Влияние дефектов обода колесных пар, поступивших в ремонт, на производительность их восстановления обточкой

УДК 621.9.65.015.13

А. А. Рауба, В. В. Дюндин, А. В. Бородин

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация

ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ ОБОДА КОЛЕСНЫХ ПАР, ПОСТУПИВШИХ

В РЕМОНТ, НА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ИХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ

ОБТОЧКОЙ

Аннотация. Приведены результаты исследований воздействия свойств материала и неисправностей колес, поступающих в ремонт на процесс их механической обработки на колесотокарных станках. Разработан комплексный критерий, учитывающий действие различных факторов на допустимую скорость резания. Полученные результаты могут быть использованы в разработке методов снижения расхода твердосплавного режущего инструмента для механической обработки деталей подвижного состава с эксплуатационными дефектами. Предложена методика оценки обрабатываемости резанием колес через аддитивные критерии, учитывающие суммарное влияние многочисленных, разноразмерных и противоречивых факторов на допустимую скорость резания по экономической стойкости режущего инструмента. На этой основе получены количественные характеристики обрабатываемости резанием колес, учитывающие образующиеся макропогрешности геометрической формы, поверхностные дефекты обода, наклеп и наличие зон повышенной твердости, дефекты термомеханического взаимодействия колеса, тормозной колодки и рельса.

Ключевые слова: неисправность колес, допустимая скорость резания, экономическая стойкость инструмента, приведенный коэффициент обрабатываемости, твердость стали.

Alexander A. Rauba, Vadim V. Dyundin, Anatoliy V. Borodin

Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation

INFLUENCE OF DEFECTS RIM WHEELSETS, RECEIVED IN REPAIR, ON PERFORMANCE OF THEIR RECOVERY TURNING

Abstract. The article presents the results of studies of the effect of material properties and wheel failures on the process of their machining on the on the car wheel lathe. Developed by complex criterion that takes into account the effect of various factors on the allowable cutting speed. The proposed method for assessing the machinability of cutting wheels through additive criteria. The quantitative characteristics of the machinability of cutting are obtained, taking into account the macroscopic imprecision of the geometric shape, defects in the thermomechanical interaction of the wheel, brake pad and rail, surface defects of the rim, work hardening and the presence of zones of increased hardness.

The results can be used in the development of methods to reduce the consumption of carbide cutting tools for machining parts of rolling stock with operational defects.

Keywords: wheel failure, allowable cutting speed, economic tool life, reduced machinability, steel hardness.

По классификатору неисправностей вагонных колесных пар и их элементов 1.20.0012007, изданному ОАО «РЖД», из 32 наименований дефектов колес 20 из них устраняют обточкой поверхности катания на колесотокарном станке. Анализ справочных материалов Центральной дирекции инфраструктуры управления вагонного хозяйства, проектно -конструкторского бюро вагонного хозяйства (ПКБ ЦВ ОАО «РЖД») за 2015-2016 гг. показал, что около 20 % вагонов поступают в текущий отцепочный ремонт по неисправностям колесных пар, 97 % которых подлежали обточке [1, 2].

Установлено, что более 70 % колес, поступающих в ремонт, имеют неисправности, ухудшающие их обрабатываемость резанием, которая в три - шесть раз ниже обрабатываемости новых бездефектных колес. Экономическая скорость резания при обточке таких колес в зависимости от жесткости станка и качества инструмента - 16 - 40 м/мин, поэтому повышение эффективности обработки таких колес является весьма актуальной задачей.

Известно, что производительность механической обработки железнодорожных колес при обеспечении заданного качества в основном определяется скоростью резания [3, 4], значение

которой выбирается между скоростями, обеспечивающими минимальные затраты на обработку Уэк и максимальную производительность Утах (Уэк < V< Гтах). Значение скорости резания, обеспечивающее максимальную производительность, ограничивается значением периода стойкости инструмента Ттах, ниже которого она уменьшается по причине увеличения затрат времени на смену инструмента и настройку станка (рисунок 1).

Скорость резания, м/мин

-

Скорость резания, м/мин

Рисунок 1 - Влияние скорости резания на производительность, себестоимость обработки и стойкость инструмента: Соб - затраты на оборудование; Си - затраты на инструмент; С - себестоимость обработки

На практике периодом стойкости задаются исходя из приемлемых затрат на эксплуатацию инструмента Тэк. Затем для конкретных условий обработки определяют допустимую скорость резания VI, при которой обеспечивается заданная стойкость

инструмента. Скорость резания по заданной стойкости зависит в основном от физико-механических свойств материала, срезаемого с колеса, состояния его поверхности и поверхностного слоя, а также от прочности и износостойкости режущей части инструмента

[5, 6].

Одним из важнейших технологических свойств материала колес является его обрабатываемость резанием, в значительной степени характеризующая уровень затрат для достижения заданных производительности и качества обработки. Обрабатываемость отражает многие стороны процесса резания, поэтому единой универсальной характеристики она не имеет и оценивается комплексом технологических свойств (интенсивность изнашивания инструмента, силы резания и потребляемая мощность, достижимое качество обработки, вид стружки и др.) путем сравнения со свойствами обрабатываемости материала, принятого за эталон, которые определяются при идентичных условиях резания. Выбор показателей обрабатываемости производится исходя из конкретных требований, предъявляемых к операции.

Особенно большой практический интерес представляют зависимости между обрабатываемостью резанием и твердостью металлов. По данным Э. И. Фельдштейна эти зависимости не отличаются высокой точностью, но в определенных пределах хорошо согласуются с данными экспериментальной проверки. Поэтому они могут быть успешно использованы для приблизительной оценки обрабатываемости сталей, так как твердость в большей степени связана с истирающей способностью и температурой резания - факторами, в наибольшей степени влияющими на стойкость инструмента и уровень допустимых скоростей резания. К тому же определение твердости металла на производстве не вызывает трудности.

Одной из главных причин низкой обрабатываемости при ремонте колес является значительный разброс значений твердости по всему объему срезаемого слоя. В результате низкой прокаливаемости колесной стали твердость по толщине обода изменяется от 300 -310 (у нового колеса на диаметре обода 950 мм) до 240 - 260 НВ (у предельно изношенного колеса с диаметром обода 850 мм). Твердость наклепанного слоя глубиной до двух миллиметров достигает 500 - 400 НВ. Отдельные участки термомеханического повреждения имеют твердость 700 - 1200 HV. Поэтому производительность их обточки в четыре - шесть раз ниже, а расходы на режущий инструмент в три - шесть раз выше, чем в транспортном машиностроении, и составляют более 40 % себестоимости ремонта колесных пар.

Переменная твердость не только снижает стойкость инструмента за счет его ударного взаимодействия с деталью, но и увеличивает погрешность обработки в результате отжатия инструмента от заготовки. Для получения заданного качества обработки ремонтные предприятия вынуждены увеличивать количество проходов и уменьшать режимы резания, что снижает производительность и увеличивает стоимость обработки.

Влияние твердости колесной стали на ее обрабатываемость оценивали коэффициентом КУх60:

эт5

где Vт6o - допустимая скорость резания стали для 60-минутной стойкости инструмента;

Vт60 эт - допустимая скорость резания стали для 60- минутной стойкости инструмента для эталонной стали.

Анализ и обобщение имеющихся данных о влиянии твердости на обрабатываемость стали, оцениваемой допустимой скоростью резания по 60-минутной стойкости Ут60, для колесной стали (по данным С. В. Урушева [7] и фирмы Сандвик - МКТС) позволили построить зависимость влияния твердости колесной стали на значение КгТ60 (рисунок 2):

Ктб0 = 2,16 - 4,64-10 - 3 НВ

1-0 н о о Ч а о я

н

НВ

360

320

280

240

• ч •

^ Ктьо 2, 16 -4,64-10 "3 НВ , к = 0,994

10

20 £

40

60

75

90

0,2

0,4

0,6

К\'у60 -

0,8

1,0

1.2

Рисунок 2 - Влияние твердости колесной стали на ее обрабатываемость резанием твердосплавным инструментом

По этой зависимости можно определить допустимую скорость резания для 60- минутной стойкости инструмента (Гт60 = Кут60 Ут60 эт) при изменении твердости колесной стали в пределах 220 - 440 НВ. В качестве эталона взята колесная сталь марки 2 (ГОСТ 10791-2011 [8]) с исходной твердостью 260 НВ (Гт60 эт = 85 м/мин; КуТ60 = 1).

Оценка обрабатываемости по твердости колесной стали имеет большое практическое значение, так как в настоящее время во ВНИИЖТе совместно с металлургами разработаны новые марки специальной колесной стали с твердостью 320 - 360 НВ (марки Т и Л по ГОСТ 10791-2011). Колеса из этой стали поступили в эксплуатацию, что повлекло за собой снижение их обрабатываемости (до КуТ60 =0,5 - 0,7) и заметное увеличение расхода твердого сплава на обработку колес (в полтора - два раза).

Приведенные в литературе [9, 10] критерии обрабатываемости оценивают влияние на процесс резания ограниченного количества параметров. Работы по оценке обрабатываемости деталей с дефектами материала и макрогеометрии, приобретенными в эксплуатации, отсутствуют, что не дает возможности определить рациональный уровень допустимой по экономическим критериям скорости резания для большинства операций механической обработки в ремонтном производстве, создает проблемы в выборе режимов резания и в конструировании инструмента.

Допустимая по заданной стойкости скорость резания ¥т не отражает влияния всего многообразия параметров, определяющих обрабатываемость колес с эксплуатационными дефектами, поэтому в качестве критерия обрабатываемости предлагается использовать скорость, обеспечивающую минимальную себестоимость при заданных производительности и качестве обработки, т. е. находящуюся между скоростями экономической и скоростью, обеспечивающей максимальную производительность: Уэ < Гдоп < Гтах:

V доп — V д

к

V

где Vдоu. эт - допустимая скорость резания для условий обработки, принятых за эталон (обработка нового колеса на жестком станке стандартным режущим твердосплавным инструментом, твердость колесной стали - 260 НВ, Vдоu. эт = 85 м/мин); К - приведенный коэффициент обрабатываемости.

К = 1 - F

где F (х) - функция изменения обрабатываемости.

Обрабатываемость деталей в ремонтном производстве целесообразно описывать через аддитивные критерии, учитывающие суммарное влияние многочисленных разноразмерных и противоречивых факторов на допустимую скорость резания:

'

где Fi (х) - текущее значение частного критерия; F¿(0Xx) - эталонное значение частного критерия;

сi - весовой коэффициент ¿-го частного критерия, определяется экспериментально или методом экспертных оценок (например, степень поврежденности колеса ¿-м дефектом), Ъ с = 1; Частный коэффициент относительного изменения обрабатываемости:

F1

кОТ1 ——4 7

FI

Частными критериями могут быть такие разноразмерные параметры, как качество инструмента, жесткость технологической системы, степень поврежденности поверхности катания колес в эксплуатации, квалификация рабочего.

Для относительного изменения допустимой скорости резания в результате влияния ¿-го фактора (¿-го дефекта) этот коэффициент определяется так:

К — V доп.эт V доп. ¿

V

доп.эт

где ¿ - допустимая скорость по заданным выходным параметрам для обработки колеса с ¿-м дефектом, определяется экспериментально и уточняется по результатам статистической обработки производственных данных.

Размеры дефектов поверхности катания колес: по длине - до 150; глубине - до 10; ширине - до 40 мм. Разрушение инструмента чаще происходит при взаимодействии его с выщербинами первого рода и лысками (выбоинами), имеющими повышенную твердость (до 400 - 700 НВ). Такие дефекты, как вертикальный подрез гребня, остроконечный накат, неравномерный износ и разность диаметров колес, повышают трудоемкость обработки за счет увеличения припуска от 6 до 24 мм и более, а также снижают производительность из-за неравномерности его значения по длине обточки.

Анализ публикаций и обобщение данных ремонтных заводов и колесоремонтных мастерских позволил оценить влияние каждого из основных дефектов на производительность обточки колес, поступающих в ремонт на аддитивном уровне, через коэффициенты относительного изменения обрабатываемости (таблица).

Значение коэффициентов изменения обрабатываемости и допустимой скорости резания при обточке колесных пар

Код и наименование неисправности по классификатору ОАО «РЖД» 1.20.001-2007 Коэффициент изменения обрабатываемости Кот i Допустимая скорость резания ^^доп ь м/мин

111 Равномерный прокат 0 85

112 Неравномерный прокат 116 Кольцевые выработки 0,05 81

Термомеханические повреждения при торможении: 211 - навар, 212 - ползун (глубина до 1,0 мм) 0,22 66

212 Ползун (глубина - более 1,0 мм) 0,44 48

611 Выщербины по светлым пятнам, ползунам, наварам 0,38 53

612 Выщербины по усталостным трещинам 0,09 77

311 Остроконечный накат гребня 312 Круговой наплыв на фаску 313 Местное уширение обода 0,05 81

112 - неравномерный прокат и 114 - вертикальный подрез гребня 0,24 65

111 - равномерный прокат и 113 - износ гребня 0,09 77

Прокат и износ гребня с термомеханическими повреждениями малых и средних размеров 0,29 60

Термомеханические повреждения (ТМП) и наличие большого количества выщербин крупных размеров 0,47 45

Наклеп, ТМП, ползун и выщербины больших размеров 0,67 28

Предложенная методика определения допустимой скорости резания может быть использована при механической обработке всех деталей, поступающих в ремонт с эксплуатационными дефектами.

Список литературы

1. Справочные материалы по поступлению колесных пар грузовых вагонов в ВКМ и КРЦ вагоноремонтных и эксплуатационных депо России за 2015 год [Текст] / Центральная дирекция инфраструктуры, управление вагонного хозяйства, проектно-конструкторское бюро вагонного хозяйства. - М., 2015. - 150 с.

2. Справочные материалы по поступлению колесных пар грузовых вагонов в ВКМ и КРЦ вагоноремонтных и эксплуатационных депо России за 2016 год [Текст] / Центральная дирекция инфраструктуры, управление вагонного хозяйства, проектно-конструкторское бюро вагонного хозяйства. - М., 2016. - 137 с.

3. Фельдштейн, Э. И. Обрабатываемость сталей в связи с условиями термической обработки и микроструктурой: Учебник [Текст] / Э. И. Фельдштейн. - М.: Машгиз, 1953. -255 с.

4. Обрывалин, А. В. Обрабатываемость резанием материала вагонных колес повышенной твердости при наличии эксплуатационных дефектов [Текст] / А. В. Обрывалин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование: Науч. журнал / Иркутский гос. ун-т путей сообщения. - Иркутск. - 2009. - С. 30 - 36.

5. Справочник инструментальщика: Справочник [Текст] / И. А. Ординарцев, Г. Н. Филиппов и др. - Л.: Машиностроение, 1987. - 846 с.

I

6. Вульф, Л. М. Основы резания металлов: Учебник [Текст] / Л. М. Вульф. - Л.: Машгиз, 1954. - 327 с.

7. Урушев, С. В. Разработка ресурсосберегающих технологий ремонта колес железнодорожного подвижного состава [Текст]: Дис... доктора техн. наук: 05.22.07 / Урушев Сергей Викторович. - Санкт-Петербург, 2000. - 450 с.

8. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные. Технические условия [Текст]. - Введ. 201201-01. - М.: Стандартинформ, 2011. - 32 с.

9. Зильберман, Г. М. Комплексное определение параметров обрабатываемости металлов с применением радиоэлектронной аппаратуры: Научное издание [Текст] / Г. М. Зильберман, В. Г. Сальников / Пермский сельскохозяйственный ин-т. - Пермь, 1966. - 160 с.

10. Ящерицын, П. И. Теория резания. Физические и тепловые процессы в технологических системах: Учебник [Текст] / П. И. Ящерицин, М. Л. Еременко, Е. Э. Фельдштейн. - Минск: Вышейша школа, 1990. - 512 с.

References

1. Spravochnye materialy po postupleniiu kolesnykh par gruzovykh vagonov v VKM i KRTs vagonoremontnykh i ekspluatatsionnykh depo Rossii za 2015 god (Reference materials on the receipt of wheel pairs of freight cars in VKM and CRT car repair and operational depot of Russia for 2015), Moscow, Design bureau Russian Railways, 2015, 150 p.

2. Spravochnye materialy po postupleniiu kolesnykh par gruzovykh vagonov v VKM i KRTs vagonoremontnykh i ekspluatatsionnykh depo Rossii za 2016 god (Reference materials on the receipt of wheel pairs of freight cars in VKM and CRT car repair and operational depot of Russia for 2016), Moscow, Design bureau Russian Railways, 2016, 137 p.

3. Fel'dshtein E. I. Obrabatyvaemost' stalei v sviazi s usloviiami termicheskoi obrabotki i mikrostrukturoi (Machinability of steel due to heat treatment conditions and microstructure). Moscow: Mashgiz, 1953, 255 p.

4. Obryvalin A. V. The machinability of the material of wagon wheels of increased hardness in the presence of operational defects [Obrabatyvaemost' rezaniem materiala vagonnykh koles povyshennoi tverdosti pri nalichii ekspluatatsionnykh defektov]. Materialy mezhvuzovskogo sbornika nauchnykh statei «Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie» (Materials interuniversity collection of scientific articles «Modern technologies. System analysis. Modeling»). Irkutsk, 2009, pp. 30 - 36.

5. Ordinartsev I. A., Filippov G. N. Spravochnik instrumental'shchika (Toolmaker Handbook). Leningrad: Engineering, 1987, 846 p.

6. Vul'f L. M. Osnovy rezaniia metallov (Metal Cutting Basics). Leningrad: Mashgiz, 1954, 327p.

7. Urushev S. V. Razrabotka resursosberegaiushchikh tekhnologii remonta koles zheleznodorozhnogo podvizhnogo sostava (Development of resource-saving technologies for the repair of rolling stock wheels). Doctor's thesis, St. Petersburg, PGUPS, 2000, 450 p.

8. Kolesa tsel'nokatanye. Tekhnicheskie usloviia, GOST 10791-2011 (Solid wheels. Technical conditions, State Standart 10791-2011). Moscow, Standartinform, 2011, 32 p.

9. Zilberman G. M. Kompleksnoe opredelenie parametrov obrabatyvaemosti metallov s primeneniem radioelektronnoi apparatury (Comprehensive determination of the parameters of workability of metals with the use of electronic equipment). Permian, Perm State Agro-Technological University, 1966, 160 p.

10. Iashcheritsyn P. I., Eremenko M. L., Feldstein E. E. Teoriya rezaniya. Fizicheskie i teplovy^e processyл v texnologicheskix sistemax (Cutting theory. Physical and thermal processes in technological systems). Minsk, Vyshysha School, 1990, 512 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Рауба Александр Александрович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.

Тел: +7 (3812) 31-18-11.

E-mail: aleksandr_rauba@mail.ru

Дюндин Вадим Владимирович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Технологии транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 31-18-11.

E-mail: dyundinvv@mail.ru

Бородин Анатолий Васильевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Рауба, А. А. Влияние дефектов обода колесных пар, поступивших в ремонт, на производительность их восстановления обточкой [Текст] / А. А. Рауба, В. В. Дюндин, А. В. Бородин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2019. -№ 4 (40). - С. 2 - 9.

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Rauba Alexander Alexandrovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Dr.Sci.Tech., Professor of the department «Technology of transport engineering and repair of a rolling stock», OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-18-11. E-mail: aleksandr_rauba@mail.ru

Dyundin Vadim Vladimirovich

Omsk State Transport University (OSTU). 35, Marx st., Omsk, 644046, the Russian Federation. Post-graduate student of the department «Technology of transport mechanical engineering and repair of a rolling stock », OSTU.

Phone: +7 (3812) 31-18-11. E-mail: dyundinvv@mail.ru

Borodin Anatoliy Vasilievich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, Russia.

Dr.Sci.Tech., Professor

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Rauba A. A., Dyundin V. V., Borodin A. V. Influence of defects rim wheelsets, received in repair, on performance of their recovery turning. Journal of Transsib Railway Studies, 2019, vol. 4, no. 40, pp. 2 - 9 (In Russian).

УДК 629.424.3

С. М. Овчаренко, А. А. Метелев, В. А. Минаков, В. Р. Ведрученко

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Российская Федерация

ОПЕРАТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ СИСТЕМЫ

ОХЛАЖДЕНИЯ ТЕПЛОВОЗА

Аннотация. В статье приведены анализ затрат различных топливно-энергетических ресурсов в ОАО «РЖД» за период с 2013 по 2017 г., результаты наблюдения о сокращении доли дизельного топлива в общей структуре потребления ресурсов, анализ распределения количества отказов узлов тепловозов в пути следования, распределения отказов узлов системы охлаждения в пути следования и распределения отказов узлов тепловозов, значения мощности, затрачиваемой на привод вентилятора шахты холодильника, различных тепловозов. Рассчитан часовой расход топлива, затрачиваемого на привод вентилятора тепловозов.

Ключевые слова: тепловоз, система охлаждения, топливно-энергетический ресурс, дизельное топливо, отказ, привод вентилятора, мощность, часовой расход топлива.