IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Проблема повышения эффективности машиностроительного производства была и остается одной из самых актуальных проблем развития экономики.

В конце 80-х годов на отечественных железных дорогах обострилась проблема износа колес подвижного состава и рельсов, не потерявшая своей актуальности и сегодня. Постоянно проводятся работы по снижению износа колес подвижного состава с использованием различных мероприятий, таких как рельсосмазывание и гребнесмазывание, плазменное упрочнение, оптимизация технологии обточки колесных пар, профильная механическая обработка головки рельса.

Совершенствование методов контроля и предупреждение параметрических и непараметрических отказов колесных пар в пути следования являются одним из самых важных факторов обеспечения безопасности движения поездов.

Интенсивность изнашивания колес и рельсов зависит от более чем 60 факторов, которые можно объединить в четыре основные группы (по областям исследований и разработок): технологические, конструктивные особенности ТПС, погодные и эксплуатационные условия. В результате их воздействия нарушается необходимое условие качения бандажей колесной пары: без скольжения по рельсам и набегания гребнем внешнего колеса колесной пары на наружный рельс в кривых участках пути.

Исследования отечественных и зарубежных ученых показывают, что эксплуатационные свойства машин зависят от целого ряда параметров контактирующих поверхностей деталей и узлов, входящих в состав изделия. К таким параметрам относятся: точность размеров, погрешности формы контактирующих поверхностей, физико-механические параметры поверхностного слоя и т.д. Далеко не последнее место среди этих параметров занимает шероховатость контактирующих поверхностей, т.к. она влияет практически на все основные эксплуатационные свойства изделий (износостойкость, усталостную прочность, коррозионную стойкость и т.д.).

Колесные пары являются основными элементами ходовой части и наиболее ответственными узлами подвижного состава. Железнодорожные колеса реализуют следующие функции:

• обеспечение перемещения экипажа относительно рельсов, что связано с восприятием конструкцией колеса значительных статических и переменных нагрузок;

• обеспечение качения колеса с продольным и поперечным проскальзыванием относительно поверхности рельса в условиях контактных давлений; выполнение поверхностью катания роли «тормозного барабана».

Качество продукции во многом определяется ее эксплуатационными свойствами (прочностью их сопряжения, коэффициентом трения, усталостной прочностью, коррозионной стойкостью и т.д.) входящих в ее состав деталей и узлов.

К настоящему времени достаточно хорошо изучено влияние качества поверхностного слоя на эксплуатационные свойства изделий. В работах В.Ф. Безъязычного [1], Ю.Р. Виттенберга [2], И.В., А.Г. Суслова [3-6], А.И. Хусу [7] и др. указываются параметры качества поверхности деталей машин, определяющие их эксплуатационные свойства и предлагаются зависимости, по которым можно определить значения параметров процесса обработки для обеспечения заданных эксплуатационных характеристик.

Зависимость интенсивности износа от параметров шероховатости и физико-механических свойств определяется следующей формулой :

(1)

где n – число циклов работы, которое приводит к разрушению материала;

λ – коэффициент, учитывающий влияние поверхностных остаточных напряжений на процесс изнашивания.

, (2)

где - временное сопротивление разрыву, Мпа;

- поверхностные остаточные напряжения, Мпа;

- действующие амплитудные напряжения поверхности трения, Мпа;

- параметр фрикционной усталости, Мпа;

- модуль продольной упругости, Мпа;

- динамическая вязкость м²/с;

- контактное давление, Мпа.

Как видно из приведенной выше зависимости, определяющей эксплуатационные свойства, далеко не последнее место в формировании эксплуатационных характеристик занимает шероховатость поверхности.

Таким образом, чтобы увеличить износостойкость пар трения за счет снижения первоначального износа, необходимо, чтобы шероховатость трущихся поверхностей соответствовала шероховатости приработанных деталей.

Оптимальные значения эксплуатационных свойств получаются при некотором строго определенном значении шероховатости поверхности, а значит остро встает вопрос о надежном обеспечении этих значений.

В процессе эксплуатации происходит естественный износ, в частности равномерный прокат обода колеса возникает в результате трения его о рельсы.

Практически принято считать, что 1мм проката обода цельнокатаного колеса возникает в среднем после пробега колёсной парой 30000 км [1].

При большом прокате увеличивается сопротивление движению поезда, кроме того, гребень колеса низко опускается и может касаться болтов рельсовых креплений, ослаблять соединение рельсов и даже срезать их болты, что создаёт угрозу для безопасности движения поездов.

Анализ теоретических, так и эмпирических зависимостей эксплуатационных свойств деталей и их соединений показывает, что они зависят от системы параметров качества их рабочих поверхностей: макроотклонений – Hmax, Hp; волнистости – Wz, Wp, Smw; шероховатости – Ra, Sm; физико – механических свойств - , h (глубина залегания поверхностных напряжений), H, h (глубина упрочненного слоя), (размер зерен), (плотность дислокаций); относительная опорная длина - и др

Чем больше исходная шероховатость поверхности трения отличается от оптимальной, тем больше будет износ в период приработки, а следовательно и меньше долговечность пары трения. Это свидетельствует о том, что технология обработки поверхности трения оказывает значительное влияние на ее долговечность, а также указывает на необоснованность стремления конструкторов к завышению требований к шероховатости рабочих поверхностей трения деталей машин.

Установлено, что при одинаковых условиях изнашивания после приработки создаётся оптимальная (равновесная шероховатость) шероховатость, независящая от первоначальной шероховатости. Поэтому при приработке целесообразно создавать поверхности, шероховатость которых будет соответствовать приработанным поверхностям трения при конкретных условиях изнашивания. Для повышения износостойкости при окончательной обработке следует по возможности уменьшать структурную неоднородность поверхностного слоя и создавать равномерные напряжения по всей поверхности. Влияние шероховатости поверхности на ёё износ зависит и от формы неровностей. Тонкие и многочисленные неровности обеспечивают большую износостойкость, чем крупные неровности крупного шага.

Известные характер и степень влияния параметров поверхностного слоя на эксплуатационные свойства позволяют решить вопрос об управлении качеством поверхностного слоя с целью создания требуемых эксплуатационных характеристик по средствам выбора режимов резания и геометрии инструмента, обеспечивающих заданные значения параметров поверхностного слоя.

Целесообразность назначения оптимальных режимов резания обусловлена тем, что они обеспечивают наиболее благоприятные показатели качества поверхностного слоя. При обработке на оптимальных режимах резания получается минимальное или минимально стабилизированное значение высоты неровностей обработанной поверхности, минимальная глубина hc и степень наклёпа, которые в ряде случаев являются желательными в поверхностном слое обработанной детали.

Оптимальные режимы резания обеспечивают максимальную стабильность показателей качества поверхностного слоя.

Попытки теоретически описать взаимосвязь износостойкости деталей машин с условиями механической обработки предпринимаются в двух направлениях:

1) Методом подстановки теоретических зависимостей для расчета параметров качества поверхности детали и условий ее обработки в уравнение для определения интенсивности изнашивания. Главный недостаток этого метода: получаемые зависимости слишком громоздки и не отражают физику рассматриваемых процессов.

2) Методом моделирования физической аналогии на основе единства процессов силового, температурного и химического воздействия на деталь, как при ее изготовлении, так и при эксплуатации. Его основные преимущества заключаются в возможности:

• теоретического исследования физической природы взаимосвязи процессов механической обработки и трения;

• получения наглядных и компактных расчетных зависимостей.

Изменяя условия механической обработки возможно значительно уменьшить интенсивность износа. Уменьшение данного параметра позволит значительно увеличить число циклов взаимодействия контактной пары «колесо-рельс», что в конечном итоге приводит к увеличению величины пробега между проточками.

Как уже отмечалось выше минимальная интенсивность износа достигантся в том случае когда параметры шероховатости поверхности и всего поверхностного слоя оптимальны, то есть создается равновестная поверхность. Была предпринята попытка расчитать параметры равновестной поверхности. Для оптимизации использовался метод покоординатного спуска. Целевой функцией служила интенсивность износа. Параметрами оптимизации были выбраны те параметры шероховатости поверхности которые легко получить в процессе механической обработки:Wz, Rz, tm, Sm.

Установлено, что параметры шероховатости поверхности катания колесных пар после обработки далеки от оптимальных. Это приводит к сокращению пробега между проточками. Следующим необходимым этапом работы должен стать этап технологической подготовки производства, т.е. необходимо подобрать такие режимы технологического процесса, которые обеспечат получение оптимальной шероховатости поверхности с минимальными затратами, что позволит (пол теоретическим расчетам) уменьшить интенсивность износа в 5,5 раз.

Список использованной литературы

1. Безъязычный, В.Ф. Влияние качества поверхностного слоя после механической обработки на эксплуатационные свойства деталей машин [текст] / В.Ф. Безъязычный // Инженерный журнал. Справочник, №4, 2000.

2. Виттенберг, Ю.Р. Шероховатость поверхности и методы ее оценки [текст] / Ю.Р. Виттенберг. – Л.: Судостроение, 1971. 98 с.

3. Суслов, А.Г. Выбор, назначение и технологическое обеспечение параметров шероховатости поверхности по ГОСТ 2789-73 [текст] / А.Г. Суслов. – Брянск, 1983. 83 с.

4. Суслов, А.Г. Качество поверхностного слоя деталей машин [текст] / А.Г. Суслов. – М.: Машиностроение, 2000. 320 с.

5. Суслов, А.Г. Нормирование параметров шероховатости поверхностей деталей машин [текст] / А.Г. Суслов // Вестник машиностроения, 1984. №8, С. 3-6.

6. Суслов, А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей [текст] / А.Г. Суслов. – М. Машиностроение, 1987. 208 с.

7. Хусу, А.П. Шероховатость поверхностей (теоретико-вероятностный подход) [текст] / А.П. Хусу, Ю.Р. Виттенберг, В.А. Пальмов. – М.: Наука, 1975. 344 с.

8. http://school-sector.relarn.ru/dckt/projects/optim/pocspusc.htm

7

Код для цитирования: Скопировать