Совершенствование процесса восстановления профиля поверхности катания колёсных пар

УДК 629.4.027.1 1

И. А. Иванов, Д. П. Кононов, С. В. Урушев

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРОФИЛЯ ПОВЕРХНОСТИ КАТАНИЯ КОЛЁСНЫХ ПАР

Дата поступления: 21.11.2017 Решение о публикации: 28.1 1.2017

Аннотация

Цель: Показать недостаточную эффективность использования ресурса колёсных пар при традиционных способах восстановления профиля катания во время ремонта. Рассмотреть возможности дальнейшего совершенствования этого процесса на основе новых технологий восстановления профиля с использованием глубинного и высокоскоростного шлифования. Метод: Анализировались способы восстановления профиля катания колёс, рассматривались эффективные технологические решения, основанные на теоретических выводах и современном практическом опыте. Результаты: Оценены потери ресурса колёсных пар при использовании традиционных способов восстановления профиля. Приведены предварительные параметры режимов восстановления профиля колёсных пар с использованием высокоскоростного шлифования, обеспечивающие повышение ресурса колёсных пар и производительности процесса восстановления. Практическая значимость: Показана целесообразность восстановления профиля катания колёсных пар подвижного состава железных дорог с использованием технологии врезного профильного высокоскоростного шлифования. Полученные результаты можно использовать при разработке технического задания на станок для восстановления профиля катания колёс на ремонтных предприятиях РЖД.

Ключевые слова: Колёсная пара, восстановление профиля, высокоскоростное шлифование.

Igor A. Ivanov, D. Sci. Eng., professor; *Dmitriy P. Kononov, Cand. Sci. Eng., associate professor, d_kononov@mail.ru; Sergey V. Urushev, D. Sci. Eng., professor, head of chair (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) THE IMPROVEMENT OF WHEEL TREAD REPROFILING PROCESS

Summary

Object: To show the lack of wheelset operating life efficiency use in case traditional methods of wheel tread reprofiling were used in the process of repair works. To consider the possibilities of further improvement of this process on the basis of new reprofiling technologies, using the deep and high-speed grinding. Methods: The methods of wheel tread reprofiling were analyzed, the effective process solutions, based on theoretical conclusions and current practical knowledge, were studied. Results: Wheel set wastage in case of using the traditional ways of reprofiling was estimated. Preliminary parameters of wheelset reprofiling modes using high-speed grinding were estimated, providing for the increase in wheel set operational life and reprofiling performance

enhancement. Practical importance: The appropriateness of rolling stock wheel tread reprofiling, by using the method of infeed high-speed profile grinding, was presented. The obtained results may be applied in the development of requirements specification for wheel tread reprofiling machine at repair facilities of the Russian Railways.

Keywords: Wheel set, reprofiling, high-speed grinding.

В настоящее время на практике при восстановлении профиля наиболее распространены токарная обработка и фасонное фрезерование [1]. Основным недостатком данных способов восстановления профиля и их технологических схем является низкая способность инструмента адаптироваться к неоднородной структуре обрабатываемого материала обода колеса (ползунам, выщербинам и др.). Указанный недостаток приводит к снижению производительности, заниженным режимам обработки, снижению ресурса колеса из-за обработки «под корку» и удалению работоспособного слоя металла обода, к увеличенному износу инструмента [2, 3].

Данные [4-6] показывают, что увеличение твёрдости колёс на одну единицу НВ в эксплуатационном интервале твердостей увеличивает их износостойкость на 1-2 %. В настоящее время твёрдость металла эксплуатирующихся колёс с повышенной твёрдостью обода у поверхности достигает 370-390 НВ, снижаясь по направлению к оси колеса по сечению обода до 320-340 НВ на глубине 30 мм [7]. То есть срезаемый слой металла обода при обточках не только уменьшает диаметр колеса, но и определяет снижение его износостойкости и ресурса.

Представим назначенный ресурс нового колеса в виде площади ОНВС (см. рисунок, часть «а»), ограниченной осями координат и линией ВС - функцией износостойкости металла обода [8]. Металл на поверхности обода будет иметь наибольшую износостойкость - ОВ. На глубине 50 мм - меньшую -НС. Обозначим назначенный ресурс через Т = ОНВС.

Использование назначенного ресурса колеса в процессе эксплуатации на примере браковки его по ползуну представлено на рисунке в части «б». Слой металла обода, обозначенный через 1, износился в процессе эксплуатации, но не до предельной величины. Появление ползуна вызывает необходимость смены колёсной пары и её последующей обточки. При обточке колёсной пары с ползуном с поверхности срезается не минимально необходимый слой металла обода. Так как обработка ведётся под ползун («под корку»), с обода срезается полезный (работоспособный) слой металла. На рисунке в части «б» он обозначен цифрой 2 и заштрихован. По данным [9], за одну обточку колёсных пар с ползунами и т. п. в стружку снимается до 3-4 мм полезного (работоспособного) слоя металла. Аналогичные рассуждения по рисунку в части «б» действительны и для колёс с подрезом гребня, выщербинами, наварами.

Схема представления назначенного ресурса колеса

Представим назначенный ресурс Т в виде суммы двух слагаемых:

ОНСВ = Т = ТИ + ТИ,

И И7

где Ти - используемая часть ресурса; Тн - неиспользуемая часть назначенного ресурса.

Заштрихованные площади 2, 4, 6, ... на рисунке в части «б» характеризуют неиспользуемую часть назначенного ресурса, определяемую механической обработкой «под корку» или на глубину большую, чем это необходимо для восстановления геометрических параметров профиля обода колеса. То есть в процессе ремонта удаляется работоспособный слой металла обода.

В соответствии с частью «б» рисунка ресурс, не используемый на стадии эксплуатации из-за применяемой неэкономичной технологии восстановления профиля, определится суммой площадей

Т = 2 + 4 + 6 + ...

н

и составит примерно 30-40 % назначенного ресурса (ТИ = 0,3 — 0,4Т).

Используемый ресурс восстанавливаемых колёс с ползунами и т. п. определяется следующей суммой площадей (см. рисунок, часть «б»):

ТИ = 1 + 3 + 5 + ...

И

и составляет примерно 60-70 % назначенного ресурса (ТИ = 0,6 —0,7Т). Следовательно, Т = ТИ + ТИ = 0,6Т + 0,4Т.

Изменение способа восстановления профиля поверхности катания колеса

Повысить качество восстановления (его экономичность) позволяет процесс фасонного шлифования. Это обусловлено возможностью обработки профиля фасонным кругом по ползунам, наварам, выщербинам. При этом не срезается работоспособный слой металла обода (как при работе «под корку») и, следовательно, повышается срок службы колеса.

Процесс врезного профильного шлифования при восстановлении изношенной поверхности обода колеса применяется уже длительное время [10], хотя и не получил широкого распространения. Используя возможности современных шлифовальных кругов для глубинного и высокопроизводительного шлифования, которые постоянно совершенствуются и развиваются, можно повысить производительность шлифования колёс.

Развитие технологий шлифования

В настоящее время наиболее интенсивно развиваются технологии высокоскоростного и глубинного шлифования. Их возможности увеличения скорости съёма металла при сохранении требуемых параметров точности и качества обработки подтверждены рядом экспериментов [11, 12].

Как показано в работе [13], влияние скорости резания на скорость съёма обрабатываемого материала связано с проявлением трёх эффектов: кинематического, скоростного и статистического.

Рассмотрение процесса шлифования с энергетической точки зрения дополнит предложенные выше три эффекта [13] ещё энергетическим [14]. Большая мощность электродвигателя станка передаётся на малый по размерам контактный участок шлифуемой поверхности детали. Приложенная извне механическая энергия локализуется в зоне резания в местах протекания процессов деформации и разрыва молекулярных и атомарных связей и преобразуется при этом в другие виды энергии. Эти преобразования происходят на макро-, микро- и наноуровнях [14]. Например, механическая энергия вызывает в зоне шлифования деформационные процессы, которые в свою очередь выделяют тепловую энергию. Тепловая энергия, суммируясь с внутренней энергией вынужденных колебаний микрообъёмов обрабатываемого материала, при больших скоростях деформаций (е ~104—108 1/с) и при всестороннем сжатии создаёт внутри этого твёрдого тела огромные термодинамические нагрузки на соседние микрополости обрабатываемого материала.

В результате в зоне шлифования свойства материала заготовки преобразуются в условиях, которые по своим энергетическим и динамическим

характеристикам соответствуют условиям взрыва химических взрывчатых веществ.

Определение явления взрыва и сравнение его количественных характеристик с аналогичными параметрами процессов, происходящих в зоне стружкообразования, позволяет предположить, что резание является разновидностью взрыва.

Взрыв при резании имеет свои особенности и свой механизм накопления и освобождения энергии. Постоянство контакта обеспечивает непрерывное поступление механической энергии и её накопление в виде внутренней энергии сопротивления разрыву атомарно-молекулярных связей и энергии сопротивления структурным превращениям. Накопление следует до момента потери энергетической устойчивости элементарными центрами разрушения, такими как электронные оболочки [15, 16].

Металлографические исследования корней стружек, выполненные в разное время [15, 17, 18], выявляют закономерность растекания обрабатываемого материала вдоль поверхностей контакта с режущим инструментом. На микрошлифах эффект растекания выглядит в виде тонких - толщиной 1,510 мкм - «усов», расположенных практически параллельно друг другу. Третье тело в виде прослойки материала, находящегося в состоянии сверхтекучести, влияет на характеристики резания и особенности износа режущего инструмента, но до настоящего времени не изучено [15]. Вероятно, это сказывается на особенностях процесса сверхскоростного шлифования, обеспечивающего снижение энергосиловых и износовых параметров процесса.

Совмещение высокоскоростного и глубинного шлифования радикально повышает эффективность обработки. Как отмечается в [19], комплекс явлений, протекающих на микроуровне на поверхности раздела «твёрдое тело - среда» при деформировании и разрушении металлов, приводит к снижению энергосиловых параметров в 1,5-3 раза и к изменению характера деформирования материала на макроуровне. Развиты физические представления о способе влияния адсорбированных атомов на зарождение и эволюцию дислокаций, проявление адсорбционного эффекта и определение латентного периода его развития при шлифовании.

Экспериментальные исследования шлифования колёсной стали на скоростях резания 60 и 80 м/с и врезной подаче 10 мм/мин показали снижение температуры резания с увеличением скорости резания [20].

В работе [21] на основе лучевых методов теории распространения и рассеяния волн построена математическая модель взаимодействия абразивного зерна и обрабатываемого материала и на качественном уровне оценены процессы, происходящие в зоне обработки. Отмечено, что при высокоскоростном шлифовании перед зерном накапливается энергия, обусловливая переход материала из твёрдого состояния в пластическое, усиленно отводится энергия из зоны взаимодействия, уменьшаются составляющие силы резания.

В работах [22, 23] отмечается, что повышение скорости резания до 120250 м/с приводит к уменьшению параметров шероховатости, снижению температуры в зоне резания и уменьшению следов пластической деформации. Время адгезионного схватывания материала детали превышает время взаимодействия абразивных зёрен с обрабатываемой поверхностью, что минимизирует засаливание рабочей поверхности круга. Значение контактной температуры при этом меньше температуры образования прижогов.

Основываясь на имеющейся информации для совершенствования процесса восстановления профиля поверхности катания колёсных пар, можно предложить использование врезного профильного высокоскоростного шлифования (ВПВШ) [20, 24]. Ориентировочные режимы: скорость резания 150-250 м/с, подача врезания 5-10 мм/мин, скорость вращения колёсной пары 1,0-1,5 м/с.

Заключение

Рассмотрены возможности врезного профильного высокоскоростного шлифования с учётом кинематического, скоростного, статистического и энергетического эффектов. Механизм накопления и освобождения энергии в зоне стружкообразования представлен как разновидность взрыва.

Принято допущение о существовании в зоне стружкообразования перехода микроскопических слоёв материала в состояние сверхтекучести, что обеспечивает снижение энергосиловых и износовых параметров процесса ВПВШ профиля колёсных пар.

Предложены ориентировочные режимы врезного профильного высокоскоростного шлифования профиля поверхности катания колёсных пар.

Библиографический список

1. Ivanov I. A. Methods of recovery of serviceability of railway wheels during the repairs / I. A. Ivanov // Transp. and Eng., Railway Transp. - 2004. - Ser. 6, sej. 17. - P. 43-54.

2. Ivanov I. Recovery tread wheel pair of machining / I. Ivanov, A. Tarapanov, D. Ko-nonov, A. Vorobev // Transp. prob. - 2013. - Vol. 8, is. 3. - Pp. 105-113.

3. Ivanov I. A. Efficiency of utilization of lifetime of railway wheels / I. A. Ivanov // Sci. proc. Riga technical univ. 6 seria. Transport and engineering. - Riga : RTU, 2003. - Pp. 3742.

4. Марков Д. П. Трибология и её применение на железнодорожном транспорте / Д. П. Марков // Тр. ВНИИЖТ. - М. : Интекст, 2007. - 408 с.

5. Узлов И. Г. Колёсная сталь / И. Г. Узлов, М. И. Гасик, А. Т. Есаулов и др. - Киев : Техника, 1985. - 168 с.

6. Марков Д. П. Повышение твёрдости колёс подвижного состава / Д. П. Марков // Вестн. ВНИИЖТ. - 1995. - № 3. - С. 10-17.

7. Пашолок И. Л. Колёса с повышенной твёрдостью обода производства ОАО «ВМВ» / И. Л. Пашолок, Г. А. Филиппов, А. А. Шишов // Сб. докладов науч.-практич. конф. «Колесо - рельс 2003». - М. : Интекст, 2003. - С. 56-57.

8. Ресурс и ремонтопригодность колёсных пар подвижного состава железных дорог : моногр. / под ред. проф. И. А. Иванова. - М. : ИНФРА-М, 2016. - 264 с.

9. Богданов А. Ф. Эксплуатация и ремонт колёсных пар вагонов / А. Ф. Богданов, В. Г. Чурсин. - М. : Транспорт. 1985. - 270 с.

10. Богданов А. Ф. Восстановление профиля поверхности катания колёсных пар : учеб. пособие / А. Ф. Богданов, И. А. Иванов, М. Ситаж ; под ред. д. т. н. И. А. Иванова. -СПб. : ПГУПС, 2000. - 128 с.

11. Кремень З. И. Технология шлифования в машиностроении / З. И. Кремень, В. Г. Юрьев, А. Ф. Бабошкин ; под общ. ред. З. И. Кремня. - СПб. : Политехника, 2007. -424 с.

12. Бойцов А. Г. Тенденции в развитии шлифовальных технологий / А. Г. Бойцов, В. Б. Дудаков // Ритм машиностроения. - 2015. - № 8. - С. 11-17.

13. Васин С. А. Резание материалов : Термомеханический подход к системе взаимосвязей при резании : учеб. для техн. вузов / С. А. Васин, А. С. Верещака, В. С. Кушнер. -М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 448 с.

14. Ярославцев В. М. Технологический процесс - энергетический преобразователь / В. М. Ярославцев // Наука и образование. - 2012. - № 7.

15. Ярославцев В. М. Новое о процессе резания / В. М. Ярославцев // Наука и образование. - 2011. - № 7.

16. Штамповка взрывом. Основы теории / под ред. М. А. Онучина. - М. : Машиностроение, 1972. - 151 с.

17. Бобров В. Ф. Развитие науки о резании металлов / В. Ф. Бобров, Г. И. Грановский, Н. Н. Зорев и др. - М. : Машиностроение, 1967. - 416 с.

18. Ярославцев В. М. Новое представление о металлической стружке / В. М. Ярославцев // Наука и образование. - 2013. - № 2. - С. 1-10.

19. Сурду М. В. Шдвищення ефуктивност шл1фування важкооброблюваних мате-р1ал1в за рахунок удосконалення кшуматики процуав : автореф. дис. ... канд. тех. наук : 14.01.06 / М. В. Сурду. НТУ ХП1. - Харьков, 2006. - 22 с.

20. Иванов И. А. Некоторые результаты исследования процесса силового шлифования стали цельнокатаных колёс / И. А. Иванов, А. М. Будюкин, Н. С. Продан // Совершенствование технологического процесса ремонта и формирования колёсных пар подвижного состава : межвуз. сб. - Л. : ЛИИЖТ, 1979. - С. 103-113.

21. Кадильников А. В. Повышение эффективности высокоскоростного шлифования сталей путём использования абразивного зерна рациональной формы и его ориентации в связке инструмента : автореф. дис. ... канд. техн. наук / А. В. Кадильников. - Волгоград, 2010. - 16 с.

22. Аверков К. В. Повышение качества и производительности абразивной обработки деталей из жаропрочных сталей на никелевой основе за счёт определения рациональных технологических параметров сверхскоростного шлифования : автореф. дисс. ... канд. техн. наук / К. В. Аверков. - Омск, 2011. - 19 с.

23. Аверков К. В. Высокоскоростное шлифование жаропрочных и жаростойких сплавов / К. В. Аверков, Е. В. Веселкова // Конструкционно-технологическое обеспечение надёжности колёс рельсовых экипажей : межвуз. сб. - СПб. : ПГУПС, 2014. - С. 183-188.

24. Ivanov I. Analysis of forming tread wheelsets / I. Ivanov, D. Evseev, I. Ovsyanikova, A. Tarapanov // Transp. Prob. - 2017. - Vol. 12, Is. 3.- P. 35-42.

References

1. Ivanov I. A. Methods of recovery of serviceability of railway wheels during the repairs. Transp. and Eng., Railway Transp., 2004, ser. 6, sej. 17, pp. 43-54.

2. Ivanov I., Tarapanov A., Kononov D. & Vorobev A. Recovery tread wheel pair of machining. Transp. prob., 2013, vol. 8, is. 3, pp. 105-113.

3. Ivanov I. A. Efficiency of utilization of lifetime of railway wheels. Sci. proc. Riga technical univ. ser. 6, Transport and engineering, 2003, pp. 37-42.

4. Markov D. P. Tribology and its application on railway transport [Trybologiya i yeyo prymeneniye na zheleznodorozhnom transporte]. Proc. VNIIZhT [Trudy VNIIZhT]. Moscow, Intext, 2007, 408 p.

5. Uzlov I. G., Gasyk M. I., Yesaulov A. T. et al. Wheel steel [Kolesnaya stal]. Kiev, Tekhnika, 1985, 168 p.

6. Markov D. P. Increase of rolling stock wheel hardness [Povysheniye tverdosty koles podvyzhnogo sostava]. VNIIZhT Bull. [Vestnik VNIIZhT], 1995, no. 3, pp. 10-17.

7. Pasholok I. L., Filippov G. A. & Shyshov A. A. Wheels with increased wheel tread hardness produced by OAO "VMV" [Kolesa s povyshennoy tverdostyu oboda proizvodstva OAO "VMV" ]. Coll. papers of the res. training conf. "Wheel-rail 2003" [Sbornyk dokladov nauchno-praktycheskoy konferentsii "Koleso-rels 2003"]. Moscow, Intext, 2003, pp. 56-57.

8. Operational life and maintainability of wheel pairs of a railway rolling stock [Resurs i remontoprygodnost kolesnykh par podvyzhnogo sostava zheleznykh dorog]; ed. by prof. I. A. Ivanov. Moscow, INFRA-M, 2016, 264 p.

9. Bogdanov A. F. & Chursyn V. G. Maintenance and repair of wheel pairs of cars [Ek-spluatatsiya i remont kolesnykh par vagonov]. Moscow, Transport, 1985, 270 p.

10. Bogdanov A. F., Ivanov I. A. & Sytazh M. Wheel tread reprofiling [Vosstanovleniye profilya poverkhnosty kataniya kolesnykh par]; ed. by I. A. Ivanov. St. Petersburg, PGUPS, 2000, 128 p.

11. Kremen Z. I., Yuryev V. G. & Baboshkyn A. F. Grinding technology in mechanical engineering [Tekhnologiya shlyfovaniya v mashynostroyenii]; gen. ed. Z. I. Kremnya. St. Petersburg, Polytekhnika, 2007, 424 p.

12. Boytsov A. G. & Dudakov V. B. Trends in grinding technologies [Tendentsii v razvitii shlyfovalnykh tekhnologiy]. The rhythm of mech. eng. [Rytm mashynostroyeniya], 2015, no. 8, pp. 11-17.

13. Vasyn S.A., Vereshaka A. S. & Kushner V. S. The process of cutting materials: Ther-momechanical approach to the system of interconnections in the process of cutting [Rezaniye materialov: Termomekhanicheskiy podkhod k systeme vzaimosvyazey pry rezanii]. Moscow, MGTU im. Baumana

14. Yaroslavtsev V. M. Tekhnologycheskiy protsess - energetycheskiy preobrazovatel [Technological process - power conversion device]. Sci. education [Nauka i obrazovanie], 2012, no. 07.

15. Yaroslavtsev V. M. The new in the process of cutting [Novoye o protsesse rezaniya]. Sci. education [Nauka i obrazovanie], 2011, no. 07.

16. Explosive forming. Foundations of the theory [Shtampovka vzryvom. Osnovy teorii]; ed. by M.A. Onuchyn. Moscow, Mashynostroyeniye, 1972, 151 p.

17. Bobrov V. F., Granovskiy G. I., Zorev N. N. et al. The development of metal cutting science [Razvitiye nauky o rezanii metallov]. Moscow, Mashynostroyeniye, 1967, 416 p.

18. Yaroslavtsev V. M. The new concept of metal chips [Novoye predstavleniye o met-allycheskoy struzhke]. Sci. education [Nauka i obrazovanie], 2013, no. 2, pp. 1-10.

19. Surdu M. V. Шдвищення ефуктивност шлiфування важкооброблюваних магерiалiв за рахунок удосконалення кшуматики процуав: abstr. of a thesis... Cand. Eng. 14.01.06. NTU KhPI (Nat. Tech. Univ. "Kharkiv Polytech. Inst."). - Kharkov, 2006, 22 p.

20. Ivanov I.A., Budyukyn A. M. & Prodan N. S. Some research results of power-operated grinding of all-rolled wheels [Nekotoriye rezultaty issledovaniya protsessa sylovogo shlyfovaniya staly tselnokatnykh koles]. The improvement of technological process of repair and forming of rolling stock wheel pairs [Sovershenstvovaniye teknologycheskogo protsessa remonta i formyrovaniya kolesnykh par podvyzhnogo sostava]. Leningrad, LIIZhT, 1979, pp. 103-113.

21. Kadylnykov A. V. Efficiency upgrading of high-speed steel grinding by using an abrasive grain of a rational form and its orientation in tool bond [Povysheniye effektyvnosty vysoko-skorostnogo shlyfovaniya staley putem ispolzovaniya abrazyvnogo zerna ratsionalnoy formy i yego oriyentatsii v svyazke instrumenta]: abstr. of a thesis. Cand. Sci. Eng. Volgograd, 2010, 16 p.

22. Averkov K. V. Quality and productivity improvement of abrasive treatment of Ni-based heat-resistant steel pieces by means of determining rational process parameters of highspeed grinding [Povysheniye kachestva i proizvodytelnosty abrazyvnoy obrabotky detaley iz zharoprochnykh staley na nikelevoy osnove za schet opredeleniya ratsionalnykh tekhnology-cheskykh parametrov sverkhskorostnogo shlyfovaniya]: abstr. of a thesis. Cand. Sci. Eng. Omsk, 2011, 19 p.

23. Averkov K. V. & Veselkova Y. V. High-speed grinding of heat-resistant and high temperature alloys [Vysokoskorostnoye shlyfovaniye zharoprochnykh i zharostoikykh splavov]. Konstruktsionno-tekhnologycheskoye obespecheniye nadezhnosty koles relsovykh ekypazhey [Constructive and technological wheel reliability control of railroad vehicles]. St. Petersburg, PGUPS, 2014, pp. 183-188.

24. Ivanov I., Evseev D., Ovsyanikova I. & Tarapanov A. Analysis of forming tread wheelsets. Transp. prob., 2017, vol. 12, is. 3, pp. 35-42.

ИВАНОВ Игорь Александрович - доктор техн. наук, профессор; *КОНОНОВ Дмитрий Павлович - канд. техн. наук, доцент, d_kononov@mail.ru; УРУШЕВ Сергей Викторович - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).