Введение к работе
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% пассажиро-оборота 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
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., Про-свиров 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., Цюрен-ко 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:
-
Анализ данных по реальным условиям эксплуатации колесных пар вагонов на полигонах ОАО «РЖД».
-
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.
-
Моделирование напряженно-деформированного состояния колесной пары при действии термических нагрузок в процессе экстренного (короткого) и длительного торможения (движение поезда по затяжному спуску).
-
Разработка расчетно-экспериментальной методики определения ресурса
колес вагонов по результатам испытания малогабаритных образцов.
5. Повышение ресурса за счет совершенствования характеристик процесса
восстановления профиля колеса, разработка виртуальной среды по определе
нию рациональной геометрии режущего инструмента (РИ) и экономичных ре
жимов восстановления колес с дефектами на поверхности катания.
6. Расчет напряженно-деформированного состояния и прочности твердо
сплавных 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 автоматиче
ского управления.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Разработана научная концепция выбора и анализа репрезентативных
(полигонных) маршрутов движения вагонов.
-
Выявлены закономерности нагрузок на колесную пару при движении вагона на различных полигонах эксплуатации методами математического моделирования системы «вагон-путь».
-
Предложен оригинальный подход и программный модуль, позволяющий определять характеристики износостойкости и сопротивления контактной усталости колесных сталей с использованием малогабаритных (натурных) образцов.
-
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 мало
габаритных образцов с использованием теории размерностей.
6. Определены рациональные значения параметров экономичного восста
новления профиля колеса для повышения ресурса в процессе ремонта с учетом
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 оцени
вать ресурс по результатам испытания малогабаритных образцов с учетом по
лигонов 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 ко-4
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 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
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.