close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Прогнозирование ресурса и совершенствование технологии ремонта колес железнодорожного подвижного состава

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВОРОБЬЕВ
Александр Алфеевич
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РЕСУРСА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ РЕМОНТА КОЛЕС ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Санкт-Петербург
2018 г.
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего образования «Петербургский
государственный университет путей сообщения Императора Александра I»
на кафедре «Технология металлов»
Научный консультант:
ИВАНОВ ИГОРЬ АЛЕКСАНДРОВИЧ
Доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
КОССОВ ВАЛЕРИЙ СЕМЕНОВИЧ
Доктор технических наук, профессор, Генеральный директор Акционерного
общества «Научно-исследовательский и конструкторско-технологический
институт подвижного состава» (АО "ВНИКТИ"), г. Коломна
ПЕТРОВ ГЕННАДИЙ ИВАНОВИЧ
Доктор технических наук, профессор, Заведующий кафедрой "Вагоны и
вагонное хозяйство" ФГБОУ ВО Российский университет транспорта (МИИТ),
г. Москва
ЩЕРБАК ПЕТР НИКОЛАЕВИЧ
Доктор технических наук, профессор кафедры ФГБОУ ВО «Путь и путевое хозяйство» Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС),
г. Ростов-на- Дону
Ведущая организация:
ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный университет
путей сообщения» г. Хабаровск
Защита состоится «18» октября 2018 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.05 на базе ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» по адресу: Россия, 190031. Санкт-Петербург, Московский пр., д.9. ауд. 5-407.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке и на
сайте ФГБОУ ВО ПГУПС (www.pgups.ru). Автореферат размещен на сайте Минобрнауки России (www.vak.ed.gov.ru).
Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим
направлять в адрес ученого совета университета.
Автореферат разослан «18» июля 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к.т.н., доцент
Андрей Михайлович
Евстафьев
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность. В настоящее время железные дороги выполняют важнейшую роль в отечественной транспортной системе общего пользования. Роль
железнодорожного транспорта в России значительно больше, чем в других станах мира и определяется рядом постоянных специфических факторов, которые
учитываются при разработке прогнозов объемов перевозок. К таким факторам
можно отнести беспрецедентные сухопутные расстояния, удаленность сырьевых баз от промышленных центров, практическое отсутствие внутренних морских путей сообщения, соединяющих крупные промышленные центры и др.
Компания ОАО "РЖД" является крупнейшим системообразующим элементом российской экономики, важнейшим звеном транспортной системы
страны, осуществляющим более 40% грузооборота и свыше 35% пассажирооборота транспорта общего пользования в России.
Среди приоритетных задач, определяющих инновационное развитие ОАО
"РЖД", определенных Стратегией развития железнодорожного транспорта в
Российской Федерации до 2030 года, утверждённой распоряжением Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 г. № 887-р, а также в соответствии с
программой "Транспортная стратегия Российской Федерации на период до 2030
года", утвержденной распоряжением Министерства транспорта Российской Федерации №1032-р от 11 июня 2014 г. и внутренними нормативными документами общества – Стратегическими направлениями научно-технического развития
ОАО "РЖД" (Белая книга ОАО "РЖД") и Концепцией единой технической политики холдинга "РЖД", следует отметить обеспечение установленных эксплуатационно-технических требований к надежности грузовых вагонов нового поколения с нагрузкой на ось до 30 т.
Таким образом, задачи, стоящие перед железнодорожной отраслью, в той
или иной степени отражаются на проблеме взаимодействия колеса и рельса, а
также на совершенствовании технологии ремонта колес железнодорожных вагонов.
Степень разработанности. Теоретическая и методологическая основа
1
диссертации в части прогнозирования ресурса базируется на работах таких
ученых как: Алехин С.В., Андриевский С.М., Асадченко В.Р., Бабич Ю.А.,
Богданов В.М., Богданов А.Ф., Бороненко Ю.П., Буйносов А.П. Вихрова А.М.,
Голубенко С.И., Горский А.В., Григоренко В.Г., Губенко С.И., Глушко М.И.,
Горский А.В., Девяткин В.П., Джоули Р., Есаулов В.П., Захаров С.М.,
Иванов И.А., Калкер Дж., Картер Ф., Коссов В.С., Крагельский И.В.,
Киселев И.Г., Курасов Д.А., Ландгрен Д., Ларин Т.В., Марков Д.П., Майба И.А.,
Николаев В.А., Орлова А.М., Омарбеков А.К., Пашолок И.Л., Петров Г.Е., Просвиров Ю.Е., Погорелов Д.Ю., Рауба А.А., Ромен Ю.С., Сакало В.И., Ситаж М.,
Турне Х., Удальцов А.Б., Харрис У., Худояров Д.Л., Цихалевский И.С., Цюренко В.Н., Школьник Л.М., Шур Е.А., Щербак П.Н., Эберсон В., а, в части совершенствования технологии ремонта железнодорожных колес, таких ученых как:
Кушнер В.С., Машнев М.М., Сладковски А., Тарапанов А.С., Урушев С.В.
Объект исследования – колесная пара железнодорожных вагонов.
Предмет исследования - ресурс колес железнодорожных вагонов.
Целью работы является повышение ресурса железнодорожных колес при
взаимодействии подвижного состава и пути для разных полигонов эксплуатации и совершенствование ресурсосберегающих технологий ремонта колесных
пар.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и
решены следующие задачи:
1. Анализ данных по реальным условиям эксплуатации колесных пар вагонов на полигонах ОАО «РЖД».
2. Расчет нагрузок, действующих на колесную пару при эксплуатации на
разных полигонах, и исследование напряженного состояния в контакте
“колесо – рельс” с использованием метода конечных элементов и теории Герца.
3. Моделирование напряженно-деформированного состояния колесной пары при действии термических нагрузок в процессе экстренного (короткого) и
длительного торможения (движение поезда по затяжному спуску).
4. Разработка расчетно-экспериментальной методики определения ресурса
2
колес вагонов по результатам испытания малогабаритных образцов.
5. Повышение ресурса за счет совершенствования характеристик процесса
восстановления профиля колеса, разработка виртуальной среды по определению рациональной геометрии режущего инструмента (РИ) и экономичных режимов восстановления колес с дефектами на поверхности катания.
6. Расчет напряженно-деформированного состояния и прочности твердосплавных пластин сборного РИ для колесотокарных станков, применяемых при
восстановлении железнодорожных колес, а также рекомендаций по технологии
повторного использования отработанного РИ.
7. Разработка научно-обоснованных рекомендаций по увеличению ресурса
колеса за счет минимизации припуска и использования системы автоматического управления.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработана научная концепция выбора и анализа репрезентативных
(полигонных) маршрутов движения вагонов.
2. Выявлены закономерности нагрузок на колесную пару при движении вагона на различных полигонах эксплуатации методами математического моделирования системы «вагон-путь».
3. Предложен оригинальный подход и программный модуль, позволяющий
определять характеристики износостойкости и сопротивления контактной усталости колесных сталей с использованием малогабаритных (натурных) образцов.
4. Разработана научно-обоснованная расчетно-экспериментальная методика определения характеристик сопротивления натурных колес абразивному изнашиванию и контактной усталости с использованием результатов испытаний
натурных образцов.
5.
Разработана
методика,
позволяющая
производить
расчетно-
экспериментальную оценку ресурса колес вагонов по данным испытаний малогабаритных образцов с использованием теории размерностей.
6. Определены рациональные значения параметров экономичного восстановления профиля колеса для повышения ресурса в процессе ремонта с учетом
3
совершенствования конструкции и результатов анализа динамической прочности твердосплавного РИ.
Теоретическая значимость диссертационной работы заключается в разработке новых методов прогнозирования ресурса колес железнодорожных вагонов в зависимости от полигона обращения подвижного состава.
Практическая значимость работы:
- разработаны и предложены к внедрению методика и виртуальная среда
для экспериментального определения износостойкости и параметров сопротивления контактной усталости колесных сталей с использованием малогабаритных образцов и серийно выпускаемых машин трения на основе теории размерности;
- экспериментально определены и рекомендованы для практического использования характеристики сопротивления изнашиванию и контактной усталости для марок колесных сталей предусмотренных ГОСТ 10791-2011 в условиях заводской и ВУЗовской лаборатории;
- разработаны и предложены к внедрению расчетно-экспериментальная
методика и виртуальная среда для расчета ресурса колес, позволяющие оценивать ресурс по результатам испытания малогабаритных образцов с учетом полигонов движения вагонов;
- предложены методики, позволяющие определить перспективы практического использования новых материалов колесных сталей для разных условий
эксплуатации;
- разработаны методика и виртуальная среда по определению рациональной геометрии РИ;
- создана система практических рекомендаций для повышения ресурса железнодорожных колес за счет выбора экономичных технологических режимов
восстановления профиля поверхности катания, а также рекомендаций по технологии повторного использования отработанного РИ.
Методология и методы исследования. Исследования выполнялись на основе системного подхода к вопросам анализа функционирования и ремонта ко4
лесных пар, включая оценку напряженно-деформированного состояния вагонного колеса, особенностей его изнашивания и восстановления при ремонте.
Теоретической базой проведения исследований послужили положения ряда
разделов фундаментальных наук (механики, теплофизики и др.) и теории резания. Использовались: метод конечных элементов, метод анализа размерностей,
программные комплексы ANSYS, CosmosWorks, MEDYNA. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях.
Положения, выносимые на защиту:
- методика анализа репрезентативных маршрутов движения подвижного
состава;
- методика определения нагруженности колесной пары при движении по
репрезентативным маршрутам с использованием математического моделирования системы «вагон-путь»;
- новая научно-обоснованная расчетно-экспериментальная оценка ресурса
колес
вагонов
по
данным
испытаний
малогабаритных
образцов
с
использованием теории размерностей;
- методика анализа потери ресурса колеса с термомеханическими повреждениями при ремонте с учетом динамической прочности твердосплавного РИ,
а также рекомендации по технологии повторного использования отработанного
твердосплавного РИ;
- научно-обоснованные параметры процесса восстановления колес с
различной
твердостью
поверхности
катания
с
учетом
требований
к
геометрической точности колеса.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность
результатов подтверждена сравнением согласованности теоретических и
экспериментальных данных и обеспечивается корректностью исходных
математических положений, а также обоснованностью принятых допущений.
Основные результаты и положения диссертационной работы обсуждались
на заседаниях кафедры «Технология металлов», совещании членов союза
«Объединение
вагоностроителей»
и
5
на
научных
конференциях:
Международная конференция «Транспорт XXI века» (г. Варшава, Польша 2004
г.), Международная конференция «Развитие транспортного машиностроения в
России.
Желдормашиностроение-2004»
(г.
Щербинка,
2004
г.),
VI
Международная конференция «Проблемы прочности материалов и сооружений
на транспорте», (г. СПб, 2004), Международная научно-техническая Интернет –
конференция «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Брянск,
2004, 2007, 2010, 2011, 2013 г.), Международная научно-техническая Transport
and engineering (г. Рига, 2007 г.), Междунар. науч.- техн. конференция (г.
Харьков 2008 г.), IV Международная научно-техническая конференция (г.
Томск 2008 г), VII Международная научно-техническая конференцая (г. Омск,
2009 г.), Международная конференция «Telematics, logisties and Transport
Safety» Cieszyn 2009 г.), Международная конференция «Transport Problems»
(Katowice
2009,
2010,
2012
г.),
Всероссийская
научно-практическая
конференция (г. Хабаровск, 2010 г.), VII Международная научно-техническая
конференция (г. Омск, 2011 г.), Первая международная научно-практическая
конференция
ООО «ТМХ-Сервис» (г. СПб, 2014 г.), Прогрессивные
технологии, применяемые при ремонте подвижного состава РЖД: Конференция
студентов, аспирантов и молодых ученых (г. СПб, 2016 г.), Международная
научно-техническая
конференция
Подвижной
состав
XXI
века:
идеи,
требования, проекты (г. СПб, 2005, 2007, 2009, 2017 г.).
Личный вклад. Все результаты, изложенные в диссертационной работе,
получены автором самостоятельно, а именно:
- разработана методика по определению нагруженности колесной пары при
движении по репрезентативным маршрутам;
- разработана научно-обоснованная расчетно-экспериментальная методика
оценки ресурса колес вагонов по данным испытаний малогабаритных образцов
с использованием теории размерностей;
- предложена методика анализа ресурса колес при эксплуатации и
исследована динамическая прочность РИ с разработкой рекомендаций по
рациональным режимам восстановления профиля поверхности катания колеса и
6
технологии повторного использования твердосплавных режущих пластин.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в
70 научных работах, из них – 29 в изданиях из перечня рецензируемых научных
журналов для опубликования основных научных результатов диссертаций рекомендованных ВАК РФ, две в изданиях, индексируемых в международных цитатно-аналитических базах данных Web of Science и Scopus, 16 авторских свидетельствах на полезную модель, 4 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ, а также в 5 монографиях, в том числе четырех монографиях (в соавторстве), одна из которых на иностранном языке и одной монографии (единственный автор).
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационное исследование проведено в соответствии с паспортом специальности
ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация, и соответствует следующим разделам «Области исследования» паспорта специальности:
п.1 «Эксплуатационные характеристики и параметры подвижного состава, повышение их эксплуатационной надежности и работоспособности. Системы
электроснабжения железных дорог и метрополитенов. Методы и средства снижения потерь электроэнергии», п.2 «Системы технического обслуживания, эксплуатации и технологии ремонта устройств электроснабжения и подвижного
состава, развитие парков локомотивов и вагонов», п.6 «Оценка динамических и
прочностных качеств подвижного состава», п.7 «Испытания подвижного состава» и п. 10 «Взаимодействие подвижного состава и пути. Системы, средства и
материалы, снижающие износ элементов пути и ходовых частей подвижного
состава и повышающие безопасность движения».
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из 6 разделов, включая введение, заключение, списка используемых источников и приложения. Объем работы составляет 289 стр., в том числе 162 рисунка, 74 таблицы, 3 приложения. Список цитированной литературы содержит 210 источника,
в том числе – 27 работ автора с соавторами.
7
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении отражено обоснование актуальности темы, сформулированы
цель и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на
защиту, изложены содержание работы и методы исследования.
В первой главе представлены статистические данные по износу колесных
пар вагонов, приведен краткий обзор и анализ исследований в области механики контактного взаимодействия колеса и рельса, гипотез и моделей изнашивания колеса, теоретических и экспериментальных методов определения износа
колес вагонов и выполнен анализ направлений работ по повышению ресурса
колесных пар и его зависимости от плана и профиля пути.
Проведенный анализ вопроса позволил построить логическую и структурную схему диссертационной работы (рис.1).
Во второй главе приведены результаты моделирования движения грузового и пассажирского вагонов. На первом этапе была разработана методика по
определению характеристик пути движения вагона, основанная на ранжировании факторов, напрямую влияющих на интенсивность изнашивания колеса. К
таким факторам относятся: доля кривых малого радиуса (фактор 1), доля кривых среднего радиуса (фактор 2), доля кривых большого радиуса (фактор 3),
средняя длина обоих переходных кривых (фактор 4), суммарная доля кривых
малого и среднего радиуса с возвышением менее 40 мм (фактор 5), доля уклонов (фактор 6), средняя крутизна уклонов (фактор 7). Значения характеристик
главных путей в плане (протяженность кривых различного радиуса, средневзвешенный радиус, средняя длина круговой кривой и др.) были вычислены отдельно для правых и левых кривых. В связи с большим размером выборки разница между вычисленными результатами, для правых и левых кривых, оказалась статистически незначимой (менее 2 %). Поэтому в дальнейшем при анализе характеристик главных путей в плане ограничились сопоставлением общих
данных.
8
Рисунок 1 - Структурная схема диссертационной работы
Значение
суммарного
показателя
значимости
Q,
определяющее
предпочтительность варианта решения для каждого из случаев, вычислялось на
n
основе зависимости – Q   Pi  ki ( Pi – единичный показатель, выраженный в
i 1
баллах; ki – коэффициент весомости, присвоенный показателю;
n
– количество
рассматриваемых единичных показателей). Результаты вычисления единичных
9
показателей и суммарных показателей значимости для всех филиалов ОАО
«РЖД» представлены в таблице 1.
На
основе
разработанной
комплексной
методики
выбраны
три
репрезентативных маршрута (см. табл. 1). Первый – тяжелые условия
эксплуатации, маршрут характеризуется высокой долей кривых, меньшим
радиусом кривых и их большей протяженностью, значительной долей и
крутизной уклонов. В качестве прототипа для данного маршрута выбрана
Восточно-Сибирская железная дорога. Второй – нормальные условия
эксплуатации,
Октябрьская
дорога.
Третий
–
благоприятные
условия
эксплуатации, Северная железная дорога.
Таблица 1 – Результаты вычисления единичных показателей и суммарных показателей
значимости для всех филиалов ОАО «РЖД»
k7
Фактор 7
P7
P5
k6
P4
Фактор 6
P6
Фактор 5
k5
Фактор 4
k4
Фактор 3
k3
k2
P2
k2
P1
Фактор 2
P3
Суммарный покаДорога
затель значимости Q
14
3,5
15
2,2
13
1
13
1
1
15
1
16
1
ВСБ
1
140
3
3,5
10
2,2
11
1
3
1
14
9
1
2
1
ГОР
1
71,5
15
3,5
13
2,2
9
1
15
1
4
10
1
15
1
ДВС
1
134,1
ЗАБ
16
3,5
16
2,2
10
1
7
1
6
1
14
1
11
1
139,2
7
3,5
3
2,2
1
1
14
1
3
2
1
3
1
ЗСБ
1
54,1
2
3,5
1
2,2
4
1
2
1
15
1
1
1
1
КЛГ
1
32,2
КРС
13
3,5
14
2,2
14
1
16
1
2
1
16
1
14
1
138,3
КБШ
9
3,5
11
2,2
15
1
5
1
13
1
13
1
12
1
113,7
МСК
5
3,5
2
2,2
16
1
6
1
9
1
12
1
9
1
73,9
ОКТ
8
3,5
7
2,2
8
1
9
1
5
1
3
1
10
1
78,4
ПРВ
6
3,5
6
2,2
2
1
12
1
10
1
4
1
8
1
70,2
СВР
11
3,5
12
2,2
7
1
11
1
12
1
6
1
13
1
113,9
СЕВ
1
3,5
5
2,2
5
1
8
1
11
1
8
1
7
1
53,5
СКВ
10
3,5
4
2,2
6
1
4
1
8
1
7
1
5
1
73,8
ЮВС
4
3,5
8
2,2
12
1
1
1
16
1
11
1
6
1
77,6
ЮУР
12
3,5
9
2,2
3
1
10
1
7
1
5
1
4
1
90,8
Примечание ВСБ – Восточно-Сибирская, ГОР – Горьковская, ДВС – Дальневосточная, ЗАБ – Забайкальская,
ЗСБ – Западно-Сибирская, КЛГ – Калининградская, КРС – Красноярская, КБШ – Куйбышевская,
МСК – Московская, ОКТ – Октябрьская, ПРВ – Приволжская, СВР – Свердловская, СЕВ – Северная,
СКВ – Северо - Кавказская, ЮВС – Юго-Восточная, ЮУР – Южно-Уральская железные дороги
соответственно.
Фактор 1
Математическое моделирование движения грузового и пассажирского
вагонов осуществлялось в программном комплексе MEDYNA. В исследовании
рассматривались груженый универсальный полувагон с осевой статической
нагрузкой 23,5 тс и тележкой 18-100 и пассажирский вагон, установленный на
тележки КВЗ-ЦНИИ типа I (тара вагона 60 т) с профилем колес по
ГОСТ 10791-2011 в паре с рельсами Р65. Моделирование производилось с
10
варьированием скорости движения вагона, протяженности участка пути,
радиуса и длины переходных кривых, а также возвышения наружного рельса. В
результате были определены силы, действующие в контакте “колесо – рельс”,
частота их появления, темпы износа, площади контакта поверхности катания
колеса и рельса. Наибольший темпы износа гребня и поверхности катания
наблюдался для первого и третьего (набегающего) колеса (см. рис. 2).
Рисунок 2 – Зависимость темпа износа гребня колеса
грузового вагона от радиуса кривой (тяжелые условия)
На поверхности гребня колеса для рассматриваемых вагонов характерен
двухточечный контакт. Значения площадей контакта и мощностей сил трения
для второго контакта гребня колеса заметно ниже, чем для первого, поэтому в
дальнейшем ориентировались на первый контакт гребня колеса. Кроме того,
определялись вертикальные силы, действующие в контакте “колесо – рельс”.
Значения нагрузок, от максимальной до минимальной, разбивались на 6
диапазонов (см. табл. 2). Силы в контакте “колесо – рельс” определялись через
промежуток времени, равный 0,05 с. Полученные в ходе моделирования
значения сил распределялись по диапазонам, и производился расчет их
количества, попавших в данный интервал. Отношение числа сил в данном
диапазоне к общему их количеству дает частоту появления силы из
соответствующего диапазона. Для каждого диапазона определялось среднее
значение действующей нагрузки.
В третьей главе производился анализ напряженно-деформированного
11
состояния колесной пары грузового вагона. Значение вертикальных нагрузок
(полученные в главе 2), действующих в контакте “колесо – рельс”, и частоты их
появления при различных условиях эксплуатации, полученные в результате
численного моделирования системы «вагон – путь» на примере грузового
вагона для тяжелых условиях эксплуатации, приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Нагрузки и максимальные контактные напряжения в системе “колесо – рельс”
№, п/п
Обозначение диапазона
Среднее значение нагрузки, кН
Частота появления
Максимальные контактные напряжения, МПа
P1
221,60
0,005
1341,5
P2
192,96
0,040
1281,0
Нагрузка
P3
P4
164,32
135,68
0,146
0,556
1214,2
1139,1
P5
107,04
0,195
1052,6
P6
78,40
0,058
948,8
Была создана объемная конечно-элементная модель колесной пары с
участками рельсов с использованием конечного элемента типа десятиузловой
тетраэдр, имеющего три степени свободы (перемещения вдоль осей X,Y,Z) в
каждом узле. Данный конечный элемент имеет квадратичную функцию формы,
что необходимо для описания высокоградиентного напряженного состояния,
которое имеет место в контакте “колесо – рельс”. Кроме этого, такой элемент
хорошо подходит для аппроксимации криволинейных поверхностей, которые
образуют контакт “колесо – рельс”. Для описания контактного взаимодействия
колеса и рельса использовался конечный элемент типа “зазор трения”,
описывающий контакт двух криволинейных поверхностей. В соединении,
ступица колеса – подступичная часть оси, контактное взаимодействие не учитывалось. При расчете принималось, что ось жестко связана с колесом.
Созданная конечно-элементная модель содержала 865064 узлов и 326878
конечных элементов. Нагрузки прикладывались к центрам шеек осей. Подошвы
рельсов жестко закреплялась от перемещений вдоль осей X, Y, Z.
Расчет напряженного состояния в системе “колесо – рельс” (рис. 3) показал,
что форма пятна контакта совпадает с формой пятна контакта, которую
определяет теория Герца, а максимальные эквивалентные напряжения по
теории Мизеса составляют в среднем 0,65 от максимальных контактных
давлений, что также хорошо согласовывается с теорией Герца. Что позволило
при разработке методики расчета ресурса колеса контактные давления в
12
системе “колесо – рельс” определять по теории Герца.
Далее был рассмотрен процесс экстренного и длительного торможения
(движение по затяжному спуску) для грузового вагона. При экстренном
торможении принималось, что тепловой поток на поверхности катания равен
максимально допустимой мощности, приходящейся на одну колодку, которая
согласно
«Нормам
для
расчета
и
проектирования
вагонов»
для
композиционных колодок равна 70 кВт. Время экстренного торможения с
максимально допустимой для грузового вагона скорости 90 км/ч до остановки
поезда принималось равным 1 мин. При длительном торможении, в
соответствии
с
ГОСТ 33783-2016
подвижного
состава.
Методы
«Колесные
определения
пары
железнодорожного
показателей
прочности»
принималось, что тормозная мощность составляет 37 кВт на одно колесо, время
торможения 25 минут. По данным расчета максимальная температура при
экстренном торможении возникает на поверхности катания и составляет
204,7оС, а максимальная температура в конце режима длительного торможения
на поверхности катания колеса - 473оС.
Рисунок 3 – Распределение эквивалентных напряжений по теории Мизеса
при максимальной нагрузке на колесо 221,6 кН
В четвертой главе приведены методика и результаты физического моделирования системы “колесо – рельс” с помощью малогабаритных образцов (ро13
ликов). Разработанная методика позволила заменить исходную систему “колесо
– рельс” системой “ролик – контр-ролик”. Испытания по разработанной методике не требуют применения крупногабаритных и энергоемких стендов и могут
быть выполнены в заводской или ВУЗовской лаборатории с использованием
типовой машины трения. Для каждой марки испытываемой колесной стали изготавливалось 15 роликов: 5 для моделирования трения по поверхности катания
для стадии сильного изнашивания, 5 для моделирования трения по гребню для
стадии сильного изнашивания и 5 для моделирования трения по поверхности
катания для стадии слабого изнашивания.
Связь между исходной и моделирующей ее системой определялась с помощью теории размерностей. Для этого массовый износ представлялся в виде
функции от следующих параметров:
I  Ф НВ, E,  , u, qmax , n,  , f  ,
(1)
где НВ – твердость поверхности, МПа; E – модуль упругости материала, МПа;
 – плотность материала, кг/м3; u – скорость скольжения, м/с; qmax – макси-
мальное контактное давление, МПа; n – число оборотов;  – безразмерная характеристика проскальзывания (крип); f – коэффициент трения в контакте;
n,  , f
– безразмерные величины.
В базовой системе размерностей физических величин L (м), M (кг), T (с)
для рассматриваемой системы было получено 5 критериев подобия. Система,
определяемая формулой 1 с использованием критериев подобия согласно теореме, представлена в следующем виде:
I  ФП1 , П 2 , П3 , П 4 , П5  ,
(2)
где П1 , П2 , П3 , П4 , П5 – безразмерные критерии подобия, определяемые как:
П1  f ,
П3 
qmax
,
  u2
(3)
П2 
(4)
П4 
П5  n   ,
qmax
,
HB
 u2
E
(5)
,
(6)
(7)
Так как у подобных явлений критерии подобия равны, приравняем крите14
рии (числа) подобия, определяемые формулами (3)  (7) для колеса и модельного ролика. В связи с тем, что твердость, плотность и модуль упругости у колеса
и ролика совпадают, то получим следующие условия подобия для колеса и ролика:
qmax к  qmax р ,
(8)
fк  f
uк u р,
(10)
nk   k  n p   p ,
р
,
(9)
(11)
где индекс k относится к параметрам колеса, p - к параметрам ролика.
Для обеспечения подобия системы “колесо – рельс” и системы “ролик 
контр-ролик” максимальные контактные давления, коэффициенты трения и
скорости скольжения должны совпадать; числа оборотов колеса и роликов связаны формулой (11).
Чтобы определить размер выщербин, возникающих на натурных колесах,
по размерам выщербин, возникших на модельных роликах, необходимо определить масштабный коэффициент перехода от системы «роликконтр-ролик» к
системе “колесо – рельс” по единице измерения геометрических размеров (м).
Для этого запишем масштабные коэффициенты по единицам измерения как Па
М Па  и м/с

М


м
с

 через масштабные коэффициенты входящих в их состав ба

зовых физических величин:
М Па 
М кг
М М  (М с ) 2
1,
(12) М м 
с
Мм
 1,
Мс
(13)
где Мкг, Мм, Мс  соответственно масштабные коэффициенты перехода от системы «ролик  контр-ролик» к системе “колесо – рельс” по единицам измерения массы (кг), геометрических размеров (м) и времени (с).
Из формул 12 и 13 следует:
М М  3 М кг ,
(14)
Масштабный коэффициент по единице измерения массы (кг) определили, как
отношение массы материала колеса, находящегося в зоне контакта, к массе металла ролика, находящегося в зоне контакта.
15
Массы материала колеса и ролика, находящиеся в зоне контакта, определяются по зависимостям:
mk    Dk  Lkk  2Z maxk   ,
(15) mr    Dr  Lkr  2Z maxr   ,
(16)
где Dk , Dr  соответственно диаметры натурного колеса (957 мм) и модельного
ролика (50 мм); Lkk  длина контактной зоны для натурного колеса (66 мм с
учетом поперечного смещения колеса при движении); Lkr  длина контактной
зоны для модельного ролика (равна длине ролика и составляет 12 мм); ρ 
плотность колесной стали (кг/м3); Zmaxk, Zmaxr  расстояние от поверхности контакта до точки возникновения максимальных эквивалентных напряжений по
четвертой теории прочности для колеса и ролика соответственно.
С использованием зависимостей (15) и (16), был определен масштабный коэффициент по единице измерения массы (кг):
Dk Lkk Z maxk


,
Dr Lkr Z maxr
М кг 
(17)
Подставляя (17) в (14) было получено значение масштабного коэффициента
по единице измерения геометрических размеров (м):
Мм  3
Dk Lkk Z maxk


,
Dr Lkr Z maxr
(18)
Результаты испытания на контактную усталость приведены в таблице 3.
Таблица 3 – Результаты испытания образцов на контактную усталость
Марка
стали
Максимальное контактное
давление, соответствующее,
среднему значению предела
выносливости, срzmax , МПа
2
T
Л
511
494
581
Максимальное контактное давление, соответствующее пределу
выносливости, при односторонней доверительной вероятности,
равной 0,95 zmax, МПа
398
382
440
Показатель степени в уравнении
кривой выносливости, m
Коэффициент линейной корреляции
6
6
8
0,94
0,787
0,725
Пробег колеса L (км) до образования выщербины недопустимого размера
определялся по формуле:
L
k1  k 2  k3  (1   )    D   am, N  N Б 10 3
n

i 1
m
i
 pi
16
,
(19)
где  a, N - предел выносливости натурного колеса по максимальным контактным
давлениям в системе поверхность катания «колесо – рельс» (определяется по
результатам испытания системы «ролик - контр-ролик»); D – диаметр среднеизношенного колеса (0,9 м); N Б – базовое число циклов (2107 циклов);  i - значение максимального контактного давления в системе “колесо – рельс”, соответствующие i -му диапазону нагрузки (рассчитывается по теории Герца по
нагрузкам, определенным в результате математического моделирования системы «вагон-путь» см. табл. 2); pi – частота возникновения нагрузки из i -го диапазона (определяется по результатам математического моделирования системы
«вагон-путь», см. табл . 2); m – показатель степени в уравнении кривой контактной усталости, построенной в виде зависимости максимальное давление в
контакте – число циклов (определяется по результатам испытания системы
«ролик – контр-ролик», для колесных сталей марок 2, Т, Л их значения приведены в таблице 3);   коэффициент порожнего пробега вагона по отношению
к груженому пробегу (для специализированных вагонов, эксплуатирующихся в
груженом состоянии с практически полным использованием осевой нагрузки,
таких как цистерна и хоппер, =1; для пассажирских вагонов коэффициент
=0); k1  коэффициент, учитывающий смещение точки контакта колеса и
рельса. Как показали результаты численного моделирования системы «вагонпуть», точка контакта колеса и рельса не остается на одном месте, а смещается
в поперечном направлении. Вместе с точкой контакта перемещается и точка
действия максимальных касательных напряжений, лежащая на глубине в среднем 5 мм под центром пятна контакта, где имеет место накопление усталостных
повреждений. Как показали результаты численного моделирования системы
«вагон-путь», контакт в той же точке поверхности катания происходит один раз
за 10 оборотов колеса, следовательно k1  10 ; k 2  коэффициент, учитывающий
смещение точки действия максимальных касательных напряжений под действием продольных и поперечных сил, возникающих в точке контакта колеса и
рельса. Под действием касательных сил в пятне контакта колеса и рельса точка
17
действия максимальных касательных напряжений будет смещаться к поверхности катания, и при касательной силе, равной 30 % от вертикальной силы, будет
выходить на поверхность контакта. Материал, прилегающий к поверхности
контакта, будет удаляться в результате изнашивания до накопления критического значения усталостных повреждений. Как показали результаты численного моделирования системы «вагон-путь», максимальные напряжения в расчетной точке имеют место в среднем один раз за четыре оборота колеса, поэтому
расчетное значение коэффициента k 2  4 ; k 3  коэффициент, учитывающий
опасность возникающих выщербин; обследование колес под вагонами показывает, что только в одном случае из 25 выщербина имеет размеры, требующие
обточки колеса, поэтому k3  25 .
Предел выносливости натурного колеса будет меньше предела выносливости малогабаритного образца, так как у натурного колеса большее количество
слабых (дефектных) и неудачно ориентированных кристаллитов будет попадать
в зону высоких напряжений. В слабых и неудачно ориентированных кристаллитах будут возникать микропластические деформации, приводящие к постепенному накоплению дефектов, что со временем приведет к образованию усталостной трещины (в этом суть явления усталости металлов). Данный факт учитывался введением специального масштабного коэффициента K M .
Кроме этого, натурные колеса имеют большую неоднородность свойств
материала по сравнению с малогабаритными образцами (масштабный фактор),
что также снижает предел выносливости. Данный факт учитывался введением
специального коэффициента неоднородности свойств материала K Н .
Переход от предела выносливости материала (в данном случае от предела
выносливости малогабаритного образца) к пределу выносливости натурной детали при контактной усталости реализован в соответствии с ГОСТ 21354 – 87
«Передачи зубчатые цилиндрические эвольвентные внешнего зацепления. Расчет на прочность». При расчете на контактную усталость зубчатых колес предел выносливости материала умножается на понижающие коэффициенты, свя18
занные с размером детали и технологией ее изготовления (задача контакта двух
зубчатых колес, как и задача контакта “колесо – рельс”, представляет собой
контакт двух тел сложной криволинейной формы).
Предел выносливости колеса  a, N определялся по формуле:
 a,N 
 z max  K M
KН
,
(20)
где  z max – максимальное контактное давление, соответствующее пределу выносливости, полученное в результате испытания малогабаритных образцов (роликов) для колесных сталей марок 2, Т, Л, (см. табл. 3); K M – коэффициент влияния размеров детали (масштабного фактора), для деталей с размером сечения
более 300 мм принимается равным 0,75; K Н – коэффициент неоднородности
свойств материала (был принят, как для горячих поковок так и для штамповок,
равным 1,1).
При определении пробега, начиная с которого на поверхности катания колеса могут возникать выщербины недопустимых размеров, использовалось
максимальное контактное давление, соответствующее пределу выносливости,
при односторонней доверительной вероятности равной 0,95 (вероятность образования недопустимых выщербин 5%, см. табл. 3).
Для оценки ресурса колеса использовалось максимальное контактное давср
ление, соответствующее среднему значению предела выносливости,  max
, при
котором вероятность образования недопустимой выщербины составляет 50%.
Расчетный износ гребня I гкр колеса за 10000 км пробега определялся как:
I гкр  I гкм  (
kc
k
 (1  Dсл )  сл  Dсл )
k мс
k мсл
(21)
где I гкр  средний приведенный износ гребня колеса тележки за 10000 км пробега, полученный по результатам численного моделирования системы «вагонпуть» (см. табл. 4), мм; k c  коэффициент массового износа гребня колеса для
стадии сильного изнашивания, полученный по результатам испытаний малогабаритных образцов (см. табл. 5), мг/Дж; k мс  коэффициент массового износа
19
гребня колеса для стадии сильного изнашивания, использовавшийся при численном моделировании системы «вагон-путь» (2,210-3 мг/Дж); k сл  коэффициент массового износа гребня колеса для стадии слабого изнашивания, полученный по результатам испытаний малогабаритных образцов (см. табл. 5), мг/Дж;
k мсл  коэффициент массового износа гребня колеса для стадии слабого изна-
шивания, использовавшийся при численном моделировании системы «вагонпуть» (1,410-3 мг/Дж); Dсл  доля слабого износа в общем износе гребня, определяемая по результатам математического моделирования системы «вагонпуть» (см. табл. 6).
Таблица 4 – Средний приведенный износ гребня колеса тележки за 10000 км пробега, полученный по результатам численного моделирования системы «вагон-путь»
№
п/п
1
2
Вид вагона
Грузовой
Пассажирский
Износ гребня для соответствующих условий эксплуатации, мм
Тяжелые
Нормальные
Благоприятные
2,9
2,14
2,25
2,71
2,2
2,17
Таблица 5 – Средние значения коэффициентов массового износа для гребней колес,
изготовленных из различных марок колесных сталей
Коэффициент массового износа для гребня
2
0,001541
0,000543
Стадия сильного изнашивания
Стадия слабого изнашивания
Марка стали
Т
0,000874
0,000378
Л
0,001204
0,00254
Таблица 6 – Доля слабого износа в общем износе гребня, определенная по результатам
математического моделирования системы «вагон-путь»
Вид вагона
Грузовой
Пассажирский
Условия эксплуатации
Нормальные
0,05
0,085
Тяжелые
0,034
0,051
Благоприятные
0,057
0,1
Пробег колеса между обточками по предельному износу гребня Lпр , км
определяется по формуле:
Lпр 
h 1
 (    (1  К Т )) 10 4 ,
I гкр 
(22)
где h  разность толщины исходного и предельного изношенного гребня, мм
(исходя из исходной толщины гребня колеса 33 мм и минимально допускаемой
его толщины 25 мм, h=8 мм);   коэффициент порожнего пробега вагона по
отношению к груженому (см. стр. 17); К Т  отношение осевой нагрузки в порожнем состоянии к осевой нагрузки в груженом состоянии; среднее значение
данного коэффициента для грузовых вагонов 0,27 (величина 1  КТ учитывает
20
износ гребней при движении вагона в порожнем состоянии);   коэффициент
использования грузоподъемности (для специализированных вагонов, эксплуатирующихся в груженом состоянии с практически полным использованием
осевой нагрузки, таких как цистерна и хоппер, =1; для крытых вагонов и
платформ =0,7; для пассажирских вагонов =1).
Результаты расчета ресурса колес грузового и пассажирского вагонов для
различных условий эксплуатации (тяжелые, нормальные, благоприятные) приведены в таблице 7.
Таблица 7 – Результаты расчета ресурса колеса для различных условий эксплуатации
для грузового и пассажирского вагонов (при числе межремонтных пробегов, равном 6)
Ресурс колеса для условий эксплуатации, тыс. км
Нормальные
Благоприятные
КУ
ИГ
КУ
ИГ
КУ
ИГ
Грузовой вагон
2
92/552
66/396
108/648
90/540
107/642
87/522
Т
76/456
116/696
92/552
158/948
90/540
150/900
Пассажирский вагон
2
196/1176
178/1068
212/1272
216/1296
204/1224
220/1320
Л
403/2418
240/1440
436/2616
282/1692
422/2532
288/1728
Примечание: КУ  ресурс по условию контактной усталости; ИГ  ресурс по условию износа гребня. В
числителе приведен межремонтный пробег, в знаменателе общий пробег до списания.
Марка
стали
Тяжелые
В пятой главе проанализированы способы восстановления колесных пар и
с помощью методики оценки уровня качества способов восстановления колес
отобран способ токарной обработки колес вагонов, который имеет преимущество и практический интерес по отношению к другим способам. Анализ станочного оборудования и РИ показал, что модернизация РИ, обеспечивающая
его работу по термомеханическим повреждениям на поверхности катания, является приоритетной задачей по совершенствованию технологии ремонта для
повышения ресурса колесных пар вагонов. Для решения данной задачи необходимо произвести оценку динамической прочности твердосплавного РИ, определить влияние условий резания на изнашивание и деформацию режущего лезвия и на основе этого подобрать рациональную геометрию и конструкцию РИ,
разработать рекомендации по рациональным режимам восстановления колес и
рекомендации по технологии повторного использования отработанного режущего инструмента.
Методика решения динамической задачи теории упругости для процесса
21
восстановления профиля колеса РИ выполнена в среде CosmosWorks с
соблюдением базового алгоритма расчета методом конечных элементов.
Ударный характер нагружения режущей части инструмента характеризуется
наличием
области
высоких
концентраций
контактных
напряжений,
совпадающей с областью, проявляющейся при температурном воздействии,
характер распространения которой в теле инструмента аналогичный.
Из проведенных расчетов следует, что силовые и тепловые нагрузки на РИ, а
также характер их распределения не постоянны в процессе резания. Изменение
нагрузок приводит к изменению напряженного состояния режущего клина.
Максимальные напряжения сосредотачиваются на передней поверхности у
режущей кромки и обусловлены температурным фактором нагружения. При
обработке твердосплавным инструментом труднообрабатываемого после эксплуатации материала обода колеса, значительное влияние на напряженное
состояние оказывает ударный характер нагружения лезвия, при этом прочность
РИ
ограничивает
допустимую
скорость
резания,
что
лимитирует
производительность обработки.
В связи с большим числом факторов, влияющих на изнашивание и
деформацию РИ, и их сложной взаимосвязью в процессе резания задача
оптимизации формы и геометрических параметров режущего лезвия с целью
уменьшения напряжений в режущем клине может быть эффективно решена с
помощью теоретических расчетов характеристик процесса резания.
Согласно проведённым исследованиям, в области восстановительной
токарной обработки колёс твёрдостью НВ от 2850 до 3600 МПа для
обеспечения требуемой точности и шероховатости по ГОСТ 10791-2011, а
также допуска радиального биения (2∆) 0,5 мм инструментом стандартной
геометрии рекомендуются режимы резания (см. табл. 8).
Анализ эффективности реализации ресурса колеса грузового вагона показал,
что за жизненный цикл колесо подвергается, как правило, пяти обточкам при
общем числе межремонтных пробегов равном шести (рис. 4, а).
22
Таблица 8 – Режимы резания для токарной обработки железнодорожных колес
Чашечная пластина
Твердость НВ, МПа
t, мм
s, мм/об.
2850
3600
0,6
0,5
2
2
2850
3600
8
8
n, об/мин
Тмаш., мин
18
5,6
12,5
8
Призматическая пластина
1,2
8,3
10
1,2
4,2
20
Представим назначенный ресурс Т
sм, мм/мин
N, кВт
Мкр., кН.м
36
25
2х10
2х10
3
3
10
5
2х41
2х25
14
16
в виде суммы двух слагаемых:
ОНСВ  Т  Т и  Т н (рис. 4, б), где Т и – используемая часть ресурса; Т н –
неиспользуемая часть назначенного ресурса. В случаях образования на
поверхности катания термомеханических повреждений колесо обрабатывается
“под корку”, что заметно снижает ресурс не только колеса, но и РИ.
а)
б)
Рисунок 4 – Эффективность реализации ресурса колеса грузового вагона: а – профиль поверхности
катания с минимально допустимой толщиной гребня 25 мм; б – схема использования ресурса колеса
23
Так, заштрихованные площади, обозначенные на рис. 4, б через 2, 4, 6, ... ,
характеризуют неиспользуемую часть назначенного ресурса, определяемую
механической обработкой “под корку” или на глубину большую, чем это
необходимо для восстановления геометрических параметров профиля обода
колеса. Таким образом, в процессе ремонта удаляется работоспособный слой
металла обода. Неиспользуемая часть назначенного ресурса на стадии
эксплуатации из-за применяемой неэкономичной технологии восстановления
профиля, определится суммой площадей: Т н  2  4  6  .... и составит примерно
30-40% назначенного ресурса. Используемый ресурс восстанавливаемых колес
с термомеханическими повреждениями определяется суммой площадей
Т и  1  3  5  ....
Т и
и
составляет
примерно
60-70%
назначенного
ресурса
 0,6  0,7Т  .
Принимая во внимание основные причины повышенного расхода материала
РИ и его стоимость, предложена технология восстановления изношенных
пластин с последующим повторным их использованием для обточки КП по
профилю поверхности катания. Данная технология может быть использована
при ремонте и изготовлении твердосплавных многогранных пластин (заготовки
- изношенные или частично разрушенные пластины, использованные при
обработке колес) для сборного РИ, а также пластин, применяемых для
обработки КП. Предлагаемая система позволяет получать высококачественный
и дешевый инструмент за счет рационального подхода к вопросам управления
качеством на стадии производства и последующей эксплуатации старогодных
пластин.
В шестой главе приведен технико - экономический расчет, позволяющий
определить
ожидаемый
годовой
экономический
эффект
от
внедрения
результатов исследования.
Эффект от разработанной расчетно-экспериментальной методики оценки
ресурса колеса достигается за счет использования малогабаритных образцов
(роликов) вместо натурных колес и использования для проведения испытаний
24
стандартного
настольного
оборудования
вместо
крупногабаритных
и
энергоемких стендов.
Эффект от совершенствования технологии ремонта колес достигается за счет
продления эксплуатационного ресурса колеса посредством минимизации
припуска на механическую обработку при восстановлении профиля, увеличения межремонтного пробега за счет повышения качества обработанной
поверхности в результате использования системы технологического управления
обточкой рабочей поверхности колеса по температуре процесса и в сокращении
расхода
дорогостоящего
твердосплавного
инструмента
посредством
повышения стойкости РИ.
В приложениях представлены геометрические параметры малогабаритных образцов, напряженно-деформированное состояние колеса и техникоэкономические показатели по обработке КП.
Заключение
1. Анализ статистических данных показал, что количество вагонов, отцепляемых в текущей ремонт по неисправностям колесных пар (износ гребня и
контактно-усталостные повреждения поверхности катания (выщербины)) ежегодно возрастает, что делает актуальными исследования в области повышения
ресурса КП.
2. Разработана методика комплексной оценки, позволяющая ранжировать
дороги по степени влияния условий эксплуатации на ресурс колеса, которая дает возможность выбора репрезентативных маршрутов. На основе этой методики
выбраны три репрезентативных маршрута: первый – тяжелые условия эксплуатации, маршрут характеризуется высокой долей кривых, меньшим радиусом
кривых и их большей протяженностью, значительной долей и крутизной уклонов – Восточно-Сибирская железная дорога; второй – нормальные условия
эксплуатации - Октябрьская дорога; третий – благоприятные условия эксплуатации - Северная железная дорога.
3. Для каждого из маршрутов в программном комплексе MEDYNA выполнено математическое моделирование движения груженого универсального по25
лувагона, установленного на тележки 18-100, с осевой статической нагрузкой
23,5 тс и пассажирского вагона, установленного на тележки КВЗ - ЦНИИ типа I
(тара вагона 60 т), с профилем колеса по ГОСТ 10791-2011 в паре с рельсами
Р65. Получены нелинейные зависимости сил крипа от относительного проскальзывания в точках контакта, а также размеры и положение пятен контакта
колеса и рельса, давления в пятнах контакта, силы крипа, мощности сил крипа
и износ.
4. Исследования напряженного состояния в системе “колесо – рельс” выявили, что максимальные эквивалентные напряжения по теории Мизеса и
Данг Вана, а также максимальные касательные напряжения наблюдаются в области, расположенной на глубине 4,5-5,3 мм под поверхностью катания. Влияние термических нагрузок показало, что при экстренном торможении максимальные напряжения имеют место на поверхности катания колеса, а при длительном торможении возникают в месте перехода от диска к ободу с внутренней стороны колеса, причем величина данных напряжений в 2,5 раза выше, чем
при режиме экстренного торможения.
5. Разработана расчетно-экспериментальная методика, позволяющая заменить испытания натурных колес испытаниями малогабаритных образцов (роликов), изготовленных из колесных сталей марок 2, Т, Л, которая использует типовое лабораторное испытательное оборудование и может быть реализована в
условиях заводской или ВУЗовской лаборатории.
6. Разработана виртуальная среда по расчету сил, действующих на ролики
при испытаниях малогабаритных образцов, обеспечивающая возможность автоматизированного их расчета, а также на основе теории размерностей определены связи между исходной системой “колесо – рельс” и моделирующей ее системой «ролик – контр-ролик», что позволило осуществить переход от моделирующей к исходной системе.
7. Наилучшими характеристиками по сопротивлению абразивному изнашиванию обладает сталь Т, которая имеет в зоне гребня коэффициент износа в
2 раза ниже, чем сталь марки 2; сталь марки Л имеет характеристики сопротив26
ления абразивному изнашиванию на 20 % выше, чем сталь марки 2, а наилучшими характеристиками сопротивления контактной усталости обладает сталь
Л. Стали 2 и Т имеют близкие характеристики сопротивления контактной усталости.
8. Разработана виртуальная среда по расчету основных характеристик сопротивления абразивному изнашиванию и контактной усталости железнодорожного
колеса,
учитывающая
условия
его
эксплуатации
и
физико-
механические свойства различных сталей (используемых и перспективных).
9. Предложена расчетно-экспериментальная методика определения ресурса
колес вагонов по результатов испытания малогабаритных образцов с учетом
данных эксплуатации и результатам математического моделирования, позволяющая прогнозировать ресурс с погрешностью, не превышающей 5 – 10 %.
10. Рассчитан общий ресурс колес пассажирских и грузовых вагонов в зависимости от полигона эксплуатации и марок стали, что позволяет спрогнозировать потребность в новых колесах, а также определить направления по повышению ресурса колес.
11. На основе методики оценки уровня качества способов восстановления
профиля колеса были отобраны способы, которые представляют практический
интерес, а также разработаны виртуальная среда и РИ, позволяющие выбирать
экономичные параметры обработки профиля катания колеса для повышения ресурса в процессе ремонта.
13. Использование серийного восстановления старогодных сменных многогранных твердосплавных пластин позволяет внедрить систему экономически
эффективной и рациональной эксплуатации отработанного сборного РИ для
обработки колес и других деталей при ремонте подвижного состава.
14. Общий экономический эффект от внедрения результатов исследования
составит 525 389 800 рублей.
Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях,
рекомендованных ВАК РФ:
1. Методика расчета размера контактно-усталостных повреждений железнодорожного колеса по результатам, полученным на модельных роликах [Текст] /
27
А.А. Воробьев, И.В. Федоров, И.А. Иванов, С.В. Урушев, О.А. Конограй // Бюллетень результатов научных исследований. – СПб.: ПГУПС, 2018. – №1 (26). – с.
18-24.
2. Испытания колесных сталей на износ и контактную усталость [Текст] / А.А.
Воробьев, Д.Е. Керенцев, И.В. Федоров // Известия ПГУПС. - СПб.: ПГУПС,
2017.- №4.- с. 628-636.
3. Воробьев, А. А. К вопросу о повторном использовании отработанного режущего инструмента для обработки железнодорожных колесных пар [Текст] / А.А. Воробьев // Бюллетень результатов научных исследований. – СПб.: ПГУПС, 2017. –
№4 (25). – с. 223-230.
4. Воробьев, А. А. Математическое моделирование параметров контакта колеса с
рельсом для различных условий эксплуатации вагонов [Текст] / А.А. Воробьев //
Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. –
2016. – №1 (33). – с. 34–41.
5. Определение параметров контакта колеса с рельсом для различных условий
эксплуатации полувагона [Текст] / А.М.Орлова, А.А. Воробьев, А.В. Саидова, Д.Е.
Керенцев // Известия ПГУПС. - СПб.: ПГУПС, 2015.- №2. - с. 74-84.
6. Оценка напряженно-деформированного состояния и прочности режущего инструмента при обточке железнодорожных колес [Текст] / Ан. Ал. Крутько, В.И.
Фисенко, А.А. Воробьев, Д.А. Потахов // Омский научный вестник. – Омск, 2015. №2 (140). с. 62-67.
7. Оптимизация формы режущего инструмента для обточки железнодорожных
колес на основе оценки прочности при температурно-силовом воздействии [Текст]
/ Ан. Ал. Крутько, Ал. Ал. Крутько, А.А. Воробьев, Д.А. Потахов // Омский научный вестник, 2015 Вып. 2 (140). с. 58-62.
8. Анализ условий работы твердосплавного инструмента в тяжелых условиях обработки колесных сталей [Текст] / А.А. Воробьев, В.С. Кушнер, Ан. Ал. Крутько,
Ал. Ал. Крутько // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника
железных дорог. – 2015. – № 3. – с. 24–29.
9. Иванов, И.А. Анализ режимов восстановления профиля поверхности катания
колесных пар на основе различных методов расчета [Текст] / И.А. Иванов, А.А.
Воробьев, Д.А. Потахов // Вестник Института проблем естественных монополий:
Техника железных дорог. – 2013. – № 3. – с. 41–47.
10. Терехов, П.М. Моделирование процесса восстановления поверхности катания
бандажей колесных пар [Текст] / П.М. Терехов, О. Ю Бургонова, А.А. Воробьев //
Известия Транссиба. - Омск., 2013. - №2 (14). - с. 58-65.
11. Терехов, П.М. Определение сил резания, возникающих при восстановлении поверхности катания бандажей повышенной твердости [Текст] / П.М. Терехов, А.А.
Воробьев, Р.А. Сахаров // Известия ПГУПС. - СПб.: ПГУПС, 2013. - №1 (34). - с.
158-165.
12. Анализ методов восстановления профиля катания колесных пар [Текст] / А. А.
Воробьев, И.А. Иванов, Д.П. Кононов, А.С. Тарапанов // Вестник ВНИИЖТ, 2011.
- №3 – с. 34 – 38.
13. Влияние неравномерности фрезерования и температур на поверхностях режущих лезвий на рациональные параметры фрезы и режима резания [Текст] / В.С.
Кушнер, О.Ю. Бургонова, А.А. Воробьев // Омский научный вестник. – Омск, 2010
28
– с. 38-41.
14. Воробьев, А. А. Роль лубрикации и структуры поверхностного слоя в увеличении ресурса железнодорожного колеса при взаимодействии с рельсом [Текст] / А.
А. Воробьев // Вестник транспорта Поволжья. - 2010. - №4 (24). - с. 26-31.
15. Воробьев, А. А. Увеличение ресурса железнодорожного колеса технологическим методом [Текст] / А.А. Воробьев, П.М. Терехов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока/ - 2010. - №2. - с. 121 – 125.
16. Воробьев, А. А. Функциональный анализ точности и его влияние на работоспособность и ресурс колесных пар [Текст] / А.А. Воробьев // Научные проблемы
транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2010. - №2. - с. 114 – 116.
17. Воробьев, А. А. Влияние механических и метрических свойств на ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава [Текст] / А.А. Воробьев //
Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. – Иркутск:
Изд-во ИрГТУ, 2010. - №4 (44) - с.121 - 125.
18. Буйносов, А. П. Методика оценки влияния разности диаметров бандажей колесных пар на их износ [Текст] / А.П. Буйносов, А.А. Воробьев // Вестник
ВНИИЖТ. - 2010. - №4 – с. 38–43.
19. Иванов, И.А. К вопросу о влиянии структуры поверхностного слоя на эксплуатационные свойства железнодорожного колеса [Текст] / И.А. Иванов, С. И. Губенко, А.А. Воробьев // Транспорт Урала. - 2010. – № 2(25). - с. 56 - 61.
20. Буйносов А.П. А.А. Воробьев Анализ влияния разности диаметров колесных
пар по кругу катания на экономическую реализацию их ресурса [Текст] // Транспорт Урала, 2010. – № 2(25). - с. 48 – 53.
21. Иванов, И.А. Влияние параметров восстановления на основные характеристики
обработки поверхности катания колесных пар [Текст] / И.А. Иванов, В.С. Кушнер,
А.А. Воробьев // Тяжелое машиностроение. - 2010. – Вып. 4. - с. 34 – 38.
22. Оптимизация формы режущего лезвия и режимов обработки железнодорожных
колес при ремонте [Текст] / А. А. Воробьев, В. С. Кушнер, А.А. Крутько, Ю.В. Рязанов // Вестник ВНИИЖТ. - 2009. - №6 – с. 24 – 27.
23. Воробьев, А. А. Методика определения остаточного ресурса и продления срока
службы некоторых ответственных сооружений железнодорожного транспорта
[Текст] / А. А. Воробьев, И.А. Воробьев, Г.К. Зальцман // Вестник Иркутского
Государственного Технического Университета. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ. - 2009. №4 (40). - с.53-62.
24. Воробьев, И.А. Методика определения остаточного ресурса и продления срока
службы некоторых ответственных сооружений железнодорожного транспорта
[Текст] / И.А. Воробьев, Г.К. Зальцман, А. А. Воробьев // Вестник Иркутского
Государственного Технического Университета. – Иркутск.: Изд-во ИрГТУ, 2009. №4 (40) - с.53-62.
25. Воробьев, А. А. Контактное взаимодействие колеса и рельса [Текст] / А. А. Воробьев // Вестник Иркутского Государственного Технического Университета. –
Иркутск.: Изд-во ИрГТУ, 2009. - №3 (39) - с.42 – 47.
26. Разработка рекомендаций по режимам обработки колесных пар повышенной
твердости [Текст] / А.А. Воробьев, И.А. Иванов, В.С. Кушнер, А.А. Крутько //
Транспорт Урала, 2009. – № 2(21). - с. 48 – 52.
27. Воробьев, А.А. Обточка колес повышенной твердости [Текст] / А.А. Воробьев,
29
В.С. Кушнер, А.А. Крутько // Железнодорожный транспорт, 2009. – №6. - с. 64 –
66.
28. Совершенствование расчета температуры при резании на основе термомеханического подхода [Текст] / В.С. Кушнер, М.Г. Сторчак, А.А. Воробьев, А.Н. Жавнеров, А.А. Крутько // Омский научный вестник, 2009. – №1 (77). - с. 10 – 15.
29. Воробьев, А. А. Совершенствование процесса восстановления бандажей колесных пар локомотивов при ремонте [Текст] / А.А. Воробьев // Известия Петербургского Государственного Университета Путей Сообщения. – СПб.: ПГУПС, 2005.
№1. - с.94-99.
Другие публикации:
- Патенты на полезную модель:
1. Станок для обточки колесных пар без демонтажа их с подвижного состава
железнодорожного транспорта [Текст]: пат. 82435. Рос. Федерация: МПК B 23 B
5/32/ Воробьев А.А., Иванов И.А., Шадрина Н.Ю. Будюкин А.М.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - № 2008146359/22; заявл. 24.11.2008; опубл. 27.04.2004, Бюл. №12. - 7
с: ил.
2. Резец для вибрационного резания [Текст]: пат. 87111 Рос. Федерация: МПК B
23 B 27/00/ Воробьев А.А., Иванов И.А., Урушев С.В., Богданов А.Ф.; заявитель и
патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей
сообщения». - № 2009117649/22; заявл. 08.05.2009; опубл. 27.09.2009, Бюл. №27. 5 с: ил.
3. Колесная пара локомотива [Текст]: пат 87962 Рос. Федерация: МПК B 60 B
37/00; B 61 C 15/04/ Воробьев А.А., Рязанов Ю.В., Виноградов М.А., Михайлов
К.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный
университет путей сообщения». - №2009124255/22; заявл. 24.06.2009; опубл.
27.10.2009, Бюл. №30. - 7 с: ил.
4. Устройство для смазки гребней колес [Текст]: пат. 89051 Рос. Федерация:
МПК B 61 K 3/02 / Будюкин А.М., Воробьев А.А., Кононов Д.П., Погудин В.Г.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - №2009125266/22; заявл. 01.07.2009; опубл. 27.11.2009,
Бюл. №33. - 7 с: ил.
5. Устройство для измерения размеров и определения дефектов колесных пар
подвижного состава [Текст]: пат. 92173 Рос. Федерация: МРК G 01 B 5/08, G 01 B
5/20 / Воробьев А.А., Урушев С.В., Богданов А.Ф., Иванов И.А., Рязанов Ю.В; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - №2009138558/22; заявл. 19.10.2009; опубл. 10.03.2010,
Бюл. №7. - 8 с: ил.
6. Резец для вибрационного резания по обработке колесных пар подвижного состава железнодорожного транспорта [Текст]: пат. 98961 Рос. Федерация: МПК B
23 B 27/00/ Воробьев А.А., Иванов И.А., Урушев С.В., Богданов А.Ф.; заявитель и
30
патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей
сообщения». - № 2010126384/22; заявл. 28.06.2010; опубл. 10.11.2010, Бюл. №31. 6 с: ил.
7. Устройство для заточки твердосплавных многогранных пластин [Текст]: пат.
139749 Рос. Федерация: МПК B 24 B 3/34/ Воробьев А.А., Жаров О.В., Конограй
С.Н., Власов Р.М.; заявитель и патентообладатель Воробьёв Александр Алфеевич.
- № 2013118357/02; заявл. 19.04.2013; опубл. 19.04.2013, Бюл. №11. - 5 с: ил.
- Авторские свидетельства о государственной регистрации программ для
ЭВМ:
1. Расчет сил действующих на ролики при испытаниях малогабаритных образцов
[Мультимедиа]: пат. 2018612993 Рос. / Воробьев А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». №2018610014; заявл. 09.01.2018; регистр. 01.03.2018
2. Расчет предела контактной усталости и показателя степени в кривой контактной усталости, по данным испытаний малогабаритных образцов [Мультимедиа]:
пат. 2018612994 Рос. / Воробьев А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Петербургский государственный университет путей сообщения». - №
2018610018; заявл. 09.01.2018; регистр. 01.03.2018.
3. Расчет режимов резания при обработке профиля катания колес железнодорожных вагонов [мультимедиа]: пат. 2018614373 Рос. Федерация / Воробьев А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения». - № 2018612994; заявл. 01.03.2018; опубл. 01.03.2018.
4. Расчет ресурса колеса железнодорожного грузового или пассажирского вагона
по данным математического моделирования системы "вагон-путь" и результатам
испытаний малогабаритных образцов [мультимедиа]: пат. 2018614760 Рос. Федерация / Воробьев А.А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский
государственный университет путей сообщения». - № 2018611946; заявл.
28.02.2018; регистр. 17.04.2018.
- Монографии:
1. Воробьев, А.А. Совершенствование технологии восстановления колесных пар
[Текст]: монография / LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. 2011. –
186 с. – (Железнодорожный транспорт)
2. Finite element method for transport applications [Текст]: монография / Воробьев
А.А. [и др.]. - Silesian university of technology Gliwice, 2011. - 208 с. (Метод конечных элементов в разных отраслях транспорта [Текст] / Воробьев А.А. [и др.]. - Силезский технологических университет Гливице 2011. - 208 с.).
3. Ресурс и ремонтопригодность колесных пар подвижного состава железных дорог [Текст]: Монография / Воробьев А.А., Губенко С.И., Иванов И.А., Кондратенко В.Г., Кононов Д.П., Орлова А.М.; под ред. проф. И.А. Иванова. – М.: ИНФРАМ, 2011. – 264 с. – (Научная мысль).
4. Повышение эффективности восстановительной токарной обработки железно31
дорожных колесных пар [Текст]: Монография / А.А Крутько, В.С Кушнер, А. А.
Воробьев. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. – 176 с.
5. Влияние структуры и механических характеристик колесных сталей на изнашивание и режимы восстановления профиля колесных пар[Текст]: Монография /
В.С. Кушнер [и др.]; под ред. И.А. Иванова и В.С. Кушнера; Минобрнауки России,
ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. - 224 с.: ил.
- Перечень научных публикаций в изданиях, индексируемых в международных цитатно-аналитических базах данных Web of Science и Scopus:
1. Иванов, И.А. Влияние параметров восстановления на основные характеристики
обработки поверхности катания колесных пар / И.А. Иванов, В.С. Кушнер, А.А.
Воробьев // Тяжелое машиностроение. - 2010. – №4. - с. 34 – 38.
2. Recovery tread wheel pairs of machining / Ivanov I., Tarapanov A., Kononov D.,
Vorobev A. // Transport problems. – 2013. – Vol. 8(1). – p. 105–111. (Восстановление
профиля катания колесных пар механической обработкой [Текст] / Иванов И., Тарапанов А., Кононов Д., Воробьев А. // Проблемы транспорта. – 2013. – №8. – с.
105–111).
- Перечень научных публикаций в изданиях по итогам работы международных конференций:
1. Иванов, И.А. Перспективы использования железнодорожных колес с повышенной твердостью [Текст] / И. А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев // Transport
and engineering. - 25 sejums, Riga, 2007 – с. 13 - 23., Rigas Tehnika univesitate (Иванов, И.А. Перспективы использования железнодорожных колес с повышенной
твердостью [Текст] / И. А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев // Транспорт и
инжиниринг. - 25 том, Рига, 2007 – с. 13 - 23., Рижский Технический Университет).
2. Settlement definition of modes of restoration of railway wheels of the raised hardness
[Текст]: материалы международ. научн. конференции «Telematics, logisties and
Transport Safety» / И.А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев, В.С.Кушнер. - Katowice-Cieszyn, (16-18).06.2009. - с. 167 – 181 (Расчетное определение режимов восстановления железнодорожных колес повышенной твердости [Текст]: материалы
международ. научн. конференции «Телематика, логистика и Транспортная безопасность» / И.А. Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев, В.С.Кушнер. – КатовицеKatowice-Шецин, (16-18).06.2009. - с. 167 – 181).
3. The analysis of operation on railway wheels of the raised hardness [Текст]: материалы международ. научн. конференции «Transport Problems ‘2010» / И.А. Иванов,
С.В. Урушев, А.А. Воробьев - Katowice-Krakov, (07-11).06.2010. - с. 261 – 282
(Анализ эксплуатации железнодорожных колес повышенной твердости [Текст]:
материалы международ. научн. конференции «Проблемы Транспорта ‘2010» / И.А.
Иванов, С.В. Урушев, А.А. Воробьев – Катовице-Краков, (07-11).06.2010. - с. 261 –
282).
Подписано к печати
Печать-ризография
Тираж 100 экз.
Бумага для множит.апп.
Заказ №
Печ.л.-2,0 п.л
Формат 60х84 1/16
СР ПГУПС, 190031, С-Петербург, Московский пр.9
32
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
10
Размер файла
1 213 Кб
Теги
технология, прогнозирование, ремонт, колесо, состав, железнодорожная, совершенствование, подвижном, ресурсы
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа