Оценка эффективности технологического процесса шлифования рельсов в пути Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

2007

691.795.2

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

ШЛИФОВАНИЯ РЕЛЬСОВ В ПУТИ

Д-р техн. наук, проф. В. А. АКСЕНОВ, канд. техн. наук, доц. A.C. ИЛЬИНЫХ

Представлена новая методика оценки эффективности технологического прогресса шлифования рельсов в пути с учетом эксплуатационных свойств обработанной поверхности.

The new technique of efficiency estimation of a technological process in rails grinding in view of operation properties of the treated surface is presented.

Шлифование — современный технологический процесс восстановления служебных свойств рельсов в пути. Данный вид обработки рельсов применяется для удаления дефектов на поверхности головки рельсов и формирования требуемой геометрии профиля. При этом рельсошлифовальный поезд делает несколько проходов по одному участку пути. Стремление снизить число проходов объясняет существующий подход к выбору режимов шлифования и параметров абразивного инструмента, основанный на повышении производительности технологического процесса.

Эффективность технологического процесса должна определяться не только производительностью, но и эксплуатационными свойствами поверхности катания рельсов после механической обработки. Долговечность рельсов в значительной степени зависит от качества поверхности после шлифования. В свою очередь, параметры используемого абразивного инструмента и режимы механической обработки влияют на показатели качества обрабатываемой поверхности. Таким образом, оптимальные параметры абразивного инструмента и режимы его работы необходимо выбирать с учетом эксплуатационных свойств поверхности головки рельсов после шлифования. Выбранный инструмент и режимы его работы должны обеспечивать оптимальное сочетание производительности шлифования, величины эксплуатационного ресурса рельсов и затрат на эксплуатацию рельсошлифовального поезда.

Определение оптимального режима обработки рельсов на рельсошлифовальных поездах типа РШП-48 состоит в том, чтобы на основе физического состояния рельсов на момент их восстановления, параметров режущего инструмента, физических законов их взаимодействия в процессе обработки, кинематических и динамических возможностей оборудования, на котором будет производиться обработка, назначить такие глубину резания и подачу, которые обеспечат формообразование поверхности катания рельса в соответствии с техническими условиями и его эксплуатационными характеристиками. При этом частота вращения шлифовального круга принимается постоянной.

Функциональные связи между параметрами и показателями технологической операции являются техническими ограничениями режима резания и в совокупности

№1

составляют математическую модель оптимального режима обработки. Некоторые из технических ограничений снижают эффективность процесса обработки, поэтому их необходимо устранять путем внедрения различных технологических, конструктивных

и организационно-производственных мероприятий. Ограничения, влияние которых на

режимы торцового шлифования в настоящее время недостаточно изучено, не включаются в математическую модель, а учитываются при экспериментальной проверке запроек тированных режимов,

Ниже рассмотрены более подробно технические ограничения, влияющие на режимы обработки при шлифовании, в которых учтены и результаты исследований по влиянию качественных показателей обработанной поверхности на эксплуатационные свойства рельсов.

Ограничение 1. Устанавливает взаимосвязь расчетной величины подачи с подачей, допускаемой кинематикой рельсошлифовального поезда. Расчетная величина подачи не может быть меньше, чем минимальная подача поезда, и больше, чем максимальная подача, т.е. должны выполняться условия

^ * 51ШП,

«и

" — щах'

12)

Ограничение 2. Устанавливает взаимосвязь расчетных величин подачи, частоты вращения шлифовального круга и припуска на обработку с режимами, допускаемыми требованиями, предъявляемыми к шероховатости обработанной поверхности. Поэтому имеет место условие

Я7 >КУ> Ку

(4)

где Яг — шероховатость обработанной поверхности,

гг0,888 .0,402

Я? ~ 840,951 0;„ ,

п'

здесь 5 — подача (скорость поезда), / — глубина резания, п — частота вращения шлифовального круга.

Подставив (4) в неравенство (3) и решив его относительно параметров режима шлифования, получим выражения, ограничивающие процесс механической обработки по шероховатости поверхности,

£0,888^0,402 < ^гвцч П

840,95

£0,888^0,402 > п

840,95

(5)

(б)

Максимальное и минимальное значения шероховатости поверхности /?. устанавливаются в соответствии с требованиями к эксплуатационным характеристикам Ореши-но стойко сть, износостойкость, контактно-усталостная прочность) рельсов с проведенными испытаниями и нормативно-техническими требованиями.

Ограничение 3. Устанавливает взаимосвязь расчетных величин подачи, частоты вращения шлифовального круга и припуска на обоаботку с пежимями гтпт^™^..!*«. -т...

2007

бованиями, предъявляемыми к степени упрочнения поверхностного слоя обработанного металла, Это ограничение отражается неравенством

ТТтах у тт > ггтт 12 200 — 11200 ~ п 200 >

(7)

где Н — микротвердость поверхностного слоя,

^0,987^0,02 £.0,0159

Ы _ 1 ТАГ) _

•°200 ~~ 0 0185 '5

П '

(8)

где Н200н — исходная микротвердость поверхности рельса.

Подставив в неравенство (7) значение Нш из (8) и решив его относительно элементов режима резания / и получим выражения для третьего технического ограничения

Яшах 0,0185 < 200 П

1,369'

(9)

ггтт 0,0185 £10,0159^0,02 > 200

1,зб9я5;'

(10)

Пороговые значения микротвердостей в неравенствах (9) и (10) определяются также в соответствии с требованиями к эксплуатационным характеристикам рельсов.

Ограничение 4. Устанавливает взаимосвязь между режимами шлифования и мощностью двигателя привода шлифовального круга. Мощность шлифования не должна превышать номинальную мощность двигателя N с учетом коэффициента полезного действия привода г|, т.е. допустимая мощность шлифования будет

(11)

где

8,06(Л + г) 0<87 ы ог о,5е (12)

2 К(Я-г) р д д

здесь 5 — площадь контакта круга с обрабатываемой деталью (определяется в зависимости от угла наклона шлифовального круга); V — скорость шлифовального круга на перефирии; У3 — объем содержания зерна в шлифовальном круге, К. — объем содержания связки в шлифовальном круге, %; <2Д — интенсивность шлифования.

2л = лв,

(13)

(В— ширина дорожки шлифования).

Решая неравенство (11) относительно режимов шлифования I и с учетом (12) и (13)

получим четвертое техническое ограничение

в.ОбСЛ + О^'^-^ду"^0-5

(14)

Ограничение 5. Устанавливает взаимосвязь по жесткости привода шлифовального круга. Проверка по условию жесткости осуществляется через допустимую нормальную составляющую силы резания Р, величина которой в виде максимально допустимой осевой нагрузки указывается в паспорте.

№1

2007

р <р

* у — пасп?

(15)

Р^ЗШ^У^Ж^- (16)

Подставив (16) в неравенство (15) и решив относительно параметров режима шлифования, получим неравенство, ограничивающее процесс шлифования по жесткости привода,

Р

.0,22 гг0,22 ^_* пасп__/ | *7\

з г с Д кр

Ограничение 6. Устанавливает зависимость размерного износа круга от режимов шлифования, а также геометрических и структурных параметров шлифовального круга, т.е. имеет место неравенство

8 <8

а доп

(18)

Интенсивность износа шлифовального круга [мкм/мин] описывается выражением

8

5430^

в п(К2-г2)У^]9Ус2,76'

(19)

Подставив в неравенство (18) значение 8д из (19) и решив его относительно режимов резания, получим выражение для шестого технического ограничения в следующем виде:

0,19Т/2,76

с

' 8 - 543у0'09£!'42 • (20)

кр

На основе рассмотренных неравенств и уравнений должен быть выбран рациональный режим обработки в рамках заданных ограничений.

Для правильного выбора рационального режима обработки большое значение имеет выбор критерия оптимальности, т.е. того показателя, на основании которого оценивается принятое решение, В качестве такого показателя в наибольшей степени подходит производительность обработки, а за оценочную функцию можно принять уравнение машинного времени на единицу длины резания

1

/

0 Я

(21)

функции (21)

ведение будет наибольшим. Задача сводится к тому, что необходимо найти такие числа глубины резания ( и подачи которые отвечали бы всем без исключения неравенствам технических ограничений и произведение которых было бы максимальным. Для решения этой задачи применим метод линейного программирования.

Для анализа математической модели процесса механической обработки с использованием метода линейного программирования необходимо все неравенства технических ограничений и уравнение оценочной функции преобразовать в линейные формы.

Преобразовав неравенства технических ограничений (1), (2), (5), (6), (9), (10), (14),

функцию (21) в линейные формы, получим

следующего

№1

2007

х2 > 6, х2 <Ь2

0,402х, + 0,888х2 <Ъ. 0,402х, +0,888х2 0,02х, - 0,01 59х2 ъ, 0,02^-0,0159*2 >Ъ( 0,5х, + 0, 5х2 < Ь7

0,22х, + 0,22х2 < 68

1,42х, +1,42х, <к

(22)

/о ~ ^ )

тах

(23)

Решение системы линейных неравенств (22) совместно с оценочной функцией (23) позволяет рассчитать уточненные, оптимальные режимы шлифования, обеспечив требуе-

мый уровень шероховатости поверхности и микротвердости поверхностного слоя головки рельса, а следовательно, повышенные эксплуатационные характеристики,

Полученная математическая модель (22) представляет собой универсальную модель процесса резания металлов для всех схем плоского шлифования торцом круга и может быть использована для расчета режимов шлифования и их оптимизации, а также позволяет управлять уровнем эксплуатационных свойств рельсов в ходе их ремонта.

Для оценки эффективности процесса шлифования рельсов предложен критерий, связывающий долговечность рельсов после шлифования с режимами обработки и параметрами абразивного круга, который имеет следующий вид;

т

(.к

N

к

ЭФ

ш

1ткм /=1

(24)

гд$К

N

коэффициент увеличения долговечности рельсов после шлифования; С

сто-

имость капитального ремонта 1 км пути; т

число воздействий на рельсы шлифованием

км

за время эксплуатации от укладки в путь до смены; — время, приходящееся на шлифование одного километра для /-го воздействия с учетом подготовительно-заключительных работ и перенастройки оборудования между проходами;

К

N

шл

у

N

N

(25)

(мг

количество циклов до смены рельса по причине усталостного разрушения, N

количество циклов до смены рельсов без применения шлифования); С — себестоимость

1 часа обработки рельсов в пути шлифованием для /-го воздействия

С

/

и

1С

]

(26)

работы рельсошлифовального

ко-

личество элементов затрат).

№1

2007

При решении практических задач некоторая часть из слагаемых элементов себестоимости шлифования рельсов в пути для различных вариантов не изменяется. Переменная часть себестоимости определяется по формуле

Сп=Ск,(^ + (*-1)^)/тш, (27)

II] " Ш

где Скр — стоимость единицы объема шлифовального круга; к — требуемое количество технологических проходов на одном обрабатываемом участке; {)} — объем снимаемого металла соответственно на последнем и предварительных проходах; Кт , Кщ —средний коэффициент шлифования соответственно на последнем и предварительных проходах, равный отношению объемов снятого металла к объему израсходованного абразивного материала,

к = {(.„-1)1 Iй

(28)

(/ — величина припуска обработки головки рельса шлифованием; I — припуск, снимаемый на последнем проходе рельсошлифовального поезда; [п— припуск, снимаемый на предварительных проходах),

Величина / принимается в зависимости от толщины наклепанного слоя головки рельса и требуемой геометрии ремонтного профиля. Толщина наклепанного слоя зависит от наработки рельса после последнего воздействия шлифованием. Ремонтный профиль

выбирается в зависимости от износа А рельса

п- —

(29)

где N— число циклов после последнего воздействия; Ын — число циклов до износа на 1 мм;

тш=т /I,

(30)

здесь т — время «окна», Ь — длина участка, обрабатываемого за время окна,

1 1

^ = Тшлиф +

v v

(31)

где у, Vй—скорость поезда соответственно на последнем и предварительных проходах, тшлиф —время, затрачиваемое на процесс шлифования.

Тшлиф

""(Тпод + Тпром(^~1)+Тзак)5 (32)

льных работ рельсошлифовального поезда на перегоне (транспортировка к месту работ, приведение машины в рабочее положение, настройка рабочего оборудования); т — продолжительность работы, связанной с подготовкой рельсошлифовального поезда в промежутке между технологическими переходами (перена-

здесь т

под

стройка рабочего оборудования); т,.

ЗПК

работ рельсошлифоваль

поезда на перегоне (приведение машины в транспортное положение, выезд с перегона).

Таким образом, для оценки эффективности процесса шлифования рельсов важна связь между режимами резания (скорости поезда V\ мощности резания Р, частоты вращения шлифовального круга п) и величиной снимаемого припуска, коэффициентом шлифова-

т :

Ж

ш

т

т т

ч :/

№ 1 2007

ния, количеством циклов до усталостного разрушения рельсов и до износа рельсов на 1 мм. Шлифование рельсов проводится во время «окна» в движении поездов, когда нельзя заменить изношенный абразивный инструмент. Чтобы определить, нужно ли заменить шлифовальный круг до выезда рельсошлифовального поезда к участку работ в «окно», необходимо иметь связь стойкости инструмента Т с режимами механической обработки и параметрами абразивного инструмента, Также исходными данными к расчету является график шлифования рельсов в пути, время «окна» в движении поездов.

Разработаны методика и алгоритм расчета оптимальных режимов шлифования рельсов в мути на основе полученных зависимостей с целью обеспечения повышенной эффективности технологического процесса (рис. 1).

да

о

пи

ьд

гИ^Р.п)

г'-и^к-1)

БД

ТНТУ,Р,п)

К„и=Г(УД\п) Т>Г{\\Р,п)

'-т м»' т '

111' т

Г<1т)

^ т* »и К )(

К^Г(Куш )

К, ДГШ1К,)

к=к+1

Формирование тех пол отчее ко го процесса шлифования рельсов с составлением технологической

документации

Рис. 1. Алгоритм расчета оптимальных режимов шлифования на основе обеспечения повышенной

эффективности технологического процесса

№1

2007

Данная методика позволяет рассчитать максимальный коэффициент эффективности А"ЭФ для каждого из предложенных шлифовальных кругов. После этого выбирается инструмент, параметры которого обеспечили максимальное значение

Предложенная методика оценки эффективности технологического процесса шлифования рельсов в пути создает основу для разработки рекомендаций по выбору режимов механической обработки и параметров инструмента с учетом эксплуатационных свойств поверхности катания рельсов после механической обработки.