Đề cập đến các vấn đề cơ bản cần quan tâm nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm phục hồi và giảm giá thành đầu tư cho phù hợp với yêu cầu sự phát triển của ngành đường sắt Việt Nam.
PHỤC HỒI BÁNH XE TÀU HỎA BẰNG CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG TRONG MÔI TRƯỜNG CO2
Phan Miêng
Lê Quốc Việt
Tóm tắt:
Bài báo trình bày ý nghĩa của việc phục hồi bánh xe tàu hỏa trên thế giới và trong nước. Trình bày cơ sở khoa học và kết quả của việc áp dụng công nghệ hàn tự động trong môi trường CO2 để phục hồi bánh xe tàu hỏa.
Abstract:
This article presents the importance of rehabilitating shaft wheels for railway trains in the country and over the world. It also mentions the basic problems that require attention in order to improve quality and reduce cost to cope with the development of Vietnam’s railway system. It presents the main points of the technology and the successful application process in Vietnam.
1. Đặt vấn đề
– Công tác phục hồi các chi tiết bị mòn là một trong những biện pháp tích cực nhất đem lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao, đặc biệt là trong lĩnh vực vận tải đường sắt. Vấn đề phục hồi bánh xe tàu hỏa gần đây được thế giới đặc biệt chú trọng và nó đã trở thành một lĩnh vực kinh doanh hấp dẫn [4,7]. Công ty TIMKEN tại Hoa Kì trong gần 100 năm được mệnh danh là nhà chế tạo lớn nhất thế giới, nay đã chuyển sang đảm nhiệm phục hồi trục bánh xe tàu hỏa cho 143 hãng thuộc 11 nước khác nhau.
– Bánh xe tàu hỏa thường được chế tạo bằng thép C-Mn, với hàm lượng cacbon 0,45% ⊆ C ⊆ 0,7% , có tính hàn rất kém. Theo đó việc gia công, nhất là hàn đắp phục hồi, rất khó khăn [1,5]. Thế giới áp dụng nhiều loại hình công nghệ hàn (CNH) phục hồi bánh xe tàu hỏa: CNH dưới lớp thuốc, CNH MAG (Metal Active Gas), CNH bằng dây lõi bột [6]. Tuy nhiên ở Việt Nam chưa thấy có tài liệu nước ngoài nào đề cập cụ thể đến công nghệ phục hồi bánh xe tàu hỏa bằng phương pháp hàn bán tự động hay tự động trong môi trường CO2 . Mặt khác CNH CO2 đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất cơ khí đường sắt ở Uraina, Nga, Mỹ, Canada, … [6,7].
2. Công nghệ hàn bán tự động
– Ở nước ta, trên cơ sở kết quả đề tài nghiên cứu KH-CN cấp Bộ, viện Khoa học và Công nghệ GTVT (RITST) phối hợp với Liên hiệp đường sắt Việt Nam đã ứng dụng CNH bán tự động trong môi trường CO2 tại một số cơ sở sản xuất cơ khí trong đó có Xí nghiệp Đầu máy và Xí nghiệp Toa xe Đà Nẵng. Kết quả ứng dụng CNH BTĐ CO2 tại hai xí nghiệp này rất khả quan: Bánh xe tàu hỏa được phục hồi đạt chất lượng được khai thác phục vụ trên tuyến Bắc Nam bảo đảm 100% an toàn chạy tàu.
– Tuy vậy, quá trình hàn phục hồi bánh xe tàu hỏa bằng CNH bán tự động nảy sinh một số nhược điểm về chất lượng sản phẩm, năng suất lao động và hiệu quả kinh tế.
– Chất lượng lớp đắp bằng CNH BTĐ CO2 phụ thuộc đáng kể vào sự điêu luyện tay nghề của người thợ. Quá trình hàn luôn phải dừng lại để “xử lý công nghệ”.
– Việc này không những gây lãng phí vật liệu hàn, giảm năng suất lao động mà còn là nguyên nhân gây ứng suất nhiệt và giảm đáng kể chất lượng lớp đắp. Nhiều thông số CNH quan trọng phụ thuộc vào sự điều khiển của người thợ, như: Tầm với điện cực le ; Biên độ lắc ngang điện cực be ; Góc nghiêng điện cực a ; Tốc độ hàn Vh ; Năng lượng đường q1 ; Độ dài hồ quang hàn lHQ ; Chiều cao lớp đắp Cđ.
– Các đại lượng này quyết định sự ổn định của quá trình hàn và tính chất mối hàn (về cả kích thước, cơ tính và cấu trúc kim loại). Đặc biệt vai trò quan trọng của tổng chiều dài hồ quang và điện cực tự do lh = le + lHQ đã được tác giả [2,6] nghiên cứu. Phân tích động học các hàm chuyển đổi đã đi đến kết luận: Khi dòng chập mạch tăng lên, sự kéo dài điện cực nóng chảy phải tăng lên; Do đó sự gia tăng cường độ được điều khiển tự động trong mối quan hệ với le sẽ tạo được một quá trình cháy hồ quang ổn định [2,6].
– Từ những vấn đề nêu trên kết hợp với kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy rằng: để nâng cao chất lượng sản phẩm và cũng là nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của sự phục hồi, cần thiết phải nghiên cứu áp dụng phương pháp công nghệ hàn tự động trong môi trường CO2 để phục hồi bánh xe tàu hỏa.
3. CÔNG NGHỆ HÀN TỰ ĐỘNG
– Bằng quá trình hàn tự động cho phép ta chuẩn hóa được hầu hết các đại lượng công nghệ liên quan đến sự ổn định của quá trình cháy hồ quang: le, Vh, lHQ, a, q1, … Để tiến hành tự động hóa quá trình hàn phục hồi bánh xe tàu hỏa, trước hết cần thiết kế, chế tạo tổ hợp đồ gá quay bánh xe tàu hỏa với tốc độ đều và các đồ gá chuyên dùng khác.
– Bộ gá trục và bánh xe tàu hỏa được chế tạo trên nguyên tắc điều chỉnh vô cấp tốc độ góc với giới hạn tối đa = 0,5 vòng/phút. Bộ gá đầu hàn được thiết kế và chế tạo với các cơ cấu cho phép gá cố định đầu hàn bảo đảm không có dao động trong quá trình toàn bộ dây chuyền hoạt động. Trên mâm gá đầu hàn cho phép chỉnh đầu hàn quay được 2p, điều chỉnh đầu hàn vào-ra trong hành trình 400mm, lên-xuống trong hành trình 500mm và quay nghiêng trong mặt phẳng đứng một góc quét p/4.
– Một nhược điểm cơ bản của quá trình hàn CO2 là hạt thép trong vùng ảnh hưởng nhiệt có kích thước lớn [1,3]. Kích thước này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trong nhất là thành phần hóa học và nhiệt độ. Trong các thông số công nghệ hàn, mối quan hệ giữa thành phần hóa học kim loại lớp đắp và các quá trình nhiệt hàn quyết định cơ – lý tính của kim loại lớp đắp và kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt. Trong quá trình hàn phục hồi bánh xe tàu hỏa, mối quan hệ này được giải quyết bằng cách hạn chế tốc độ nguội của liên kết hàn, thông qua việc nung nóng bánh xe tàu hỏa trước khi hàn.
– Trên cơ sở lý thuyết và từ kết quả khảo sát thực nghiệm, nhiệt độ nung nóng ban đầu được tính theo công thức [3,5]:
– Trong đó: Ce – Đương lượng cacbon, được tính bằng công thức:
– Từ điều kiện cụ thể và dựa trên cơ sở lý thuyết các quá trình nhiệt hàn, xác định thông số công nghệ hàn, có hiệu chỉnh qua thực nghiệm, chế độ công nghệ hàn được xác định và áp dụng để đắp phục hồi bánh xe tàu hỏa cụ thể như sau:
- Cường độ dòng hàn Ih = 220 – 240 A
- Điện áp hồ quang hàn UHQ = 23 V
- Tốc độ hàn Vh = 26 m/h
- Nhiệt độ nung sơ bộ T1 = 250 – 280°C
- Tầm với điện cực le = 12 mm
- Đường kính điện cực fe = 1,2 mm
- Tốc độ đẩy dây Ve = 5,6 m/h
- Góc nghiêng điện cực a = 18°
– Vật liệu hàn được xác định như trong quá trình hàn bán tự động. Khí CO2 phù hợp với TCVN 5778-94 : H2O ⊆ 0,05%, S ⊆ 0,01 PPM. P ⊆ 0,01 PPM. Dây hàn vẫn dùng loại Ha14CrMn2Si.
– Chất lượng sản phẩm phục hồi được kiểm tra siêu âm phân lớp, nhằm kiểm tra kim loại lớp đắp và vật liệu cơ bản trong vùng ảnh hưởng nhiệt.
4. ỨNG DỤNG VÀO SẢN XUẤT
– Công nghệ hàn tự động CO2 đã được áp dụng vào thục tế sản xuất đại trà trong 2 xí nghiệp cơ khí Đường sắt (XN Đầu máy và XN toa xe Đà Nẵng). Sau hai năm đầu áp dụng công nghệ hàn tự động phục hồi được khoảng 2000 bánh xe tàu hỏa. Số bánh xe tàu hỏa này nếu mua mới phải tốn khoảng 10 tỉ đồng, trong lúc chi phí phục hồi chỉ khoảng 1,6 tỉ đồng. Sản phẩm phục hồi đã kịp thời được khai thác vào quá trình chạy tàu trên tuyến Bắc – Nam. Chất lượng sản phẩm tốt, 100% bảo đảm an toàn trong quá trình chạy tàu.
– Từ kết quả thực tế cho thấy: Tuy độ chịu mài mòn chưa đạt như mong muốn, song dây chuyền công nghệ hàn tự động đã thể hiện nhiều ưu điểm.Vận hành rất thuận lợi và dễ dàng điều chỉnh chính xác thông số công nghệ hàn; quá trình hàn có năng suất gấp 4 lần hàn tay, hồ quang cháy ổn định và sự hàn được tiến hành liên tục, nhờ vậy hạn chế tối đa ứng suất nhiệt tập trung, hạn chế tối thiểu khuyết tật của kim loại lớp đắp.
– Nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả sản phẩm phục hồi, hiện nay công nghệ hàn CO2 bằng dây lõi bột đã được áp dụng khá phổ biến ở các nước tiên tiến. Phương pháp công nghệ hàn này có nhiều ưu điểm. Phù hợp với mục tiêu Công nghiệp hóa ngành Đường sắt, chúng ta cần nghiên cứu ứng dụng phương pháp công nghệ hàn. Nghĩa là việc nghiên cứu hoàn thiện công nghệ hàn tự động đắp phục hồi bánh xe tàu hỏa đang cần được sự quan tâm của các cơ quan nghiên cứu khoa học-công nghệ và các cơ quan Quản lý Nhà nước.
5. KẾT LUẬN
– Kết quả áp dụng vào thực tế sản xuất đã khẳng định tính ưu việt của dây chuyền công nghệ hàn tự động CO2 : quá trình hàn ổn định, chất lượng sản phẩm phục hồi bảo đảm 100% an toàn chạy tàu, năng suất lao động cao.
– Quá trình hàn tự động CO2 sẽ phát huy tác dụng đích thực khi việc xác định chế độ công nghệ hàn (kể cả chế độ và điều kiện gia nhiệt, vật liệu hàn, …) được tiến hành chính xác trên cơ sở lý thuyết và hiệu chỉnh thực nghiệm đồng bộ đối với từng loại bánh xe tàu hỏa cụ thể.
– Nhằm không ngừng nâng cao chất lượng sản phẩm tạo điều kiện thuận lợi áp dụng rộng rãi vào sản xuất, chúng ta cần tiếp tục nghiên cứu hoàn chỉnh công nghệ phục hồi và tiến tới xây dựng quy trình công nghệ hàn phục hồi bánh xe tàu hỏa dưới dạng tiêu chuẩn ngành.
Tài liệu tham khảo:
- HOÀNG TÙNG, PHAN MIÊNG. Nghiên cứu hàn thực nghiệm thép hợp kim bằng công nghệ hàn CO2.
- MADIGAN N. B, QUINN T. P. An Electrode Extension Model for Gas Metal Arc Welding. Welding Journal, October 1994.
- PHAN MIÊNG. Xác định trường nhiệt vùng cận bể hàn bằng phương pháp hiệu chỉnh thực nghiệm.
Tạp chí GTVT Số 4. 1999. - PHAN MIÊNG. Nghiên cứu công nghệ hàn CO2 để hàn thép hợp kim thấp.
Bộ Giáo dục và Đào tạo. H. 1996. - PHAN MIÊNG, TRƯƠNG VĂN HIỆP. Ứng dụng công nghệ hàn CO2 hàn đắp bánh xe tàu hỏa. Tuyển tập công trình nghiên cứu Khoa học và ứng dụng kỹ thuật tiến bộ.
RITST, H. 1994. - Potapievski A. E. Gas Shielded Welding.
KNDP. Kiev 1989. - Slapin V. N. , Lozinski A. X. Svarotmoje Proizbodstbo na Transportie. Relazo-darochnuje Transport Nr. 11. 1991.
.jpg)
.jpg)