Штамповка листовых деталей полиуретаном и надежность подвижного состава

ности без знания кода неисправности. Для обеспечения большей информативности в код внесена позиция, несущая информацию о ремонте отказавшей детали (1 - отремонтирована; 2 - замена на отремонтированную; 3 -замена на новую).

В результате фиксации ряда неисправностей, обнаруженных на локомотиве, в устройстве накапливается соответствующее количество кодов, объединенных между собой общей информацией: дата; номер локомотива; показания скоростемера; вид ремонта; время захода для ремонта; время выхода из ремонта; трудоемкость ремонта; затраты в рублях. Собранная информация передается на ЭВМ либо непосредственно подключением электронного устройства к порту ЭВМ, либо по локальной линии. Такие устройства необходимо размещать там, где выполняются технические обслуживания и ремонты локомотивов. Сформированный массив кодов информации передается по линиям связи на ЭВМ в депо приписки локомотива.

Со временем по серии локомотивов накапливается база первичной информации об отказах узлов и деталей локомотивов приписного парка депо. Основной трудностью в формировании и отслеживании динамики изменения контролируемых параметров в процессе эксплуатации является процесс формирования базы данных по каждому локомотиву с учетом характеристик составляющих его сборочных единиц оборудования [1].

В процессе накопления статистических данных может возникнуть необходимость принятия оперативных решений. Так, например, по мере накопления сведений о сезонных отказах может потребоваться принятие срочных мер по их предупреждению. Следовательно, в системе сбора информации об отказах необходимо предусмотреть оперативность ее передачи и анализа наряду с постоянным накоплением данных.

Библиографический список

1. Электроподвижной состав. Эксплуатация, надежность и ремонт / ред. А. Т. Головатый, А. В. Горский, А. А. Воробьев. Надежность электроподвижного состава : учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: Маршрут, 2005. - 303 с.

2. Информационная модель базы данных автоматизированной системы управления локомотивным хозяйством : проект / И. К. Лакин, В. П. Феоктистов, А. Ю. Тимченко и др.; ред. И. К. Лакин. - М.: Изд-во Центра внедрения новой техники и технологий «Транспорт» МПС России, 2000. - 52 с.

3. Оптимизация системы ремонта локомотивов / А. В. Горский, А. А. Воробьев. - М.: Транспорт, 1994. - 210 с.

4. Надежность локомотивов : учебник для вузов ж.-д. трансп. / В. А. Четвергов, А. Д. Пузанков; ред. В. А. Четвергов. - М.: Маршрут, 2003. - 415 с.

УДК 621.983.073.678.664

И. К. Андрончев, Н. А. Ефимов, М. В. Анахова

ШТАМПОВКА ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОЛИУРЕТАНОМ И НАДЕЖНОСТЬ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Штамповка листовых деталей полиуретаном является эффективной технологией при мелкосерийном производстве. Приведены результаты экспериментальных и численных исследований открытого и полуоткрытого способов штамповки, определены оптимальные конструктивные параметры технологической оснастки. Разработана методика проектирования технологических процессов штамповки-вырезки листовых деталей полиуретаном в открытом объёме и соответствующие технологические рекомендации. Применение деталей, отштампованных полиуретаном, повышает эксплуатационную надежность подвижного состава.

листовые детали, штамповка полиуретаном, точность, плоскостность, качество, технологическая надежность, технический ресурс, эксплуатационная надежность.

Введение

При ремонте подвижного состава - имеющихся узлов, агрегатов, аппаратов - требуется качественное изготовление и замена дефектных листовых деталей, таких как различные медные наконечники силовых контакторов, связующих электропроводов, разнообразные шайбы, мембраны, бирки, маслоразбрызгиватели, паранитовые прокладки компрессоров и многие другие, составляющие существенный объем ремонтных производств. Следует отметить, что в процессе эксплуатации медные наконечники подвержены подгару и оплавлению. Для надежной их работы необходимо, чтобы контактная площадь касания была не менее 80% рабочей поверхности, что определяет повышенные требования к плоскостности изготавливаемых деталей.

В настоящее время в ремонтных производствах депо при низком техническом уровне изготовления и эксплуатации, высоком износе инструментальных штампов листовые детали производятся покоробленными, с нарушением плоскостности и большими заусенцами. Все это требует немалых доводочных работ по зачистке заусенцев с обеих сторон деталей и дальнейшей их правке, что практически мало выполняется (рис. 1). Данные детали отличаются низким качеством и надежностью в эксплуатации. При этом имеющиеся инструментальные штампы предназначены в основном для вырубки внешнего контура деталей, а различные отверстия выполняются далее сверлением, фрезерованием на станках. То есть технологии изготовления таких деталей требуют последовательного применения различного специализированного оборудования, технологической оснастки и отличаются многооперационностью, большим объемом доводочных работ и высокой трудоемкостью. Конкурентоспособными являются технологии, обеспечивающие при минимальной себестоимости изделий короткие сроки подготовки производства.

Рис. 1. Медные наконечники, отштампованные в инструментальных штампах

Самаратранспригород

Весьма эффективным, экономически выгодным методом изготовления листовых деталей для мелкосерийного ремонтного производства является штамповка эластичной средой - полиуретаном.

1 Штамповка полиуретаном

1.1 Основные положения. Постановка задачи

Полиуретан - синтетический резиноподобный материал, обладающий высокой эластичностью и износостойкостью. Этим методом выполняются самые разнообразные разделительные, формоизменяющие, калибровочные и комбинированные операции при штамповке деталей как простой, так и сложной конфигурации из конструкционных сталей толщиной до 1,5...2,0 мм, а из цветных металлов толщиной до 3...4 мм. Основное достоинство данных процессов - значительное снижение металлоемкости и стоимости технологической оснастки за счет ее упрощения. Вместо трудоемких, металлоемких и дорогих инструментальных штампов необходимы лишь стальные вырезные шаблоны, повторяющие контур деталей, и универсальный контейнер с полиуретаном.

Проектирование и изготовление традиционного инструментального штампа (нижняя и верхняя опорные плиты, пуансоны, матрица, крепежная оснастка, фиксаторы, съемники, прижимы и т. д.) требует десятки часов, и быстрее чем за 2-3 недели штамп изготовить невозможно. А для изготовления вырезного шаблона требуется несколько часов, т. е. практически при поступлении срочного заказа в течение рабочей смены изготавливается необходимая оснастка и партия деталей до 200-300 штук. Стоимость данной технологической оснастки составляет 2.10% от стоимости соответст-

вующих инструментальных штампов. Из практики внедрения штамповки листовых деталей полиуретаном в производство известно, что процесс выгоден при годовой программе изготовления до 8...25 тысяч штук в зависимости от их сложности [1].

В сравнении со штамповкой в инструментальных штампах экономия достигается за счет снижения:

затрат на проектирование оснастки в 10-15 раз; металлоемкости оснастки в 10-100 раз; трудоемкости изготовления оснастки в 15-20 раз; ручных работ по зачистке заусенцев и правке деталей после вырубки, а также ликвидации складских площадей и быстроты подготовки производства.

Детали, изготовляемые штамповкой полиуретаном, имеют высокое качество, ресурс и надежность, лишены задиров, царапин, заусенцев, не требуют ручных доводочных работ.

По виду нагружения заготовки рабочим давлением различают штамповку эластичной средой в замкнутом (до 1000 МПа) и незамкнутом - открытом (до 300 МПа) объемах, т. е. закрытый, полузакрытый, полуоткрытый и открытый способы штамповки (рис. 2) [1], [2].

Наиболее полно изучена и широко применяется на производстве штамповка деталей полиуретаном в замкнутом объеме. В этом случае полиуретановая пластина 1 заключена в металлический контейнер 2 (рис. 2, а), представляющий собой толстостенный цилиндр, который крепится на верхней или нижней плите пресса. На противоположной плите пресса устанавливается опорная плита 5. В случае верхнего расположения контейнера на опорной плите 5 размещается вырубной шаблон 4, на который укладывается заготовка 3. При опускании контейнера в замкнутом объеме создается равномерное гидростатическое давление и производится разделение материала по режущим кромкам вырезного шаблона. Детали получаются плоскими с достаточно высокой точностью 9-12 квалитет (35 класс точности) и качеством поверхности среза, т. е. кромок деталей.

Рис. 2. Схемы способов штамповки деталей эластичной средой: а - закрытый; б - полузакрытый; в - полуоткрытый; г - открытый

Недостатком закрытого способа штамповки является наличие высокопрочного металлического контейнера, ограничивающего размеры вырубаемых деталей. На производстве часто требуется целый ряд контейнеров с различными диаметрами внутренней полости для достижения необходимого рабочего давления, что является существенным недостатком в сравнении с техническим оснащением при штамповке открытым и полуоткрытым способами (рис. 2, в, г).

Преимуществами названных способов штамповки являются:

отсутствие высокопрочного, металлоемкого контейнера;

расширение технологических возможностей штамповки деталей из ленты, полосы;

возможность выполнения пошаговой штамповки длинномерных деталей;

возможность выполнения локальной штамповки на крупногабаритных деталях;

повышение безопасности процессов штамповки эластичной средой.

В связи с этим при открытых способах штамповки применяется менее мощное прессовое оборудование, требующее меньших капитальных затрат.

Особенностью штамповки эластичной средой в открытом объеме является неравномерное пиковое распределение нормального давления по площади контакта эластичного инструмента с заготовкой и технологической оснасткой. При осадке эластичной среды происходит увеличение его размеров. При этом за счет сил трения на поверхности контакта с заготовкой возникает значительная касательная сдвигающая нагрузка, которая оказывает влияние на процесс деформирования и разделения листового материала. Вследствие этого заготовка испытывает неравномерные упругопластические деформации, что отрицательно сказывается на плоскостности, геометрии поверхности разделения и точности вырезаемых деталей. При разработке данных технологических процессов для получения качественных деталей необходимо учитывать неравномерность распределения нормального давления и наличие касательной сдвигающей нагрузки.

Для установления технологических возможностей процессов вырезки листовых деталей полиуретаном открытым и полуоткрытым способами были проведены экспериментальные и численные исследования величины и распределения нормального давления по поверхности контакта заготовки с эластичным инструментом из полиуретана марки СКУ-7Л и его деформационно-силовых характеристик в зависимости от способа штамповки, геометрических и физических параметров.

1.2 Экспериментальные и численные исследования

Экспериментальные исследования проводились с использованием метода композиционного рототабельного планирования экспериментов. Постановка экспериментов свелась к пяти- и четырехфакторным моделям второго порядка. За параметр оптимизации принималась величина нормального контактного давления q и усилия сжатия Р полиуретанового инструмента. В экспериментальные исследования были включены основные технологические факторы:

шероховатость технологических плит; высота полиуретановых пластин;

высота выступания полиуретановых пластин из контейнера;

твердость полиуретана;

диаметр полиуретановых пластин;

координата замера давления;

деформация сжатия полиуретановых пластин по высоте.

Для проведения экспериментов была спроектирована и изготовлена специальная установка. Эксперименты проводились на гидравлическом прессе ПСУ-500. Нормальное давление фиксировалось листовыми датчиками из свинца и АД1 [3], а усилие сжатия - по динамометру пресса. Измерение геометрических параметров листовых датчиков производилось на микроскопе УИМ-23.

По результатам обработки экспериментов и проведенного статистического анализа в соответствии с методикой исследований получены уравне-

ния регрессии, отражающие влияние технологических факторов на характер и величину распределения контактного давления и усилия сжатия. Методом крутого восхождения были определены оптимальные параметры полиуретанового инструмента, обеспечивающие наибольшую величину распределения нормального контактного давления до 300 МПа при открытой и до 200 МПа при полуоткрытой схеме нагружения. Следует отметить, что при открытом способе штамповки при оптимальной высоте полиуретанового инструмента Н/у, равной (0,05.0,06)0^, и твердости 80...85 ед. по Шору А наименьший перепад давления от центра к периферии поверхности контакта с заготовкой составляет 35.40%, а при полуоткрытом способе штамповки при оптимальной высоте полиуретанового инструмента, равной (0,08.0,1)Оп/у, оптимальной высоте выступания полиуретана из контейнера кп/у = (0,03... 0,5)Нпу и твердости 80.85 ед. по Шору А наименьший перепад контактного давления составляет 25.30% с резким падением до нуля на краю зоны контакта [4].

Для проектирования данных технологических процессов по результатам исследований были построены оценочные эпюры распределения нормального контактного давления для полиуретанового инструмента оптимальных размеров [5], [6] при открытом и полуоткрытом способах штамповки в относительных величинах q = —— R = R , где q0 = P/F0 - ус-

q R,y

ловное давление, рассчитанное делением усилия сжатия на начальную площадь рабочей поверхности полиуретанового инструмента (рис. 3).

Для численных исследований применялась математическая модель, построенная на основании общих соотношений нелинейной механики деформирования твердого тела. Модель опирается на вариационное уравнение Лагранжа, ассоциированный закон пластического течения и нелинейные геометрические соотношения между тензором Альманси и вектором перемещения. В уравнениях состояния используется поверхность нагружения Мизеса с нелинейным упрочнением изотропного материала. Нагружение тела считается квазистатическим. При этом массовые и инерционные силы не учитываются. Для таких процессов вариационное уравнение Лагранжа, соответствующее принципу возможных перемещений, имеет следующий вид:

|T: VdudV - JPndudW- JPTdudW =,

V W W

где Pn - силы, действующие по нормали n и касательной т к поверхности тела 5 - знак вариации; Т - тензор напряжения Коши; V - объем, занимаемый телом; V - набла-оператор Гамильтона; : - двойное скалярное произведение; и - вектор перемещения.

Для решения матричных уравнений применялся шаговый метод по нагрузке с внутренним итерационным циклом. Решение задач производилось методом конечных элементов. В качестве конечного элемента использовался совместный девятиузловой изопараметрический элемент лагран-жевого семейства. Алгоритм численного решения данных технологических задач дает возможность проследить поэтапно весь путь деформирования тела с учетом сжимаемости, изменение его геометрии от начального до конечного состояния, учесть характер силового поля и его изменение во времени, учесть свойства материалов и конструктивные параметры технологической оснастки, а также движение контактирующих поверхностей в процессе деформирования с трением [4], [5].

Были проведены также экспериментальные и численные исследования влияния неравномерной удельной нагрузки полиуретанового инструмента на точность и качество листовых деталей из металлов 08кп, АМг6М и Д16АТ толщиной до S = 2,0 мм, штампуемых полиуретаном в открытом объеме [6]. В результате исследований были определены оптимальные конструктивные параметры вырезного инструмента - ширина и глубина технологических пазов, при которых детали имеют наименьшие отклонения размеров, соответствующие 11-14 квалитету точности (4...7 класс) и наибольшее приближение к вертикальности профиля поверхности разделения по наружному и внутреннему контуру в плане (таблица).

ТАБЛИЦА. Оптимальные конструктивные параметры вырезного инструмента и соответствующие параметры точности и качества вырезаемых деталей

Марка Ширина па-

материала за

Глубина паза

Отклонение

Угол профиля поверхностей разделения

aJS aJS Нв/S hJS Аув/S Аун/S Ьв ,° Ьн ,°

Д16АТ 5-6 4-5 2,5-3 2-2,5 0,02-0,07 0,03-0,13 86-90 88-91

08кп, АМг6М 5-6 4-5 3,5-4 3-3,5 0,02-0,12 0,04-0,20 87-91 89-93

При этом установлено, что выполнение процессов штамповки-вырезки листовых деталей из металла толщиной до 1,0 мм полиуретаном в открытом объеме следует производить при наличии смазки с кинематической вязкостью 35 10-6 м2/с и более при температуре 50 °С на центральной части поверхности контакта заготовки и полиуретанового инструмента в пределах (0,7...0,8) площади контакта, что позволяет изготавливать качественные плоские листовые детали, удовлетворяющие техническим условиям. Анализ и сравнение результатов численных и экспериментальных исследований показали удовлетворительную сходимость. Расхождения по отклонениям и величине депланации не превышали 10.. 15%, а геометрия профиля кромок среза деталей соответствовала действительному.

По результатам комплексных исследований разработаны устройства и способ штамповки полиуретаном в открытом объёме, позволяющие получить высокие, наиболее равномерные рабочие давления, обеспечивающие достаточную стойкость полиуретанового инструмента, высокую точность и качество отштампованных деталей [7], [10], на базе которых спроектированы универсальные установки для пошаговой штамповки длинномерных листовых деталей [2]. Для проектирования технологических процессов штамповки-вырезки листовых деталей полиуретаном в открытом объёме разработана методика, блок-схема которой показана на рисунке 4.

Рис. 4. Блок-схема методики проектирования технологических процессов штамповки-вырезки листовых деталей полиуретаном

в открытом объеме

2 Технологическая надежность

Вопрос обеспечения эксплуатационной надежности и безопасности подвижного состава напрямую зависит от качества ремонта. Одной из актуальных проблем обеспечения качества ремонта является проблема технологической надежности.

Технологическая надежность подразумевает высококачественную отработку самого технологического процесса ремонта, обеспечивающего стабильность всех требуемых свойств каждой детали. К этим свойствам относится соблюдение геометрических параметров, исключение остаточных напряжений в деталях и нарушений сплошности. Несоблюдение технологического процесса приводит к возникновению технологической наследственности, снижающей надежность деталей.

При внедрении новой технологии необходимо оценить степень влияния её на саму деталь. Для этого предлагается ввести дополнительный критерий - количество допустимых технологических воздействий.

Используя основные положения теории информации, можно составить систему уравнений, позволяющую определить последовательность приращений информации о возмущающих технологических воздействиях, передаваемых при каждом новом воздействии на деталь:

'I(X > Y) H(Y) - H(Y / X,);

< I(X2 > Y/Xx) H(Y/X,) - H(Y/X,X2);

.I(Xn > Y/Xj... X,-.!) =H(Y/Xj... X,-i)-H(Xj...X„),

где I(Xn^Y/X\...Xn-\) - количество информации о параметрах детали после n-й операции; H(Y) - количество информации (энтропия) о параметре Y, содержащейся в готовой детали; H(Y/X\... Xn-1) - количество информации (энтропия), полученное в результате воздействия на Yнеучтенных факторов.

С помощью уравнений можно проследить за влиянием технологических воздействий на деталь и оценить их количественно. Просуммировав все воздействия, можно качественно оценить ремонт. Это позволит строить прогноз надежности детали и ее ресурса, обеспечивать эксплуатационную надежность лимитирующих узлов и подвижного состава в целом [11].

Дополнительные исследования показали, что поверхностные напряжения в деталях, отштампованных полиуретаном, ниже, чем в деталях, изготовленных в инструментальных штампах, что является залогом их повышенной эксплуатационной надежности.

Применение штамповки листовых деталей полиуретаном (рис. 5), как показывает практика, увеличивает их технический ресурс в 1,5 раза, что повышает эксплуатационную надежность подвижного состава.

Рис. 5. Вырезные шаблоны и детали подвижного состава ДОП Самаратранспригород и ТЧ10, отштампованные полиуретаном Заключение

В результате комплексных исследований определены оптимальные конструктивные параметры технологической оснастки для штамповки-вырезки полиуретаном в открытом объеме и разработаны устройства, позволяющие получить высокие, наиболее равномерные рабочие давления, обеспечивающие достаточную стойкость полиуретанового инструмента, высокую точность и качество отштампованных деталей. Установлено влияние неравномерной удельной нагрузки полиуретанового инструмента на плоскостность отштампованных листовых деталей, определены меры, исключающие нарушение их плоскостности. Разработана методика проектирования технологических процессов штамповки.

В итоге разработана эффективная технология штамповки-вырезки листовых деталей полиуретаном в открытом объёме и соответствующие технологические рекомендации. Применение деталей, отштампованных полиуретаном, повышает эксплуатационную надежность подвижного состава.

Штамповка листовых деталей полиуретаном рекомендуется к внедрению в ремонтные производства депо.

Библиографический список

1. Вырезка деталей полиуретаном / А. Д. Комаров, В. П. Романовский. - Л.: ЛДНТП, 1986. - 36 с.

2. Штамповка длинномерных листовых деталей полиуретаном / В. А. Барвинок, Н. А. Ефимов, А. Д. Комаров, Ю. В. Федотов // Кузнечно-штамповочное производство. - 1995. - № 10. - С. 14-17.

3. Исследования контактных и внутренних напряжений при обратном выдавливании / В. П. Мордасов // Вестник машиностроения. - 1981. - № 1. - С. 57-60.

4. Технологические возможности штамповки листовых деталей полиуретаном открытым и полуоткрытым способами / Н. А. Ефимов // Известия Самарского научного центра РАН. Спец. вып.: Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития. - 2006. - С. 248-251.

5. Вырезка листовых деталей технических средств полиуретаном /

Н. А. Ефимов // Вестник Курганского государственного университета. - 2006. -

№ 1(05). - С. 38-40.

6. Исследование точности листовых деталей, вырезанных полиуретаном в открытом объеме / Н. А. Ефимов, Ю. В. Федотов, Е. А. Ефимов // Вестник СамГАПС. -2005. - Вып. 3. - С. 15-19.

7. А. с. 1466098. СССР МКИ В2Ш 28/18. Устройство для вырубки-пробивки деталей из листового материала эластичной средой в открытом объеме / Ю. В. Федотов, А. Д. Комаров, Н. А. Ефимов. - Опубл. 1996.01.20.

8. А. с. № 1741952 СССР, МКИ В21Б 28/18. Штамп для вырубки-пробивки / Н. А. Ефимов, Ю. В. Федотов, В. Е. Кравченко, А. В. Порядин, К. В. Козлов. - Опубл. 1992.06.23.

9. А. с. №1760682 СССР, МКИ В2Ш 28/18. Устройство для вырубки-пробивки деталей из листового материала эластичной средой в открытом объеме / Н. А. Ефимов, Ю. В. Федотов, В. Д. Щеголеватых. - Опубл. 1996.04.10.

10. Патент 2280524 РФ, МПК B21D 28/18. Способ вырубки-пробивки деталей из листового материала эластичной средой в открытом объеме / Н. А. Ефимов. - Опубл. 206.07.27.

11. К вопросу обеспечения эксплуатационной надежности подвижного состава / М. В. Анахова // Известия Самарского научного центра РАН. Спец. вып.: Проблемы железнодорожного транспорта на современном этапе развития. - 2006. - С. 157-159.

УДК 621.313

В. В. Шумейко

КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

В связи с предстоящим переходом подвижного состава на тяговые двигатели переменного тока, в частности на асинхронные двигатели, возникает задача кардинальной модернизации испытательных станций в локомотивных депо и на ремонтных заводах. В статье представлены предложения по компьютерной автоматизации испытаний асинхронных двигателей. Приведена схема измерений, а также волновые диаграммы тока и напряжения при пуске асинхронного двигателя.

асинхронные двигатели, испытания, использование компьютеров.

Введение

Использование компьютеров для автоматизации испытаний тяговых двигателей позволит перевести испытания на новый современный уровень. При этом повысится точность измерений, будет убран субъективный фактор, испытания могут быть оптимизированы с целью экономии электроэнергии. Автоматизация ведения документации по результатам испытаний в локомотивных депо позволит следить за состоянием каждого двигателя, выдавая рекомендации на своевременный и соответствующий ремонт, а также рекомендации по комплектованию электровозов двигателями с подходящими тяговыми характеристиками.

В настоящее время на подвижном составе железных дорог предстоит сделать, можно сказать, революционный переход от коллекторных тяговых двигателей к бесколлекторным, а именно к асинхронным тяговым двигателям, питающимся от статических преобразователей частоты.

При испытании асинхронных тяговых двигателей с частотным управлением возникают большие проблемы с измерениями несинусоидальных напряжений и токов, а также мощности, особенно при низких частотах от 1 до 20 Гц. Обычные электроизмерительные приборы не рассчитаны на работу при этих условиях. Кроме того, при работе привода с частотноуправляемым асинхронным двигателем возникают электромеханические переходные процессы, которые крайне трудно регистрировать и анализировать. К таким процессам относятся переходные процессы в цепях с со-