ДОКЛАД на первой международной партнерской конференции "Проблемы подвижного состава: пути решения через взаимодействие государственного и частного секторов", которая прошла 13-14 мая 2010 года в г.Севастополь, АР Крым по инициативе Государственной организации железнодорожного транспорта Украины.
СНИЖЕНИЕ УДАРНЫХ НАГРУЗОК НА РЕЛЬСОВЫЙ ПУТЬ ПУТЕМ ВНЕСЕНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ И ОСВИДЕТЕЛЬСТВОВАНИЯ КОЛЕСНЫХ ПАР
К.Ф. БОРЯК, к.т.н.,директор частного малого предприятия «КОМПРО», г. Одесса, (Украина)
Ударное воздействие колес на рельсовый путь сокращает срок службы шпал и самих колес, увеличивает затраты на текущее содержание и замену рельсовых скреплений, вызывает изломы рельсов в холодное время, расстраивает элементы ходовой части подвижного состава, повышает сопротивление движению поезда, и вносит большую погрешность при взвешивании грузовых вагонов в движении. Именно, по этой причине широкое внедрение на УКРЗАЛІЗНИЦІ весов для динамического взвешивания грузовых вагонов затруднено, а статическое взвешивание вагонов сильно сдерживает увеличение грузопотока. При определенных значениях некруглости колес (отличительная черта для отечественных колесных пар) частота возбуждаемых ими изгибныхколебаний оси может войти в резонанс с собственной частотой тележки или кузова, что приводит к резкому возрастанию размаха колебаний букс. Причем, с увеличением скорости движения состава увеличение частоты этих колебаний происходит нелинейно.С увеличением скорости пассажирскогодвижения до 160км/ч эта проблема еще больше обострилась, так как рельсовый путь для грузового и пассажирского движения у нас предусмотрен один. Как с этим бороться?
Специалистами фирмы «КОМПРО» предлагается вариантрешения проблемы в два этапа. Опираясь на результаты многочисленных экспериментальных испытаний, касающихся взаимодействия пути и подвижного состава, и на статическую информацию, полученную при использовании датчиков динамических нагрузок в условиях реальной эксплуатации, мы предлагаем на первом этапе проводить изъятие из эксплуатации дефектных колесных пар, динамическая нагрузка на рельс от которых превышает допускаемую норму. При этом требования к пороговому значению критерия для динамической нагрузки по изъятию колес для грузовых и пассажирских вагонов могут быть разными. Для этого основные магистральные направления движения поездов необходимо оборудовать измерительными участками с датчиками ударных нагрузок. В пассажирских вагонных депо, обслуживающих скоростные движения поездов, возможно, целесообразно было бы установить свои испытательные стенды с датчиками ударных нагрузок и с их помощью отбирать колесные пары, эксплуатирующиеся только на скоростном движении.
В Украине имеются, как минимум три, научно-производственных фирм, которые способны разработать и смонтировать такие измерительные участки. На практических конференциях в 2008-2009 гг. эти фирмы уже представляли свои разработки в этом направлении и мне они показались достаточно удачными. При соответствующей финансовой поддержке, полученные этими фирмами результаты, можно было бы реализовать хотя бы на нескольких основных направлениях. Результаты анализа, проведенные в 1989-1993 гг., к сожалению, зарубежными исследователями, показали, что таким образом можно с достаточной точностью измерять ударные воздействия колес на рельсы, обусловленные неровностями поверхности катанияи приобретенными эксплуатационными дефектами, и на основе получаемой оперативной информации производить изъятие дефектных колесных пар.
На втором этапе необходимо внести измененияв технологический процесс освидетельствования колесных пар. Здесь имеется несколько путей.
Первый путь – заменить все устаревшее технологическое оборудование новым, более современным. К сожалению, в период продолжающегося в стране кризиса является пока бесперспективным.
Второй путь - полная замена всех колесных пар отечественного производства зарубежными аналогами, в принципе, неприемлем как по политическим, так и по экономическим соображениям.
Третий путь – самим разработать новую конструкцию колесной пары с тележкой, найти предприятие-изготовителя, провести государственные испытания опытного образца, доработать до совершенства, снова провести испытания, затем изготовить опытную промышленную партию и, наконец, внедрить ее. Исследования в этом направлении ведутся непрерывно и результаты приличные есть, а вот когда они воплотятся в реальность - никто точно не знает.
Некоторые специалисты видят решение данной проблемы путем закупки современных балансировочных станков для колесных пар. Конечно, балансировать колесные пары необходимо, но основное предназначение любой балансировки – устранение неравномерности распределения плотности материала (массы тела по занимаемому им геометрическому объему), а не компенсация нарушенной геометрии. Балансировка – это финишная технологическая операция, с помощью которой невозможно исправить конструктивные дефекты геометрии ротора, допущенные при его изготовлении. Другими словами, нельзя балансировкой колесной пары устранить ее радиальное биение при вращении, которое возникает вследствие погрешности (эксцентриситета) сопряжения геометрического центра колес с центром оси. Радиальное биение колесной пары возникает вследствие несовпадения ее геометрической оси с осью вращения. А на балансировочном станке, за счет проведения операций по балансировке, совмещается инерционная ось колесной пары с осью ее вращения, но не с геометрической осью. Если балансировку выполнять относительно центра катания бандажей (обода), то «стучать по рельсу» через обод колеса будет ось, а если выполнять балансировку относительно центра оси, то «стучать по рельсу» будут сами колеса, так как колеса и ось связаны между собой жестко. Поэтому данную проблему одним только приобретением балансировочных станков не решить.
Всегда дешевле и эффективнее устранить саму причину, чем тратить огромные средства и время на борьбу с ее последствиями. Специалистами фирмы «КОМПРО» предлагается четвертый вариантрешения проблемы - путем внесения измененийв технологический процесс сборки колесных пар, направленных на устранение причин возникновения радиального биения, т.е. уменьшения погрешности центровки колес при сопряжении с осью и некруглости ободов колес при их обточке. Радиальное биение колесной пары появляется из-за погрешности установки оси в мертвые центра на колесотокарном станке (наличие эксцентриситета между геометрической осью и осью вращения). Предлагаемвнести следующие изменения в технологический процесс освидетельствования колесных пар:
1. Обточку ободов колес производить только при вращении оси в собственных подшипниках закрытых букс, неподвижно закрепленных через специальные адаптеры на опорах колесотокарного станка, чтобы исключить влияние массы колесной пары,установочных центров, пинолей и кулачков на точность обработки, и тем самым обеспечить высокую степень круглости. Тогда центр катания обода будет совпадать с центром вращения оси, а радиальное биение и некруглость колес будет зависеть только от погрешности самой конструкции станка, т.е. измеряться сотыми долями миллиметра.
В традиционных колесотокарных станках круглость обработанных ободов зависит от концентричности большого главного шпинделя, точности установки пинолей на направляющих и концентричности расположения центров в пинолях. Накладывающиеся технологические допуски деталей конструкции станка могут суммироваться в отклонение, достигающее 0,02мм. В процессе эксплуатации контактирующие поверхности пинолей и направляющих изнашиваются. На практике тщательно обслуживаемый традиционный колесотокарный станок позволяет обтачивать колесные пары с некруглостью около 0,3мм.
Естественно, что изменение технологии возможно только после проведения модернизации существующего на ремонтных предприятиях технологического оборудования. Для снижения некруглости колес до нескольких микрон необходимо дополнительно еще заменить привод традиционного токарного станка на фрикционный и установить на станок устройства, осуществляющих автоматический контроль правильности положения мерительного инструмента по отношению к обрабатываемой колесной паре, а также измеряющих износ обода и определяющих по результату замера величину поперечной подачи суппортов. Благодаря этому будет обеспечиваться возможность обточки ободов с минимальным снятием материала. Другими словами, требуется новый или модернизированный колесотокарный станок с ЧПУ.
2. После обточки ободов необходимо устранить неравномерность плотности распределения массы цельнокатаных колес и самой оси относительно их центра вращения. Вот как раз эту проблему можно и нужно решать с помощью балансировочного станка. Поскольку, совмещение центров катания обода и вращения колесной оси можно обеспечить за счет первой технологической операции, то предпочтение при выборе конструкции балансировочного станка целиком зависит от эстетического вкуса заказчика. На мой взгляд, лучше отдать предпочтение дорезонансному балансировочному станку с неподвижными опорными шпинделями (чтобы исключить влияние веса колесной пары на измерения остаточного дисбаланса), на котором балансировка колесной пары опять-таки будет осуществляться в собственных подшипниках с неподвижно закрепленными буксами.
Различные производители предлагают различные методики проведения балансировочных работ, одни - относительно центра катания обода (бандажей), другие - относительно центра вращения оси. Научный спор вокруг справедливости обеих этих методик можно сравнить со спором, что первично - курица или яйцо. Я на первое место поставил бы совсем другую проблему - в выборе удобного в общем технологическом процессе ремонта, эффективного и безопасного для эксплуатации способа коррекции остаточного дисбаланса колесных пар. Большинство производителей балансировочных станков для колесных пар предлагают способ коррекции остаточного дисбалансапутем снятие массы с внутренней поверхности ободов колес с помощью либо фрезерного, либо токарного станка, не принципиально. Однако данный способ имеет два существенных недостатка:
· Первым является низкая ремонтопригодность колесной пары при повторной балансировке. Последующая балансировка колесной пары после неравномерного износа ободов колес в период эксплуатации будет, практически, не возможна. При коррекции мы уменьшаем толщину обода в определенном месте и тем самым снижаем эксплуатационный пробег самого колеса (нормативные допуски по толщине обода корректировать в сторону уменьшения никто не собирается).
· Ко второму и самому существенномуследует отнестиснижение прочности колеса в месте перехода обода к диску, так как, именно, в месте их сопряжения мы своим фрезерованием вносим изменения в структуру литого металла обода. Кроме того, наличие разницы в толщине обода колеса (по кругу колеса) при торможении приведет к неравномерности его температурного нагрева в месте сопряжения обода и диска, а это приведет к увеличению неравномерности радиальных напряжений в диске с внутренней стороны колеса. Добавьте сюда еще дополнительные затраты труда и времени, вызванные необходимостью проведения повторной диагностики колесной пары после фрезеровки.
Мы предлагаем другой способ коррекции остаточного дисбаланса - установку дополнительных масс, который не нарушает целостность и литую структуру металла ободов колес, а именно, путем установки корректирующих грузов на проточенной цилиндрической части оси вблизи шейки колеса. Корректирующий груз представляет собой набор металлических пластин (различной толщины и веса), которые жестко закреплены на специальном металлическом хомуте.
Я перечислю только преимущества предлагаемого нами способа коррекции остаточного дисбаланса колесных пар:
1. позволяет многократно менять не только вес, но и положение корректирующего груза, при повторных балансировках колесной пары в ходе эксплуатации;
2. хомут может быть повторно и многократно использован при замене изношенных цельнолитых колес на новые;
3. не нарушается целостность ободов колес, а, следовательно, уровень их прочности после балансировки тоже не изменяется;
4. не требуется приобретать (и обслуживать в дальнейшем) специальный дорогостоящий (фрезерный или токарный) станок для коррекции дисбаланса;
5. позволяет проводить установку корректирующих грузов прямо на балансировочном станке и выполнять проверку правильности коррекции остаточного дисбаланса (методом повторного пуска), а при необходимости устранять допущенные ошибки в коррекции неограниченное количество раз без нарушения конструктивной целостности колесной пары;
6. значительно сокращается время, энергозатраты и трудозатраты на проведения балансировочных работ за счет исключения из технологического процесса:
Ø«лишнего перемещения» колесной пары от балансировочного станка на корректирующий станок и обратно для контрольного пуска;
Øнеобходимости дополнительно проведения диагностики бандажей на прочность после нарушения структуры колеса фрезерованием;
Øпотребления электроэнергии (до 8 кВт/ч) при работе корректирующего (фрезерного или токарного) станка;
Øзаработной платы на содержание слесаря-фрезеровщика для работы на корректирующем станке, так как балансировка выполняется другим слесарем- балансировщиком.
Экономические затраты на изготовление специальных хомутов и наборов корректирующих грузов намного ниже, чем стоимость приобретения и эксплуатационные расходы по корректирующему станку. Идея по модернизации колесотокарных станков родилась благодаря общению со старыми работниками железной дороги, которые сейчас на пенсии, но хорошо помнят, что раньше в бывшем СССР обточка колесных пар производилась на станках только вместе с буксами в собственных подшипниках. К этой идее надо вернуться только на новом современном уровне измерения, контроля и управления параметрами технологического процесса обточки ободов колес и уменьшения уровня остаточного дисбаланса колесных пар на современных балансировочных станках. Предлагаемый нами путь решения существующей проблемы является более эффективным с точки зрения отдачи вложенных средств. Наша концепция требует обсуждения за круглым столом с привлечением научных работников и специалистов из ремонтных предприятий УКРЗАЛІЗНИЦІ.