Проектирование профилей и калибровок железнодорожных колес

А. В. Яковченко, Н. И. Ивлева, Р. А. Голышков






            ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ И КАЛИБРОВОК ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС



Монография














Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.771.294
ББК 34.621
Я47

                 Печатается по рекомендации ученого совета ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (протокол № 5 от 20.06.2008 г.)



Рецензенты:
профессор кафедры «Обработка металлов давлением» Запорожской государственной инженерной академии доктор технических наук, профессор В. А. Николаев;
заместитель директора по научной работе Института черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины доктор технических наук, профессор С. М. Жучков;
заведующий кафедрой «Обработка металлов давлением» Приазовского государственного технического университета доктор технических наук, профессор В. И. Капланов



    Яковченко, А. В.
Я47       Проектирование профилей и калибровок железнодорожных колес :
     монография / А. В. Яковченко, Н. И. Ивлева, Р. А. Голышков. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 488 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-1526-2


             Рассмотрены основные элементы технологии, вопросы автоматизированного проектирования профилей чистовых и черновых железнодорожных колес, а также калибровок валков и штампов при производстве штампованно-катаных колес.
             Для калибровщиков и технологов колесопрокатных цехов; научных и инженерно-технических работников, специализирующихся в области математического моделирования процессов обработки металлов давлением, а также создания методов и компьютерных программ проектирования калибровок инструмента деформации. Может быть полезно аспирантам и студентам вузов, обучающимся по специальности «Обработка металлов давлением».

УДК 621.771.294
ББК 34.621









ISBN 978-5-9729-1526-2

    © Яковченко А. В., Ивлева Н. И., Голышков Р. А., 2023
    © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................5
ВВЕДЕНИЕ.........................................................7

1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ ЧИСТОВЫХ И ЧЕРНОВЫХ
КОЛЕС...........................................................11
1.1. Классификация профилей колес...............................11
  1.1.1. Признаки профилей колес 1-го типа......................12
  1.1.2. Признаки профилей колес 2-го типа......................16
  1.1.3. Признаки профилей колес 3-го типа......................20
  1.1.4. Профили колес 4-го типа................................25
  1.1.5. Порядок определения типа профиля колеса................30
1.2. Профили чистовых колес.....................................32
  1.2.1. Расчет параметров колес и контуров их радиальных сечений.32
  1.2.2. Конструирование профилей ободьев.......................46
  1.2.3. Конструирование профилей ступиц........................51
  1.2.4. Проектирование профилей чистовых механически обработанных колес..............................................52
  1.2.5. Проектирование профилей чистовых колес с учетом дополнительных элементов........................................79
  1.2.6. Выполнение чертежей колес с учетом требований к их оформлению...............................................85
  1.2.7. Проектирование профилей чистовых технологических колес.93
1.3. Профили черновых колес....................................100

2. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ КОЛЕС..........................................115

3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЛИБРОВОК ДЛЯ ВЫГИБНОГО ПРЕССА.........................................................142
3.1. Калибровка по металлу.....................................142
3.2. Технологические зазоры между металлом и инструментом деформации.....................................................150
3.3. Калибровка выгибных штампов...............................155

4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЛИБРОВОК ДЛЯ КОЛЕСОПРОКАТНОГО СТАНА..........................................................163
4.1. Калибровка по металлу.....................................163
4.2. Калибровка наклонных валков...............................168
4.3. Калибровка главных и нажимных валков......................175

5. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЛИБРОВОК ДЛЯ ФОРМОВОЧНОГО ПРЕССА.........................................................187


3

5.1. Радиальные и осевые обжатия обода колесной заготовки на колесопрокатном стане..................................187
  5.1.1. Автоматизация расчета напряжения течения металла.188
  5.1.2. Соотношение между радиальными и осевыми обжатиями обода.........................................192
  5.1.3. Соотношение между осевыми обжатиями обода с наружной и внутренней стороны колесной заготовки.................209
5.2. Калибровка по металлу................................220
5.3. Калибровка формовочных штампов.......................229

6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЛИБРОВОК ДЛЯ ЗАГОТОВОЧНОГО ПРЕССА ...................................................238
6.1. Расчет основных параметров очага деформации..........238
6.2. Калибровка по металлу................................247
  6.2.1. Проектирование калибровок для условий разгонки заготовок пуансоном.....................................255
  6.2.2. Проектирование калибровок для условий разгонки заготовок конусной плитой...............................271
  6.2.3. Проектирование калибровок для условий разгонки заготовок фасонной плитой...............................283
6.3. Калибровка инструмента деформации....................314

7. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАЛИБРОВОК ДЛЯ ОСАДОЧНОГО ПРЕССА....................................................322

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Библиотека элементов дисков для профилей колес 1-го типа...........................................331
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Библиотека основных элементов ободьев профилей чистовых колес...................................340
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Библиотека основных элементов ступиц профилей чистовых колес...................................362
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Библиотека дополнительных элементов профилей чистовых колес ..................................371
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Проектирование профилей колес 2-4 типов.....376
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Библиотека ободьев и ступиц черновых колес..406
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. Калибровки для выгибного пресса.............421
ПРИЛОЖЕНИЕ З. Калибровки для колесопрокатного стана.......435
ПРИЛОЖЕНИЕ И. Калибровки для формовочного пресса..........440
ПРИЛОЖЕНИЕ К. Планирование и реализация экспериментов.....462

ЛИТЕРАТУРА................................................483


4

    ПРЕДИСЛОВИЕ


     Монография посвящена проектированию калибровок валков и штампов при производстве цельнокатаных железнодорожных колес. Проектирование (от лат. projectus, буквально - брошенный вперед) - это процесс создания проекта, который в нашем случае представляет собой комплект технической документации, необходимой для изготовления инструмента деформации металла по всей прессопрокатной линии колесопрокатного цеха. В процессе проектирования выполняются чертежи и технические расчеты. Работа изначально была ориентирована на широкое использование компьютерной техники, которая позволяет повысить производительность труда калибровщиков и технологов, улучшить качество проектирования, разработать ресурсосберегающие технологии и сократить сроки освоения новых конструкций колес.
     Автоматизация проектирования дает возможность исключить субъективизм в процессе принятия решений путем анализа большого числа вариантов калибровок с оценкой их технических и технологических характеристик. Создание системы класса «калибровщик-компьютер» (автоматизированной системы проектирования) потребовало разработки новых формул и методов расчета калибровок, во многом отличающихся от используемых при ручном проектировании. Они созданы на основе теоретических и экспериментальных исследований, в том числе путем математического моделирования процессов штамповки и прокатки колес, а затем использованы при разработке комплекса компьютерных программ проектирования профилей колес и калибровок валков и штампов, специализированных для условий производства штампованнокатаных колес.
     Автоматизация процесса проектирования профилей чистовых и черновых колес различных типов имеет большое значение в работе калибровщиков, так как указанный этап занимает значительную часть в общем объеме работ. Кроме того, полученные при этом результаты являются основой для последующего проектирования калибровок валков и штампов. Поэтому различным аспектам процесса проектирования профилей чистовых и черновых колес в монографии уделено большое внимание.
     Первые попытки компьютерного проектирования профилей колес и калибровок были предприняты нами в 2000-2002 годах на Нижнеднепровском трубопрокатном заводе (НТЗ), Украина. Для проектирования профилей колес были разработаны библиотеки ободьев, дисков и ступиц. Программа в автоматическом режиме объединяла указанные элементы в профиль колеса и использовала его в дальнейших расчетах калибровок.
     В течение следующих пяти лет (2003-2007 г.) эти работы были продолжены на Выксунском металлургическом заводе (ВМЗ), Россия. Математические модели, методы и комплекс программ были созданы на новой основе, которой стали библиотеки уже составных элементов обода, диска и ступицы. Так, например, только обод профиля чистового колеса теперь конструируется из пяти основных элементов. Аналогично конструируются диск и ступица. Программа в автоматическом режиме объединяет все элементы в профиль чистово

5

го колеса. Полученные на этом этапе чертежи и результаты расчетов служат для решения двух основных задач: во-первых, подготовки информации, необходимой при программировании станков по механической обработке колес, и, во-вторых, проектирования профиля чернового колеса, а затем и калибровок. Предложенный подход, являясь достаточно гибким, позволил охватить практически все известные конструкции железнодорожных колес и варианты калибровок валков и штампов. Комплекс компьютерных программ проектирования профилей колес и калибровок в условиях колесопрокатного комплекса ВМЗ используется в полном объеме. В 2008 г. исследования на этом заводе были продолжены. В итоге разработана компьютерная программа автоматизированного проектирования мерительного инструмента для чистовых и черновых колес.
     Основополагающая работа [1] в области колесопрокатного производства была опубликована в 1954 г. Она посвящена теории и технологии производства цельнокатаных колес, а также методам расчета калибровок валков и штампов. Ее авторы, М. Ю. Шифрин и М. Я. Соломович, создали фундаментальный труд, который уже более полувека успешно используют для решения различных задач как в условиях промышленного производства колес, так и в учебном процессе. Широкий круг вопросов, включая и разработки калибровок, рассмотрен также в монографии [2], опубликованной в 1982 г. Ее авторы учли особенности усовершенствованного оборудования и технологии производства колес, которые применяются на НТЗ» и ВМЗ и в настоящее время. Предполагается, что читатель знаком с этими работами.
     За три последние десятилетия в трудах многих ученых получило развитие новое научное направление, связанное с разработкой комплексов компьютерных программ для проектирования калибровок инструмента деформации и моделирования процессов обработки металлов давлением (ОМД). Настоящая монография имеет непосредственное отношение к этому научному направлению и посвящена автоматизированному проектированию профилей чистовых и черновых колес, а также калибровок валков и штампов в колесопрокатном производстве. Мы надеемся, что она будет полезна калибровщикам и технологам колесопрокатных цехов; научным и инженерно-техническим работникам, специализирующимся в области создания математических моделей, методов и компьютерных программ проектирования калибровок инструмента деформации для процессов ОМД, а также аспирантам и студентам технических вузов.
     Авторы выражают искреннюю благодарность рецензентам: доктору технических наук, профессору Николаеву Виктору Александровичу, доктору технических наук, профессору Жучкову Сергею Михайловичу и доктору технических наук, профессору Капланову Василию Ильичу за ценные и полезные замечания по рукописи книги.

6

    ВВЕДЕНИЕ


     Монография состоит из семи разделов, первый из которых посвящен проектированию профилей цельнокатаных железнодорожных колес, второй - краткому анализу технологии их производства, а остальные - проектированию калибровок валков и штампов. Выполненные разработки ориентированы на широкий сортамент колес, представляющий собой совокупность форм и размеров штампованно-катаных изделий, изготавливаемых в соответствии с требованиями отечественных и зарубежных стандартов в основном из углеродистой стали обыкновенного качества.
     В соответствии со структурой сортамента сортового проката цельнокатаные колеса относятся к специальным видам проката. Технические условия их изготовления определены межгосударственным стандартом ГОСТ 10791-2004. Он распространяется на цельнокатаные колеса для колесных пар грузовых и пассажирских тележек вагонов локомотивной тяги, пассажирских, маневровых и грузовых локомотивов, путевых машин, немоторных вагонов электро- и ди-зель-поездов магистральных железных дорог колеи 1520 мм. Конструкция и размеры колес - по ГОСТ 9036-88.
     Изготовление и поставку колес в страны дальнего зарубежья выполняют по стандарту Международного железнодорожного союза UIC 812-3 «Технические спецификации поставки цельнокатаных (моноблочных) колес из нелегированной стали для тяговых и прицепных подвижных единиц»; Европейскому стандарту EN 13262:2004 «Продукция для железных дорог. Колесные пары и тележки. Колеса. Требования к изделиям»; стандартам и практическим руководствам Ассоциации американских железных дорог М-107/М-208 «Колеса из углеродистой стали», а также отраслевым стандартам КНР, Индии, Японии, Чехии, Кореи и других государств.
     Необходимо отметить, что сортамент цельнокатаных колес постоянно расширяется. Рассмотрим основные задачи, стоящие перед калибровщиками и технологами при освоении производства колес новых конструкций.
     Задача проектирования профиля чистового колеса включает выполнение чертежа, а также расчет массы колеса и ряда параметров профиля его радиального сечения. Она возникает, во-первых, как один из этапов при создании новой конструкции колеса. Следует отметить, что в последние годы такого рода работы выполняют не только научно-исследовательские институты и специализированные фирмы, но и заводы-изготовители колес. После проектирования профиля колеса выполняют оценку напряженно-деформированного состояния его элементов от приложения механических и тепловых эксплуатационных нагрузок путем конечно-элементного моделирования. В случае получения неудовлетворительных результатов конструкцию изменяют, а затем выполняют проектирование профиля усовершенствованного колеса и указанные проверочные расчеты.
     Во-вторых, задача проектирования профиля чистового колеса возникает у завода-изготовителя на этапе согласования с заказчиком его массы в том случае, когда отгружаются чистовые механически обработанные колеса, и на этапе

7

проектирования профиля чернового колеса. Информация о профиле чистового колеса необходима также для реализации его механической обработки на программируемых станках.
     Задача проектирования профиля чернового колеса возникает на этапе согласования его чертежа и массы с заказчиком в том случае, когда отгружаются черновые колеса, и всегда на этапе разработки технологии его штамповки и прокатки. Причем, как правило, она решается в три этапа. На первом этапе проектируется профиль чернового колеса по номинальным размерам, в том числе, в случае необходимости, с совмещенным с ним профилем чистового колеса, выполненным по номинальным размерам или с учетом среднего поля допусков на его механическую обработку. На втором этапе проектируется профиль чернового колеса с учетом требуемой части поля допусков на его штамповку и прокатку. На третьем этапе проектируется профиль чернового колеса с учетом температурного расширения металла.
     Рассмотренные задачи проектирования усложняются тем, что наряду с многообразием конструкций колес на практике применяют различные системы простановки размеров на их чертежах. Оперативность проектирования в работе была достигнута за счет того, что в качестве исходной информации, необходимой для разработанных формул и компьютерных программ, используются линейные размеры по различным элементам обода, диска и ступицы, а также углы, уклоны, радиусы и диаметры. Информация о координатах точек сопряжений контура сечения колеса и центров дуг радиусов, расчет которых является трудоемким процессом, не требуется. Системный подход в проектировании был достигнут путем классификации существующего сортамента профилей колес на типы и разработки методов расчета для каждого из них.
     Задача проектирования калибровок возникает при разработке и освоении технологии производства колес новой конструкции, а также при совершенствовании действующих калибровок. Понятия калибровка валков и калибровка штампов широко используются как в технической литературе по колесопрокатному производству, так и на практике. В ряде случаев, когда речь идет о калибровках как валков, так и штампов, мы будем также пользоваться обобщенным понятием - калибровка инструмента деформации. Понятие калибровка относится также и к деформируемому металлу. Определение формы и размеров контуров ряда последовательных радиальных сечений колесных заготовок и черновых колес, которые получают осадкой, разгонкой, штамповкой, прокаткой и выгибкой на различных прессах и колесопрокатном стане, мы будем называть разработкой калибровки по металлу.
     Автоматизация процесса создания полного комплекта технической документации, необходимого для изготовления инструмента деформации металла, стала возможной после разработки метода компьютерного проектирования калибровок. Он включает следующие основные этапы. Во-первых, разработку калибровки по металлу в окне программы, в котором предусмотрено контрольное построение проектируемого контура, совмещенного с предыдущим контуром, на основе которого он создается. Во-вторых, разработку калибровки инструмента деформации в окне программы, в котором предусмотрено контрольное

8

построение той части контура инструмента, которая обжимает металл, совмещенного с контуром деформируемой заготовки. В-третьих, разработку чертежа инструмента деформации в окне программы, в котором дополнительно к полученной на предыдущих этапах информации задаются габаритные и посадочные размеры штампов и валков. Предусмотрена автоматическая передача цифровой информации между окнами программ. Поэтому стало возможным в реальном времени изменять режимы работы, корректировать любые размеры в предусмотренных таблицах, выявлять технологические ошибки, что обеспечивает оперативность и наглядность процесса проектирования. Необходимо отметить, что разработанные окна программ, во многом определяя сущность, последовательность и оперативность выполнения расчетов, являются неотъемлемой частью метода компьютерного проектирования профилей колес, а также калибровок валков и штампов. Поэтому их представлению в монографии уделено большое внимание.
     На каждом промежуточном этапе проектирования можно в автоматическом режиме распечатать чертежи и результаты технических расчетов. После выполнения расчетов предусмотрена печать всего проекта. Во-первых, это информация о исходной заготовке, а также чертежи чистовых и черновых колес, выполненных как по номинальным размерам, так и с учетом требуемых полей допусков. Во-вторых, это калибровки по металлу для выгибного пресса, колесопрокатного стана, формовочного, заготовочного и осадочного прессов, а также результаты технических расчетов. В-третьих, это чертежи: нижних и верхних штампов, копиров и прошивней по выгибному прессу; главных, нажимных и наклонных валков, шаблонов и контршаблонов по колесопрокатному стану; нижних и верхних штампов, шаблонов, копиров, формовочных колец, нижних и верхних оправок по формовочному прессу; технологических колец, конусных и фасонных плит по заготовочному прессу. Для анализа выполненных расчетов также можно использовать распечатанные на принтере копии экрана с изображениями окон программ, в которых содержится цифровая и графическая информация о промежуточных этапах проектирования калибровок.
     Изложение материала в монографии иллюстрируется выполнением ряда примеров. В основных разделах и в приложениях последовательно представлены все этапы процесса проектирования профилей колес и калибровок валков и штампов. Используемая терминология при описании основных элементов колес представлена ниже на схеме.

9

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ ПО ОСНОВНЫМ ЭЛЕМЕНТАМ КОЛЕСА

10

    1. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОФИЛЕЙ ЧИСТОВЫХ И ЧЕРНОВЫХ КОЛЕС

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОФИЛЕЙ КОЛЕС

     Как правило, в основе классификации профилей, получаемых прокаткой, лежит подобие контуров сечений полос, перпендикулярных их продольным осям. В первую очередь это связано с тем, что для профилей одного типа во многих случаях можно применять одни и те же методы разработки калибровок.
     Классификация профилей колес, выполненная в настоящей работе, имеет другое назначение. Она необходима для создания системного подхода при разработке методов их проектирования. Поэтому сортамент профилей колес классифицирован на типы, которые характеризуются совокупностью признаков, обеспечивающих возможность их проектирования по одним и тем же методам. Причем, эти методы во многом определяются исходной информацией о профиле колеса, которая должна включать только те размеры, которые имеются на чертеже заказчика.
     Поэтому подобие контуров радиальных сечений колес не является достаточным признаком для их классификации. Имеют также важное значение используемые системы простановки размеров. Так, один и тот же профиль колеса, чертежи которого выполнены с использованием различных систем простановки размеров, может быть включен в разные типы. А профили колес, входящие в один и тот же тип могут существенно отличаться.
     Сортамент профилей колес разделен нами на три основных типа. Профили колес, которые не могут быть отнесены к основным типам, выделены в дополнительный и условно называются профилями колес четвертого типа. В пределах данного типа они, имея индивидуальные признаки, проектируются на основе отдельных методов. Количество таких колес несоизмеримо меньше количества колес, входящих в три основных типа. В дальнейшем будет показано, что профили колес четвертого типа можно в автоматическом режиме перепроектировать в один из основных типов. А в перспективе при создании новых конструкций колес целесообразно сразу их проектировать как профили колес основных типов.
     Необходимо отметить, что определять тип профиля колеса следует по всей совокупности признаков, а не по каким-то отдельным из них. Информацией, которая позволяет определить принадлежность профиля колеса к одному из типов является, во-первых, конфигурация диска и, во-вторых, система простановки размеров, используемая для его построения и сопряжения с ободом и ступицей. Причем, часть этих размеров также участвует в построении обода и ступицы. Те размеры по ободу и ступице, которые не используются при определении типа профиля колеса, на представленных ниже чертежах не показаны, чтобы не затруднять процесс классификации профилей колес.


11

    1.1.1. Признаки профилей колес 1-го типа


     Признак 1. У профилей колес 1-го типа информация о диске задается по его образующим с наружной и внутренней сторон колеса.
     Образующие (элементы) диска конструируются из составных частей - отрезков прямых и дуг окружностей. Информацией о них являются радиусы дуг и диаметры центров дуг или отдельных скелетных точек. Библиотека элементов дисков для профилей колес 1-го типа представлена в приложении А. Каждый элемент диска может включать от одной до пяти составных частей. Элементы отличаются как по форме, так и по системам простановки размеров. Разработанная библиотека включает 82 элемента. Из них 3 элемента состоят из одной части, 24 элемента - из двух частей, 28 элементов - из трех частей, 19 элементов - из четырех частей и 8 элементов - из пяти частей. Из каждого элемента можно выполнить построение образующей диска как с наружной, так и с внутренней стороны колеса. На рис. 1.1 показаны два диска, признаки которых соответствуют профилям колес 1-го типа. Один из них (а) имеет 2-х радиусный криволинейный диск, а другой (б) - плоскоконический.

Рис. 1.1. Примеры дисков, признаки которых соответствуют профилям колес 1-го типа

      Каждая из образующих криволинейного диска (см. рис. 1.1а) построена на основе элемента библиотеки, представленного на рис. А.2.1. Образующие диска состоят из двух дуг, для которых заданы радиусы. Причем, для центра нижних дуг диска, как с наружной, так и с внутренней стороны колеса задан диаметр.
      Образующие плоскоконического диска (см. рис. 1.1 б) построены на основе элементов библиотеки, представленных на рис. А.2.9 и А.2.11. Они состоят из отрезков прямых и дуг. Для дуг диска, как с наружной, так и с внутренней стороны колеса заданы радиусы и диаметры центров. На рис. 1.1 б показан пло

12