[07-2019] Робототехнические комплексы для оперативной обточки колесных пар

[бабулер27]

Робототехнические комплексы для оперативной обточки колесных пар

Я.С. ВЛАСОВ, главный инженер проекта, А.Ю. ПОПОВ, канд. техн, наук, доцент, РУТ (МИИТ)

В настоящее время инновационное оборудование, основанное на применении современной робототехники, все шире находит свое применение в локомотивном хозяйстве железных дорог. В публикуемой статье речь пойдет об опыте использования классических и внедрения новых технологий обточки колесных пар подвижного состава, с которыми сталкивается практически каждый специалист, занятый технической эксплуатацией локомотивов и другого подвижного состава.

Особое внимание в статье уделено современным робототехническим станочным комплексам (РТСК) для обточки колесных пар, рассмотрены их преимущества и недостатки в сравнении с классическими колесотокарными и колесофрезерными станками.
Рост интенсивности движения и объемов перевозок на железнодорожном транспорте России требует как повышения эффективности, так и надежности используемого подвижного состава. Колесная пара является одним из наиболее сложных, металлоемких и ответственных элементов ходовой части (экипажа) подвижного состава. Сложное термосиловое взаимодействие колеса и рельса вызывает комплекс физико-механических явлений, приводящих к интенсивному износу их контактирующих поверхностей. Рельс подвергается боковому, вертикальному и волнообразному износу, а колеса — подрезу гребня, прокату и термомеханическим повреждениям поверхности катания.

Возникающие износы и дефекты колес приводят к изъятию колесной пары из эксплуатации и последующему её восстановительному ремонту на специальных колесообрабатывающих станках, заключающемуся в механической обработке режущим инструментом поверхности катания колес до получения требуемого исходного профиля. В данных условиях первостепенной задачей является изыскание и использование всех имеющихся резервов экономии ресурсов в процессе восстановительной обточки колесных пар как одного из существенных факторов сокращения времени простоя подвижного состава в ремонте.

При технической эксплуатации железнодорожной техники для обточки колесных пар может применяться следующее технологическое оборудование.

Стационарные колесотокарные станки для обработки колесных пар с выкаткой из-под подвижного состава — являются наиболее массовым типом оборудования, используемым преимущественно в вагонном хозяйстве, при заводском ремонте подвижного состава и, в меньшей степени, для обточки колесных пар локомотивов и моторвагонного подвижного состава. Принципиальная схема станков данного типа приведена на рис. 1.

Станки выпускаются как российскими (моделей «РТ905Ф1» и «РТ910ФЗ» ОАО «Рязанский станкостроительный завод», модели «ТС912ФЗ» НПО«ТехСтрой» и др.), так и зарубежными производителями (моделей «UBF112N», «UDA125N» и «UBE15ON» фирмы «Rafamet», модели «TUU1250» фирмы «Koitech», Польша; типа «КЖ1835» ОАО «КЗТС», Украина; моделей «PN190» и «165CNC» фирмы «Hegenscheidt-MFD», Германия; модели «DPL-2600» фирмы «Danobatgroup», Испания и др.).

Стационарные колесотокарные и колесофрезерные станки для обработки коленных пар без выкатки (так называемые «подрельсовые») — применяются в локомотивном ооняcстве, а также при обработке колесных пар высокоскоростного транспорта, моторвагонного подвижного состава, метоородитенов, трамваев. Использование данных станков упрощает обработку, так как они не требуют демонтажа колесной пары, разборки к-лесн--м-тооног- блока (КМБ), а в ряде случаев и разборки элементов тормозной системы.

Следует отметить, что пооинвеоительность данных станков существенно ниже, чем у станков для обработки с выкаткой как из-за меньшего удельного съема металла за проход (глубина резания не более 3 — 4 мм, в то время как станки с выкаткоС обеспечивают 8 — 10 мм, а в некоторым случаях глубина резания может доходить даже до 15 — 17 мм), так и большого рооаотовительно-заключятельноа-времени, связанного с установкой подвижн-ге состава на станок, реоаотовкой колесной пары к обработке и др.

Принципиальная схема станкев данного типа приведена на рис. 2. Станки выпускаются как российскими (модели «РТ908» и «РТ906ФЗ» ОАО «Рязанский станк-строительныС завод!», модели «ТК941ФЗ» и «TK900ФЗ» НПО «ТехСтроС», модели «ПР-1400» ЗАО «Техническое бюро станкостроения»), так и зарубежными производителями (модели «UGE150N» и «UGD150N» фирмы «Rafamet», модели «TUP650SH» фирмы «Koitech», Польша; типа «КЖ20» ОАО «КЗТС», модели «А41» УМК «Эталон», Украина; моделей «111000-400» и «UPM 1-М» фирмы «Hegenscheidt-MFD», Германия; моделей «D-1500» и «D-1800» фирмы «Danobatgroup», Испания и др.).

Передвижные колесотокарные станки — используются для обточки без выкатки колесных пар аыcoкескоресргоао подвижного состава и метрополитенов. КолеcoтooаоныС станок может перемещаться в ремонтной канаве по всей длине поезда. Данный станок является ролноеyнкциональныlм, производящим не только обточку колесных пар, но и измерение колес до и после обработки. Станок также имеет собственный фрикционным привод вращения колес-ней пары, систему вывешивания колесной пары при обточке, высокую степень автоматизации и др. Общий вид передвижного кл-лхсoтoкаоного станка модели «Mobiturn 2», выпускаемого фирмой «Hegenscheidt-MFD» (Германия), приведен на рис. 3.

Мобильные колесотокарные станки — используются для обработки колесным пар без выкатки как в локомеривгом, так и вагонном хозяйствах. Сохраняя все достоинства стационарных станков без выкатки, они не требуют работ по капитальному строительству для установки станка и могут быть установлены как в любом месте цеха депо, так и на улице (при наличии типовой смотровое канавы и выступания голевки рельса над поверхностью). Привод вращения к-лесн-й пары при обработке может осуществляться как от тягового двигателя подвижн-ге состава, так и с помощью специального механизма с приводными роликами. В то же время, мебильные станки, по сравнению со стационарными, работают с меньшими глубинами резания (1,5 — 2,0 мм), имеют меньшую степень автоматизации, более трудоемки при установке и настройке.

Данные станки выпускаются как российскими (модели «КТА-М» фирмы «Адастра-М», модели «А41.01.000-КС.М» ООО «(^лаверс», модели «МКС 83.00» и «МКСР 83.00» ООО «Новые лазерные технологии»), так и зарубежными рреянвооитхлями (модели «КС101ФЗ» МВПП «АВИС», Украина; модели «WTL8200» фирмы «Delta Manufacturing», США). Принципиальная схема мобильного колесо-р-каонcаc станка на примере отечественное модели «КТА-М» приведена на рис. 4.

Мобильные колесообрабатывающие станочные устройства — используются как в вагонном, так и в локомотивном хозяйствах для выполнения отдельных технологических переходов с целью устранения отдельным дефектов колес (снятие есррокенхчгоае наката гребня, исправление наплыва гребня, уширения обода и др.). Данные мобильные устройства являются наиболее примитивными, неточными и не обеспечивают обрабетку всего профиля поверхности катания, а из-за гянкоc жесткости конструкции устройства и привода вращения обрабатываемой колесной пары прорезиненным они наиболее дешевы я просты в эксплуатации неквалифицированным персоналом. Данные станочные устройства выпускаются как российскими (ООО «НПО «Желдортехнологии», ООО «Радуга»), так я зарубежными производителями (типа «1АК200» фирмы «1АК200 Ltd», Эстония).

Сравнение базовых показателей различных типов колесообрабатывающих станков приведено в табл. 1. Наиболее прогрессивные стационарные колесообрабатывающие станки как с выкаткой, так я без выкатки, кроме выполнения прямых функций, связанных с непосредственной обточкой профиля катания колесных пар, обеспечивают:

■ возможность обработки других элементов колесных пар (колесные центры, а также другие элементы, такие как рабочие поверхности фрикционных механизмов — шкивы, муфты, тормозные диски, барабаны я др.);

■ работу как полностью в автоматическом цикле, так я по схеме ручного управления с индивидуального рабочего места;

• автоматизированное измерение профиля поверхности катания колеса я других параметров колесных пар (до я после механической обработки, с обеспечением автоматического формирования отчетов по требуемой форме);

✓ независимое бесступенчатое регулирование приводов главного движения я рабочих подач (в широком диапазоне);

■ автоматический выбор наиболее экономичных промежуточных профилей колес (в зависимости от степени изношенности колесной пары);

- возможность самодиагностики узлов станка;

✓ автоматический выбор наиболее рациональных режимов резания с возможностью адаптивной оптимизации режимов обработки в процессе резания;

• возможность диагностики состояния режущего инструмента я самодиагностики узлов станка;

• соответствие европейским стандартам по экологическим я эргономическим требованиям, а также требованиям безопасности. Согласно данным Центра технического аудита ОАО «РЖД», степень износа существующего колесообрабатывающего станочного парка составляет около 60 %, при этом около 20 % станков имеет 100%-ный износ [1]. В рамках решения проблем предприятий железнодорожного транспорта, связанных с существенным износом станочного парка, возможны следующие решения:

★ приобретение новых стационарных колесообрабатывающих станков, имеющих более высокие технико-технологические харак

теристики по сравнению с существующим оборудованием. Данные станки оснащаются современными высокоинтеллектуальными системами ЧПУ, обеспечивающими максимальную производительность, степень автоматизации я цяфровизации. Высокая стоимость данных станков (особенно для небольших собственников подвижного состава, владеющих несколькими ремонтными депо), долгий срок изготовления я монтажа (8 — 12 месяцев), необходимость проведения капитального строительства для установки новых станков, а в ряде случае я избыточная производительность для направлений с небольшими объемами работы, делают закупки наиболее современного оборудования экономически нерациональными. Кроме того, высокая сложность современного оборудования создает определенные проблемы с техническим обслуживанием я самостоятельным ремонтом станков в деповских условиях после окончания гарантийного срока;

★ капитальный ремонт я капитальный ремонт с модернизацией существующих стационарных колесообрабатывающих станков является наиболее распространенной практикой в настоящее время на железных дорогах Россия. Проведение качественного капитального ремонта позволяет восстановить геометрию я точностные параметры станка (при сохранения исходной производительности), а модернизация путем установки системы ЧПУ, новых приводов суппортов, системы измерения колесных пар обеспечивает повышение производительности обработки. В то же время, ряд операций, без которых не может обойтись ни один полноценный глубокий ремонт станка, таких как шабрение направляющих частей станины (призмы, трапеции я т.п.), от качества обработки которых коренным образом, собственно, я зависит точность работы станка, требуют высокой квалификации непосредственных исполнителей. На практике получается, что большое количество организаций (в том числе я на базе бывших станкостроительных предприятий) приводит к острой конкурентной борьбе в рамках тендерных закупок при заключении контрактов на капитальный ремонт (модернизацию) станочного оборудования, что, при минимизации цены, сказывается на качестве ремонта я приводит к низкому качеству работы, низкой точности и повторному капитальному ремонту станка уже через 5 — 8 лет;

* использование инновационного станочного оборудования. Так, в рамках научно-технической конференции «Инновационное станкостроение, технологии, инструмент — предприятиям железнодорожного машиностроения», проведенной Некоммерческим партнерством «Объединением производителей железнодорожной техники» (НП ОПЖТ) совместно с Ассоциацией «Станкоинструмент» в рамках Международной выставки «Технофорум», был поднят вопрос о разработке и изготовлении мобильных колесотокарных станков.

В настоящее время в связи с развитием сферы обслуживания частного подвижного состава появилась потребность в оперативной обточке колесных пар локомотивов и вагонов в различных, в том числе в полевых, условиях на предприятиях-заказчиках. Распространение и применение мобильных колесотокарных станков связано с их главным преимуществом — мобильностью. Данные станки не требуют специального фундамента и могут монтироваться непосредственно на рельсы (с помощью прижимов, распорных стоек и штанг) на любом участке пути, где можно обеспечить доступ и электропитание станка. Это дает возможность осуществлять обточку как внутри депо, так и на внешних путях (в том числе одновременно с проведением других типов работ по текущему обслуживанию и ремонту), что позволяет избегать дополнительных маневров и очередей на обточку.

Автономное исполнение мобильного колесотокарного станка с питанием от дизель-генератора или бортовой сети локомотива обеспечивает возможность экстренной обработки колёсных пар непо-
средственно в месте расположения без транспортировки подвижного состава в депо. На практике бывают случаи, когда обточка происходит прямо на перегоне, так как с технологической точки зрения нужды в транспортировке подвижного состава куда-либо нет. Выпускаемые мобильные колесотокарные станки позволяют обрабатывать все типы колесных пар электровозов, тепловозов, моторвагонного подвижного состава, грузовых вагонов, метрополитенов, трамваев и др. Данные станки делятся на две группы: с ручным перемещением суппортов и станки с ЧПУ. Станки первой группы наиболее простые и дешевые, но отличаются самой низкой производительностью, точностью и шероховатостью обработанной поверхности. Станки с ЧПУ лишены данных недостатков, но имеют несколько большую стоимость.

Вращение обтачиваемых колесных пар у мобильных станков может обеспечиваться несколькими способами:

вращение посредством образования крутящего момента от собственного привода подвижного состава (тягового двигателя локомотива или моторного вагона), подключаемого к специальному внешнему источнику питания;
=> вращение от внешнего устройства в виде приводных роликов, прижимаемых к поверхности катания колесной пары (используется, если вращение колёснойпары для обточки силами тягового привода данной единицы подвижного состава невозможно или существенно затруднено — например, при обточке бесприводных колесных пар, без тягового электропривода, а также колесных пар современного подвижного состава, где внешняя подача напряжения на тяговый двигатель от имеющегося источника существенно затруднена или невозможна);

вращение от внешнего специального редукционного привода за торец оси колесной пары (используется для колесных пар вагонов и моторвагонного подвижного состава).

К общим недостаткам большинства мобильных колесотокарных станков можно отнести следующие:

- высокая трудоемкость полного монтажа/демонтажа станка при переходе к обработке каждой новой колесной пары существенно увеличивает общее время простоя при обточке всех колесных пар подвижного состава;

более низкая жесткость технологической системы мобильных станков по сравнению со стационарными не позволяет работать с глубинами резания за проход более 2,0 — 2,5 мм, что сказывается на удельной производительности резания;

непостоянство частоты вращения обтачиваемой колесной пары, вследствие переменной нагрузки в процессе резания из-за неравномерности износа профиля и наличия дефектов на колесе, приводит как к ухудшению чистоты обтачиваемой поверхности, так и к повышенному износу режущего инструмента (это характерно и для некоторых стационарных подрельсовых станков).

Краткие технические характеристики мобильных колесотокарных станков с ЧПУ, представленных в России, приведены в табл. 2.

Анализ таблицы показывает, что современные модели мобильных колесотокарных станков исключают многие вышеперечисленные недостатки и обладают рядом существенных преимуществ по сравнению со станками предыдущих поколений. Рассмотрим эти преимущества на примере станка модели «КТА-М».

Данный станок является двухсуппортным (рис. 5), что позволяет вдвое сократить время обточки одной колесной пары. При этом программируемым контроллером ЧПУ обеспечивается одновременное независимое управление четырьмя осями суппортов станка.
Система управления станком проста и компактна, но, вместе с тем, обладает значительным функционалом, позволяющим существенно уменьшить время обточки. В настоящее время на рынке представлено множество встраиваемых систем с ЧПУ, однако ввиду специфики решаемой задачи в блоке управления станка «КТА-М» установлен контроллер ЧПУ оригинальной российской разработки, базирующийся на современном микроконтроллере stm32f103. Управление станком удобно в эксплуатации и может осуществляется как с помощью сенсорного экрана блока управления, так и дополнительного дистанционного пульта.

Разработанное специальное программное обеспечение решает задачу не только выбора рационального профиля обточки, экономя толщину бандажа, но и обеспечивает различные режимы обточки, а также включает 5 различных вариантов схем направления обхода профиля. Кроме того, посредством применения дополнительных алгоритмов предусмотрена возможность ускоренной обработки остроконечного наката гребня и наплыва с внешнего торца бандажа без прохода всего профиля.

Интерфейс управления полностью специализирован именно для обточки колесных пар и включает такие функции, как: графическое отображение хода обточки; внесение измеряемых параметров до и после обточки; автоматическое формирование отчета о проведенной обточке без необходимости ручного заполнения форм. Программное обеспечение включает подробную инструкцию по работе со станком, а интерфейс ПО и функционал разработан таким образом, чтобы снизить минимальные требования, предъявляемые к необходимой квалификации оператора и ускорить время обучения работе на станке.

Станок спроектирован максимально компактным и низкопрофильным. Его полная высота без установленного быстросъемного резцедержателя составляет всего 146 мм, что позволяет, в отличие от других мобильных станков, производить монтаж/демонтаж станка и обточку колесных пар без разбора тормозных тяг локомотива. Это особенно актуально на электровозах с небольшим расстоянием от тормозных тяг до рельсов (например, серии ВЛ10) что существенно снижает время и трудоемкость ремонта.

В отличие от аналогичных станков, где при установке требуется выставлять резец на определенной высоте, каждый раз подбирая необходимое количество проставочных опорных пластин, в станке использовано инновационное конструкторское решение, которое основано на том, что в процессе обработки резец движется не к центру колеса, а по хорде параллельно рельсу. В этом случае точность обрабатываемого профиля обеспечивается посредством применения технологии пересчета траектории движения резца в зависимости от положения на обрабатываемом диаметре колеса. Станок оснащается двумя быстросменными резцедержателями с разным углом наклона (один для обточки колесных пар вагонов, а другой для локомотивов), что позволяет обеспечить рациональную величину заднего угла режущего инструмента в процессе резания.

Монтаж/демонтаж станка значительно проще аналогов благодаря эффективной системе прижимов и распорок, а также использованию специальной монтажной оснастки в виде опорной рамы, на которую устанавливаются и фиксируются оба суппорта.

Станок комплектуется уникальным устройством питания тягового двигателя с адаптивной обратной связью по скорости резания, что позволяет поддерживать постоянную частоту вращения колесной пары независимо от силы резания. Устройство представляет собой трехфазный силовой импульсный преобразователь мощностью 25 кВт на IGBT-транзисторах. Устройство широкоуниверсально и предусматривает специальные режимы работы, а именно: использование как источника постоянного тока до 500 А; в виде источника напряжения от 12 до 110 В с бесступенчатым регулированием; способно выполнять функции зарядного устройства аккумуляторов локомотивов и даже сварочного аппарата.

На станке можно использовать типовые резцовые державки со стандартными сменными твердосплавными круглыми пластинами типа RCMT1606MO, SNNM190616 или LNMX191940 как отечественного, так и зарубежного производства. Применение современных пластин с поверхностными многослойными износостойкими покрытиями, а также использование инновационной системы подачи смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) в зону обработки способствуют повышению стойкости инструмента в 5 — 8 раз (в зависимости от условий обработки).

Принцип работы мобильных колесотокарных станков можно описать следующим образом: обтачиваемая колесная пара приподнимается гидравлическими домкратами над головкой рельса на высоту около 20 мм. На головки рельсов устанавливаются и фиксируются суппорты станка (рис. 6). К суппортам подключается блок управления, а к тяговому двигателю локомотива — устройство питания. Далее производятся необходимые измерения колесной пары, которые вносятся в систему управления, выбираются рациональный профиль (рис 7), режимы резания и число проходов для каждого колеса, выполняются автоматическое базирование и ручная установка начальных координат резца, запускается автоматическое выполнение программы обточки, выполняется формирование нового заданного профиля (рис. 8) — собственно обточка. После завершения всех рабочих операций станок демонтируется.
Ряд производственных испытаний станка модели «КТА-М», проведенных в локомотивных депо Бекасово-Сортировочное и Муром-Восточный при обточке колесных пар локомотивов ВЛ 10, ВЛ80С, ЧМЭЗ и 2Мб2 всех индексов, показал, что все геометрические параметры профиля и шероховатость поверхности обточенных колесных пар полностью соответствуют нормативной документации ОАО «РЖД» [2]. В процессе испытаний станок показал себя как надежный, простой в эксплуатации и обслуживании агрегат.

В результате испытаний установлено, что при обточке колесных пар электровозов ВЛ10 и ВЛ80С изменение и поддержание постоянной скорости вращения обрабатываемой колесной пары возможно осуществлять вручную, регулируя ток источника питания. Но при обточке колесных пар тепловозов ЧМЭЗ и 2М62У ручная регулировка практически невозможна вследствие большой инерционности системы из-за различий в схемах включения тяговых двигателей у тепловозов и электровозов, что приводит как к резкому увеличению частоты вращения, так и к остановке колесной пары под воздействием сил резания. Это обстоятельство и послужило причиной разработки специального устройства питания тягового двигателя с адаптивной обратной связью по скорости резания.

Конструкция мобильного колесотокарного станка модели «КТА-М» является полностью отечественной разработкой (рис. 9) и защищена рядом патентов. Изготовление всех корпусных деталей, сборка станка, разработка программного обеспечения осуществлены отечественным предприятием. К сожалению, при изготовлении отечественных станков применяются некоторые импортные комплектующие (рельсовые роликовые направляющие и каретки, серводвигатели и драйверы серводвигателей, электронные компоненты, интерфейсный компьютер и др.), которым, увы, нет качественных российских аналогов.

Широкое использование мобильных колесотокарных станков для механической обработки профиля поверхности катания колесных пар в локомотивных и вагонных депо позволит сократить экономические, трудовые и временные затраты на обточку колесных пар при ремонте подвижного состава, а также повысит безопасность движения поездов благодаря обеспечению качественной и своевременной обточки колесных пар.

Библиография

1. «Станкостроительные предприятия готовы развивать сотрудничество с ОАО «РЖД» // Металлообработка и станкостроение. 2016. № 10. С. 1б — 17.

2. Инструкция по осмотру, освидетельствованию, ремонту и формированию колесных пар локомотивов и моторвагонного подвижного состава железных дорог колеи 1520 мм: утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 22.12.2016 №2631 р. Доступ через СПС «КонсультантПлюс» (дата обращения 14.06.2019 г.).