CC BY
104
ГРНТИ 55.41.13; 55.16.17
В. В. Вайнорюте1, И. Н. Дычко2, А. В. Богомолов3
'магистрант, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан;
2магистр, ТОО «Проммашкомплект», г. Экибастуз, 141200, Республика Казахстан; 3к.т.н., ассоц. профессор, доцент, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар, 140008, Республика Казахстан e-mail: '[email protected]; 2 [email protected]; 3 [email protected]
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАГОТОВКИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС НА БАЗЕ ТОО «ПРОММАШКОМПЛЕКТ»
Описана целесообразность организации производства железнодорожных колес в Казахстане, их конструкция и эксплуатационные особенности. В основной части проведен анализ технологических схем производства заготовок для железнодорожных колес на зарубежных предприятиях, рассмотрено оборудование, используемое в технологическом процессе.
Отмечено, что общей для всех производителей колес является технологическая схема, включающая выплавку стали, получение и резку непрерывнолитой заготовки на исходные заготовки, их нагрев и удаление окалины, осадку, штамповку, прокатку и калибровку чернового колеса на прессопрокатной линии, термообработку (закалка и отпуск), механическую обработку, отделку и приборный контроль качества колес, покраску и отгрузку готовой продукции. Исходя из анализа технологических схем производства железнодорожных колес обоснована технология, которая будет осуществляться на ТОО «Проммашкомплект».
Ключевые слова: заготовка, железнодорожное колесо, производство, технология, деформация, технологическое оборудование, конкурентоспособная продукция.
ВВЕДЕНИЕ
Республика Казахстан имеет большую территорию и большое количество производственных площадок, удаленных друг от друга. В связи с этим объем грузовых перевозок железнодорожным транспортом возрастает, так как является основным. Колесо, входящее в состав железнодорожного транспорта, наиболее подвержено изнашиванию, так как все время вступает во взаимодействие по контактным поверхностям с рельсом, следовательно, организация производственного процесса получения заготовок железнодорожных колес имеет особую актуальность. Так же это экономически целесообразное решение, так как колеса, используемые для казахстанского железнодорожного транспорта, закупаются из-за рубежа, что приводит к утечке финансов из страны, а организация производства в Казахстане не только будет обеспечивать отечественный рынок качественной железнодорожной продукцией, но и привлечет зарубежных покупателей.
Железнодорожное колесо, несмотря на отличия, вызванные конструкцией вагонов и локомотивов, сложившимися производством и условиями эксплуатации, имеет три основных элемента: ступицу, диск и обод. Часть поверхности обода, контактирующая с рельсом, называется поверхностью катания. Различают
внутреннюю поверхность колеса, расположенную со стороны гребня, и наружную. Преимущественно колеса изготовляют цельными, но они могут быть и составными. Колеса большого диаметра для локомотивов из-за недостаточной мощности производственного оборудования имеют бандажированный обод. Цельные колеса более надежны в эксплуатации и более экономичны. Конструктивная прочность колес зависит от профиля поверхности катания. Железнодорожное колесо помимо конструкции и размеров различается по маркам стали (1, 2, Т, С и Л), классу точности (1, 2), степени разрешения ультразвукового контроля при выявлении внутренних дефектов и неметаллических включений (А, В и С), а также полнопрофильной механической обработки (П) и балансировки колеса (Б). Точность размеров колеса, чистота поверхности, уровень механических свойств и технологических испытаний регламентированы стандартами, например, ГОСТ 10791-2011 [1].
С целью повышения работоспособности колеса при динамических и знакопеременных нагрузках диск колеса, соединяющий обод и ступицу, изготавливается плоскоконическим (рисунок 1 а), либо криволинейным, S-образным (рисунок 1 б). Высокая точность размеров колеса и чистота поверхности достигаемы при полнопрофильной механической обработке (таблица 1) способствуют повышению их долговечности. Характеристики качества в основном определяют долговечность колеса в определенных условиях эксплуатации (таблица 2).
т*3
(а) (б)
Рисунок 1 - Колесо цельнокатаное с плоскоконическим (а) и криволинейным (б) диском диаметром по кругу катания 957 мм
Таблица 1 - Классы точности и допуски размеров железнодорожного колеса
Элемент колеса Показатели Обозначение Поле допуска размеров (мм) колес для классов точности изготовления
1 2
Диаметр по кругу катания D 8 14
Диаметр внутренней поверхности обода с наружной стороны колеса dh 5 10
Диаметр с внутренней поверхности обода с внутренней стороны Db 5 10
Ширина В 2 3
Обод Высота гребня h r 1 1
Коробление - 0,3 0,4
Развал - 0,3 0,5
Поднутрение - 0,3 0,5
Разность значений толщины по периметру колеса - 1 2
Отклонение от круглости по кругу катания - 0,1 0,25
Диаметр наружной поверхности ступицы с наружной стороны колеса Dc.h. 4 6
Диаметр наружной поверхности ступицы с внутренней стороны колеса Dc.b. 4 6
Диаметр отверстия d 4 4
Длина Вс 2 10
Ступица Расстояние от торцевой поверхности ступицы до боковой поверхности обода с внутренней стороны колеса r 2 5
Разностенность по периметру колеса - 2 4
Отклонение параллельности плоскостей - торцевой поверхности ступицы относительно боковой поверхности обода с внутренней стороны колеса - 1,5 2,5
Эксцентриситет отверстия относительно круга катания колеса - 0,5 1
Толщина у обода Вд.о. 2 4
Диск Толщина у ступицы Вд.с. 2 6
Разность значений по периметру колеса - 1 2
Таблица 2 - Условия эксплуатации колес
Максимальная расчетная осевая нагрузка кН(тс) Констркционная скорость железнодорожного подвижного состава Vк, км/ч Конструкция колес вагонов локомотивной тяги, немотороных вагонов электро-и дизель-поездов
Vк<120 120<Ук<160 160<Ук<200 Vк>200
1 2 3 4 5 6
Колеса грузового железнодорожного подвижного состава
230,5 (23,5) вТ2 - - - А.1**
245,3 (25,0) В72 - - - (А.2, А.3, А.4) **
264,9 (27,0) в72 - - - А.2, А.3, А.4) **
294,3 (30,0) вТг - - - А.2, А.3, А.4) **
Колеса для пассажирского железнодорожного подвижного состава
245,3 (25,0) 1.2.Л 1.Л* 1.Л* Vк<160км/ч (А.2, А.3, А.4) ** Vк>160км/ч А.1**
В, 2 А, 1, П, Б А, 1, П, Б
Примечание: * Допускается применение стали других марок по специальным техническим условиям.
** Допускается применение колес других конструкций по специальной конструкторской документации.
Примечания:
1 В числителе приведены допускаемые марки стали, в знаменателе - категория по внутренним дефектам, выявляемым при УЗК, загрязненности неметаллическими включениями, класс точности изготовления и виды дополнительной обработки колес.
2 По требованию заказчика полнопрофильной механической обработке также могут подвергать колеса для грузового и пассажирского железнодорожного подвижного состава с конструкционной скоростью до 160 км/ч.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Общей для всех производителей колес является технологическая схема, приведенная на рисунке 2, включающая выплавку стали, получение и резку непрерывнолитой заготовки на исходные заготовки, их нагрев и удаление окалины, осадка, штамповка, прокатка и калибровка чернового колеса на прессопрокатной линии, термообработка (закалка и отпуск), мехобработка, отделка и приборный
контроль качества колес, покраска и отгрузка готовой продукции. Могут применяться дополнительные упрочняющие операции [3-5].
Рассмотрим технологические схемы деформации и состав оборудования на прессопрокатных линиях некоторых предприятий [6-12].
1 Bonatrans (Чехия)
На заводе установлено оборудование английской фирмы «Davy and united engineering» (Рисунок 2). Прессопрокатная линия этой фирмы включает три пресса и колесопрокатный стан горизонтального типа. На предприятии используются прессы с нижним расположением рабочих цилиндров.
Рисунок 2 - схема деформации заготовок на заводе фирмы Вопа1хаш: 1 - заготовка; 2 - осадка; 3 - штамповка; 4 - прошивка отверстия;
5 - прокатка; 6 - выгибка диска и калибровка
На первом прессе усилием 85 МН осаживают и формуют колесную заготовку. Пресс - гидравлический с четырьмя рабочими цилиндрами, оснащен гидравлическим мультипликатором; рабочая жидкость - вода с эмульсолом. В зависимости от давления поступающей в мультипликатор воды пресс развивает усилие 56 или 85 МН.
На прессе выполняют две технологические операции: осадку заготовки с одновременной разгонкой металла центральной зоны и формовку заготовки с образованием ступицы и примыкающей к ней части диска. Для выполнения указанных операций пресс оборудован двумя скользящими плитами. Верхняя плита снабжена двумя штамподержателями, а нижняя - двумя столами. На первом столе установлена плоская обжимная плита, а на первом штамподержателе -коническая обжимная лита (калибровочного кольца нет), на втором столе и втором штамподержателе - нижний и верхний формовочные штампы. Пресс обеспечивает производительность 80 колес в час. С помощью выталкивателя и манипулятора заготовку снимают с пресса и по рольгангу передают на прошивной пресс. Последний имеет нижний рабочий цилиндр и способен развивать усилие 10 МН.
Заготовку с прошитым отверстием опускают на рольганг, о которому ее подают к колесопрокатному стану. Стан (рисунок 3) семивалковый, горизонтального типа. Мощности индивидуальных приводов наклонных валков по 300 кВт, а главного привода 110 кВт.
Рисунок 3 - схема расположения валков стана фирмы Bonatrans: 1 - холостые валки; 2 - наклонные приводные валки;
3 - два направляющих холостых ролика; 4 - главный приводной валок
После прокатки разгрузочное устройство, аналогичное загрузочному, захватывает колесо и передает на тележку, транспортирующую его к выгибному прессу. Выгибной пресс усилием 20 МН гидравлический, имеет мультипликатор. На этом же прессе, происходит клеймение колес. После выгибки и клеймения колесо с помощью крюка, подвешенного к подвижной траверсе пресса, перекладывается на тумбу (второй стол на подвижной плите пресса), откуда поворотным краном транспортируется на склад, где собранные в стопы колеса медленно охлаждаются на воздухе. Производительность всей установки «Bonatrans» составляет 80 колес в час. Однако точностные характеристики колес, поступающих с прессопрокатной линии, довольно низкие. Эксцентриситет ступицы доходит до 10 мм, а припуски на ее обработку - до 20 мм. При этом колеса, как правило, приходится последовательно обрабатывать по всем элементам.
2 Sumitomo Metal Industries & Nippon Steel (Япония)
Прессопрокатная линия имеет в своем составе гидравлический пресс двойного действия с подвижными столами, на котором производится предварительная и окончательная штамповка, колесопрокатный стан вертикального типа и калибровочно-выгибной пресс (рисунок 4).
Отличительной особенностью технологии является применение сферодвижной штамповки (рисунок 5, а и 5, б) в операциях калибровки. Особенностью сферодвижной штамповки является вращение нижнего штампа и колебательное движение верхнего штампа за счет того, что ось его отклонена на угол В относительно оси нижнего штампа. Преимуществами технологии является повышение точности параметров процесса. Этот процесс был опробован на отдельно стоящем прессе, но в прессопрокатной линии не был освоен.
2
V Вертикально колдаприкд гаы[| lníh
Рисунок 4 - технологическая схема получения чернового колеса на Sumitomo Metal Industries & Nippon Steel
(а) (б)
Рисунок 5 - Общая схема сферодвижной штамповки (а) и реализация на калибровочно-выгибном прессе (б)
3 Нижнеднепропетровский трубопрокатный завод (Украина) и Выксунский металлургический комбинат (Россия)
Производителем оборудования является ОАО «Уралмашзавод». Схема деформации, принятая на этих линиях следующая (рисунок 6): предварительная осадка заготовки на гладких плитах производится на отдельном прессе усилием 20 МН. Окалина, опавшая с боковых поверхностей, сбивается, а заготовка передается на пресс усилием 50 МН, где ее осаживают гладкими плитами в плавающем калибровочном кольце, затем калибровочное кольцо специальным механизмом центруют. Одновременно рычажным механизмом подводят пуансон, и вторым ходом пресса осуществляют разгонку. Заготовку выталкивают из кольца на пресс усилием 10 МН, где осуществляют ее формовку. Штампованную поковку центрируют по наружной боковой поверхности специальным механизмом.
Прессы выгодно отличаются от предыдущих тем, что в процессе работы их столы не имеют горизонтальный перемещений, заготовки укладывают на нижние столы прессов и снимают с них после завершения деформации специальными механизмами-манипуляторами. Это облегчает настройку прессов и обеспечивает
повышение точности размеров колес. Разгрузка пресса 50 МН от предварительной осадки и разгонки заготовки обеспечивает повышение производительности всей линии на 15-20 %. Далее заготовку предают на колесопрокатный стан и производят ее раскатку. Стан шестивалковый. Обладает рядом технологических преимуществ. Высокая прочность и жесткость рабочей клети позволяет прокатывать тяжелые колеса при пониженной температуре и повышенном сопротивлении деформации. Положительным является индивидуальный привод у всех трех приводных валков, а также стационарное положение каретки с наклонными валками. Подвижными являются приводной и холостой коренные валки, смонтированные на другой каретке. Важной особенностью стана является установка нажимных валков на отдельных штангах, что позволяет им во время прокатки занимать такое положение по поверхности катания колеса, которое обеспечивает равномерное распределение обжатий и соответственно усилий.
Выгибку диска, калибровку колеса и прошивку центрального отверстия осуществляют на прессе двойного действия усилием 35 МН. Здесь же наносят на колеса клейма. Пресс усилием 35 МН позволяет не только откалибровать обод по ширине и по внутреннему диаметру, но и в определенной мере уменьшить эксцентричность ступицы относительно обода. Заготовки к агрегатам и от них транспортируются по рольгангу. Наряду с указанными преимуществами линий имеются некоторые технологические недостатки. На формовочном прессе наиболее загрязненная ликватами зона металла перемещает в ступицу и даже в диск.
Рисунок 6 - Схема деформации заготовок на прессопрокатных линиях Нижнеднепропетровского трубопрокатного завода и Выксунского металлургического комбината: 1 - заготовка; 2 - свободная осадка; 3 - осадка в кольце; 4 - разгонка; 5 - штамповка; 6 - прокатка; 7 - выгибка диска и калибровка; 8 - прошивка отверстия
Неравномерное заполнение калибровочного кольца на прессе усилием 50 МН, неточное центрование заготовки на прессе усилием 100 МН, неравномерный нагрев заготовки и другие причины приводят к эксцентричному расположению ступицы относительно обода. Недостатком оборудования прессопрокатной линии является длительная замена узлов и деталей, вышедших из строя и существенное увеличение продолжительности перевалок, особенно при переходе с одного типоразмера на другой, что затрудняет освоение производства колес широкого сортамента.
Основные недостатки рассмотренных вариантов технологии и оборудования сводятся к следующему:
- неравномерность нагрева заготовки по сечению и высоте;
- неточность размеров заготовки, получаемой при разрезке слитка;
- отсутствие соосности инструмента деформации на прессах, особенно на прессах с перемещающимися столами;
- прокатный стан горизонтального типа не обеспечивает устойчивого положения колеса в процессе прокатки, а окалина на диске и ободе с передней стороны колеса вкатывается в металл;
- использование манипуляторов не обеспечивает точной укладки заготовки в штамп.
Технологические схемы производства черновых колес и состав оборудования прессопрокатных линий имеют две тенденции, отличающиеся количеством штамповочных прессов. Первая из них основана на максимально возможном разделении прессовых операций и выполнения их на отдельных прессах. В составе прессопрокатной линии, разработанной ОАО «Уралмашзавод», применяются четыре пресса усилием 20 МН, 50 МН, 100 МН, 35 МН. Это позволяет операции осадки, калибровки и разгонки, окончательной штамповки, выгибки диска и калибровки выполнять на специализированных прессах и достигать максимальной производительности. Вторая тенденция связана с уменьшением количества прессов до двух (SMS-EUMOCO). На первом прессе усилием 95 МН осуществляют осадку, предварительную и окончательную штамповки, а на втором - выгибку диска и калибровку чернового колеса. Производительность таких линий меньше, чем у предыдущего типа, но зато снижаются эксплуатационные расходы [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18].
ВЫВОДЫ
Исходя из анализа технологических схем производства железнодорожных колес можно сделать вывод, что для получения годной продукции, отвечающую всем требованиям качества и безопасности, важны следующие факторы:
- устойчивые показатели производственного процесса;
- оптимальные режимы деформации;
- высокотехнологичное оборудование.
Предлагаемая технология, которая будет осуществляться на ТОО «Проммашкомплект», включает следующие операции:
- приемка и порезка непрерывнолитой заготовки на мерные длины;
- нагрев в кольцевой печи;
- деформация на прессе усилием 10000 т.с. включающая две операции -осадка и формовка;
- раскатка на вертикальном колесопрокатном стане;
- калибровка и прошивка отверстия ступицы на прессе усилием 5000 т.е.;
- маркировка на маркировочном прессе;
- замер размеров продукции на лазерной установке измерения геометрических параметров;
- термическая обработка продукции.
Данная технология при правильной калибровке оборудования и подборе устойчивых показателей производственного процесса, позволит получать конкурентоспособную продукцию, которая не только заполнит отечественный рынок, но и будет пользоваться спросом за рубежом.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. ГОСТ 10791-2011. Колеса цельнокатаные, технические условия. -В 2012-01-01. - М. : Стандартинформ, 2011. - 27 с.
2 Харрис, У. Дж. Обобщения передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса: пер. с англ. / У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен [и др.]. - М. : Интекст, 2002. - 408 с.
3 Kanayev, А. Т. Overall hardening of solid-rolled wagon wheels by volume quenching and surface plasma processing / Kanayev A., Sarsembayeva T., Bogomolov A. // Solid State Phenomena. - 2017. - Т. 265 SSP. - P. 706-711.
4 Канаев, А. Т. Исследование структурообразования в гребнях колесных пар, упрочненных плазменной закалкой / Канаев А. Т., Кусаинова К. Т., Богомолов А. В. // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2012. - № 12. - С. 48-51.
5 Kanaev, A. T. Improving the wear resistance of wheel-pair rims by plasma quenching/ Kanaev A. T., Sarsembaeva T. E., Bogomolov A. V. // Steel in Translation. 2012. - Т. 42. - № 6. - P. 544-547.
6 Богатов, А. А. Механические свойства и модели разрушения металла // Екатеринбург : УГТУ-УПИ, 2002. - 329 с.
7 Шифрин, М. Ю. Резервы производительности и выхода годного при прокатке колес // Металлургия, 1989. - 144 с.
8 Шифрин, М. Ю. Производство цельнокатаных колес и бандажей / М. Ю. Шифрин, М. Я. Соломович. - М. : Металлургиздат, 1982. - 672 с.
9 Данченко, В. Н. Оптимизация технологической схемы двухпроходной горячей штамповки железнодорожных колес / В. Н. Данченко, А. В. Шрамко, А. В. Ашкелянец [и др.] // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. - 2010. - № 4. - С. 27-30.
10 Паршин, В. А. Исследование операции формовки при производстве железнодорожных колес / В. А. Паршин, О. А. Ганаго // Материалы к II конференции молодых научных работников г. Нижний Тагил. Металлургическая секция. - Свердловск : Сред.-Урал. кн. Изд-во, 1969. -С. 98-107.
11 Бибик, Г. А. Производство железнодорожных колес за рубежом // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информаци. -1977. - № 16. - С. 19-36.
12 Шрамко, А. В. Исследование причин образования зажимов при многопереходной штамповке полнопрофильных заготовок железнодорожных колес / А. В. Шрамко, Л. В. Голубева, В. Н. Данченко [и др.] // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 2010. - № 4. - С. 50-52.
13 Фукуда, С. Технология прокатки колес для электровозов в Японии // Дэнки киканся. - 1974. - № 219. - С. 15-22.
14 Кушнарев, А. В. Модернизация производства железнодорожных колес на Нижнетагильстком металлургическом комбинате / А. В. Кушнарев, А. А. Киричков, В. А. Камардин, А. Р. Иваницкий // Заготовительные производства в машиностроении. - 2006. - № 7. - С. 33-35.
15 Коперс, У. Производство железнодорожных колес на высоком техническом уровне / У. Коперс, М. Кунц, М. Линденблан // Черные металлы. - 2006. - № 3. - С. 75-79.
16 Коперс, У. Новый стан для прокатки железнодорожных колес // Черные металлы. - 1993. - № 6. - С. 40-43.
17 Патент 2404009 Российская Федерация, МПК В 21 Н 1/04, В 21 К 1/28. Способ изготовления цельнокатаных железнодорожных колес / Р. А. Кушнарев,
A. А. Богатов, А. А. Киричков [и др.] - № 2008115847/02; опубликовано 20.11.2010.
18 Kushnarev, A. A Introduction of wheel production on a new pressing and rolling line / A. V. Kushnarev, A. A. Kirichkov, V. D. Shestak [etc.] // Steel in Translation. - 2010. - T. 40. - № 12. - Р. 1098-1100.
Материал поступил в редакцию 14.02.18.
B. В. Вайнорюте1, И. Н. Дычко2, А. В. Богомолов3
«Проммашкомплект» ЖШС-нщ базасында тем1ржол до^алактарына арналFан дайындама алу технологиясын эз1рлеу
1,3С. ТораЙFыров атындаFы Павлодар мемлекетлк университет^ Павлодар к., 140008, Казахстан Республикасы.
2 «Проммашкомплект» ЖШС, Еюбастуз к., 141200, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 14.02.18 тYстi.
V. V. Vainoryute1, I. N. Dychko2, A. V. Bogomolov3
Development of production technology for railway wheels billets based on LLP «Prommashkomplekt»
1,3S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan.
2LLP «Prommashkomplekt», Ekibastuz, 141200, Republic of Kazakhstan.
Material received on 14.02.18.
Мацалада Щазацстанда темiржол доцгалактардыц eHdipiciH уыймдастыру орътдылыгы, конструкциясы жэне цолдану ерекшелiктерi сипатталган.
Басты бвлiмде темiржол доцгалацтары ушт дайындамаларды шетел кэсторытдарда eHdipydщ технологиялыц сызбаларыныц талдауы жасалган жэне технологиялыц процесте цолданылатын жабдыцтары царастырылган.
The article describes the feasibility of the organization of railway wheels production in Kazakhstan, their design and operational features. In the main part the analysis of technological schemes of biletts production for railway wheels at the foreign enterprises is carried out, the equipment used in technological process is considered.
