Научно-методические основы высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути

УДК 691.795.2

А.С. Ильиных

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ШЛИФОВАНИЯ РЕЛЬСОВ В УСЛОВИЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ

Изложены научно-методические основы высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, формирующей повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет обеспечения требуемого качества обрабатываемой поверхности и геометрической точности поперечного профиля с учетом условий эксплуатации рельсов.

Абразивная обработка, шлифование рельсов, точность, качество поверхности

A.S. Ilinykh

RESEARCH AND METHODOLOGICAL BASIS FOR HIGH-PERFORMANCE TECHNOLOGY

OF THE RAIL GRINDING IN RAIL ROADS

The article describes the research and methodological basis of a high-performance technology for grinding rails in the railway systems used to form the improved operational properties of the rails by providing the required quality of the treated surface and geometric accuracy of the cross-section taking into account the operating conditions of the rails.

Abrasive, rail grinding, accuracy, surface quality

Введение

Российские железные дороги - одна из крупнейших железнодорожных магистралей мира, являющаяся ключевым звеном транспортной системы нашей страны.

Наиболее дорогостоящим и ответственным элементом железнодорожного пути, состояние которого в первую очередь определяет бесперебойное и надежное движение поездов, являются рельсы. Для поддержания рельсового хозяйства в исправном состоянии ежегодно требуется более 3 миллионов тонн новых рельсов. В современных условиях эксплуатации железных дорог с ростом скоростей движения и грузонапряженности потребность в новых рельсах с каждым годом только возрастает, поэтому задача продления жизненного цикла рельсов имеет огромное значение для путевого хозяйства.

Наиболее перспективным направлением в решении данной задачи является технология шлифования рельсов с применением рельсошлифовальных поездов, позволяющая производить механическую обработку головки рельсов без их демонтажа в условиях железнодорожного пути.

Перечень дефектов рельсов, удаляемых шлифованием с применением данной технологии, достаточно обширен и включает в себя: волнообразные износы, механические повреждения, смятия и отслоения металла. При этом одной из главных целей шлифования является формирование поперечного профиля рельсов. Периодическая корректировка профиля шлифованием позволяет обеспечить наилучший контакт колеса с рельсом, равномерно распределить внутренние напряжения по поверхности рельса и тем самым продлить его эксплуатационный ресурс на 15.. .20 %.

Эксплуатационные свойства рельсов характеризуются противодействием образованию и развитию трещин, контактно-усталостных дефектов и износа, возникновение которых в значительной степени определяется качеством профилирования головки рельса.

Применение технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути усложняется необходимостью закрытия целых перегонов для движения поездов (организация технологических «окон»). Это приводит к значительным убыткам, связанным с ограничением пропускной способности участков пути, задержкой движения и снижением скорости перевозок. Уменьшение этих издержек может быть обеспечено за счет повышения производительности рельсошлифовальных поездов, позволяющей сократить продолжительность «окон».

На основании вышеизложенного, вопрос создания новой высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, формирующей повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет обеспечения качества их профилирования, является первоочередной и актуальной проблемой для путевого комплекса отрасли. Решение этой проблемы сдержива-

ется отсутствием научно-методических основ в данном вопросе, позволяющих производить анализ процесса шлифования рельсов и оценивать эффективность тех или иных технологий.

Основные положения

На современных рельсошлифовальных поездах реализована схема плоского шлифования торцом круга, которая применяется в стационарных условиях на станках.

Вопросу повышения эффективности процесса абразивной обработки посвящено много работ. Представленные в них теоретические модели и эмпирические зависимости могут быть применены для оценки эффективности различных видов шлифования, однако, учитывая специфику шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, применение этих моделей затруднительно, а в некоторых случаях невозможно.

Анализ работ, посвящённых различным аспектам теории и практического применения технологии шлифования рельсов, показал, что наряду со схожестью схем шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути и шлифования на станках существуют принципиальные отличия, вносящие существенные изменения в процесс обработки рельсов и влияющих на качество выполняемых работ [1].

Во-первых, шлифование рельсов проводится за счет силового замыкания кинематической цепи «абразивный круг - обрабатываемая поверхность». Каждый отдельный шлифовальный круг прижимается к головке рельса пневмоцилиндром, при этом усилие прижатия шлифовального круга к рельсу определяется давлением в пневмоцилиндре, которое автоматически регулируется в зависимости от токовой нагрузки на обмотках электродвигателя.

Во-вторых, условия резания каждого отдельно работающего круга значительно различаются в зависимости от угла наклона шлифовальной головки. Так, при обработке поверхности катания одним кругом захватывается большая зона, чем при обработке рабочего скругления головки рельса. То есть на различных участках головки рельса формируются дорожки шлифования различной ширины и на этих участках действует различная удельная нагрузка на единичное зерно.

В-третьих, существенные различия в работу абразивного инструмента вносят значительные изменения физико-механических свойств рельсов. В процессе эксплуатации в пути значительно изменяются свойства по сечению головки рельса. Прежде всего, происходит резкое изменение твердости. Повышение твердости на отдельных участках головки рельса способствует ужесточению условий работы шлифовальных кругов.

Указанные отличия приводят не только к различной производительности и неодинаковому износу шлифовальных кругов, но и к разному качеству обработанной поверхности, которое в дальнейшем будет характеризовать различные эксплуатационные свойства отдельных участков головки рельса [1].

Основным параметром, определяющим эффективность процесса шлифования, является глубина среза единичным абразивным зерном. На основе кинематического анализа процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути среднюю глубину единичного среза абразивными зернами можно определить по формуле

ас

^80 • Уср • (Якр - гкр) • г

где t - глубина резания шлифовальным кругом, мм; 8п - рабочая скорость рельсошлифовального поезда (продольная минутная подача), м/мин; у - передний угол режущей части абразивного зерна, град; уср - средняя скорость движения зерен, расположенных на разном расстоянии от оси вращения круга, м/с; Якр, гкр - наружный и внутренний радиусы шлифовального круга, мм; г - концентрация зерен на рабочей поверхности шлифовального круга, шт./мм2.

Анализ полученной зависимости показал, что влияние режимных факторов на глубину срезов абразивными зернами в равной степени одинаково на всем диапазоне их изменения. Увеличение одного из параметров в два раза при постоянных других приводит к изменению аср в среднем в 1,4 раза. Проведенный кинематический анализ позволил сделать следующие выводы:

1. Увеличение глубины резания и продольной подачи инструмента приводит к повышению интенсивности съема металла за счет увеличения размеров единичных срезов.

2. Повышение скорости вращения шлифовального круга способствует снижению сил резания действующих на единичное зерно, за счет уменьшения размеров удаляемых стружек.

3. Наибольшее повышение эффективности процесса шлифования рельсов торцом круга можно достичь за счет применения повышенных скоростей вращения абразивного инструмента с пропорциональным увеличением интенсивности съема металла при тех же силах резания.

4. Определение рациональных значений возможного повышения режимных параметров шлифования требует рассмотрения кинематики процесса в комплексе с силовой моделью процесса шлифования рельсов.

С точки зрения обеспечения максимальной производительности задача, решаемая силовой моделью, сводится к определению максимально возможной глубины единичного среза aXF, превышение которой приводит к вырыванию абразивного зерна из связки шлифовального круга. С учетом специфики рельсошлифования величина aMF будет определяться следующим выражением:

\п-d2 а  К

a ----з---св--стр,

кр V 16 К Тс  tgy

где d - диаметр абразивного зерна шлифовального круга, мм; асв - предельная величина напряжений материала связки на растяжение, МПа; Кстр - коэффициент структуры шлифовального круга, учитывающий наличие пор в зоне контакта абразивного зерна со связкой; тс - касательные напряжения, при которых происходит сдвиг в зоне деформации, МПа; K1 = V 3.25 cos Д/sin в, где P - угол между плоскостью сдвига и линией среза; Pi - угол между линией среза и направлением равнодействующей от сил пластического деформирования срезаемого слоя.

В соответствии с полученными выражениями максимально возможная глубина резания шлифовальным кругом определена из расчета критической нагрузки на единичное зерно. Для этого приравняли величину акр, рассчитанную из условия прочности закрепления зерна в связке (2), к величине аср, определенной по кинематическим параметрам (1), а полученное уравнение решили относительно t:

t = 1,25  П ^  асв  Кстр  Уср

" K Tc  8п '

Полученная формула устанавливает взаимосвязь глубины резания шлифовальным кругом с кинематическими и силовыми параметрами процесса шлифования, характеристикой шлифовального круга и обрабатываемого материала и позволяет рассчитывать глубину резания шлифовальным кругом при работе инструмента в режиме самозатачивания. Величина глубины резания, полученная по данной формуле, позволяет обеспечить максимальную производительность шлифования. При этом полученное значение t является предельно допустимым, а его превышение приведет к катастрофическому износу абразивного инструмента.

Задача прогнозирования и назначения глубины резания усложняется тем, что данный параметр напрямую взаимосвязан с шириной дорожки шлифования, изменение которой приводит к изменению глубины резания.

Полученный результат по определению оптимальной глубины резания позволяет подойти к решению задачи по определению ширины дорожки шлифования B, которая наряду с глубиной резания является основополагающей при формообразовании головки рельса. Для её определения в качестве исходных данных примем геометрические параметры фактического поперечного профиля рельса, расчетную глубину резания и обрабатываемый участок головки рельса, определяемый углом наклона ф шлифовальной головки. Для определения фактического поперечного профиля головки рельса использовался рельсовый профилометр, позволяющий производить измерения в полярной системе координат. При этом измеренный профиль рельса представляется массивом точек с координатами (Rf; si), а геометрию профиля можно описать уравнением:

R = f

где R - радиус-вектор измеряемой точки профиля, мм; s - полярный угол в измеряемой точке, град.

Для определения ширины дорожки шлифования рассмотрим участок поперечного профиля рельса в полярной системе координат (рис. 1).

Для начала необходимо знать, в какой именно точке головки рельса произойдет контакт со шлифовальным кругом, т.е. необходимо определить координаты точки K с учетом угла наклона ф шлифовальной головки.

Торцевую поверхность шлифовального круга представим прямой m-m, касательной к профилю рельса в точке К. С учетом того, что искомые координаты одновременно принадлежат касательной и профилю рельса, их значения определяются совместным решением нормального уравнения прямой m-m с уравнениями параметризации координат точки К, полученных в соответствии с выражением (4):

xK cos iy+ yK sin у/ — (xK/cos £K)  cos(^ -£K) = 0

XK = f

Ук = f (£K )sin £K

Рис. 1. Схема к определению ширины дорожки шлифования

При работе шлифовальный круг врезается в поверхность рельса на заданную глубину I, которую можно определить по нормали к обрабатываемой поверхности, отложив из точки К отрезок КК равный значению t.

Проведем через точку N прямую, параллельную касательной т-т. Секущая прямая п-п пересекает границы профиля в точках М и Ь. Расстояние между этими точками определяет ширину дорожки шлифования В:

В = МЫ + Ж,

где ш = tI(xn - Хм)2+(Ум - yN)2; NL =

Таким образом, задача определения ширины дорожки шлифования сводится к нахождению координат точек М и Ь, которые одновременно принадлежат секущей п-п и профилю рельса, т.е. значения координат точек М и Ь можно определить совместным решением нормального уравнения прямой п-п с уравнениями параметризации координат этих точек:

для точки M: Хм cosy+ Ум sin у

Rn cos(y^) = 0

Хм = f (Єм )^єл Ум = f (Єм )sin^

для точки L: xL cos / + yL sin / — Rn cos(/ — eN) = 0

Xl = f (£l )cos £L yL = f (£l )sin ^l

Совокупность данных о ширине дорожки шлифования в зависимости от глубины резания на каждом отдельном участке профиля дает возможность определения и назначения последовательности формирования ремонтного профиля рельса.

При обработке шлифованием формируется качественно новый уровень физико-механических свойств поверхности, который в значительной степени влияет на усталостную прочность, износостойкость и общую долговечность рельсов. Основными параметрами качества поверхности, которые регламентируются нормативно-технической документацией по шлифованию рельсов, являются шероховатость и наличие прижогов на обработанной поверхности. В совокупности эти параметры определяют физическое состояние поверхности рельса после механической обработки.

Определение истинного влияния режимов шлифования рельсов на формирование шероховатости обработанной поверхности осуществлялось на основе экспериментальных данных. Зависимость шероховатости Rz от исследуемых факторов представлена линейным уравнением регрессии [2]:

Rz = 193-1 + 34-d3 + 0,15-Sn — 0,44-vcp —16.

Формирование математических моделей и последующий анализ температурных полей применительно к процессу абразивной обработки базировались на анализе реальной физической картины взаимодействия поверхности обрабатываемого рельса с источниками теплообразования и фактических данных о свойствах материала, коэффициентах теплоотдачи и т.д. [3]. Выбор и обоснование метода расчета температурных полей в материале проводились, исходя из положения, что источник теплоты является внешним, а его распространение в твердом теле подчиняется уравнению Фурье:

ср

—Т_

—т

—(я—

—х I —х

+ -

—

Я

ёТ

Л

—у I —у

+— Я—Т-

ёг I ёг ,

+ ср

V

—т

ёх

-+V,

—т

ёу

- + V

ёТ

—г

Шероховатость поверхности и температура в зоне резания формируют остаточные напряжения в поверхностных слоях обработанной поверхности, которые в значительной степени определяют её эксплуатационные свойства. Оценка остаточных напряжений основывалась на модели, в соответствии с которой суммарные остаточные напряжения определяются как [2]:

а

сум

а ±а ±а

сил темп стр

где Осип - силовые остаточные напряжения; Отемп - температурные остаточные напряжения; астр -остаточные напряжения от структурно-фазовых превращений.

Рассмотрев на основе представленных моделей возможность увеличения производительности шлифования рельсов можно сделать следующий вывод: наиболее благоприятным направлением повышения эффективности профильного шлифования рельсов является увеличение рабочей скорости поезда, т.к. это приводит к снижению теплового воздействия на рельс при обработке и уменьшению остаточных напряжений в поверхностном слое (рис. 2). С увеличением глубины резания наблюдается обратный эффект.

4. - • Скорость поезда  Съем металла .Л

X 'ЧцУ' п ^ и, #Г л. А

Т^ч г

ш т и . [ 4^ . —а

^ - Г'! г *

4 8 3 2 16 2 Ю

Рабйш* скйрвегъ пееэда.

1------------1----------1-----------в----------Г"

ОД 0,15 0,2 025 0,3

Гжу&ож резани, t, мм

Рис. 2. Влияние режимов шлифования рельсов на температуру в зоне резания и остаточные напряжения в поверхностном слое

Представленные модели позволили выявить закономерность формирования шероховатости обработанной поверхности с учетом силового и температурного воздействия и её взаимосвязь с параметрами технологического процесса, позволяющую реализовать управление качеством поверхности при шлифовании рельсов.

Определение эксплуатационных свойств поверхности катания рельсов после шлифования осуществлялось по критерию трещиностойкости, усталостной прочности и износостойкости [4].

Исследования проводились на специально разработанных установках. Анализ результатов испытаний на циклическую трещиностойкость показали, что увеличение микронеровностей после шлифования приводит к снижению циклической трещиностойкости. При этом грубое шлифование (Кг=80 мкм) может снизить трещиностойкость рельсов на 70...80 %, что можно считать результатом влияния остаточных растягивающих напряжений, наведенных в поверхности сильным местным нагревом и повышенной шероховатостью. Отмечено, что при определенных режимах шлифования наклеп, формирующийся в процессе механической обработки, в определенной степени нейтрализует действие концентраторов напряжений от полученных микронеровностей, тем самым увеличивая параметры трещиностойкости [4].

Оценка влияния шероховатости на контактно-усталостную прочность и износостойкость показала, что снижение шероховатости в среднем на 20 мкм позволяет увеличить контактноусталостную прочность рельсов на 16.18 % и износостойкость на 22.24% [4].

Проведенные исследования показали, что для обеспечения повышенной эксплуатационной стойкости рельсов необходимо формировать шероховатость поверхности при шлифовании с учетом их исходной твердости и условий эксплуатации. На основе напряженного состояния головки рельса в

процессе работы с учетом вида нагружения в зависимости от кривизны участка пути и его расположения, определены значения шероховатости поверхности, обеспечивающие повышенные эксплуатационные свойства рельсов.

Таким образом, установлены закономерности изменения эксплуатационных свойств отшлифованных участков головки рельса по критериям циклической трещиностойкости, контактноусталостной прочности и износостойкости. Это позволило обосновать методологию обеспечения повышенных эксплуатационных свойств рельсов за счет формирования требуемой шероховатости на отдельных участках головки рельса, воспринимающих различные виды нагружения в процессе эксплуатации.

Заключение

Проведенные исследования позволили получить следующие новые научные результаты:

— разработан комплекс математических моделей процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Данные модели учитывают характеристики рельсошлифовального оборудования, параметры шлифовальных кругов, физико-механические свойства рельсов и технологические параметры процесса обработки при определении максимальной производительности с требуемым качеством профилирования рельсов и позволяют использовать глубину резания в качестве управляемого параметра механической обработки через усилие прижатия шлифовального круга к рельсу с экспериментально определенной погрешностью 10.12 %;

— разработана методика формообразования поперечного профиля головки рельса несколькими инструментами, работающими по схеме плоского шлифования торцом круга, учитывающая технологическое наследование после обработки каждым абразивным кругом. Данная методика позволяет обеспечить геометрическую точность головки рельса при формировании ремонтного профиля в соответствии с нормативно-технической документацией, минимизировать количество проходов рельсошлифовального поезда и производить нормирование выполняемых операций;

— выявлены закономерности изменения эксплуатационных свойств головки рельса после шлифования по критериям циклической трещиностойкости, контактно-усталостной прочности и износостойкости в зависимости от параметров качества поверхности. Полученные численные значения подтверждают возможность управления уровнем эксплуатационных свойств рельсов на основе формирования требуемых параметров качества обработанной поверхности. Изменение шероховатости обработанной поверхности рельсов на 20 мкм приводит к изменению её износостойкости на 22.24 %, трещиностойкости и усталостной прочности на 16.18 %;

— обоснована методология обеспечения повышенных эксплуатационных свойств рельсов за счет формирования требуемой шероховатости на отдельных участках головки рельса, воспринимающих различные виды нагружения в процессе эксплуатации. Для обеспечения повышенной трещино-стойкости и контактно-усталостной прочности шероховатость отдельных участков головки рельсов формируется в зависимости от их поверхностной твердости и условий нагружения. Для обеспечения повышенной износостойкости формируется минимально возможная шероховатость.

Полученные новые научные результаты позволили обосновать и разработать научнометодические основы высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, ставшие основой для формирования следующих технических и технологических решений:

— разработан высокопроизводительный технологический процесс шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути, обеспечивающий повышенные эксплуатационные свойства рельсов за счет формирования требуемых параметров качества обработанной поверхности. Новый технологический процесс позволил увеличить эксплуатационный ресурс рельсов до 30.40 %, снизить эксплуатационные расходы на 15.20 % за счет экономии абразивного инструмента, расходных материалов и топлива;

— разработана автоматизированная система проектирования технологических процессов шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Её применение позволяет реализовать принципиально новый подход в планировании технологических воздействий, выборе режимов и условий шлифования, заключающийся в обеспечении повышенного уровня эксплуатационных свойств рельсов с максимальной производительностью, за счет обеспечения качества профилирования рельсов;

— создано рабочее оборудование рельсошлифовального поезда для реализации высокопроизводительного технологического процесса, позволяющее увеличить рабочую скорость рельсошлифовального поезда с 6.8 км/ч до 12.15 км/ч при величине съёма металла 0,25.0,30 мм/ход. Реализация разработанной технологии с помощью нового рабочего оборудования позволяет повысить эф-

фективность выполнения работ по следующим критериям: увеличение производительности шлифования рельсов в 2.2,5 раза, сокращение в 1,5.2 раза время производства работ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ильиных А.С. Особенности современной ресурсосберегающей технологии шлифования рельсов в пути / А.С. Ильиных // Политранспортные системы: материалы VII Всерос. науч.-техн. конф. Красноярск: СГУПС, 2010. С. 249-253.

2. Ильиных А. С. Формирование качества поверхности при плоском шлифовании торцом круга / А.С. Ильиных // Технология машиностроения. 2011. № 4. С. 19-22.

3. Ильиных А.С. Теплофизический анализ процесса плоского шлифования рельсов торцом круга / В.А. Аксенов, А.С. Ильиных // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Сер. Машиностроение. 2012. № 33. С. 96-100.

4. Ильиных А.С. Режимы стойкости и пределы усталости / А.С. Ильиных, В.М. Григорьев // Мир транспорта. 2007. № 1 (17). С. 58-62.

Ильиных Андрей Степанович -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология транспортного машиностроения и эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения

Andrey S. Ilinykh -

Ph. D., Associate Professor

Department of Transport Engineering Technology

and Operation of Machines,

Siberian State University of Railways

Статья поступила в редакцию 19.11.12, принята к опубликованию 20.02.13