Способ восстановления поверхностей катания железнодорожных колес колесных пар
METHOD OF RESTORATION OF ROLLING SURFACE OF RAILWAY WHEELS OF WHEEL PAIRS

Изобретение относится к области технологии машиностроения, а именно к восстановлению изношенных в процессе эксплуатации рабочих поверхностей крупногабаритных тел вращения, и может быть использовано, в частности, для восстановления изношенных поверхностей катания железнодорожных колес.
Из уровня техники известно, что износ поверхностей катания железнодорожных колес в процессе их эксплуатации требует периодического восстановления профиля колес для придания их поверхностям катания первоначального размера и профиля. Для восстановления размеров и рабочего профиля колес используется довольно широкий спектр технологий.
Весьма распространенными способами восстановления изношенных в процессе эксплуатации поверхностей катания железнодорожных колес являются способы, согласно которым их поверхность катания периодически обтачивают и профилируют до получения нужного профиля (см., например, а.с. СССР №1157095, кл. С21D 9/34, 1985 г.; а.с. СССР №1315077, кл. С21D 9/34, 1987 г.).
Однако использование данных способов восстановления железнодорожных колес обеспечивает восстановление только профиля, но не размера колес, что приводит к сокращению срока их службы, так как после удаления допустимого по условиям эксплуатации слоя поверхности катания колес до предельного минимального диаметра, они подлежат снятию с эксплуатации, распрессовке с осью колесной пары и сдаче в металлолом.
Другим, несомненно, более перспективным направлением восстановления поверхностей катания железнодорожных колес является наплавка металла на изношенные поверхности с последующей механической обработкой наплавленной части до получения заданных размера и рабочего профиля.
Так, например, известен способ восстановления железнодорожных колес, согласно которому осуществляют наплавку изношенной части колеса, удаление шлака с наплавленной поверхности, охлаждение ее и последующую механическую обработку наплавленной части для восстановления размера и профиля поверхности катания рабочей части колеса (см. а.с. СССР №1157089, кл. В23Р 6/00, 1985 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного способа необходимо отметить, что процесс наплавки приводит к термическому упрочнению сформированного поверхностного слоя, что создает проблемы при механической (как правило, лезвийной или абразивной) обработке поверхности катания и не позволяет получить после механической обработки поверхности катания с заданной точностью (как по радиусу от оси вращения колеса до его поверхности катания, так и по форме рабочего профиля) и чистотой обработанной поверхности. Кроме того, при проверке обработанных колес установлено, что после механической обработки их размеры имеют значительный разброс по своим значениям. Так как восстановленные колеса, имеющие разный диаметр от оси вращения и разный профиль поверхности катания не могут быть использованы для установки в одной ходовой тележке, на одном вагоне или локомотиве, дополнительно требуется аттестация каждой колесной пары и, по результатам аттестации, их индивидуальная доработка или подбор по диаметру, следовательно, всегда имеет место значительное незавершенное производство.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка способа восстановления поверхностей катания железнодорожных колес, обеспечивающего высокую точность формы рабочего профиля и размеров обработки, в том числе практически одинаковые размеры от оси вращения колес до поверхности катания колес, которые по условиям эксплуатации должны работать на одной ходовой тележке или на одном вагоне, а также существенное сокращение незавершенного производства.
2
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе восстановления поверхностей катания железнодорожных колес, согласно которому на изношенную поверхность колеса наплавляют слой металла с последующей его механической обработкой для восстановления заданного размера колеса и формы профиля поверхности катания, новым является то, что в качестве механической обработки используют электрохимическую обработку, которую ведут как минимум одним профилированным электродом-инструментом с межэлектродным зазором в пределах 0,07-0,5 мм и при плотности тока не менее 30-40 А/см, при этом механическую обработку проводят для партии колесных пар, которыми комплектуют ходовые тележки одного вагона или платформы, причем для колес всей подлежащей механической обработке партии задают один общий конечный размер обработки и считают его от оси вращения колесной пары.
Способ осуществляют следующим образом.
Для проведения восстановления первоначально осуществляют наплавку металла на изношенную и восстанавливаемую поверхность железнодорожного колеса. Весьма важно, что для осуществления заявленного способа наплавка может производиться практически любой известной в настоящее время технологией. Технологии наплавки широко известны специалистам и нет необходимости приводить их в настоящей заявке.
После проведения наплавки, если это необходимо, очищают наплавленную поверхность от окалины и осуществляют ее механическую обработку до получения заданных размеров и формы (профиля) поверхности катания железнодорожного колеса.
Для осуществления заявленного способа весьма важно, что в качестве механической обработки наплавленной поверхности используют электрохимическую обработку.
Выбор в качестве механической обработки, именно электрохимической обработки, обусловлен тем, что электрод-инструмент при электрохимической обработке практически не изнашивается, кроме того, при электрохимической обработке процесс съема припуска не зависит от твердости обрабатываемого материала, поэтому подготовительные термические операции (отжиг, нормализация) после наплавки не требуются, то есть электрохимическая обработка может быть осуществлена после практически любой использованной технологии наплавки, что позволяет использовать для проведения наплавки оптимальную технологию. Кроме того, учитывая указанную выше специфику электрохимической обработки, появляется возможность настройки электрод-инструмента на обработку колесных пар без проблем учета износа электрод-инструмента и изменений твердости обрабатываемого материала колес колесных пар. Используя профилированный электрод-инструмент, рабочий профиль которого соответствует профилю поверхности катания колеса, механическая обработка поверхности катания осуществляется за один проход подачей электрода-инструмента к оси вращения колеса, что сокращает время наладки на обработку, время обработки и повышает ее точность.
Весьма важно также и то, что по условиям эксплуатации железнодорожные колеса работают парами и группами, то есть они парами устанавливаются на ходовые железнодорожные тележки, группами работают на локомотивах, вагонах, платформах. Поэтому восстановленные колеса, имеющие после механической обработки разный диаметр от оси вращения и разный профиль поверхности катания, не могут быть использованы для установки в одной ходовой тележке, на одном локомотиве и пр. Отмеченная выше особенность эксплуатации колес накладывает жесткие требования на соблюдение размеров по точности обработки не одного колеса, а группы колес, которые по условиям эксплуатации будут работать совместно. В данном случае необходимо обеспечить обработку такой группы (партии) колес, таким образом, чтобы их рабочие размеры после обработки наплавленного материала были, по возможности, одинаковы.
Заявленный способ в полной мере подходит для обработки партии (группы) колес, которые после восстановления будут установлены либо на одну ходовую тележку, либо на ходовые тележки одного вагона, а процесс отбора для формирования обрабатываемой партии не зависит, например, от стойкости инструмента, а заключается только в определении необходимого количества колесных пар, обусловленного объемом проводимого ремонта.
Таким образом, с учетом изложенного выше, для проведения индивидуальной или групповой электрохимической обработки колесных пар, электрод-инструмент настраивают для одного колеса или всей партии колес на постоянный окончательный размер обработки, который гарантированно выдерживается независимо от способа и качества предварительно проведенной наплавки восстановленного колеса для всей отобранной партии восстанавливаемых колес. Режимы обработки также задают одинаковые для всей партии колес и не меняют в процессе обработки всей партии восстанавливаемых колес.
Весьма также существенно, что при осуществлении способа настройку электрода-инструмента на постоянный окончательный размер обработки проводят не - как это принято в современной практике - от внешнего контура обрабатываемой поверхности на величину припуска, а от оси вращения колесной пары (оси центров станка) на заданный диаметр колеса, что исключает при обработке партии колес погрешности, связанные с неравномерностью величины наплавленного на колесо припуска.
Настройка электрода-инструмента на постоянный окончательный размер обработки может быть проведена как по устанавливаемой в базовых элементах станка эталонной детали касанием ее электродом-инструментом, так и заданием его (размера) в программе станка. Это не меняет существо заявленного способа.
После проведения настройки оборудования колесную пару с наплавленной поверхностью катания (первую колесную пару из партии) устанавливают в базовых элементах (в центрах) станка с возможностью вращения относительно своей оси. Для проведения электрохимической обработки может быть использована довольно широкая гамма станков, например, раскрытых в описаниях изобретений к патентам РФ №№2085345, 2085346.
При установке в центрах станка обрабатываемая колесная пара опирается на медные ролики, через которые подается рабочее напряжение номиналом 12-24 В. Полярность подаваемого на колесную пару тока всегда положительна и не меняется. Медные ролики подпружинены с усилием 1000-1200 кг для компенсации веса установленной колесной пары, действующего на базовые элементы. Подача электролита в рабочую зону (межэлектродный зазор) осуществляется любым известным способом для обеспечения давления в межэлектродном зазоре 3-5 атм.
Рабочая поверхность обрабатывающего инструмента (электрод-инструмента), используемого для обработки, спрофилирована по форме восстанавливаемой поверхности катания колеса. Для обработки наплавленной поверхности могут быть использован один или несколько работающих совместно электрод-инструментов. Если для электрохимической обработки используется несколько электрод-инструментов, например три, то они могут быть расположены равномерно по окружности относительно обрабатываемой поверхности под углом 120° относительно друг друга. Электроды-инструменты могут быть установлены и иным образом, например, с одной стороны колеса колесной пары. Наиболее целесообразно электроды-инструменты устанавливать на общей инструментальной головке и каждый электрод-инструмент оснащать собственным приводом его подачи. Привод подачи электрода-инструмента (каждого электрода-инструмента) связан с системой управления станка.
Конструкции таких инструментальных головок известны, они не составляют предмета патентной охраны в настоящем изобретении, и поэтому в материалах заявки не раскрыты.
Для осуществления процесса электрохимической обработки, установленную в центрах станка колесную пару приводят во вращение, а электроду-инструменту (электродам-инструментам) сообщают движение подачи.
2
2
Подача электрода-инструмента в процессе обработки осуществляется к оси вращения колесной пары перпендикулярно ей. Обработка поверхностей заготовки ведется в среде электролита, который подают в межэлектродный зазор, образованный рабочей поверхностью электрода-инструмента и обрабатываемой поверхностью колесной пары. Рабочий межэлектродный зазор при этом выдерживают в пределах 0,07-0,5 мм, при плотности тока не менее 30-40 А/см. Как показали исследования, плотность тока менее 30 А/см недостаточна для эффективного растворения упрочненного наплавленного металла в процессе его съема практически во всем интервале рабочих электродных зазоров. При значении рабочего межэлектродного зазора менее 0,07 мм, затруднено удаление шлама из зоны обработки, а наличие в зоне обработки шлама отрицательно сказывается на чистоте и точности обработки, приводит к необходимости периодической остановки обработки для удаления шлама из зоны обработки. Как показали исследования, при значении рабочего межэлектродного зазора более 0,5 мм, возникают проблемы с поддержанием заданного давления электролита в зазоре, а также наблюдается неравномерность по плотности тока в области обрабатываемой поверхности, что, в целом, снижает точность обработки.
Обработка ведется при подаче от источника питания электрического тока (источник питания является стандартным и нет необходимости в описании его выполнения).
В предложенном способе обработки источник тока подключен к колесной паре и электроду-инструменту таким образом, что колесная пара является анодом, а электрод-инструмент - катодом.
3
В качестве электролита могут быть использованы широко известные электролиты на основе водных растворов нейтральных солей, например, NaCl или NaNO.
Скорость вращения колесной пары не превышает 5 об/мин. Подача электрод-инструмента обычно осуществляется со скоростью 0,5-2,5 мм/мин.
Технологические режимы, не описанные в настоящей заявке, являются известными для специалистов в данной области техники.
По окончании обработки колеса переустанавливают колесную пару и аналогично описанному выше обрабатывают ее второе колесо (возможна обработка одновременно двух колес колесной пары).
Если ведут обработку партии колесных пар, то обработку каждого колеса всех колесных пар партии проводят аналогично описанному выше.
Сущность заявленного способа будет более понятна из приведенного ниже примера обработки поверхности катания (поверхности качения и реборды) партии железнодорожных колесных пар в количестве четырех штук.
По известной, раскрытой в решении - наиболее близком аналоге - технологии, проводили наплавку изношенной поверхности катания колес всех колесных пар партии, выдерживая высоту наплавленного слоя 3-4 см.
Устанавливали эталонную колесную пару в центре станка для электрохимической обработки, подводили от оси вращения колесной пары к ее поверхности катания электрод-инструмент до касания и фиксировали значение величины перемещения (радиус) как конечный размер для всех обрабатываемых колес партии. Электрод-инструмент отводили от его конечного положения в сторону увеличения радиуса на 5-6 мм (3-4 мм - высота наплавленного слоя с учетом неравномерности наплавленного слоя по окружности и 2 мм для гарантированного исключения касания с колесной парой до начала обработки).
Снимали эталонную колесную пару со станка.
Колесную пару, колеса которой подлежали обработке после наплавки, устанавливали в центрах станка.
Для обработки использовалась инструментальная головка с одним электродом-инструментом.
Обработка осуществлялась одновременно двух колес колесной пары двумя инструментальными головками.
Источник питания подключали к колесной паре и электродам-инструментам таким образом, что колесная пара являлась анодом, а электроды-инструменты - катодом.
2
Включали вращение колесной пары со скоростью 3 об/мин и подачу инструмента со скоростью 2 мм/мин. Плотность рабочего тока при обработке составляла 35 А/см. Рабочий межэлектродный зазор при этом выдерживался в пределах 0,15-0,2 мм. Поддержание режимов осуществлялось от системы ЧПУ станка. Обработка колес колесной пары длилась 15 мин без остановок процесса. Толщина удаленного слоя наплавленного металла при этом составила 3 мм при хорошем качестве обработанной поверхности.
В качестве электролита использован электролит на основе NaCl.
Собственно, процесс электрохимической обработки достаточно хорошо известен и нет необходимости приводить его во всех подробностях в настоящей заявке. Приведенных в ней сведений достаточно для практического осуществления заявленного способа.
Аналогичным образом были обработаны все колеса колесных пар партии.
По результатам измерений восстановленных колес колесных пар партии установлено, что при чистоте поверхности катания не ниже Ra=0,16 разброс значений радиуса от оси вращения колеса до его поверхности катания не превысил 1,3%, что примерно 20% точнее по сравнению с механической обработкой наплавленной поверхности режущим инструментом.
Поскольку процесс электрохимической обработки, как уже было отмечено выше, не зависит от твердости обрабатываемого материала и значения погрешности профиля обработанной поверхности, то обработанная поверхность не имеет погрешностей наследственности заготовки, что неизбежно при резцовой или абразивной обработке после наплавки и термообработки, кроме того, при электроэрозионной обработке исключается образование трещин в поверхностном слое обработанного материала.
Заявленным способом могут быть восстановлены бандажные колеса локомотивов, цельнокатаные вагонные колеса, колеса строительных кранов и т.п.