительно тонких слоев наплавленного металла 21
1.7. Основные проблемы механизации и автоматизации наплавочных работ применительно к деталям железнодорожной техники. Цель и задача исследований 27
Глава 2. Наплавка наклонным пластинчатым электродом
2.1. Предпосылки для разработки способа наплавки
2.2 О шлаковой проводимости межэлектродного промежутка при сварке под флюсом 30
2.2. Соотношения между параметрами режима 32
2.4. Сокращение вспомогательного времени при автоматической наплавке 47
2.5.Особенности зажигания дуги и установления процесса при наплавке под флюсом 48
2.6. Особенности и преимущества челночной наплавки 54
2.7. Определение эквивалентной толщины наплавляемого слоя при наплавке одиночными перекрывающимися валиками 55
2.8. Тепловые процессы при челночной наплавке 57
2.9. Выводы 67
Глава 3. Оборудование для наплавки с помощью копировальных систем
3.1. Системы программного управления наплавкой 70
3.2. О принципах построения и конструкциях копиров 73
3.3. Системы копирования 86
3.4. Выводы 89
Глава 4. Внедрение результатов работы
4.1. Технико-экономические предпосылки внедрения копировальных систем 91
4.2. Конструкции автоматов для копировальных наплавочных систем 92
4.2.1. Автомат для наплавки подпятников надрессорных балок 93
4.2.2. Автомат для наплавки фрикционных клиньев 100
4.3. Выбор источников питания 106
4.4. Технологическая схема ремонта надрессорной балки 107
4.5. Технологическая схема ремонта фрикционного клина 107
4.6. Экономическая эффективность наплавки подпятников надрессорных балок 108
4.7. Экономическая эффективность наплавки наклонных поверхностей фрикционных клиньев 108
4.8. Внедрение копировальных систем для наплавки надрессорных балок и фрикционных клиньев 109
Общие выводы 112
Литература 114
Приложение
- Основные неисправности и восстанавливаемые детали грузовых вагонов
- Предпосылки для разработки способа наплавки
- Системы программного управления наплавкой
Введение к работе
. і Железнодорожный транспорт России насчитывает миллионы единиц подвижного состава, находящихся в эксплуатации.
Увеличение сроков службы подвижного состава определяется качеством ремонта, долговечностью и износостойкостью восстановленных и упрочненных деталей. Унифицированность конструкций железнодорожной техники позволяет эффективно решать поставленные задачи.
Несмотря на резкое снижение объемов эксплуатационных работ (перевозок грузов), в середине 90-х годов, трудозатраты и расходы на ремонт и содержание в исправном состоянии подвижного состава и верхнего строения пути растут из-за резкого повышения цен на материальные энергетические и трудовые ресурсы, а также социальную сферу. Vі В условиях рыночной экономики особое место занимают вопросы .долговечности, надежности и экономичности эксплуатации транспортной техники.
Долговечность снижает затраты на ремонт изношенных деталей, узлов трения.
Надежность повышает безремонтный пробег вагона и локомотива и снижает эксплуатационные затраты.
При повышении пробега и сокращении ремонтов деталей из-за износов можно увеличить участки (плечи) для технического осмотра и текущего ремонта транспортной техники. Кроме этого, надо поднять качество ремонта и изготовления деталей с целью сокращения затрат на промежуточные ремонты 'деталей из-за их износов и улучшения эксплуатационных характеристик (динамики фрикционных устройств и снижения усилий в экипажных частях при ' вписывании в кривые пути малого радиуса).
Для реализации этих вопросов (повышения долговечности, надежности и служебных свойств деталей узлов трения) необходимо рассматривать вопросы износа сопрягаемых поверхностей деталей, применения новых материалов для
5 рабочих поверхностей этих деталей, а также новые технологии их изготовления [53,54]. \ [ Во всех странах мира четверть эксплуатируемых машин и оборудования 4 ' постоянно находятся в ремонте. Узлы трения из-за износов приносят 80% отказов в работе технических устройств и наносят ощутимый экономический урон. Так ' Англия несет затраты по этой проблеме до 4 млрд. фунтов стерлингов в год, США тратит до 100 млрд. долларов на восстановление или замену изношенных деталей машин и оборудования. Германия в 1983 году только в сталелитейной г ч \ промышленности на восстановление изношенных деталей потратила 38,7 млрд. Л марок. В России эти цифры составляют триллионы рублей.
На борьбу с износами во всем мире направлена значительная часть интеллектуальных и материальных ресурсов и, как результат, цифры экономической эффективности составляют: в США 64 доллара на 1 затраченный 'л доллар, Германия - 50 марок на 1 затраченную марку, Китай — 76 юаней на 1 і v' юань (эффективность получена в металлургической промышленности), Россия — от 10 до 100 рублей на 1 затраченный рубль [53].
Для оценки реальной ситуации влияния износа деталей на экономику железнодорожного транспорта рассмотрим состояние науки, ремонтной базы и технологий ремонта изнашиваемых деталей транспортной техники. При анализе работы устройств подвижных сопряжений в вагонах, локомотивах, путевых, г, \ дорожных машинах (ПДМ) и оборудовании видно, что сроки межремонтных промежутков очень малы и составляют 2...5 месяцев по времени или 30... 100 тыс. км. по пробегу вагонов и локомотивов. Это характерно для автосцепных устройств (контур зацепления автосцепки - КЗА), подреза гребня колеса ^ I локомотива и вагона, износа рельса и пера (стрелочный перевод) в кривых малого v радиуса. . При рассмотрении видов износа надо сделать акцент на то, что не только прямой износ (окислительный, абразивный, схватывание 1 и 2 рода), но и пластическое деформирование рабочих поверхностей ведет к усиленному износу (особенно при сочетании последнего со схватыванием 2 и 1 рода и абразивными износами). \ \ Большинство деталей ремонтируемых машин выбрасывается (исключается из v ' эксплуатации вследствие незначительного износа рабочих поверхностей, составляющего не более 1% исходной массы деталей) [53].
К моменту списания обычно 65-75% деталей пригодно для повторного использования путем восстановления, что является важным резервом ресурсо и энергосбережения. Потери на трение составляют до 80% в подвижных ** , ч сочленениях машин (трибосопряжения) железнодорожной техники.
Вопросам восстановления деталей подвижного состава МПС РФ было посвящено расширенное заседание Коллегии Министерства путей сообщения Российской Федерации 9 апреля 2003 года под председательством министра путей сообщения РФ. Коллегия МПС РФ отметила, что в парке железных дорог ' содержится 80 тыс. вагонов с просроченным сроком службы. t' Количество полувагонов, выработавших нормативный срок службы в последние годы будет увеличиваться в среднем на 15 тыс. единиц ежегодно из-за старения парка грузовых вагонов. Основной причиной этого является снижение закупок вагонов и запасных частей.
В этих условиях возрастает роль капитального и деповского ремонта грузовых вагонов. г. \ Трудоемкость ремонта и технического обслуживания в 10-И5 раз превышает трудоемкость изготовления новых вагонов, локомотивов и др. машин, применяемых на железнодорожном транспорте.
Несмотря на большое разнообразие способов восстановления и упрочнения ^ I деталей (30-40 базовых технологий и более 200 их разновидностей) дуговым ' способам наплавки принадлежит 75-80% всего объема наплавочных работ [56]. К числу этих способов относятся - ручная дуговая наплавка, наплавка под флюсом, вибродуговая наплавка, наплавка в защитных газах и наплавка порошковыми проволоками, в том числе самозащитными.
Указанные технологические процессы не всегда удовлетворяют требованиям ресурсо и энергосбережения. Поэтому актуальной задачей для железнодорожной техники является совершенствование существующих и разработка новых высокопроизводительных способов восстановления и упрочнения деталей.
Основными направлениями такого совершенствования являются:
1. Восстановление способом дополнительных деталей.
2. Применение электрошлакового процесса для нанесения относительно тонких слоев.
3. Механизация и автоматизация способов дуговой наплавки.
Основная специфика восстанавливаемых деталей железнодорожной техники состоит в том, что эти детали относительно небольших размеров с соответствующими восстанавливаемыми поверхностями.
Настоящая работа направлена в основном на решение проблемы механизации и автоматизации наплавочных работ, выполняемых дуговыми \ способами, применительно к деталям транспортной техники.
Главная проблема состоит в том, что это детали сравнительно небольших размеров, что серьезно затрудняет применение автоматизированных способов их восстановления наплавкой и в ряде случаев делает невыгодной применение автоматической наплавки.
Указанная проблема решена разработкой и применением автоматической челночной наплавки под флюсом с помощью копировальных систем. Такое техническое решение осуществлено нами впервые.
В качестве объектов применения разработанной технологии и оборудования выбраны наиболее трудоемкие для восстановления детали тележек грузовых вагонов - подпятник надрессорной балки и фрикционные клинья.
На основе анализа квазистационарных тепловых процессов разработана технология автоматической челночной наплавки под флюсом, обеспечивающая непрерывность процесса и резкое сокращение вспомогательного времени при наплавке.
8 Для реализации предложенной технологии разработаны копировальные системы управления челночной наплавкой.
На защиту выносятся следующие положения: - определение факторов, влияющих на формирование наплавляемого слоя при челночной наплавке; разработка математической модели квазистационарных тепловых процессов при челночной наплавке; разработка и промышленное внедрение копировальных систем управления наплавкой.
В результате проведенной работы решена проблема автоматизации наплавки поверхностей сравнительно небольших размеров.
Разработанная технология и оборудование внедрены во всей сети вагонных депо Северо-Кавказской железной дороги.
Работа выполнялась в лабораториях кафедры «Технология металлов» Ростовского государственного университета путей сообщения.
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Результаты исследований докладывались на ежегодных научно-технических конференциях в РГУПС (2001-2003 гг.), на заседании кафедры сварки ДГТУ в 2003 г., на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием в МЭИ г. Москва в 2000 г., на сетевой школе передового опыта «Совершенствование технологии ремонта грузовых вагонов» СКЖД в 2002 г. и на международном конгрессе "Механика и Трибология транспортных систем" г. Ростов — на -Дону в 2003 году.
Основные неисправности и восстанавливаемые детали грузовых вагонов
Анализ отцепок вагонов по неисправностям, угрожающим безопасности движения, за 5 месяцев текущего года на ПТО вагонов показал, что всего отцеплено в 2002 году вагонов (по данным Краснодарского ВЧД -13) из них по:
Тележки осматриваются в соответствии с Инструкцией РД 32 ЦВ-052-99. Выявляются трещины на боковых рамах и надрессорных брусьях, проверяются зазоры между скользунами. Просевшие пружины или пружины с трещинами и отколами витков заменяются. Не допускаются трещины фрикционных клиньев и планок, ослабление заклепок крепления фрикционных планок.
Ремонт сваркой деталей тележки в условиях текущего отделочного ремонта запрещается, дефектная деталь заменяется.
Разница баз вновь устанавливаемой и оставшейся боковин допускается не более 2 мм. (В условиях текущего отцепочного ремонта контролируется шаблоном Т 914.10 ПКБ ЦВ). Если в наличии нет боковины, парной оставшейся, то заменяются обе боковины.
Завышение фрикционное клина над нижней опорной поверхностью надрессорной балки у порожних вагонов допускается не более 10 мм.
Замер производится у порожних вагонов, прошедших плановые виды ремонта с 15.12.1997г. Измерения завышения клина временно до внедрения шаблона необходимо производить согласно "Методике выполнения измерений надрессорной балки, боковых рам, пружин и рессорного комплекта при проведении деповского ремонта тележек 18-100» РД 32 ЦВ-050-96 п. 4.6.2 шаблоном Т 1307 ПКБ-ЦВ или приспособлением для замера положения клина под тарой тележки ЦНИИ-ХЗ Т 174.09 ПКБ-ЦВ.
Существующие технологические процессы восстановления и упрочнения деталей и схемы нуждаются в существенном совершенствовании. Такое совершенствование должно базироваться на анализе специфики наплавочных работ для деталей железнодорожной техники.
1.2. Основные особенности н проблемы восстановления наплавкой деталей железнодорожной техники
Проблемы восстановления деталей определяются их спецификой, которая состоит в следующем:
- это детали сравнительно небольших размеров;
- большой диапазон толщин наносимых слоев от 0,1 до 10 мм;
- необходимость восстановления деталей из средне и высокоуглеродистых сталей (С 0,45%). Такое содержание углерода соответствует плохой свариваемости;
- проблема совмещения восстановления и упрочнения деталей;
- возможная кратность восстановления наплавкой одной и той же детали. Отмеченная специфика восстановления деталей подвижного состава определяет проблемы этого технологического процесса;
1. Сложность механизации и автоматизации процесса из-за малых размеров детали и наплавляемых площадей;
2. Желаемая универсальность в нанесении слоев различной толщины;
3. Разделение процессов наплавки (плавление электрода) и проплавлення изделий (термическое воздействие на основной металл);
4. Проблема эффективного легирования наносимого слоя, увеличение коэффициента перехода легирующих элементов в наплавленный металл и его надежная защита от кислорода и азота воздуха.
Возможно несколько путей решения этих проблем.
1. Ремонт методом дополнительных деталей, т.е. прикреплением или приваркой к восстанавливаемой поверхности износостойкого элемента. Эти элементы могут изготавливаться индустриальным способом с нужными свойствами (термическая обработка, износостойкость, твердость). Перспективным для такого соединения является использование процессов СВС-сварки или СВС-пайки. СВС - самораспространяющийся высокотемпературный синтез [1]. Такой процесс в случае его реализации будет обладать высокой производительностью. В настоящее время методом дополнительных деталей ремонтируют вертикальные поверхности изношенных фрикционных клиньев тележек грузовых вагонов.
Предпосылки для разработки способа наплавки
Повышение срока службы подвижного состава определяется долговечностью и износостойкостью новых и восстановленных деталей. Несмотря на большое разнообразие способов восстановления и упрочнения деталей (30-40 базовых технологий и более двухсот их разновидностей) дуговым способом наплавки принадлежит 75-80% всего объема наплавочных работ.
К этим способам наплавки относятся наплавка под флюсом, наплавка в углекислом газе проволокой сплошного сечения и порошковой проволокой, а также наплавка самозащитной порошковой проволокой. При этом там, где это возможно, следует отдавать предпочтение наплавке под флюсом по следующим соображениям:
- высокая производительность процесса, нет ограничений по току,
свойственная открытым дугам;
- высокое качество наплавленного металла;
- благоприятная форма наплавляемых валиков (плавный переход от металла шва к основному металлу);
- возможность эффективного управления свойствами наплавленного металла;
- отсутствие разбрызгивания.
Применение автоматической наплавки обеспечивает объективность технологии (исключается субъективный фактор, характерный для ручной дуговой наплавки).
Преимущества наплавки под флюсом с одной стороны делают этот процесс предпочтительным, но с другой стороны, необходимо учитывать, что это наиболее сложная технология и для ее применения необходимо решить ряд проблем.
Основными трудностями, препятствующими применению автоматической наплавки под флюсом, являются наблюдаемые в отдельных случаях значительные колебания тока.
Второй особенностью является необходимость удаления или переплавления шлаковой корки с поверхности наплавляемого валика перед перекрытием его последующим валиком.
Третьей особенностью автоматической наплавки под флюсом являются значительные потери времени на начало наплавки каждого валика, связанные с установкой автомата на начало шва, необходимостью манипулирования электродом, засыпкой флюса, т.е. проблемой начала шва.
Четвертой особенностью (трудностью) наплавки под флюсом является начальное зажигание дуги и установление процесса сварки, которое для электродных проволок (d3 3,0 мм) является немеханизированной операцией.
Указанные трудности часто приводят, как показали расчеты, к нецелесообразности применения автоматической наплавки, особенно для деталей небольших размеров.
С другой стороны, решение этих проблем может привести к заметному повышению уровня механизации наплавочных работ, производительности труда и качеству наплавленного металла.
Рассмотренные проблемы, на наш взгляд, могут быть решены применением наплавки челночным способом с использованием для этой цели копировальных систем управления перемещением наплавочной головки, в частности, с магнитным копированием, а также системы бесконтактного начального зажигания дуги и установления процесса в защитных газах и под флюсом [22]. Копировальные системы относительно просты и обеспечивают необходимую для дуговой наплавки точность копирования.
Системы программного управления наплавкой
Известно, что в массовом и крупносерийном производстве наиболее целесообразно применение специализированных станков-автоматов. Станки-автоматы обеспечивают высокую производительность, однако, переход с одного объекта на другой или требуемое существенное изменение задающих параметров в процессе работы требует серьезной перестройки оборудования, а иногда и его замены [42].
В индивидуальном и мелкосерийном производстве целесообразно применять универсальные станки, обеспечивающие возможность быстрого перехода с одного изделия на другое. Эту задачу целесообразно решать, используя программное управление.
В ремонтной практике железнодорожной техники при однотипности и большой массовости восстанавливаемых деталей возникают задачи управления перемещением наплавочной головки по сложной, но однотипной траектории, а также корректировка режима и (или) траектории наплавки в связи с учетом индивидуального износа восстанавливаемых деталей. При этом возможно применение систем управления разомкнутого и замкнутого типов.
В тех случаях, когда "жесткое" управление неприемлемо, используются системы автоматического программного регулирования. При этом специфика ремонтного производства часто требует, чтобы новые современные системы автоматического управления (САУ) "приспосабливались" к непрерывному изменению условий работы, т.е. речь идет по - существу о кибернетических САУ.
Программа управления задается в виде независимой функции времени с последующей (при необходимости) корректировкой. Носителями программы в сварочных и наплавочных станках могут быть копир, чертеж, магнитная лента, перфолента.
Система программного управления делится на две части: программирующую, в которой статическая информация преобразуется в управляющий сигнал, и воспроизводящую, осуществляющую преобразование управляющего сигнала в соответствующее движение и изменение режима сварки.
Современная компьютерная техника позволяет создавать системы программного управления со следующей структурой: задатчик программы — компьютер - исполнительное устройство - устройство с числовым программным управлением (УЧПУ) - шкаф управления — рабочий инструмент. Между устройством ЧПУ и рабочим органом имеется обратная связь. Программа рассчитывается по электронному чертежу детали, т.е. определяется траектория движения рабочего органа. В качестве такого органа может быть резак или сварочная (наплавочная) головка. Исполнительное устройство часто выбирается в виде портала и, в зависимости от того, какой орган станка движется или неподвижен, существует три вида станков:
1. Сварочная головка неподвижна, движется стол с заготовкой по продольной и поперечной осям.
2. Движение стола по продольной оси и перпендикулярно ему движется сварочная головка по поперечной оси.
3. Стол неподвижен, двигается сварочная головка по продольной и поперечной осям. Такой тип станков может применяться при наибольших скоростях сварки; он наиболее компактен и применяется, в основном, для лазерной резки и сварки.
Таким образом можно воспроизвести любую траекторию на плоскости X-Y. Так работают системы лазерно-кислородной резки и могут работать системы управления наплавкой. В частности, так работают станки для наплавки матриц вырубных штампов [42]. Другой разновидностью систем программного управления наплавкой могут быть системы сварочных роботов.
