Имитационная модель формирования требуемых параметров качества поверхности при шлифовании рельсов

УДК 691.795.2

В. А. Аксенов, А. В. Матафонов, А. С. Ильиных

ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ШЛИФОВАНИИ РЕЛЬСОВ

Рассмотрено влияние надежности технологического процесса шлифования рельсов при обеспечении параметров качества обработанной поверхности. Приведены результаты анализа взаимосвязи параметров качества шлифования рельсов с условиями их обработки. Рассмотрены факторы, влияющие на надежность технологической системы. Приведена модель определения надежности технологического процесса шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути. Представлен алгоритм расчета параметров надежности технологической системы рельсошлифования. Рассмотрено формирование показателей качества в процессе осуществления технологического процесса шлифования рельсов.

Требуемый уровень качества поверхности катания рельсов, с минимальными материальными и временными затратами, обеспечивает технологический процесс шлифования рельсов. Выходные параметры технологического процесса шлифования определяются его компонентами: структурой и параметрами технологического процесса, методами обработки и контроля. Установлено, что показатели качества рельсов зависят от технологического процесса шлифования. Развитие и совершенствование технологического процесса шлифования рельсов, повышение его надежности и изменение его параметров и структуры позволит получать рельсы с более высоким уровнем качества. [ 1]

В настоящее время зависимость между эксплуатационной стойкостью рельсов и технологическим процессом их шлифования не определена в полной мере. Практические разработки и исследования, направленные на изучение роли технологических процессов шлифования, также указывают на отсутствие определенного круга вопросов, которые необходимо решить технологии [1].

Известно, что методы и режимы шлифования рельсов, а также последовательность технологических воздействий оказывают влияние на эксплуатационные свойства рельсов. Установление четкой взаимосвязи между показателями качества рельсов и технологическими параметрами шлифования позволит получать поверхность катания рельсов, в наибольшей степени соответствующую определенным условиям их эксплуатации [2].

Для установления четкой взаимосвязи между надежностью технологического процесса шлифования рельсов и качеством рельсов необходимо провести анализ причин отказов, вызванных несовершенством технологического процесса шлифования рельсов. К отказам, вызванным несовершенством технологии, относят необоснованность технических условий, недостаточную надежность технологического процесса, остаточные и побочные явления.

Необоснованность технических условий на параметры качества поверхности рельсов и параметры техпроцесса возникает потому, что не всегда учитывают изменение свойств рельсов в процессе их эксплуатации, структуру операций и их последовательность. В результате качество поверхности рельсов имеет разный уровень на различных участках поверхности катания.

Недостаточная надежность технологического процесса шлифования рельсов является следствием сложности системы, включающей в себя большое количество взаимосвязей, ха-растеризуемых множеством выходных параметров. Для получения рельсов с заданным уровнем качества поверхности необходимо повышать уровень надежности самой системы за счет повышения запаса надежности техпроцесса, эффективности контрольных процессов, надежности оборудования.

Множество различных взаимосвязей в сложных технических системах вызывает определенные трудности при обеспечении высокой надежности технологии рельсошлифования. Изменение начальных параметров технологического процесса во времени носит стохастический характер. По этой причине теория надежности технологических процессов использует

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 95

вероятностные методы оценки изменения процессов с выявлением детерминированных закономерностей. Для изучения физических закономерностей используются функциональные зависимости с математическими методами теории вероятности. Облегчение повышения надежности технологического процесса шлифования рельсов возможно за счет изменения структуры, параметров и элементов технологической системы.

Качественные и количественные показатели технологического процесса неразрывно взаимосвязаны. Повышение качества поверхности 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 с внешними воздействиями на систему. Для проведения анализа процесса потери работоспособности системы целесообразно использовать математическую модель надежности. Также необходимо разработать процесс формирования выходных параметров качества и производительности технической системы.

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

Рисунок 1 - Схема формирования показателей надежности технологического процесса

Безотказность технологического процесса есть вероятность Р{() выхода параметра за установленные пределы в установленный период времени Т. При этом технологический процесс, включающий в себя п операций, должен обеспечивать нахождение т параметров Х1, 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(). Вероятность безотказного осуществления ТП 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

96 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1

на параметры последующих операций, что в результате приводит к изменению значений параметров качества поверхности рельсов после их шлифования.

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

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 в себя показатели качества рельсов и производительность технологического процесса шлифования рельсов.

Естественный износ основных элементов подсистемы, коррозия и 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 быстропроте-кающим процессам.

Анализ характера взаимосвязи технологически обеспечиваемых и контролируемых параметров обработанной поверхности рельса с условиями обработки показывает, что геометрической точностью профилей рельсов в наилучшей степени можно управлять при помощи настройки конструктивных параметров рабочего оборудования, а также подбора ремонтных профилей рельсов в соответствии с их фактическим состоянием. Параметры качества обработанной поверхности и физико-механические свойства поверхностного слоя обеспечиваются соотношением режимных параметров (таблица 1). При этом влияние случайных факторов на формирование качества обрабатываемой поверхности приводит к различной степени надежности при его технологическом обеспечении.

Таблица 1 - Взаимосвязь параметров качества шлифования рельсов с условиями их обработки

Параметры шлифования рельсов

Параметры качества шлифования рельсов

о н ч

е

ре ер

п

о ял

п и ь ф

о

орп

о

(ч

и ф

о

орп

>

о н ь

л о ч о

ом

ь м Н 8

8 а?

ти ат

в ст

оо

рр

е ер ш ве

о н

на м пм

I -

я о

ас

ул

о

на

тП с

о 2 « , X , Л . о

и Ь

§ -н

пе

в ол

я с

и

н

1

Скорость рельсошлифовального поезда уп, км/ч

Усилие прижатия шлифовального круга к рельсу Н (токовая нагрузка на обмотках электродвигателя I, А) Угол наклона шлифовальной головки р (ширина дорожки шлифования В, мм)_

0

0

±

+ +

+ +

2

3

4

5

6

7

0

0

+

+

+

0

+

+

0

±

±

±

±

Н ИЗВЕСТИЯ Транссиба 97

Окончание таблицы 1

1

Твердость участка обрабатываемой поверхности рельса, НВ

Жесткость технологической системы

Исходные геометрические параметры головки рельса,

мм:

поперечный профиль продольный профиль

+ 0

0

+

± 0

2

3

4

5

6

7

0

0

0

0

+

Примечание. Знак «+» указывает на прямую зависимость между параметрами обработки и параметрами качества обработанного рельса, «-» - на обратную зависимость.

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

Р {7 е

где У - средняя величина регламентированного параметра качества поверхностного слоя, (например, шероховатость Ег); ЪУ - допустимая величина изменения регламентированного параметра.

Определение Р при различных значениях У и ЪУ осуществляется имитационным моделированием в виде степенных моделей:

У = р0 +рх+...+РХ, +...+&Х; 7 = Рс х* х^...х^...х1^,

где Х - 1-й фактор технологического метода; во, вь- •, вк - истинные значения коэффициента, являющегося случайной нормально распределенной величиной.

В основу построения имитационных моделей положен физико-статистический подход, концепция которого заключается в том, что структура модели технологической операции формируется на основе анализа причинно-следственных связей факторов механической обработки и внешней среды, а выходные параметры определяются статистическими методами. В качестве таких моделей могут служить раннее полученные зависимости, представленные в исследованиях В. А. Аксенова, В. А. Шаламова, А. С. Ильиных, В. Н. Фефелова и др. [3 - 5]:

^0,888 .0,402

Яг = 840,95 0 433 к;

п '

Я2 = 193 + 34^ + 0,155 - 0,44у-16;

= 14ф + 8111 + 2201 - 0,0008ф3 -144473 - 0,0413 - 0,06ф27 --11ф72 + 0,003ф21 - 0,04ф12 +1617 21 - III2 + 0,9ф71 - 3863,

где I - глубина резания шлифовальным кругом, мм; ёз - диаметр абразивного зерна шлифовального круга, мм; 5 - рабочая скорость рельсошлифовального поезда (продольная минутная подача), м/мин; V - средняя скорость резания, м/с; п - частота вращения шлифовального круга, об/мин; к - коэффициент, учитывающий зернистость инструмента и ширину дорожки контакта шлифовального круга с обрабатываемой поверхностью; р - угол наклона шлифовальной головки, град; I - токовая нагрузка на шлифовальных электродвигателях, А; 2 - диаметр зерна шлифовального круга, мм.

Если величины Х в модели (2) являются случайными, то математическое ожидание и дисперсия параметра качества будут иметь вид:

98 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1

M{Y} = exp lnM{ßo} + £lnXM{ß;} ;

v ,=i )

S2 { Y } = exp (InS2 {ß0} + £ (lnX, )2 S2 {ß,}!.

Если в модели (2) случайны один или несколько факторов Хг, то М} и 52 {у } определяются путем обработки результатов машинного эксперимента над имитационными моделями по схеме, представленной на рисунке 2.

Рисунок 2 - Блок-схема расчета надежности технологических систем

В качестве исходных данных используются результаты построения имитационных моделей, а также конструкторские и технологические ограничения: имитационная модель для параметра У -

Y = f (ßo ,ßi,X,);

имитационная модель скорости изменения параметра У в процессе функционирования технологической системы -

Y = f (^.,Xi);

математические ожидания и среднеквадратические отклонения коэффициентов и случайных факторов обработки -

M {ßi} ,S {ßi} ,M & } ,S &} ,M {X}} ,S {X}};

допустимые пределы изменения параметров качества, поверхностного слоя рельса Y (Rz), заложенные в конструкторской документации, и время его безотказного обеспечения Ymax, Ymin, T. Допустимые пределы варьирования технологических режимов обработки Yj max, Yj min,. Доверительная вероятность и допустимые абсолютные ошибки определения оценки M{Y} и S2{Yi\, величины a и d.

№ 1(21) лл<« с ИЗВЕСТИЯ Транссиба 99

=2015

Далее определяют номинальные значения факторов Хг, которые обеспечивают параметры качества 7опт и предельные значения запаса технологического метода ц по данному параметру. В имитационные модели при этом вводят коэффициенты Ъг = 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. В качестве закона распределения случайной величины показателя качества рельсов после шлифования следует рассматривать дифференциальный закон распределения. На рисунке 3 представлен дифференциальный закон распределения показателей качества управляемого, отображенного кривой 2, и неуправляемого, отображенного кривой 1 , технологического процесса.

Рисунок 3 - Дифференциальные законы распределения показателя качества

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

г+ 1

Тд = 100\ /д (д)йд.

г—1

В случае наличия системы управления, %,

ТУ = 100| Л ( у) dу.

Кривая 3 на рисунке 3 отображает закон распределения величины показателя качества. В этом случае точность процесса рельсошлифования определяется по формуле:

( , Л

Т = Ф

100,

Чад J

2

в -1* 2

где ф(в) =-1е 2 - интеграл вероятностей;

42к 0

д—г I—

в=V"; ^

0 д

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

100 ИЗВЕСТИЯ Транссиба 1 (21) И! 2015

= _

Т > Т.

уд 4 '

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

При реализации существующих технологических процессов шлифования рельсов используются штатные программы обработки, заложенные в системе управления рабочим оборудованием рельсошлифовального поезда, которые не предполагают изменения режимов шлифования. Произведены расчеты вероятности технологического обеспечения шероховатости обработанной поверхности рельсов в установленных диапазонах, определенных экспериментальными исследованиями. В качестве примера в таблице 2 представлены результаты расчетов для трех штатных программ.

Таблица 2 - Анализ вероятности обеспечения шероховатости обработанной поверхности рельсов для управляющих программ рельсошлифовального поезда

Характеристика управляющей программы Вероятность обеспече! тости в требуемых д при угле наклона шл головки 30 г] шя шерохова-щапазонах ифовальной рад.

5^10 мкм 35^50 мкм

Программа 22 Скорость рельсошлифовального поезда уп, км/ч Скорость резания ур, м/с Токовая нагрузка на обмотках электродвигателя I, А 6 50 27 0,15 0,40

Программа 28 Скорость рельсошлифовального поезда уп, км/ч Скорость резания ур, м/с Токовая нагрузка на обмотках электродвигателя I, А 8 50 25 0,35 0,6

Программа 31 Скорость рельсошлифовального поезда уп, км/ч 8 Скорость резания ур, м/с 50 Токовая нагрузка на обмотках электродвигателя I, А 23 8 50 23 0,55 0,25

Таким образом, результаты расчетов позволяют определить наиболее подходящую программу шлифования рельсов, обеспечивающую максимальную вероятность формирования шероховатости поверхности в заданном диапазоне, в установленных условиях обработки.

Список литературы

1. Калкер, Д. Д. Качество поверхности рельсов и обслуживания при современных железнодорожных операциях [Текст] / Д. Д. Калкер, Д. Ф. Кэннон, О. Орринджер / Научные издатели Kluwer. - Нидерланды, 1993. - 459 с.

2. Нормативно-техническая документация. Технические указания по шлифованию рельсов [Текст] / ОАО «РЖД». - М., 2004. - 39 с.

3. Аксенов, В. А. Оценка эффективности технологического процесса шлифования рельсов в пути [Текст] / В. А. Аксенов, В. Н. Фефелов // Научное обозрение / Российская Академия естествознания. - М. - 2006. - № 3. - С. 28 - 30.

4. Аксенов, В. А. Передовые технологии восстановления рельсов в пути и управление качеством обработанных поверхностей при использовании рельсошлифовальных поездов [Текст] / В. А. Аксенов, В. А. Шаламов, А. А. Кузьменя // Вестник Сибирского гос. ун-та путей сообщения. - Новосибирск. - 1999. - Вып. 2. - С. 129 - 135.

№ 1(21) ЛЛИ С ИЗВЕСТИЯ Транссиба 101

=2015

Управление перевозочными процессами и безопасность движения поездов

5. Ильиных, А. С. Научно-методические основы высокопроизводительной технологии шлифования рельсов в условиях железнодорожного пути [Текст] / А. С. Ильиных // Вестник Сибирского гос. техн. ун-та. - Новосибирск. - 2013. - № 1. - С. 82 - 88.

References

1. Kalker J. J., Cannon D. F., Orringer O. Kachestvopoverkhnosti rel'sov i obsluzhivaniiapri sovremennykh zheleznodorozhnykh operatsiiakh (Rail quality and maintenance for modern railway operation). Netherlands: Kluwer academic publishers, 1993, 459 p.

2. Normativno-tekhnicheskaia dokumentatsiia. Tekhnicheskie ukazaniia po shlifovaniiu rel'sov (Normative-technical documentation. Technical instructions for the rails grinding). Moscow, OAS «Russian railways», 2004, 39 p.

3. Aksenov V. A., Fefelov V. N. Efficiency evaluation of the rail grinding technology [Otsenka effektivnosti tekhnologicheskogo protsessa shlifovaniia rel'-sov v puti]. Nauchnoe obozrenie -Scientific review, 2006, no. 3, pp. 28 - 30.

4. Aksenov V. A., Shalamov V. A., Kuz'menia A. A. Modern technology of rail reestablishment and quality control of the treated surface using rail-grinding trains [Peredovye tekhnologii vosstanovleniia rel'sov v puti i upravlenie kachestvom obrabotannykh poverkhnostei pri ispol'zovanii rel'soshlifoval'nykh poezdov]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo universitetaputei soobshcheniia - Bulletin of the Siberian Transport University, 1999, no. 2, pp. 129 - 135.

5. Il'inykh, A. S. Scientific and methodological basis for high-performance technology rail grinding in the railway [Nauchno-metodicheskie osnovy vysokoproizvoditel'noi tekhnologii shlifo-vaniia rel'sov v usloviiakh zheleznodorozhnogo puti]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta - Vestnik of the Siberian Technical University, 2013, no. 1, pp. 82 - 88.

УДК 656.078.12

А. А. Белов, А. Н. Ларин

ОЦЕНКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНОГО УЗЛА

В статье рассматривается задача определения длины очереди составов, суммарной грузоподъемности транспорта, не обеспеченного грузом, количество груза, находящегося в момент времени на складе транспортного узла, с учетом стохастически независимых встречных пуассоновского и квазипуассоновского транспортных потоков. Задача решена с использованием математического аппарата теории массового обслуживания. Полученные результаты могут быть использованы для определения оптимальных значений складских емкостей и технологического запаса груза транспортного узла при заданном грузообороте.

Транспортный узел представляет собой совокупность транспортных процессов и средств для их реализации в местах стыкования двух или более видов транспорта. Узлы играют важную роль в организации комбинированных перевозок и совершенствовании взаимодействия различных видов транспорта.

Исследование влияния производительности погрузочно-разгрузочных механизмов на перерабатывающую способность транспортного узла основывается на статистическом анализе фактических данных о подходе транспортных единиц и железнодорожных составов к транспортному узлу и о длительности их грузовой обработки, в конечном итоге выражающейся длиной образуемых очередей. По существу применение теории очередей к задачам управления транспортным узлом сводится к механическому использованию готовых формул для определения основных характеристик обслуживания, полученных для простейших моделей, описывающих с равным успехом работу промтоварного магазина. В транспортном узле про-

102 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 1(21) 2015

— s 2vl 5