На правах рукописи
ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич
ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
ПРИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Специальность 05.02.08 – «Технология машиностроения»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ОМСК 2011
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ОмГУПС (ОмИИТ)).
Научный руководитель:
доктор технических наук, доцент
РАУБА Александр Александрович.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
МОЗГОВОЙ Иван Васильевич;
кандидат технических наук
СТРЕК Ярослав Михайлович.
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС), г. Новосибирск.
Защита диссертации состоится «21» декабря 2011 г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.178.05 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет» (ОмГТУ) г. Омск, пр. Мира, 11, ауд. 6-340.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.
Автореферат разослан «19» ноября 2011 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.178.05.
Факс: (38, e-mail: *****@***ru
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент |
|
© Омский гос. университет
путей сообщения, 2011
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Коллекторы машин постоянного тока (МПТ)
являются одними из наиболее ответственных узлов МПТ.
Основными неисправностями коллекторов МПТ, возникающими при их эксплуатации, являются износ рабочей поверхности, электроэрозионное разрушение и замыкание (вследствие затяжки ламелей из-за пластической деформации меди) пластин коллектора, выступание одной или группы коллекторных или миканитовых пластин, которые часто приводят к интенсивному искрению под щетками и к возникновению кругового огня по коллектору.
На коммутационную устойчивость коллекторно-щеточного узла (КЩУ) влия-ют следующие параметры качества рабочей поверхности коллектора: отсутствие стружки между ламелями и заусенцев на кромках коллекторных пластин после обточки, зарезов с торца коллекторных пластин при продорожке, царапин на коллекторных пластинах, ровный профиль снятых фасок, отклонение геометрии профиля коллектора – конусность, бочкообразность, седлообразность, овальность профиля, эксцентриситет коллектора, радиальное смещение пластин; волнистость и шероховатость рабочей поверхности коллектора в пределах допустимых значений.
С учетом возрастающих требований к качеству и необходимости обеспечения долговечности деталей в процессе эксплуатации исследования, направленные на разработку технологии повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке, являются актуальными.
Основания для выполнения диссертационной работы. Работа выполнена в соответствии с приоритетными направлениями исследований раздела «Повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств» Стратегических направлений научно-технического развития железные дороги» на период до 2015 г., а также с планами научно-технических работ Омского государственного университета путей сообщения (темы НИР № г. р. 01.9. и ).
Цель диссертационной работы – повышение качества рабочей поверхности коллекторов МПТ за счет совершенствования технологии ее механической
обработки.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1) оценить влияние параметров, характеризующих качество рабочей поверхности коллекторов МПТ, на коммутационную устойчивость КЩУ;
2) выполнить экспериментальные исследования влияния параметров режима резания, геометрии и материала режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя коллекторной меди на ее обрабатываемость резанием;
3) разработать математические модели, учитывающие влияние параметров режима резания, геометрии режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя на шероховатость обрабатываемой поверхности и размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке рабочей поверхности коллектора;
4) провести экспериментальные исследования влияния параметров режима ударно-акустической обработки (УАО) рабочей поверхности коллектора на износостойкость, шероховатость, свойства поверхностного слоя коллекторных пластин;
5) разработать технологию повышения качества рабочей поверхности коллекторов при ее механической обработке.
Объектом исследований является технологический процесс механической
обработки рабочей поверхности коллекторов МПТ.
Методы исследования. В работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования проводились на основе научных положений теории резания, технологии машиностроения, трибологии, теории планирования эксперимента и математического моделирования. Экспериментальная часть работы выполнена с использованием методик определения твердости на твердомере ПМТ-3, весового износа, твердости по Бринеллю, металлографического анализа, рентгенофлюоресцентного анализа при помощи растрового электронного микроскопа JEOL JCM-5700, применялись микроскопы различных моделей, профилометры 170622 и 201, машина трения ИИ 5018, аналитические весы DL-200. Обработка результатов теоретических и экспериментальных исследований выполнена в программных комплексах Mathcad, Microsoft Exсel, Statistica.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1) разработаны математические модели, учитывающие влияние параметров режима резания, геометрии режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя на шероховатость обрабатываемой поверхности и размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке рабочей поверхности коллектора;
2) создана математическая модель, учитывающая влияние скорости обработки, подачи, статической силы прижима ультразвукового инструмента на износостойкость, шероховатость и твердость коллекторных пластин после ударно-акустической обработки с внедрением графита;
3) разработан способ обработки рабочей поверхности коллектора методом ударно-акустической обработки с внедрением графита, обеспечивающий ускоренное образование окисной пленки на коллекторе, близкой по своему составу политуре, нарабатываемой при эксплуатации машин постоянного тока.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) эмпирические зависимости, раскрывающие влияние параметров режима резания, геометрии режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя на шероховатость обрабатываемой поверхности и размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке рабочей поверхности коллектора;
2) зависимости, позволяющие выбрать рациональные параметры режима ударно-акустической обработки меди для обеспечения заданного качества рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока;
3) разработанная и внедренная в производство технология механической обработки рабочей поверхности коллектора, обеспечивающая образование на его поверхности устойчивой защитной пленки, близкой по своему составу политуре, нарабатываемой в процессе эксплуатации электрических машин постоянного тока.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована применением корректных математических моделей и подтверждена экспериментальными исследованиями, проведенными с применением сертифицированного оборудования, статистических методов проверки адекватности (t-критерия Стьюдента и F-критерия Фишера), рентгенофлюоресцентного анализа.
Практическая ценность работы состоит в следующем:
1) определены параметры режима обточки, геометрия режущего инструмента и свойства поверхностного слоя рабочей поверхности коллектора, позволяющие повысить обрабатываемость коллекторной меди резанием;
2) установлены параметры режима УАО коллекторной меди с внедрением графита, обеспечивающие шероховатость рабочей поверхности коллектора Ra = = 0,2 – 0,25 мкм, повышение износостойкости коллекторных пластин в 1,5 раза по сравнению с методом их обкатки роликом, и в 2,5 раза по сравнению с зачисткой абразивным полотном;
3) разработана технология повышения качества рабочей поверхности коллектора при ее механической обработке, прошедшая апробацию при ремонте коллектора МПТ 2ПН100 и позволившая расширить безыскровую зону работы МПТ на 18 – 20 %, что обеспечивает более устойчивую ее работу в отношении коммутации.
Реализация результатов работы. Результаты исследований были положены в основу отчетов по научно-исследовательской работе (тема госбюджетной НИР ОмГУПСа – ГБ 174 «Повышение эффективности технологических процессов ремонта деталей подвижного состава» № г. р. 01.9.7.0002371). Разработанная технология внедрена в технологический процесс ремонта коллекторов тяговых электродвигателей ТЛ-2К1 в локомотивном ремонтном депо ТЧ-1 Московка.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались на IX международной конференции «Проблемы современного машиностроения и автоматизации технологических процессов и производств» (Омск, 2008), X международной конференции «Проблемы современного машиностроения» (Омск, 2009), 63-й научно-практической конференции ГОУ «СиБАДИ» (Омск, 2009), международной конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010), постоянно действующем научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств подвижного состава» (Омск 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, из них две статьи – в изданиях перечня, определенного ВАК Минобрнауки России, одна статья – в научно-техническом журнале, четыре статьи – в материалах международных и всероссийских конференций, три статьи – в сборниках научных трудов, получено положительное решение о выдаче патента на полезную модель от 01.01.2001.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 102 наименований и двух приложений. Общий объем диссертации составляет 177 с., объем основного текста – 155 с. Текст работы содержит 70 рисунков, 42 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы.
В первой главе проведен анализ условий работы МПТ; указаны факторы, влияющие на коммутацию МПТ; представлены дефекты коллектора, возникающие в процессе эксплуатации, и дефекты, вызванные некачественным изготовлением и проведением ремонта, оценено их влияние на коммутационную устойчивость КЩУ; дана оценка существующему технологическому процессу механической обработки рабочей поверхности коллектора МПТ; проведен анализ механической обработки пластичных материалов резанием; проанализированы способы повышения сопротивления деформации обрабатываемого материала; обоснован способ предварительной упрочняющей обработки рабочей поверхности коллектора перед обточкой и способ ее окончательной обработки.
Коммутационная устойчивость КЩУ и, как следствие, всей МПТ в целом зависит от коммутации.
Вопросам исследования хорошей и устойчивой коммутации посвящено большое количество работ таких ученых, как Р. Хольм, И. Нейкирхен, ,
, ,
, ,
, , и многих других.
Динамику скользящего контакта исследовали , , и многие другие.
В работах , ,
, ,
, , и др. рассмотрены вопросы конструкции, эксплуатации и ремонта МПТ.
Установлено, что дефекты коллектора, возникающие в процессе эксплуатации МПТ, и дефекты, вызванные некачественным изготовлением и проведением ремонта, приводят к нарушению коммутации, увеличению износа коллектора и щеток и, как следствие, к преждевременному выходу МПТ из строя.
Выявлено, что с увеличением шероховатости рабочей поверхности коллектора уменьшается площадь контакта «коллектор-щетка», а следовательно, увеличивается плотность тока, проходящего через этот контакт. Рекомендуемая шероховатость рабочей поверхности коллектора после окончательной механической обработки должна составлять Ra ≤ 0,25 мкм.
Исследованием влияния политуры на коммутацию МПТ занимались такие ученые, как Ф. Шрётер, , Р. Хольм, В. Волькман, Д. Ланкастер,
Х. Такахаси, и д. р.
Установлено, что политура способствует уменьшению коэффициента трения в скользящем контакте, увеличению переходного падения напряжения, которое существенно сказывается и при номинальной плотности тока. Наличие политуры на рабочей поверхности коллектора является необходимым условием для обеспечения хорошей коммутации МПТ.
Механической обработке материалов резанием посвящены работы таких ученых, как , ,
, , , и многих других. Проблемами резания вязких и пластичных материалов занимались , , и др., вопросами обработки меди и медных сплавов − , , и др.
Доказано, что улучшение обрабатываемости пластичных материалов резанием − снижение степени деформации срезаемого слоя, уменьшение шероховатос-ти обрабатываемой поверхности − обеспечивается за счет повышения скорости
резания, увеличения переднего угла и радиуса при вершине, уменьшения подачи инструмента, повышения сопротивления деформации срезаемого слоя, обработки на более жестком оборудовании с тщательно доведенной режущей кромкой инст-румента.
После проведения анализа технологических способов повышения сопротивления деформации срезаемого слоя при механической обработке пластичных материалов установлено, что наиболее эффективным является способ поверхностного пластического деформирования, реализуемый обкаткой рабочей поверхности коллектора роликом, отличающийся возможностью создания упрочненного поверхностного слоя со степенью наклепа 1,5 – 2 раза, глубиной наклепанного слоя
1 – 1,2 мм − в два раза большей, чем глубина резания t = 0,5 мм при обточке коллектора; простотой реализации и достаточно высокой производительностью.
Выявление недостатков операции, связанной с зачисткой коллектора абразивным полотном, приводящих к повышенному износу щеток, уменьшению площади контакта «коллектор-щетка» и ухудшению коммутации МПТ, позволило сделать вывод о необходимости поиска способа окончательной обработки рабочей поверхности коллектора, не снижающего коммутационную устойчивость МПТ.
На основании работ и в области повышения конструкционной прочности деталей машин в качестве способа окончательной обработки рабочей поверхности коллекторов была выбрана УАО, которая дает возможность модифицирования поверхностного слоя с внедрением твердых смазок; формирования в процессе обработки луночно-синусоидального микрорельефа; соз-дания остаточных напряжений сжатия, положительно отражающихся на конструкционной прочности деталей машин; повышения теплопроводности материалов; исключающая попадание в обрабатываемый материал абразивных частиц.
При работе щеток на контактных кольцах или коллекторе образуется политура толщиной примерно 5 . 10-5 мм, состоящая из закиси меди Cu2О (65 %) и внедренных в поверхность коллектора частиц графита (20 – 25 %), а также оксидов кремния, алюминия, железа и пр. При проведении ударно-акустической обработки в зоне удара ультразвукового инструмента по рабочей поверхности коллектора в момент отрыва шарового сегмента инструмента от поверхности происходит обмен кинетической энергией между динамическим технологическим модулем и поверхностью коллектора, в результате чего происходит активация поверхностного слоя коллекторной меди, что способствует ускоренному протеканию химических реакций окисления основного материала в поверхностном слое.
Указанное положение позволило утверждать о том, что за счет высокого родства меди с молекулярным кислородом, содержащимся в воздухе, при УАО на обрабатываемой поверхности образуется окисная пленка, состоящая из закиси меди и внедренного углерода, подаваемого в зону обработки в виде суспензии.
Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния параметров режима резания, геометрии и материала режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя коллекторной меди на ее обрабатываемость.
За основные технологические показатели, по которым оценивалась обрабатываемость коллекторной меди резанием, были приняты показатели качества рабочей поверхности коллектора − размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины и шероховатость обрабатываемой поверхности.
Для получения зависимости размера заусенца от переднего угла инструмента модель коллектора диаметром 110 мм обтачивалась на токарном станке 16К20 со скоростью резания V = 217 м/мин (частота вращения шпинделя n = 630 об/мин); подачей s = 0,07 мм/об; глубиной резания t = 0,5 мм. Геометрия режущего инструмента: радиус при вершине r = 0,9 мм; задний угол α = 12°; угол наклона режущей кромки λ = 2°; углы в плане φ = φ1 = 45°; передний угол инструмента γ изменялся в пределах от 0 до 35° (верхнее значение переднего угла ограничивалось стойкостью режущей кромки инструмента). Материал режущей части инструмента − ВК8, твердость меди модели коллектора − 85 HB. Экспериментальная зависимость размера заусенца от переднего угла показана на рис. 1.
Анализ зависимости, приведенной на рис. 1, показывает уменьшение размера заусенца при увеличении переднего угла инструмента.
Для оценки влияния скорости резания и твердости срезаемого слоя модель коллектора обтачивалась на токарном станке 16К20 в диапазоне скоростей V = 4,1 − 690 м/мин (частота вращения шпинделя n = 12,5 – – 2000 об/мин), с подачей s =
= 0,07 мм/об и глубиной резания
t = 0,5 мм. Геометрия режущего инструмента: радиус при вершине r = 0,9 мм; передний угол γ = 0°; задний угол α = 12°; угол наклона режущей кромки λ = 2°; углы в плане φ = φ1 = 45°. Материал режущей части инструмента – ВК8, твердость меди – 85 HB.
После обточки была пост-роена зависимость размера заусенца от скорости резания при твердости поверхности 85 HB (рис. 2, зависимость 1). Затем модель при помощи накатника упрочнялась на глубину t = 1,2 мм до твердости 109 и 134 HB, обработка велась в том же диапазоне скоростей. Анализируя зависимости 1, 2 на рис. 2, отметим, что после упрочнения поверхности до твердости 109 HB размер заусенца уменьшился на 30 %. Дальнейшее повышение твердости срезаемого слоя (см. рис. 2, зависимость 3) не привело к заметному снижению размера заусенца.
Таким образом, повышение скорости резания, увеличение переднего угла инструмента и твердости срезаемого слоя приводит к уменьшению размера заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины.
Для оценки влияния скорости резания и материала режущей части инструмента на шероховатость меди после обточки коллектор диаметром 140 мм обтачивался на токарном станке SV18RA.
Геометрия режущего инструмента: α = 12°; γ = 0°; λ = 2°; φ = φ1 = 45°; r = 0,4 мм.
Режим резания: подача s = 0,15 мм/об; глубина резания t = 0,5 мм; скорость резания изменялась в пределах от V = 6 – 615 м/мин (частота n = 14 – 1400 об/мин). Параметр шероховатости Ra измерялся с помощью профилометра 170622.
График зависимости параметра шероховатости Ra от скорости резания V при обточке рабочей поверхности коллектора резцами из разных инструментальных материалов представлен на рис. 3.
После анализа зависимостей 1, 2, 3 на рис. 3 можно сделать вывод о том, что в качестве инструментального материала рекомендуется применять синтетический алмаз марки АС2 при скорости резания V > 60 м/мин.
Влияние подачи и
радиуса при вершине инст-румента на шероховатость обрабатываемой поверхнос-ти оценивалось при V =
= 395 м/мин, r = 0,4 мм; r = = 0,8 мм и r = 1,2 мм. Результаты исследования пред-ставлены на рис. 4.
Согласно зависимостям 1, 2, 3 (см. рис. 4) с уменьшением радиуса при вершине и увеличением подачи инструмента параметр шероховатости Ra увеличивается.
Таким образом, обточка резцом с режущей частью из АС2 при скоростях резания V > 60 м/мин с возможно большими значениями радиуса при вершине и минимальной подачей инструмента способствует уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности.
Для обоснования влияния параметров режима резания, геометрии режущего инструмента и механических свойств срезаемого слоя на размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, было выполнено математическое моделирование с применением симплекс-решетчатого плана второго порядка. Для проведения эксперимента были подготовлены образцы [10]. Применяемое оборудование – токарно-винторезный станок 16К20. Размер заусенца после обточки измерялся при помощи инструментального микроскопа ИМЦЛ 150×50Б.
Получена математическая модель, учитывающая влияние скорости резания, переднего угла инструмента и твердости срезаемого слоя на размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке рабочей поверхности коллектора:
. (1)
Для перехода от симплексной системы координат к натуральным значениям факторов используются выражения:
; (2)
; (3)
. (4)
Адекватность, полученной математической модели, проверена путем сравнения расчетного t-критерия Стьюдента tр = 2,27 с табличным значением t0,05;6 = 2,447 при 5 %-ном уровне значимости. Расчетное значение t-критерия меньше табличного (tр = 2,27 < t0,05;6 = 2,447), следовательно, полученное уравнение регрессии следует признать адекватным.
Анализ уравнения (1) показал, что минимальный размер заусенца 0,065 мм
достигается при следующих кодированных значениях факторов: x1 = 0,4; x2 = 0;
x3 = 0,6. В натуральных значениях: скорость резания V = 384 м/мин; передний угол инструмента γ = 0 º; твердость коллекторной пластины − 99,4 HB.
С целью определения зависимости шероховатости от радиуса при вершине и подачи режущего инструмента была получена математическая модель с применением композиционного рототабельного плана второго порядка, в качестве образца для проведения эксперимента выбран коллектор диметром 140 мм, оборудование – токарный станок SV18RA, параметр шероховатости Ra рабочей поверхности коллектора после обточки определялся при помощи профилометра 170622:
, (5)
Выражение (5) может быть использовано для поиска значений радиуса при вершине и подачи режущего инструмента для достижения требуемой шероховатос-ти рабочей поверхности коллектора после обточки.
Выражения для перехода от кодированных значений к натуральным:
; (6)
. (7)
Адекватность полученной модели, была проверена путем сравнения расчетного значения F-критерия Фишера с табличным. Так как полученное значение
F-критерия меньше табличного Fэксп = 5,8 < Fтеор = 6,59 при 5 %-ном уровне значимости, то, полученное уравнение регрессии можно признать адекватным.
Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям влияния параметров режима УАО рабочей поверхности коллектора на износостойкость, шероховатость, свойства поверхностного слоя коллекторных пластин.
С целью обоснования влияния шероховатости коллекторной меди после обточки и параметров режима УАО на шероховатость после УАО был проведен эксперимент: исследуемые образцы – медные ролики диаметром 40 мм, шириной
12 мм обтачивались с различной шероховатостью, а затем подвергались УАО с внедрением графита в виде суспензии, состоящей из графита и керосина в соотношении один к пяти. Состав суспензии, подаваемой в зону обработки, был определен на основании состава политуры, нарабатываемой при эксплуатации МПТ. Режимы обточки и геометрия режущего инструмента выбирались согласно полученным математическим моделям (1) и (5). По результатам исследований было сделано заключение о том, что рекомендуемое значение параметра шероховатости Ra рабочей поверхности коллектора перед УАО Ra ≤ 0,63 мкм.
С целью описания влияния параметров режима УАО на износостойкость, шероховатость и свойства поверхностного слоя коллекторных пластин было выполнено математическое моделирование с применением симплекс-решетчатого плана 3-го порядка. В качестве параметров оптимизации были выбраны: весовой износ ig, параметр шероховатости Ra обрабатываемой поверхности и твердость поверхностного слоя Hµ.
В соответствии с результатами ранее проведенных исследований в области УАО выбраны условия эксперимента и на их основе составлена матрица планирования эксперимента. Образцы в виде роликов изготавливались из меди марки М1 с наружным диаметром 40 мм, исходной шероховатостью Ra = 0,63 мкм, твердос-тью Hμ = 787 МПа. Для сравнения метода УАО с накаткой и зачисткой абразивным полотном были изготовлены соответствующие образцы.
В качестве применяемого оборудования был выбран токарный станок ФТ-11 с динамическим технологическим модулем на основе магнитострикционного преобразователя ПМС15А-18, ультразвуковым генератором УЗГ 3-4, обеспечивающим частоту колебаний ультразвукового инструмента 17,8 кГц. Амплитуда колебаний ультразвукового инструмента − 40 мкм. Применяемая суспензия для внедрения графита − смесь графита и керосина в соотношении один к пяти.
Твердость после обработки определялась на твердомере ПМТ-3, параметр шероховатости Ra – на профилометре 201. Испытание образцов на износостойкость проводилось на машине трения ИИ 5018 при следующих условиях: частота вращения медных образцов n = 1100 об/мин; контртело – щетка марки ЭГ-61; сила прижима контртела к образцу P = 35 Н. При помощи аналитических весов DL-200 с точностью измерений 0,001 г контролировался вес образцов через каждые 5000 циклов испытаний на машине трения. Искомый параметр оптимизации – средний весовой износ образцов − определялся по формуле Крагельского:
, (8)
где ΔQ – изменение веса образца, г;
ΔN – число оборотов ме жду взвешиванием образцов;
Аα – номинальная площадь касания;
L1 – путь трения за один оборот.
Математические модели, учитывающие влияние параметров режима УАО на весовой износ, шероховатость и твердость коллекторных пластин, имеют вид:
; (9)
; (10)
. (11)
Для перехода от кодированных значений к натуральным использованы выражения:
; (12)
; (13)
. (14)
На основании параметров режима обработки экспериментальных образцов
были определены значения коэффициентов обработанности и перекрытия.
В результате расчетов по формулам (9) – (14) были определены режимы, обеспечивающие максимальную производительность обработки и позволяющие достигнуть значения параметра шероховатости Ra = 0,22 мкм, весового износа −
ig = 6,75 мг/м3, твердости − Hμ = 1308 МПа: скорость обработки V = 9,25 м/мин; продольная подача s = 0,059 мм/об и статическая сила прижима Pст = 10 Н ультразвукового инструмента.
Для рассчитанных технологических режимов были определены значения коэффициентов обработанности в направлении подачи λs = 6,62; в окружном направлении λn = 42,05 и общий коэффициент обработанности λns = 278,4; коэффициент перекрытия в направлении подачи Kпs = 0,849; коэффициент перекрытия в окружном направлении Kпn = 0,976.
Таким образом, в результате экспериментальных исследований были определены значения параметров режима УАО, при которых обеспечивается повышение износостойкости в период приработки для коллекторной меди марки М1 в 1,5 раза по сравнению с образцами после накатки, и в 2,5 раза по сравнению с образцами после зачистки абразивным полотном.
Исследования обработанной поверхности коллектора после УАО с внедрением графита на наличие окисной пленки методом рентгенофлюоресцентного анализа на электронном микроскопе с анализатором JEOL JCM-5700 показали, что состав окисной пленки, полученной после УАО с внедрением графита, близок по своему составу коллекторной пленке (политуре), полученной в результате работы МПТ при номинальной нагрузке в течение трех – четырех часов.
Четвертая глава посвящена описанию практической реализации результатов экспериментальных исследований и математического моделирования.
Разработана технология повышения качества рабочей поверхности кол-лекторов МПТ при ее механической обработке, включающая в себя предварительную упрочняющую обработку обкаткой роликом, обтачивание коллектора алмазным инструментом, УАО с внедрением графита.
Предлагаемая технология была применена при ремонте коллектора МПТ 2ПН100. Для оценки влияния УАО на коммутацию МПТ были проведены коммутационные испытания МПТ 2ПН100. По результатам испытаний были построены кривые зон безыскровой работы МПТ 2ПН100 с наработанной политурой и с окисной пленкой после УАО. Безыскровая зона работы МПТ 2ПН100, восстановленная по предлагаемой технологии, по сравнению с типовой технологией ремонта увеличилась на 18 – 20 %. Исходя из сказанного, можно сделать вывод о более устойчивой в отно-шении коммутации работе МПТ с окисной пленкой, полученной после УАО с внедрением графита.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. В результате оценки влияния параметров качества рабочей поверхности коллекторов МПТ на коммутационную устойчивость КЩУ выявлены следующие параметры: отсутствие стружки между ламелями и заусенцев на кромках коллекторных пластин, ровный профиль снятых фасок, эксцентриситет коллектора и
радиальное смещение пластин в пределах допустимых значений, параметр шероховатости Ra ≤ 0,25 мкм, наличие политуры.
2. Выполнены экспериментальные исследования влияния параметров режима резания, геометрии и материала режущей части инструмента, механических свойств срезаемого слоя коллекторной меди на ее обрабатываемость резанием. Повышение скорости резания, увеличение переднего угла инструмента и твердос-ти срезаемого слоя приводит к уменьшению размера заусенца на кромке кол-лекторной пластины. Обточка резцом с режущей частью из АС2 при скоростях резания V > 60 м/мин с возможно большими значениями радиуса при вершине и минимальной подачей инструмента способствует уменьшению шероховатости обрабатываемой поверхности.
3. Разработана математическая модель, учитывающая влияние скорости резания, переднего угла инструмента и твердости срезаемого слоя на размер заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины. Определены значения скорости резания V = 384 м/мин, переднего угла инструмента γ = 0º и твердости коллекторной пластины 99,4 HB, способствующие снижению размера заусенца до значения
0,065 мм. Разработана математическая модель, учитывающая влияние радиуса при вершине и подачи режущего инструмента на шероховатость обрабатываемой поверхности, позволившая определить значения радиуса при вершине и подачи режущего инструмента для достижения шероховатости после обточки Ra ≤ 0,63 мкм.
4. Разработана математическая модель, учитывающая влияние параметров режима УАО коллекторной меди с внедрением графита на износостойкость, шероховатость и твердость поверхностного слоя. Определены скорость обработки V =
= 9,25 м/мин, подача s = 0,059 мм/об и статическая сила прижима Pст = 10 Н ультра-звукового инструмента при которых износостойкость поверхности медных образцов после УАО повысилась в 1,5 раза по сравнению с образцами после накатки, и в 2,5 раза по сравнению с образцами после зачистки абразивным полотном;
достигнута шероховатость поверхности Ra 0,22 мкм. Полученная после УАО с внедрением графита окисная пленка на поверхности коллектора близка по своему составу политуре, нарабатываемой при эксплуатации МПТ.
5. Разработана технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке, реализованная при ремонте МПТ 2ПН100: безыскровая зона работы МПТ 2ПН100, восстановленной по предлагаемой технологии, увеличилась по сравнению с типовой технологией ремонта на
18 – 20 %. Результаты исследований внедрены в локомотивном ремонтном депо ТЧ-1 Московка при ремонте коллекторов тяговых электродвигателей ТЛ-2К1.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Петроченко неисправностей коллекторно-щеточного узла электрических машин постоянного тока / С. В. Петроченко // Совершенствование технологии ремонта и эксплуатации подвижного состава: Сб. науч. ст. аспирантов и студентов университета под. ред. . Выпуск 7 / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2007. С. 79 – 83.
2. Петроченко дефекты коллекторов тяговых электродвигателей электровозов / С. В. Петроченко, А. В. Солдаткин // Теоретические знания – в практические дела: Сбор. науч. ст. междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей / Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП». Омск, 2008. Ч. 3. С. 159, 160.
3. Петроченко С. В. Исследование влияния скорости резания на усадку стружки при обточке коллекторов тяговых электродвигателей /
С. В. Петроченко, А. В. Солдаткин // Теоретические знания – в практические дела. Сб. науч. ст. междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых исследователей / Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП». Омск, 2009. Ч. 2.
С. 16, 17.
4. Петроченко показателей качества рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей после обточки / С. В. Петроченко // Материалы 63-й науч.-практ. конф. студентов, аспирантов, молодых ученых / ГОУ ВПО СибАДИ. Омск, 2009. Кн. 2. С. 303 – 307.
5. Петроченко обрабатываемости меди при обточке рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока /
С. В. Петроченко // Вестник Института тяги и подвижного состава / ГОУ ВПО Дальневосточный гоc. ун-т путей сообщения. Хабаровск, 2010. Вып. № 6. С. 53 – 56.
6. Рауба влияния технологических параметров на
качество рабочей поверхности коллектора после обточки / А. А. Рауба,
С. В. Петроченко // Инновации для транспорта: Сб. науч. ст. с междунар. учас-тием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. Ч. 2. С. 206 – 210.
*7. Петроченко С. В. Совершенствование технологии обточки рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей / С. В. Петроченко // Транспорт Урала. 2010. № 2. С. 53 – 55.
8. Петроченко С. В. Восстановление работоспособности тяговых электродвигателей путем совершенствования технологической операции обработки рабочей поверхности коллекторов / С. В. Петроченко // Известия Транссиба. 2010. № 1 (1). С. 39 – 44.
*9. Поверхностное упрочнение рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока методом ударно-акусти-ческой обработки коллекторов / С. В. Петроченко, А. А. Федоров // Извес-тия Транссиба. 2011. № 3 (7). С. 29 – 33.
10. Рауба износостойкости рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей методом ударно-акустической обработки /
А. А. Рауба,С. В. Петроченко // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состав: Материалы всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 282 – 286.
* − публикации в изданиях перечня, определенного ВАК Минобрнауки России.
____________________________________________
Типография ОмГУПСа. 2011. Тираж 100 экз. Заказ 667.
г. Омск, пр. Маркса, 35
