Повышение эффективности технологического процесса очистки кузовов пассажирских вагонов при ремонте газодинамическим методом

На правах рукописи

КУЛЬКОВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ РЕМОНТЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2009 г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ)».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор	Евсеев Дмитрий Геннадьевич (МИИТ)
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор	Лапшин Василий Федорович (УрГУПС)
кандидат технических наук, доцент	Иванов Александр Анатольевич (МИИТ)

Ведущая организация: Брянский государственный технический университет

Защита состоится “14” октября 2009г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.005.01 в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр. 9, ауд. 2505.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета.

Автореферат разослан “14” сентября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

д.т.н., доцент А.В. Саврухин

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Технологический процесс ремонта вагонов включает очистку поверхности кузова от старой краски, основанную на совмещении дробеструйной и химической обработки, что существенно усложняет эту операцию. Поэтому, совершенствование технологического процесса очистки пассажирских вагонов является актуальной задачей.

Одним из способов, с помощью которого можно повысить эффективность очистки вагонов при ремонте, является исключение операций мойки из технологического процесса и замена их более рациональным для данного случая методом очистки от нетвёрдых загрязнений и обезжиривания. Достижение данной цели может быть осуществлено за счёт применения газодинамического метода очистки.

Данный метод представляет собой обработку поверхности потоком разогретого газа смешанного с ускоренными частицами дроби. При этом поток дроби разрушает твердые загрязнения, а термический поток обезжиривает поверхность.

Для реализации данного метода при очистке вагонов предлагается к использованию система ГДА (газодинамический аппарат), созданная специально для очистки. Её применение на вагоноремонтных предприятиях требует проработки и научного обоснования параметров воздействия газодинамического потока на обрабатываемую поверхность вагона, а так же определения закономерностей взаимодействия газодинамического потока и старого лакокрасочного покрытия.

В работе проведено исследование процесса газодинамического метода очистки и в результате, получены параметры воздействия потока на старое лакокрасочное покрытие вагона, фактическая скорость очистки и производительность процесса, температура в зоне обработки, шероховатость поверхности вагона после очистки и другие технологические параметры, а так же дано обоснование эффективности применения системы ГДА при очистке пассажирских вагонов.

Теоретической и методологической основой проведённых в работе исследований послужили труды ученых в области ремонта подвижного состава Лапшина В.Ф., А. В. Сирина, А. Э. Павлюкова, Рахматуллина М.Д., Герасимова В.С., Скиба И.Ф., Лаврова А.П., в области обработки свободными частицами - Барсукова Г.В., Павлюковой Н.Л. и А.М. Маханько, в области газодинамики - Федосьева В.И., Васильева А.П. и Гальченко В.П.

Целью настоящего исследования является:

Повышение эффективности процесса очистки кузовов пассажирских вагонов от старого лакокрасочного покрытия при ремонте газодинамическим методом.

Для достижения поставленной цели решались следующие взаимосвязанные задачи:

• исследование процесса взаимодействия газодинамического потока и окрашенной поверхности кузова вагона
• определение скорости и производительности процесса очистки поверхности кузова вагона
• определение шероховатости поверхности кузова после очистки
• определение температуры обшивки кузова в зоне очистки
• обоснование эффективности газодинамического метода при очистке кузовов пассажирских вагонов от старой краски при ремонте

Объектом исследования является технологический процесс очистки кузова пассажирского вагона при ремонте.

Предметом исследования является взаимосвязь между режимами газодинамической обработки и выходными параметрами очищенной поверхности кузова.

Методы и материалы исследований

• в работе применялись методы системного и статистического анализа;
• исходные данные по технологиям подготовки поверхностей кузовов вагонов получены из специализированной литературы и технической документации;

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана модель взаимодействия газодинамического потока и старого лакокрасочного покрытия на поверхности кузова вагона;
• выявлены закономерности влияния технологических режимов и параметров процесса на скорость и производительность газодинамической очистки кузова;
• обоснована технико-экономическая эффективность применения газодинамического метода при очистке кузовов пассажирских вагонов от старой краски.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• получены зависимости, позволяющие рассчитать рациональные режимы и параметры газодинамической очистки для различных технологических ситуаций;
• разработан технологический процесс очистки обшивки кузова пассажирского вагона от старой краски газодинамическим методом;
• получены исходные данные, позволяющие произвести автоматизацию процесса газодинамической очистки кузовов вагонов.

Реализация работы.

Предлагаемый метод и технологическое обеспечение к нему внедрёны на Московском локомотиворемонтном заводе для очистки кузовов пассажирских вагонов.

Апробация работы.

Основные положения работы обсуждались на научно-практических конференциях, проводимых в МИИТе, и специализированных выставках.

Публикации.

По теме работы опубликовано 5 статей, и получен патент.

Основные положения, выносимые на защиту:

• модель взаимодействия газодинамического потока и поверхности обшивки кузова вагона при очистке;
• обоснование эффективности газодинамического метода очистки при ремонте кузовов пассажирских вагонов;

Объём и структура диссертации.

Объём работы составляет 93 страницы. Список литературы включает 90 источников. Работа иллюстрирована 41 рисунком, 9 таблицами и 1 приложением.

Выполнение работы включало 3 этапа:

На первом этапе был произведен анализ основных проблем, возникающих при очистке кузовов пассажирских вагонов. К ним относится высокая себестоимость проведения работ по очистке, выделение техногенных отходов, трудоёмкость и т.д. Применение газодинамического метода позволяет избежать вышеуказанных недостатков, что существенно повышает эффективность технологического процесса очистки кузовов вагонов.

На втором этапе был исследован процесс очистки наружной обшивки кузова вагона газодинамическим методом. Целью данного этапа было получение основных параметров очистки, определяющих эффективность всего технологического процесса, таких как: производительность, степень очистки, шероховатость поверхности обшивки кузова после очистки и других параметров. Для достижения данной цели была разработана модель взаимодействия газодинамического потока и поверхности кузова вагона, позволяющая рассчитать вышеуказанные параметры.

На третьем этапе был произведен технико-экономический анализ предлагаемого технологического процесса очистки и типового. Анализ показал, что предлагаемый технологический процесс более эффективен. Это выражается в большей производительности очистки, снижении количества выделяемых техногенных отходов, снижении себестоимости процесса, а так же в улучшении других показателей.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава содержит обзор основных методов и средств очистки кузовов пассажирских вагонов от старого лакокрасочного покрытия и эксплуатационных загрязнений. После длительной эксплуатации кузов вагона поступает в ремонт с различными дефектами лакокрасочного покрытия: трещинами, сколами и т.д. (рис. 2.1.), что обуславливает необходимость его полного или местного удаления и последующего перекрашивания.

Очистка кузовов вагонов перед окраской является наиболее трудоемким этапом антикоррозионной обработки, а неправильная или недостаточная подготовка поверхности приводит к значительному снижению ресурса лакокрасочного покрытия. Кроме того, нанесение краски на плохо подготовленную поверхность приводит к тому, что коррозия протекает под лакокрасочным покрытием в процессе эксплуатации и продолжает разрушать конструкцию кузова.

На сегодняшний день при ремонте подвижного состава применяется ряд методов очистки деталей и узлов. Основные методы очистки можно представить в виде нескольких групп, а именно: механическая, физико-химическая и термическая. При очистке кузовов вагонов от старого ЛКП перед ремонтным окрашиванием попеременно применяются методы из всех трех групп. Подробная классификация способов очистки представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.1. Схема повреждений лакокрасочного покрытия на кузове вагона, обуславливающих необходимость очистки

В типовом технологическом процессе очистки вагонов регламентировано совмещение дробеструйной и химической обработки вагонов. При этом дробеструйная обработка применяется для очистки от твердых загрязнений, а химическая для обезжиривания поверхности.

Такое совмещение методов очистки приводит к существенному увеличению себестоимости очистки одного кузова вагона, ввиду низкой производительности процесса, сложностью утилизации отходов, вредностью производства и других негативных факторов.

Рисунок 2.2. Классификация способов очистки.

Внедрение более рациональных для данного случая методов очистки помогло бы решить многие проблемы при подготовке поверхностей вагонов, и вывести данное производство на новый уровень.

Для этого в работе предлагается применить газодинамический метод очистки. На примере типовой конструкции газодинамического аппарата, представленной на рисунке 2.3, можно рассмотреть основные принципы генерации газодинамического потока. Через штуцер (4) в камеру сгорания (1) впрыскивается топливо, а через штуцер (3) подается сжатый воздух. В камере сгорания создается горючая смесь, находящаяся под давлением, и стремящаяся выйти через критическое сечение сопла (6).

Перед этим смесь воспламеняется искрой (5) и образует факел термического потока (9), который ускоряется путём сужения диаметра сопла перед критическим сечением (6). На выходе из критического сечения сопло снова расширяется, для того чтобы не создавать препятствий истечению ускоренного термического потока. После выхода из ускоряющего сопла в поток через эжектор (8) подается дробь. Таким образом, на выходе из аппарата создается газодинамический поток.

Рисунок 2.3. Принципиальная схема установки для реализации газодинамического метода.

1 – камера сгорания, 2 – корпус камеры сгорания, 3 – штуцер подачи сжатого воздуха, 4 - штуцер подачи топлива, 5 – искра, 6 – критическое сечение сопла, 7 – расширяющаяся часть ускоряющего сопла, 8 – эжектор подачи дроби, 9 – факел термического потока, 10 – факел газодинамического потока.

Специфика данного метода позволяет:

• повысить производительность процесса очистки в 1,5 – 2 раза;
• исключить операции химического обезжиривания, заменив их обезжириванием путем совместного механического и термического воздействия;
• уменьшить количество выделяемых техногенных отходов за счет исключения из технологического процесса операций химической обработки.

Указанные преимущества газодинамического метода подтверждены экспериментально.

Широкомасштабное внедрение данного метода требует исследования процесса воздействия газодинамического потока на поверхность старого лакокрасочного покрытия вагона на предмет скорости и производительности очистки поверхности, получаемой после обработки шероховатости и температуры в зоне очистки.

Во второй главе был исследован процесс газодинамической очистки. В его основе лежит разрушение старого лакокрасочного покрытия вагона в результате множества соударений с ним частиц дроби. Теоретическая модель столкновения частицы с поверхностью представлена на рисунках 2.4.-а и 2.4.-б.

Рис.2.4.-а Теоретическая модель столкновения.

Рисунок 2.4.-б Модель вдавливания сферы в плоскость.

До столкновения частица в свободном полете обладает кинетической энергией, которая при столкновении совершает работу по деформированию и разрушению поверхности, с которой она столкнулась. При этом сила в зоне столкновения может быть записана как:

(1)

где Р – сила взаимодействия тел, – скорость частицы до столкновения, m – масса частицы, f – коэффициент, учитывающий упругопластические свойства материалов частицы и покрытия, R – радиус частицы, – глубина вдавливания.

При этом переход энергии может быть описан следующим уравнением:

(2)

Проинтегрировав уравнение (2) определим глубину вдавливания частицы:

(3)

и радиус площадки контакта:

(4)

Применив идеальную модель для реального столкновения можно определить

глубину врезания частицы, приняв следующие допущения (рисунок 2.5):

• весь деформированный материал считаем удалённым или разрушенным;
• величина деформации частицы при столкновении с поверхностью старого лакокрасочного покрытия пренебрежимо мала;

Тогда параметры среза в основном зависят от массы и скорости частицы на момент столкновения, а так же от механических свойств материала частицы и старого лакокрасочного покрытия.

Сталкиваясь с поверхностью лакокрасочного покрытия вагона, частица дроби сначала пробивает поверхностные слои, состоящие из эксплуатационных загрязнений, а затем разрушает локальный участок лакокрасочного покрытия и деформирует поверхность обшивки. Таким образом, можно сказать, что очистка – это совокупность локальных разрушений лакокрасочного покрытия частицами дроби, а модель очистки может описывать эту совокупность.

Для проведения дальнейшего исследования введем термин зона очистки. Зоной очистки называется площадь на обрабатываемой поверхности, на которую в данный момент времени приходится основной удар частиц дроби. Зона очистки при обработке под прямым углом имеет круглую форму, а под не прямым – форму эллипса.

Ширина зоны очистки Rx не меняется с изменением угла обработки и равна радиусу потока Rп.

Рисунок 2.5. Столкновение частицы дроби с поверхностью старого лакокрасочного покрытия на поверхности обшивки кузова вагона.

Рисунок 2.6. Распределение частиц в потоке.

Для дальнейших расчётов примем допущение, что количество частиц от краев потока к центру распределяется в соответствии с нормальным законом распределения Гаусса. Примем, что общее количество частиц, попадающих в пятно контакта в единицу времени равно N, а количество частиц попадающих в центр пятна контакта равно N0. Тогда распределение частиц от центра потока к его краям будет носить следующий характер:

(5)

Для объёмного случая:

(6)

При единичном столкновении частица оставляет на поверхности срез глубиной, шириной r и длиной l. Тогда процесс очистки может быть представлен в виде модели, описывающей совокупность множества элементарных столкновений частиц абразива с поверхностью. Разделим зону очистки на малые зоны длиной l и шириной r. Тогда каждой зоне будет соответствовать количество столкновений в ней Ni, а так же суммарная глубина разрушения Hi. Количество столкновений и глубина разрушения могут быть связаны следующим выражением:

(7)

где – глубина разрушений от одного столкновения.

Отсюда глубина разрушений в центре зоны очистки будет равна:

(8)

Рисунок 2.7. Воздействие зоны очистки на произвольную площадку М при движении пятна контакта по поверхности.

Время воздействия на площадку М равно:

(9)

Количество зон находящихся на расстоянии R от центра зоны очистки:

(10)

Тогда количество соударений на площадке М при движении зоны очистки может быть найдено из выражения:

(11)

Полагая, что условием полной очистки в произвольной зоне М является равенство суммарной глубины разрушений от всех столкновений толщине покрытия, т.е.:

(12)

Запишем следующее равенство:

(13)

Из (13) определим скорость подачи:

(14)

Введём коэффициент К:

Тогда уравнение (14) может быть записано в следующем виде:

(15)

где: Rп – радиус зоны очистки, Нпокр – толщина покрытия, – глубина единичного среза, r – ширина единичного среза, N – расход абразива, V – скорость очистки.

Производительность процесса очистки характеризуется обработанной площадью в единицу времени. Пренебрежём площадью половины эллипса зоны очистки спереди на фронте очистки и сзади, тогда очищенная зона будет иметь форму прямоугольника, площадь которого может быть определена по формуле:

(16)

где: S – очищенная площадь, R – радиус очищаемой зоны, V – скорость очистки, – время.

Рисунок 2.8. График зависимости производительности от толщины покрытия.

Рисунок 2.9. Проверка адекватности значений скорости очистки.

В третьей главе было произведено технико-экономическое обоснование внедрения нового технологического процесса очистки вагонов с использованием газодинамического метода. В результате анализа было получено, что объем утилизируемых отходов сокращаются в 3 раза:

Рисунок 2.10. Объем утилизируемых отходов.

Материалоемкость технологического процесса очистки снижается на 40%:

Рисунок 2.11. Количество используемых материалов.

Себестоимость очистки одного вагона с использованием газодинамического метода ниже, чем при использовании типовой технологии на 43%:

Рисунок 2.12. Снижение себестоимости технологического процесса очистки вагонов.

3. ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Операция очистки поверхности кузова вагона от старого лакокрасочного покрытия является одной из основных операций технологического процесса ремонта вагонов. Наиболее распространенные методы очистки основаны на совмещении химической и дробеструйной обработки, существенно усложняющие данную операцию и весь технологический процесс ремонта вагонов. Поэтому совершенствование операции очистки кузова является актуальной задачей.

2. Сравнительный анализ методов очистки кузовов вагонов при ремонте показал, что газодинамический метод позволяет повысить эффективность технологического процесса очистки за счет большей производительности процесса, снижения материалоемкости и объема техногенных отходов, уменьшения количества требуемых производственных площадей и сокращения номенклатуры используемого при ремонте технологического оборудования.

3. Производительность и качество процесса очистки определяется расходом топлива, скоростью разгона частиц дроби и их массой. При рациональных режимах производительность процесса может достигать 35 м2/ч при ручной очистке и 75 м2/ч при автоматической.

4. Одновременное воздействие дроби и теплового потока способствует разогреву поверхности до температур, обеспечивающих обезжиривание поверхностей под окраску.

5. Получаемая при очистке шероховатость от 32 до 55 мкм по Rmax в сочетании с обезжириванием поверхности обеспечивают условия для высококачественной покраски кузова при ремонте.

6. Технико-экономический анализ, проведенный в работе, показал, что себестоимость очистки одного вагона с использованием газодинамического метода ниже, чем при использовании типовой технологии на 43%.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в 6 печатных работах, в том числе одна в журнале, включённом в перечень ведущих научных изданий ВАК, а так же получен один патент:

1. Евсеев Д.Г., Кульков А.А. «Дробеструйный газодинамический метод очистки поверхностей» Транспорт: Наука, Техника, Управление. Научный информационный сборник, стр. 32.
2. Евсеев Д.Г., Гальченко В.П., Кульков А.А.Патент на полезную модель № 68952 «Система для термоабразивной очистки и оцинкования поверхностей железнодорожных вагонов»/
3. Кульков А.А., Фомин В.А. «Современные методы дробеструйной очистки вагонов» Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ – 2006 «Наука – транспорту», V-26.
4. Кульков А.А., Евсеев Д.Г. «Проблемы коррозионного износа вагонов при эксплуатации подвижного состава и пути их решения с использованием термоабразивного газодинамического метода» Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ – 2007 «Наука – транспорту», IV-41.
5. Кульков А.А. «Экономическая эффективность применения термоабразивных систем для очистки и подготовки поверхностей деталей подвижного состава» Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ – 2008 «Наука – транспорту», IV-56
6. Кульков А.А., Евсеев Д.Г. «Автоматизация процесса термоабразивной газодинамической обработки» Научно-практическая конференция НЕДЕЛЯ НАУКИ – 2008 «Наука – транспорту», Х-19

КУЛЬКОВ АНАТОЛИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ ПРИ РЕМОНТЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Специальность 05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация.

Подписано к печ. 09.09.09 Формат 60х84/16

Усл.- печ. л.- 1,5 Тираж – 80 экз. Заказ№ 520

127994 г. Москва, ул. Образцова, д.9., стр. 9 Типография МИИТа