Удосконалення технології формування колісних пар локомотивів

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ЗАЛІЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення технології формування Колісних пар локомотивів

Спеціальність: Рухомий склад залізниць та тяга поїздів

Мокроусов Сергій Дмитрович

Харків, 2006 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Одним із головних показників економічного розвитку держави є стійка робота його транспортної системи. Особливості України визначають в якості основного типу транспорту - залізничний. Це формує особливі вимоги до надійності рухомого складу в цілому. Одним з найважливіших вузлів рухомого складу, від надійності якого залежить безпека руху поїздів, є колісна пара. Вихід із строю колісних пар викликає за собою відмову в експлуатації цілого локомотива, визиває збільшення часу його простою в ремонті, а відповідно простою в неробочому парку. Великий вплив на надійність і довговічність колісних пар має технологія їх формування при виготовленні.

Актуальність теми. В процесі експлуатації на колісних парах тепловозів мають місце ослаблення бандажів, їх поворот, тріщини та інші несправності, які в значній мірі визначаються якістю технології нагріву та контролю колісних пар при формуванні. Так, аналіз роботи колісних пар в експлуатації показав, що є місце їх виходу по причині неякісного формування. Тому задача удосконалення технологічного процесу формування колісних пар при виготовленні є складовою частиною загальної проблеми надійності рухомого складу і ефективності його використання. Особливу актуальність отримують питання, які пов'язані з удосконаленням технологічного процесу напресування бандажів на колісні центри. Це і визначило актуальність та тему дисертаційної роботи.

Актуальність теми також підтверджується постановою Кабінету Міністрів №364 від 4 червня 1994 р. "Про організацію виробництва вагонів дизель - та електропоїздів", в якій були визначені основні завдання промисловості та виділено як головне підприємство ВАТ ХК "Луганськтепловоз". Науково-технічна частина цієї програми була розвинута в Державній програмі "Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства", введеної в дію Постановою Кабінету Міністрів України від 2 червня 1998 р. №769.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно діючих Державних програм і концепцій:

- “Реформування транспортного комплексу України”;

- “Реструктуризації на залізничному транспорті України” (від 1998 р.);

- “Розвитку транспортно-дорожнього комплексу України на 2000-2004 р.”, затвердженої Кабінетом Міністрів України від 30.12.2000 р.

Наукові результати роботи отримані при виконанні наступних науково-дослідних робіт “Розробка типажу нового рухомого складу для залізниць України” (ДР 0104U009105), „Вибір оптимальних параметрів перспективних типів магістральних, маневрових тепловозів та моторвагонного рухомого складу” (ДР 0104U003178, архів № 0204U006105).

Мета і задачі дослідження. Мета представленої дисертаційної роботи полягає у вирішенні наукової задачі підвищення надійності колісних пар за рахунок удосконалення технології їх формування.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні основні задачі:

- провести аналіз існуючих технологій виготовлення та ремонту колісних пар на заводах і в локомотивних депо;

- проаналізувати надійність колісних пар в експлуатації та розробити заходи по її підвищенню;

- виконати аналіз пристроїв для нагрівання та контролю температури бандажів колісних пар;

- розробити моделі нагріву та визначення залежності постійної температури бандажів від їх товщини перед напресуванням;

- розробити модель охолодження бандажів;

- запропонувати заходи по удосконаленню технології формування колісних пар;

- оцінити економічний ефект від впровадження нової технології виготовлення колісних пар.

Об'єкт дослідження:

Процес формування колісних пар локомотивів при їх виготовленні.

Предмет дослідження - центри та бандажі колісних пар локомотивів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувалися фундаментальні методи теоретичної механіки, теорії пружності, теорії ймовірностей і математичної статистики, методів теорії подібності і моделювання, а також електричного тензометрування при виконанні експериментальних досліджень і обробки отриманих результатів, теорії конструкції локомотивів та теорії ремонту локомотивів.

Наукова новизна отриманих результатів.

Наукова новизна отриманих в дисертаційній роботі результатів полягає в наступному:

- вперше розроблені моделі нагріву та охолодження бандажів колісних пар при взаємодії із змінним магнітним полем;

- отримані залежності нагріву та охолодження бандажів в залежності від часу з урахуванням температури навколишнього середовища;

- доведені залежності натягу від діаметра бандажу колісних пар для різних серій локомотивів;

- формалізовано комплекс моделей технології формування колісних пар локомотивів за рахунок впровадження раціонального нагріву бандажів, впровадженню нових засобів контролю температури бандажів та посадки на колісні центри, який став основою для автоматизованої системи контролю при напресуванні бандажів на колісні центри;

- отримала подальший розвиток стратегія формування колісних пар з обандаженими колісними центрами;

- отримала подальший розвиток модель визначення економічного ефекту від впровадження нових технологій виготовлення колісних пар.

Практичне значення отриманих результатів. Удосконалено технологію формування колісних пар тепловозів, електровозів, дизель і електропоїздів, яка впроваджена в науково-впроваджувальному центрі “Трансмаш” та ВАТ ХК “Луганськтепловоз”.

Розроблені наукові положення про удосконалення технології виготовлення колісних пар використовуються в навчальному процесі Української державної академії залізничного транспорту при вивченні дисциплін “Технологія ремонту локомотивів” а також “Теорія та конструкція локомотивів”.

Практичне впровадження результатів роботи підтверджується відповідними актами та матеріалами впровадження.

Особистий внесок здобувача. Усі положення і результати, які виносяться на захист, були отримані автором самостійно. В роботах, опублікованих у співавторстві, дисертанту належить:

- в роботі розробка математичної моделі процесу нагріву бандажів;

- в роботі розробка моделі індукційного нагріву бандажів;

- в роботах аналіз впливу на бандаж колісних пар поперечних коливань та нелінійних сил крипу в експлуатації;

- в роботі розробка методів забезпечення надійності колісних пар в експлуатації.

Апробація результатів дисертації. Основні ідеї, положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювалися на наступних конференціях:

- на 66, 67, 68-й міжнародній конференції кафедр академії і фахівців залізничного транспорту і підприємств, 2004 - 2006 рр. (м. Харків);

- на 14, 15 міжнародній конференції “Проблеми розвитку рейкового транспорту”, (Крим, м. Ялта, 2004 р., м. Алушта, 2005);

- на третій науково-практичній конференції “Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: Техніка, технологія, економіка і управління” (Україна, м. Київ, 2005 р.).

Повністю дисертаційна робота доповідалася на розширеному засіданні кафедри “Експлуатація та ремонт рухомого складу” УкрДАЗТ у 2006 р. за участю членів спеціалізованої вченої ради.

Публікації.

Основні результати досліджень опубліковані у шести наукових працях. П'ять у статтях в фахових виданнях, тезах доповідей науково-технічної конференції. Одна стаття надрукована без співавторів.

Структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел та десяти додатків. Повний обсяг дисертації складає 198 сторінок, у тому числі 124 сторінки основного тексту, 53 сторінок додатків, 12 таблиць, 35 рисунків, список використаних літературних джерел з 178 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована необхідність проведених досліджень з метою визначення сучасного рівня технології формування колісних пар тягового рухомого складу. У зв'язку з цим доводиться актуальність задачі розробки та впровадження в виробництво нових технологій формування колісних пар. Наведено:

- зв'язок роботи з науковими програмами;

- обґрунтовано мету та задачі дослідження, методи дослідження, визначено наукову новизну одержаних результатів, обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій.

Представлено наукове та практичне значення роботи, особистий внесок здобувача, апробацію результатів, публікації та структуру дисертації.

Розділ 1 присвячено аналізу існуючих технологій виготовлення колісних пар локомотивів.

Проведено огляд робіт, спрямованих на підвищення рівня виготовлення колісних пар локомотивів. Вагомий внесок у вирішення проблеми удосконалення розробки екіпажних частин рухомого складу, а також удосконалення технологій їх виготовлення та ремонту зробили відомі вчені: Басов Г.Г., Боднар Б.Є., Босов А.А., Блохін Є.П., Голубенко О.Л., Головко В.Ф., Дьомін Ю.В., Кельріх М.Б., Мямлін С.М., Іванов І.І, Коротенко М.Л., Маслієв В.Г., Осенін Ю.І., Савоськін І.М., Смушков П.І., Тартаковський Е.Д., Ткаченко В.П. та ін.

Аналіз експлуатаційної надійності колісних пар показав, що в експлуатації біля 8,7% несправностей колісних пар відбуваються через послаблення бандажів.

Тому актуальним являється виявлення причин даної несправності та заходів направлених на їх усунення.

Обробка статистичної інформації по на пресі бандажів на колісні пари вибіркою понад 1000 одиниць показала, що різниця по натягу для одної колісної пари не перевищує 1% для локомотивів однієї серії.

При цьому натяг має тенденцію до зменшення при збільшенні внутрішнього діаметра бандажа.

Регресійні залежності натягу від діаметра бандажу для різних серій локомотивів уже суттєво відрізняються, хоча мають однакову тенденцію (рис. 2). Натяг для колісних пар маневрових тепловозів на 3-5% більший, чим для магістральних локомотивів.

В результаті аналізу існуючих технологій формування колісних пар в якості пристроїв для нагріву бандажів колісних пар використовують нагрівальні печі та індукційні нагрівачі. Подальші дослідження показали, що математичного апарату для визначення нагріву бандажів та отримання залежностей постійної температури бандажу від його товщини не має. А це визиває труднощі для автоматизації процесу нагріву та контролю температури бандажів колісних пар при формуванні.

Температуру бандажу при нагріві контролюють в основному трьома способами. Перший - це з допомогою еталонних бандажів, другий - з допомогою термоолівців, а третій - з використанням терморезистора.

Аналіз існуючих технологій формування колісних пар показав, що їх можна класифікувати на два типи. Перші були розроблені ще в 60-70 роки минулого століття та базуються на нагріві бандажів. Другі - на охолодженні колісних центрів до низьких температур та температури бандажів, рівній температурі навколишнього середовища.

Але даний підхід являється дорогим через велику вартість на даний момент камери охолодження.

Тому були запропоновані шляхи збільшення строку служби колісних пар: технічні; менеджмент якості при виготовленні і т. д.

Другий розділ присвячено доопрацюванню методів визначення нагріву та контролю, які дозволяють удосконалити технологію напресування бандажів на колісні центри. Була формалізована задача нагріву бандажів колісних пар на індукційному нагрівачі. Спочатку була розроблена математична модель процесу індукційного нагріву бандажів колісних пар. Для кількісного аналізу процесу індукційного нагріву були доопрацьовані методи моделювання взаємодії бандажу з перемінним магнітним полем. Бандаж колісної пари був представлений як заготовка товщиною h, яка поміщена у просторово однорідне зовнішнє магнітне поле. Вектор напруги поля змінюється з кутовою частотою щ:

Причому H₀ паралельний осі ОХ.

На поверхнях деталі при:

Z = h / 2

- як на кордонах між середами з різноманітними властивостями неперервні тангенціальні проекції вектору напруги H і нормальні проекції вектору магнітної індукції . Поза деталями, для повітря магнітну проникливість можливо сприйняти рівної одиниці. Тому у даному випадку граничні умови запишуться:

(1)

Тут нижнім індексом відмічена проекція і на відповідній координатній осі.

Для дослідження реального розподілу щільності перемінного струму у провіднику і вияснення впливу поверхневого ефекту на індуктивний й активний опір провідника було приведено рівняння Максвела:

(2)

Де:

- оператор Гамільтона;

J - вектор густини електричного струму;

- об'ємна густини електричного заряду;

- вектор електричного зміщення.

Знехтувавши струмами зміщення і виконавши перетворення в рівняннях (1 -2) була отримана система:

(3)

Для її вирішення було застосовано перетворення Лапласа виду:

(4)

Де:

- зображення по Лапласу.

Зображення залежить від z і параметру p, у загальному випадку комплексного, то значить .

Прийнявши:

t=0 / H_x * (0,z) = H_y * (0,z) = 0

Та з урахуванням (1) була отримана ОДУ 2-го порядку з відповідними граничними умовами.

Для переходу зображення до оригіналу були знайдені полюси функції комплексного змінного р.

Так як усі полюси прості, а функція задовольняє третій умові теореми розкладення, то їй відповідає оригінал у виді суми вирахувань цієї функції в її полюсах:

(5)

З часом усі складові під знаком будуть наближатись до нуля, так що починаючи з деякого моменту t можна вважати процес змінення магнітного поля періодичним, який описується першими двома складовими. При - ряд, який визначається цією сумою, є перемінним знаком. Тому його значення не перебільшить деякого д при , якщо t визначити з умов рівності першого члену цього ряду значень.

При достатньо високій щ дріб під знаком логарифма може виявитися менше 1 навіть при дуже малих д. Це значить, що з припустимою погрішністю, яка не перевищує д, є періодичним починаючи з моменту часу t=0, тобто слід прийняти t_*=0.

Для знаходження щільності вихрових токів у деталі використовується представлення диференціальної операції ротору у прямокутній системі координат, де від нуля відмінна лише проекція j на ОУ використовують формулу Ейлера:

(6)

Де:

Враховуючи що:

- вираз (6) був перетворений до дійсного виду з урахуванням того, що маються високі щ і зовнішнього магнітного поля. Амплітуда коливань щільності вихрових токів визначається наступним чином

(7)



Максимальна амплітуда буде на поверхнях деталі при:

z = h / 2

Характер залежності Aj(z) від товщини деталі поданий на рис. 3.

Для отримання аналітичної залежності постійної температури бандажу від його товщини при нагріві була удосконалена наступна модель.

Бандаж був представлений як заготовка товщиною h, яку поміщено у однорідне зовнішнє магнітне поле. Середня за період коливань об'ємна міцність виділення джоулевої теплоти змінюється по товщині деталі і дорівнює:

(8)

Прийнявши коефіцієнти теплопровідності ч і об'ємну теплоємкість металу постійними, при періодичному зміненні в ньому магнітного поля, описуєма функція температури T(t,z) задовольняє рівнянню:

 (9)

З граничними умовами:

(10)

Де:

б - коефіцієнт тепловіддачі від поверхні деталі до кисню температурою T_*.

Встановлений розподіл T(z) можливо знайти безпосередньо рішенням ОДУ 2-го порядку. Для цього було прирівняне до нуля її першу частину після подвійного інтегрування та визначення С^*:

(11)

Час t^*, за який з абсолютною погрішністю ? відбувається завершення процесу встановлення розподілу температури у деталі, визначається за формулою:

(12)

Розділ 3 присвячений розробці моделі охолодження бандажів колісних пар та удосконаленню технології формування колісних пар тягового рухомого складу. Для повного завершення циклу формування колісних пар була розроблена модель охолодження бандажів. Суть її складається в наступному.

За час охолодження температура бандажу змінюється від Т₀ до Т_с. У момент часу ф (в любий момент) температура тіла дорівнює Т. За нескінченно малий період часу кількість тепла, яка віддається бандажем дорівнює:

Де:

- коефіцієнт пропорції.

З іншої сторони, кількість тепла Q, яка віддається тілам при охолодженні від до:

При початковій умові та при шуканий закон охолодження:

Де:

m і є відповідно теплоємність і маса металу.

На основі розроблених у другому розділі моделей були отримані залежності зміни температури від часу при нагріванні та при охолодженні бандажу з урахування температури навколишнього середовища. Розроблена модель вибору параметрів індукційного нагрівача струмами високої частоти, на основі якої обрані її основні характеристики. Потім була удосконалена технологія збірки колісних пар.

При існуючій технології збірки колісних пар спочатку встановлюється еталонний бандаж і по ньому настроюють індукційний нагрівач на нагрів до необхідної температури. Лише після цього починається збірка колісних пар.

Недоліком даної технології можна вважати:

- неврахування зміни температури навколишнього середовища;

- додаткові витрати на встановлення, нагрів бандажу та настройку індукційного нагрівача;

- неможливість контролю дійсної температури бандажу.

Для усунення даних недоліків було впроваджено наступні зміни в технологію формування колісних пар:

- встановлено тепловізор для контролю температури нагріву бандажу;

- на основі раніше приведених моделей розроблено програмне забезпечення для автоматизованого контролера, який би вимикав індукційний нагрівач при досягненні необхідної температури (рис. 4).

Четвертий розділ присвячений розрахунку економічного ефекту від впровадження удосконаленої технології виготовлення колісних пар.

Отримала подальший розвиток модель визначення економічного ефекту від впровадження нових технологій виготовлення колісних пар. Проведені в дисертації техніко-економічні розрахунки свідчать про те, що впровадження нової технології формування колісних пар локомотивів дозволить підвищити економічну ефективність їх виготовлення. При цьому економічний ефект від впровадження нової технології збірки колісних пар складатиме за рік понад 145 тис. грн.

ВИСНОВКИ

В рамках Державної програми “Розвиток рейкового рухомого складу соціального призначення для залізничного транспорту та міського господарства” виконано комплексне дослідження, яке присвячене розробці науково обґрунтованих технічних і технологічних рішень по створенню ресурсозберігаючих технологій формування колісних пар локомотивів при виготовленні, яке можна розглядати як вирішення однієї з науково-практичних задач залізничного транспорту, що має важливе науково-господарське значення. При цьому отримані наступні наукові і практичні результати:

В результаті аналізу існуючих технологій виготовлення та ремонту колісних пар на заводах і в локомотивних депо України та ближнього зарубіжжя було виявлено, що вони технічно та морально застаріли (були розроблені в 70-х роках ХХ століття).

Аналіз надійності колісних пар в експлуатації показав, що мають місце 6,7% їх розбандажування серед усіх несправностей колісних пар. Запропоновані шляхи підвищення їх надійності в експлуатації які були підрозділені на чотири групи: технічні, технологічні, експлуатаційні та утримання колії.

В існуючих технологіях формування колісних пар в якості пристроїв для нагріву бандажів колісних пар використовують нагрівальні печі та індукційні нагрівачі. Температуру бандажу при нагріві контролюють в основному трьома способами: з допомогою еталонних бандажів, термоолівців, терморезисторів.

Доведені залежності натягу від діаметра бандажу колісних пар для різних серій локомотивів.

Розроблені моделі нагріву бандажів перед напресуванням та їх охолодження дозволяють визначити час на нагрів та охолодження для використання в нагрівальному та вимірювальному комплексі. Отримана формула для розрахунку часу, за який відбувається завершення процесу встановлення розподілу температури у бандажі. Розрахунковим шляхом отримані залежності нагріву та охолодження бандажів в залежності від часу з урахуванням температури навколишнього середовища.

Формалізовано комплекс моделей технології формування колісних пар локомотивів, за рахунок впровадження раціонального нагріву бандажів та впровадження нових засобів контролю температури бандажів та посадки на колісні центри, який став основою для автоматизованої системи контролю при напресуванні бандажів на колісні центри.

Отримала подальший розвиток стратегія формування колісних пар з обандаженими колісними центрами. колісний локомотив індукційний

Отримала подальший розвиток модель визначення економічного ефекту від впровадження нових технологій виготовлення колісних пар. При цьому економічний ефект від впровадження нової технології збірки колісних пар складатиме за рік понад 145 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Басов Г.Г., Мокроусов С.Д., Шаронова В.Г Математическая модель процесса индукционного нагрева бандажей // Вісник Міжнародного словянського університету. -Харків: МСУ, - 2004. - №2. - Том VII. - С. 69-73.

Басов Г.Г., Мокроусов С.Д., Шаронова В.Г Модель индукционного нагрева бандажей колесных пар // Зб. наук. праць. -Харків: УкрДАЗТ, 2005. - Вип. 66. - С. 88-92.

Басов Г.Г., Мокроусов С.Д. К анализу поперечных автоколебаний модели колесной пары. // Вісник Східноукраїнського національного університету. 2005. - № 8 (90). - Ч.1. - С. 15-22.

Басов Г.Г., Мокроусов С.Д. Учет нелинейных сил крипа в задаче об устойчивости прямолинейного движения колесной пары // Зб.наук.праць. -Харків: УкрДАЗТ, 2005. - Вип. 68. - С. 152-161.

Анализ методов обеспечения надежности работы пар трения в эксплуатации / Л.А. Губачева, С.Д. Мокроусов, В.П. Щербак, А.С. Михеев // Вісник Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, 2004., - №8 (78). - С. 43-48.

Мокроусов С.Д. Повышение надежности колесных пар локомотивов // Проблеми та перспективи розвитку транспортних систем: техніка, технологія, економіка та управління. Тези доповідей третьої науково-практичної конференції. Серія “Техніка, технологія”. - Київ: КУЕТТ, 2005. - С. 36-37.

Размещено на Allbest.ru

...