RU2850946C1 - Способ восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке поверхности катания колес рельсового транспорта, и может быть использовано для восстановления профиля изношенных поверхностей катания колес рельсового транспорта. Способ восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар заключается в предварительном нагреве поверхности катания с последующей ее обточкой или фрезерованием. Нагрев осуществляют черновым шлифованием всей поверхности катания. Перед черновым шлифованием определяют твердость поверхностей ползунов и отклонения от круглости, а черновое шлифование осуществляют со следующими режимами: скорость круга V_кp = 30-35 м/с; поперечная подача S_p = 0.01-0.05 мм/об; глубина резания t = 10-11.8 мм; скорость вращения детали V_д = 10-50 м/мин. Обеспечивается улучшение эксплуатационных характеристик колесных пар, повышение стойкости режущего инструмента и снижение количества брака за счет использования чернового шлифования всей поверхности катания. 3 ил.

Description

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к обработке поверхности катания колес рельсового транспорта, и может быть использовано для восстановления профиля изношенных поверхностей катания колес рельсового транспорта (железнодорожный транспорт, метрополитен, трамвай и т.п.).

Из уровня техники известен способ врезного профильного высокоскоростного шлифования поверхности катания колесных пар. Процесс основан на использовании специальных шлифовальных кругов, предназначенных для чернового шлифования изношенных поверхностей [Иванов И.А., Кононов Д.П., Урушев С.В. Совершенствование процесса восстановления профиля поверхности катания колесных пар // Бюллетень результатов научных исследований. 2017. №4. С.120-128].

Недостатком известной из уровня техники способа врезного профильного высокоскоростного шлифования является случаи значительного износа колесных пар, когда необходимо удалить большой слой металла. Удаление большого объема металла требует большего времени на обработку и увеличивает нагрузку на шлифовальный круг, что ведет к его быстрому износу. При этом возрастает риск перегрева и тепловой деформации, что требует более частого контроля параметров процесса обработки.

Из уровня техники известен способ комплексного восстановления колесных пар, который включает несколько последовательных этапов. Сначала выполняется наплавка для восстановления утраченного металла. Затем проводится черновое шлифование и механическая обработка профиля с использованием резца или фасонной фрезы. [Либерман Я.Л., Баженов С.Э. Комплексный подход к ремонту колесных пар локомотивов и вагонов без выкатки // Инновационное развитие техники и технологий наземного транспорта: IV Всерос. науч.-практ.конф.: сб. ст. (Екатеринбург, 16 декабря 2022 года). Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2023. С.157-161].

Недостатком известной из уровня техники способа комплексного восстановления колесных пар является внесение дополнительных отклонений и дефектов каждой операции, такие как термическое воздействие, при наплавке, которое может изменить структуру металла. Эти изменения требуют дополнительных корректировок и контроля, чтобы обеспечить стабильность размеров и качества, что еще больше увеличивает общую сложность и время процесса обработки.

Из уровня техники известен способ восстановления профиля поверхности катания колесных пар рельсового транспорта, заключающийся в одновременном фрикционном нагреве поверхностного слоя колеса и механической обработке торцевой фрезой (Патент РФ №2809615, опубл. 13.12.2023 г.).

Недостатком известной из уровня техники способа является риск возникновения неравномерного нагрева поверхности катания, особенно на наружной части гребня колеса, что может привести к локальным перегревам. Эти локальные перегревы способны снизить твердость и прочность обрабатываемой поверхности, ухудшая долговечность колесных пар. Дополнительно, в процессе фрикционного нагрева возможны перегрузки в точках контакта, что может негативно сказаться на однородности обработки и потребовать дополнительного контроля температурного режима для оптимизации процесса.

Наиболее близким по технической сущности и назначению аналогом по отношению к предлагаемому изобретению, является выбранный в качестве прототипа способ восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар, заключающийся в предварительном нагреве поверхности катания с последующей ее обточкой или фрезерованием (Патент РФ №2754627, опубл. 06.09.2021 г. ).

Недостатком известной из уровня техники способа восстановления, в том числе технической проблемой, является фрикционный нагрев поверхности колеса с помощью тормозной колодки, который, в отличие от шлифовального круга, не исключает возможность локальных перегревов и не является режущим инструментом, что затрудняет технологический процесс восстановления колеса при колебании припуска до 12 мм. Локальные перегревы могут привести к снижению твердости обработанной поверхности колеса. Колебания твердости и усилие резания складывается огранкой, что негативно сказывается на долговечности и эксплуатационных характеристиках колесных пар.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик колесных пар, повышение стойкости режущего инструмента и снижение количества брака, вызываемое катастрофическим износом режущего инструмента (поломка).

В основу заявленного изобретения был положен технический результат -улучшение эксплуатационных характеристик колесных пар, повышение стойкости режущего инструмента и снижение количества брака за счет использования чернового шлифования всей поверхности катания.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в способе восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар, заключающимся в предварительном нагреве поверхности катания с последующей ее обточкой или фрезерованием, нагрев осуществляют черновым шлифованием всей поверхности катания, при этом перед черновым шлифованием определяют твердость поверхностей ползунов и отклонения от круглости, а черновое шлифование осуществляют со следующими режимами: скорость круга V_кp=30…35 м/сек; поперечная подача S_p=0.01…0.05 мм/об; глубина резания t=1…11.8 мм; скорость вращения детали V_д=10…50 м/мин.

В заявленном способе возможно черновое шлифование, которое выполняется параллельно с обточкой или фрезерованием.

Изобретение поясняется изображениями.

Фиг. 1 - Схема обработки поверхности катания колеса с помощью чернового шлифования.

Фиг. 2 - Схема обработки поверхности катания колеса с одновременной обработкой черновым шлифованием и обточкой.

Фиг. 3 - Схема обработки поверхности катания колеса с одновременной обработкой черновым шлифованием и фрезерованием.

Способ восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар 1 заключается в предварительном нагреве поверхности катания 2 с последующей ее обточкой 3 или фрезерованием 4. Нагрев осуществляют черновым шлифованием 5 всей поверхности катания 2. Перед черновым шлифованием 5 определяют твердость поверхностей ползунов и отклонения от круглости, а черновое шлифование 5 осуществляют со следующими режимами: скорость круга V_кp=30…35 м/сек; поперечная подача S_p=0.01…0.05 мм/об; глубина резания t=1…11.8 мм; скорость вращения детали V_д=10…50 м/мин.

Другой возможный способ восстановления в соответствии с настоящим изобретением предусматривает черновое шлифование 5, которое выполняется параллельно с обточкой 3 или фрезерованием 4.

Пример осуществления способа восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар.

Перед началом чернового шлифования измеряется твердость поверхностей ползунов и оценивается степень отклонения от круглости. Определенные значения позволяют корректно установить режимы чернового шлифования, которые в дальнейшем обеспечат эффективное восстановление. Нагрев поверхности катания осуществляется за счет чернового шлифования всей обрабатываемой поверхности. Причем при черновом шлифовании возможно контролировать температуру, как в зоне контакта, так и на определенной глубине под поверхностью обрабатываемой детали, чтобы избежать нежелательных структурных изменений металла.

На этапе чернового шлифования применяются следующие параметры:

- Скорость вращения шлифовального круга Vкр=30…35 м/с - выбор данного диапазона обусловлен необходимостью обеспечения оптимальной температуры в зоне контакта. При V_кp<30 м/с - эффективность съема припуска падает. А при V_кp>35 м/с - возрастает риск перегрева и закалки стали.

- Врезная подача S_p=0.01…0.05 мм/об - данный диапазон обеспечивает стабильное распределение температуры. При S_p<0.01 мм/об - замедляется процесс снятия припуска из-за уменьшения температуры, что снижает общую производительность процесса чернового шлифования. А при S_p>0.05 мм/об приводит к повышению температуры и локальным перегревам.

- Глубина резания t=1...11.8 мм - определяется в зависимости от износа поверхности катания. Максимальная глубина резания ограничена технологическими возможностями оборудования и предотвращением тепловых дефектов.

- Скорость вращения детали V_д=10…50 м/мин - позволяет контролировать среднюю температуру в зоне контакта на глубине минимального снимаемого припуска t_min = 0.2 мм и избежать структурных изменений металла.

В процессе чернового шлифования температура в зоне контакта достигает 550…850°С, что способствует выравниванию физико-механических свойств материала. На глубине минимального снимаемого припуска t_min=0.2 мм температура достигает 300…600°С, что инициирует фазовые превращения и стабилизацию структуры. В этом случае получение перлита и сорбита ведет к стабильному улучшению обрабатываемости резанием (точением или фрезерованием).

При черновом шлифовании возможно применение двух вариантов обработки: встречного и попутного. Встречное шлифование (когда направление вращения шлифовального круга противоположно направлению вращения колесных пар) применяется для более интенсивного съема припуска и уменьшения риска перегрева. Попутное шлифование, при котором направления вращения круга и колесных пар совпадают, используется для более плавного съема материала и улучшения качества поверхности.

После выполнения чернового шлифования осуществляется окончательная механическая обработка поверхности катания. Это может быть либо обточка, либо фрезерование. Минимальный снимаемый припуск t_min=0.2 мм необходим для достижения требуемой геометрии и качества поверхности. Операция выполняется с минимальной нагрузкой на режущий инструмент благодаря предварительно стабилизированной структуре металла (перлит + сорбит).

Другой возможный пример осуществления способа восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар заключается в том, что черновое шлифование осуществляется параллельно с обточкой или фрезерованием поверхности катания. Основная цель параллельного выполнения операций заключается в том, чтобы шлифование выполняло функции, как нагрева, так и предварительного выравнивания поверхности, а обточка или фрезерование обеспечивали окончательное формирование геометрии поверхности катания. Это позволяет одновременно устранять изношенные слои и формировать требуемые размеры и геометрию поверхности. Также комбинирование процессов позволяет снизить время обработки.

В результате вышеописанных способов обработки обеспечивается устранение изношенных участков, восстановление требуемой геометрии и повышение эксплуатационных характеристик (исключения брака) поверхностей катания колесной пары. Дополнительно возрастает стойкость режущего инструмента за счет снижения и выравнивания нагрузки на его рабочую поверхность.

Из рассмотренного примера следует, что возможность осуществления способа восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар подтверждена с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов. Использование чернового шлифования в качестве нагрева поверхности катания с последующей ее обточкой или фрезерованием улучшает эксплуатационные характеристики колесных пар и повышает стойкость режущего инструмента.

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в формуле изобретения обеспечивает решение поставленной задачи -улучшение эксплуатационных характеристик колесных пар и повышение стойкости режущего инструмента.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к машиностроению, в частности, к обработке профиля поверхности катания колес рельсового транспорта и может быть использовано для восстановления профиля изношенных поверхностей катания колес рельсового транспорта (железнодорожный транспорт, метрополитен, трамвай и т.п.);

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, по мнению заявителя заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Claims (1)

1. Способ восстановления изношенных поверхностей катания колесных пар, заключающийся в предварительном нагреве поверхности катания с последующей ее обточкой или фрезерованием, отличающийся тем, что нагрев осуществляют черновым шлифованием всей поверхности катания, при этом перед черновым шлифованием определяют твердость поверхностей ползунов и отклонения от круглости колесной пары, а черновое шлифование осуществляют со следующими режимами: скорость круга V_кр=30…35 м/с; поперечная подача S_p=0.01…0.05 мм/об; глубина резания t=1…11.8 мм; скорость вращения детали V_д=10…50 м/мин.