автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Исследование влияния холодной правки на прочностные и эксплуатационные свойства сварных рельсов

?ГГ) он

• - ' "' Р£ - МПС

' ВСЕРОССИЙСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ . ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

На правах рукописи Инженер СИНАДСКИй Николай Арсеньевич

'I

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХОЛОДНОЙ ПРАВКИ

НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА' СВАРНЫХ РЕЛЬСОВ

05.15.01 - Цеталлонедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации ка ооискагае ученой степени кандидата технических наук

Москва, 1993 г.

Работа выполнена во Всероссийском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта

Научный руководитель - кандидат технических наук

Еляпин Владимир Борисович

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Школьник Лев Михайлович

кандидат технических'наук Гасанов Александр Искандерович

Зедущая организация - Российское акционерное общество

"Высокоскоростные магистрали"

Защита диссертации состоится иЮНЦ 1993 г. в /0 часов

на заседании Специализированного совета Д 114.01.04 при Всероссийском научно-исследовательском институте пелезнодорокного транспорта по адресу: 12У851, г.Москва, И-164, 3-я Мытищинская ул., д.10, в Малой конференц-зала института.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " С1П,р>еЯЯ 1993 г. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направить в адрес Специализированного совета Д 114.01.04.

Ученый секретарь Специализированного совета

Д II4.0I.C4 кандидат технических наук

-5 -

ОБЩАЯ ХАРЖГЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение,;эксплуатационной стойкости рельсов занимает одно из центральных мест в разработке основных проблем железнодорожного транспорта. В комплексе мероприятий по ее решения вопрос прямолинейности рельсов относится к числу ва,яшх и в условиях неуклонного роста скоростей движения поездов и осевых нагрузок приобретает все большую остроту.

Результаты теоретических и экспериментальных работ, выполненные М.Ф.Вериго, М.И.Кулагиным, В.А.Даниловым, Л.П.Мелентье-зым, А.Я.Коганом, В.И.Вахненко и другими азторами, показывает, что геометрические .неровности на поверхности катания рельсов усиливает динамическое воздействие подвижного состава, способствуя интенсивному росту поврэздаемости. всех элеьгэитов пути и прецдевременноцу выходу их из строя. Согласно измерениям, выполненным в пути, силовое воздействие колеса на рзльс у^те. в начальной стадии развития неровностей возрастаем на 15-22$ к с дальнейшим увеличением их размеров - до 40-60%. С пов£™еш<зм скорости двигенил, статических осевнг: нагрузок, "осткооти. дуги неблагоприятное влияние изолированны:: нзрзвностей становится ецз более резки;!.

В последнее врзкя в ряде стр; о акеокик наутшэ-тзлнчес-шш "потенциалом все болкзза распространение начинает получать высокоскоростной гелезнодорояный транспорт. Эта мировая тенденция наала поддержку и в нагей стране. В 1533 г. принята Государственная научно-тезппгаэская программа "Высокоскоростной экологически чксткЛ транспорт", прздусг&тризсщая создание высоко-, скоростного двинения в России для перевозки пассагсфов со скоростью до 200-350 км/ч ." Реализация таких скоростей требует

-к' •

создания конструкций верхнего строения пути повышенной надежности и разработки более жестких требований к прямолинейности поверхности катания рельсов.

Одним из перспективных направлений по совершенствовании конструкции верхнего строения пути является укладка бесстыкового пути. Почти полувековой опыт эксплуатации сварных рельсов показывает, что сварной стык является надежным видом соединения, требующим минимальных затрат труда, времени и средств на его содержание. *

д; Дпительньши^наблйдениями за работой бесстыковых плетей установлено!'., что первые признаки расстройства верхнего строения пути появляется в местах сварного соединения рельсов и выражаются в потрясенности1/стыковых и пристыковых ппал, ослаблении клеыыных болтов, выпадении подрельсовых прокладок, сбитой рихтовке и др. Такого рода дефекты свидетельствует о повышенном

уровне динамических сил,, вызвадаых наличием геометрических не-

■ - ■" " ■

ровностей в сварных стыках» что подтверждается результатами обследования бесстыковых плетей в пути. Поэтому решение вопросов, связанных с п'овшеиием прямолинейности бесстыковых рельсовых плетей, особенно в местах сварного соединения, является актуаль-.ним и имеет большое практическое значение.

Цель работы. Повышенна прямолинейности поверхности катания

реяьееш й ¿-око евершго еовдкнзнш цуген холодной правки стыков дав ув8як«г8йаз яадекшеяе к долговечное«! бзееяыковах гошеей и улучиенш условий дшкзшш поездов.

В соотае1'ствии с поетшшекшаш цалж.ш необходимо решите сяедупцие основные аадачи:

- изучение тесмоч-рии еигкэвкх нзроаносгей р. сварных рельсах V причин их вызывающих а оценкой возксаносвд пршгзкешя правильного оборудования для их устранения;

- изучение особенностей пластического деформирования металла сварных рельсов при правке с разработкой прецизионного способа измерения малых пластических деформаций;

- исследование влияния наклепа на механические свойства металла в зоне сварного соединения;

- исследование кинетики формирования остаточного напряженного состояния рельсов после сварки, термической обработки стыка, холодной правки с оценкой влияния остаточных напряжений на меха-ническутэ прочность;

- исследование влияния голодной правки на консгруктивчув и зксплуатационнуп прочность сваршс: рзльеоз;

- разработка технологических указаний по голодной правке сварных рельсов а условиях рэльсосварочша: предприятий.

Научная новизна. Установлены прпчпкы, вететаз-из геометрические неровности в св&рюх• ральсах,;;пзуйки §орш2• а'рззьэрн неровностей, поксзсна ВОЗиОГНОМЬ-:- И. оф^СКТСТКОССГЬ 'прхайвэнка холодной правки для лкквидсцш* нзропюотоП.

Разработаны и прикенегагновез.- кзтодшеи пссхедозапш. Кссле-доваин особенности пластического дгфоргпфовагпгя ^зталла сваршс •рельсов при правке, вкЕШтегш закокогзр'юстп изменения кзганичзс-'гак свойств сварного соединения под воздействием наклепа с опро-"делением оптеиалышзс й децусяядЕ уроскэв • пя'асягеэского дейэргет-роваккя кеталла в-'зона сверного ■соединения рельсов.

Изучены остс.?очкнз нглряггкгл, позшгг.пггг.о в рэльсак посяг сварки, тери.'чэской обработай я. голодно!! правки -стала, определено их влхдашз на нонструкриэцуз прочность сваркЕ: рзльсов.

Обоснована возможность пркизкешгя холодной правки для сварных рэльсоз, разработана технология правки.

Разработаны технологические указания по холодной правке сварных длинномерных рельсов и бесстыковых плетей в условиях рельсосварочных предприятий (РСП).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников, включающих IOS наименований, и приложения. Работа изложена на 143 страницах

В первой главе дан обзор работ, касающихся исследования воздействия пластического деформирования на механические свойства металлов, рассматривается особенности деформирования при упруго-пластическом изгибе, сформулированы задачи и методика исследования.

Большой вклад в развитие механизма пластического деформиро-

вания и явлений его сопровоэдаащих внесен работают В.Д.Кузнецова, С.И.Губкина, А.А.Ильшина, Н.Н.Давиденкова, Й.А.Одинга, Я.И.Френкеля,-А. X. Когрелла, М.В.Классен-Неклвдовой, В.Л.Инден-блоыа, А.В.Степанова, В.И.Владимирева и др.

Значительная часть работ по исследозанизэ холодной правки носила прикладной характер и отвечала нуздаа производства. В России первые исследования, по холодной правке рельсов выполнены в начале века. Еще в 1903 г. в яурнале "Железнодорожное дело" указывалось на изыскание кесткости правленных рельсов. Ухудшение характеристик статической прочности после холодной правки отмечалось в материалам Пзрвой рельсовой комиссии.

Существенное развитие эта проблема получила в 30-40 гг. 3 1932 г. в Харьковском институте металлов при испытании рзльссв на хопроауя пробу обнаружено падение прочности правленных рельсов. 3 1935 г. исследованиями, провэденныг.да ь /■айссатории Куз-

. По теме диссертации опубликовано 5 работ.

машинописного текста, содержит 53 рисунка и 9 таблиц. Содержание работы'

нецкого металлургического завода, установлено уменьшение упр-гих свойств и ударной вязкости в металле правленных рельсов.

Широкое исследование влияния пластических деформаций на рельсовую сталь выполнено в 1935 г. Б.Г.Тиховским. На основании экспериментальных данных он пришел к выводу, что холоднач правка -ухудшает прочностные свойства рельсов из бессемеровской стали. Ухудшение свойств рельсовой стали определяется интенсивностью пластического деформирования и усиливается процессами деформационного старения.

Существенный вклад в изучение холодной правки рельсов вне-ен Н.П.Шаповкм. До его мненкз- наиболее врэднш'15осдедстш:ёы прав-и является уменьшение гесткости лравлешаж'рельсов в направлении, противоположном направленна правки, указывается на опасность повторного искривления правленкы: рельсов при эксплуатации. Объясняя это явление дейсгзкзм.остаточних какронапрягэняй и эффекта Баушинтера подчеркивается обязательность учет, тз: влияю«:.

В связи с узеличэккеи погонного веса рельсов, улучшением качества рельсового шталла, введение!.: терютзской обработки вопросы холодной прачки рельсов потребовали дальнейшего изучения. Более поздние работы показали, что металл соврекзнкнх рельсов кенее чувствителен к воздействие пластических дефо^кяций и поэтому кет оснований распространять ранээ получзшгэ вывод:; о влиянии празки на еоврзкеннкг рзльси. Из значительного числа исследователей, занимавшихся проблемой яразки современных рельсов, кото назвать работа А.Д.Кошж58а, И.Х.Ая®таянова, Е.А.Щура, Л„!1. Пчельника, Я.Р.Роузпта и др.

Из анализа работ по холодной правке следует, что такая технологическая операция при определенных условиях шгэт оказать отрицательное влияние на служебные свойства рельсов. Ее

влиякие зависит от интенсивности пластического деформирования металла, способа производства и качества металла, склонности его к деформационному старению. Поэтому при оценке воздействия холодной правки необходимо руководствоваться экспериментальными данными, полученными при испытании конкретного материала с учетом действительной Ееличины пластической деформации. Существенное отличие механических свойств металла в зоне сварного соединения от основного делает невозможным распространить выводы, полученные при холодной правке прокатных рельсов, на сварные рельсы. Работы в области холодной правки сварных рельсов другими авторами не проводились.

В реферируемой работе экспериментальную часть выполняли на закаленных рельсах типа Р50 и Р65 производства Нижнетагильского металлургического комбината. Сварку рельсов производили контактным способом методом прерывистого подогрева. Термическую обработку стыка производили в виде -закалки головки рельса с использованием тепла сварки водовоздушной смесью и нормализации подошвы с нагрева электроконтактным способом.

Во второй главе рассматриваются геометрические неровности, возникающие при сварке рельсов, анализируются причины их вызывающие, обосновывается целесообразность применения операции холодной правки в технологическом потоке.РСП, приводятся результаты исследования особенностей деформирования металла в сварном стыке.

Статистические данные обследования прямолинейности бесстыковых плетей свидетельствуют о том, что от 50 до 9® эксплуатируемых сварных стыков пшвт геометрические неровности. Их величина колеблется в широком диапазоне и составляет 0,5-2,5 ш при длине от 250 до 2000 ыа. Отаечаеа-ся, что неровности обнаруживается уже в • начальной стадии эксплуатация сзарках рал&сов,

а их размеры заметно увеличивалтея с ростом пропущенного тоннажа, особенно на кривых участках пути.

3 соответствии с действующим^ государственными стандартами, местные неровности рельсов не должны превышать 0,5 мм, измеренные как высота хорды длиной I м. Для скоростных линий максимальную величину местной неровности и концевого искривления рельса рекомендуется уменьшить до 0,3 мм. Измерения, выполненные непосредственно в ГСП ряда дорог показали, что у сварных плетей в состоянии поставки только 40-50? стыкое удовлетворяют существующим требованиям.

Анализ работы технологической линии ГСП позволил установить, что геометрические неровности возникают в процессе сварки и являются в основном результатом угловых деформаций рельса в месте сварного соединения. К числу технологических факторов, вы-зкзавщих угловые искривления, следует-откестк: допущение углов и смещений рельсов при установке их в зажимных губках сварочной машины, износ поверхности заяймкых губок, коробление рельсов при местной термической обработке стыс а, изгиб рельсов в месте сварки при движении их по рольгангу и др. Обеспечение прямолинейности также осложняется наличием концевой искривленности свариваешь; рельсов и некачественной шлифовкой места .сварки, выполняемой до настоящего временя вручкуп.

" Вследствие случайного характера причин, приводящие к воз-юш;о венка неровностей^ а^также бЬльпого~дкапазоа1 разброса з! Евгений неровностей на разите этапах технологической ишаку.'обеспечение щвгшолннейносги сварнис стыков т, условиям рельсосварочнас предприятий .представляется слоялоЗ задачей'. Поотогзу сутзларкая величина угловых искривлений, накапливаясь ка к&тдогл этапе, оказывается недопустимо больэой. В та ге врэня на основании многолетних статистических данных ношо утверждать, что капси-

мальная величина неровностей обычно не превышает 1,5-2,0 мм.

Правку сварных рельсов проводили на прессе при трехточечной схеме нагружекия: рельс укладывали на две цилиндрические опоры, расстояние между которыми составляло I м. Сосредоточенную нагрузку прикладывали в середине пролета в месте сварного шва. Изгиб производили в плоскости наибольшей жесткости рельса как с растяжением подошвы, так и головки, т.е. имитировали правку сварных стыков с искривлениями в виде "горбов" и "впадин" наиболее часто встречающимисяВ практике.

Профилограммы, снятые по поверхности катания сварных рельсов до и после правки, а также результаты обмеров профиля показали, что - - операция'.холодной правки _ позволяет не только уменьшить величину искривления, но и обеспечивает.прямолинейность сварного стыка в пределах требуемых допусков без существенных нарушений размеров сечения рельса в месте изгиба.

Испытаниями установлено, что' при упруго-пластическом изгибе сварных рельсов тшйзР50,Р65 первые признаки остаточной деформации обнарузизазтся при нагрузках, равных соответственно 600-650,1100-1150 кН. Разрушение сварных рельсов Р50,Р65 происходило при нагрузках, соответствующих 1200-1400,1900-2200 кН и стреле остаточного прогиба от 29 до 40 мы. Для устранения искривлений до Я над джя еварнш: рел?>соа таше Р50 ярзбуется уеняие щ! йояае 9й0 кН, а д*я режьеоь типа Р65 ш боже». 1400-кН, ч?о в пйр^ече^е'.йй, -дагйбшцмй комви&< соозгаетаявуву. ак»шиаш,.<Р8»Ш8 273 хН~м и 380-кН'м. '

Деформационные процессы, протекающие при уируго-шаситеее-ком изгибе, имею« локальный характер, что позволяем э4Фек«ивио использовать правку для устранения больших утаоиыэс искривлений рельсов. Непосредственные измерений! деформаций в наиболее нагружаемых олемен'гах профиля рельса (поверхность катания головки

- ми нижняя грань подошвы) показали, что ширина зоны, в пределах

которой металл подвергается пластическому деформированию ("пластический шарнир"), у рельсов Р50 не превышает 200-220 мм, а у рельсов типа F65 оказывается несколько большим и равен 350-400 мм. Применение жестких регошов правки не изменяет протяженности деформированной зоны, размеры которой практически сохраняются в тех же пределах дахе_ при изгибающих нагрузках,близких к разрушаюсь™. В пределах "пластического шарнира" наибольшему деформированию металл подвергается в плоскости действия пуансона. В пе-

реферийных зонах интенсивность деформирования монотонно уменьшается. При изменении направления изгиба рельса (растяжение в головке или подошве) .различий в характере распределения деформаций не обнаружено. ■._...■

При устранении искривлений до 2 ми величина пластической деформации металла в месте сварного соединения i в пресыщает 1,2% - в подопзе t ■.- и 0,6% - а головке рельсов.

Третья глава посвящена исследования влияния пластических деформаций на механические свойства рэльсопой стали в зоне сварного соединения.

Влияние наклепа на г:зханическ;:з свойства сварного соединения оценивалось результатами сравнительных испытаний образцов, вырезанных из сварного стыка до и после пластического деформирования. Дефоргетрозанкэ образцов осуществляли в условиях, ис-ключзюхих возникновение в них остаточных напрягений. Это достигалось за счет тлгреззп "образцов'из'-правленных рельсов или использования осевого раатягенип.

Образцы вырезали паи пз головки, так и подошвы рельсов. Необходимость параллельных испытаний двух серий образцов обусловлена различием механических свойств (табл.I) и неодинаковым деформиро ванием металла в этих элементах профиля при празке.

| Характеристики | механических I свойств ___

головка шейка ]" подошва

636 704 1120 6,7 ■ 24,2

580 960 7,4 20,0 7

479

381 437

889

24,5 14 230

о 9

КС 1' , Дж/см2

(Г-1> Ша

7

330

210

Образцы испытывали на статическое растяжение, ударное растяжение, циклический изгиб. Также исследовали изменение механических свойств в результате деформационного старения.

свойств значения механических характеристик сварного соединения практически оставались на том же уровне, что и до правки. Характер изменения упругих свойств металла зависит от знаков деформации, которой подвергался металл при правка рельсов и при испытаниях вырезанных образцов. В случае совпадения направления деформирования при правке и испытаниях в результате упрочнения металла происходило повышение упругих свойств сварного соединения. В противном случае, под воздействием аффекта Баупингера - их сни-

Для выявления общих закономерностей изменения механических свойств сварного соединения под воздействием наклепа были испытаны образцы предварительно деформированные осевым растяжениеы. Диапазон величин предварительной деформации составлял 0,5-2,5$

Полученные результаты показали, что за исключением упругих

жение.

для образцои, вырезанных кз головки сварных рельсов,и 1-5% - для образцов, вырезанных из подошвы сварных рельсов.

Статические испытания показали, что пластические деформации не влияют на статическую прочность сварного соединения на всем исследуемом диапазоне деформирования. В отличие от временного сопротивления упругие свойства с ростом предварительного деформирования меняются достаточно сильно. При уровне деформаций, имеющих место при правке сварных рельсов, пределы пропорциональности и текучести у образцов из головки рельса увеличивайся на 15-20%, а вырезанных из подошвы рельса до 50%. При большем увеличении предварительного дефоржрования их значения приближаются к временному сопротивлению. При деформациях 2,0-2,5% (образцы из головки) и 4-5$ (образцы из подошвы) значение пределов пропорциональности и текучести составляет 35-90$ временного сопротивления. Относительное удлинение и сужение с уведичегаам предварительного деформирования монотонно укэныгеется.

Влияние наклепа на ударного вязкость определят тзаздетигагами сериальных испытаний круглых образцов ira ударное •ргсетгание. Испытания показали, что замзтное. зкеныззввз удязяэЯ етгзкости сварного соединения происходит при дефоргкцяяг ses 1,0% - у образцов, вырезанию; из головки, и 2,5-3,С& - у образцов, вырезанию: кз подспзы рельса. Снижение велэтзши работы разрувенкя под воздействием деформационного старания наблэдается только при большее значениях предварительного депортирования {2,0-2,5% - в головке и 4,0-5,07") в подошве) а кэ яровЕзает 10-15$. С понижением температуры испытания (до 60°С) угэкьаекиз величины работы разрушения было приблизительно одинаковых для всех групп образцов (включая основной металл) к не сопровождалось дискрзтным изменением значений во всем тешературнои интервале. При уровне деформаций, тнжцем место при правке сварных рельсов, изменения ударной вязкости сварного соединения не обнаружено.

При циклическом нагружении наклеп повыпал прочность сварного соединения. У образцов из головки предварительное деформирование повышало предел выносливости с 310 до 330 ЫПа, а у образцов из подошвы с 230 до 250 МПа. В области ограниченной выносливости с увеличением степени деформирования диапазон разброса отдельных значений и характер разрушения не изменялись и оставались такими же как и до наклепа. * •

Глава_четвертая посвящена определению величины и характера распределения остаточных напряжений в рельсах после сварки, термической обработки и холодной правки стыков,, а также изучению их влияния на конструктивную прочность сварных рельсов.

■ Остаточные напряжения определяли экспериментальным путем по методу вырезки темплетов с фиксацией упругой деформации на. , поверхности темплетов. Упругие деформации замеряли датчиками сопротивления базой 5,10 и 15 ш. Одновременная вырезка нескольких темплетов позволила определись величину, знак и характер распределения напряжений в зоне сварного соединения не только по сечению, но и по длине рельса. Деформации измеряли в направлениях," параллельном: (продольные напряжения) и перпендикулярном (поперечные напряжения) продольной оси рельса.

Установлено, что распределение продольные остаточных напря-пэний в сварном стыке рельсов является более благоприятным, чем за его пределами. Головка и подошва.стыка находится в зоне действия спимагцих напряжений, d то время как у кесварных рельсов наблюдается противоположная картина (рисЛ). Возникновение больших растягивакщгс наарянаний в области шейки не только в продольном, но й поперечном налргзлен::ях следует считать неблагоприят- ■ ным последствием сварки. Ииен»о действием больших нппряазний растяжения в поперечном направлении (до ISO МПа) следует объяснить возникновение весьма распространенного дзфекта сааргшх мы-

Рис.1. Распределение продольных (сплссная л:шпя) ;т "оперенных ' (птрихозая ) остаточках напряжений па псгерхнсстп закаленных рельсов до сварки (а);-посла сзарот (б); псслэ евазгя и закал::и (в); нормаяиогцяз (г); после сзарзи, ?ор:*ообработкя :i однократной (д.э), дзукратяэП Ы и ' тгзхзратеоП (э) прззкя. z ~ :-:згаб с ра<»гпсаняе1 гядсзга, s - лзгкб с растяжением голого::, т, з - последний изгиб с раcTirrejuic:.!

ков - продельная усталостная трещина в шейке рельса (дефект по рис.56).

Местная закалка" стыка повышает величину продольных сжимающих напряжений в головке без изменения общего характера распределения напряжения по сечению рельса. Нормализация подошвы вызывает появление растягивающих напряжений в области сопряжения шейки рельса с подошвой и перераспределение их 'по сечению с уменьшением пиковых значений.

Величина и характер распределения поперечных остаточных напряжений при термообработке изменяются незначительно. Сварочный нагрев и последующая термообработка стыка изменяют поле остаточных продольных напряжений на участке 200-250 мм в обе стороны от сварного шва^ Поперечные остаточные напряжения'имеют значительную величину лишь в области зоны термического влияния (до 40 мы от шва).

Распределение продольных остаточных напряжений в сварных рельсах после правки подчиняется закону, сформулированному известной в теории пластичности теоремой о разгрузке: знак остаточных напрЯЕВкий^ возникающих в крайних волокнах изделия, является противоположным знаку деформации, которой, металл этих зон подвергался при упруго-пластическом изгибе. Поэтому эпюры распределения продольных остаточных напряжений в сварных правленных 1 рельсах с растяжением подошвы и растяжением головки являются зеркальным отражением друг друга.

Растягивавшие поперечные остаточные напряжения в шейке сварных рельерз после правки уменьшаются (до 20-50 МПа), а иногда становятся саккасц»шк. Это обстоятельство является благоприятным следствием правки, уменьшающим вероятность образования дефекта по рис.56.

По сравнению со сваркой правка изменяет поле остаточных ка-

пряжений на участке рельса меньшей протяженности. Длина его не превышает I8C-240 мл, что соответствует той зоне рельса, в пределах которой происходит пластическое деформирование металла.

'i

Многократная знакопеременная правка по сравнению с однократной резко уменьшает пиковые значения продольных остаточных напряжений (в 2,5-3 раза) с одновременным уменьшением протяженности зон, в пределах которых действуют напряжения одного знака.

Величина и характер распределения остаточных напряжений в правленных сварных рельсах практически не зависят от исходного остаточного напряженного состояния и определяются интенсивностью и тг.~шологией выполнения правки. Многократная правка предпочтительнее однократной, так как уменьшает уровень величины остаточных напряжений по сечению и позволяет- формировать- их знак в фибровых зонах рельса.

Влияние остаточных напряжений fia конструктивную прочность определяли сравнительными испытаклями сварных рельсов, имзщлх различнее остаточное напряженное состояние, но достаточно однородные механические свойстза металла з зоне стыка. Для этого сварные рельсойые образцы нц участке I50-2G0 мм со сварным швом посередине прогревали до 850°С по всему сечения рельса. После полного остывания .стыки вновь нагревали до той.же тешературн, однако не по всему сечеихга, а только в зенз шейки'или подоввы. Распределение остаточных напряжений з рельсах после указанной ' термообработки приведены на рис.2._____

Испытания на пульсаторе показали, что"усталостная прочлость сварных рельсов зависит от остаточного напряженно га состояния и понижаемся с уменьшением геличини спйкшецих и ростом растягивавших напряжений. При анализе поперечных излоиов образцов обнаружена определенная закономерность з расположении эпицентров за-создения усталостных разрушений: трещины зарсздглксь з той зоне

-ЛР-

подошвы рельса, где растягивающие остаточные напряжения были наибольшими, а при их отсутствии - сжимающие наименьшими.

сварных рельсах после газопламенной обработки стыка; (X - общий нагрев, § - общий нагрев и нагрев подошвы, 6 - общий нагрев и нагрев шейки.

Копровые испытания не выявили заметного влияния остаточных напряжений на.,'рабсту разрушения сварных стыков. Несмотря на то, что в исследуемых партиях величина остаточных напряжений в середине нишей грани подошвы изменялась от -80 до +150 Ша, их копровая прочность была.практически одинаковой при всех температур: испытания (от +20 до -60°С). Анализ полученных результатов показал, что перед -разрушением все стыки претерпевали значительна пластическую деформацию. Остаточный прогиб в рельсах достигал больших значений (10-12 ш) даже при -60°С. Позтоцу предшествую идя деформация устранила влияние остаточных напряжений. Получен нке результаты совпадают с данными исследований, проведенных с несваркыми рельсами (А.Д.Конахоз, Е.А.13ур).

В_пятой_главе изложены результаты изучения влияния холодной правки на конструктивную и эксплуатационную прочность сварных рельсов.

Воздействие правки изучали методом сравнительных испытаний непразленных и правленных полнопрофильных рельсовых стыков при статическом, циклическом и ударном видах нагружения.

Испытания на статический изгиб показали, что холодная правка существенно изменяет упругие свойства сварных рельсов. При нагружении правленных рельсов в том же направлении что и при правке (положительный изгиб) нагрузка, соответствующая началу текучести, повышается до значений, при которых производили правку. Кривая нагружения при положительном изгибе видоизменяется за счет .увеличения упругой и уменьшения пластической части диаграммы, что свидетельствует об исчерпании запаса пластичности сварных рельсов.

При нагружении правленных рельсов'б направлении, обратном правке (отрицательный изгиб), первые признаки остаточной деформации появляются при нагрузках в 2,5-3 раза меньших по сравнен:™ с неправленнымй. Такое снижение упругих свойств представлет определенную опасность, так как не исключается возможность повторного искривления правленных рельсов з эксплуатации под воздейст-нием силовых факторов в направлении, противоположном направлению правки. Поэтому повотенио жесткости правленных рельсов при отрицательном изгибе икеет- болкаоэ практическое »начеше.

Анализ полученных результатов "возводил установить, что трение упругих свойств пра»легапг$ рельсов происходит как г. результате влияния эффекта Бауиикгора, ток я под воздействием остаточных напряжении первого рода.

Искажения к зернах поликристалла, обуатаяхлв;ддг-та появление эффекта Едушт1чгра,лри обычной текпера'гуре достаточно укто»«га»ы.

-20В то же время нагрев до температур значительно меньших порога

рекристаллизации может значительно уменьшить эффект Баушингера вплоть до полного исчезновения. Исследования показали, что низко-'температурный нагрев до 250°С повышает упругие свойства правленных рельсов при отрицательном изгибе на 35-40%, что делает целесообразным его использование для повышения упругих свойств правленных рельсов. В условиях рельсосварочных предприятий применение низкотемпературного нагрева не вызовет дополнительных расходов, так как сварной стык длительное время сохраняет тепло сварки.

Еще больший эффект может быть достигнут при применении многократной знакопеременной правки, уменьшающей величину остаточных макронапряяаний в фибровых зонах рельса. Совместное использование многократной знакопеременной правки (не более 2-3 перегибов) и низкотемпературного нагрева повышало упругие свойства свар ных правленных рельсов практически до уровня неправленных.

Показатели механических свойств, полученные при статических, испытаниях, являются в настоящее время основным критерием оценки. качества сварки на рельсосварочных предприятиях. Согласно техническим требованиям сварные стыки при изгибе с растяжением в подоа ве рельса должны выдергивать без разрушения нагрузку 14С0 кН -для рельсов типа Р50 и 1800 кН - для рельсов типа Р65 и иметь величину упруго-пластического прогиба в момент разрушения не ка-■ нее 30 им."

Статические испытания показали, что правка не вызывает снижения прочностных свойств сварных.рельсов. При нагруженни в том не направлении, что и при правке, пластические свойства сварных рельсов, правленных на рекомендованных режимах (до 2 мм),находились на том л© уровне, что к неправленных. Однако при больших усилиях правки, позволяющих устранить искривления до 5 мы, наблюдается незначительное снижение пластических свойств (на 10-15%).

При нагружении правленных рельсов в направлении, противоположном правке, а также многократно правленных знакопеременными изгибами прочностные и пластические свойства сварных рельсов оставались на уровне неправленных независимо от интенсивности правки.

Результаты копровых испытаний подтвердили, что правка на рекомендованных режимах не уменьшает прочностных свойств сварных рельсов при ударном нагружении. Значения энергоемкости разрушения сварных рельсов типа Р50 и Р65, правленных усилием, равным соответственно 900 и 1200 кН на всем температурном интервале, находились на том же уровне, что и до правки. Эффект старения также не вызывает снижения копровой прочности. Однако при большей зеличине правки (до 5 мм) обнаруживается определенная тенденция к снижении энергоемкости разрушения сварных стыков, что свидетельствует о необходимости ограничения интенсивности правки до рекомендованных значений.

Выполненными испытаниями сварных рельсов на пульсаторе с растяжением головки установлено, что холодная правка при определенных условиях может оказать негативное влияние на их прочностные сзойства. Полученные данные показали, что правка с растяжением подошвы вызывает снижение предела выносливости на 20$, в то время как упруго-пластический изгиб в противоположном направлении практически нз оказывал влияния на устаяосгчуз прочность -сварных рельсов.

Ранее зшкмг:енными исследованиями нз заявлено заметного из-' менения зеличины предела выносливости сварного соединения под воздействием наклепа. Поэтому заменешю сопротивляемости рельсов усталостному разрушения следует объяснясь влиянием остатсчннх напряжений, возникавших после правки. Алгебраически суммируясь с налрязвн*«яма от циклической нагрузки остаточнке игпрянення рас-

тяжения смещали среднее напряжение цикла в сторону растяжения и тем самым уменьшали сопротивляемость металла усталостному разрушению.

■ I

Опыт эксплуатации рельсов в пути свидетельствует, что большинство усталостных повреждений происходит в головке (дефекты по рис.20,21,25,27). Поэтому создание в головке сжимающих остаточных напряжений будет способствовать повышению эксплуатационной стойкости рельсоз. В правленных рельсах это может быть достигнуто путем использования упруго-пластического изгиба с растяжением головки, а в случае применения многократной знакопеременной правки такой прогиб должен быть ее последней операцией.

Для оценки влияния правки на работоспособность сварного стыка в пути были проведены сравнительные полигонные испытания партий неправленных и правленных сварных рельсов на Экспериментальном кольце ЗНИЖГа.

Сварку закаленных рельсов типа Р65 Нижнетагильского металлургического комбината выполняли в РСП-11 Ккной ж.д. в соответствии с требованиями ГУ 32 ЦП-5б0-88. По результатам контрольных измерений прямолинейности поверхности катания сваренные рельсы были рассортированы на две партии. Диапазон разброса значений геометрических неровностей в одной партии не превышал ¿0,3 мм, а в другой составлял от -2,0 до +2,8 мм.

Правку искривленных стыков производили в плоскости большей кесткости рельса на штемпельном прессе, используемом в РСП для правки старогодиых рельсов. Стыки правили в соответствии с тре-бованиякигразработанных технологических указаний.по холодно;; правке сварных рельсов. Изменения геометрических неровностей на поверхности катания сварных рельсов после правки показали, что диапазон разброса их величины уменьшился до уровня неправленных и не превшая ¿0,3 ми. Равенство условий испытаний обсс-

печивали последовательностью утсладки исследуемых партий рельсов на одном и том же участке кольца. Критерием оценки эксплуатационной стойкости сварных рельсов служило количество однозначных изъятий рельсов в испытваемой партии (32 рельса) по дефектам и интенсивность роста величины геометрических неровностей на поверхности катания рельсов в месте сварного соединения в зависимости от пропущенного тоннажа.

Испытания в самих тяжелых условиях, а именно в кривой радиусом 400 мм, показали высокую эксплуатационную стойкость исследуемых партий рельсов. К моменту окончания испытаний пропущенный тоннаж партий неправленных и правленных сварных рельсов составил соответственно 434 и 462 млн.тонн брутто. Полученные результаты свидетельствовали не только о хорошем качестве сварки, но и высокой эксплуатационной стойкости основного металла закаленных рельсов.

За время испытаний подавляющее большинство рельсов изъято по дефектам, имеющим контактно-усталостное происхождение. Абсолютно все повреждения обнаружены на значительном удалении от сварного соединения. Прямолинейность рельсов в зоне сварного соединения оставалась удовлетворительной даже после пропуска 43С-460 млн.тонн брутто, независимо от того' подвергались стыки операции холодной правки или нет.

Основные вкзоды

I. Установлено, что образованно геометрических керовкостэй на поверхности катания бесстыновкх рельсовых плетей в зоне сварного соединения является результатом несозершенства технологии изготовления рельсов на металлургических заводах и сварки их на рельсосварочных предприятиях МПС. Теятаческие возможности ев а--

рсчного и вспомогательного оборудования не позволяют обеспечить требуемую прямолинейность поверхности катания сварных рельсов.

2. В результате проведенных комплексных исследований и полигонных испытаний показана высокая эффективность холодной правки стыков при устранении геометрических неровностей поверхности катания бесстыковых плетей в зоне сварного соединения. Разработаны технологические указания по холодной правке сварных рельсов (ЦПСВ 03/1).

3. Выполненные исследования показали, что искривление продольной оси рельса в месте стыка играет решающую роль в образовании геометрических неровностей сварных рельсов. Для устранения угловых искривлений сварных рельсов предложена правка стыка в холодном состоянии на штемпельных прессах. Величина изгибавшего момента для устранения максимальных искривлений, встречаемых в практике рельсосварочных предприятий, не превышает 27С кН-м -для рельсов типа Р50 и 350 кН-м - для рельсов типа F65.

4. Разработан и апробирован прецизионный способ измерения деформаций на поверхности крупногабаритных изделий. Ка основании выполненных измерений изучены особенности пластического деформирования металла сварных рельсов и дана количественная оценка ■уровня деформаций, возникающих при правке стыка. Определены максимальные значения относительной деформации при сешх жестких режимах правки стыка: 0,6% - в головке и 1,2% - в подошве рельсо;

5. Исследовано влияние наклепа на механические свойства металла сварного соединения в диапазоне предварительного деформирования оъ0,5 до 2,5% - в головке и 1-5% - в подошве рельсов. Выполненными исследованиями установлено:

- изменение статических характеристик, вызванное наклепом, зависит, от направления силового воздействия. При нагружешш в на 'правлении предварительного деформирования происходит повышение

дтругих и снижение пластических свойств сварного соединения. От-юшениё с увеличением наклепа растет до значений, близких < единице. При нагружении в противоположном направлении происхо-1ит снижение упругих свойств ^эффект Баупшнгера) без изменения 1ластических сзойств. Влияния наклепа на статическую прочность ■te обнаружено;

- ударная вязкость сварного соединения с увеличением степени чаклепа в исследуемом интервале уменьшается в головке рельса

-¡а 22%, а в подошве - на 31%. Пластические деформации, имеющие /.есто при правке сварных рельсов, практически не изменяют энергоемкость разрушения сварного соединения;

- сопротивляемость сварного соединения усталостному разрушению под воздействием наклепа повышается с 310 до 330 МПа - в головке и с 230 до 250 МПа - в подошве рельсов.

. б. Впервые исследовано остаточное напряженное состояние рельсов в зоне сварного соединения после контактной сварки..Установлена зависимость выносливости сзарных рельсов от знака и величины остаточных напряжений, действующих в месте зарождения усталостной трещины..

Продольные остаточные напряжения сжатия (до 160-200 МПа) з головке, сварных рельсов повышают сопротивляемость металла сварного соединения усталостным разрушениям. Образование в шейке сварных рельсов растягивающих сстатсчкьгх. напряжений а продольном (до 180 МПа) и особенно з поперечном (до 160 Ша) направлениях следует отнести к негативным последствиям .сварки, способствующим образовании веська распространенных повреждений сварных стыков - продольная усталостная «трещина в шейке рельсов (дефект 56.3).

Установлено, что распределение г>статочных нахгрякзлий ч .разлзнныл озарийс ръяьепч ;<я зашиби? <?? исходного о eraгочу.ог-.

налряженного состояния и подчиняется законам, сформулированным известной е теории пластичности теоремой о" разгрузке. Показана возможность и предложены технологические приемы, позволяющие регулировать знак и величину остаточных напряжений в правленных рельсах.

8..Опытная проверка разработанной технологической операции в условиях рельсосварочных предприятий и результаты полигонных испытаний правленных сварных рельсов на Экспериментальном кольце ЗНИИЖГа показали ее эффективность при устранении геометрических неровностей без ущерба качества сварного соединения, что позволяет рекомендовать холодную правку стыков при сварке бесстыковых рельсовых плетей для высокоскоростного движения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Синадский H.A., Шляпин В.Б. Остаточное напряженное состояние сварных объемно закаленных рельсов//Вестник ЗНИИЕТ.-1970, № 8, С.33-41.

2. Синадский H.A. Злияниз остаточных напряжений на копровую прочность сварных рельсов//Вестник ВНИИЕТ.-1971, -V! 6, С.41-43.

• 3. Лядов З.В., Скнадский H.A., Шляпин.В.Б. Влияние термической обработки на коробление сварных закаленных рельсов/Д1уть и.путевое хозяйство.-I97I, £ 10, С.12-14.

4. Синадский H.A."Влияние термической обработки на качество сварных рельоов//Пути повышения экономической эффективности перевозок грузов и'пассажиров: Сб.науч.тр. М.:Транспорт, 1972. C.5S-68.

5. Синадский H.A., Шляпин В.Б. Влияние холодной правки на качество сварных закаленных рельсов/'/Сварка железнодорожных рельсов: Сб.науч.тр.М.:Транспорт, 1977. C.II6-I35.

Подписано к печати 29.03.93г. Соркат бумаги 60 х SO I/I6 Объем 1,5 п.л. Заказ 133. 100 экз.

Типограф:« В НИШ'. 3-я Мытящккскэя. ул. д. 10 ■