Разработка технологии упрочнения железнодорожных колес

ДипломнаяПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработка технологии упрочнения железнодорожных колес (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Введение

Актуальность дипломного проекта. Железнодорожный транспорт Казахстана по своей протяженности и объемам перевозок занимает третье место в СНГ после России и Украины. При Советском Союзе ежегодно заводами выпускалось три млн. тонн колес, из них 200 тыс. тонн выделялось Казахской железной дороге.

На Нижнетагильском металлургическом комбинате по проекту индустриализации предусматривается выпуск ежегодно 205 тыс. тонн железнодорожных колес. Этого будет достаточно для республики.

Научная новизна и практическая значимость. 19 июня 2009 года в рамках межрегионального инвестиционного форума в Усть-Каменогорске АО «Казахстан Темир Жолы» (КТЖ) и KSP Steel подписали долгосрочный договор о гарантированной закупке рельсов.

Согласно условиям договора, предприятие с 2012 года будет поставлять железной дороге 100 тысяч тонн рельсов в год. До этого срока отечественный производитель обязан подготовить производственные мощности, приобрести необходимое оборудование, получить соответствующие сертификаты качества и выпустить рельсы согласно общепринятым мировым техническим характеристикам.

Договор заключен в рамках программы увеличения доли казахстанской составляющей в объеме товарно-материальных ценностей, закупаемых для нужд КТЖ и дочерних предприятий на 2009;2013 годы. Предусмотрено увеличение заказов с 16,6 миллиарда тенге в 2009 году до 174 миллиардов тенге к 2013 году. При этом доля казахстанского содержания увеличится с 70% до 95%. Всего в рамках программы заключено 54 меморандума с крупными промышленными предприятиями и предпринимательскими организациями республики.

Оценка современного состояния решаемой научной проблемы. Сейчас АО «Казахстан Темир Жолы» приобретает железнодорожные колеса в России. Однако, по словам господина Султанова (вице-президент КТЖ), с этим имелись проблемы — их снабжали по остаточному принципу и по достаточно дорогой цене. Если это производство будет запущено, спрос на его продукцию будет обеспечен, считают в «КТЖ»: во-первых, железная дорога Казахстана — достаточно развитая сеть, во-вторых, рассматривается новый проект «Восток — Запад», это строительство двух новых веток по направлению Жезказган — Бейнеу. С другой стороны, отечественные рельсы будут иметь конкурентоспособную цену. Главное, подчеркнул вице-президент «КТЖ», они соответствуют техническим спецификам, а это — основное условие, то есть рельсы будут конкурентоспособны и по качеству. И в этом случае национальная компания может проводить прямые закупки у отечественных предприятий, ведь цель меморандума, подписанного областью и «КТЖ», — увеличение казахстанской доли в закупаемой компанией железнодорожной продукции.

Производство железнодорожных и других типов рельсов сосредоточено на специализированных рельсобалочных станах.

Предлагаемая технология производства железнодорожных рельсов обеспечивает заметное повышение их конструкционной прочности, а следовательно, и эксплуатационной стойкости. Он применим для изготовления рельсов всех типоразмеров. Способ может быть реализован на существующем оборудовании металлургических предприятий без больших перестроек и капитальных вложений и без снижения производительности их изготовления.

Цель, задачи и объект дипломного проектирования. Целью дипломного проектирования является производство железнодорожного профиля.

Задачами дипломного проектирования является:

— разработка схемы расположения основного оборудования колесобандажного стана;

— кинематический расчет двигателя;

— расчет выбора подшипника проектируемого узла;

— расчет энергосиловых параметров и кинематических параметров;

— разработка основных мероприятий по охране труда и безопасности жизнедеятельности в рельсобалочном цехе;

— технико-экономическая оценка предлагаемых проектных решений.

Объектом дипломного проектирования является участок колесобандажного цеха, профиль железнодорожных колес.

Теоретическая и методологическая основа. При расчете калибровки прокатных валков использовались основные положения теории прокатки, как раздел механики деформируемого твердого тела. Расчет усилий осуществлялся по формулам Целикова А. И. и Чекмарева А.П.

Практическая база. За практическую базу написания дипломного проекта взята технология производства рельсов ОАО «Нижнетагильского металлургического комбината» — одного из крупнейших металлургических комплексов России, крупнейшее в мире предприятие по производству различного вида железнодорожных рельс.

1. Организационная часть

1.1 Общее описание цеха вагонный колесо упрочнение подшипник Колёсобандажный цех В колесобандажный цех входят колесопрокатный и бандажный станы. Проектная мощность колесопрокатного стана- 205 тысяч тонн проката в год. Его специализация — производство цельнокатаных железнодорожных колес и заготовок колес для тепловозов, электровозов, вагонов метрополитена, железных дорог узкой колеи, кранов, тележки другого оборудования.

Проектная мощность бандажного стана- 148 тысяч тонн проката в год. Специализация — производство бандажей для локомотивов, вагонов для железных дорог широкой колеи, вагонов метрополитена, трамваев, а также различных колец простой и сложной конфигурации для машиностроения.

Колесобандажный цех представляет собой комплекс в составе двух отдельных станов: колесопрокатного и бандажного.

Специализация — выпуск цельнокатаных железнодорожных колес и заготовок колес для подвижного состава и кранового машиностроения.

Исходная заготовка — круглая непрерывно-литая заготовка диаметром 430 мм.

Состав оборудования:

заготовительный участок с шестью пильными установками для порезки на штучные заготовки, обеспечивает заготовками колесопрокатный и бандажный станы;

печной участок в составе двух кольцевых печей с вращающимся подом;

прессо-прокатный участок в составе пресса усилием 3000 т для обжатия и калибровки заготовки, пресса усилием 500 т для прошивки отверстия, пресса усилием 7000 т для формирования ступицы с отверстием и прилегающей к ней части диска, семивалкового прокатного стана для выкатывания обода с гребнем и прилегающей к ободу части диска, пресса усилием 3000 т для калибровки колеса, выгибки диска и нанесения маркировки;

в 2005 году введен новый прессо-прокатный участок производительностью 630 000 тысяч колес в год в следующем составе:

— установка для гидрослива окалины

— три пресса с суммарным усилием 19 тыс. тонн

— колесопрокатный стан

— маркировочная машина

— система автоматического замера геометрических параметров и регулировки режимов обработки;

С освоением нового прессо-прокатного участка оборудование старого ППУ будет выведено из эксплуатации.

участок термической обработки в составе двух кольцевых печей с вращающимся подом для нагрева под закалку, шести закалочных горизонтальных столов, 48 колодцевых отапливаемых печей для отпуска колес садкой по 6 колес в стопе;

участок механической обработки колес в составе станков модели 1В502, 1В503, М153, VDM 120−12;

в 2005 году введен в эксплуатацию участок полнопрофильной механической обработки колес с производственной мощностью 180 000 шт. в год в следующем составе:

— две роботизированные линии, включающие 7 станков полнопрофильной обработки колеса

— станки для балансировки колес и расточки отверстия в ступице;

участок приемки колес в составе двух стендов с установками УЗК, стенды вихретокового контроля.

в 2004 году введена вторая линия выходного контроля колес производительностью 300 тысяч штук в год в следующем составе:

— оборудование для дробеструйной обработки

— оборудование для замера твердости

— установка ультразвукового контроля колес

— участок покраски колес;

Бандажный стан Специализация — выпуск бандажей для подвижного состава и заготовок колец различной конфигурации для машиностроения.

Исходная заготовка — круглая непрерывнолитая заготовка диаметром 430 мм.

Состав оборудования:

печной участок в составе методической и двух камерных печей для нагрева заготовок;

прессо-прокатный участок в составе пресса усилием 3200 т для осадки заготовки и прошивки отверстия, чернового стана для предварительной раскатки заготовки, чистового стан для раскатки бандажей и колец до требуемых размеров и формы, пресса усилием 400 т для нанесения маркировки;

участок замедленного охлаждения для противофлокенной обработки бандажей и колец из флокеночувствительной стали;

участок термической обработки в составе 16 печей шахтного типа для нагрева под закалку и отпуск, специальных закалочных баков;

два стенда ультразвукового контроля бандажей.

Производственная мощность, тыс. т в год:

колесопрокатного стана — 205

бандажного стана — 148

По пропускной способности заготовительного участка цеха в составе 6 пильных установок производственная мощность цеха составляет 235 тыс. тонн в год.

1.2 Технология упрочнения железнодорожных колес Содержание водорода в жидкой колесной стали может достигать 7−8 см³/100г металла. В этой связи колесный металл является флокеночувствительным. Приведена макроструктура обода и ступицы колеса, пораженных флокенами. Противофлокенная термическая обработка осуществляется как специальная операция в общем технологическом процессе производства колес.

В мировой практике производство железнодорожных колес технология противофлокенной термической обработки вводиться к необходимости изотермической выдержки различной продолжительности при субкритических температурах с последующим замедленным охлаждением. Протифлокенная термическая обработка заключается в переохлаждении колес после их изготовления до температуры интервала, обеспечивающего протекание превращения переохлажденного аустенита на феррито-цементитную смесь, растворимость водорода при этом значительно уменьшается в связи с изменением кристаллической решеткиГЦК в ОЦК.

Этот интервал составляет 450−550 єС. Для повышения диффузионной подвижности водорода колеса нагревают до субкритических температур (650єС) и выдерживают при этой температуре не менее 4,5 ч. Продолжительность изотермической выдержки должна определиться содержанием водорода в данной плавке.

Новые прессо-прокатные линии оборудованы конвейерными печами для осуществления противофлокеной термической обработки. Длина туннельной печи 125 м. Колеса, подвешенные на крюки, проходят через печь с определенной скоростью, что и обеспечивает необходимую изотермическу выдержку.

На диффузионную подвижность водорода большое влияние оказывает величина водопроницаемости. Проницаемость и коэффициент диффузии водорода в значительной степени при постоянной температуре определяются структурным состоянием, степенью ее дефектности, природой и характером распределения неметаллических включений, и, наконец, плотностью материала, т. е. наличием пористости. Все это имеет принципиальное значение при разработке режимов противофлокенной термической обработки железнодорожных колес.

Экспериментальные данные по изменению потока водорода в зависимости от температуры раздельно для проницаемости, осуществляемой через объем зерен (транскристаллитная диффузия), и по их границам (межкристаллитная диффузия). Полученные результаты свидетельствуют о том, что во всех опробованных вариантах водопроницаемость колесной стали обусловлена преимущественным развитием межкристаллитной диффузии.

Анализ результатов свидетельствует о существенном влиянии температуры предшествующей термической обработки на различную меру развития диффузии по транси межкристаллитному механизму.

Величина зерна исследованной стали после нагрева до температуры 760, 850 и 1000єС, выдержки при этих температурах 30 минут и охлаждение до 700єС с печью составила соответственно 6−8,6−7, и 2- балла. С повышением температуры аустенитизации увеличивается общее количество и толщина сетки структурно свободного феррита, расположенного по границам зерен.

Максимальное значение проницаемости за счет развития транскристаллитной диффузии наблюдается для стали, предварительно нагретой до 850єС, а минимальное в случае нагрева стали до 1000єС.

Межкристаллитная диффузия и ее вклад в значения суммарной проницаемости усиливается по мере снижения температуры аустинитизации изменяется аналогично проницаемости, реализуемой по границам зерен.

Технологических температур в зависимости от структурного состояния стали. Зависимость изменения коэффициента диффузии водорода (интегрального) в функции температуры представлена. Различия в коэффициенте диффузии водорода для трех состояний стали начинают существенно проявляться с температуры 550−500 єС и коэффициента диффузии водорода в колесной стали получены после предварительной аустинитизации при температуре 760єС.

Приведенные выше результаты легли в основу разработки нового режима противофлокенной обработки колес. На настоящий момент не существует единой точки зрения на физику процесса вскрытия внутренней полости. По разному трактуются эпюры осевых, радиальных и тангенциальных (раскручивающих, направленных по касательной) напряжений. Согласно одной теории в основе лежит твердое (хрупкое) разрушение внутреннего слоя давлением внешних слоев, согласно другой теории в основе физики процесса лежит пластическая деформация.

Наибольшее распространение получили прошивные станы (рабочие клети) с бочкообразными валками. Двухопорное крепление валков на таких станах позволяет применять их для получения гильз не только мелких размеров (диам. до 140 мм), для прокатки которых используют также станы с дисковыми и грибовидными валками, но и для гильз более крупных профилей с максимальным диам. до 630 мм. Прошивка гильз больших размеров сопровождается высокими давлениями на валки и консольное крепление валков не может быть надежным. Конструкция рабочей клети прошивного стана в значительной мере определяется конкретным назначением стана. В случае использования его только для получения толстостенных гильз рабочая клеть оборудована двумя вспомогательными холостыми валками или одним вспомогательным валком и неподвижной проводкой (линейкой). При необходимости получения на стане тонкостенных гильз клеть имеет две неподвижные проводки — линейки, плотно прилегающие к рабочим валкам. В этом случае необходимость плотного прилегания линеек к рабочим валкам диктуется тем, что тонкостенные гильзы характерны малой устойчивостью по поперечному сечению и металл может затекать в щель между рабочие валком и инструментом, ограничивающим поперечную деформацию. Если этим инструментом является вспомогательный валок, то щель оказывается значительной; применение линеек позволяет избежать больших зазоров. В то же время прошивка толстостенных гильз вследствие их большой жесткости по поперечному сечению может протекать успешно даже при значительных зазорах между рабочим и вспомогательным валком.

Применение вспомогательных валков целесообразно, так как это обеспечивает меньшее осевое скольжение металла. Кроме того, заметно сокращается расход инструмента, особенно при прокатке высоколегированной стали, когда стойкость линеек невелика. Важной характеристикой рабочей клети прошивного стана является возможность изменения угла подачи применением разного наклона рабочих валков. В станах старой конструкции этот угол не регулировался и находился в пределах 4°30'—6°30 В рабочих клетях, созданных в более поздний период, как правило, предусматривается регулирование угла подачи. Это хотя и усложняет конструкцию рабочей клети, но целиком оправдывает себя, так как значительно повышает маневренность стана, необходимую при широком сортаменте труб как по размерам, так и по маркам стали. Современные рабочие клети прошивных станов (рис. 24) имеют массивную литую станину коробчатой формы со съемной крышкой. Внутрь станины закладываются пустотелые цилиндрические барабаны с проемами, в которых помещаются подушки рабочих валков. Барабаны могут поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной оси прошивки, изменяя тем самым угол подачи. Привод для поворота барабанов может применяться разных конструкций. В зарубежных конструкциях для поворота барабанов Упрощенно, причинами образования внутренней полости является возникновение растягивающих напряжений, действующих в направлениях перпендикулярных сжимающим усилиям валков. Внешние слои, удлиняясь под обжимающим действием валков (овализация), `утягивают' за собой и внутренний центральный слой, а вращение заготовки приводит к тому, что напряжения в сердцевине металла становятся знакопеременными, что и приводит в конечном счете к разрушению сердцевины. Согласно одной из теорий, разрушение происходит тогда, когда нормальные растягивающие усилия достигают предела хрупкой прочности, согласно другой теории, разрушение возникает тогда, когда в осевой зоне разность растягивающих напряжений превышает предел текучести. При прошивке заготовки обжатие должно быть меньшим критического, для предотвращения самопроизвольного вскрытия полости перед оправкой.

Известны три способа окончательной термической обработки: нормализация с отпуском, закалка поверхностного катания с отпуском и объемная закалка, предусматривающая упрочнение всех элементов колеса с последующим отпуском. Необходимо отметить, что выбор той или иной технологии окончательной термической обработки должен определиться конкретными условиями эксплуатации.

За рубежом колеса подвергают в основном двум видам окончательной термической обработки: нормализации с отпуском или закалке с отпуском. Нагрев осуществляется до 800−860єС в функции состава стали с последующим регулируемым охлаждением. Охлаждение, как правило, на спокойном воздухе обеспечивает получение пластинчатого сорбита во всех элементах колеса. Дисперсность карбидной фазы определяется фактической скоростью охлаждения элемента колеса. Чем тоньше сечение (диск), тем интенсивнее идет охлаждение на спокойном воздухе, тем при более низких температурах происходит распад переохлажденного аустенита, тем тоньше продукты распада. Охлаждение на спокойном воздухе также обеспечивает более ил менее равномерное охлаждение всего колеса, что приводит к значительному уменьшению остаточных напряжений.

Закалка с отпуском колес за рубежом осуществляется по различным вариантам: закалка обода путем спрейерного обрызгивания водой одновременно всей поверхности катания вращающегося в горизонтальной плоскости колеса; прерывистое охлаждение части обода путем обрызгивания при вращении колеса в горизонтальной плоскости, или путем погружения части обода в бак с водой при вращении колеса в вертикальной плоскости и, наконец, объемная закалка погружением в масляный бак.

Чаще закалку осуществляют путем спрейерного охлаждения водой. Для объемного упрочнения цельнокатаных колес характерна большая разница в скорости охлаждения различных элементов колеса — в наибольшей степени при этом упрочняется диск, а известно, что условия эксплуатации требует более значительного упрочнения обода.

В СНГ цельнокатаные железнодорожные колеса подвергают прерывистой закалке и последующему отпуску.

В настоящее время на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе им. К. Либкнехта успешно применяют прерывистую закалку цельнокатаных колес, вращающихся в вертикальной плоскости. Колеса нагреваются под закалку в кольцевых печах до 800−850єС.

С целью снижения остаточных напряжений цельнокатаные колеса после закалки подвергают отпуску в интервале 400- 600єС. Исследования, проведенные ИЧМ, показали, что оптимальным режимом отпуска является температура 480−520єС, продолжительность выдержки 2 часа с последующим охлаждением на воздухе или более замедленным.

Механические свойства стали ободов колес, подвергнутых упрочняющей термической обработке, должны соответствовать следующим нормам. Стали Ст1: а=90−110 МПа; 5=12%;ш=21%(не менее); твердость на глубине 30 мм составляет НВ 248; для стали Ст2: о=93−113МПа; 5−8%; твердость на глубине 30 мм составляет НВ225.

Ударная вязкость стали дисков колес при температуре 20єС должна быть не менее 0,3 МДж/м² для стали Ст1 и 0,2 МДж/м² для сталиСт2.

Средний балл неметаллических включений в стали ободов и дисков (кроме недеформирующихся силикатов) по ГОСТ 1778–70 не должен превышать 4, оксидных строчечных включений — не более 1.

Каждое колесо подвергают внешнему осмотру, а также проверке размеров. Колеса сдают партиями, партию составляет колеса одного назначения, изготовленные из стали одной плавки. От каждой партии, принятой по внешнему осмотру (поверхность колес должна быть без плен, закатов, трещин, раскатных загрязнений, окалины), отбирают одно колесо для проверки макроструктуры и механических свойств стали ободов и ударной вязкости дисков при температуре 20єС. Места отбора проб для изготовления различных образцов и определения твердости.

Твердость обода колес проверяют на колесах, выдержавших испытание на растяжение. Проверку качества стали дисков на растяжение, ударной вязкости при температуре -60єС и твердости ободов на глубине 50 мм проводят на образцах диаметром 15 мм и расчетной длинной 60 мм, дисков колес на образцах диаметром 10 мм и расчетной длинной 50 мм. Твердость ободов колес проверяют на поперечном темплете. Ударную вязкость обода определяют на образцах типа 1 по ГОСТ 9454–78.

1.2.1 Стали для железнодорожных колес В СНГ для производства цельнокатаных колес применяют углеродистую сталь в соответствии с ГОСТ 10 791–81, химический состав которой следующий, %:

— 0,444−0,52 С; 0,8−1,20 Мп; 0,404−0,60Al; 0,08−0,15 V; не более 0,035 Р

— 0,55−0,65 С; 0,50−0,90 Мп; 0,20−0,42 Ш; не более 0,048 для стали Ст2.

Допускается отклонение по содержанию углерода ±0,02; допускается содержание никеля, хрома и меди — не более 0,25% каждого.

При выборе химического состава необходимо иметь в виду, что повышение содержания углерода, с одной стороны, обеспечивает необходимую износостойкость и контактную выносливость а, с другой стороны, снижает термостойкость.

Необходимо отметить, что используя в настоящее время для производства цельнокатаных колес углеродистая сталь не в полной мере отвечает перспективным условиям эксплуатации. Для колес грузовых вагонов с высокими осевыми нагрузками особо важной является проблема износа и контактной прочности. Металл для производства таких колес должен обладать удовлетворительной термостойкостью.

В СССР разработаны стали для перспективных условий эксплуатации; сталь 65ф для колес грузовых вагонов с повышенными нагрузками на ось и Сталь 45ГСФ для производства колес вагонов скоростных поездов.

Наличие ванадия позволило существенным образом повысить по сравнению с углеродистой сталью сопротивление хрупкому разрушению и термостойкость.

Сталь 45ГСФ имеет повышенное сопротивление термическим и термомеханическим воздействиям, а также менее склонна к хрупкому разрушению. Контактная прочность стали 45ГСФ находиться на уровне стандартной гостированной углеродистой стали с содержанием углерода 0,55%.

Сталь для производства железнодорожных колес выплавляют в основных мартеновских печах с сифонной разливкой.

Широкое применение получили методы изготовления колес путем горячей штамповки и прокатки.

Колеса изготавливают из стали различных марок (табл. 1): Из стали марки 1 осуществляется выпуск колес для пассажирских вагонов локомотивной тяги, пассажирских локомотивов, пугевых машин, немоторных вагонов электрои дизель-поездов, Из стали марок 2 и 3 производятся колеса для грузовых вагонов, маневровых и грузовых локомотивов.

Колеса из стали марки 2 с содержанием углерода не более 0,63% изготавливают по требованию потребителя для пассажирских вагонов и немоторных вагонов электрои дизель-поездов.

Колеса должны быть изготовлены из спокойной стали, полученной мартеновским, кислородно-конвертерным или электросталеплавильным способом. Сталь должна быть подвергнута внепечной обработке инертным газом.

Сталь может подвергаться вакуумированию. Для вакуумированной стали массовая доля водорода не должна превышать 0,0002%.

При изготовлении колес из слитков для гарантии отсутствия усадочных раковин и чрезмерных ликваций от каждого конца слитка отрезают часть, достаточную для удаления этих дефектов.

Химический состав колес по ковшевой пробе должен соответствовать нормам. указанным в таблице I. раковин и чрезмерных ликвации от каждого конца слитка отрезают часть, достаточную для удаления этих дефектов.

Химический состав колес по ковшевой пробе должен соответствовать нормам, указанным в таблице 1.

Примечания:

В стали допускается отклонение от массовой доли углерода ±0,02%.

Массовая доля никеля, хрома и меди не должна быть более 0,30% каждого элемента, молибдена — более 0,08%.

При использовании непрерывно-литой заготовки массовая доля серы не должна превышать 0,020%.

В готовых колесах: предельные отклонения по массовой доле ванадия — не более ±0,02%.

1.2.2 Варианты упрочнения Закалка с самоотпуском. В том случае, если при прерывистой закалке быстрое охлаждение, например в воде, провести таким образом, чтобы температура на поверхности изделия опустилась ниже точки начала мартенситного превращения, а сердцевина осталась горячей и затем выдать изделие на воздух, то тепло, сохранившееся в центральных объемах детали, перераспределится на поверхность и повысит ее температуру. При этом произойдет частичный распад мартенсита, обеспечив протекание процессов отпуска. При этом обеспечивается сочетание высокой твердости и износостойкости при низком уровне остаточных напряжений. Такая технология носит название закалки с самоотпуском.

В настоящее время закалку с самоотпуском применяют при закалке ТВЧ, а также для сорбитизации в качестве операции термического упрочнения проката, головок железнодорожных рельсов и ободов ходовых стальных колес для железнодорожного транспорта, грузоподъемных кранов и др.

Установки для сорбитизации сортового проката и железнодорожных рельсов чаше всего устанавливаются в потоке прокатки на технологической линии прокатного стана на в виде душирующего охладительного устройства заданной длины что при известной скорости перемещения изделия в потоке прокатки, обеспечивает строго регламентированную длительность охлаждения его поверхности с температур окончания горячей прокатки, до температур развития мартенситного превращения в поверхностных слоях при сохранении горячей сердцевины.

Сорбитизация ходовых колес осуществляется в специальных закалочных установках (рис. 2), позволяющих предельно снизить уровень возникающих закалочных напряжений в период закалочного охлаждения за счет использования многократного пикового циклического охлаждения закаливаемой поверхности обода колеса, чередующегося с отогревами ее в каждом цикле за счет тепла сердцевины.

Рисунок 2 — Схема для сорбитизации ходовых колес Для сорбитизации колеса нагревают объемно в печи, производят выдержку, достаточную как для прогрева его, но всему сечению, так и для завершения фазовых превращений при нагреве, а затем устанавливают колесо на вращающийся приводной ролик таким образом, что колесо при вращении попадает ободом под слой воды и затем на воздух, где обод частично отогревается до следующего попадания под слой воды.

Время вращения колеса 2−3 минуты, после чего колесо выдается на воздух и устанавливается в металлический короб, а затем подвергается дополнительному отпуску для снятия напряжений.

Индукционный способ закалки токами высокой частоты получил в настоящее время наиболее широкое распространение благодаря его многочисленным преимуществам перед другими способами поверхностной закалки. Такими преимуществами являются:

высокая производительность процесса;

возможность точной регулировки температурно-временных режимов нагрева и охлаждения и, следовательно, глубины закалки;

возможность организации процесса закалки с самоотпуском; относительно простая система механизации и автоматизации процесса и возможность встраивания агрегата закалки токами высокой частоты (т.в.ч.) в линию механической обработки деталей, что исключает излишнюю транспортировку деталей;

незначительное коробление деталей при закалке;

отсутствие обезуглероживания поверхности и незначительное ее окисление;

получение твердости на 1,5 — 2,0 ед. HRC выше, чем при объемной печной закалке.

Теоретической основой закалки т.в.ч. является то, что в изделии, помещенном в переменное электромагнитное иоле, индуктируются вихревые токи (токи Фуко), концентрирующиеся вблизи поверхности изделия. Причем, чем выше частота переменного электромагнитного поля, тем в более тонком слое концентрируются вихревые токи и тем выше плотность тока, протекающего в приповерхностных слоях детали.

Для создания электромагнитного поля используется индуктор, представляющий собой в большинстве случаев одновитковый или многовитковый контур из медной трубки, через который пропускается переменный электрический ток (рис. 3). Индуктор изготавливается из трубки в связи с тем, что его необходимо постоянно охлаждать проточной водой для предотвращения его нагрева при пропускании через него электрического тока. Форма индуктора определяется формой детали. Деталь при нагреве располагают в индукторе с небольшими, строго определенными зазорами, что определяет требуемую скорость нагрева и равномерность нагреваемого слоя по всей поверхности. На острых кромках деталей в связи с чрезмерной концентрацией вихревых токов может возникать местный перегрев. Для исключения опасности перегрева или даже оплавления в этих участках увеличивают зазоры между поверхностью детали и индуктором.

Питание индуктора электрическим током производится от генераторов разного типа, обеспечивающих различную частот)' тока: машинных с частотой тока2500 — 8000 Гц, тиристорных- 10 — 70 кГц, ламповых — 60 — 250 кГц. При этом оказывается возможным получать различную глубину закаленного слоя в зависимости от частоты: 2,5 кГц — 3 — 8 мм; 8 кгц — 2 — 3 мм; 67 кгц — 1,0 — 2,5 мм и при 250 кГц-0,3- 1,5 мм.

Рисунок 3 — Принципиальная схема индукционного нагрева деталей токами высокой частоты: 1 — индуктор; 2 — деталь; 3 — охлаждающая вода Плазменное упрочнение гребней локомотивных и вагонных колес Экспериментальные исследования. В результате экспериментальных исследований были получены оптимальные режимные параметры упрочнения гребня локомотивных колес: ток электрической дуги 250 А, напряжение 110 В, скорость обработки 1 см· с-1. Эти режимы использовались в производственных условиях.

Макроструктура гребня колеса после плазменной обработки вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями при ширине упрочненного слоя от 25 до 30 мм, глубине упрочненного слоя до 3…3,5 мм На рисунке 4 представлена макроструктура гребня колеса после плазменной закалки вынесенной электрической дугой. Представлены геометрические характеристики упрочненного слоя и изменения твердости по его глубине, полученные при оптимальных режимах обработки. На макрошлифе видно, что упрочненный слой распространяется по всей рабочей поверхности гребня (включая выкружку) и глубина его составляет 3,0 мм, что важно, так как упрочненный слой дольше сохраняется от обточки до обточки колеса при его эксплуатации. Гребень колеса с более тонким закаленным слоем (менее 1 мм [5]) будет значительное время эксплуатироваться (от обточки до обточки) без упрочненного слоя.

Рисунок 4 — Зависимость величины микротвердости от расстояния по срезу упрочненного слоя после плазменной обработки вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями Поскольку максимальное значение твердости в закаленном поверхностном слое гребня не превышает 500 HV, то, соответственно, и микроструктура слоя не содержит мартенсит, а представлена троостомартенситом и отпущенным мартенситом в поверхностном слое, троостосорбитом и сорбитом разной степени дисперсности в средней части и на границе с основным металлом. Наличие мартенсита в упрочненном слое, которое наблюдается при использовании других плазменных технологий, приводит к образованию значительных остаточных напряжений в зоне закаленного слоя и, соответственно, к повышенной вероятности образования микротрещин в этой области. Следовательно, эксплуатация железнодорожных колес с плазменным упрочнением вынесенной электрической дугой более безопасна.

Практическая реализация технологии и оборудования. Плазменная технология и оборудование по упрочнению гребней бандажей локомотивных колес внедрены в 1997 году в трех депо Дальневосточной железной дороги (Смоляниново, Вяземская, Тында). Износ гребней бандажей локомотивных колес сократился в 1,5…3,0 раза в зависимости от участка эксплуатации, времени года и др. Экономический эффект от плазменного упрочнения по данной технологии с 1999 по 2002 г. составил около 6,1 млн руб., или около 2500 руб. на одну колесную пару. Технология и оборудование защищены патентами РФ.

Выводы. 1. Теоретические исследования процесса плазменного упрочнения показали целесообразность использования плазменных генераторов, обеспечивающих относительно «мягкий» нагрев поверхности.

2. Для реализации оптимальных тепловых потоков на поверхности при упрочнении железнодорожных колес целесообразно использование плазменного генератора с вынесенной электрической дугой, управляемой магнитными полями.

3. Экспериментальные исследования плазменного упрочнения с использованием данной технологии показали возможность получения оптимальных характеристик упрочненного слоя, как геометрических, так и структурных.

4. Практическая реализация технологии в условиях Дальневосточной железной дороги показала экономическую эффективность использования технологии и оборудования и снижение износа гребней бандажей локомотивных колес в 1,5…3,0 раза.

2. Конструкторская часть

2.1 Кинематический расчет привода Варианты кинематических схем с геометрических рядом чисел оборотов связаны двух основных задач привода: настройки чисел оборотов в пределах заданного диагноза Д, уменьшения (редукций или увлечения) (мультипликаций) числа оборотов главного вала.

При проектирований привода станка необходимо строится, чтобы при заданном числе Z ступеней частоты вращения шпинделя и заданном диапазоне регулирования привод имел:

1) минимальные число всех передач;

2) минимальные число групп передач;

3) минимальные габариты;

4) минимальный вес;

Зная частоты вращения для разных режимов термообработки, проектируем кинематическую схему. Главное требование к кинематическим цепям — максимально возможно обеспечить совпадение расчетных частот вращения с частотами вращения, полученными в результате подбора передаточных отношений. Передаточные отношения (числа зубьев ведущего и ведомого колес) подбираются согласно графикам частот вращения.

Для вычерчивания кинематической схемы принимаем конструктивно модуль для всех зубчатых колес мм, знаменатель ряда частот вращения .

По известным значениям наибольшей и наименьшей частоты вращения определяем диапазон регулирования:

Структурная формула коробки скоростей будет иметь вид:

Z = 1₁*3₁*2₃*1₁*1₁

Рассчитаем все частоты вращения:

Для построения графика чисел оборотов необходимо в каждом из соотношений выбрать одно передаточное число; тогда определяются и все остальные значения. График чисел оборотов строим также в логарифмическом масштабе. Каждому валу отвечаем вертикальная линия графика. Горизонтальные линий имеют отметки чисел оборотов соответствующего вала или шпинделя в пределах от минимального да максимального числа оборотов. Передаточные отношения передач выражаются лучами. Для ускорительной передачи передаточное отношение и луч направляем вверх, для за медлительной передачи передаточных отношений и луч направляем вниз. При передаточном отношении луч направляется горизонтально.

Выбор передаточных отношений i следует производить так, чтобы их значения не выходили за допускаемые пределы.

Ограничения передаточных отношений предельными значениями применяется во избежание чрезмерно больших диаметров ведомых колес и увеличения по этой причине радиальных габаритов привода.

Рисунок 3 — График частот вращения.

По графику частот вращения определяем передаточные отношения:

;

2.2 Расчет чисел зубьев Число чисел зубьев колес групповых передач обуславливается межцентровым расстояние а, которое остается постоянным для данной группы. Числа зубьев определяем по таблице 6 [2, с. 102].

Учитывая передаточные отношения находим числа зубьев каждого колеса по таблице 6 [2, с. 102]:

для

2.3 Расчет модулей зубчатых передач При расчете на прочность зубьев зубчатых колес рассчитываются модули по контактным напряжениям и по напряжениям изгиба.

Расчет зубчатых передач для коробок скоростей ведут для модуля, исходя из прочности по напряжениям изгиба и контактным напряжениям по формулам:

Модуль по изгибу:

Модуль по контактным напряжениям:

Z — число зубьев меньшего зубчатого колеса в группе передач

Z = 20

— наименьшая частота вращения вала, при которой передается наибольшая установленная мощность

= 1453,9 об/мин — мощность, принимаем N = 7 кВт.

— ширина зубчатого колеса

— модуль (предварительно берем значение модуля, равного 2)

— допускаемое напряжение по изгибу, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— допускаемое напряжение по усталости поверхностных слоев, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— коэффициент формы зуба

— динамический коэффициент, учитывает дополнительные нагрузки, возникающие при входе зубьев в зацепление, которые возникают в результате удара.

— окружная скорость зубчатого колеса.

— межосевое расстояние

— погрешность окружного шага, определяется в зависимости от степени точности.

— коэффициент концентрации, учитывает распределение эпюры давлений по длине зуба.

— коэффициент режима работы, учитывает то обстоятельство, что коробка скоростей работает не только при номинальной нагрузке, но и на других режимах.

Тогда рассчитываем модули:

мм Берем

Рассчитываем модуль следующей группы передач Модуль по изгибу:

Модуль по контактным напряжениям:

Z — число зубьев меньшего зубчатого колеса в группе передач

Z = 24

— наименьшая частота вращения вала, при которой передается наибольшая установленная мощность

= 354 об/мин — мощность, принимаем N = 7 кВт.

— ширина зубчатого колеса

— модуль (предварительно берем значение модуля, равного 2)

— допускаемое напряжение по изгибу, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— допускаемое напряжение по усталости поверхностных слоев, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— коэффициент формы зуба

— окружная скорость зубчатого колеса.

— межосевое расстояние

— погрешность окружного шага, определяется в зависимости от степени точности.

— коэффициент концентрации, учитывает распределение эпюры давлений по длине зуба.

Тогда рассчитываем модули:

Берем

Рассчитываем модуль у группы передач в шпиндельном узле:

Модуль по изгибу:

Модуль по контактным напряжениям:

Z — число зубьев меньшего зубчатого колеса в группе передач Z = 20

— наименьшая частота вращения вала, при которой передается наибольшая установленная мощность

= 367,84 об/мин

— мощность, принимаем N = 7 кВт.

— ширина зубчатого колеса

— модуль (предварительно берем значение модуля, равного 2)

— допускаемое напряжение по изгибу, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— допускаемое напряжение по усталости поверхностных слоев, определяем по таблице 2.2 [3, с. 9]:

— коэффициент формы зуба

— окружная скорость зубчатого колеса.

— межосевое расстояние

— погрешность окружного шага, определяется в зависимости от степени точности.

— коэффициент концентрации, учитывает распределение эпюры давлений по длине зуба.

Тогда рассчитываем модули:

Берем

Рассчитываем диаметры валов:

— допускаемое напряжение при кручении для валов из среднеуглеродистой стали.

Тогда диаметр

— допускаемое напряжение при кручении для валов из среднеуглеродистой стали.

Тогда диаметр

— допускаемое напряжение при кручении для валов из среднеуглеродистой стали.

Тогда диаметр

— допускаемое напряжение при кручении для валов из среднеуглеродистой стали.

Тогда диаметр

— допускаемое напряжение при кручении для валов из среднеуглеродистой стали.

Тогда диаметр Произведем еще расчет d_шп

Проверочный расчет зубчатого зацепления При проектировании коробки предварительно были приняты модуль зубчатого зацепления мм и делительные диаметры зубчатых колес. Ширина зубчатого венца принимается в пределах. Ширину зубчатого венца окончательно принимаем для m = 3 мм.

для m = 4 мм.

Для зубчатых колес принимаем материал сталь 40Х.

Вид термической обработки — улучшение.

2.4 Размеры зубчатых колес

m = 3: для Z₁ = 20