Роль надежности технологического процесса в обеспечении качества шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути

УДК 691.795.2

РОЛЬ НАДЕЖНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В ОБЕСПЕЧЕНИИ КАЧЕСТВА ШЛИФОВАНИЯ РЕЛЬСОВ В УСЛОВИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

© Э.С. Сидоров1, А.С. Ильиных2, А.В. Матафонов3

Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191.

Рассмотрено влияние надежности технологического процесса на обеспечение параметров качества обработанной поверхности рельса. Проведен анализ отказов работы технологической системы, возникших по причине несовершенства технологических процессов. Рассмотрены факторы, влияющие на надежность технологической системы. Приведена модель управления надежностью технологического процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Представлен алгоритм расчета параметров надежности технологических систем. Рассмотрено формирование показателей качества в процессе осуществления технологического процесса шлифования рельсов.

Ключевые слова: надежность; технологический процесс; качество поверхности; технологическая система; алгоритм расчета параметров.

ROLE OF MANUFACTURING PROCESS RELIABILITY IN RAIL GRINDING QUALITY ENSURING UNDER RAILWAY

TRACK CONDITIONS

E.S. Sidorov, A.S. Ilinykh, A.V. Matafonov

Siberian State Transport University,

191 D. Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia.

The article deals with the manufacturing process reliability effect on ensuring the quality parameters of the machined rail surface. It analyzes technological system failures arisen due to manufacturing process imperfections. The factors affecting the reliability of the technological system are considered. The model to control the reliability of the manufacturing process of rail grinding under rail track conditions is given. An algorithm for calculating technological system reliability parameters is presented. Formation of quality indicators under the implementation of the technological process of rail grinding is considered.

Keywords: reliability; manufacturing process; surface quality; technological system; algorithm of parameter calculation.

В настоящее время проблема продления жизненного цикла рельсов имеет большое значение. Технология шлифования рельсов является наиболее перспективной для разрешения данной проблемы. Применение рельсошлифовальных поездов позволяет осуществлять технологический процесс шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, без их демонтажа. Принципиальные отличия схемы шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути от схемы шлифования рельсов в стационарных условиях не позволяют использовать модели и зависимости, разработанные для стационарных условий. Продолжительность «окна» для выполнения работ по шлифованию рельсов обычно очень мала. Таким образом, обеспечить высокий уровень качества рельсов в ограниченный период времени возможно за счет применения технологического процесса шлифования рельсов, обладающего высокой надежностью.

Известно, что методы и режимы шлифования рельсов, а также последовательность технологических операций оказывают влияние на эксплуатационные свойства рельсов. Выходные параметры техноло-

гического процесса шлифования определяются его компонентами: структурой и параметрами технологического процесса, методами обработки и методами контроля. Показатели качества рельсов определяют с помощью технических условий.

Обеспечить высокую надежность технологического процесса шлифования рельсов возможно, установив зависимости между показателями качества рельсов после обработки и параметрами технологического процесса шлифования. Практические разработки и исследования, направленные на изучение роли надежности технологических процессов шлифования в повышении качества рельсов, указывают на отсутствие рекомендаций, позволяющих обеспечить высокую надежность технологического процесса шлифования рельсов на стадии его проектирования.

Для установления четкой взаимосвязи между надежностью технологического процесса шлифования рельсов и их качеством необходимо провести анализ причин отказов, вызванных несовершенством технологического процесса шлифования рельсов. К отказам, вызванным несовершенством технологии, отно-

1Сидоров Эдуард Сергеевич, аспирант, тел.: 89529019102, e-mail: sesnsk@mail.ru Sidorov Eduard, Postgraduate, tel.: 89529019102, e-mail: sesnsk@mail.ru

2Ильиных Андрей Степанович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технологии транспортного машиностроения и эксплуатации машин, тел.: 89130172808 , e-mail: asi@stu.ru

Ilinykh Andrei, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Technology of Transport Engineering and Machine Operation, tel.: 89529019102, e-mail: asi@stu.ru

3Матафонов Алексей Валерьевич, аспирант, тел.: 89537690849, e-mail: asi@stu.ru Matafonov Aleksei, Postgraduate, tel.: 89537690849, e-mail: asi@stu.ru

сят: необоснованность технических условий (ТУ), недостаточную надежность технологического процесса, остаточные и побочные явления.

Необоснованность технических условий на параметры техпроцесса возникает, так как не всегда учитывают изменение свойств рельсов в процессе их шлифования, структуру операций и их последовательность, различия методов обработки при их выборе. В результате качество рельсов после обработки имеет разный уровень.

Недостаточная надежность технологического процесса шлифования рельсов является следствием сложности системы, включающей в себя множество взаимосвязей, характеризуемых множеством выходных параметров.

Остаточные и побочные явления включают в себя: возникновение технологических дефектов, последующее изменение свойств и технологическую наследственность. Данные явления порождаются самим технологическим процессом шлифования рельсов, так как на рельсы воздействуют высокие температуры и силы [1].

Множество различных взаимосвязей в сложных технических системах вызывает определенные трудности при обеспечении высокой надежности. Изменение начальных параметров технологического процесса во времени носит стохастический характер. По этой причине теория надежности технологических процессов использует вероятностные методы оценки изменения процессов с выявлением детерминированных закономерностей. Для изучения физических закономерностей используются функциональные зависимости с математическими методами теории вероятности. Облегчить повышение надежности технологического процесса шлифования рельсов возможно за счет изменения структур, параметров и элементов технологической системы.

Качественные и количественные показатели технологического процесса неразрывно взаимосвязаны. Повышение качества рельсов может привести к снижению производительности технологического процесса шлифования рельсов. При проектировании технологического процесса шлифования рельсов необходимо учитывать взаимосвязь этих показателей для обеспечения необходимой надежности.

Оценка надежности технологического процесса шлифования рельсов производится по показателям оценки надежности, применимым к любой системе. Безотказность технологического процесса есть вероятность сохранения технологических параметров в пределах допуска в заданный промежуток времени. Отказ технологической системы может наступить внезапно, вследствие ошибки человека, наличия дефекта в инструменте или рельсах и т.п. Вследствие износа оборудования, инструмента, контрольных приборов возможен постепенный отказ технологической системы.

Потеря работоспособности технической системы с течением времени связана как с внутренними, так и внешними воздействиями на систему. Для проведения анализа процесса потери ее работоспособности целе-

сообразно использовать математическую модель надежности. Также необходимо разработать процесс формирования выходных параметров качества и производительности технической системы [2].

Управление процессом формирования показателей надежности путем воздействия на отдельные этапы их формирования с постоянным контролем хода процесса позволит обеспечить необходимый уровень надежности данных показателей (рис. 1).

Безотказность технологического процесса шлифования рельсов есть вероятность Р(Ц выхода параметра за установленные пределы в установленный период времени Т. При этом технологический процесс, включающий в себя п операций, должен обеспечивать нахождение т параметров Хх, Х2,...,Хт в допустимых пределах.

Шлифование рельсов производится поэтапно. Для каждого отдельно взятого этапа шлифования назначают свои выходные параметры. Таким образом, надежность технологической системы обеспечивается за счет обеспечения надежности подсистем, формирования структуры системы, определения последовательности выполнения операций и их взаимосвязи. Как следствие, каждая операция имеет свою вероятность р (V). Вероятность безотказного осуществления технологического процесса при этом не равна произведению вероятностей р (^) каждой из операций. Это обусловлено тем, что в результате отказа подсистемы образуется брак. По причине технологической наследственности выходные значения параметров предыдущих операций влияют на параметры последующих операций, что в результате приводит к изменению значений параметров качества рельсов после их шлифования.

Показатели надежности технологического процесса шлифования рельсов должны обеспечивать определенную наработку рельсов с установленными показателями качества и обеспечивать необходимую производительность. Если какой-либо параметр, влияющий на качество рельсов или производительность технологического процесса шлифования рельсов, выходит за установленные пределы, наступает параметрический отказ. По этой причине оценка поведения технологической системы осуществляется параметрической надежностью системы [3].

Технологический процесс шлифования рельсов осуществляется с помощью сложной, динамической технологической системы, имеющей свою определенную структуру. Данная система включает в себя подсистемы, отвечающие за выполнение отдельных операций. Каждая подсистема имеет свои входные и выходные технологические параметры. Входные технологические параметры включают в себя: точность изготовления, режимы резания, точность настройки, период стойкости инструментов и др. Выходные технологические параметры включают: показатели качества рельсов и производительность технологического процесса шлифования рельсов.

Рис. 1. Схема формирования показателей надежности технологического процесса

P(t) - вероятность выхода параметра за пределы допуска; р (t) - вероятность выполнения операции;

Х17 Х2,...,Хт - параметры; m - количество параметров; n - количество операций; t - установленный период времени

Естественный износ основных элементов подсистемы, коррозия, ползучесть металлов и другие подобные процессы, протекающие во время работы системы между ремонтами, называют медленными. Износ режущего инструмента, деформации, вызванные изменением температуры, относят к процессам средней скорости. Они приводят к монотонному изменению исходных параметров системы, вследствие чего появляется систематическая погрешность. Колебания сил резания и трения, а также вибрации элементов относят к быстропротекающим процессам [2].

Всякий технологический процесс характеризуется качественными и количественными показателями, которые зависят друг от друга. При разработке технологического процесса шлифования рельсов необходимо учитывать, что повышение производительности технологического процесса может повлечь за собой снижение качества рельсов. По этой причине обеспечение надежности техпроцесса шлифования рельсов должно производиться как по количественным, так и по качественным показателям.

При формировании обрабатываемой поверхности на ее качество могут также влиять случайные факторы, вследствие чего возможно получение разной надежности.

В качестве показателя выбора метода обработки с учетом надежности параметра предлагается максимум вероятности Р выполнения задания по одному из параметров качества поверхностного слоя Y в определенном интервале:

где У - средняя величина регламентированного параметра качества поверхностного слоя, Ra; ЗУ -допустимая величина изменения регламентированного параметра.

Определение Р, при различных величинах Y и

ЗУ осуществляется имитационным моделированием в виде степенных моделей:

у = д + д x +... + д x +... + ркхк;

у = д x? x,

где Х\ - i фактор технологического метода;

д0,д,...,дк - истинные значения коэффициентов,

являющихся случайной нормально распределенной величиной.

Если величины Х-, в модели (2) являются случайными, то математическое ожидание и дисперсия параметра качества будет выглядеть следующий образом:

М{У } = ехрГ 1пМ{Д,} + £ 1пХМ Д}!;

V '=1 )

Я2 {У } = ехр (1п {До } + £ (1п X, )2 {Д }).

Если в модели (2) случаен один или несколько факторов Х\, то М {У } и £2 {У } определяются путем обработки результатов машинного эксперимента над имитационными моделями по схеме (рис. 2).

В качестве исходных данных используются результаты построения имитационных моделей и технологические ограничения.

Имитационная модель для параметра У.

У = /

Имитационная модель скорости изменения параметра У в процессе функционирования технологической системы:

7 = f X,).

Математические ожидания и среднеквадратиче-ские отклонения коэффициентов и случайных факторов обработки:

м {Д}, 5 Д}М {£}, 5{£},м{X,},5{X}

Здесь имеем: допустимые пределы изменения параметров качества, поверхностного слоя рельса У ^э), заложенные в конструкторской документации, и время его безотказного обеспечения, Утах, У™, Т; допустимые пределы варьирования технологических режимов обработки Утах, УМп; доверительную вероятность и допустимые абсолютные ошибки определения

оценки М{^} и 52 {^ } , величины э и б

После чего определяются номинальные значения факторов Х , которые обеспечивают параметры качества Уопт и предельные значения запаса технологического метода } по данному параметру. В имитационные модели при этом вводят коэффициенты

Ь = м {д}.

Далее проводится планирование эффективного использования ресурсов. Результаты моделирования должны быть точными и достоверными.

Качество поверхности рельсов формируется в процессе их шлифования. Технологический процесс шлифования рельсов в реальных условиях подвергается воздействию детерминированных и случайных внешних возмущений. Выходная величина объекта

управления есть случайная функция внешних возмущений и управляющих воздействий [1].

Для оценки точности процесса шлифования рельсов необходимо применить закон распределения, учитывающий вероятностный характер и случайность изменения показателей качества рельсов после шлифования. Случайной величиной показателя качества рельсов после шлифования при этом следует рассматривать дифференциальный закон распределения. На рис. 3 представлен дифференциальный закон распределения показателей качества управляемого, отображенного кривой 2, и неуправляемого, отображенного кривой 1 технологического процесса.

В случае отсутствия управления точность процесса производства определяют по формуле, %

r+l

Tq = 100 J fq (q) dq.

В случае наличия системы управления, %:

Ту = 100 J f ( у) dy .

Кривая 3 на рис. 3 отображает закон распределения величины показателя качества. В этом случае точность производственного процесса определяется по формуле

г . Л - 100.

Т = Ф

J

О S 1 2

2 С --S

где Ф = \в 2 ёе - интеграл вероятно-q - г

стеи; s =

^ q = J Dq .

Рис. 2. Блок-схема расчета надежности технологических систем

r-/, r-l r<l г-/, У

Рис. 3. Дифференциальные законы распределения показателя качества 1 - управляемый технологический процесс; 2 - неуправляемый технологический процесс; 3 - нормальное распределение показателя качества

Управление технологическим процессом шлифования рельсов осуществляется с целью повышения его точности, при этом необходимо выполнять условие:

T у > Tq.

Для определения процента брака рельсов используют формулы, %:

Бч = 100 - Tq; Бу = 100 - Ty

С помощью процента бракованных рельсов можно выразить целевую функцию управления:

С = Б ^ min

Таким образом, разработка технологического процесса шлифования рельсов должна включать в себя оценку показателей надежности, обеспечивающих качество рельсов при заданной производительности процесса шлифования. Результаты, полученные при оценке надежности на этапе подготовки технологического процесса шлифования рельсов, следует использовать при дальнейшем проектировании и совершенствовании данного технологического процесса.

Надежность технологического процесса шлифования рельсов влияет на показатели их качества после обработки. При проектировании технологического процесса шлифования рельсов необходимо обеспечить высокую надежность оборудования и средств контроля, а также значительный запас надежности как отдельных операций, так и самого технологического

процесса в целом. При повышении производительности технологического процесса шлифования рельсов нужно подбирать оборудование и материалы, способные обеспечить надлежащий уровень качества и высокую надежность техпроцесса.

На стадии проектирования технологического процесса шлифования рельсов следует контролировать формирование показателей качества на каждом этапе и вносить необходимые изменения. Такой подход позволяет предвидеть и свести к минимуму возможные отказы и, как следствие, обеспечить высокую надежность технологического процесса шлифования.

При проектировании технологического процесса шлифования рельсов необходимо определить, как изменение структуры, параметров и элементов техпроцесса, а также последовательности выполнения операций влияют на его надежность. Это позволит получить надежный технологический процесс, обеспечивающий необходимый уровень качества с минимальными затратами.

При проектировании технологического процесса шлифования рельсов следует предусмотреть возможность управления данным техпроцессом во время его осуществления. Возможность управления процессом шлифования рельсов позволяет повысить его точность и своевременно обнаружить параметрический отказ, что также повышает надежность техпроцесса.

Статья поступила 19.02.2015 г.

Библиографический список

1. Проектирование технологических процессов механиче- ских систем: учеб. пособие. Рыбинск: РГАТА, 2006. 138 с. ской обработки в машиностроении: учеб. пособие / В.А. 3. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности: Шкред [и др.]. М.: Высшая школа, 1987. 255 с. учебник СПб.: БХВ - Петербург, 2006. 704 с.

2. Баранов А.В. Надежность и диагностика технологиче-