авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Обеспечение работоспособности цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт с термомеханическими повреждениями

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Обрывалин Алексей Викторович

Обеспечение работоспособности
цельнокатаных колес повышенной твердости, поступающих в ремонт

с термомеханическими повреждениями

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Омск 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент

РАУБА Александр Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

НИКОЛАЕВ Виктор Александрович;

кандидат технических наук

ВАСИЛЬЕВ Евгений Владимирович.

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения (ДВГУПС)».

Защита состоится 19 февраля 2010 г. в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОмГУПСа.

Автореферат разослан 15 января 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_______________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2010

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Безопасность движения подвижного состава и экономическая эффективность грузоперевозок во многом зависят от эксплуатационной долговечности колесной пары, которая в большинстве случаев определяется контактно-усталостной прочностью и износостойкостью верхних слоев металла обода колеса и качеством ее ремонта. В соответствии с договором ОАО «РЖД» с Выксунским металлургическим заводом (ВМЗ) с целью сокращения отцепок грузовых вагонов по неисправностям колесных пар с 2003 г. начат выпуск цельнокатаных колес с твердостью обода 320 – 360 НВ. По данным ОАО «РЖД» к 2010 г. в эксплуатацию поступит более 5 млн высокопрочных колес. Внедрение в эксплуатацию колес повышенной твердости позволило увеличить пробег колесных пар более чем в 2,5 раза. Вместе с тем, как показывает практика, количество колесных пар, поступающих в ремонт по наличию термомеханических повреждений на поверхности катания колес, не уменьшилось и составляет 62 % от общего числа колесных пар.

При восстановлении профиля колес повышенной твердости в настоящее время существуют две проблемы. Во-первых, это неудовлетворительное качество механической обработки колес с термомеханическими повреждениями, проявляющееся в наличии на поверхности катания после их обточки в результате технологической наследственности макронеровностей, которые при дальнейшей эксплуатации колесной пары являются причиной возникновения дополнительных напряжений материала в пятне контакта системы «колесо – рельс» и образования выщербин и, как следствие, уменьшения пробега. Во-вторых, снятие в стружку значительного слоя полезного металла, что сокращает срок службы колеса.

Кроме того, процесс восстановления профиля колес повышенной твердости характеризуется высокими затратами, обусловленными повышенным расходом твердосплавных режущих пластин, который в 3 – 5 раз выше расхода при восстановлении профиля стандартных вагонных колес. Режущие пластины разрушаются из-за ударных нагрузок, возникающих от термомеханических повреждений вагонных колес и превышающих предел прочности режущего инструмента.

Таким образом, проблема продления срока службы колеса и снижения затрат на восстановительные работы является крайне актуальной.

Основанием для выполнения работы послужили план НИР Омского государственного университета путей сообщения – фундаментальная НИР «Разработка ресурсосберегающей системы инструментального обеспечения механической обработки при ремонте деталей подвижного состава» (номер гос. регистрации
ГР 01.2.00601221, инв. номер 02.2.00603728) и госбюджетной НИР ГБ 174 «Повышение эффективности технологических процессов ремонта деталей подвижного состава» (номер гос. регистрации ГР 01.97.0002.371, инв. номер 0220.0803850).

Целью диссертационной работы является обеспечение работоспособности, поступающих в ремонт колесных пар с колесами повышенной твердости, имеющими термомеханические повреждения, за счет разработки ресурсосберегающей технологии восстановления их профиля катания.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1. Провести анализ повреждаемости колес повышенной твердости в период эксплуатации.

2. Исследовать влияние качества механической обработки профиля катания колес на дефектообразование в процессе их эксплуатации.

3. Установить взаимосвязь между состоянием поверхности и поверхностного слоя колес, поступающих в ремонт, производительностью и качеством их механической обработки.

4. Разработать ресурсосберегающую технологию восстановления профиля катания колес повышенной твердости с термомеханическими повреждениями, обеспечивающую заданное качество механической обработки.

5. Оценить экономическую эффективность предлагаемых технических решений, направленных на достижение поставленной цели работы.

Методы исследования. В теоретических исследованиях использованы теория удара, механика контактных взаимодействий, теория обработки высокопрочных материалов резанием, статистический анализ, математической моделирование производственных процессов. Значительная часть работы базируется на проведении экспериментальных исследований, обработке данных и построения регрессионных моделей.

Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:

установлена зависимость пробега колеса повышенной твердости до образования выщербины браковочного размера от высоты макровыступа на поверхности катания, полученного при механической обработке профиля, содержащего термомеханическое повреждение;

выявлена взаимосвязь между состоянием поверхности и поверхностного слоя профиля катания колес, поступающих в ремонт, производительностью и качеством их обточки;

разработана технология восстановления профиля высокопрочных колес, поступивших в ремонт с термомеханическими повреждениями.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментально с использованием современных методов, оборудования и приборов. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 5 %.

Практическая ценность и реализация работы.

Предложенные новые технические решения и разработанные рекомендации позволяют улучшить обрабатываемость материала «твердого» колеса резанием, что в свою очередь обеспечивает увеличение пробега колеса между обточками профиля за счет улучшения качества поверхности колеса после выполнения ремонтных работ и снижения напряженного состояния в системе «колесо – рельс», а также обеспечивает повышение производительности и сокращение затрат на выполнение ремонтных работ за счет экономии твердосплавного режущего инструмента.

Новизна технических решений, разработанных автором, признана комитетом РФ по патентам и товарным знакам. Практическая ценность работы подтверждена экспериментом, проведенным в ВЧД Московка Западно-Сибирской железной дороги – филиала ОАО «РЖД».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Механики XXI веку» (Братск, 2007); второй научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008); всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2008» (Ростов-на-Дону, 2008); третьей научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2009); научно-практической конференции «Повышение автоматизации и механизации ремонта подвижного состава на железнодорожном транспорте» (Щербинка, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из которых восемь статей, в том числе две статьи – в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России, три – в материалах научно-технических конференций, три – в межвузовских тематических сборниках научных статей, два патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы из130 наименований и пяти приложений, изложена на 145 страницах, содержит 33 рисунка, 22 таблицы.

Основное Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследований, обозначены пути решения главных задач.

В первой главе выполнен анализ эксплуатации и технологии ремонта вагонных колес повышенной твердости. Результаты анализа позволяют утверждать, что внедрение в эксплуатацию колесных пар с колесами из стали повышенной твердости позволило сократить число отцепок грузовых вагонов по таким дефектам колесных пар, как прокат, вертикальный подрез гребня, тонкий гребень и другим, связанным со смятием и истиранием металла от давления на площадке контакта и действия сил трения качения и трения скольжения. Анализ данных за 2006 – 2009 гг. показывает, что средний пробег колесных пар с колесами повышенной твердости до первой обточки составляет 279,7 тыс. км, а со стандартными колесами – 106,3 тыс. км. Однако повышение твердости колесной стали, не решило кардинально проблему образования термомеханических повреждений (ТМП) на поверхности катания вагонных колес, так как процесс заклинивания вагонного колеса и его механические свойства не взаимосвязаны. Таким образом, основной объем механической обработки (более 62 % вагонных колес) при восстановлении профиля «твердых» колес нацелен на устранение ТМП.

Значительный вклад в исследования эксплуатации и совершенствование технологии ремонта вагонных колес внесли ученые Алехин С. В., Беспалов В. В., Богданов В. М., Буйносов А. П., Васильев А. Ф., Васильев Н. Г., Гриценко Б. П., Иванов И. А., Ларин Т. В., Марков Д. П., Машнев М. М., Митрохин А. Н., Неглинский В. В., Новиков С. В., Пашолок И. А., Попов А. Ю., Рауба А. А., Цюренко В. Н., Чурсин В. Г., Яковлев В. Ф. и др.

Процесс обточки «твердых» колес с ТМП на колесотокарных станках сопровождается ударными нагрузками, которые, во-первых, приводят к отжиму режущего инструмента от обрабатываемой поверхности колеса, в результате чего на обработанной поверхности в области ТМП остаются характерно выраженные выступы, являющиеся концентраторами дополнительных напряжений в пятне контакта колеса и рельса, т. е. очагами образования выщербин второго рода, и, во-вторых, приводят к разрушению режущего инструмента, что увеличивает себестоимость и снижает производительность механической обработки. Вследствие этого расход режущего инструмента при обточке «твердых» колес по сравнению с расходом при восстановлении профиля стандартных колес возрос в 3 – 5 раз, а производительность механической обработки снизилась в 2 – 3 раза.

Кроме того, из-за снятия в стружку от 3 до 5 мм полезного слоя металла при каждой обточке, что эквивалентно 120 – 200 тыс. км пробега, восстановление профиля по существующей технологии приводит к сокращению срока службы колеса.

Вторая глава посвящена исследованию влияния качества механической обработки на пробег колеса между обточками. Анализ состояния поверхности колеса при выходе колесной пары из ремонта показывает, что после обточки колес с ползунами на поверхности остаются характерно выраженные выступы, которые образуются из-за недостаточной жесткости технологической системы «СПИД». Размеры технологически наследованных выступов (ТНВ) зависят от многих факторов: жесткости системы «СПИД», режимов резания, состояния режущего инструмента, качества поверхности после черновой обработки, размеров дефекта и т. п., поэтому проследить общую закономерность зависимости размеров ТНВ весьма сложно. Так, результаты измерений профиля колеса при помощи индикатора ИРБ ГОСТ 5584-75 в вагонных депо Омска показали, что размеры ТНВ могут составлять от 100 до 750 мкм.

Процесс качения по рельсу колеса, содержащего на поверхности катания технологически наследованный выступ, сопровождается ударными нагрузками, являющимися самым резким проявлением динамических нагрузок (рис. 1, для наглядности размер ТНВ утрирован).

Рис. 1 Взаимодействие рельса и колеса, содержащего ТНВ

По Герцу, упругая сила контактного взаимодействия тел при ударе зависит от деформации и определяется так:

; (1)

Хант и Кроссли ввели в модель удара Герца силу сопротивления и показали, что сила ударного взаимодействия тела и препятствия определяется соотношением:

; (2)

Обобщая модель (2), Боровин Г. К., Дягель Р. В. и Лапшин В. В. получили уравнение движения тела при ударе:

; (3)

Если обозначить потенциальную энергию упругой деформации через

; (4)

и исключить время из дифференциального уравнения движения с помощью преобразования , то в итоге получим уравнение движения в виде первого интеграла:

; (5)

Разрешив выражение (5) относительно скорости при помощи специальной функции W Ламберта, определяем максимальную деформацию тела:

(6)

В этих формулах:

– постоянная, которая определяется формой поверхности тела и препятствия в окрестности точки соприкосновения; в частности для сферической поверхности тел ; – постоянная сопротивления для закаленной стали c/м; с – коэффициент упругости; – начальная скорость удара, м/с.

Исследуя ударное взаимодействие колеса с ползуном и рельса, профессор Мещеряков В. Б. установил, что начальная скорость удара, зависит от скорости вагона и вычисляется по следующим формулам:

при (7)

при (8)

где – длина отрезка (АВ, СD) поверхности колеса, в момент его ударного взаимодействия с рельсом, м (см. рис. 1);

– предельное значение скорости, м/с, при котором давление колеса на рельс обращается в ноль и определяется из выражения:

(9)

В процессе ударного взаимодействия колеса и рельса происходит резкий скачок контактной силы, что, соответственно также приводит к резкому увеличению напряжений в пятне контакта колеса и рельса (рис. 2).

Метод расчета на прочность рекомендует определять наибольшие напряжения в центре эллипса касания колеса и рельса по формуле:

(10)

где – соответственно ширина и длина контактной площадки, мм,

– максимальная нагрузка, Н, определяемая выражением:

. (11)

Из рис. 2 видно, что в процессе взаимодействий ТНВ колеса с рельсом наблюдается значительное увеличение контактных напряжений, которые превышают предел текучести материала, что вызывает изменение геометрических параметров профиля поверхности контакта и наклеп, приводящий к уменьшению ресурса пластичности металла. По мере увеличения числа циклов нагружений колеса и рельса в них происходят необратимые изменения, приводящие к усталостному разрушению материала.

Расчет на усталостную долговечность позволил построить кривую усталости колесной стали повышенной твердости (рис. 3).

Анализ кривой усталости показывает, что при превышении напряжения в пятне контакта колеса и рельса, более 1 – 1,1 ГПа в колесной стали повышенной твердости зарождаются и развиваются усталостные трещины, приводящие в дальнейшем к местному выкрашиванию металла. Число циклов до разрушения зависит от величины контактных напряжений и сокращается с их увеличением.

Анализ рис. 2, 3 позволил определить зависимость пробега колеса повышенной твердости до образования выщербины браковочного размера (9120 мм) от высоты макровыступов (рис. 4).

Из полученной зависимости, представленной на рис. 4 следует, что с целью избежания преждевременного изъятия колесной пары с колесами повышенной твердости из эксплуатации по наличию на поверхности катания выщербины допустимая высота макронеровностей после обточки не должна превышать 0,2 мм. Существующая технология восстановления профиля колеса не обеспечивает заданного уровня качества обработки профиля колеса.

Согласно стратегической программе ОАО «РЖД» планируется увеличение осевой нагрузки до 25 – 30 тс, в результате чего описанная ситуация еще более усугубится.

Рис. 2 Изменение максимальных напряжений в пятне контакта системы «колесо-рельс» при осевой нагрузке 20 т.

Рис. 3 Кривая усталости колесной Рис. 4 Зависимость пробега колеса

стали повышенной твердости до образования выщербины

браковочного размера от

высоты макровыступа



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.