CC BY
53
УДК 629.423.31
Д. Ю. Белан
ПРИМЕНЕНИЕ ИННОВАЦИОННОГО МЕТОДА ОБРАБОТКИ ДЛЯ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА КОЛЛЕКТОРОВ
ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ
В данной статье рассматривается вопрос об использовании инновационной технологии - науглероживании медных пластин коллектора и устройства для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности коллектора тяговых электродвигателей. Для улучшения коммутационных характеристик и повышения надежности работы электрических машин постоянного тока предлагается использовать электроэрозионный метод обработки.
В настоящее время на сети железных дорог эксплуатируется более 70 тыс. тяговых электродвигателей (ТЭД) электровозов различных типов. За пределами установленных техническими условиями сроков службы находятся 65 % ТЭД. Около 95 % двигателей имеют срок службы более 15 лет. Это значит, что все ТЭД уже восстанавливались в объеме среднего и капитального ремонта на заводах. Одним из важнейших путей повышения эксплуатационной надежности локомотивного парка является постоянное совершенствование технологии и улучшение качества ремонта тяговых электродвигателей. Неисправности коллекторно-щеточного узла (КЩУ) составляют 10 - 15 % от общего количества отказов ТЭД электровозов [1]. Качество работы электрических машин во многом зависит от работы коллекторно-щеточного узла [2, 3]. Проблема повышения физико-механических и эксплуатационных свойств деталей машин подвижного состава, инструментов, приборов с помощью методов поверхностного легирования и упрочнения приобретает все большую актуальность. В настоящее время науке и технике известно более 100 методов поверхностного упрочнения и легирования, каждый из которых имеет свои оптимальные области применения. Все известные на сегодняшний день методы упрочнения поверхностей можно разбить на пять основных групп в зависимости от технологического приема изменения поверхностных или объемных свойств материала: 1 - образование тонких пленок на поверхности; 2 - высокоэнергетические методы, связанные с изменением химического состава и структуры поверхностного слоя; 3 - механическое воздействие на поверхность; 4 - объемное и поверхностное изменение структуры и свойств термообработкой; 5 - комбинированные методы [4]. Решение многих проблем развития современного производства было найдено на пути создания, разработки и совершенствования электрофизических и электрохимических методов обработки материалов. Данные методы основаны на использовании различных физико-химических процессов энергетического воздействия на заготовку для формообразования детали при обработке. Электрофизические и электрохимические методы обработки, связанные с удалением лишнего материала при формообразовании детали заданной формы и размеров, можно подразделить на пять основных групп, каждая из которых состоит из нескольких самостоятельных методов (рисунок 1).
Все перечисленные методы обработки характеризуются следующими общими преимуществами:
обрабатывают материалы с любыми физико-химическими свойствами при практической независимости режимов обработки от свойств материала;
выполняют обработку, невыполнимую или трудновыполнимую обычными механическими методами;
нет силового воздействия на заготовку при обработке, а при некоторых методах нет механического контакта между инструментом и заготовкой;
используют инструмент менее твердый и прочный, чем обрабатываемый материал;
имеют высокую производительность обработки при сравнительно высокой точности получения размеров;
легко автоматизируются и механизируются процессы обработки.
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба
0
14) 3
Рисунок 1 - Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки материалов
Прогрессивным подходом в настоящее время считается исследование, разработка и совершенствование технологий получения поверхностных слоев с заданными составом, структурой и, соответственно, с требуемыми свойствами. При этом необходимо учитывать, что решающее значение при формировании структуры слоя имеют энергетическая способность взаимодействия насыщающего элемента, физико-химическая природа насыщающей среды и механизм фазовых превращений [4, 5].
Рисунок 2 - Установка для комплексной обработки коллектора электрической машины: 1 - якорь электрической машины; 2 - коллектор; 3 - генератор импульсов; 4 - держатели угольных электродов; 5 - направляющие угольных электродов; 6 - угольные электроды; 7 - электродвигатель; 8 - коробка подач; 9 - стойка; 10 - суппорт продольного перемещения; 11 - кулачковый патрон; 12 - задняя бабка; 13 - коробка скоростей; 14 - мотор-редуктор; 15 - станина
Новые методы обработки изменяют не только технологию ремонта коллектора тягового электродвигателя, но и геометрию деталей, способствуют созданию инновационной компо-
0
ИЗВЕСТИЯ Транссиба 3
зиционной структуры рабочей поверхности коллектора электрической машины постоянного тока (ЭМПТ) и новых конструкций машин и приборов.
Наиболее перспективным является электроэрозионный метод обработки. При электроэрозионной обработке используется энергия электрических разрядов, возбуждаемых между электродом-инструментом и электродом-заготовкой. За основу предлагаемого метода создания углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора принята электроискровая обработка (ЭИО) (см. рисунок 2).
Формирование углеродистого слоя происходит в результате сложных плазмохимиче-ских, теплофизических и механотермических процессов, реализуемых на микролокальных участках воздействия единичного искрового разряда. В результате на поверхностях анода и катода образуются локальные очаги плавления и испарения, вызывающие их электрическую эрозию и взаимный массоперенос, а именно, к поверхности пластин подводятся угольные электроды, на которые через генератор импульсов подается напряжение и благодаря полярному эффекту, связанному с преимущественным переносом эродируемого материала анода на катод, на поверхности последнего формируется тонкое покрытие с определенными физико-химическими и механическими свойствами. На данное устройство для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора получен патент на полезную модель № 121659 [6].
Поскольку при электроискровой обработке в зоне обработки реализуется значительная тепловая энергия, на обработанной поверхности образуется новая композиционный слой (с измененной структурой), толщина которого зависит от режимов обработки (рисунок 3).
В общем случае связь любого технологического параметра П с режимами отработки может быть выражена структурной формулой (1):
Углерод
П_К • Iх •иу • с2,
(1)
где I - рабочий ток; и - напряжение между электродами; С - емкость конденсатора в схеме; k -коэффициент, зависящий от условий проведения процесса; х, у, г - показатели степени, определяющие законы изменения режимов процесса.
Частота f импульсов определяется заданной скважностью q и длительностью Т импульсов и показывает, какое количество импульсов подается в единицу времени:
1 _
д • Т ~ Т
Г _
(2)
Рисунок 3 - Композиционная структура контактного элемента коллекторной пластины тягового электродвигателя: 1 - верхний слой; 2 - диффузионная зона; 3 - зона термического влияния; 4 - основной металл; Ь, ^ 1 - ширина, длина и глубина контактного элемента
При электроэрозионной обработке используется диапазон частот 100 - 2000 Гц. В зависимости от емкости накопителя С и подводимого к
разрядному промежутку напряжения и шероховатость обработанной поверхности определяется по выражению (2):
_ к • С13 • и 23
(3)
где Да - критерий шероховатости по ГОСТ 2789-59.
Результат данных расчетов представлен зависимостью шероховатости науглероженной поверхности от напряжения и глубины науглероженного слоя от напряжения (рисунок 4).
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
0
№ И
12
и.В
Рисунок 4 - Номограмма зависимости шероховатости науглероженной поверхности от напряжения и
глубины науглероженного слоя от напряжения
Параметры импульсов тока, используемые в процессе, определяют технологические характеристики электроискровой обработки (производительность, качество обработанной поверхности, точность обработки, обрабатываемость различных материалов). Преимущества ЭИО перед другими методами обработки: высокие точность обработки и качество обработанной поверхности, незначительная глубина дефектного слоя, возможность сравнительно легкой автоматизации и механизации процесса и изменения режимов обработки в широких пределах.
Электроискровая обработка обеспечивает довольно высокое качество обработанной поверхности (рисунок 5).
-
1 2 3 А 5 6 7 8 9 10 11 1! 13 11 15 16 17 13 13 20 21 22 В Ф 25
Рисунок 5 - График зависимости шероховатости поверхности от разрядного промежутка напряжения и
емкости накопителя генератора импульсов
134) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
Значение шероховатости материала рабочей поверхности коллектора ТЭД после обработки достигает порядка 0,3 мкм при регламентированной технологическим процессом ремонта 3,2 мкм. Исходя из изложенного выше осуществляется выбор генератора импульсов. Наиболее подходящим является высокочастотный транзисторный генератор импульсов типа ГТИ-3.
Таким образом, использование предлагаемой инновационной технологии ремонта тяговых электрических машин и установки для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора позволит повысить износостойкость рабочей поверхности коллектора, улучшить физико-механические и эксплуатационные свойства рабочей поверхности коллектора, что приведет к увеличению ресурса работы электрической машины постоянного тока.
Список литературы
1. Анализ технического состояния электровозного парка по сети железных дорог России за 2009 год [Текст] / Департамент локомотивного хозяйства ОАО «РЖД». М., 2009. - 77 с.
2. Харламов, В. В. Диагностирование состояния коммутации коллекторных электродвигателей с использованием прибора ПКК-5М [Текст] / В. В. Харламов, П. К. Шкодун, А. П. Афонин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. -№ 3 (7). С. 52 - 57.
3. Авилов, В. Д. К вопросу о повышении коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин постоянного тока [Текст] / В. Д. Авилов, П. Г. Петров, Е. М. Моисее-нок // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 2 (2). -С. 2 - 6.
4. Белан, Д. Ю. Повышение надежности работы коллекторно-щеточного узла тяговых электродвигателей [Текст] / Д. Ю. Белан, В. М. Лузин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 4 (4). - С. 6 - 11.
5. Гадалов, В. Н. Локальное избирательное нанесение электрофизических покрытий на металлообрабатывающий инструмент [Текст] / В. Н. Гадалов, Д. Н. Романенко, И. М. Горякин // Упрочняющие технологии и покрытия. - 2008. № 4. - С. 20 - 24.
6. Пат. 121659 Российская Федерация, МПК Н 01 R 43/06. Устройство для формирования углеродистого слоя на рабочей поверхности медных пластин коллектора [Текст] / Белан Д. Ю., Ражковский А. А., Волошин А. С., Логвиненко А. А.; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2012119539/07; заявл. 11.05.12; опубл. 27.10.12. Бюл. № 30.
УДК 629.46:629.4.027.23
А. О. Бельский
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ ЛИТОЙ И СВАРНОЙ БОКОВЫХ РАМ ТРЕХЭЛЕМЕНТНЫХ ТЕЛЕЖЕК ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ
В статье выполнен анализ конструкции литой и сварной боковых рам трехэлеметных тележек. Рассмотрены направления дальнейшего совершенствования конструкции боковой рамы тележки.
В последнее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» сложилась крайне неудовлетворительная ситуация, связанная с эксплуатацией тележек грузовых вагонов [1, 2]. С 2002 по 2011 г. включительно произошло 89 изломов боковых рам тележек грузовых вагонов. При этом число изломов боковых рам из года в год постоянно увеличивается (рисунок 1).
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
14) 3
6
