CC BY
102
100
Современные технологии - транспорту
Библиографический список
1. Кононов В. А. Основы проектирования электрической централизации промежуточных станций : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / В. А. Кононов, А. А. Лыков, А. Б. Никитин; ред. В. А. Кононов. - М.: УМК МПС России, 2002. - 316 с.
2. Правдин Н. В. Основы автоматизации проектирования железнодорожных
станций : монография / Н. В. Правдин, А. К. Головнич, С. П. Вакуленко;
ред. Н. В. Правдин. - М.: Маршрут, 2004. - 400 с.
3. Сапожников В. В. Принципы построения комплексной системы автоматизации проектирования железнодорожной автоматики и телемеханики // В. В. Сапожников, М. Н. Василенко // Автоматика, связь и информатика. - 1990. - № 10. - С. 4-7.
УДК 629.4.027.11 Д. П. Кононов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИССИПАТИВНЫХ СВОЙСТВ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНОК-ПРИСПОСОБЛЕНИЕ-ИНСТРУМЕНТ-ДЕТАЛЬ ПРИ ОБРАБОТКЕ ЭЛЕМЕНТОВ КОЛЁСНОЙ ПАРЫ РЕЗАНИЕМ
Вибрации при обточке элементов колёсных пар накладывают ограничение на увеличение производительности точения. Рассмотрены методы уменьшения вибраций при резании и управления автоколебаниями. Представлены резцы для обточки цельнокатаных колёс, позволяющие повысить стойкость пластин режущего инструмента.
колёсная пара, вибрации, автоколебания, демпфирование, диссипативные связи, режущий инструмент.
Введение
Анализ работ [1]-[4] даёт возможность утверждать, что вибрации режущего инструмента являются одной из трудноразрешимых проблем при обработке заготовок резанием. Они резко ухудшают качество изделий, снижают производительность обработки и стойкость инструмента. Особенно сильно эти показатели зависят от интенсивности автоколебаний. Поэтому задача повышения виброустойчивости технологической системы станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД) приобретает решающее значение.
1 Физические механизмы возмущения вибраций при резании
Возрастающие требования к производительности и точности работы станков постоянно заставляют заниматься проблемой обеспечения виброустойчивости точения.
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
101
Впервые на автоколебательный характер вибраций при резании металлов было указано в работе Н. А. Дроздова [5]. Физический механизм возмущения автоколебаний действует примерно в такой последовательности.
Любое случайное возмущение (резание или выход режущих лезвий из контакта с изделием, неравномерность припуска, неоднородность обрабатываемого материала, прерывистость обработки, радиальное биение заготовки или инструмента и др.) приводит к возникновению собственных затухающих колебаний системы СПИД. Эти колебания всегда сопровождаются изменением сечения среза и скорости резания, так как зона резания является замыкающим звеном упругой технологической системы. Изменение толщины среза и скорости резания всегда приводит к изменению силы резания и её составляющих. Так как изменение силы резания отстаёт во времени (сдвинуто по фазе) на величину т относительно изменения толщины среза или если с увеличением скорости происходит уменьшение радиальной составляющей силы резания (падающая характеристика силы резания от скорости), то собственные затухающие колебания могут перейти в незатухающие автоколебания, где энергию, необходимую для поддержания колебаний, создаёт переменная сила резания [2]. Эти два фактора - отставание изменения силы резания от изменения толщины среза и падающая характеристика силы резания от скорости - являются основными первичными источниками возбуждения автоколебаний.
Вторичное возбуждение автоколебаний наступает при работе по волнообразному следу, оставленному на поверхности резания инструментом при предыдущем обороте.
Основные пути борьбы с вибрациями идут по следующим направлениям:
1) увеличение жёсткости системы СПИД;
2) демпфирование энергии колебаний;
3) детерминированное изменение режимов резания;
4) автоматическое непрерывное изменение режимов резания за счёт использования адаптивных систем.
2 Выбор резцов для обточки элементов колёсных пар, обеспечивающих виброустойчивый режим точения
Выбор режущего инструмента обычно основан на предположении безвибрационного протекания процесса резания при расчётных, оптимальных по производительности и точности условиях выполнения технологической операции. Это часто не оправдывается, так как вибрации возникают чаще всего при высокопроизводительных режимах резания.
Для обеспечения надёжности и применимости расчётного способа проектирования рациональной технологии механической обработки и оптимального использования мощности станков необходимо применять раз-
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
102
Современные технологии - транспорту
личные методики борьбы с вибрациями, ориентированные на предупреждение появления виброколебаний без отступления от расчётных режимов резания. При этом не нужно забывать, что уровень интенсивности автоколебаний также сильно влияет на стойкость инструмента и производительность обработки. Зависимость стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний для различных процессов резания лезвийным инструментом имеет экстремальный характер и аппроксимируется аналитическим выражением [2]:
T = QAme - nA,
где Т - стойкость инструмента; А - амплитуда автоколебаний; Q, m, n -постоянные, зависящие от рода обрабатываемого и инструментального материалов и условий резания.
Такая зависимость является результатом воздействия двух противоположных факторов:
а) уменьшение интенсивности изнашивания инструмента и повышение его стойкости. Это происходит из-за облегчения процесса пластической деформации, уменьшения коэффициента трения по передней и задней поверхностям инструмента, улучшения отвода стружки, снижения силы резания и уменьшения адгезионных явлений;
б) циклическое нагружение инструмента при увеличении интенсивности автоколебаний, начиная с определённого предела, вызывает усталостное разрушение участков материала инструмента, находящегося в контакте с изделием и сходящей стружкой.
Из-за этих причин при достижении некоторого уровня автоколебаний стойкость инструмента начинает резко снижаться.
Демпфирующая способность инструмента может быть повышена так называемым конструктивным демпфированием, т. е. за счёт увеличения сопротивления в стыках, в местах соединений режущих пластинок с режущим блоком и блока с державкой инструмента, а также активным демпфированием, т. е. введением в конструкцию инструментов специальных виброгасящих устройств.
На рисунке 1 показана схема крепления режущего блока, соответствующая модели [3].
Здесь учтены диссипативные силы в виде сил трения в касательном направлении к плоскости стыка, а также нелинейность сил упругого деформирования опор в перпендикулярном к стыку направлении. Исходными данными являются: размеры опорных площадок N1 - N7, их расположение и физико-механические свойства, а также усилие закрепления режущего блока. Варьируя ими можно существенно изменять динамические параметры державки и таким образом влиять на стойкость режущего инструмента.
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
103
В то же время снизить вибрации при обработке элементов колёсных пар резанием можно, подобрав резцы с определёнными геометрическими характеристиками державки, исключающие возможность развития вибрации в условиях выполнения технологической операции. Для этого воспользуемся методикой, представленной в работе [1]. Блок-схема выбора токарных резцов, обеспечивающих виброустойчивый режим резания, приведена на рисунке 2.
В данной блок-схеме:
[Р] - максимальная сила, допускаемая прочностью державки резца;
В и Н - размеры поперечного сечения державки резца;
М - допускаемое напряжение на изгиб;
1р - вылет резца;
Pz - тангенциальная составляющая силы резания;
[Pz]j - максимальная нагрузка, допускаемая жёсткостью резца;
Kj - поправочный коэффициент, учитывающий особенности крепления резца в резцедержателе,
Со
3EJ
где Со - фактический коэффициент жёсткости резца,
Со = 4*7C2 Kщт,
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
104
Современные технологии - транспорту
здесь f - собственная частота колебаний державки резца;
Кпр - коэффициент приведения распределённой массы к сосредоточенной (Кпр = 0,2427) [6]; m - масса консольной части резца;
Е - модуль упругости материала державки резца;
J - момент инерции державки в опасном сечении;
А - допускаемая стрела прогиба резца (при черновом точении А ~ 10-4 м, при чистовом А ~ 5-10-5 м); vmax - предельно допустимое значение скорости резания;
5 - логарифмический декремент колебаний,
5 = p
где Af - ширина частотного диапазона на уровне -3 дБ от вершины резонансной кривой;
©0 - круговая собственная частота незатухающих колебаний резца;
Ьц - ширина цилиндрической или выступающей поверхности детали;
- коэффициент усадки стружки; n - коэффициент демпфирования;
П - коэффициент затухания;
v - принятое значение скорости резания по паспорту станка;
© - круговая собственная частота резца;
©з - круговая собственная частота системы инструмента при наличии затухания;
f- собственная частота колебаний резца без сосредоточенных масс; fe - частота возбуждающей силы;
К1 - коэффициент, учитывающий колебания силы, связанные с наличием случайных возмущающих факторов, К1 = 0,05; t - текущее время;
Ьп - ширина паза или впадины на поверхности детали;
Тпр - период колебаний силы резания при прерывистом резании,
т = Ьп + Ьц
пр v
Zmax - максимальная амплитуда колебаний резца; и - допускаемая амплитуда колебаний режущей части резца; fnX - фактическое значение собственной частоты продольных колебаний державки резца;
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
105
Рис. 2. Блок-схема модуля выбора токарных резцов
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
106
Современные технологии - транспорту
fn1 - собственная частота продольных колебаний державки резца при учёте сосредоточенной массы Мпр;
F - площадь поперечного сечения державки резца;
APz - начальная амплитуда колебаний силы относительно установившегося значения Pz.
Анализ схем крепления режущих пластин, рекомендации авторов работ [1], [2], [4], математическая модель [3] и использование методики выбора токарных резцов, обеспечивающей безвибрационный процесс резания [1], дают возможность выбрать необходимые геометрические размеры для разработки конструкции державки инструмента, размеры сменного режущего блока, размеры и расположение контактных площадок, их физикомеханические характеристики и усилие закрепления режущего блока.
Заключение
Согласно приведённым выше математической модели [3], методике выбора режущего инструмента [1] и рекомендациям [1], [2], [4], на кафедре «Технология металлов» были разработаны виброустойчивые конструкции режущего инструмента для обточки элементов колёсной пары [7], [8]. Как показали испытания, данные конструкции, реализуя поглощение энергии колебаний за счёт сил трения, возникающих на опорах - контактных площадках, демпфирует ударное воздействие на режущую пластину. Это является главным фактором повышения стойкости к образованию сколов и выкрашиванию пластин. В связи с этим в проведённых испытаниях выход пластин из строя по причине их хрупкого разрушения снизился в 4,3 раза, а их стойкость увеличилась в 2,6 раза.
Библиографический список
1. Васин С. А. Прогнозирование виброустойчивости инструмента при точении и фрезеровании / С. А. Васин. - М.: Машиностроение, 2006. - 384 с.
2. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом / И. Г. Жарков. - Л.: Машиностроение, 1986. - 184 с.
3. Жуков Д. А. Формирование заданных качественных параметров профиля поверхности катания железнодорожного колеса при ремонте : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Д. А. Жуков. - Л.: ЛИИЖТ, 1990. - 25 с.
4. Лазарев Г. С. Автоколебания при резании металлов / Г. С. Лазарев. - М.: Высшая школа, 1971. - 243 с.
5. Дроздов Н. А. К вопросу о вибрациях станка при токарной обработке / Н. А. Дроздов // Станки и инструмент. - 1937. - №22. - С. 21-25.
6. Вейц В. Л. Вынужденные колебания в металлорежущих станках / В. Л. Вейц, В. К. Дондошанский, В. И. Чиряев. - М.: Машгиз, 1959. - 288 с.
7. Разработка конструкции режущего инструмента для восстановления профиля поверхности катания колёсных пар (применительно к колёсотокарным станкам ВРД «Тосно»): отчёт ЛИИЖТа / Руководитель темы И.А. Иванов. - №5. - № ГР 01860057517. - Л.: ЛИИЖТ, 1988. - 88 с.
2006/4
Proceedings of Petersburg Transport University
Современные технологии - транспорту
107
8. Совершенствование процесса резания, разработка и внедрение конструкции режущего инструмента для механической обработки железнодорожных колёс: отчёт ЛИИЖТ / Руководитель темы И. А. Иванов. - №505. - Инв. №01850044071. - Л.: ЛИИЖТ, 1987. - 182 с.
УДК 624.19 М. С. Коренева
ОБСЛЕДОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ НАКЛОННОГО ХОДА СТАНЦИИ «ПРИМОРСКАЯ»
Приводятся результаты анализа технического состояния наклонного хода станции «Приморская». Определены осадки тюбинговой обделки тоннеля, произошедшие как в первые годы эксплуатации, так и в настоящее время. Произведена оценка влияния возведенных зданий на напряженно-деформированное состояние эскалаторного тоннеля.
эскалаторный тоннель, напряженно-деформированное состояние, тюбинговая обделка, осадка обделки.
Введение
В 2005 году Санкт-Петербургский метрополитен отметил 50-летний юбилей со дня пуска первой очереди в 1955 году. На сегодняшний день он включает четыре линии метрополитена общей протяженностью 110 км с 59 станциями, 53 из которых - станции глубокого заложения.
По мере возрастания количества и увеличения возраста станций появляется все больше вопросов по содержанию и эксплуатации наклонных ходов, вестибюлей, тоннелей [1], [2]. В связи с этим ГУП «Петербургский метрополитен» в сотрудничестве с учеными ряда вузов, в том числе и Петербургского государственного университета путей сообщения, проводит большую работу по обследованию технического состояния объектов метрополитена.
Одной из основных целей обследований является прогнозирование устойчивости тоннельной обделки, разработка рекомендаций по ее поддержанию в безопасном состоянии с учетом инженерно-геологического строения участка и конструктивных особенностей объектов исследования.
1 Общие положения
В 2006 году в соответствии с договором подряда между Петербургским метрополитеном и сотрудниками кафедры «Прочность материалов и
ISSN 1815-588 X. Известия ПГУПС
2006/4
